miR--708--3p靶向调控SIRT1表达在氟神经毒性中的作用研究

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线粒体融合分裂过程对维持线粒体功能至关重要。研究表明,线粒体融合分裂失衡介导氟神经毒性过程,然而过量氟引起神经细胞内线粒体融合分裂失衡的具体机制目前尚未阐明。在各种组织中已证实沉默信息调节因子2相关酶1(silent mating type information regulation 2 homolog 1,SIRT1)可通过过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α(peroxisomeproliferator-activatedreceptorγcoactivator1α,PGC-1α)调控线粒体融合分裂过程发挥保护作用。此外,越来越多研究显示微小RNA(microRNA,miRNA)在转录水平上调控SIRT1表达,通过影响线粒体融合分裂过程在多种疾病中发挥重要作用。
  第一部分SIRT1在氟神经毒性中的作用
  目的:探讨SIRT1在氟神经毒性中的作用及可能的调控机制。
  方法:①体内实验:将购自湖北省疾病预防控制中心实验动物中心40只体重180~220g的SPF级雌性Sprague-Dewley(SD)大鼠适应性喂养一周后随机分为对照组[饮水氟化钠(sodium fluoride,NaF)浓度低于1mg/L]和NaF组(30只,饮水NaF浓度为100mg/L)。氟染毒4个月后,将大鼠分为四组:对照组、NaF组、NaF+白藜芦醇(resveratrol,RSV,200 mg/kg)组和NaF+尼克酰胺(nicotinamide, NIC,100 mg/kg)组。RSV和NIC的灌胃溶液使用1.5%羧甲基纤维素钠溶液配制,根据大鼠体重灌胃溶液用量为0.01ml/gbw/天。继续处理2个月后,采用Morris水迷宫实验观察大鼠的学习与记忆能力;提取大鼠海马组织并采用TUNEL染色及尼氏染色检测神经元凋亡和病理变化;使用透射电子显微镜(transmission electron microscope,TEM)观察神经元内线粒体超微结构改变;westernblot法和免疫组织化学法检测SIRT1、线粒体融合分裂蛋白如线粒体融合蛋白1(mitofusion 1,Mfn1)、线粒体融合蛋白2(mitofusion 1,Mfn2)、动力相关蛋白1(dynamic related protein 1,Drp1)和分裂蛋白(fission 1,Fis1)的蛋白表达及在大鼠海马组织的定位及分布。②体外实验:SIRT1过表达腺病毒(adenovirus expressing SIRT1,Ad-SIRT1)和空载体转染SH-SY5Y细胞24h后,与NaF(60 mg/L)联合处理细胞24h;SIRT1抑制剂NIC(3 mM)与60mg/LNaF联合处理SH-SY5Y细胞24h。Westernblot法检测SIRT1、线粒体融合分裂蛋白、促凋亡蛋白细胞色素C(cytochrome C,Cyto C)及凋亡蛋白剪切型含半胱氨酸的天冬氨酸水解酶3(cleaved cysteinyl aspartate specific proteinase 3 , cleaved caspase 3 )和聚腺苷二磷酸-核糖聚合酶(poly ADP-ribose polymerase,PARP)的蛋白表达;流式细胞术和激光扫描共聚焦显微镜(laser scanning confocal microscope,LSCM)检测线粒体膜电位(mitochondrial membrane potential,MMP)及线粒体形态;利用CCK-8法检测细胞存活率。
