Klotho蛋白改善应激诱导的心肌损伤的机制研究
【摘要】背景：心室重构(Cardiacremodeling)是心脏对外界各种应激性刺激作出的共同病理反应，主要表现为心脏结构、大小及功能的改变。心室重构最终会导致心脏舒缩功能下降，是心力衰竭发病的根本原因。中国老龄化程度的不断加剧，以及高血压、冠心病、瓣膜病等心血管病发病率的逐年升高，使得心衰的发病率及病死率逐年增加，成为影响老年人生活质量及生存率的主要疾病之一。在众多引起心室重构的疾病中，心肌梗死后心衰重构是最主要的病因之一，尽管随着临床医疗水平的进步，如冠脉造影及支架植入术以及冠脉搭桥手术的开展，更大程度的挽救了濒死的心肌，使梗死后心室重构的发生及发展显著改善，但是这些措施仍不能完全逆转心室重构的发生以及心衰临床症状的恶化。研究表明，神经体液因子在心室重构的病理过程中发挥着重要作用。早期阶段，β肾上腺素能受体的激活可以诱导心肌细胞收缩力增强，代偿前后负荷增高对机体的影响。但是，长期的β肾上腺素能受体的激活将导致病理性的心肌损伤，引起心室重构。异丙肾上腺素(Isoproterenol，ISO)作为β肾上腺素能受体激动剂，是常用的诱导实验动物心肌损伤的诱导剂。心肌损伤主要包括心肌细胞丢失、肥大以及间质胶原含量的改变。寻求逆转上述病理改变的关键分子对于降低心衰的发病率及猝死率具有重要意义。Klotho蛋白是新近发现的具有抗衰老作用的蛋白，通过膜结合型和分泌型两种形式发挥生物学效应。基于文献及前期的研究工作，我们推测Klotho蛋白可能是具有心血管保护作用的激素样蛋白分子。首先Klotho蛋白具有抗氧化应激特性，而氧化应激广泛参与了许多疾病的发生发展，包括心室重构；其次Klotho蛋白可通过增加NO生物活性或调控血管内皮细胞上的钙离子通道维持血管内皮完整性及内皮功能；再次Klotho蛋白具有降压作用，而压力负荷增高是导致心衰发病的主要原因；另外Klotho蛋白还可抑制内皮细胞凋亡及炎症反应。临床研究表明血浆中低水平的Klotho蛋白可能是慢性肾脏疾病相关的心血管疾病的高危因素，而我们的前期工作也发现Klotho基因的单核苷酸多态性与动脉硬化等心血管疾病密切相关，因此我们有足够的证据认为Klotho蛋白可能对心室重构具有抑制作用。而且最近的研究发现，ISO可导致小鼠心脏收缩功能显著下降，而Klotho基因敲除可进一步加重这一下降效果，提示Klotho蛋白对心脏收缩功能具有保护作用。心肌细胞丢失是心脏收缩功能下降的主要原因，其中心肌细胞的丢失主要源于心肌细胞的凋亡及坏死，而心肌细胞凋亡是慢性心室重构过程中心肌细胞丢失的主要原因，是导致心脏功能失调甚至猝死的关键因素。内质网(Endoplasmicreticulum，ER)是除了线粒体外又一个参与细胞凋亡的重要器官，其主要功能包括调节钙离子平衡、参与蛋白质的折叠及成熟等。当内质网的平衡被破坏时(如钙离子平衡被破坏、蛋白质生成过多或蛋白质折叠错误)，内质网将诱导相关伴侣蛋白如糖调节蛋白78(GRP78)、热休克蛋白47(HSP47)的表达，此过程称为内质网应激。内质网伴侣分子的增加不仅是内质网应激发生的标志，同时也是内质网应激严重程度的重要体现。早期阶段的内质网应激是机体对外界刺激作出的适应性反应，主要通过促进钙离子平衡、抑制蛋白质运输到内质网、增强蛋白质正确折叠及运输以维持内质网稳态，但长期或严重的内质网应激将导致凋亡信号通路的激活，其中促凋亡转录因子CHOP的表达增加是重要的内质网介导凋亡的效应分子。近年来的研究表明，内质网应激在心肌细胞凋亡中同样发挥重要的作用。研究发现，抑制内质网应激可有效缓解心肌细胞的损伤。同样，ISO可以诱导心肌细胞株发生凋亡，其中伴随内质网伴侣蛋白及促凋亡转录因子CHOP的表达明显升高，说明ISO通过激活内质网应激介导的凋亡通路诱导细胞凋亡。而Klotho蛋白维持心脏收缩功能的作用是否与抑制ER应激介导的CHOP凋亡信号有关还未见报道。