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细胞科学杂志。作者手稿;PMC 2009年11月1日提供。
以最终编辑形式发布为:
PMCID公司:PMC2735721型
NIHMSID公司:美国国立卫生研究院135443
PMID:18946027

过度表达的亲环素B抑制与活性氧和钙相关的细胞凋亡2+内质网应激后的体内平衡

关联数据

补充资料

总结

内质网中错误折叠蛋白的长时间积累导致内质网应激介导的细胞凋亡。亲环素是一种蛋白质伴侣,通过其肽基-丙基顺反异构酶(PPIase)活性加快蛋白质折叠速度。在本研究中,我们证明了内质网应激通过一种新的内质网胁迫反应元件激活了内质网膜亲环素B(CypB)基因的表达。野生型CypB的过度表达减弱了内质网应激诱导的细胞死亡,而异构酶活性缺陷突变体CypB/R62A的过度表达不仅增加了Ca2+内质网(ER)和活性氧(ROS)生成过程中的泄漏,也会降低线粒体膜电位,导致细胞在暴露于内质网应激诱导剂后死亡。siRNA介导的CypB表达抑制使细胞更容易受到内质网应激的影响。最后,CypB与内质网应激相关伴侣Bip和Grp94相互作用。综上所述,我们得出结论,CypB通过其PPLase活性在保护细胞抵抗内质网应激方面发挥着关键作用。

关键词:亲环素B、内质网应激、肽酰脯氨酸顺反异构酶(Pplase)、活性氧物种(ROS)

介绍

内质网内腔是蛋白质翻译后修饰和折叠的特殊细胞环境。正确折叠的蛋白质退出内质网并通过分泌途径运输,而未折叠的蛋白质被保留并导向内质网相关蛋白质降解机制(ERAD)。内质网应激被定义为内质网蛋白质折叠负荷超过蛋白质折叠能力(Harding等人,1999年). ER应激细胞有两种反应。首先,真核生物翻译起始因子2(eIF2)复合体的活性降低导致蛋白质合成减弱,该复合体通常将带电荷的启动子甲硫氨酸tRNA招募到40S核糖体亚单位(考夫曼,2004年). 此外,为了减轻蛋白质折叠负荷,最近又描述了两种机制:IRE1(也称为ERN1)介导的ER-localized mRNA降解(Hollien和Weissman,2006年)以及p58对内质网蛋白的共翻译蛋白酶体降解IPK公司内质网应激细胞(也称为DNAJC3)(Oyadomari等人,2006年;Rutkowski等人,2007年). 其次,编码ER-localized伴侣蛋白而非胞质伴侣蛋白的基因的转录是通过一种称为未折叠蛋白反应(UPR)的信号通路激活的。在哺乳动物中,IRE1、PERK和ATF6是三种ER-localized跨膜蛋白,可感知ER管腔中未折叠蛋白的存在。在正常情况下,这些信号分子通过其管腔结构域与蛋白质伴侣Bip(也称为HSPA5)的相互作用而保持非活性状态。Bip是Hsp70蛋白伴侣家族中ER-localized成员,与未折叠的多肽链相互作用。当内质网暴露于压力下时,Bip从压力传感器中释放出来,有利于与未折叠的蛋白质结合。Bip中IRE1的释放激活其蛋白激酶和内核糖核酸酶活性,启动XBP1 mRNA的剪接,从而产生一种有效的转录因子,用于UPR基因的表达。从Bip释放后,PERK被激活,磷酸化eIF2的α亚单位并减弱蛋白质合成。矛盾的是,eIF2α磷酸化同时促进选择性mRNA的翻译。例如,通过eIF2α磷酸化提高转录因子ATF4的翻译活性导致约33%的UPR基因诱导。最后,Bip释放导致ATF6转运到高尔基体,在高尔基体中被裂解产生细胞溶质片段,迁移到细胞核,激活UPR基因的转录,包括ER受体折叠酶和分子伴侣,如Bip和Grp94(也称为HSP90B1)。

内质网应激反应元件(ERSE)是CCAAT-N9-CCACG的一个一致序列,对于编码主要内质网伴侣的基因如Bip、Grp94、PDI和钙网蛋白的转录诱导来说,ERSE是必要的,也是充分的(Kokame等人,2001年;山本等人,2004年). 这些蛋白的增加表达可以缓解内质网应激并提高细胞存活率。然而,当蛋白折叠负担无法解决时,细胞诱导CHOP促凋亡转录因子的表达,并激活前蛋白酶12(小鼠)或前蛋白酶4(人类)以促进细胞死亡(Hitomi等人,2004年).

了解细胞如何克服内质网应激的分子机制非常重要,因为越来越多的证据表明内质网胁迫与多种疾病的病因有关,包括阿尔茨海默病、聚谷氨酰胺诱导的聚集性疾病、帕金森病和糖尿病(Kudo等人,2002年;Ozcan等人,2008年;Ozcan等人,2006年;Mattson和Chan,2003年;Conn等人,2004年;Katayama等人,2004年;Pereira等人,2004年;Ryu等人,2005年; Schroder和Kaufman,2005年)。

亲环素已被鉴定为免疫抑制剂环孢菌素A(CsA)的细胞结合蛋白(Hong等人,2002年;Choi等人,2007年)、和在大多数组织中组成性表达(安德列娃等人,1999年). 亲环素具有肽基脯氨酸顺反异构酶(PPIase)活性,可催化细胞内的蛋白质折叠。包括CypA、CypB、CypC和CypD(分别称为PPIA、PPIB、PPIC和PPID)在内的亲环蛋白的几种经典亚型已被鉴定并发现存在于其独特的细胞位置,似乎提供了特定的隔室功能。CypD是线粒体通透性转换复合物的组成部分,在细胞凋亡中起着关键作用(Lin和Lechleiter,2002年;Baines等人,2005年;Schinzel等人,2005年). CypA是最丰富的CsA结合细胞溶质蛋白。CypC定位于胞浆和内质网腔,而CypB主要定位于内质网腔内。尽管有一些推测认为CypB在内质网的蛋白质折叠中起作用,但目前还没有直接信息支持CypB对内质网应激反应起重要作用的观点。在本研究中,我们证明了CypB在保护细胞抵抗内质网应激方面发挥着重要作用。

