剪切力调节血管内皮细胞PDCD4表达的机制及内皮细胞增殖和凋亡的变化
【摘要】研究背景动脉粥样硬化斑块多发生在大血管的分叉和弯曲处等涡流及病理震荡剪切力作用区域,而在大血管直行区域,平稳血流对血管壁产生单向的、大小高于震荡剪切力的生理脉冲剪切力。血管内皮细胞是在血管对剪切力的应答过程中起最重要作用的细胞。大量研究表明,紊乱的血流会通过增强内皮细胞的氧化应激反应和炎症反应、促进细胞周期进程和细胞增殖等促进动脉粥样硬化斑块的发生发展,而脉冲剪切力则使内皮细胞保持较低的增殖水平、较低的氧化应激反应和炎症反应水平,维持其相对稳定的状态,抑制动脉粥样硬化斑块的发生发展。程序性细胞死亡4(ProgrammedCellDeath4,PDCD4)主要通过抑制肿瘤蛋白的翻译过程起到抑制肿瘤发生发展的作用。PDCD4蛋白可直接与靶基因(MYB/c-MYB)的mRNA编码区域结合或通过与真核细胞翻译起始因子(EukaryoticTranslationInitiationFactor,eIF)4G竞争性结合eIF4A抑制靶蛋白的翻译起始过程。通过该机制,PDCD4可以影响多种蛋白的表达,从而影响肿瘤细胞的增殖、凋亡、转化、侵袭以及自噬等生物学行为。PDCD4抑制肿瘤发生发展的具体作用及机制因肿瘤和细胞种类的不同而有所差异。近期研究发现,PDCD4还影响心血管系统各类细胞的生物学功能。但是,在血管内皮细胞稳态的维持中PDCD4发挥怎样的作用尚无研究报道。在对PDCD4和载脂蛋白E(ApolipoproteinE,ApoE)双基因敲除小鼠(PDCD4-/-ApoE-/-)的研究中发现,PDCD4基因的敲除可明显减少血管壁的动脉粥样硬化斑块,说明PDCD4有促进动脉粥样硬化发生发展的作用,具体机制尚不明确。研究目的(1)体内、外实验明确不同剪切力对血管内皮细胞PDCD4表达的影响；(2)明确PDCD4对血管内皮细胞增殖和凋亡的影响；(3)明确PDCD4在不同剪切力引起的血管内皮细胞增殖和凋亡中的作用.研究方法1.小鼠主动脉的enface免疫荧光染色C57BL/6、鼠经腹腔注射深度麻醉后,灌注,固定,分离主动脉弓及胸腹主动脉,去除周围结缔组织,纵向剖开主动脉弓,封闭后,两种一抗共同孵育4℃过夜,不同荧光标记的两种相应二抗共同37℃避光孵育,封片,共聚焦显微镜下观察。2.人脐静脉内皮细胞(HUVECs)的提取和培养无菌条件下获取剖宫产新生儿脐带,用胰酶消化法获取HUVECs,用20%M199培养基(20%胎牛血清+400μl/ml贝复济+青-链霉素)于37℃、5%CO2培养箱中培养,一代之后换10%M199培养基(10%胎牛血清+400μl/ml贝复济+青-链霉素)培养。3.体外剪切力干预体外培养的4-8代HUVECs用于实验。将HUVECs接种至铺有Ⅰ型鼠尾胶原的培养载片上,经完全培养基培养24小时后,继续静止培养或给予0、1、3、6、9、12小时的脉冲或震荡剪切力刺激,观察剪切力对HUVECs中PDCD4表达以及细胞功能的影响,不同剪切力描述如下：(1)脉冲剪切力：12dyne/cm2大小,频率为1Hz；(2)震荡剪切力：0±4dyne/cm2大小,频率为1Hz。4.蛋白质印迹(WesternBlotting,WB)提取细胞蛋白,煮沸,经SDS-PAGE电泳,湿转法转膜,封闭,一抗4℃C孵育过夜,相对应的二抗孵育,化学发光法发光后,分析蛋白条带灰度值。5.免疫荧光染色给予培养载片上培养的HUVECs以12小时的脉冲剪切力、12小时的震荡剪切力或静止培养作对照,经固定、打孔、封闭、一抗4℃孵育过夜、荧光标记二抗37℃避光孵育、染核、封片后,共聚焦显微镜下观察不同组内皮细胞PDCD4的表达差异。6.细胞转染p-EGFP-C1-PDCD4和p-EGFP-C1-Mock质粒来自纽约大学OlubunmiAfonja博士的友情馈赠,分别用于HUVECs中过表达PDCD4和阴性对照。