  结果:①体内实验:与对照组相比,NaF组大鼠穿越平台次数、在目标象限停留时间和路程占总时间和总路程的比值都明显降低(P<0.05)。与NaF组相比,NaF+RSV组大鼠穿越平台次数和在目标象限停留时间占总时间的比值升高(P<0.05),而大鼠在目标象限停留路程占总路程的比值没有差异;上述指标在NaF+NIC组均无明显变化。大鼠海马组织形态结果显示,NaF组大鼠海马组织内TUNEL阳性细胞和尼氏小体明显增多,且线粒体出现肿胀、空泡化、嵴消失等病理性改变。与NaF组相比,NaF+RSV组TUNEL阳性细胞和尼氏小体减少,线粒体的病理性形态有所缓解;而NaF+NIC组TUNEL阳性细胞和尼氏小体进一步增多,线粒体的病理性形态加重。与对照组相比,NaF组Mfn1、Mfn2蛋白表达升高,Drp1、Fis1蛋白表达下降(P<0.05)。与NaF组相比,NaF+RSV组Mfn1、Mfn2蛋白表达明显下降,Drp1、Fis1蛋白表达明显升高(P<0.05);而NaF+NIC组Mfn1、Mfn2蛋白表达进一步升高,Fis1蛋白表达进一步下降(P<0.05)。大鼠海马组织CA1区SIRT1、Mfn2和Drp1的免疫组化结果与蛋白表达一致。②体外实验:线粒体指标结果显示,与对照组相比,NaF组SIRT1、融合蛋白表达均升高,分裂蛋白表达下降(P<0.05),MMP水平下降且线粒体呈现过度延展伸长的异常形态。与NaF组相比,Ad-SIRT1+NaF组SIRT1蛋白表达进一步升高,融合蛋白表达明显下降,分裂蛋白表达明显升高(P<0.05),MMP水平升高且线粒体的异常形态有所缓解;NaF+NIC组SIRT1蛋白表达下降,融合蛋白表达进一步升高,分裂蛋白表达进一步下降(P<0.05),MMP水平进一步下降且线粒体的异常形态加重。细胞结局指标显示,与对照组相比,NaF组CytoC、PARP、cleavedcaspase3的蛋白表达升高,存活率下降(P<0.05)。与NaF组相比,Ad-SIRT1+NaF组凋亡相关蛋白表达下降,存活率升高(P<0.05);而NaF+NIC组凋亡相关蛋白表达进一步升高,存活率进一步下降(P<0.05)。
  结论:NaF促进线粒体融合,抑制线粒体分裂,引起线粒体形态异常和功能紊乱,诱发线粒体途径凋亡,导致神经毒性。RSV/Ad-SIRT1改善氟的神经毒性作用,而NIC进一步加重氟的神经毒性作用。综上所述,促进SIRT1的表达缓解氟所致的线粒体融合分裂失衡,改善氟引起的线粒体形态异常和功能紊乱,减轻线粒体途径凋亡和提高细胞存活率,进而拮抗氟的神经毒性作用。
  第二部分SIRT1调控PGC-1α在氟神经毒性中的作用
  目的:探讨PGC-1α在SIRT1介导的氟神经毒性过程中发挥的作用。
  方法:采用染色质免疫沉淀-PCR法(chromatin immunoprecipitation-PCR, ChIP-PCR)检测细胞内SIRT1和PGC-1α的靶向结合情况。提取第一部分中SIRT1干预氟暴露SD大鼠海马组织和SH-SY5Y细胞的蛋白,采用westernblot法检测PGC-1α的蛋白表达。PGC-1α过表达腺病毒(adenovirusexpressingPGC-1α,Ad-PGC-1α)和空载体转染SH-SY5Y细胞24h后,NaF和NIC共同处理细胞24h。使用westernblot法检测PGC-1α、线粒体融合分裂蛋白、促凋亡蛋白CytoC及凋亡蛋白cleavedcaspase3、PARP的蛋白表达;使用LSCM观察线粒体形态。
  结果:ChIP-PCR结果显示,在SH-SY5Y细胞中SIRT1靶向性结合PGC-1α。与对照组相比,NaF组PGC-1α蛋白表达水平明显下降(P<0.05)。与NaF组相比,细胞Ad-SIRT1+NaF组和大鼠海马组织NaF+RSV组PGC-1α蛋白表达明显升高(P<0.05);而细胞和大鼠海马组织NaF+NIC组PGC-1α蛋白表达进一步下降(P<0.05)。另一方面,与空载体+NaF组相比,空载体+NaF+NIC组PGC-1α表达下降,Mfn1、Mfn2蛋白表达升高,Drp1、Fis1的蛋白表达下降(P<0.05),线粒体的过度延展伸长异常形态加重,CytoC、cleavedcaspase3和PARP的蛋白表达升高(P<0.05);与空载体+NaF+NIC组相比,Ad-PGC-1α+NaF+NIC组的PGC-1α表达升高,分裂蛋白表达升高(P<0.05),而融合蛋白表达未发生明显变化,线粒体的异常形态缓解,凋亡相关蛋白表达也明显下降(P<0.05)。
  结论:在SH-SY5Y细胞中,NIC使PGC-1α的蛋白表达进一步下降,加重线粒体融合分裂失衡和线粒体形态异常,加重NaF导致的线粒体途径凋亡,上述过程被Ad-PGC-1α阻断。综上所述,促进SIRT1的表达靶向性上调PGC-1α的蛋白表达,逆转氟所致的SH-SY5Y细胞线粒体分裂抑制,改善氟所致的线粒体形态异常和线粒体途径凋亡,进而拮抗氟对神经细胞的毒性作用。