结果

雌激素受体应激上调亲环素B的转录水平

在内质网应激期间,大多数内质网分子伴侣上调(Gillece等人,1999年;Uccelletti等人,2004年). 在我们的实验中,将H9C2细胞与内质网应激诱导剂(如1µM thapsigargin(Tg)和10µg/ml突尼斯霉素(Tm))孵育后,主要内质网伴侣蛋白Bip、Grp94和PDI以及CypB的表达水平也迅速增加(图1A). 在增殖和分化条件下观察到内质网应激对其的诱导作用。密度分析显示,Tg和Tm处理后CypB的表达大约增加了两倍(图1A). 此外,在显微镜下观察到内质网应激引起的细胞同时死亡(图1B). 通过对caspase 3、procaspase 12、细胞溶质细胞色素的western blot分析,进一步表征了ER应激在增殖和分化条件下诱导的细胞死亡c(c)和线粒体Bax(图1C)和Hoechst 33342染色(图1D)表明当细胞受到内质网应激时发生凋亡死亡。

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嗜环蛋白B在内质网应激下转录上调。在增殖条件(PM)下用1µM Tg和10µg/ml Tm处理H9C2细胞48小时或在分化条件(DM)下处理24小时。对照组(con)为未经处理的细胞。(A) 用抗Bip、Grp94和PDI的ER应激标记抗体进行Western blot分析。CypB蛋白水平通过密度测定法进行定量。肌动蛋白被用作负荷控制。CypB每个频带下的数字代表至少三个不同的实验,并表示为平均值±s.d*P(P)PM中与未处理细胞相比<0.05;#P(P)与DM中未经处理的细胞相比,<0.05。(B)ER应激诱导的细胞死亡的显微图。(C) 细胞凋亡标记物抗体的Western blot:caspase 3(裂解形式)、Bax(线粒体)、procaspase 12和细胞色素C(细胞溶质)。当暴露于Tg或Tm时,半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶3的裂解,蛋白酶12的还原,细胞色素c(c)观察释放和Bax移位。β-微管蛋白和HSP60分别用作细胞溶质和线粒体部分的负荷控制。纤溶酶12每一条带下的数字代表至少三个不同的实验,并表示为平均值±标准差*P(P)PM中与未处理细胞相比<0.05;#P(P)与DM中未经处理的细胞相比,<0.05。(D)通过Hoechst 33342染色测定凋亡诱导的染色质凝集。黄色箭头表示细胞凋亡诱导的染色质浓缩和断裂。在条形图中,数据表示为从五个独立实验中获得的平均值±标准差*P(P)PM状态下与未处理细胞相比<0.05;#P(P)糖尿病状态下与未处理细胞相比<0.05。(E,F)CypB转录物的半定量RT-PCR分析。GAPDH mRNA扩增用作RT-PCR的对照。未经处理的细胞中CypB的转录水平作为参考。CypB每个频带下的数字代表至少三个不同的实验,并表示为平均值±s.d*P(P)PM中与未处理细胞相比<0.05#P(P)<0.05,与DM(E)中未处理的细胞相比。放线菌素D(AD)用于抑制mRNA合成*P(P)<0.05放线菌素D处理细胞与未处理细胞(F)。

为了研究CypB升高是否是由CypB mRNA的转录诱导引起的,我们对用ER应激诱导剂处理24小时的细胞进行了半定量RT-PCR。CypB mRNA在Tg和Tm治疗中的上调明显可见(图1E)和放线菌素D处理消除了CypB mRNA诱导(图1F)表明CypB mRNA是由内质网应激转录诱导的,与其mRNA稳定性无关。

亲环素B启动子中新的内质网应激反应元件

转录诱导促使我们在CypB启动子上寻找内质网应激反应元件;发现了两个推测的ERSE(图2A). 为了绘制顺式作用元件,将序列缺失的启动子区域融合到荧光素酶基因上,将合成的报告质粒瞬时导入H9C2细胞,并通过ER胁迫下荧光素酶活性监测CypB启动子的活性。Tg和Tm处理后,在含有全长CypB上游元件的构建物中观察到荧光素酶报告活性增加了三倍以上。缺失分析表明,位于−400 bp和−1000 bp之间的区域对于诱导来说是不必要的,但位于−200 bp和−400 bp之间的区域对诱导至关重要,如图2B该区域的DNA序列含有与ERSE一致序列(CCAAT-N9-CCACG,ERSE-I)类似的顺式作用元件。为了进一步验证这一点,我们使用pCypB/400荧光素酶报告质粒和一个来自CypB启动子的推测ERSE进行了诱变研究。在CypB的类共识序列中,CCACG元素的方向是颠倒的,CCAAT和CCACG之间的间隔序列是13个碱基,而不是共识的9个碱基(图2A). 每个元件内的核苷酸替换证明这两个元件对CypB启动子的内质网应激诱导至关重要(图2C). 事实上,据报道,转录因子NF-Y和ATF6分别同时与ERSE的CCAAT和CCACG部分结合(吉田等人,2001年). 总之,我们得出结论,在CypB启动子中发现的新ERSE作为内质网应激诱导CypB所需的顺式作用元件发挥作用,尽管该ERSE的转录活性略弱于ERSE一致序列ERSE-I的转录活性(图2C,第7行)。

