二氧化硅通過調節人氣道上皮細胞自噬促進MUC5AC表達

王孝蕓 唐紅梅 王星 馬寧 李月蛟 袁謝芳 徐國鋒 張沄，2

西南醫科大學附屬醫院1炎癥與變態反應實驗室，2呼吸與危重癥醫學科（四川瀘州646000）

空氣污染是全球面臨的嚴峻問題。大氣顆粒物（PM）暴露可導致哮喘等呼吸道疾病的發生［1］。SiO2是PM 的一種，肺炎和肺纖維化與SiO2密切相關。黏液高分泌是氣道疾病的病理性特征，黏液蛋白是黏液的主要成分，MUC5AC 是氣道分泌最多的一種黏液蛋白［2-5］。SiO2可誘導氣道黏液過度表達［6］，但其影響氣道黏液高分泌的作用機制還鮮有報道。

自噬是細胞在自噬相關基因的調控下，利用溶酶體降解所包裹內容物的過程，對維持細胞內穩態有重要作用［7］。自噬可通過調控NFKB1 和AP-1 的活性，以及促進JNK 和c-Jun 的磷酸化等途徑參與調節PM 暴露誘導的黏液高分泌［8-9］，但自噬是否參與SiO2誘導的氣道黏液高分泌鮮見報道。本研究旨在探討SiO2是否通過自噬增加人氣道上皮細胞中MUC5AC 的表達。

1 材料與方法

1.1 主要材料人氣道上皮細胞株Beas-2b（ATCC）；高糖DMEM 培養基（Hyclone）；mCherry-EGFP-LC3慢病毒載體、ATG5-siRNA 和BECN1-siRNA 慢病毒載體（中國上海吉凱生物技術公司）；SiO2（大連美侖生物技術有限公司）；用于Western blot 的抗體：MUC5AC（Abcam）、ATG5（MBL 公司）、BECN1（MBL公司）、LC3Ⅱ（Abcam）、GAPDH（碧云天生物技術）。

1.2 方法

1.2.1 細胞的分組及處理用含10%胎牛血清的DMEM 高糖培養基在37 ℃和5% CO2的培養箱培養Beas-2b。將Beas-2b分為對照組、SiO2組、NC-siRNA 組、NC-siRNA+ SiO2組、ATG5-siRNA 組、ATG5-siRNA+ SiO2組、BECN1-siRNA 組、BECN1-siRNA+SiO2組。各轉染組細胞用相應慢病毒（MOI = 20）轉染12 h 后換新鮮培養基，并用1 μg/mL 的嘌呤霉素進行篩選，獲得穩定轉染細胞株。細胞用100 μg/mL 的SiO2刺激24 h。

1.2.2 免疫熒光檢測Beas-2b 中MUC5AC 的表達將Beas-2b 細胞接種在共聚焦培養皿用于免疫熒光分析。4%多聚甲醛室溫固定細胞15 min，PBS 清洗后用0.1%的TritonX-100 穿孔10 min，然后用1% BSA 室溫封閉30 min。封閉后用抗MUC5AC的一抗（1∶50）4 ℃孵育過夜。次日加入Alexa Fluor 555 結合的二抗（1∶100）室溫避光孵育1 h，然后加入DAPI 室溫避光作用5 min。所有步驟完成后將標本置于激光共聚焦顯微鏡下觀察MUC5AC表達并進行分析。

1.2.3 共聚焦顯微鏡觀察Beas-2b 自噬情況將Beas-2b 細胞接種在共聚焦培養皿培養，用mCherry-EGFP-LC3 慢病毒（MOI=20）轉染細胞，100 μg/mL的SiO2刺激細胞24 h。24 h 后在共聚焦顯微鏡下觀察Beas-2b 自噬情況。

