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.2021年5月25日;12(1):3108。
doi:10.1038/s41467-021-23363-x。

硫化物分解代谢改善缺氧性脑损伤

附属公司

硫化物分解代谢改善缺氧性脑损伤

Eizo Marutai先生等。 国家公社. .

摘要

哺乳动物的大脑极易缺氧,但大脑对缺氧敏感的机制尚不完全清楚。缺氧会导致硫化氢积聚,硫化氢是一种抑制线粒体呼吸的气体。在这里,我们表明,在小鼠、大鼠和天然低氧耐受性地松鼠中,大脑对缺氧的敏感性与硫化物水平:醌氧化还原酶(SQOR)和分解硫化物的能力呈负相关。沉默SQOR可增加大脑对缺氧的敏感性,而神经元特异性SQOR的表达可防止低氧诱导的硫化物积聚、生物能量衰竭和缺血性脑损伤。从线粒体中排除SQOR不仅会增加大脑、心脏和肝脏对缺氧的敏感性。清除硫化物的药理作用维持了缺氧神经元的线粒体呼吸,并使小鼠耐缺氧。这些结果阐明了硫化物分解代谢在缺氧期间能量稳态中的关键作用,并确定了缺血性脑损伤的治疗靶点。

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数字

图1
图1。硫化物预处理对小鼠硫化物代谢和耐缺氧能力的影响。
对照组和硫化物预处理(SPC)小鼠的体温。“前”和“后”时间点描述了小鼠呼吸空气前后(对照组)或H2从第1天(D1)到第6天(D6),分别在80 ppm下放置4小时。b整体CO2生产率(VCO2)SPC和对照小鼠在H2开始SPC或控制空气呼吸后第6天的S呼吸。的浓度c(c)硫化物(从左到右,n个 = 6、8、6、6)和d日硫代硫酸盐(n个 = 血浆中6,8,6,6)和e(电子)硫化物(n个 = 6个)和如果硫代硫酸盐(n个 = SPC和对照小鼠在H期间的大脑中2第6天呼吸。存活率和小时VCO公司2吸入5%O的小鼠2对照组或SPC小鼠第6天。大脑水平硫化物(n个 = 6, 6, 5, 5),j个过硫化物(n个 = 5个),k个NADH/NAD公司+比率(n个 = 5个),以及乳酸水平(n个 = 5、6、7、7)对照组和SPC小鼠在FiO下呼吸2 = 第6天为21%或5%。SPC和对照小鼠大脑中SQOR的相对mRNA水平(标准化为对照=1)。n个 = 每个5个。SQOR蛋白质水平n个脑组织提取物(n个 = 9个)和o个心脏(n个 = 10只)。分离的脑线粒体耗氧率(OCR)控制(n个 = 7) 和q个统计过程控制(n个 = 6) 使用或不使用硫化物(Na)孵育的小鼠2S、 0、1.5、3.0µM)和第页计算ATP周转率(n个 = 7, 7, 7, 6, 6, 6). 数据以平均值±SEM或平均值和单个值表示。#P(P) < 0.05,##P(P) < 0.01,###P(P) < 0.001 vs Na2各组0µM下的S。对以下对象进行双向方差分析,然后进行Sidak或Tukey校正以进行事后比较如果,、和第页。使用Kaplan–Meier方法估计生存率,并使用对数秩检验比较各组之间的生存曲线.双尾未成对t吨-对进行了测试o个.
图2
图2。大脑中SQOR表达的性别二型性。
相对SQOR mRNA水平(n个 = 9个)和b蛋白质水平(n个 = 雄性和雌性CD-1小鼠。维恩,维库林。c(c)吸入5%氧气的雄性和雌性CD-1小鼠的存活曲线。卵巢切除(OVX)和17β-雌二醇(E)替代对d日SQOR mRNA水平(n个 = 7、6、6)和e(电子)蛋白质水平(n个 = 大脑和如果缺氧存活率(5%O2)在雌性CD-1小鼠中。硫化物(Na)的影响2S) ADP诱导的脑线粒体悬浮液中NADH水平、线粒体膜电位(TMRM,四甲基罗丹明甲酯)和耗氧速率(OCR)的变化男性和小时雌性WT小鼠。P/M、丙酮酸盐/苹果酸盐。每个基因型中三个独立实验的代表性痕迹。服用硫化物(Na)前后ADP引起的OCR值总结2S、 0、3、6µM)小时.n个 = 每个Na处3个2S剂量。j个在RNA聚合酶III和对照AAV(AAV-Ctrl)的U6启动子下,含有抗小鼠SQOR(AAV-shSQOR)shRNA的AAV的结构。ITR、反向末端重复序列、EGFP、增强型绿色荧光蛋白、CMV、巨细胞病毒、bGH、牛生长激素。k个,在ICV中注射AAV-Ctrl后8周,CD-1小鼠脑切片的代表性免疫荧光图像被抗GFP抗体染色。图像在显示了中图像的一部分的放大k个装在一个红色的盒子里。n个 = 2个生物学独立的实验。转染AAV-Ctrl或AAV-shSQOR的雌性CD-1小鼠脑内相对SQOR mRNA水平(n个 = 7, 6).n个用呼吸5%氧气的AAV Ctrl或AAV shSQOR感染的成年雌性CD-1小鼠的存活曲线。数据以平均值±SEM或平均值和单个值表示。双尾未成对t吨-对进行了测试,b、和使用Kaplan–Meier方法估计生存率,并使用对数秩检验比较c(c),如果、和n个进行了单向或双向方差分析,然后进行了Dunnett或Tukey的事后比较校正d日,e(电子)、和.