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亲环素B的启动子分析(A)使用Genomatix MatInspector程序对CypB启动子进行序列分析。CypB启动子的两个假定ERSE元件下划线。(B) CypB启动子荧光素酶报告分析。细胞在增殖条件下与1µM Tg或10µg/ml Tm孵育24小时。对照组为未经Tg或Tm处理的细胞。数据表示为五个独立实验的平均值±标准差。§P(P)<0.05与未经处理的pGL3碱性*P(P)与未经治疗的pCypB/400相比,<0.05;#P(P)与未经处理的pCypB/400相比,<0.05。(C) ERSE共识样序列的突变分析。使用包含ERSE突变启动子的基于pCypB/400的荧光素酶报告子构建物进行荧光素素酶分析。1,pGL3基本向量;2,pCypB/400;3、CCAAg突变体构建;4、aaccT突变体构建;5、CtTGG突变体构建;6,aGTGG突变体构建;7,pCypB/400包含ERSE共识序列。数据表示为从五个独立实验中获得的平均值±标准差*P(P)与Tg治疗的pCypB/400相比<0.05;#P(P)与Tm治疗的pCypB/400相比,<0.05。(D) 通过ATF6或XBP1激活CypB启动子。用pCypB/400和以下结构之一进行荧光素酶分析:pcDNA、非活性ATF6、活性ATF5、未分裂XBP1、拼接XBP1或ATF6-siRNA。数据表示为从五个独立实验获得的平均值±s.d*P(P)与非活性ATF6转染相比,<0.05;#P(P)<0.05与未切割XBP1转染相比**P(P)与活性ATF6转染相比,<0.05。pcDNA作为阴性对照。所有荧光素酶数据均以相对于pCypB/400(B–d)基础活性的平均值±标准差显示。(E) CypB-ERSE基序的EMSA和超移位EMSA。将H9C2细胞的核提取物暴露于Tm 24小时或不暴露,在预孵育后用CypB-ERSE探针或突变探针(CGTtt)孵育,不含抗体或ATF6特异性抗血清。(F) 使用ATF6、XBP1或NF-Y抗体以及暴露于Tg或Tm 24小时或未暴露的H9C2细胞提取物进行ChIP分析。输入,样品代表总输入染色质的1:100稀释放大。IgG:免疫前血清。(G) 使用核提取物用抗ATF6、NF-Y或层粘连蛋白B的抗体进行蛋白质印迹。当暴露于Tg和Tm时,活性ATF6增加,而NF-Y保持不变。拉明B被用作核提取物的负荷控制。

接下来,我们使用改进的荧光素酶报告分析和EMSA,通过新的CypB ERSE研究了ER应激相关转录因子ATF6和XBP1与CypB启动子的结合。将ATF6基因的组成型活性形式或XBP1基因的剪接形式与荧光素酶报告质粒pCypB/400一起转染,以确定活性ATF6或剪接XBP1蛋白单独是否足以诱导荧光素酶报告基因。与活性ATF6或拼接XBP1共转染可使荧光素酶活性增加约两倍。通过western blot分析(数据未显示)评估siRNA治疗的疗效后,用非活性ATF6或未片段化XBP1转染或用ATF6-siRNA治疗沉默ATF6均不能增加荧光素酶活性(图2D).

立即跟踪EMSA以测量ATF6或XBP1与CypB ERSE序列的直接结合。从H9C2细胞中制备核提取物,用Tm处理或不处理,然后用EMSA处理,使用32P标记的CypB-ERSE寡核苷酸探针或突变型(CGTtt)。野生型与经Tm处理的核提取物形成了两个复合物:下部带可能与NF-Y蛋白形成复合物,上部带与NF-Y+ATF6形成复合物。带有抗ATF6抗体的超移EMSA清楚地显示ATF6与CypB-ERSE的结合活性(图2E). 相比之下,突变版本仅与NF-Y和ATF6最低程度地复合,这表明CypB启动子的新型ERSE具有特异性。通过孵育100倍的未标记竞争物寡核苷酸,这些结合被消除。此外,ChIP分析也表明CypB-ERSE很容易与ATF6和NF-Y结合,但与XBP1无关(图2F). Western blot分析还表明,在对照细胞中几乎检测不到活性ATF6,但在内质网应激时升高,而NF-Y保持不变(图2G).

亲环素B过度表达抑制thapsigargin或突尼斯霉素诱导的细胞死亡

为了确定CypB在内质网应激反应中的保护作用,我们在H9C2细胞中过度表达了myc标记的CypB/wt或myc标记CypB/R62A,后者在PPIase活性方面存在缺陷。在建立CypB/wt和CypB/R62A稳定转染体后,通过免疫印迹分析CypB和其他内质网应激反应蛋白(如Bip和Grp94)的表达水平(图3A). 在我们用于研究的三个单独克隆中,过度表达的CypB似乎没有干扰其他内质网应激蛋白Bip和Grp94的表达水平。

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亲环素B的过度表达可减轻内质网应激诱导的细胞死亡。(A) 通过western blotting分析所示转染体中CypB/wt或CypB/R62A的表达水平。对每个病例中的三个不同克隆进行分析,以排除克隆特异性的可能性。CypB被标记为myc。检测Bip和Grp94等ER伴侣蛋白作为参考,以监测CypB过度表达对其他ER伴侣蛋白的影响。肌动蛋白被用作加载控制。(B) 过度表达CypB的定位。在增殖状态下用Tg或Tm处理24小时后,通过显微镜检查GFP-CypB/wt或GFP-CypB/R62A在细胞中的定位。ER跟踪器用于识别ER。上部面板仅显示GFP的定位。中间面板显示GFP-CypB/wt的位置,而下部面板显示GFP-CypB/R62A的位置。ER跟踪器,蓝色;GFP,绿色。棒材,20µm。(C) MTT法测定增殖(PM)或分化(DM)条件下CypB/wt过度表达对内质网应激诱导的细胞死亡的抑制作用。注意,CypB/R62A过度表达进一步降低了细胞活力。数据表示为从五个独立实验中获得的平均值±标准差*P(P)与Tg处理的pcDNA转染细胞相比,<0.05;#P(P)在PM和DM中分别与Tm处理的pcDNA转染细胞相比<0.05。(D) 凋亡标记抗体的Western blot:caspase 3(裂解形式),细胞色素c(c)(细胞溶质)、蛋白酶12和Bax(线粒体)。每个频带下的数字代表至少五个不同的实验,并表示为平均值±标准差*P(P)与Tg处理的pcDNA相比<0.05。(E) CypB/wt和CypB/R62A转染剂中ER驻留蛋白诱导的变化。用western blot分析细胞总提取物中的Bip、Grp94和PDI。每个频带下的数字代表至少五个不同的实验,并表示为平均值±标准差*P(P)与经Tg处理的pcDNA相比,<0.05。(F) CypB的防御作用不仅限于细胞类型。Chang和DU145细胞未感染腺病毒、Ad-GFP、Ad-CypB/wt或Ad-CypB/R62A。western blotting检测CypB的表达水平。通过GFP阳性监测其转导频率(约60%)。每个频带下的数字代表至少五个不同的实验,并表示为平均值±标准差*P(P)与未感染Chang和DU145细胞相比,分别<0.05。采用MTT法测定ER应激后各感染者的存活率。绿色荧光蛋白腺病毒;Ad-CypB/wt,CypB腺病毒;Ad-CypB/R62A、CypB/R62 A腺病毒。数据表示从五个独立实验中获得的平均值±标准差*P(P)与Tg处理的非感染细胞相比,<0.05#P(P)与Tm治疗的未感染Chang和DU145细胞相比,<0.05。

