基因发育。2009年5月15日;23(10): 1183–1194.
Cisd2缺乏导致小鼠过早衰老并导致线粒体介导的缺陷
,1 ,2 ,1,三 ,4 ,1 ,1 ,5 ,6 ,4 ,4 ,1,三和1,三,7
陈一凡
1国立杨明大学生命科学系和基因组研究所,台北112,台湾;
陈雅婷
1国立杨明大学生命科学系和基因组研究所,台北112,台湾;
三国立卫生研究院分子与基因组医学部,台湾苗栗县珠南350;
王致皓
4国立杨明大学生物化学与分子生物学研究所,台北112,台湾;
吴佳育
1国立杨明大学生命科学系和基因组研究所,台北112,台湾;
蔡清彦
1国立杨明大学生命科学系和基因组研究所,台北112,台湾;
刘福琴
5国立杨明大学神经科学研究所,台北112,台湾;
魏耀挥
4国立杨明大学生物化学与分子生物学研究所,台北112,台湾;
徐明达
4国立杨明大学生物化学与分子生物学研究所,台北112,台湾;
蔡世峰(Shih-Feng Tsai)
1国立杨明大学生命科学系和基因组研究所,台北112,台湾;
三国立卫生研究院分子与基因组医学部,台湾苗栗县珠南350;
蔡亭芬
1国立杨明大学生命科学系和基因组研究所,台北112,台湾;
三国立卫生研究院分子与基因组医学部,台湾苗栗县珠南350;
1国立杨明大学生命科学系和基因组研究所,台北112,台湾;
2长庚大学通识教育中心,台湾桃园333;
三国立卫生研究院分子与基因组医学处,台湾苗栗县竹南350号;
4国立杨明大学生物化学与分子生物学研究所,台北112,台湾;
5国立杨明大学神经科学研究所,台北112,台湾;
6苏州大学微生物系,台北111,台湾;
2009年1月8日收到;2009年3月31日接受。
CISD2公司是包含CDGSH铁硫结构域的基因家族的第二个成员。该基因家族目前有三个成员:CISD1公司(同义词ZCD1型,丝裂原),CISD2公司(同义词ZCD2型,Noxp70型、和矿工1)和CISD3公司(同义词矿工2). CISD1是一种线粒体外膜蛋白,最初被确定为用于治疗2型糖尿病的胰岛素增敏药物吡格列酮的靶蛋白(Colca等人,2004年). CISD1蛋白包含一个跨膜结构域、一个CDGSH结构域和一个用于铁结合的保守氨基酸序列;生化实验表明,CISD1参与呼吸频率的控制并调节氧化能力(Wiley等人,2007年). 然而,CISD2公司和CISD3公司是以前没有特征化功能的新基因。CISD2的唯一分子文献是CISD2是细胞培养研究中早期神经元分化的标志之一(Boucquey等人,2006年).
最近顺时针方向2基因已被确定为第二个致病基因(Amr等人,2007年)与Wolfram综合征(WFS;MIM 222300)相关,这是一种常染色体隐性神经退行性疾病。WFS的临床表现具有高度的变异性,包括尿崩症、糖尿病、视神经萎缩和耳聋;因此,它也被称为“DIDMOAD综合征”(巴雷特和邦迪1997). 位置克隆和突变研究表明,WFS是一种遗传异质性疾病,其分子基础复杂,涉及人类多个致病基因(Domenech等人,2006年). 属于WFS1组(MIM 606201)的部分WFS患者在WFS1型(钨酸盐)编码主要定位于内质网(ER)的跨膜蛋白的基因(Inoue等人,1998年;Strom等人,1998年;武田等人,2001). 除此之外CISD2公司该基因已在三个患有WFS的近亲家庭中鉴定(Amr等人,2007年)这些患者被归类为WFS2(MIM 604928)。然而,CISD2蛋白在这些患者和所有其他生物体中的功能尚不清楚,其生理作用也未被探讨。
值得注意的是CISD2公司该基因位于人类染色体4q上的一个区域,在该区域中绘制了人类长寿的遗传成分。以前,Puca等人(2001年)研究了137组极老的兄弟姐妹(共308人),并进行了全基因组扫描搜索,寻找可能导致长寿的易感基因座;这项连锁研究揭示了4q染色体上的一个单一区域,并表明可能至少有一个主基因参与寿命控制;然而,相关基因尚未确定。