1.2.4 Western blot 檢測Beas-2b 中MUC5AC、ATG5、BECN1 和LC3 蛋白表達用RIPA 裂解液（已加磷酸酶抑制劑）于冰上裂解細胞5 min，在4 ℃，12 000 r/min 離心10 min，取上清液即為蛋白提取液。BCA 法測定蛋白濃度。用12%的十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠（SDS-PAGE）分離蛋白（恒壓100 V，90 min），三明治法將蛋白轉移至PVDF 膜（恒流200 mA，3 h），5%脫脂奶粉室溫封閉2 h。封閉后分別用MUC5AC 抗體（1∶500）、LC3B 抗體（1∶1 000）、BECN1 抗體（1∶1 000）和ATG5 抗體（1∶1 000）4 ℃孵育過夜。次日加入相應的二抗于室溫孵育2 h。TBST 洗滌后用凝膠成像儀采集條帶圖像，并用FluorChem 8900 軟件分析目的蛋白條帶吸光度值。

1.3 統計學方法應用SPSS 17.0 統計軟件進行數據分析，所有數據用（）表示，并進行正態性檢驗和方差齊性檢驗，組間比較采用t檢驗和單因素方差分析。以P＜0.05 為差異有統計學意義

2 結果

2.1 SiO2 增加Beas-2b 細胞MUC5AC表達SiO2組的MUC5AC 熒光強度高于對照組（P＜0.01，圖1A、B）。SiO2組的MUC5AC表達高于對照組（P＜0.05，圖1C、D）。

圖1 SiO2增加Beas-2b 中MUC5AC表達Fig.1 SiO2 increased the expression of MUC5AC in Beas-2b

2.2 SiO2 促進Beas-2b 自噬蛋白表達SiO2組的自噬小體較對照組有明顯增加（圖2A、B）。SiO2組的ATG5、BECN1 和LC3Ⅱ的蛋白水平要高于對照組（P＜0.05，圖2C、D）。

圖2 SiO2促進Beas-2b 自噬蛋白表達Fig.2 SiO2 promoted the expression of autophagy protein in Beas-2b

2.3 SiO2通過上調ATG5增加Beas-2b中MUC5AC表達SiO2可使Beas-2b中MUC5AC、LC3Ⅱ和ATG5的蛋白水平增加（P＜0.05），而ATG5-siRNA 轉染細胞后，以上蛋白的表達均減少（P＜0.05，圖3A、B）。ATG5 被敲減后，SiO2誘導的MUC5AC表達降低（P＜0.05，圖3C、D）。

圖3 SiO2通過上調ATG5 增加Beas-2b 中MUC5AC表達Fig.3 SiO2 increased the expression of MUC5AC in Beas-2b by up-regulating ATG5

2.4 SiO2通過上調BECN1增加Beas-2b中MUC5AC表達BECN1 敲減的Beas-2b 被SiO2刺激后，LC3Ⅱ和MUC5AC 蛋白水平均低于陰性對照細胞（P＜0.05，圖4）。

圖4 SiO2通過上調BECN1 增加Beas-2b 中MUC5AC 的表達Fig.4 SiO2 enhanced the expression of MUC5AC in Beas-2b by up-regulating BECN1

3 討論

空氣污染，尤其是環境中的PM 對人的身體健康有許多不利影響，而肺則是被其主要影響的器官。研究表明，長期暴露于PM 污染會導致肺功能降低，并加重哮喘等慢性呼吸系統疾病［10-12］。SiO2是大氣顆粒物的一種，容易引起嚴重的肺損傷、矽肺病或特異性肺纖維化［13-15］。

黏液高分泌是氣道疾病的重要病理特征，MUC5AC 是氣道分泌最多的一種黏液蛋白。炎性因子、空氣污染物和病原體均可導致MUC5AC高表達并進一步促進炎癥［16-17］。研究表明，SiO2可以誘導黏液過度表達［6］，但其調節Beas-2b 中MUC5AC表達的作用機制目前還鮮報道。本研究用100 μg/mL 的SiO2刺激Beas-2b 細胞24 h，分別用免疫熒光和Western blot 方法檢測Beas-2b 細胞中MUC5AC表達，結果發現SiO2刺激組的MUC5AC表達明顯高于PBS 對照組，提示SiO2可以促進Beas-2b中MUC5AC 的表達。