接下来,通过共聚焦显微镜分析监测过度表达的CypB/wt和CypB/R62A的位置,以排除过度表达伪影,并确定CypB/w和CypB/R62A转染剂是否正确靶向ER。使用ER跟踪器定位细胞中的ER。图3B显示过度表达的CypB/wt或CypB/R62A与ER跟踪器共定位,因此表明过度表达的PypB/wt和CypB/R62A正确对准ER,不会产生伪影。即使细胞受到Tg和Tm处理,过表达蛋白的位置保持不变(图3B). 因此,我们得出结论,过度表达的CypB/wt主要位于内质网,尽管我们目前无法排除CypB的一小部分可能分布在其他地方的可能性。

采用MTT转化法和western blot分析凋亡分子包括裂解caspase 3、细胞溶质细胞色素c(c)、蛋白酶12和线粒体Bax。与仅pcDNA相比,CypB/wt-过表达细胞对Tg-和Tm-诱导的凋亡具有更高的抵抗力,CypB/R62A转染细胞更敏感(图3C、D). 这种从PPIase缺陷突变中获得的敏感性表明,PPLase活性可能参与保护作用。在内质网应激提高Bip、Grp94和PDI等靶分子表达的前提下,它们在CypB/wt过度表达细胞中的减少表明CypB/wt对内质网胁迫脱敏细胞的过度表达;然而,相比之下,CypB/R62A的过度表达使它们敏化,如图3ECypB过度表达通过其PPIase活性缓解内质网应激,表明CypB对内质网胁迫诱导的细胞死亡具有抗凋亡作用。此外,已知CypB由细胞分泌。为了测试分泌型CypB的作用,我们从培养基中进行了CypB免疫沉淀(补充材料图S1A)和使用CypB抗体中和抗体(补充材料图S1B). 结果表明,在仅转染pcDNA、CypB/wt或CypB/R62A的细胞中,分泌的CypB不影响内质网应激诱导的细胞死亡。

接下来,我们评估了过表达CypB/wt对Chang细胞和DU145前列腺癌细胞ER应激的抗凋亡作用,以排除细胞特异性。首先,构建单独表达GFP的腺病毒CypB/wt或CypB/R62A,并用于Chang和DU145细胞的转导(图3F). 免疫印迹分析显示外源性CypB/wt或CypB/R62A的表达水平与内源性CypB相似。在内质网应激条件下,与非感染细胞或Ad-GFP感染者相比,CypB/wt感染者在这两种细胞类型中的细胞死亡减少(图3F). 相比之下,CypB/R62A感染者的细胞死亡显著增加。总之,这些结果表明,过度表达的CypB/wt通过PPIase活性抑制内质网应激诱导的凋亡的能力并不局限于H9C2细胞。

亲环素B过度表达抑制钙2+内质网渗漏、活性氧生成和线粒体膜电位去极化

2+在ER中被报道在细胞凋亡中起重要作用(Mattson和Chan,2003年;Benali-Furet等人,2005年). 因此,我们评估了过度表达的CypB/wt或CypB/R62A对ER-Ca的影响2+平衡。在任一钙中培养后2+-包含(图4A)或Ca2+-游离介质(图4B),细胞接种Tg。游离Ca2+按照材料和方法中的描述进行可视化。在两个加州2+-含钙2+-自由介质,Ca少得多2+与pcDNA或CypB/R62A转染细胞相比,Tg处理后释放到CypB/wt转染剂中的细胞液中。有趣的是,CypB/R62A的过度表达导致了更大的Ca2+与pcDNA转染细胞中观察到的ER释放相比。这些观察结果表明,过度表达的CypB/wt减轻,而过度表达的CypB/R62A加重,Ca2+ER应力期间ER泄漏。

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过度表达的亲环素B抑制钙2+因内质网应激而从内质网中释放。胞浆钙的相对变化2+所示转染剂中的水平(n个=20)显示在左侧面板中,并在右侧面板中绘制。(A) 绿色代表细胞内钙2+。红色箭头(左侧面板)和虚线(右侧面板)。(B) 每个转染体用4 mM EGTA处理以减少细胞外背景钙2+在用1µM Tg处理之前。在A和B中,红色箭头(左图)和虚线(右图)表示Tg处理点。在B中,蓝色箭头(左侧面板)和虚线(右侧面板)表示EGTA治疗点。

长时间内质网应激下未折叠蛋白反应(UPR)产生的活性氧(ROS)积累导致细胞死亡(Haynes等人,2004年;Xue等人,2005年). 我们使用DCF-DA测定ROS水平(图5A),通过荧光测量DCF氧化来检测细胞内ROS。将DCF-DA加载到pcDNA转染细胞上表明,在Tg存在下,ROS积累。Tg内质网应激积累的ROS被CypB/wt的过度表达或过氧化氢酶处理减弱。相比之下,在使用相同Tg浓度的CypB/R62A转染剂中观察到大量ROS,表明CypB通过PPIase活性至少部分缓解了ROS生成。

