許 浩, 孫雪妮, 吳天祺, 劉進源, 黃倩琳, 莫 蝶, 王嘉馨,陳沈嫻, 鄧伯丹, 許小洋△
(1廣州醫(yī)科大學第二臨床學院,廣東 廣州 511436;2廣州醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院,廣東 廣州 511436)
近年來發(fā)現(xiàn)巨噬細胞因吞噬氧化低密度脂蛋白(oxidized low-density lipoprotein, oxLDL)而形成的脂滴(膽固醇酯)可以通過自噬[即脂噬(lipophagy)]的方式,與溶酶體融合并被其中的酶水解為游離膽固醇而經(jīng)膽固醇逆轉運(reverse cholesterol transport,RCT)途徑排出細胞外[1-2]。因此,促進脂噬可防止泡沫細胞的形成和凋亡、增強RCT,從而起到抑制粥樣斑塊形成的目的。
在脂噬的過程中,隨著溶酶體與含脂滴的自噬體(autophagosome)的不斷融合,溶酶體的數(shù)量將不斷減少[3]。然而,細胞存在自噬性溶酶體再生(autophagic lysosome reformation, ALR)的機制[4],以維持溶酶體數(shù)量的動態(tài)平衡,確保巨噬細胞對膽固醇攝取、代謝及排出機制的穩(wěn)態(tài)維持。因此,對溶酶體再生機制的闡明,將有助于探索抑制泡沫細胞形成的新途徑,進而為動脈粥樣硬化的干預提供新的實驗依據(jù)。
在ALR 過程中,已明確溶酶體膜上的瞬時感受器電位ML1(transient receptor potential-mucolipin 1,TRPML1)鈣通道釋放的Ca2+,可激活鈣調磷酸酶(calcineurin, Cn),后者使轉錄因子EB(transcription factor EB, TFEB)去磷酸化而進入細胞核發(fā)揮其轉錄活性,從而導致哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)的激活而促進溶酶體再生[5-8]。因此,尋找高效的、可激活TRPML1 的信號分子(或信號通路),將不僅可促進溶酶體再生,也將為抑制泡沫細胞的形成乃至預防或延緩動脈粥樣硬化的發(fā)生提供靶點。
煙酸腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinic acid adenine dinucleotide phosphate, NAADP)作為細胞內的第二信使,可激活TRPML1通道而增加溶酶體Ca2+釋放[9]。NAADP 可通過ADP 核糖基環(huán)化酶-CD38 催化煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+)與煙酸(nicotinic acid, NA)反應生成[10]。本課題組前期報道過NA 可促進巨噬細胞溶酶體膽固醇外流[11],高脂飲食的CD38基因敲除小鼠可在冠狀動脈中發(fā)現(xiàn)斑塊的形成[12],提示CD38/NAADP 可激活TRPML1 而發(fā)揮其抑制巨噬細胞溶酶體膽固醇蓄積的作用,但其是否可促進溶酶體再生仍有待進一步觀察。有鑒于此,本研究擬從CD38 入手,觀察其對巨噬細胞溶酶體再生及膽固醇調節(jié)的影響,以期為探尋溶酶體再生的觸發(fā)機制及其效應提供新的實驗支持。
RPMI-1640 培養(yǎng)液和胎牛血清購自Gibco;CD38 siRNA、β-actin 抗體和溶酶體相關膜蛋白1(lysosomal associated membrane protein 1, Lamp1)抗體購自Santa Cruz;CD38 質粒購自GeneCopoeia;siRNA 及質粒轉染試劑盒購自SignaGen;NA 和煙酰胺(nicotinamide)購自Sigma-Aldrich;實時熒光定量PCR 試劑盒購自Qiagene;山羊抗大鼠Alexa Fluor 633 熒光Ⅱ抗購自Thermo;細胞培養(yǎng)玻片(8 室)購自Biologix;oxLDL 購自廣州瑞千公司;Filipin 染色液、NAADP 拮抗劑NED-19 和Ca2+螯合劑BAPTA 購自Cayman;DiIoxLDL 購自Scintol;NAADP 購自AAT Bioquest;Nile red染色劑購自MedChemExpress;超敏ECL化學發(fā)光試劑盒和DMSO 購自碧云天;HRP 標記的羊抗兔IgG試劑購自Southern Biotech;環(huán)孢素A(cyclosporine A,CsA)購自InvivoChem;磷酸化TFEB(Ser211)抗體購自Affinity;NAADP ELISA 檢測試劑盒購自SAB Signalway。