在本研究中,我们应用小鼠遗传学方法,证明Cisd2参与哺乳动物寿命控制,并在线粒体完整性中发挥重要作用。Cisd2缺乏导致小鼠线粒体介导的表型缺陷。此外,细胞培养和生化研究表明Cisd2是一种线粒体蛋白。此外,Cisd2公司敲除小鼠表现出WFS患者的许多临床表现,包括中枢(如视神经)和外周(如坐骨神经)神经的早发性退化、过早死亡以及糖耐量受损。因此,本研究提供了一个动物模型,以从机理上了解WFS,特别是WFS2的发病机制。
结果
缩短Cisd2的寿命−/−老鼠
CISD2公司是位于人类染色体4q24上的进化保守基因(补充表1;补充图1、2);小鼠同基因区位于染色体3G3上。Northern杂交分析表明Cisd2公司是一种在小鼠中广泛表达的基因。有趣的是,定量实时RT-PCR显示Cisd2公司自然衰老小鼠的年龄依赖性下降(补充图3)。为了研究Cisd2在发育和病理生理学中的作用,我们生成了Cisd2公司击倒老鼠。Southern和Northern杂交分析表明Cisd2公司基因被破坏,在纯合敲除中没有检测到mRNA表达(Cisd2公司−/−)小鼠(补充图4)。生长迟缓和体型较小明显;5周龄后Cisd2公司−/−老鼠(). 当检测各种基因型的存活率时,早期衰老伴随着寿命缩短,并且似乎有单倍体不足的迹象Cisd2公司鉴于杂合子的存活率略低(Cisd2公司+/–)老鼠().
老年人体重减轻、寿命缩短、眼部和皮肤老化症状Cisd2公司−/−老鼠。(A类)不同基因型的生长曲线。(B类)生存率下降Cisd2公司−/−老鼠。(C类)突出的眼睛和突出的耳朵Cisd2公司−/−老鼠。(D类)Cisd2公司−/−小鼠在6个月大时失明。(E类)通过组织学检查分析角膜混浊情况。Masson三色染色显示角膜外瘢痕组织中有碎屑沉积。(F类)早期脱色和灰色头发出现在头顶和肩膀上。这张代表性的照片是在12个月大的时候拍摄的Cisd2公司−/−女性。(G公司)毛囊萎缩顺时针方向2−/−小鼠经Masson三色染色证实。(H(H))头发中含有头发的毛囊密度降低Cisd2公司−/−将小鼠与野生型皮肤进行比较。(我,J型)12个月龄野生型和Cisd2公司−/−小鼠。这个Cisd2公司−/−皮肤表现为表皮增生,毛囊萎缩,皮下脂肪和肌肉减少,真皮厚度增加。(K(K))野生型和野生型组织切片的皮下肌肉组织、脂肪组织和真皮的定量Cisd2公司−/−皮肤。(*)P(P)<0.05被认为具有统计学意义。
早衰表型
从8周大开始,Cisd2公司−/−小鼠开始出现一系列明显类似于早衰综合征的衰老现象(Hasty等人,2003年;Kipling等人,2004年). 这些包括突出的眼睛和突出的耳朵(). 观察到眼部异常Cisd2公司−/−小鼠在20周大时出现不透明的眼睛和失明,并伴有角膜损伤(). 组织病理学检查显示角膜混浊是由于角膜外瘢痕组织中的碎屑沉积所致(). 此外,角膜新生血管在顺时针方向2−/−老鼠;这可能会损害视力,通常与眼外伤或退行性疾病引起的发病机制有关(补充图5)。48周龄时,皮毛也出现早期脱色(; 补充图6);此外,在Cisd2公司−/−老鼠(). 在Cisd2公司−/−小鼠(补充图7A、B)。此外,48岁老人的皮肤Cisd2公司−/−小鼠表现出皮肤明显增厚、表面扩张、皮下脂肪组织和肌肉显著减少的表型().
微机断层扫描(micro-CT)显示股骨小梁在Cisd2公司−/−老鼠(). 双能X射线吸收仪(DEXA)检测到8周龄后股骨密度下降;有趣的是,在杂合子中股骨密度也开始下降Cisd2公司+/−小鼠,但在24周龄时,在与Cisd2公司−/−老鼠(). 这表明,除了在寿命评估方面观察到的情况外Cisd2公司股骨密度的单倍不足。从大体解剖角度、X射线照相和显微CT的结果显示,12周龄后出现了显著的后凸畸形表型(; 补充图7C、D);因此,这似乎导致平均胸腔容积减少()然后是肺功能异常。事实上,我们观察到,在20周大的婴儿中,通过容积描记法测量的各种呼吸参数都有所下降Cisd2公司−/−小鼠(补充图8)。在3周龄时,在Cisd2公司−/−老鼠。肌肉纤维进行性退化,退化程度随着年龄的增长而加剧(); 通过透射电子显微镜(TEM)进一步证实了肌肉变性(补充图9)。此外,角纤维是神经元变性引起的肌肉萎缩的标志,在Cisd2公司−/−老鼠().
