SUCLA2在Aβ毒性神经元中表达量的变化及其对线粒体功能影响的机制研究
发布时间:2020-08-12 11:59
【摘要】:研究背景阿尔茨海默病(Alzherimer' s disease AD)是一种神经系统退行性病变,多发生于老年期,是痴呆最常见的原因。随着老龄化社会的发展,AD对人类健康的影响越来越被大家关注。阿尔茨海默病多隐袭起病,进行性加重,其主要临床表现为记忆力减退、认知功能障碍、行为损害、言语障碍等,最终丧失日常生活能力。AD的发病率日益增长,在中国的流行病学调查显示:目前在老年人群中AD患病人口已经超过600万,预计到2050年患病人口将超过2000万,是世界上AD患病人口最多、增长速度最快的地区,而目前针对AD尚缺乏有效的诊治措施。阿尔茨海默病的经典病理特征被公认为是脑内β淀粉样蛋白(Aβ)异常沉积所致老年斑的形成、细胞内高度磷酸化的tau蛋白聚集形成神经纤维缠结以及神经元细胞数目的缺失。但其具体的发病机制目前尚不明确。针对AD的发病机制目前存在多种假说,其中Aβ过度沉积假说被大多数人认可,但是随着针对清除A β来治疗AD的临床试验的失败,人们希望能够寻找到新的靶点来治疗AD。而线粒体是细胞产能的重要部分,对维持细胞的正常功能至关重要,线粒体功能障碍可以导致细胞的损伤甚至死亡。神经元细胞是耗能较高的细胞,而且由于其不能储存能量,对线粒体产生ATP的功能非常依赖,因此推测线粒体功能障碍可以导致神经元细胞的死亡而引发临床症状。目前在AD的发病机制中线粒体功能障碍已成为研究的热点。线粒体功能障碍包括线粒体DNA损伤、线粒体动力学失平衡、线粒体能量代谢障碍、ROS产生增多等。引起上述情况的任一因素都可能参与到线粒体功能障碍的机制中去。在线粒体内进行的三羧酸循环中有一个关键酶是琥珀酸辅酶A合成酶,它是由α β异源二聚体构成,包括恒定不变的α亚单位和可变的β亚单位,其中SCS α亚单位是由SUCLG1编码的,而SCS β亚单位有2种形式,分别是由SUCLA2编码的ADP形成β亚单位和SUCLG2编码的GDP形成β亚单位。该酶存在于线粒体基质中,催化琥珀酰辅酶A和NTP(ATP/GTP)转化为琥珀酰、辅酶A和NDP(ADP/GDP)的可逆反应。既往我们关注SUCLA2基因的缺失可以导致线粒体DNA耗竭综合征,即表现为一组以高耗能器官功能障碍为主的临床综合征,但其根本病理特征是线粒体DNA的拷贝数减少;而且SUCLA2可能特异性地高表达于神经元中,因此我们推测由于SUCLA2与线粒体DNA完整性及线粒体动力学的重要联系,它可能参与了 AD的发生发展过程。因此。我们的研究主要围绕SUCLA2在Aβ刺激的神经元中的变化以及这种变化可能导致的线粒体功能障碍的机制进行研究,以希望能够寻求关于AD诊治的新的靶点。研究目的1、研究SUCLA2是否高表达于神经元中并且应用A β 1-42寡聚体处理神经元细胞后SUCLA2表达量的变化。2、研究SUCLA2下调后导致线粒体功能障碍的机制。研究方法1、新生小鼠大脑皮层原代神经元培养:将新生鼠在70%的酒精中清洗,然后取出全脑,放入DMEM中浸泡;在显微镜下分离皮层,去脑膜,将剥好的皮层放在另一个盛放DMEM的培养皿中;(以上过程冰盒上操作)将剥好脑膜的皮层迅速拿回超净台中,放置在冰盒上,吸取多余的DMEM,用无菌刀片将脑组织彻底切碎,转移至10ml离心管中;用冷的HBSS清洗2遍,静置后吸去上清液;吸取5.5mlHBSS放入另一个离心管中,加入2ml胰酶混匀放入37℃孵箱预热;将脑组织放入预热的胰酶中,将混合物放入37℃水浴箱中水浴15分钟,每5分钟混匀一次;加入1mlFBS终止消化。