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嗜环蛋白B过度表达抑制ROS生成、线粒体膜损伤和染色体DNA断裂,以应对内质网应激。(A) 活性氧测量及其定量分析。虚线表示细胞中ROS的基本水平。数值为从五个独立实验中获得的平均值±标准差。(B) 基质金属蛋白酶测定及其定量分析。箭头表示线粒体受损的细胞。M1和M2分别是线粒体受损和未受损的细胞。(C) MTT法测定细胞活力。Con,未经处理;Tg,1µM Tg处理;Tg+过氧化氢酶,在Tg处理前用2000 U/ml过氧化氢酶预处理。数据是从五个独立实验中获得的平均值±标准差*P(P)与Tg处理的pcDNA相比<0.05;#P(P)与Tg治疗的CypB/R62A相比,<0.05。(D) TUNEL分析及其定量。顶部面板中的绿色箭头表示TUNEL阳性细胞。数据表示为从五个独立实验中获得的平均值±标准差*P(P)与Tg处理的pcDNA相比<0.05;#P(P)与CypB/R62A的Tg治疗相比,<0.05。

线粒体膜电位(MMP),与内质网应激诱导的细胞死亡相关(Chae等人,2004年)暴露于Tg 24小时后,pcDNA转染细胞中的(图5B). 从M2区测得的Tg对MMP的减少在CypB/wt或过氧化氢酶处理中几乎完全被抑制,但在CypB/R62A转染剂中加剧。MTT测定的细胞存活率(图5C)TUNEL分析检测到DNA片段(图5D)与ROS和MMP测量结果一致。总之,这些结果强烈表明,CypB/wt过度表达通过抑制Ca2+ER的耗竭以及减少ROS的产生和线粒体损伤。

亲环素B缺陷细胞对内质网应激诱导凋亡的敏感性增加

为了更详细地评估CypB在内质网应激反应中的生理作用,我们使用小干扰RNA(siRNA)进行了RNA干扰实验,以击倒CypB。当通过western blot分析进行评估时,CypB的表达几乎被特异性siRNA干扰完全抑制,并且未观察到CypB-siRNA对其他蛋白质(如Grp94和Bip)表达的影响(图6A). MTT法、western印迹分析和TUNEL法表明,CypB敲低导致ER应激诱导的细胞凋亡显著增加(图6B、C). 与未经处理或对照siRNA-转染细胞相比,我们还检测到Tg和Tm处理的CypB敲除细胞中ROS水平较高,MMPs较低(数据未显示)。当添加通用caspase抑制剂z-VAD-fmk以抑制凋亡时,内质网应激诱导的凋亡在CypB敲除条件下部分被挽救,从而表明CypB介导的内质网逆境保护可能部分依赖于caspase(图6D).

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亲环素B的siRNA敲除增强内质网应激诱导的细胞死亡。(A) 通过western blotting测定CypB-siRNA的敲除效率。检测Grp94、Bip和PDI等ER伴侣蛋白,作为监测CypB-siRNA对其他ER伴侣蛋白影响的参考。(B) MTT检测。基于con-siRNA转染的细胞活力,显示了每个细胞系的相对细胞活力。数据是从五个独立实验中获得的平均值±标准差*P(P)与Tg处理的con-siRNA相比<0.05;#P(P)与经Tm处理的con-siRNA相比,<0.05。(C)用凋亡标记抗体进行免疫印迹:caspase 3(裂解形式)和Bax。在con-siRNA和CypB-siRNA转染Tg治疗24小时后进行TUNEL分析。绿色箭头表示TUNEL阳性细胞。每个频带下的数字代表至少五个不同的实验,并表示为平均值±标准差*P(P)与Tg处理的con-siRNA转染相比,<0.05。(D) CypB的防御作用部分依赖于半胱天冬酶。在Tg治疗之前,用50µM z-VAD-fmk培养PcDNA-、CypB/wt-和CypB-siRNA-转染细胞。用MTT法测定活细胞的百分比。数据表示为从五个独立实验中获得的平均值±标准差*P(P)与经Tm处理的pcDNA转染剂相比,<0.05;#P(P)与经Tm处理的CypB-siRNA转染剂相比,<0.05。

亲环素B与Bip和Grp94发生物理相互作用

由于ER-localized伴侣被报道为一个大的复合物,我们试图通过GST下拉来确定CypB是否与Bip或Grp94相互作用(图7A)和联合免疫沉淀分析(图7B). 结果表明,无论内质网应激如何,CypB都与Bip和Grp94相互作用,内质网胁迫后相关性明显增加可能是伴侣蛋白表达增加的结果。CypB与Bip或Grp94之间的相互作用最终通过酵母双杂交试验验证(图7C). 与GST下拉分析一致(图7A)酵母双杂交试验表明,CypB/wt和CypB/R62A不仅与Bip和Grp94相互作用,而且与Bip或Grp94也相互作用,因此表明CypB的PPIase活性不影响与Bip或者Grp94的结合。综上所述,我们的结果表明CypB与Bip和Grp94发生物理相互作用,并且这种相互作用不需要CypB的PPIase活性。

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亲环素B与Bip和Grp94相互作用。(A) GST下拉分析。使用细菌表达的重组GST-CypB/wt和GST-CypB/R62A融合蛋白以及经或不经Tg和Tm处理的H2C2细胞提取物进行GST下拉分析。使用Bip、Grp94、CypB或GST抗体进行蛋白质印迹。单独使用GST作为阴性对照。(B) CypB与Bip和Grp94的共免疫沉淀。用非免疫血清(non-IS)或抗CypB抗体(CypB-Ab)进行免疫沉淀。(C) 酵母双杂交结合分析。pGBKT7、pGADT7、pGBKT 7/CypB/wt、pGBK T7/CypB/R62A、pGADTC 7/Grp78和pGADT7/Grp94用于酵母与AH109的双杂交分析。在左侧面板中,CypB/wt与Bip或Grp94交互。在右侧面板中,CypB/R62A还与Bip或Grp94交互。