2.1 細胞培養(yǎng) 實驗所用原代巨噬細胞按已發(fā)表的方法培養(yǎng)[12-13]。簡述如下:按無菌操作的要求取下小鼠股骨和脛骨,剪斷骨骼兩端。用注射器吸取RPMI-1640 培養(yǎng)基插入一側骨髓腔,沖出骨髓。再將骨髓輕柔吹打成細胞懸浮液,1 500 r/min 離心3 min,棄上清,用含10%胎牛血清、15% L-929 條件培養(yǎng)基的RPMI-1640 培養(yǎng)基(2%雙抗)10 mL 輕柔吹打成懸浮細胞并移至培養(yǎng)皿中,置于37 ℃、5% CO2的細胞培養(yǎng)箱內培養(yǎng)。7 d 后細胞分化完成,即可用于相應實驗。
2.2 NAADP 拮抗劑及Ca2+螯合劑處理 在觀察NAADP 拮抗劑NED-19、Ca2+螯合劑BAPTA 及鈣調磷酸酶抑制劑CsA 對NA 影響溶酶體膽固醇外流實驗中,先加入NED-19、BAPTA或CsA,1 h后加入NA,再經(jīng)1 h 后加入oxLDL,48 h 后固定細胞,經(jīng)破膜、Lamp1 抗體標記、filipin 和Nile red 染色等處理以進行激光共聚焦成像檢測觀察。在觀察NA 對CD38 mRNA、CD38蛋白表達及磷酸化TFEB水平影響的實驗中,按上述順序分別加入NED-19(或BAPTA 或CsA)、NA 和oxLDL, 24 h 后提取總RNA 進行RT-qPCR 測CD38 mRNA 水平,48 h 后提取蛋白進行Western blot測目的蛋白表達。
2.3 巨噬細胞溶酶體數(shù)量檢測 將巨噬細胞按每皿1.0×106個接種于35 mm 玻璃培養(yǎng)皿中,巨噬細胞溶酶體采用DiI-oxLDL 染色,溶酶體數(shù)量變化通過活細胞共聚焦掃描成像系統(tǒng)(Zeiss Axio Observer Z1,Carl Zeiss Microscopy)檢測。各種處理結束后將含細胞的玻璃培養(yǎng)皿置于熒光成像系統(tǒng)的細胞室中(37 ℃、 5% CO2),觀察時長設置為12 h, 掃描間隔2 h,細胞掃描分層(Z軸)為16層。
2.4 巨噬細胞內NAADP 水平檢測 經(jīng)不同處理后,按照ELISA 檢測試劑盒的操作說明收集、裂解巨噬細胞并進行細胞內NAADP 檢測。細胞裂解與Western blot 中細胞裂解操作相同,即用50 μL RIPA裂解并超聲后,經(jīng)1 500×g于4 ℃離心10 min 以移除細胞碎片,吸取上清進行蛋白濃度測定并進行NAADP 檢測。NAADP 實際水平用蛋白量進行標準化定量。
2.5 巨噬細胞游離膽固醇及脂質蓄積檢測 巨噬細胞游離膽固醇和中性脂質(膽固醇酯)分別通過filipin 和Nile red 熒光染色劑染色;溶酶體采用溶酶體膜表面特征蛋白Lamp1 抗體免疫標記;將誘導分化好的巨噬細胞按每室5×104個接種于8室細胞培養(yǎng)玻片中,經(jīng)不同處理后,按已報道的方法進行固定、破膜、Lamp1 抗體標記、filipin 染色[13],之后細胞用Nile red孵育10 min,PBS洗1次后封片用于激光共聚焦檢測。激光共聚焦掃描拍照采用多光子激光掃描顯微鏡(Zeiss LSM 510,Carl Zeiss Microscopy),不同通道圖像采取依次掃描方式獲取以防止干擾,整個過程所有參數(shù)均保持一致。熒光成像的激發(fā)和發(fā)射波長參數(shù)分別為Alexa Fluor 633(ex 633 nm/em 650~710 nm)、filipin(ex 740 nm/em 435~485 nm)和Nile red(ex 514 nm/em535~590 nm)。熒光強度采用Image Pro 9.1軟件(Media Cybernetics)定量,其中filipin強度代表游離膽固醇的量,Nile red 強度代表中性脂質的量。同時分析filipin 與Lamp1 間的共定位系數(shù)(Pearson's),以判定溶酶體中游離膽固醇的量。