混匀后等组织彻底沉至管底弃去上清液,用NeurobasalA重悬沉淀,用移液管轻柔吹打15次左右,将消化好的组织吹散;将吹打混匀的细胞用40nm滤网过滤,将滤过的液体转移至另一个10ml的离心管中,室温下200g、5分钟离心;离心后弃去上清液,用神经元培养基重悬细胞,显微镜下计数,然后按大约4~6X106/ml种入提前被多聚赖氨酸包被的孔板中,然后放入37℃、5%的C02孵箱中。原代神经元细胞大约需3-4天半量换液。2、新生小鼠的神经胶质细胞培养:将新生鼠在70%的酒精中清洗,然后取出全脑,放入DMEM中浸泡;将盛有全脑的培养皿放置在显微镜冰盒上,在显微镜下分离皮层,去脑膜,将剥好的皮层放在另一个盛放DMEM的培养皿中(冰盒上);将剥好脑膜的皮层迅速拿回超净台中,放置在冰盒上,吸取多余的DMEM,用无菌刀片将脑组织彻底切碎,转移至10ml离心管中;用冷的HBSS清洗2遍,静置后吸去上清液;吸取5.5mlHBSS放入另一个离心管中,加入2ml胰酶混匀放入37℃孵箱预热;将脑组织放入预热的胰酶中,将混合物放入37℃水浴箱中水浴15分钟,每5分钟混匀一次;加入1mlFBS终止消化。混匀后等组织彻底沉至管底弃去上清液,用DMEM(+10%FBS)重悬沉淀,用移液管轻柔吹打25次左右;将吹打混匀的细胞用40nm滤网过滤,将滤过的液体转移至另一个10ml的离心管中,室温下200g、5分钟离心;离心后弃去上清液,用胶质细胞培养基重悬细胞,显微镜下计数,种入细胞培养瓶中,然后放入37℃、5%的CO2孵箱中。根据培养皿中细胞生长的密度、状态及培养基颜色的变化适时更换完全培养基,一般每隔1-2天更换1次。培养基用前在37℃水浴锅中预热。换液时先弃掉旧的培养基,用PBS洗2遍,再加入新的培养基。细胞传代时先用PDL包被培养瓶/孔板,传代之前用ddH20清洗干净晾干;当细胞满90%左右传代。首先吸净培养基,用37℃预热的无菌PBS冲洗3遍后,加入1ml预热的0.25%的胰酶,待细胞轻轻敲击后可脱落时,加入2ml完全培养基终止消化。收集消化的细胞至15ml离心管中,1000rpm、5分钟离心,弃去上清,用培养基重悬细胞,根据所需密度进行接种,置于37℃、5%的CO2孵箱中培养。3、Western blot免疫印迹:将样本用1 X loading buffer进行提取、收集,然后加入沸水中煮沸10分钟。将制好的SDS-PAGE胶安放至垂直电泳槽中,加入1 X running buffer,70V,30分钟预电泳。将Marker蛋白及目标蛋白按所需要求加入孔中,进行电泳。电泳分为二阶段:一阶段30-40V,二阶段150V,根据蛋白Marker的位置确定电泳时间,待所需检测的蛋白分离后结束电泳断开电源。按所需准备PVDF膜及滤纸,将PVDF膜使用之前浸泡于甲醇中,转膜夹上下均需有4层滤纸;将托盘中加入遇冷的转膜液,根据marker指示按需切胶。低温条件下开始转膜。采用恒流180mA,根据蛋白分子量调整转膜时间。转膜结束后取出PVDF膜,自然晾干,甲醇浸泡1分钟,去离子水浸泡1分钟,用0.5%PS水平摇床上染膜,拍照后用去离子水清洗底色。根据Marker做好分子量标记,裁剪所需条带,用1×TBST配置的5%牛奶或5%BSA(根据不同蛋白要求)室温下水平摇床上封闭1小时。倒掉牛奶后用1TBST清洗,分别加入适当比例配置的一抗,4℃水平摇床过夜。