讨论

此前有报道称CypB与其他分子伴侣和折叠酶存在复合物中(Menier等人,2002年)从而表明在保护细胞抵抗内质网应激方面可能发挥作用。在这项研究中,我们证明了CypB是在内质网应激下诱导产生的。此外,野生型CypB的过度表达,而非催化活性突变体CypB,保护细胞免受内质网应激。最后,CypB基因敲除增加了细胞对内质网应激的敏感性。所有这些发现都表明CypB在保护细胞抵抗内质网应激中起着关键作用。

内质网应激诱导包括Bip、Grp94和PDI基因在内的基因表达(Ito等人,2004年). 通过RT-PCR和荧光素酶报告分析表明,CypB表达在内质网应激诱导剂Tg(Sarco-ER-Ca抑制剂)的作用下显著上调2+ATP酶(SERCA)泵N个-连接糖基化)(Patil和Walter,2001年). 与内质网应激可转录诱导CypB基因的发现一致,我们还发现了一个新的内质网胁迫反应元件(CCAAT-N9-全球技术评估协会CGTGG公司; 此处称为ERSE-III),位于CypB启动子区内,类似于传统ERSE-I基序(CCAAT-N9-中国民航总局). 这些序列在两个方面不同;ERSE-I中带下划线的CCACG与ERSE-III的方向相反,CCAAT和CCACG基序之间的间隔长4 bp。之前的几份报告描述了改良ERSE序列的存在,包括ERSE-II(ATTGG-N-CACG)(Kokame等人,2001年;山本等人,2004年). CypB的低折叠诱导可能是ERSE-I和ERSE-III序列差异的结果。ERSE-I介导转录激活的机制已被广泛研究。已证明ATF6在NF-Y(CCAAT结合因子)的存在下与CCACG基序结合。据报道,ATF6与序列gtga独立结合CGTGG公司从而表明ERSE-III序列中的CGTGG元件可能是ATF6的直接结合位点(Wang等人,2000年). 此外,gta的ACGT序列交流燃气轮机GG是XBP1的一个拟议结合位点,XBP1是另一种介导内质网应激诱导基因表达的转录因子。然而,EMSA和ChIP分析(Kanemoto等人,2005年)表明NF-Y和ATF6,而不是XBP1,参与了内质网应激下CypB转录调控。

我们的过度表达和基于siRNA的敲除研究表明,CypB功能是细胞生存应对内质网应激所必需的。以前使用化学交联和免疫沉淀的研究表明,伴侣在细胞内的一个大复合体中发挥作用(Menier等人,2002年). 该复合物包含分子伴侣,包括Bip、Grp94、PDI、ERp72、CypB、Grp170和UDP葡萄糖:糖蛋白葡糖基转移酶。更进一步,我们已经证明CypB与内质网应激相关蛋白(包括Bip和Grp94)有物理关联,从而表明CypB是内质网胁迫相关复合物的一个额外成分。此外,我们的结果表明,CypB的保护机制以钙的减少为特征2+ER的释放、ROS的产生、Bax向线粒体的移位、线粒体膜的去极化以及caspase 3和caspase 12的激活受到抑制。特别是,CypB/wt的过度表达抑制了Ca2+内质网泄漏,而PPIase缺陷的CypB/R62A突变或siRNA-介导的CypB敲除(数据未显示)的过度表达增加了Ca+2泄漏。根据我们的数据,CypB已被证明与许多调节钙的蛋白质相互作用+2体内平衡,包括钙网蛋白、Bip、Grp94和Ca2+亲环素配体的信号调制(Chae等人,2004年;Castilho等人,1999年;Chacon等人,1991年). 因此,CypB PPIase活性可能与Ca直接相关2+内质网应激期间的内稳态,或可能间接影响钙的折叠+2调节蛋白,尽管需要更多的研究来评估这一假设。有趣的是,钙的堵塞2+内质网中CypB过度表达导致内质网泄漏,抑制线粒体损伤和活性氧的产生。2+线粒体中的浓度取决于细胞质中的浓度,细胞质依赖于钙2+通过内质网和质膜的通道流入。钙的增加2+细胞质中的浓度伴随着线粒体的升高,导致线粒体膜电位受损(Castilho等人,1999年;Chacon等人,1991年). 因此,我们的数据表明,细胞溶质钙的增加2+钙引起的浓度2+内质网泄漏加速电子传输并刺激活性氧的产生。我们的观察结果还表明,过表达的CypB影响Ca2+由ER以类似于Bcl-2过度表达或Bax和Bak基因敲除的方式处理(Demaurex和Distelhorst,2003年)从而表明内质网应激可以触发几个平行的凋亡信号,包括钙离子紊乱2+ER的稳态,ROS生成增加,MMP减少,正如我们的结果所证明的那样。

有趣的是,CypB/R62A转染剂的细胞行为与CypB敲除的细胞行为相似。靠近CypA结合囊的点突变R55A在不影响底物结合的情况下抑制PPLase活性(Zydowsky等人,1992年). 考虑到CypA和CypB高度同源的结构,CypB的R62A PPIase突变对应于CypA的R55A突变(Mikol等人,1994年). 因此,酶失活的CypB/R62A可能保留底物结合能力,这可能是CypB/R62A的主要负性行为的原因。有趣的是,检测到PPIase缺陷的Pin1(人类同源酿酒酵母ESS1)(Rippmann等人,2000年). 尽管我们已经证明CypB、Bip和Grp94之间存在物理相互作用,但目前对ER中分子伴侣之间的功能相互作用知之甚少。与单个蛋白质相比,在伴侣活性中合作的蛋白质可以从蛋白质聚集中拯救更多底物,而不会形成复合物。与含有CypB、Bip和Grp94的复合物相关的分子机制有待于进一步研究。