细胞主要通过调节细胞内的信号通路对外界刺激作出反应。MAPK(Mitogen-activatedproteinkinases)是普遍存在于细胞内的信号转导通路，由胞外信号调节蛋白激酶(ERK1/2),p38和c-Jun氨基末端激酶(JNK)组成，调节细胞的增殖、分化，在ER应激引起的凋亡中也发挥重要的调节作用。而分泌型Klotho蛋白作为循环中的蛋白分子，能否通过该信号通路参与ER应激介导的凋亡还未完全阐明，需要进一步研究明确。实验目的:本实验以Klotho蛋白的抗凋亡作用作为切入点，在构建ISO诱导小鼠心室重构模型的基础上，研究Klotho蛋白对心室重构特别是心肌细胞凋亡的影响。并进一步明确Klotho蛋白的抗凋亡机制是否与ER应激介导的CHOP凋亡信号通路密切相关。最后通过信号通路研究，明确Klotho蛋白调节MAPK信号通路的具体情况，以及其调节MAPK信号通路与ER应激介导的凋亡之间的关系。主要实验方法及实验结果：1.取6-8周龄的Balb/C品系，重量约20g的雄性小鼠，随机分为对照组（CON）、ISO组。其中CON组每天背部皮下注射100ul生理盐水，共注射9天；ISO组每天以5mg/kg/d剂量背部皮下注射ISO（溶解于100ul生理盐水中），共注射9天。在注射后的第9天在电子天平上称小鼠的重量，处死小鼠，并轻柔的切除小鼠的心脏组织称心脏的重量，计算HW/BW的比值。每个离体的心脏平均切割成6块，其中3块心肌组织用锡箔纸包好，放入冻存管内，液氮罐中保存，用于后续的Realtime-PCR实验。剩下的心肌组织浸泡在4%多聚甲醛溶液中，固定24小时后，石蜡包埋制作石蜡块。用切片机切割4um厚度的石蜡切片，对连续的4um心肌石蜡切片行HE染色观察心肌的形态改变。同时对心肌石蜡切片进行Masson染色，对其胶原容积分数进行定量分析，然后应用Tunel染色技术对石蜡切片进行凋亡检测，分别计数检测心肌细胞的凋亡率。研究结果表明持续小剂量皮下注射ISO可诱导小鼠心肌细胞肥大凋亡、肌纤维紊乱及心肌间质成纤维细胞增生及胶原蛋白沉积。通过测定HW/BW的比值，我们发现ISO可诱导小鼠心心脏体重指数增加，且具有统计学差异(P<0.05)，这种作用与心肌细胞的肥大增生及胶原纤维增生密切相关。HE染色结果发现持续皮下注射ISO(9天)可引起心肌细胞的肥大及肌纤维排列的紊乱。除了心肌细胞的病变外，我们还发现ISO可诱导心肌间质中成纤维细胞增殖显著增加，说明皮下注射ISO也诱导了心肌间质的纤维化反应。同时我们应用Realtime-PCR技术观察心肌间质胶原蛋白的mRNA水平，结果表明ISO可显著增加collegenmRNA的表达水平。Masson染色观察心肌间质胶原纤维的含量发现，在ISO组中心肌间质的胶原容积比例显著高于对照组，由此说明ISO可成功诱导心肌间质纤维化；最后我们应用Tunel染色技术检测心肌细胞的凋亡率，结果表明皮下注射ISO可增加心肌细胞的凋亡率，且具有统计学意义(P<0.05)。由此说明ISO作为β肾上腺素能受体激动剂，可成功用于构建小鼠心室重构模型。2.取6-8周龄的Balb/C品系，重量约20g的雄性小鼠，随机分为以下各组：CON组：背部皮下注射生理盐水(100ul，qd，共9天)，同时腹腔注射生理盐水(100ul，qod，共4天)；ISO组：背部皮下注射ISO(5mg/kg/d，qd，共9天)，同时腹腔注射生理盐水(0.1ml，qod，共4天)；ISO+KL组：背部皮下注射ISO(5mg/kg/d，gd，共9天)，同时腹腔注射Klotho蛋白(0.01mg/kg，qod，共4天)。按照上述的方法对各组进行操作，分别在ISO注射的第2，5，9天处死小鼠。首先，我们应用ELISA技术检测腹腔注射重组Klotho蛋白对小鼠血循环中Klotho蛋白水平的影响。