  第三部分miR-708-3p靶向调控SIRT1在氟神经毒性中的作用
  目的:探讨靶向调控SIRT1的上游miRNA及其在氟神经毒性中发挥的作用。
  方法:①使用RNAhybrid(v2.1.2)、Miranda(v3.3a)和TargetScan(v7.0)软件预测可靶向调控SIRT1的的上游miRNA(人和大鼠高度同源)。通过实时荧光定量PCR(quantitative real-time PCR,qRT-PCR)筛选目标miRNA。②设计目标miRNA的mimic和inhibitor,转染SH-SY5Y细胞48h。使用qRT-PCR和westernblot法检测目标miRNA和SIRT1蛋白的表达;使用双荧光素酶报告基因实验检测目标miRNA与SIRT1的特异性结合情况。③目标miRNA的mimic和inhibitor分别转染SH-SY5Y细胞24h后,NaF染毒细胞24h。使用westernblot法检测SIRT1、促凋亡蛋白CytoC及凋亡蛋白cleavedcaspase3和PARP的蛋白表达。④miRNAmimic和Ad-SIRT1、miRNAinhibitor和NIC处理氟染毒SH-SY5Y细胞,采用westernblot法检测SIRT1、线粒体融合分裂蛋白、促凋亡蛋白CytoC及凋亡蛋白cleavedcaspase3的蛋白表达;使用LSCM观察线粒体形态。
  结果:①经miRNA软件预测,调控SIRT1的miRNA共有287个,结合本实验室前期氟染毒大鼠海马组织转录组测序结果,我们筛选出miR-708-3p、miR-29c-3p、miR-3085和miR-194-5p四个miRNA。qRT-PCR结果显示,与对照组相比,氟染毒大鼠海马组织和细胞中miR-708-3p表达均下降(P<0.05),其余miRNA表达趋势不稳定,因此我们选定miR-708-3p做后续的研究。②与对照组相比,miR-708-3pmimic组的miR-708-3p表达明显升高,SIRT1蛋白表达明显下降(P<0.05);而miR-708-3pinhibitor组的miR-708-3p表达下降,SIRT1蛋白表达明显升高(P<0.05);双荧光素酶报告基因实验结果显示,miR-708-3p可靶向性地调控下游SIRT1。③与对照组相比,NaF组SIRT1、CytoC、cleavedcaspase3、PARP的表达均明显升高(P<0.05)。与NaF组相比,NaF+miR-708-3pmimic组SIRT1蛋白表达下降,凋亡相关蛋白的表达进一步升高(P<0.05);NaF+miR-708-3pinhibitor组SIRT1蛋白表达进一步升高,而凋亡相关蛋白的表达水平下降(P<0.05)。④与NaF+miR-708-3pmimic组相比,NaF+miR-708-3pmimic+Ad-SIRT1组SIRT1蛋白表达明显升高,CytoC、cleavedcaspase3的蛋白表达下降,同时融合蛋白表达明显下降,分裂蛋白表达明显升高(P<0.05),线粒体过度延伸的异常形态缓解;相反,与NaF+miR-708-3pinhibitor组相比,NaF+miR-708-3pinhibitor+NIC组SIRT1蛋白表达下降,CytoC、cleavedcaspase3的蛋白表达升高,融合蛋白表达明显升高,分裂蛋白表达明显降低(P<0.05),线粒体过度延伸的异常状态加重。
  结论:NaF引起神经细胞miR-708-3p表达下降。在SH-SY5Y细胞内,miR-708-3p靶向性结合下游SIRT1,miR-708-3pmimic抑制SIRT1的蛋白表达,加重NaF所致的线粒体融合分裂失衡和线粒体形态异常,诱发线粒体途径凋亡,Ad-SIRT1抵制miR-708-3pmimic对NaF神经毒性的加重作用。相反,miR-708-3pinhibitor促进SIRT1的蛋白表达,缓解NaF所致的线粒体融合分裂失衡和线粒体形态异常,减轻线粒体途径凋亡,NIC阻断miR-708-3pinhibitor对NaF神经毒性的保护作用。综上所述,miR-708-3p表达降低靶向性上调SIRT1蛋白的表达,改善氟所致的线粒体融合分裂失衡,缓解线粒体异常形态,减轻线粒体途径凋亡,进而拮抗氟对神经细胞的毒性作用。
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