PDCD4的小干扰核糖核酸(SmallInterferingRNA,siRNA)和NegativeControl购自上海吉玛公司,序列如下：质粒和siRNA的转染均采用脂质体转染法,步骤遵照Lipo-2000说明书进行。7.5-溴脱氧尿嘧啶核苷(BrdU)法检测PDCD4在剪切力调节HUVECs增殖中的作用HUVECs的增殖功能检测运用BrdU法,所用试剂盒为美国罗氏公司的BrdU标记及检测试剂盒I(Cat.No.11296736001),实验步骤遵照试剂盒说明书进行：将HUVECs种在培养载片上进行不同刺激和处理,在刺激结束前6小时以1：1000的比例向培养基中加入BrdUlabelingmedium,刺激结束后用95%乙醇固定,经anti-BrdU4℃孵育过夜、Anti-mouse-Ig-fluorescei或nAlexaflour647标记的山羊抗小鼠免疫荧光二抗37℃避光孵育、4’,6-二脒基-2-苯基吲哚(4’,6-Diamidino-2-Phenylindole,DAPI)染核后封片,共聚焦显微镜下观察不同组HUVECs增殖功能的差异,计数并计算BrdU阳性细胞率。8.脱氧核苷末端转移酶介导的缺口末端标记(TUNEL)法检测PDCD4在剪切力调节HUVECs凋亡中的作用HUVECs的凋亡情况检测运用TUNEL法,所用试剂盒为美国Millipore公司的ApopTagPlusPeroxidaseInSituApoptosisDetectionKit(Cat.No.S7101),实验步骤遵照试剂盒说明书进行：将HUVECs种在培养载片上培养,予以不同刺激和处理,之后依次经免疫染色固定液固定、预冷的乙醇／乙酸液(乙醇：乙酸=2：1)-20℃C孵育、TdT酶37℃孵育、抗异羟基洋地黄毒苷过氧化物酶结合液室温孵育、二氨基联苯胺(3,3N-DiaminobenzidineTertrahydroch-loride,DAB)显色、甲基绿染核、脱水封片后镜下观察不同组HUVECs凋亡的差异,计数并计算TUNEL阳性细胞率。9.统计学分析数据均以均数±均数标准误(mean±SEM)的形式表示,使用SPSS统计学软件进行数据分析,两组之间的比较采用非配对t检验,多组之间的比较运用单因素方差分析,P<0.05为统计学有显著性差异。研究结果1.小鼠体内促动脉粥样硬化血流作用区域内皮细胞PDCD4的表达量高于抗动脉粥样硬化血流作用区域胸主动脉直段的内皮细胞受抗动脉粥样硬化的脉冲剪切力作用,呈长梭状,沿血管长轴规律排列,而主动脉弓小弯侧的内皮细胞受促动脉粥样硬化的震荡剪切力及低剪切力作用,呈多向不规则状排列。主动脉弓小弯侧的内皮细胞PDCD4的表达量(以荧光强度表示)高于胸主动脉直段内皮细胞(P<0.05),说明在体内,抗动脉粥样硬化的剪切力下调内皮细胞PDCD4的表达,而促动脉粥样硬化的剪切力则上调内皮细胞PDCD4的表达。2.脉冲剪切力下调HUVECs中PDCD4的表达,震荡剪切力上调HUVECs中PDCD4的表达脉冲剪切力作用下的内皮细胞PDCD4蛋白水平随时间延长而逐渐下调,与静止对照组(0小时组)比较,脉冲剪切力作用3小时至12小时PDCD4蛋白水平下调有统计学意义(P<0.05)；在震荡剪切力作用下,PDCD4蛋白水平随时间延长而逐渐上调,与静止对照组(0小时组)比较,震荡剪切力作用6小时至12小时PDCD4蛋白上调有统计学意义(P<0.05)。免疫荧光染色结果也显示,脉冲剪切力作用后HUVECs中PDCD4的含量明显降低(P<0.05),而震荡剪切力作用后HUVECs中PDCD4的含量明显升高(P<0.05)。