并分别应用HE染色、Masson染色、TUNEL染色检测心肌组织的结构改变及凋亡情况，ROS检测技术测定组织中ROS的含量，最后应用免疫组织化学染色、Real-timePCR技术、Westernblot技术测定心脏组织中ER应激介导的凋亡信号分子GRP78、HSP47及促凋亡转录因子CHOP的mRNA水平及蛋白水平。同时通过体外培养大鼠胚胎来源的H9c2心肌细胞，进一步观察Klotho蛋白对ISO诱导H9c2心肌细胞肥大、凋亡及ER应激介导的凋亡信号通路的影响。结果表明腹腔注射Klotho蛋白后，血清中Klotho蛋白的水平显著增高(P<0.05)。HE染色结果表明，重组Klotho蛋白抑制ISO诱导的小鼠心脏组织的病理变化。在CON组，心肌纤维走形正常；而ISO注射之后小鼠心脏组织的HE染色图片表现为心肌纤维走形紊乱、间质成纤维细胞显著增生，表现为细胞核密度的增加以及单核细胞局限性浸润，暗示了ISO组中严重的心肌损伤；而重组Klotho蛋白可以缓解上述改变，提示Klotho蛋白具有心肌保护作用。Masson染色结果表明，从ISO注射后的第5天开始，心肌间质及血管周的胶原纤维含量明显高于对照组，而Klotho蛋白可抑制胶原纤维的增加。TUNEL染色结果表明ISO注射的第9天，心肌细胞的凋亡率显著增加，而Klotho蛋白可抑制ISO诱导的小鼠心肌细胞的凋亡。ROS是公认的细胞凋亡诱导因素，和上述研究结果一致，ISO组中ROS的含量显著增加，而在ISO+KL组ROS含量被抑制。由此说明了Klotho蛋白的心肌保护作用及抗凋亡作用。进而我们应用免疫组化及Westernblot技术检测了ER应激相关蛋白分子的表达情况，结果证实ISO可诱导内质网应激相关伴侣分子GRP78、HSP47及促凋亡转录因子CHOP的表达，而Klotho蛋白对其有显著的抑制效果。而Realtime-PCR结果也表明，Klotho蛋白可抑制ISO诱导的GRP78、HSP47及促凋亡转录因子CHOPmRNA水平的增加。体外研究表明10uMISO可诱导心肌细胞凋亡，而重组Klotho蛋白显著减少ISO诱导的H9c2心肌细胞的凋亡。研究同样发现ISO促进ROS含量的生成，而重组Klotho蛋白可抑制ROS含量的增加。而且1ug/ml的重组Klotho蛋白可显著抑制ISO诱导的H9c2心肌细胞中GRP78、HSP47及CHOP的显著增加。3.培养H9c2心肌细胞，待细胞达到80~90%融合时接种到6孔板内。为了明确MAPK信号通路在Klotho蛋白抵抗内质网应激介导的凋亡中的作用，分别加入不同的MAPK抑制剂刺激H9c2细胞，随机分为：ISO组(加入2mlDMEM培养液)、ISO+KL组(加入2ml含有0.1ug/mlKlotho蛋白的DMEM培养液)，ISO+SB203580(加入2ulSB203580+2mlDMEM培养液)，ISO+PD98059(加入10ulPD98058+2mlDMEM培养液)，ISO+SP600125(加入10ulSP600125+2mlDMEM培养液)，培养箱孵育1h后，再加入10uMISO刺激细胞，继续培养箱内培养细胞。应用流式细胞技术及Westernblot技术检测细胞的凋亡率及ER应激相关蛋白的表达。同时，为了明确Klotho蛋白对MAPK信号通路的直接影响，分别用ISO和/或不同浓度的Klotho蛋白(0.01ug/ml、0.1ug/ml、1ug/ml、10ug/ml)刺激H9c2心肌细胞，然后应用Westernblot技术观察P38、JNK以及ERK1/2的磷酸化情况。结果表明Klotho蛋白可显著抑制ISO诱导的心肌细胞凋亡，而加入SB203580或SP600125后Klotho蛋白的抗凋亡作用依然明显，但是加入PD98059后心肌细胞的凋亡率未见明显改变，而进一步应用MAPK抑制剂检测内质网应激相关蛋白的表达水平表明，SB203580、SP600125和Klotho蛋白均可显著降低GRP78、HSP47和CHOP蛋白的表达，但PD98059对GRP78、HSP47和CHOP蛋白表达水平的影响未见显著差异，推测Klotho蛋白可能通过P38和JNK信号通路调节内质网应激介导的细胞凋亡。