第二天回收一抗,将膜用TBST洗膜3次,每次置于水平摇床上10分钟;加入相对应的二抗,放于室温水平摇床上1小时。回收二抗,用TBST水平摇床上洗膜3次,每次10分钟;洗膜结束后用滤纸吸干洗膜液,在目标蛋白所对应的位置均匀涂抹显影液,使用Alpha Flurochem Q成像分析系统显影。4、Aβ寡聚体的制备及细胞处理:在通风橱内,用HIFP重悬冻干粉Aβ1-42(1mgAβ+300ulHIFP),用冰袋提前冷却超声水浴锅,充分混匀后放在超声水浴锅30分钟溶解。将上述溶液10000rpm、5分钟离心,转移上清液再次离心,条件相同,保留上清液,将2次收集的上清液混合,按所需量分别装入EP管中。在无菌通风橱中干燥过夜,将Aβ溶液中的HIFP完全挥发,其管底就是Aβ肽膜。将其存于-80℃冰箱备用。处理细胞前取出肽膜,用无菌DMS0 60 μl反复吹打溶解肽膜,加入900 μ 1PBS(PH=8.0)在10℃超声水浴中5分钟使其充分溶解,在10℃10000rcf离心5分钟,吸取上清液,用BCA法测定Aβ的浓度。将Aβ溶液4℃孵育过夜,该产物可视为A β寡聚体状态,用Western blot免疫印迹法进行验证。按照所需浓度将Aβ加入细胞培养液中刺激细胞。进行细胞处理时需注意要将每孔细胞的培养基调整至等量。5、质粒制备及细胞转染:用无菌剪刀沿标记剪下标有质粒的滤纸,将其放入EP中。在每个EP中加入40 μ 1的无菌去离子水,浸泡滤纸,封口膜封口,做好标记,-20℃冰箱保存。配制LB培养基,制备LA培养皿,制备感受态细胞(Stb13按说明书操作),在细菌超净台中涂板,待菌液吸收后将其倒置放入37℃孵箱中过夜。观察过夜培养的菌落,选取单菌落进行摇菌扩增。用小提质粒盒(NucleoSpin Plamsid)进行质粒提取。将提取的质粒细胞进行细胞转染。制好病毒后分装标记,-80℃冰箱保存,使用时4℃融化即可。将病毒直接加入神经元细胞中,每孔加入4 μl,孵育3-6天后收集细胞,TRC只需加一次,跟最长时间的病毒一致即可。6天后做Western检测蛋白。6、线粒体膜电位、树突线粒体含量以及ATP的测定:将原代培养的神经元与200nM的TMRM和400nM的线粒体示踪绿色染料在细胞培养箱(5%C02、37℃)中共同孵育30分钟,预热神经元培养基,将神经元取出后用预热的培养基洗涤,然后再放入培养箱中孵育15分钟。用带孵箱的尼康倒置显微镜进行图像采集。ATP含量的测定通过 Luminescent ATP Detection Assay Kit 检测。7、数据处理及统计学分析:Western blot图像由美国卫生院ImageJ软件进行条带灰度处理及分析,将目标蛋白灰度值以相应线粒体内参蛋白或细胞总蛋白内参蛋白调整处理后,将对照组数值设置为1,然后进行统计学分析。数据分析通过ImageJ软件处理分析。统计学分析采用SPSS软件(IBM software)进行单因素方差分析、Bonferroni事后检验法分析或t检验重复检测并进行统计学分析。各组间的分布和变异基本一致。p0.05被认为是有统计学意义的。所有数据均表示为均数±标准差。研究结果1.Aβ寡聚体可以诱导神经元细胞的凋亡我们用正常野生型C57/BL小鼠(出生24小时内)进行神经元原代细胞的培养,选取生长状态良好的细胞加入制备好的A β寡聚体,孵育24-48小时,观察细胞的生存状态,发现神经元细胞大部分凋亡崩解成细胞碎片(Fig1-2)。