自噬是細胞自身的一種程序性死亡，參與多種疾病的發生發展過程。近年研究發現，自噬在包括慢性肺阻塞性疾病、特異性肺纖維化、急性肺損傷及肺癌等呼吸道相關疾病中起著重要作用［18-20］。參與自噬過程的多種自噬相關蛋白如ATG5、BECN1和LC3 及PI3K/AKT/mTOR、AMPK 等多條信號通路均可影響炎性因子的釋放和細胞死亡等過程［21］。有研究報道，SiO2可以通過PI3K/AKT/mTOR 信號途徑，誘導大鼠肺泡巨噬細胞自噬并產生炎癥；SiO2導致的肺纖維化與單核細胞趨化蛋白誘導蛋白1（MCPIP1）/p53 信號途徑介導的自噬相關；研究表明SiO2還可激活肺成纖維細胞自噬［22-24］。然而SiO2是否能引起氣道上皮細胞自噬并未有研究報道。本研究中，用SiO2刺激Beas-2b，在共聚焦顯微鏡下觀察Beas-2b 中的自噬現象，發現SiO2組的自噬體（mCherry+EGFP+）和自噬溶酶體（mCherry+EGFP-）較對照組均有明顯增加。同時用Westernblot 實驗檢測自噬相關蛋白ATG5、BECN1 和LC3 II 表達，結果顯示在SiO2組中此3 種蛋白表達水平均高于對照組。表明，SiO2可促進Beas-2b 細胞自噬。

本研究進一步探討了SiO2通過調節Beas-2b 細胞自噬并促進MUC5AC表達的作用機制。迄今為止，共有三十多種自噬相關基因和蛋白被證實，BECN1、ATG5 和LC3 是其中被研究最多的分子［7］。BECN1 在自噬泡的形成中起重要作用，可促進胞吞作用和內涵體的成熟。ATG5 可與自噬泡融合，是參與自噬泡延伸的關鍵蛋白。LC3 同樣參與自噬泡的延伸，它能夠與新形成的膜結合，直到自噬溶酶體的形成，因此LC3 常被用作自噬形成的標志［25］。本研究分別用ATG5-siRNA 和BECN1-siRNA 轉染人氣道上皮細胞，同時用NC-siRNA 轉染細胞做陰性對照。Western blot 和免疫熒光實驗顯示，ATG5-siRNA+SiO2組和BECN1-siRNA+SiO2組的LC3Ⅱ水平較NC-siRNA+SiO2組有明顯降低，且MUC5AC表達較陰性對照組也有所減少。以上說明SiO2可通過上調ATG5 和BECN1 增加氣道上皮細胞自噬，從而促進MUC5AC 的表達。

綜上所述，本研究探索了SiO2通過調節人氣道上皮細胞自噬促進MUC5AC表達的作用及機制。首次表明，SiO2可通過上調ATG5 和BECN1，增加氣道上皮細胞自噬并促進MUC5AC 的表達，為臨床治療相關呼吸道疾病提供了新的思路。但本研究亦存在一些不足，比如只做了細胞實驗未做動物實驗，以及SiO2對ATG5 和BECN1 的具體調節機制未闡明。后續將跟進動物實驗，并對相關自噬調控機制做進一步研究。

【Author contributions】ZHANG Yun：Conceived and designed the study.WANG Xiaoyun，TANG Hongmei，WANG Xing，MA Ning，LI Yuejiao，YUAN Xiefang，XU Guofeng：Performed the experiments.WANG Xiaoyun：Wrote the paper.WANG Xing，WANG Xiaoyun and ZHANG Yun：Analyzed the data.All authors read and approved the final manuscript