总之,我们的研究结果支持CypB在内质网应激中的作用。CypB的过度表达可防止内质网应激相关表型,包括异常钙2+渗漏、活性氧生成和线粒体膜去极化。此外,我们首次证明,内质网应激通过CypB启动子区的新型ERSE诱导CypB表达,CypB的表达抑制内质网胁迫介导的凋亡。关于CypB预防内质网应激的方式的未来研究可能有助于我们理解在与内质网蛋白错误折叠相关的各种疾病中维持最佳细胞功能。

材料和方法

细胞培养和试剂

H9C2大鼠心脏成肌细胞在(PM;增殖培养基)添加10%(v/v)胎牛血清的Dulbecco改良Eagle's培养基-F12(DMEM-F12)中的增殖条件下生长,或在添加1%马血清的(DM;分化培养基)DMEM-F12中的分化条件下生长。DU145和Chang细胞在补充有10%胎牛血清和抗生素(100单位/ml青霉素和100µg/ml硫酸链霉素)的DMEM中培养。为了诱导内质网应激,分别以1µM和10µg/ml的浓度使用thapsigargin(Tg)和tunicamycin(Tm)(BIOMOL)。

逆转录聚合酶链反应

H9C2细胞与放线菌素D(2µM)和Tg(1μM)或Tm(10µg/ml)共同处理48小时。对于RT-PCR,根据制造商的方案,使用TRIzol试剂分离总RNA(2µg)。用逆转录酶合成cDNA。进行了32个周期的PCR。CypB转录物扩增引物如下:;正向,5′-GCATGAAGGTG CCCC-C-TCTTCGCC-3′;背面为5′-GCCTCTTGGCAATGGCAAAGG-3′。用引物(5′-GAAGGTGAAGGTCGGAGTC-3′和5′-GAGA-TGTGATGGTTC-3′)扩增GAPDH,作为RT-PCR的内部对照。

质粒

使用正向引物5′-GC,通过RT-PCR从总RNA制备物中扩增野生型大鼠CypB基因(CypB/wt)AAGCTT公司ATGAAGGT GCCC-CCCTCTTCGCC-3′(后面的三) 和反向引物5′-GCGGATCC公司CTCCTT-GGCAATGGCAAAGG-3′(巴姆HI)。利用以下引物将精氨酸残基(R62)突变为丙氨酸(A),制备PPIase缺陷突变基因(CypB/R62A):5′-AAGTTCCAT全球气候变化GTCATCAAGGAC-3′和5′-GTCCTTGAC自动增益控制ATGGAACTT-3′。然后将PCR产物插入到pcDNA 3.0哺乳动物表达载体(Invitrogen)中,以生成pcDNA/CypB/wt或pcDNA/CypB/R62A。CypB/wt或CypB/R62A在C末端用myc标记表达。对于荧光素酶分析,通过PCR将1000 bp的CypB启动子序列连续删除200 bp。然后将删除的片段克隆到pGL3基本载体(Promega)中千磅我和Xho公司I.CypB启动子上假定的NF-Y或ATF6结合位点通过基于PCR-的定点突变突变。利用含有CypB/wt或CypB/R62A cDNA的pEGFP NI(Clontech)在细胞中定位CypB/w或CypB/R62A。对于GST下拉实验,通过基于PCR的克隆构建了含有CypB/wt或CypB/R62A的pGEX-KG(GE Healthcare)。对于酵母双杂交实验,将CypB或CypB/R62A克隆到生态RI和巴姆pGBKT7.0(Clontech)的HI限制位点。使用适当的酶将Bip或Grp94克隆到pGADT7.0(Clontech)中。荧光素酶分析中使用了ATF6非活性形式、ATF6活性形式、XBP1非片段形式和XBP1剪接形式质粒(Lee等人,2002年).

蛋白质印迹

抗CypB、Bip、Bax、细胞色素c、Grp94、PDI、caspase 3、procaspase 12、actin、β-微管蛋白和myc的抗体来自Abcam、Santa Cruz Biotechnology和StressGen Biotechtologies。除非另有规定,否则应对肌动蛋白进行免疫印迹,以标准化样品蛋白质的数量。

启动子分析和荧光素酶分析

使用Genomatrix MatInspector分析CypB启动子序列(网址:http://www.genomatix.de). 一个ERSE候选基因位于−243 bp,距离CypB ORF约−225 bp,另一个位于−693bp,约−673 bp。将0.2µg pGL3碱性衍生质粒与内部对照质粒pCMV-Lac(Promega)一起转染H9C2细胞。使用微孔板阅读器(Bio-Rad),使用50µl每个细胞裂解液测量荧光素酶和β-半乳糖活性(未显示),并根据β-半乳糖活性标准化荧光素酶活性。

电泳迁移率变化分析(EMSA)

用Tm(10µg/ml)处理H9C2细胞24小时。为了分离经Tm处理或未经处理的细胞(约80%融合)中的核部分,将细胞胰蛋白酶化并在220℃下离心持续10分钟。去除上清液后,用低渗缓冲液(10 mM Hepes pH,7.9,1.5 mM MgCl)重新悬浮总细胞2,10 mM KCl,0.2 mM PMSF,0.5 mM DTT,1×蛋白酶抑制剂鸡尾酒),并在4°C下培养5分钟。细胞在1550时离心在4°C下保持20分钟。为了分离核提取物,将沉淀物与低渗缓冲液:高盐缓冲液(20 mM Hepes pH,7.9,25%甘油,0.4 M KCl,1.5 mM MgCl,0.2 mM EDTA,0.2 mM PMSF,0.5 mM DTT;1:1,v/v)在4°C下孵育15分钟。为了清除碎片,细胞在9300℃下离心在4°C下保持20分钟。核蛋白浓度通过Bradford分析测定。寡核苷酸(CypB-ERSE,5′-CCTAT中国民航总局GAGAGGGCTGTAA公司CGTGG公司C-AGC-3′;CGTtt,5′-CTAT中国民航总局GAGAGGGCTGTAA公司CGTtt公司CAGCACCCCGCA-3′;下划线残基表示NF-Y1-结合基序,小写残基表示ATF6结合基序)标记有[γ-32P] 使用T4多核苷酸激酶(Promega)的ATP(Amersham Biosciences)。使用或不使用10µg/ml Tm和放射性标记探针(CypB-ERSE或CGTtt)处理的核提取物(15µg)在5×结合缓冲液[25%甘油、50 mM Tris、pH 7.5、250 mM NaCl、5 mM DTT、5 mM-EDTA、20µg/ml聚(dI-dC)]存在下孵育1小时。在竞争性分析中,每个样品都用100倍的未标记竞争性寡核苷酸进行处理。利用兔抗大鼠ATF6抗体(圣克鲁斯生物技术公司)进行超转移试验。将核提取物(15µg)加载到非变性TBE-聚丙烯酰胺凝胶(4%)上,以分解蛋白质和γ-32P标记的CypB探针复合物。使用120 V将非变性TBE-聚丙烯酰胺凝胶运行6小时。干燥凝胶用X射线胶片曝光36小时。