同时我们分析了 DMSO及Aβ浓度对实验细胞活性的影响(Fig4-5),证实在该实验条件下神经元细胞的凋亡是由Aβ造成的。2.SUCLA2特异性表达于神经元细胞我们通过正常野生型C57/BL新生小鼠进行大脑皮层细胞原代神经元培养及神经胶质细胞培养,选取生长状态良好的细胞提取蛋白,通过Western blot免疫印记比较SUCLA2、SUCLG1、SUCLG2表达量在这两种细胞中的变化,提示SUCLA2特异性表达于神经元中,并且在成熟神经元中表达量更高(Fig 6,P0.05)。3.SUCLA2表达量的变化:在Aβ毒性神经元中SUCLA2表达量明显下降,而且随着Aβ浓度的升高及作用时间的延长下降更明显我们对正常C57/BL新生小鼠进行大脑皮层细胞原代神经元的培养,同时制备A β寡聚体,用BCA法测定其浓度,在神经元中分别加入0.1umol/1和1.Oumol/1进行细胞刺激,孵育24、48小时后,分别收取蛋白,通过Western blot免疫印记法检测蛋白表达量,发现在A β毒性神经元中SUCLA2表达量明显下降,并且随着Aβ浓度的升高下降及作用时间的延长更明显(Fig 7,P0.05)。4.SUCLA2表达下调细胞模型中线粒体功能障碍的研究4.1 SUCLA2表达量同时下调SUCLG1的表达为了测定SUCLA2表达量下降对神经元的影响,我们用C57/BL新生小鼠进行大脑皮层细胞原代神经元的培养,将发育好的神经元细胞暴露于特异性SUCLA2靶向的shRNA,对照组是暴露于非靶向基因的shRNA,用WB方法检测神经元中SUCLA2的表达水平。我们首先检测出对SUCLA2下调最明显的转染病毒(Fig8,P0.05),将其进行细胞处理。结果显示SUCLA2shRNA诱导的神经元中SUCLA2的表达量明显下降(Fig9,P0.05)。同时观察到SUCLA2下调神经元中竟有SUCLG2的升高(Fig9,P0.05)。同时我们还发现SUCLG1的表达量竟然也随着SUCLA2的下调而明显下降(Fig9,P0.05)。根据这个结果我们推测用SUCLA2靶向shRNA下调SUCLA2的表达水平时,SCS这个酶的整体功能均下降。4.2 SUCLA2表达量下降抑制神经元线粒体的生物能活性我们都知道神经元的生理活动依赖于线粒体OXPHOS产生的ATP,而SCS催化TCA中底物水平磷酸化这一步反应,其底物参与到OXPHOS的电子传递中,因此对SCS活性的保持是呼吸链的正常活动的基础。我们为了测定SUCLA2表达量下降对线粒体能量产生的影响,用化学发发光法测定了 ATP的含量,发现SUCLA2靶向shRNA处理过的神经元ATP的生成量明显降低(Fig10,P0.01)。我们知道线粒体膜电位既是电子传递链活动的基础,也是其产物,因此我们也进行了线粒体膜电位的检测,结果显示与对照组的神经元相比,SUCLA2下调神经元树突线粒体在TMRM密度上减少了 36%(Fig10 a1和a3,P0.001);而在总的树突细胞线粒体含量没有显著性差异(Fig10 a2和a3)。这些结果显示SUCLA2缺乏引起的神经元的线粒体膜电位崩溃,可能是线粒体氧化磷酸化效率受损的体现。根据这个结果,我们推测由于下调SUCLA2的表达水平,使神经元线粒体的生物活性明显下降。4.3 SUCLA2表达量下降影响线粒体动力学蛋白线粒体动力学是由线粒体融合和分裂蛋白共同控制,其动态平衡是维持线粒体功能的必要条件。