2.6 CD38 蛋白表達及磷酸化TFEB 蛋白水平檢測 參照已有報道中的方法[14],經(jīng)標準的Western blot 程序完成。Ⅰ抗及Ⅱ抗?jié)舛染鶠?∶500,Ⅰ抗4 ℃孵育過夜,Ⅱ抗常溫孵育1 h。
2.7 CD38 mRNA 表達檢測 巨噬細胞經(jīng)NA、ox-LDL 處理24 h 后,提取總RNA 按已有報道中的方法進行RT-qPCR,以檢測CD38的mRNA表達[12]。
2.8CD38siRNA 干擾及CD38基因回補 采用GenMute 轉染試劑盒,依照原報道中的方法進行[12]。RNA 干擾效應于轉染24 h 后經(jīng)RT-qPCR 驗證。在CD38siRNA 干擾對細胞溶酶體再生及膽固醇蓄積影響實驗中,于轉染scramble siRNA 和CD38 siRNA后24 h 加入NA 和oxLDL,48 h 后固定細胞,再經(jīng)破膜、Lamp1 抗體標記、filipin 和Nile red 染色等處理以進行激光共聚焦成像檢測觀察。在CD38基因回補對LDLr/CD38雙基因敲除(double knockout, DKO)巨噬細胞膽固醇外流的影響實驗中,于轉染含CD38cDNA 質粒(或vector) 24 h后加入NA 和oxLDL,再經(jīng)48 h 后固定細胞,經(jīng)破膜、Lamp1 抗體標記、filipin 和Nile red 染色等處理以進行激光共聚焦成像檢測觀察。
采用SigmaPlot 12.5 for Windows 進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。計量數(shù)據(jù)以均數(shù)±標準差(mean±SD)表示,多組間顯著性差異比較使用單因素方差分析,組間兩兩比較采用t檢驗(Holm-Sidak 法)。以P<0.05 為差異有統(tǒng)計學意義。
為探討CD38/NAADP 信號途徑是否可經(jīng)Ca2+/Cn/TFEB 促進溶酶體再生,本研究首先觀察了NAADP對溶酶體數(shù)量的影響。
采用LDL 受體敲除(LDLr-/-)小鼠的骨髓源性巨噬細胞作為觀察對象,以更好地模擬高膽固醇的細胞環(huán)境。結果顯示,NAADP 可明顯促進巨噬細胞中溶酶體數(shù)量的增加(溶酶體再生增強),這種效應可被NAADP 拮抗劑NED-19、Ca2+螯合劑BAPTA 及Cn(Ca2+直接激活的下游分子)抑制劑CsA明顯抑制(P<0.05);有趣的是,溶酶體數(shù)量增加后,其分布范圍朝細胞邊緣明顯靠近(P<0.05),見圖1。

Figure 1. NAADP increased lysosome number in LDLr-/- macrophages. Macrophages were incubated with oxLDL (40 mg/L) and DiIoxLDL (1 mg/L) for 48 h, followed by being chased for 24 h, then incubated with NAADP(100 nmol/L) with or without NAADP antagonist NED-19 (100 μmol/L), calcium chelator BAPTA (5 μmol/L) or calcineurin inhibitor CsA (5 μmol/L)and proceeded to live cell confocal microscopic scanning (duration 12 h, interval 2 h). A: real-time (living cell) confocal microscopic images of DiI-oxLDL staining; B: summarized lysosome number calculated with Image-Pro Premier software;C: percentage of lysosome closer to cell edge analyzed with Image-Pro Premier software. Mean±SD. n=6. *P<0.05 vs control group.圖1 NAADP增加LDLr-/-巨噬細胞溶酶體數(shù)量