进一步观察不同浓度的Klotho蛋白对MAPK信号通路的影响发现，不同浓度的Klotho蛋白(0.01-10ug/ml)不能明显影响ERK1/2的活化，但是Klotho蛋白可以剂量依赖性的抑制ISO诱导的P38和JNK的磷酸化，提示Klotho蛋白的抗凋亡作用与抑制P38及JNK的活化有关。结论：1.持续小剂量皮下注射ISO9天后可诱导Balb/C小鼠心肌细胞肥大、凋亡、肌纤维紊乱及心肌间质纤维化，说明ISO皮下注射可成功诱导小鼠心室重构，能有效模拟慢性心衰的病理过程；2.Klotho蛋白可抑制ISO诱导Balb/C小鼠心室重构的发生发展，更重要的是研究证实Klotho蛋白可抑制ISO诱导的小鼠心肌细胞及H9c2细胞株的凋亡，减少内质网应激相关蛋白GRP78、HSP47蛋白以及促凋亡转录因子CHOP的表达，表明Klotho蛋白的抗凋亡作用与抑制心肌细胞中ER应激介导凋亡信号通路有关；3.P38抑制剂SB203580和JNK抑制剂SP600125与Klotho蛋白对H9c2心肌细胞的抗凋亡作用具有相似的效果，但ERK1/2抑制剂PD98059则不能显著影响细胞的凋亡率，Klotho蛋白呈剂量依赖性抑制P38和JNK的磷酸化，而不能明显影响ERK1/2的磷酸化，提示Klotho蛋白抗ER应激介导凋亡的作用部分依赖于对P38和JNK信号通路的抑制。
【作者】宋双双；
【导师】司良毅；
【作者基本信息】第三军医大学，老年医学，2014，博士
【关键词】Klotho蛋白；丝裂原激活的蛋白激酶；内质网应激；凋亡；心室重构；
【参考文献】
[1]樊玲.结冰融冰过程的数值模拟[D].南京航空航天大学,2005.
[2]王茂华,汪保平,惠志刚.转炉终点控制技术[J].河南冶金.2004(06)
[3]何友全,肖建,方磊.数据挖掘技术及在铁道牵引供电系统中的应用[J].电气化铁道,2003,04:5-8.
[4]郭磊.论教师在社区中的角色[D].山东师范大学,课程与教学论,2013,硕士.
[5]张如飞.针刺经穴治疗慢性疲劳综合征的随机对照研究[D].成都中医药大学,针灸推拿学,2012,硕士.
[6]章长东.我国现有TN低压系统改进措施的刍议[J].电气工程应用.1987(01)
[7]张全,朱五星.湘钢焦化工序配煤调湿技术方案的研究[J].煤炭转化.2001(01)
[8]童陈敏.基于Modelica的测试性虚拟验证技术[D].哈尔滨工业大学,电气工程,2014,硕士.
[9]和庆.沥青混合料碳排放计算模型与评价体系研究[D].长安大学,道路与铁道工程,2013,硕士.
[10]梁婧娱.株洲市社会音乐办学现状调查与策略研究[D].湖南师范大学,学科教学（专业学位）,2013,硕士.
[11]刘琳.知识经济条件下的员工素质模型构建与应用研究[D].华北电力大学（北京）,2004.
[12]顾通达.小学教师继续学习需要的实践研究[D].华东师范大学,教育,2002,硕士.
[13]马亮.辽宁省社会保险统计指标体系研究[D].东北大学,社会保障,2011,硕士.
[14]李峰.货运港口景观绿化设计研究[D].华南理工大学,风景园林（专业学位）,2012,硕士.
[15]李军军,吴政球,谭勋琼,陈波.风力发电及其技术发展综述[J].电力建设,2011,08:64-72.
[16]刘杰,顾运江.啤酒酵母生物合成胞苷三磷酸的实验研究[J].山东化工,2014,07:24-27.
[17]宋庆华.城市低保家庭青少年自我效能感危机与社会工作的介入[D].华中科技大学,社会工作,2013,硕士.
[18]梁晓杰.钢渣和水泥碳化与水化关系研究[D].济南大学,材料学,2012,硕士.
[19]王文.面向服务的网络故障管理技术研究[D].国防科学技术大学,计算机技术,2013,硕士.