骨骼和肌肉异常以及胸部容积减少Cisd2公司−/−老鼠。(A类)12周龄股骨小梁的显微CT成像。小梁厚度在Cisd2公司−/−鼠标。(B类)采用DEXA分析骨量减少。8周龄时检测到股骨密度下降Cisd2公司−/−老鼠。在24周龄时,也检测到股骨密度下降Cisd2公司+/−24周龄时,小鼠的表型变得更加严重Cisd2公司−/−老鼠。(C类)野生型小鼠和Cisd2公司−/−16周龄小鼠。这个Cisd2公司−/−小鼠表现出脊柱后凸(脊柱弯曲)表型。(D类)显微CT扫描可以对胸椎和脊柱进行三维重建。(E类)明显的后凸畸形导致Cisd2公司−/−小鼠与野生型同窝小鼠进行比较。(F类,G公司)4周龄和28月龄野生型小鼠骨骼肌横切面的H&E染色。(H(H),我)4周龄和8周龄的肌肉退化Cisd2公司−/−通过骨骼肌横切面的H&E染色检查小鼠。黑色箭头表示存在于Cisd2公司−/−在自然衰老的小鼠中也是如此。蓝色箭头表示有角的纤维,这是神经元变性引起的肌肉萎缩的一个标志。(J型)骨骼肌中退化纤维的量化。(*)P(P)< 0.05; (**)P(P)< 0.005.
加速衰老表型的一个可能机制是Cisd2公司−/−老鼠。为了测试这种可能性,我们从不同基因型的单个胚胎中创建了几种原代小鼠胚胎成纤维细胞(MEF)细胞系。我们的结果显示,加倍时间和MEF细胞生长没有显著差异(补充图10),这表明Cisd2公司−/−小鼠不是由于细胞增殖的内在缺陷。
衰老相关表型综述Cisd2公司−/−补充表2中提供了小鼠。使用C57BL/6(B6)或129Sv/B6混合背景,这些突变小鼠表现出早衰表型,两性外显率均为100%。
线粒体变性和自噬
对涉及肌肉退化的早衰表型的观察促使对纯合子敲除小鼠的组织超微结构进行了详细检查。TEM研究表明,坐骨神经、脑细胞的轴突发生线粒体变性()心肌细胞和骨骼肌细胞()在中Cisd2公司−/−老鼠。值得注意的是,线粒体外膜(OM)似乎在内嵴破坏之前就已经破裂了(). 在野生型小鼠中,有髓轴突被髓鞘包裹,髓鞘由雪旺细胞的多层质膜融合而成(). 然而,髓鞘的大量解体和轴突的变性在Cisd2公司−/−坐骨神经(). 重要的是,这些线粒体异常,包括线粒体破坏、髓鞘解体和轴突损伤,在2周龄时已在一定程度上出现Cisd2公司−/−老鼠(; 补充图11),这是这些小鼠肌肉和神经退化的第一个过早老化表型之前的一个阶段。有趣的是,受损的线粒体似乎会诱导自噬以消除功能失调的细胞器(Kim等人,2007年)因为我们发现了形态不同的自噬空泡(Eskelinen 2008年)肌肉、坐骨神经、视神经和脑组织(; 补充图12)。自噬空泡是指自噬体、两性体或自溶体。形态学上,自噬液泡可分为两类:(1)早期或初始自噬空泡(AVis),即自噬体,它是含有未消化细胞质物质或细胞器的双层膜结构;(2) 晚期或降解性自噬液泡(AVds),包括两性体和自溶体,其中含有部分降解的细胞质物质(Eskelinen 2008年;Fader和科伦坡2009). 值得注意的是,线粒体变性随着年龄的增长而加剧,自噬的程度与早衰表型的发展平行增加(). 测量坐骨神经髓鞘厚度,计算有髓轴突数量;我们的研究结果显示,不同基因型之间没有显著差异(补充图13),表明这两个因素与Cisd2公司−/−老鼠。我们还检测了自噬体标记LC3-II(Kabeya等人,2000年)骨骼肌和心肌是体内自噬降解最敏感的组织(水岛等人,2004年); 事实上,LC3-II/LC3-I的比率在Cisd2公司−/−与野生型同窝小鼠相比。这一生化证据证实了TEM的结果,并为自噬诱导提供了定量依据().