為明確CD38 和NA 在LDLr-/-巨噬細胞NAADP合成中的作用,我們檢測了NA 對細胞內NAADP 水平的影響;同時將LDLr-/-小鼠的CD38基因敲除,以確定CD38 對NAADP 合成的作用。結果顯示:加入NAADP合成底物NA后,經(jīng)oxLDL處理LDLr-/-巨噬細胞中的NAADP 水平顯著升高(P<0.05);該現(xiàn)象在CD38基因敲除LDLr-/-巨噬細胞中消除(P<0.05),見圖2。

Figure 2. CD38 catalyzed NAADP synthesis in LDLr-/- macrophages. A: intracellular NAADP levels of LDLr-/- macrophages treated with oxLDL, NA and CD38 inhibitor nicotinamide (Nic, 6 mmol/L); B: NA-induced changes of NAADP level in LDLr-/-macrophages with or without CD38 gene. DKO: double knockout. Mean±SD. n=6 in A; n=4 in B. *P<0.05 vs control group; #P<0.05 vsNA+oxLDL group; △P<0.05 vs LDLr-/- macrophage group; ▲P<0.05 vsoxLDL (LDLr-/-) group.圖2 CD38促進LDLr-/-巨噬細胞NAADP合成
為探討NA 與CD38之間是否存在相互作用的關系,我們觀察了NA 對CD38 mRNA 和蛋白表達的影響。為了排除不同基因背景下CD38表達的異同,我們同時觀察了NA對野生型(wild type, WT)和LDLr-/-小鼠巨噬細胞CD38表達的調節(jié)。結果顯示,不論是在WT 還是在LDLr-/-巨噬細胞中,NA 均可促進CD38的mRNA 和蛋白表達,尤其對LDLr-/-巨噬細胞的作 用更明顯(P<0.05),見圖3。

Figure 3. NA promoted CD38 expression in macrophages. Total RNA and protein were extracted 24 and 48 h, respectively, from macrophages loaded with oxLDL (40 mg/L) in the presence of niacin (NA, 5 mmol/L) for CD38 expression assay. A:summarized CD38 mRNA levels by RT-qPCR; B: representative Western blot images of CD38 bands (top) and summarized intensity (bottom). The intensity was normalized to control. Mean±SD. n=5. *P<0.05 vs control group; △P<0.05 vs oxLDL(wild type) group; #P<0.05 vs oxLDL (LDLr-/-) group.圖3 NA促進巨噬細胞CD38的表達
如圖4 所示,NA 可顯著降低TFEB 的磷酸化水平(即促進TFEB 去磷酸化),而NAADP 拮抗劑NED-19、Ca2+螯合劑BAPTA 及Cn 抑制劑CsA 則明顯抑制NA 的這一效應(P<0.05)。提示NA 可能通過CD38/NAADP途徑激活Ca2+/Cn/TFEB 信號通路而促進溶酶體再生。

Figure 4. NA reduced phosphorylated TFEB (p-TFEB) in macrophages. Total protein was extracted from LDLr-/- macrophages incubated with oxLDL (40 mg/L) in the presence of NA (5 mmol/L) with NAADP antagonist NED-19 (100 μmol/L), Ca2+ chelator BAPTA (5 μmol/L) or calcineurin inhibitor CsA (5 μmol/L) for 48 h. Mean±SD. n=3. *P<0.05 vs oxLDL group; #P<0.05 vs NA+oxLDL group.圖4 NA降低巨噬細胞TFEB的磷酸化水平