3.PDCD4促进HUVECs的增殖和凋亡与空载体对照组比较,转染pEGFP-C1-PDCD4以过表达PDCD4下调p21Wafl/cip1的表达(P<0.05),促进细胞的增殖(P<0.05)；而转染siRNA将PDCD4沉默,与阴性对照组比较,则上调p21Wafl/Cip1的表达(P<0.05),抑制细胞的增殖(P<0.05),表明PDCD4促进内皮细胞的增殖。与对照组比较,过表达PDCD4上调激活的Caspase-3(P<.05),促进细胞的凋亡(P<0.05),而沉默PDCD4,与阴性对照组比较,则抑制激活的Caspase-3(P<0.05),抑制细胞的凋亡(P<0.05),表明PDCD4促进内皮细胞的凋亡。4.PDCD4参与不同剪切力对内皮细胞增殖的调节,不参与其对凋亡的调节与静止对照组比较,脉冲剪切力上调p21Wafl/Cipl的表达(P<0.05),抑制内皮细胞的增殖(P<0.05)；而过表达PDCD4,与空载体阴性对照组比较,能够阻断脉冲剪切力对p21Waf1/cip1的促进(P<0.05)和对增殖的抑制作用(P<0.05)。与静止对照组比较,震荡剪切力抑制21Wafl/Cipl的表达(P<0.05),促进内皮细胞的增殖(P<0.05)；而沉默PDCD4,与阴性对照组比较,能够阻断震荡剪切力对p2iWaf1/Cipl的抑制(P<0.05)和对增殖的促进作用(P<0.05)。与静止对照组比较,脉冲剪切力抑制激活的Caspase-3(P<0.05),抑制内皮细胞的凋亡(P<0.05)；但过表达PDCD4,与空载体阴性对照组比较,不能阻断脉冲剪切力对对激活的Caspase-3的抑制及对凋亡的抑制。与静止对照组比较,震荡剪切力促进激活的Caspase-3(P<0.05),促进内皮细胞的凋亡(P<0.05)；但沉默PDCD4,与阴性对照组比较,不能阻断震荡剪切力对激活的Caspase-3及对凋亡的促进。以上结果表明,PDCD4参与不同剪切力对内皮细胞增殖的调节,但是不参与其对内皮细胞凋亡的调节。结论(1)脉冲剪切力下调血管内皮细胞PDCD4的表达,而震荡剪切力上调其表达；(2)PDCD4促进血管内皮细胞的增殖和凋亡；(3)PDCD4参与不同剪切力对血管内皮细胞增殖的调节作用,不参与剪切力对血管内皮细胞凋亡的调节作用。研究背景血流流经血管管腔产生剪切力作用于血管壁内表面的内皮细胞,激活血管内皮细胞胞膜上以及周围细胞外基质中的相关受体,改变细胞内的信号转导通路,影响多种基因表达和蛋白活性,维持血管内皮细胞在体内的相对稳定状态。在血管弯曲、分叉及狭窄处,血流受到干扰,剪切力由脉冲和层流剪切力变为震荡的低剪切力,引起内皮细胞功能障碍,促进动脉粥样硬化斑块形成,使这些部位成为动脉粥样硬化斑块的好发部位。近期研究发现,抑癌基因程序性细胞死亡4(ProgrammedCellDeath4,PDCD4)在心血管系统中同样发挥重要作用,如抑制血管平滑肌细胞、心肌细胞和成纤维细胞的增殖并促进其凋亡等。我们的前期工作发现PDCD4能同时促进血管内皮细胞的增殖和凋亡。我们在体内和体外实验中均证实剪切力能够调节血管内皮细胞PDCD4的蛋白含量,但其调节机制尚不明了。对众多肿瘤细胞和一些心血管系统细胞的研究发现,微小核糖核酸-21(microRNA-21,miR-21)与PDCD4的表达负相关。在PDCD4基因的3’非编码区有一个保守的miR-21结合位点,miR-21可直接与PDCD4的信使核糖核酸(MessengerRibonucleicAcid,mRNA)结合抑制其表达。同时,其他研究发现肿瘤刺激物12-O-十四烷酰佛波醇-13-醋酸酯(12-O-tetradecanoylphorbol-13-acetate,TPA)以及给饥饿处理的细胞重新添加血清均可引起PDCD4蛋白的泛素化降解。以上两条途径均在转录后水平对PDCD4进行调节,而PDCD4在转录水平是如何被调节的鲜有报道。有研究发现小鼠的pdcd4基因序列中有一个可能的核转录因子κB(NuclearFactorkappaB,NF-κB)结合位点,但该位点是否发挥作用尚不清楚。