大鼠肌肉和神经元的线粒体变性和自噬诱导顺时针方向2−/−老鼠。(A类)大脑(海马体)中的野生型线粒体。(B类)A类Cisd2公司−/−大脑(海马体)中的线粒体。请注意,线粒体外层膜已经破裂(箭头),而内嵴似乎完好无损。(C类)Cisd2公司−/−坐骨神经线粒体。一个线粒体(箭头)有一个损坏的OM,但仍可见嵴;另一个线粒体(箭头)破坏了OM和IM。(D类)心肌中的野生型线粒体。(E类)Cisd2公司−/−心肌线粒体。这张显微照片显示,一个线粒体(箭头)的OM被破坏,两个退化的线粒体由碎片组成(箭头)。(F类)在肌原纤维之间观察到一簇自噬空泡和异常线粒体Cisd2公司−/−骨骼肌(白色箭头)。(G公司)坐骨神经的野生型有髓轴突。(N) 雪旺细胞核;(MS)髓鞘。(H(H))坐骨神经的有髓轴突Cisd2公司−/−鼠标。图中显示了一个卵球形体,其髓鞘解体,轴突成分退化。(我)轴突变性的碎片Cisd2公司−/−坐骨神经。(J型——L(左))在2周龄雪旺细胞的轴突成分和细胞质中检测到早期或AVis包裹线粒体(箭头)和晚期或AVdsCisd2公司−/−坐骨神经。(M(M),N个)坐骨神经中有髓轴突的百分比显示其髓鞘解体,轴突成分中有自噬空泡,包括AVi和AVd。每组有三只小鼠。(O(运行))Western blotting检测蛋白LC3-I和LC3-II的存在。(P(P))LC3-II与LC3-I的比率。每组有三只小鼠。(*)P(P)< 0.05; (**)P(P)< 0.005. 老鼠年龄A类——我4周大。
自噬可通过直接激活自噬(II型程序性)细胞死亡导致细胞死亡,从而产生死亡细胞的自我分级(Shimizu等人,2004年;Mizushima等人2008); 或者,自噬可能通过激活凋亡导致细胞死亡(Scott等人,2007年). 为了确定细胞凋亡是否增加Cisd2公司−/−我们对小鼠的各种组织进行了TUNEL分析,以原位检测凋亡细胞,并没有发现凋亡增加的证据Cisd2公司−/−小鼠(补充图14)。此外,有报道称饥饿可以诱导肌肉自噬(水岛等人,2004年). 为了测试这种可能性,我们测量了代谢指数,包括食物和水的摄入量以及尿液和粪便的生成量。我们的结果显示,两组之间的代谢指数没有显著差异Cisd2公司−/−和6周龄野生型小鼠(补充图15A);这是在2周大时检测到自噬激活后4周。这不包括饥饿/营养不良作为自噬诱导的原因Cisd2公司−/−老鼠。12周龄后,代谢指数明显下降(补充图15B),这可能是衰老表型的结果。
Cisd2可能是线粒体OM蛋白
Cisd2蛋白的注释特征与Cisd1非常相似,Cisd1是一种外线粒体膜蛋白(补充图16A;Wiley等人,2007年). 为了解决亚细胞定位问题,我们在NIH3T3细胞中表达了EGFP标记的Cisd2蛋白。我们的结果表明,Cisd2与线粒体标记物共定位(补充图16B)。然而,N端58个氨基酸的缺失完全取消了线粒体定位;此外,当N端58个氨基酸与EGFP融合时,这种结构能够将EGFP从细胞核和细胞质定位重定向到线粒体(),表明Cisd2是一种细胞核编码的线粒体蛋白,其N末端58个氨基酸对于指导线粒体定位是必要的和充分的。为了确认Cisd2蛋白的亚细胞定位,从野生型小鼠骨骼肌中制备了细胞溶质和线粒体组分。产生了针对Cisd1和Cisd2的抗体。Western blot分析显示Cisd2蛋白与线粒体蛋白Cisd1和Hsp60类似(Samali等人,1999年;Colca等人,2004年;Wiley等人,2007年),主要定位于线粒体部分(). 为了进一步确定Cisd2的亚线粒体定位,我们将小鼠肝线粒体分为以下部分:OM、有丝分裂体(MP、内膜[IM]和基质)和膜间间隙(IMS,IM和OM之间的可溶性物质)。用抗Cisd2抗体和已知标记物对每个组分进行免疫印迹分析,结果表明Cisd2在OM组分中高度富集,OM标记物VDAC-1也是如此;这一结果强烈表明Cisd2是一种线粒体OM蛋白().