結果如圖5 所示:NA 可顯著增加巨噬細胞的溶酶體數(shù)量(溶酶體數(shù)量增加且向細胞邊緣靠近)、減少溶酶體中游離膽固醇(藍色強度及其與紅色重合部分)和胞質中脂滴(黃染部分,主要成分為膽固醇酯)的蓄積(P<0.05);NAADP 拮抗劑NED-19、Ca2+螯合劑BAPTA 和CD38敲減均可明顯減弱NA 的上述效應(P<0.05)。
為進一步明確CD38/NAADP 對巨噬細胞溶酶體再生和膽固醇調節(jié)的影響,我們將LDLr-/-小鼠和CD38基因敲除(CD38-/-)小鼠雜交,篩選出子代中LDLr/CD38DKO 小鼠,以其骨髓為細胞源培養(yǎng)LDLr/CD38DKO巨噬細胞用于實驗;并利用基因回補技術將CD38 質粒轉染該細胞,以明確CD38/NAADP 信號通路在巨噬細胞溶酶體再生和膽固醇調節(jié)中作用。
結果顯示:NAADP 可明顯增加LDLr/CD38DKO巨噬細胞中溶酶體數(shù)量(P<0.05)、減少溶酶體中游離膽固醇和胞質中膽固醇酯的蓄積(即促進溶酶體和胞質中膽固醇外流,P<0.05);NA 對LDLr/CD38DKO 巨噬細胞中溶酶體數(shù)量及膽固醇的蓄積無明顯影響,進行CD38基因回補后,NA 促進溶酶體數(shù)量增加和抑制膽固醇蓄積的效應才明顯地顯示出來(P<0.05),見圖6。

Figure 6. Effect of CD38 rescue on lysosome number and cholesterol egression in LDLr/CD38 DKO macrophages. The macrophages were incubated with oxLDL at 40 mg/L in the presence of NAADP (100 nmol/L) for 48 h and labelled with filipin (free cholesterol, blue), Lamp1 antibody (lysosomes, red), and Nile red (lipid droplets of cholesterol ester, yellow). For plasmid transfection, the macrophages were transfected with 1.33 mg/L of vector (negative control) or CD38 plasmid, and 24 h after transfection, the macrophages were incubated with 40 mg/L of oxLDL in the presence of NA(5 mmol/L) for 48 h. A:confocal fluorescence images of filipin, Lamp1 antibody and Nile red staining; B: lysosome number calculated with Image-Pro Premier software; C: summarized intensity free cholesterol (FC) stained by filipin; D: colocalization coefficient between filipin and Lamp1 (lysosome); E: intensity analysis of Nile red-stained lipid droplets(cholesterol ester). lm: lumen. Mean±SD. n=6. *P<0.05 vs control group; #P<0.05 vs oxLDL group; △P<0.05 vsvector+NA+oxLDL group.圖6 CD38回補對LDLr/CD38雙基因敲除巨噬細胞溶酶體數(shù)量及膽固醇外流的影響
巨噬細胞的溶酶體在RCT 途徑中發(fā)揮著重要的作用[15-16]。溶酶體的功能異常可影響膽固醇的代謝和排出,進而促進動脈粥樣硬化的發(fā)生[15,17]。同理,若溶酶體的數(shù)量減少也可導致類似的病理過程。