染色质免疫沉淀(ChIP)

如前所述进行常规染色质IP(Luo等人,2003年)除了交联的H9C2染色质受到抗ATF6、XBP1或NF-Y(圣克鲁斯生物技术)抗体的免疫沉淀。使用引物(5′-ATCCCACACGCCTTCCGC-3′和5′-AAGCAATGGAGTGGTTAGG-3′)扩增出含有ATF6和NF-Y结合位点的CypB-ERSE。以引物(5′-ACTACAGAGAGGCCTTA-3′和5′-CCTTGCTGGGACCGGAG-3′)作为阴性对照扩增非ERSE。

亲环素B的位置

为了确定CypB的位置,将GFP、GFP-CypB/wt或GFP-CypB/R62A构建物转染到H9C2细胞中。用盖玻片上的Tg或Tm处理或未处理的转染剂加载1µM ER跟踪器白蓝色DPI(分子探针)30分钟,然后在室温下在4%甲醛中固定15分钟。用LSM510共焦激光显微镜(卡尔蔡司)监测染色细胞。

MTT转化分析

在12孔板中使用MTT还原转化试验评估细胞活力。在550 nm的微孔板阅读器(Bio-Rad)中评估光密度。细胞存活率表示为吸光度相对于未处理细胞的百分比。

Hoechst 33342染色和TUNEL分析

用Tg和Tm处理后,将H9C2细胞与Hoechst 33342(Molecular Probes)负载染料孵育30分钟,并在冰冷的1×PBS中洗涤三次。使用LSM510共聚焦激光显微镜(Carl Zeiss)监测染色的细胞。

使用ApopDIRECT™DNA片段试剂盒(MBL)进行TUNEL分析。使用共焦显微镜评估阳性凋亡细胞核。

重组腺病毒

将CypB/wt或CypB/R62A克隆到pCA14中。对于同源重组,将pCA14-CypB/wt或pCA14-CypB/R62A转化为大肠杆菌BJ 5183以及vmRL-H5dl324Bst。重组腺病毒在HEK293细胞中增殖。采用Ad-GFP或未感染细胞作为CypB表达的阴性对照。

细胞内钙的测定2+水平

将CypB/wt和CypB/R62A转染剂接种到含有10%血清的DMEM-F12中的25mm盖玻片上。用Ca加载40分钟后2+-敏感染料10µM Fluo-4(分子探针),在无血清培养基中冲洗细胞两次,并用二甲基亚砜或1µM Tg刺激2+,在Tg处理之前用4µM EGTA(Sigma-Aldrich)预培养细胞。30秒后,细胞溶质Ca2+评估了水平(n个=20)使用LSM510共焦显微镜(卡尔蔡司)。

活性氧(ROS)和线粒体膜电位(MMP)分析(Δψm)

用10µM DCF-DA(分子探针)培养后,使用流式细胞仪分析细胞的活性氧。对于MMP分析,在与40 nM DiOC6(分子探针)孵育后使用流式细胞术。

RNA干扰

siRNA靶序列如下:CypB-siRNA(sense,5′-UCCAGAGAGACUCAAdTdT-3′;antisense,5′-UUGAGUUCAUCUG-GGAdTdT′)、ATF6-siRNA(sense,5’-GGGUUCAGAGAUUGCCGUdT—3′;反义:5′-UACGGCAAUAUCAACCCdGdT—3')和control-siRNA 3′)。用western blotting分析CypB或ATF6的siRNA干扰。

实验

如前所述制备pGEX-KG/CypB(GST-CypB/wt)和pGEX-KG/CypB/R62A(GST-CypB/R62A)的融合蛋白(Bourdoncle等人,2005年). 将亲和珠与500µg H9C2总细胞提取物孵育24小时,分别加入或不加入Tg和Tm。用western blot分析检测珠上保留的蛋白质。

协同免疫沉淀

使用或不使用1µM Tg和10µg/ml Tm处理的H9C2细胞提取物(500µg)与非免疫血清偶联蛋白g或A Sepharose珠或抗CypB抗体偶联蛋白g和A Sepharo珠孵育。免疫沉淀物进行western blot分析。

酵母双杂交分析

将CypB/wt或CypB/R62A连接成pGBKT7编码的GAL4 DNA结合域(BD)。将Bip或Grp94基因克隆到编码激活域(AD)的pGADT7中。为了评估CypB和Bip或Grp94之间的结合,按照前面的描述进行了实验(Chen等人,2004年).

统计分析

结果表示为至少三个独立实验的平均值±标准差。使用Student’s-测试。除非另有说明,P(P)<0.05被认为是显著的。

补充材料

补充图S1

单击此处查看。(99K,jpg)

致谢

这项工作得到了韩国科学与工程基金会(编号:R13-2002-020-02001-0(2007))对S.S.K.的资助,首尔RNBD项目(编号:11062)对大韩民国WC的资助,以及NIH向霍华德·休斯医学院研究员R.J.K.R.J.K的DK42394资助。

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