为了明确SUCLA2缺乏是否影响线粒体融合和分裂蛋白,我们收集非靶向基因和SUCLA2shRNA分别处理的神经元进行免疫印记方法检测线粒体融合蛋白包括mitofusin 2(Mfn2)和Optic atrophy1(Opa1)以及线粒体分裂蛋白fssion 1(Fis 1)、dynamin-like protein1(Dlp1)和磷酸化Dlp1(pD1p1 S616)。如Fig11-13所示,SUCLA2表达量下降引起的Mfn2、Opa1表达水平显著下降。有趣的是,我们发现SUCLA2表达量下降也抑制了线粒体分裂蛋白的表达。SUCLA2下调神经元显著降低Fis1、DLP1的水平。结果表明SUCLA2表达量下降可以抑制线粒体融合及分裂蛋白表达,使线粒体动力学失衡。研究结论1.SUCLA2特异性高表达于神经元细胞中,因此其表达量的变化对神经元细胞影响更大。2.A β毒性神经元内SUCLA2的表达量明显下降,而且随着A β浓度的升高和作用时间的延长,SUCLA2的表达量进一步下降。3.SUCLA2表达量下降介导的线粒体功能障碍,可能由于以下机制产生:琥珀酸辅酶A功能的失活、OXPHOS效率受损以及线粒体分裂融合平衡的破坏。4.我们的研究数据进一步阐述了 SUCLA2在神经元细胞中对线粒体生理功能的维持有关键作用,提示了 SUCLA2将来可能是治疗AD的一个潜在的新靶点。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:R749.16
【图文】:
又对线粒体的能量合成和质量控制进行调控。线粒体融合蛋fusin邋1,Mfnl)、线粒体融合蛋白邋2邋(mitofusin邋2,Mfn2)、视神经(optic邋atrophy邋1,0PA1)是调控线粒体融合的3个主要蛋白,首膜上的Mfnl、Mfn2通过卷曲结构域的顺式作用诱导外膜融合,然后上的0PA1介导下完成内膜融合;线粒体分裂蛋白l(fission邋l,Fis关蛋白1邋(dynamia-related邋protein邋1,Drpl)和线粒体分裂chondrial邋fission邋factor,Mff)是控制线体力分裂的主要蛋白位于线粒体外膜上的Fisl和Mff把定位于细胞质的Drpl募集至线后Drpl通过进行自组装螺旋状多聚环环绕线粒体,激活了邋GTP酶活粒体使其一分为二,完成分裂[7]。不管是线粒体的分裂还是融合出现膜的稳定性都可能受到影响,继之电子传递链的功能也会受到影响,失衡、生物合成障碍、氧化应激损伤以及mtDNA损伤等等,从而引起失[8]。逡逑[1邋iv?M>n邋]逦I邋Kuion邋J逡逑
MtDNA由16569bp组成,呈双链闭合环状n)和轻链(light邋chain)两部分。MtDNA裸露地存在线粒体内膜,无组蛋白与其结合。MtDNA的编码功能是,在各个基因之间没有内含子序列存在;其部分基因A的任何突变都会累及到基因组中的一个重要功能区,其中两个rRNA基因(16SrRNA、12SrRNA),22个tRN(包括1个细胞色素b基因,2个ATP酶亚单位的基因亚单位的基因)。位于D环区的HSP邋(heavy邋strand邋prtrand邋promoter)是线粒体基因组转录的两个主要启动相比,具有其独特的遗传特征:1.半自主性;2.母系4.突变的阈值效应;5.遗传密码的特性;6.突变率极的突变率,缺乏组蛋白保护,而且不像核DNA那样具突变所导致的线粒体功能障碍的发生率明显增高。逡逑 ̄^01逡逑