脂噬有助于防止巨噬細胞向泡沫細胞的轉變[18-20],抑制脂噬則促進泡沫細胞形成[21]。但脂噬的過程伴隨有溶酶體數(shù)量的減少,需通過自噬性溶酶體再生的機制維持溶酶體數(shù)量的動態(tài)平衡[4]。因此,對溶酶體再生機制的闡明,將有助于探索抑制泡沫細胞形成的新途徑,進而為動脈粥樣硬化的干預提供新的實驗依據(jù)。
在自噬性溶酶體再生中,mTOR為關鍵的信號中樞[4,22-23]。經(jīng)溶酶體TRPML1 鈣通道釋放的Ca2+,通過Cn/TFEB 信號途徑介導,激活mTOR 而促進溶酶體再生[5-8]。本研究進一步觀察了CD38/NAADP信號通路對巨噬細胞溶酶體再生及膽固醇調節(jié)的影響,以期為探尋溶酶體再生的觸發(fā)機制及其效應提供新的實驗支持。
本研究發(fā)現(xiàn),NAADP 可顯著增加巨噬細胞中溶酶體的數(shù)量,提示其可能具有促進溶酶體再生的作用,且阻斷Ca2+/Cn信號通路則抑制NAADP的上述效應,表明NAADP 的效應可能是通過激活TRPML1 而釋放Ca2+,后者再激活Cn而發(fā)揮溶酶體再生的作用。
NAADP 作為細胞內第二信使,可由一關鍵酶CD38 催化NADP+與NA 的煙酰胺基團交換產生[10]。與此相一致,本研究也觀察到NA 可使LDLr-/-巨噬細胞中的NAADP 水平顯著升高,當CD38基因敲除后,NA 的這種效應基本消失。這一結果進一步明確了CD38 在NA 促進NAADP 生成中作用,同時也提示,NA有可能成為促進溶酶體再生的潛在藥物。
為進一步闡明NA 的作用機制,本研究觀察了NA 對CD38 mRNA 和蛋白表達的影響。結果顯示,NA 可促進WT 和LDLr-/-巨噬細胞CD38 的mRNA 和蛋白表達,尤其對LDLr-/-巨噬細胞的作用更明顯。提示NA 不僅作為反應底物促進NAADP 的合成,還可通過酶誘導作用,促進CD38的表達而增強其催化效應。至于NA 對促進LDLr-/-巨噬細胞CD38 表達的作用為何更明顯,仍有待進一步深入探討,可能與LDLr基因敲除小鼠體內存在較高水平的LDL,后者通過某種機制促進了CD38的表達有關。
如前所述,在自噬性溶酶體再生的過程中,Ca2+/Cn/TFEB 信號途徑起著始動性的作用[5-8]。本研究的結果顯示,NA 可顯著促進TFEB 去磷酸化,且阻斷NAADP/Ca2+/Cn 信號分子則明顯抑制NA 的這一效應。從而表明NA 可能通過CD38/NAADP 途徑激活Ca2+/Cn/TFEB信號通路而促進溶酶體再生。
巨噬細胞溶酶體再生對維持溶酶體數(shù)量的穩(wěn)態(tài)、促進膽固醇逆轉運和減少泡沫細胞的形成至關重要[24]。本研究觀察到,NA 不僅可增加巨噬細胞的溶酶體數(shù)量,還可減少溶酶體中游離膽固醇和胞質中膽固醇酯(脂滴)的蓄積;阻斷CD38/NAADP 信號通路后,NA 的上述效應明顯減弱。說明CD38/NAADP 信號通路與溶酶體再生的始動環(huán)節(jié)密切相關,激活CD38/NAADP 信號通路既可促進溶酶體再生,也有利于巨噬細胞中對膽固醇的調節(jié),從而有助于減少泡沫細胞的發(fā)生。而CD38 基因回補的結果則進一步證實了CD38/NAADP 信號通路在促進巨噬細胞溶酶體再生和抑制膽固醇蓄積中的作用。
自噬性溶酶體再生過程往往需要一定的誘發(fā)因素,如饑餓、缺氧或化學試劑的誘導[25-26],實驗中常用饑餓作為誘發(fā)自噬的手段[27]。如能避開饑餓等手段,直接通過某種藥物或信號分子干預巨噬細胞自噬性溶酶體再生的信號通路,則有可能影響溶酶體的再生甚至調節(jié)巨噬細胞細胞對脂質的代謝。而本研究結果表明,不必采取饑餓的手段,NA 即可經(jīng)CD38/NAADP 信號通路促進巨噬細胞溶酶體再生,進而對巨噬細胞的脂質調節(jié)產生有利影響。這為日后動脈粥樣硬化的預防和治療提供了新的思路。
本研究觀察到CD38/NAADP 信號通路經(jīng)TFEB介導,參與了巨噬細胞溶酶體的再生過程,但目前只是對該過程中Ca2+/Cn/TFEB 信號途徑的觸發(fā)機制進行了探討,今后應針對如何提高NA 對CD38/NAADP的作用效應及其對TFEB 的下游信號通路的影響進行更加深入的觀察,以期為促進溶酶體再生進而抑制泡沫細胞的形成提供更多的實驗支持。
綜上所述,CD38 可經(jīng)TFEB 介導,觸發(fā)巨噬細胞溶酶體再生,進而促進巨噬細胞溶酶體游離膽固醇和胞質中膽固醇酯的外流。