图3
图3。SQOR突变小鼠的产生及其对缺氧的敏感性增加。
小鼠示意图平方米跨越翻译起始密码子的WT和突变等位基因的基因结构和序列。蓝色字母和黑色字母分别表示第一内含子和第二外显子。方框中的ATG表示第一个蛋氨酸密码子。gRNA的目标序列下划线。基因分型引物的靶序列用箭头表示。bPCR检测平方米基因。来自WT的基因组DNA,平方米∆N(牛顿)/+、和平方米∆N/∆N用如图所示的引物集对小鼠进行扩增图中显示了三个独立生物复制品的代表性PCR凝胶图像。c(c)WT和平方米∆N(牛顿)等位基因。d日WT和MEF全细胞裂解物(whole)、细胞溶质(Cyto)和线粒体(Mito)组分的免疫印迹分析平方米∆N/∆N胚胎。显示了3个独立生物复制品的代表性免疫印迹。制备蛋白质样品以检测SQOR、GAPDH(细胞溶质标记)和SDHA(线粒体标记)。e(电子)5周龄WT的宏观外观,平方米∆N(牛顿)/+、和Sqor公司∆N/∆N同窝雄性小鼠。比例尺,1厘米。显示了每个基因型中三个以上的代表性图像。如果体重增加和存活率平方米∆N/∆N老鼠(n个 = 20) 与…相比平方米∆N(牛顿)/+小鼠和WT小鼠(n个 = 70).小时相对细胞内H2获得并培养的初级皮层神经元的S水平平方米ΔN/ΔN小鼠及其野生型窝鼠胚胎受到氧-葡萄糖剥夺(OGD)。生存曲线平方米ΔN/ΔN小白鼠及其野生型同窝鼠呼吸5.5%的氧气。中硫化物的相对水平j个,,n个以及NADH/NAD的比例+在里面k个,,o个分别在大脑、肝脏或心脏中平方米ΔN/ΔN吸入5.5%氧气的小鼠及其野生型同胞(N个 = 5个)。数据以平均值和单个值表示。对以下对象进行双向方差分析,然后进行Tukey校正以进行事后比较小时j个,n个、和o个使用Kaplan–Meier方法估计生存率,并使用对数秩检验比较进行了Kruskal–Wallis检验,然后进行了Dunn的多重比较.
图4
图4。13线地松鼠的耐缺氧能力和硫化物分解代谢增强。
13线地松鼠。水平b硫化物(n个 = 7, 7, 6, 6),c(c)乳酸(n个 = 6个),以及d日NADH/NAD公司+比率(n个 = 大鼠和13LG松鼠(13 LGS)在异氟醚麻醉下吸入21%或5%氧气5分钟。火山图显示呼吸5%氧气后全脑代谢产物的变化e(电子)大鼠和如果13LG松鼠。乳酸;半胱氨酸;富马酸;简洁,简洁。小鼠、大鼠和13LG松鼠前脑SQOR的免疫印迹和蛋白表达水平(N个 = 3个)。小时小鼠、大鼠和13LG松鼠前脑中的SQOR酶活性(N个 = 6个)。用氧耗率(OCR)测量脑线粒体ATP转换率和最大呼吸速率大鼠和j个13LG松鼠与0、1或3μM Na孵育2S公司(n个 = 每个6个)。k个含有抗13LG松鼠SQOR(AAV-shSQOR)shRNA的AAV的结构13LGS(长度))在RNA聚合酶III的U6启动子下,控制含有干扰shRNA的AAV(AAV-Ctrl)。感染AAV-Ctrl(对照)或AAV-shSQOR的13LG松鼠脑内相对SQOR mRNA水平13LGS(长度)(shSQOR)。的相对水平硫化物和n个过硫化物和o个NADH/NAD的比率+在麻醉下呼吸5%氧气的Control或shSQOR感染的13LG松鼠的大脑中。n个 = 各6个。数据以平均值±SEM或平均值和单个值表示。对以下对象进行双向或单向方差分析,然后进行Sidak校正以进行事后比较bd日j个使用补充表S1和S2中的值创建火山图。双尾未成对t吨-对进行了测试,n个、和o个曼·惠特尼U型对进行了测试.
图5
图5。SQOR改善神经元细胞的线粒体功能。