目前为止,对内皮细胞PDCD4表达调节机制的研究很少且存在争议。剪切力调节血管内皮细胞PDCD4表达的机制尚不明确,而niR-21、泛素-蛋白酶体系统及其他途径是否参与介导剪切力的作用也有待研究证实。研究目的(1)明确泛素-蛋白酶体系统在不同剪切力调节HUVECsPDCD4表达中的作用；(2)明确miR-21在HUVECs中对PDCD4表达的调节作用；(3)明确NF-κB在震荡剪切力上调HUVECsPDCD4表达中的作用。研究方法1.人脐静脉内皮细胞(HumanUmbilicalVeinEndothelialCells,HUVECs)的提取和培养无菌条件下获取剖宫产新生儿脐带,胰酶消化法获取HUVECs,20%培养基(20%胎牛血清+400μl/ml贝复济+青-链霉素)置于37℃、5%CO2培养箱中培养。一代之后更换10%培养基(10%胎牛血清+400μl/ml贝复济+青-链霉素)培养。2.体外剪切力干预体外培养的4-8代HUVECs用于实验。将HUVECs接种至铺有Ⅰ型鼠尾胶原的Flexcell培养载片上,经10%培养基培养24小时后,予以适当处理,继续静止培养或给予脉冲或震荡剪切力刺激,观察剪切力对HUVECs中目的蛋白表达的影响,不同剪切力描述如下：(1)脉冲剪切力：12dyne/cm2大小,频率为1Hz；(2)震荡剪切力：0±4dyne/cm2大小,频率为1Hz。3.蛋白质印迹(WesternBlotting,WB)提取细胞蛋白,煮沸,经SDS-PAGE电泳,湿转法转膜,封闭,一抗4℃孵育过夜,相对应的二抗孵育,化学发光法发光后,分析蛋白条带灰度值。4.实时荧光定量聚合酶链反应(PolymeraseChainReaction,PCR)分析PDCD4mRNA的表达给予种在培养载片上的HUVECs以0、1、3、6、9、12小时的脉冲剪切力或震荡剪切力后,运用TRIzol法提取细胞总核糖核酸(RibonucleicAcid,RNA),运用PrimeScriptRTreagentKitPerfectRealTime(TaKaRaCode:DRR037A)互补脱氧核糖核酸(ComplementaryDeoxyribonucleicAcid,cDNA)合成试剂盒将总RNA逆转录成cDNA,再使用SYBRPremixExTaqGC(PerfectRealTime)实时定量PCR试剂盒进行实时荧光定量PCR以测定各组内皮细胞PDCD4mRNA的表达。5.细胞转染β转导素重复包含蛋白(β-TransducinRepeat-ContainingProtein,β-TrCP)和p65的小干扰核糖核酸(SmallInterferingRNA,siRNA)、microRNA的模拟物(mimics)和抑制物(inhibitor)以及NegativeControl(N.C)均购自上海吉玛公司,序列如下：siRNA及microRNA的模拟物和抑制物的转染均采用脂质体转染法,步骤遵照Lipo-2000说明书进行。6.免疫共沉淀对种在培养载片上的HUVECs予以刺激后,用Western及IP细胞裂解液提取细胞总蛋白,取出少量煮沸保存留作对照,向剩余提取液中加入ProteinA/GPLUSAgarose和兔抗PDCD4单抗4℃C孵育过夜后收集琼脂糖凝胶珠,清洗后加入2×SDS上样缓冲液煮沸,取上清,进行WesternBlotting检测其中相应的蛋白相对含量。7.统计学分析数据均以均数±均数标准误(mean±SEM)表示,使用SPSS统计学软件进行数据分析,多组之间的比较采用单因素方差分析,两组之间的比较采用非配对t检验,P<0.05为统计学有显著性差异。研究结果1.