逦山东大学博士学位论文逦逡逑酰辅酶A。这种反应产物(一分子辅酶和一个乙酰基相连),经过三羧酸循环中逡逑的酶促反应最终分解生成二氧化碳并脱氢,传递质子给辅酶烟酰胺腺嘌呤二核苷逡逑酸(NAD+)和黄素腺嘌呤(FAD),使之成为NADH邋+邋H+和FADH2。NADH邋+邋H+和逡逑FADH2会继续参与到氧化磷酸化中过程中通过呼吸链被氧化成NAD+和FAD,并生逡逑成水。在这个过程中会生成ATP,用来给细胞的正常活动提供能量。因此,TCA逡逑不但是各种有机物质氧化分解的共同途径、释放能量最多的氧化分解阶段,并且逡逑架起了三大类物质相互转化、相互联系的桥梁。逡逑簧6^悴ǚ郏牵斟危瑁妫澹
本文编号:2790504
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:R749.16
【图文】:
又对线粒体的能量合成和质量控制进行调控。线粒体融合蛋fusin邋1,Mfnl)、线粒体融合蛋白邋2邋(mitofusin邋2,Mfn2)、视神经(optic邋atrophy邋1,0PA1)是调控线粒体融合的3个主要蛋白,首膜上的Mfnl、Mfn2通过卷曲结构域的顺式作用诱导外膜融合,然后上的0PA1介导下完成内膜融合;线粒体分裂蛋白l(fission邋l,Fis关蛋白1邋(dynamia-related邋protein邋1,Drpl)和线粒体分裂chondrial邋fission邋factor,Mff)是控制线体力分裂的主要蛋白位于线粒体外膜上的Fisl和Mff把定位于细胞质的Drpl募集至线后Drpl通过进行自组装螺旋状多聚环环绕线粒体,激活了邋GTP酶活粒体使其一分为二,完成分裂[7]。不管是线粒体的分裂还是融合出现膜的稳定性都可能受到影响,继之电子传递链的功能也会受到影响,失衡、生物合成障碍、氧化应激损伤以及mtDNA损伤等等,从而引起失[8]。逡逑[1邋iv?M>n邋]逦I邋Kuion邋J逡逑
MtDNA由16569bp组成,呈双链闭合环状n)和轻链(light邋chain)两部分。MtDNA裸露地存在线粒体内膜,无组蛋白与其结合。MtDNA的编码功能是,在各个基因之间没有内含子序列存在;其部分基因A的任何突变都会累及到基因组中的一个重要功能区,其中两个rRNA基因(16SrRNA、12SrRNA),22个tRN(包括1个细胞色素b基因,2个ATP酶亚单位的基因亚单位的基因)。位于D环区的HSP邋(heavy邋strand邋prtrand邋promoter)是线粒体基因组转录的两个主要启动相比,具有其独特的遗传特征:1.半自主性;2.母系4.突变的阈值效应;5.遗传密码的特性;6.突变率极的突变率,缺乏组蛋白保护,而且不像核DNA那样具突变所导致的线粒体功能障碍的发生率明显增高。逡逑 ̄^01逡逑
逦山东大学博士学位论文逦逡逑酰辅酶A。这种反应产物(一分子辅酶和一个乙酰基相连),经过三羧酸循环中逡逑的酶促反应最终分解生成二氧化碳并脱氢,传递质子给辅酶烟酰胺腺嘌呤二核苷逡逑酸(NAD+)和黄素腺嘌呤(FAD),使之成为NADH邋+邋H+和FADH2。NADH邋+邋H+和逡逑FADH2会继续参与到氧化磷酸化中过程中通过呼吸链被氧化成NAD+和FAD,并生逡逑成水。在这个过程中会生成ATP,用来给细胞的正常活动提供能量。因此,TCA逡逑不但是各种有机物质氧化分解的共同途径、释放能量最多的氧化分解阶段,并且逡逑架起了三大类物质相互转化、相互联系的桥梁。逡逑簧6^悴ǚ郏牵斟危瑁妫澹
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