Cisd2主要定位于线粒体外膜,Cisd2缺乏导致线粒体功能障碍。(A类)EGFP标记的Cisd2蛋白通过N-末端信号序列定向到线粒体。EGFP-Cisd2蛋白在NIH3T3细胞中表达。EGFP标记的全长Cisd2蛋白与MitoTracker Red共定位,而N端58个氨基酸的缺失完全取消了线粒体定位。当N端58-氨基酸序列融合到EGFP时,该结构能够将EGFP从核质定位重定向到线粒体(B类)使用从12周龄小鼠骨骼肌制备的线粒体(Mito)和细胞溶质(Cyto)组分的蛋白质提取物,通过Western blotting分析Cisd2和Cisd1蛋白质的亚细胞定位。产生抗Cisd2蛋白(15kDa)的多克隆抗体;该抗体与Cisd1蛋白(12kDa)交叉反应。线粒体蛋白Cisd1和Hsp60的抗体用作对照。(C类)使用抗Cisd2抗体和已知线粒体标记蛋白,通过Western blot分析从4周龄小鼠肝脏制备的每个亚线粒体部分的10微克。OM标记:(VDAC-1)电压依赖性阴离子通道-1;IM标记:(ATP5B)复合物Vβ亚单位;基质标记物:(PDH)丙酮酸脱氢酶。(MP)微体(IM和基质);(IMS)膜间空间。(D类)4周龄骨骼肌线粒体呼吸受损Cisd2公司−/−老鼠。在氧气计的密闭室中首先添加谷氨酸-苹果酸盐,然后添加ADP后,线粒体的典型氧合图。(E类)呼吸活动表示为耗氧量(纳米O2每分钟每毫克线粒体)。在Cisd2公司−/−线粒体样本(n个=4)与野生型样品相比(n个= 3). (F类)RCR(O)2添加ADP后的消耗率/O2添加谷氨酸-苹果酸后的消耗率)显著降低Cisd2公司−/−线粒体(G公司)4周龄Cisd2骨骼肌线粒体呼吸酶复合物电子传递活性的比较−/−(n个=4)和野生型小鼠(n个= 4). (NCCR活性)NCCR活性的测量,代表复合物I–III;(SCCR活性)SCCR活性测量,代表复合物II和III;(CCO活动)cCCO活动,代表复杂IV(*)P(P)< 0.05; (**)P(P)< 0.005.
以前,Amr等人(2007)报道在转染的小鼠P19和人类HEK293细胞中,标记的CISD2蛋白与ER标记物calnexin共定位。我们试图使用从野生型小鼠骨骼肌制备的亚细胞组分来确定是否有一小部分Cisd2蛋白被分类到ER/肌浆网(SR)中。我们的数据确实显示了一个微弱的信号,表明线粒体后上清液中存在Cisd2蛋白,这与微粒体部分中的ER标记共定位。线粒体中存在的Cisd2蛋白与内质网的比率估计约为5.8:1(补充图17)。
线粒体是通过氧化磷酸化生成ATP的细胞能量工厂。为了研究本研究中检测到的线粒体变性是否有导致呼吸功能障碍的直接功能后果,我们使用从骨骼肌制备的分离线粒体评估线粒体有氧呼吸。这是通过测量用谷氨酸盐和ADP刺激线粒体以激活呼吸链反应后的耗氧量来完成的。我们的研究结果显示,患者的耗氧量和呼吸控制率(RCR)显著降低Cisd2公司−/−线粒体(). 为了进一步扩大这项研究,我们探索了铁硫蛋白,这是线粒体呼吸链中必不可少的电子载体;有多达12个不同的铁硫团簇将电子穿梭于络合物I–III中(Rouault and Tong 2008年). 我们测量了复合物I–III(NADH细胞色素)的各种铁硫蛋白的活性c(c)还原酶(NCCR)和复合物II–III(琥珀酸细胞色素c(c)还原酶(SCCR)。此外,我们还测定了复合物IV(细胞色素)的活性c(c)氧化酶(CCO),其中包含用于电子传输的血红素和铜中心(Rouault and Tong 2008年). 我们的结果表明,复合物I–III、复合物II–III和复合物IV的电子传递活性在Cisd2公司−/−线粒体与野生型线粒体的比较(). 结合耗氧实验,这些结果揭示了顺时针方向2−/−线粒体。