[20]黎夏,叶嘉安.知识发现及地理元胞自动机[J].中国科学(D辑:地球科学),2004,09:865-872.
[21]曹群华.从沙棘初级利用弃物中提取黄酮及其降血糖药理研究[D].华东师范大学,植物学,2004,硕士.
[22]石菲菲.数字化时代影像广告的传播优化及增值方式研究[D].武汉纺织大学,艺术设计,2014,硕士.
[23]廉聪.基于GJB5000A的项目策划系统的设计与实现[D].哈尔滨工业大学,软件工程,2013,硕士.
[24]曾江华.炭/复合炭材料的制备与电化学性能[D].暨南大学,2009.
[25]梁颖.公允价值计量对利益相关者的影响研究[D].吉林大学,会计,2013,硕士.
[26]杜国祯,覃光莲,李自珍,刘正恒,董高生.高寒草甸植物群落中物种丰富度与生产力的关系研究[J].植物生态学报,2003,01:125-132.
[27]张悦.牛磺酸在大鼠急性心肌缺血模型中心肌保护作用的机制研究[D].复旦大学,内科学,2013,博士.
[28]朱玲玲.hsa-miR-143在人脂肪细胞诱导分化过程中的表达变化及调控因素分析[D].南京医科大学,内科学,2013,硕士.
[29]曲峻晖.基于功能的房地产项目价值评价体系研究[D].浙江大学,人文地理学,2013,硕士.
[30]沈海民,纪红兵,武宏科,史鸿鑫.β-环糊精的固载及其应用最新研究进展[J].有机化学,2014,08:1549-1572.
[31]刘红梅,潘世福.西门子高精度电子皮带秤在河南济钢的应用[J].冶金自动化,2013,02:89.
[32]高强.LTE-A系统中先进技术研究[D].北京邮电大学,电子与通信工程（专业学位）,2013,硕士.
[33]卓建华.软土中管桩、沉管桩、钻孔桩承载力的分析[D].浙江大学,岩土工程,2003,硕士.
[34]金胜蓝.Narcotrend指导下右美托咪定用于胸科手术患者行非清醒气管拔管可行性研究[D].华中科技大学,麻醉学,2013,硕士.
[35]李美娘（LeeMiRang）.中国游客赴韩国医疗旅游消费行为的实证研究[D].山东大学,企业管理,2013,硕士.
[36]董彬.船舶优先权的转让与代位研究[D].大连海事大学,海商法,2014,硕士.
[37]王婷婷.家庭冲突及可能的和解[D].广东外语外贸大学,英语语言文学,2013,硕士.
[38]张琼莉.既有住宅建筑的估价方法研究[D].长安大学,技术经济及管理,2014,硕士.
[39]希力木格.清末民初达尔罕王旗垦务研究-1909-1931[D].内蒙古大学,中国近现代史,2014,硕士.
[40]沈晓婷.高校在国家助学贷款管理工作中职能定位研究[D].华东理工大学,公共管理（专业学位）,2014,硕士.
[41]李金鹏.3种彩叶玉簪光适应性及光氮互作效应的研究[D].吉林农业大学,园林植物与观赏园艺,2012,硕士.
[42]黄陈冲.校企联盟：我国产学合作组织的创新模式研究[D].浙江大学,2007.
[43]王磊,万秋兰.扩展时间Petri网在仿真保护及自动装置动作逻辑中的应用[J].电力系统自动化,2005,06:71-74+83.
[44]李楠.中小企业面试考官的胜任力模型研究[D].西南交通大学,行政管理,2012,硕士.
[45]胡成川.Si-B-C-N-Zr机械合金化粉末及陶瓷的组织结构与性能[D].哈尔滨工业大学,材料学,2013,硕士.
[46]董明飞,王志恒,胡新华,鲍官军,杨庆华.高频电液激振冷挤压数值模拟及其减载实验研究[J].机电工程,2014,01:52-56.
[47]记者 刘路沙.百万亿数据处理超级服务器曙光4000L问世[N].光明日报,2003/03/15.
[48]寇智宁.多相态条件下雷尼镍在环己烷连续脱氢反应过程中的催化活性和失活现象研究[D].浙江大学,应用化学,2013,硕士.
[49]张元志.盐溶液体系微观结构分析与验证[D].合肥工业大学,化学工程,2013,硕士.
[50]彭飞,赵元哲,陈维荣.基于质子交换膜燃料电池的交直流耦合SQ并网控制方法[J].电力系统自动化,2013,24:12-18.