脉冲剪切力在转录后水平下调HUVECs中PDCD4的表达检测脉冲剪切力作用时间梯度下PDCD4的蛋白及mRNA水平,结果显示：与未经脉冲剪切力作用的0小时组比较,在脉冲剪切力作用下,PDCD4蛋白水平随时间延长而逐渐下调(P<0.05),但是其mRNA水平无明显变化(P>0.05),提示脉冲剪切力对HUVECs中PDCD4表达的下调作用发生在转录后水平。2.脉冲剪切力通过泛素-蛋白酶体通路下调PDCD4蛋白在剪切力刺激前1小时向培养基中加入蛋白酶体抑制剂MG-132(10μM)或乳胞素(10μM),二甲基亚砜(Dimethylsulfoxide,DMSO)作阴性对照；将E3配体β-TrCP的siRNA转染入HUVECs中将其沉默。结果显示：与DMSO组比较,蛋白酶体抑制剂和(3-TrCP的干扰下调均可阻断脉冲剪切力对PDCD4的下调(P<0.05),但在静止培养条件下均不影响PDCD4的表达(P>0.05)。免疫共沉淀结果显示：与静止对照组和震荡剪切力组比较,脉冲剪切力明显增加PDCD4的泛素化(P<0.05)。在细胞中转染miR-21的模拟物或抑制物(PTEN为HUVECs中miR-21的靶基因,作阳性对照),与转染阴性对照比较,并不影响PDCD4蛋白的表达(P>0.05)。3.磷脂酰肌醇3-激酶(PhosphatidylInositol3-Kinase,PI3K)/Akt通路介‘导脉冲剪切力对PDCD4的降解在进行剪切力刺激之前,用P13K抑制剂ⅠY294002(10μM)预处理细胞1小时,结果显示在LY294002作用下,和DMSO组比较,脉冲剪切力引起的Akt磷酸化被阻断(P<0.05),p70-S6K的激活及PDCD4磷酸化也被阻断(P<0.05),从而PDCD4的蛋白水平稳定并有上调趋势(P<0.05)。4.震荡剪切力在转录水平上调HUVECs中PDCD4的表达检测震荡剪切力作用时间梯度下PDCD4的蛋白及mRNA水平,结果显示：与未经震荡剪切力作用的0小时组比较,在震荡剪切力作用下,PDCD4蛋白水平随时间延长而逐渐上调(P<0.05),其mRNA水平也上调,在6小时达到峰值(P<0.05),提示震荡剪切力对HUVECs中PDCD4表达的上调作用发生在转录水平。5.泛素-蛋白酶体系统引起的PDCD4降解不参与震荡剪切力对PDCD4的上调作用在剪切力刺激前1小时向培养基中加入蛋白酶体抑制剂MG-132(10μM),DMSO作阴性对照,结果显示：与DMSO组比较,蛋白酶体抑制剂并不使PDCD4蛋白表达量进一步增加,反而阻断震荡剪切力引起的PDCD4上调(P<0.05),提示震荡剪切力可能不引起PDCD4的泛素化降解。免疫共沉淀结果显示,和静止对照组比较,震荡剪切力未明显改变PDCD4的泛素化(P>0.05)。另外,震荡剪切力不抑制反而上调Akt磷酸化(P<0.05),上调程度与脉冲剪切力比较无明显差别(P>0.05),该结果提示PI3K/Akt通路不参与震荡剪切力对血管内皮细胞PDCD4的上调。6.NF-κB参与震荡剪切力对PDCD4的上调作用在震荡剪切力刺激前1小时向培养基中加入NF-κB抑制剂MG-132(10μM),DMSO作阴性对照；将p65的siRNA转染入HUVECs中将其沉默,结果显示：与阴性对照组比较,NF-κB抑制剂和p65的干扰下调均阻断震荡剪切力对PDCD4的上调(P<0.05),表明NF-κB参与震荡剪切力对PDCD4的上调作用。结论(1)脉冲剪切力通过PI3K/Akt通路介导的泛素化降解下调血管内皮细胞PDCD4的蛋白；(2)震荡剪切力在转录水平上调血管内皮细胞PDCD4的表达,且NF-κB参与其中。
【作者】戈程；
【导师】张梅；张利宁；
【作者基本信息】山东大学，内科学（专业学位），2014，博士
【关键词】程序性细胞死亡4；剪切力；内皮细胞；动脉粥样硬化；泛素-蛋白酶体系统；
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