为了测试线粒体氧化磷酸化的副产物活性氧(ROS)水平的增加是否有助于顺时针方向2−/−小鼠,我们监测细胞内ROS,主要是H2O(运行)2在不同基因型小鼠脑和肝的MEF细胞和原代细胞中。不同基因型之间,这些原代细胞中的ROS水平没有显著差异(补充图18A)。此外,清除活性氧的酶在大脑、心脏、肝脏和骨骼肌中的mRNA水平未受影响,这表明活性氧诱导的应激反应在Cisd2公司−/−小鼠(补充图18B)。
WFS和Cisd2−/−老鼠
为了评估Cisd2公司−/−我们将小鼠作为WFS2的动物模型,并深入了解WFS2发病的机制基础,比较了该病的临床表现和WFS2表型Cisd2公司−/−老鼠。WFS是一种临床异质性疾病;只有青少年糖尿病和视神经萎缩是诊断WFS的必要标准。重要的是,Cisd2公司−/−小鼠表现出包括视神经缺损在内的渐进性神经退行性表型(; 补充图12)。关于葡萄糖稳态,我们发现Cisd2公司−/−口服葡萄糖耐量试验显示,小鼠表现出较温和的表型,即糖耐量受损和胰岛素分泌减少(). 此外,胰岛素耐受性测试未显示胰岛素抵抗Cisd2公司−/−老鼠;事实上,这些突变小鼠对胰岛素更敏感(). 此外,胰岛的免疫组织化学(IHC)染色显示,两组胰岛β细胞内胰岛素表达无明显差异Cisd2公司−/−和野生型小鼠(). 综上所述,这些结果表明Cisd2公司−/−小鼠似乎有胰岛素分泌缺陷,而不是胰岛素抵抗。线粒体功能障碍在β细胞胰岛素分泌缺陷中的重要性已在其他小鼠模型中得到证实,这表明线粒体ATP生成是β细胞信号系统的关键部分,并允许胰岛素释放(华莱士2001;Torraco等人,2009年). 然而,在顺时针方向2−/−具有C57BL/6同源背景的小鼠。这与之前的一项观察一致,即C57BL/6背景赋予糖尿病抵抗表型更多(科尔曼1992); 一个类似的遗传背景效应的发现也被报道了WFS1型(钨酸盐)基因敲除小鼠(Ishihara等人,2004年). 除了视神经萎缩和葡萄糖不耐受外Cisd2公司−/−小鼠反映了WFS患者临床表现的其他方面,包括早期(青少年)发病和过早死亡(补充表3)。因此,该突变小鼠也可能为Cisd2蛋白功能的机制研究提供动物模型,并有助于对WFS2的病理生理学理解。
视神经变性与糖耐量受损Cisd2公司−/−老鼠。(A类)一张代表性的TEM显微照片,显示在24周大的视神经有髓鞘轴突的轴突成分中检测到晚期或AVdCisd2公司−/−老鼠。白色箭头表示有髓轴突解体。(B类)轴突成分中含有自噬空泡(包括AVi和AVd)的视神经有髓轴突的百分比。每组有三只小鼠;(周)周。(C类,D类)在指定的时间点,分别在葡萄糖负荷前(0分钟)和负荷后的血糖水平和血浆胰岛素水平。12周龄时进行口服葡萄糖(1.5 g/kg体重)耐受性试验Cisd2公司−/−和野生型小鼠,均具有C57BL/6基因背景。采集血样以测定小鼠的血糖水平和血浆胰岛素水平。(E类)12周龄时进行胰岛素(0.75 U/kg体重)耐受性试验Cisd2公司−/−和野生型小鼠。每组有三只小鼠,对每只小鼠进行三次独立测量。(*)P(P)< 0.05; (**)P(P)< 0.005. (F类)12周龄胰岛β细胞胰岛素的IHC染色Cisd2公司−/−和野生型小鼠。
材料和方法
Cisd2敲除小鼠的产生
鼠标Cisd2公司通过筛选从C57BL/6(B6)小鼠菌株衍生的BAC文库(Research Genetics,Inc.)获得基因组DNA。SpeI–BamHI 6.4-kb DNA片段,包含Cisd2公司基因被用作构建插入型靶向载体的同源重组臂(补充图4)。这个Cisd2公司含有嘌呤霉素选择盒的靶向载体用ApaI线性化,并通过电穿孔转染到AB2.2 ES细胞。使用3′-侧翼探针,特别是外显子3的1.7kb BamHI–EcoRI片段,通过Southern blot分析筛选靶向ES细胞克隆。将靶向ES细胞注入B6囊胚。嵌合体雄性小鼠与B6雌性小鼠杂交。种系传递是从它们的agouti子代获得的。这些小鼠在一个特定的无病设施中繁殖,并根据国家研究委员会的《实验动物护理和使用指南》进行治疗。杂合子雄性与B6雌性回交九代,以引入Cisd2公司B6同源背景的靶向等位基因。
骨骼和骨密度分析
骨标本固定在10%福尔马林中,用磷酸盐缓冲,并保存在70%乙醇中。使用DEXA仪器(Northern Radiology)从骨骼的二维图像中量化每平方厘米的骨密度。对于micro-CT扫描,将敲除和野生型标本固定在10%福尔马林中,用磷酸盐缓冲,保存在70%乙醇中,然后通过eXplore Locus SP临床前标本micro-CT(GE Healthcare)进行检查。在轴向平面上进行全身和股骨扫描,样本安装在圆柱形样本架中。从显微CT扫描切片重建骨骼的三维图像,并用于骨骼结构和形态分析。定量数据由eXplore MicroView 2.0版软件指南(GE Healthcare)计算得出。
皮肤和皮肤分析
背部皮肤组织切片用H&E和Masson毛发染色。皮肤、脂肪和肌肉层的厚度通过使用SPOT Imaging Software Advance(Diagnostic Instruments,Inc.)随机测量单个皮肤样本的长度进行量化。
透射电镜
将各种小鼠组织固定在磷酸缓冲液(pH 7.3)中戊二醛(1.5%)和多聚甲醛(1.5%)的混合物中。将其在1%OsO4和1.5%己二酸钾中进行后固定,然后在二甲氨基甲酸盐和0.2M马来酸钠缓冲液(pH 6.0)中进行冲洗,并用1%乙酸铀酰进行块染色。脱水后,将各种组织包埋在Epon中,并如前所述进行TEM切片(Kao等人,1995年).
Western blotting和IHC染色
组织样品在裂解缓冲液中均质(20 mM Tris,pH 7.4,150 mM NaCl,10 mM EDTA,1%Triton X-100,含完全蛋白酶抑制剂混合物[(Roche])),并通过煮沸变性5分钟。提取的蛋白质在13%SDS–聚丙烯酰胺凝胶(Bio-Rad)上分离并电转移至Amersham Hybond N+膜(GE Healthcare)。用5%(w/v)脱脂干乳封闭膜,用一级抗体孵育,清洗,然后使用可视化试剂盒(Upstate Biotechnologies,64-201BP)检测。以下抗体用于免疫印迹:LC3B(1:1000;细胞信号,2755);Gapdh(1:5000;Abcam,ab9482);Hsp60(1:2000;Chemicon,AB3497);Hsp70(1:2000;BD转导实验室,610608);VDAC-1(1:1000;钙生物化学,529532);ATP5B(1:2000;分子探针,A21351);PDH(1:1000;圣克鲁斯生物技术,sc65242)。使用石蜡包埋胰腺切片(3μm)对胰岛素蛋白进行IHC染色。将胰腺切片浸泡在含有10 mM柠檬酸钠(pH 6.0)的抗原回收缓冲液中,并在微波炉中加热两次,持续10分钟(Sunpentown,SM-1220,650W)。然后在4°C下用胰岛素一级抗体(1:100;Abcam,ab7842豚鼠多克隆抗体)孵育切片18–24小时,用生物素化二级抗体(1:500;Abcam,ab6907)检测,并用LSAB试剂盒(DakoCytomation,K0690)观察。
兔抗鼠Cisd1和Cisd2多克隆抗体
通过PCR扩增Cisd1(对应氨基酸27–108)和Cisd2(对应氨基酸52–135)的小鼠cDNA片段,并克隆到含有His标签序列的pQE-31(Qiagen)载体中。将His-Cisd1和His-Cidd2的表达质粒转化为M15细菌,用2 mM IPTG(异丙基硫代-β-D-半乳糖苷)诱导,并用Nickel-resin(Novagen)纯化。将这些蛋白注射到兔子体内,分别产生含有抗小鼠Cisd1和Cisd2多克隆抗体的抗血清。
亚细胞定位
使用脂质体2000(Invitrogen,11668-019)将EGFP标记的Cisd2表达质粒转染到NIH/3T3细胞。将瞬时表达EGFP-Cisd2融合蛋白的细胞贴在凝胶涂层玻璃盖玻片上,用各种细胞器探针进行染色,包括线粒体(MitoTracker Red CMXRos;Invitrogen Life Technologies)、ER(抗钙联蛋白;Sigma,C7617)和高尔基体(抗高尔基97;分子探针)。然后固定盖玻片,并通过共聚焦显微镜(Olympus FluoView FV300)进行观察。细胞核用DAPI(4′-6-二氨基-2-苯基吲哚;Sigma)进行复染。
骨骼肌线粒体的分离
新鲜骨骼肌用PBS洗涤两次,并立即在冰冷的SEH缓冲液(0.25M蔗糖、1mM EGTA、3mM HEPES、pH 7.2的蛋白酶抑制剂混合物)中匀浆。通过低速离心(800克)匀浆,然后高速离心(10000克)上清液。最后,将线粒体颗粒重新悬浮在适当体积的SEH缓冲液中。分离的线粒体立即用于评估线粒体呼吸和氧化磷酸化。
线粒体亚分馏
根据下述方法进行线粒体亚分馏Pagliarini等人(2005年)进行了一些修改。简单地说,0.5 mL线粒体悬浮液(10 mg/mL)与10 mg纯化洋地黄素在冰上孵育30 min,每10 min轻轻倒置一次混合物。高速离心(12000克),将有丝分裂体(包含IM和基质)制成丸,并对上清液进行超速离心(150000克)分离线粒体的OM和IMS。
耗氧量测量
使用782氧气计(Strathkelvin Instruments)测量氧气消耗率。一份300μL的分析缓冲液(125 mM蔗糖、65 mM KCl、2 mM MgCl2,20 mM钠+,K+-将含有约0.2~0.5 mg线粒体的pH值为7.2)的磷酸盐缓冲液置于37°C的氧气计密闭室中,以测量线粒体的稳态耗氧量(Chen等人,2008). 为了进一步评估线粒体的呼吸功能,我们测量了谷氨酸-苹果酸支持的线粒体呼吸和RCR。首先,我们使用汉密尔顿注射器(Strathkelvin)添加10 mM谷氨酸和10 mM苹果酸(Sigma-Aldrich)并记录谷氨酸-苹果酸支持的氧消耗率。5分钟后,我们注入3μL 100 mM ADP,以使分析培养基中的最终ADP浓度达到1 mM。记录激活呼吸速率以测量线粒体的RCR。
呼吸酶复合物活性
根据下述方法进行以下活性分析:Wei等人(1998)NCCR(代表复合物I–III活性)和SCCR(代表复杂物II–III活性c(c).用分析缓冲液(1.5 mM KCN,50 mM K2高性能操作4在pH 7.4)下,含β-NADH或琥珀酸盐,在37°C下保持15分钟。添加细胞色素后c(c)在紫外/可见分光光度计上记录550 nm处混合物的吸光度变化。CCO(代表复合物IV)活性通过外源性还原细胞色素氧化测定c(c).在分析缓冲液(5 mM K)中预培养20~50μg SMP的等分样品2高性能操作4pH7.4)在30°C下保持10分钟。添加铁细胞色素后c(c)在紫外/可见分光光度计上记录550 nm处的吸光度变化。
口服葡萄糖耐量试验和胰岛素耐量试验
小鼠禁食10小时后(晚上10点至早上8点),用喂食针口服葡萄糖溶液(1.5 g/kg体重)(Juan等人,2004年). 在葡萄糖负荷之前(0分钟)和之后的指定时间点从尾部尖端采集血液样本。使用葡萄糖试纸(LifeScan;强生)和SureStep品牌测量仪测量血糖水平。用ELISA试剂盒(Mercodia)测定血清胰岛素水平。胰岛素耐受性试验在禁食2小时(上午9点至11点)后进行,涉及腹腔注射胰岛素(0.75 U/kg体重;诺和林人类常规胰岛素;诺和诺德)(Tran等人,2008年). 每组有三只小鼠,每只小鼠有三次独立测量。
统计
结果以平均值±SD表示。多组之间的差异通过单因素方差分析(SPSS 14.0统计软件)进行分析。使用Student’st吨-测试。采用Kaplan-Meier方法计算小鼠存活率,采用对数-库(Mental-Cox)检验确定不同组小鼠的存活差异。在分析基因敲除小鼠和野生型小鼠之间的统计差异时,P(P)<0.05被认为是显著的。