模拟转染或SQOR表达的SH-SY5Y中SQOR的免疫印迹(L,H:低剂量和高剂量转染剂)。显示了两个独立生物复制品的代表性免疫印迹。b21%O时SQOR表达对SH-SY5Y细胞内过硫化物水平的影响2.n个 = 每个5个。c(c)Na处理前后SH-SY5Y细胞线粒体中ATP水平的变化2介质中0、1或3µM下的S(n个 = 6个)。d日细胞内H2S公司(n个 = 12个),e(电子)细胞培养基中的乳酸(n个 = 6个),如果细胞内NADH/NAD+比率(n个 = 5个),细胞内活性氧(n个 = 10个),小时细胞内ATP(n个 = 6个),以及复合IV活性(n个 = 在SH-SY5Y细胞中,21%或1%O中有或没有SQOR表达2细胞在转染后48小时开始暴露于缺氧或常压下3小时。数据以平均值和单个值表示。双尾未成对t吨-测试针对b进行双向方差分析,然后进行Sidak校正,以进行事后比较c(c).
图6
图6。小鼠大脑中SQOR表达的影响。
在hSYN1启动子(AAV-SQOR)和对照AAV(AAV-GFP)下含有小鼠SQOR和增强型GFP序列的AAV的结构。SV40,猴病毒40。8周龄婴儿大脑中SQOR mRNA的相对表达水平b男性(n个 = 6、10)和c(c)女性(n个 = 7,5)CD-1小鼠在出生后第0天转染AAV-GFP或AAV-SQOR。8周龄存活曲线d日男性和e(电子)雌性CD-1小鼠在出生后第0天分别接受AAV-GFP或AAV-SQOR转染,并吸入5.5%氧气和4.5%氧气。的级别如果硫化物(n个 = 6, 7, 6, 6),过硫化物(n个 = 5个),小时NADH/NAD的比值+(n个 = 6个),乳酸/丙酮酸(n个 = 6个),以及j个琥珀酸/富马酸(n个 = 6只)转染AAV-GFP或AAV-SQOR的雄性小鼠,吸入21%或5.5%氧气3分钟。k个AAV-GFP转染雄性小鼠海马CA1和CA3区荧光翡翠B(FJB)染色脑切片的代表性显微照片(n个 = 4) 或AAV-SQOR(n个 = 6) 并接受2VO和再灌注。死亡神经元数CA1和转染AAV-GFP或AAV-SQOR并接受2VO的小鼠CA3区(n个 = 4, 6).n个转染AAV-GFP雄性小鼠大脑皮质区FJB染色脑切片的代表性显微照片(n个 = 4) 或AAV-SQOR(n个 = 6) 并接受2VO和再灌注。o个转染AAV-GFP或AAV-SQOR并经2VO处理的小鼠大脑皮层死亡神经元数量(n个 = 4, 6).用AAV-GFP或AAV-SQOR转染并接受假手术或12或20分钟2VO的雄性CD-1小鼠的神经功能损伤评分(n个 = 6, 6, 7, 6, 6, 7). 数据以平均值和单个值表示。双尾未成对t吨-测试针对b,c(c),,、和o个使用Kaplan–Meier方法估计生存率,并使用对数秩检验比较d日e(电子)进行双向方差分析,然后对事后比较进行Sidak校正如果j个.
图7
图7。硫化物清除剂的作用。
NADH/NAD公司+SH-SY5Y细胞中的比率在缺氧或常压下用不同剂量的HSip-1或氢氧钴胺(OHCb)孵育3小时后溶解。n个 = 每个5个***P(P) < 缺氧时0.001 vs生理盐水(NS)。###P(P) < 缺氧时0.001 vs NS。bSH-SY5Y中的相对硫化物水平在常氧或缺氧条件下培养,并存在不同浓度的OHCb。n个 = 每个5个。c(c)通过结晶紫法评估SH-SY5Y在不同浓度的OHCb存在下受到氧和葡萄糖剥夺(OGD)的细胞活力。n个 = 每个10个***P(P) < 0.001,##, ###P(P) < 0.1、0.001 vs OHCb 0μM。d日在分离的脑线粒体中测量耗氧率(OCR)平方米ΔN/ΔN携带或不携带OHCb的小鼠,并与使用载体治疗的野生型同窝鼠的分离线粒体进行比较(n个 = 4个)。e(电子)SQOR活动(n个 = 5个)和如果硫化物le(电子)标高(n个 = 6,6,7,6)在接受假手术或2VO并用生理盐水或OHCb处理的小鼠大脑中。NADH/NAD公司+假手术小鼠或开始使用载体(V)、HSip-1(HS)或OHCb治疗2VO后5分钟小鼠大脑中的比率(n个 = 6个)。小时接受永久性MCAO和生理盐水(NS)或OHCb治疗的雄性小鼠冠状脑切片TTC染色的代表性照片。脑梗死体积和j个神经功能2VO和再灌注后雄性小鼠中的(n个 = 5, 4).k个OHCb、氰钴胺(CCb)或呼吸5.5%氧气的生理盐水处理的雄性CD-1小鼠的存活曲线。说明SQOR和硫化物在线粒体能量生产中作用的工作假设的图表常氧,缺氧,n个缺氧伴SQOR表达,以及o个低氧与硫化物清除剂。TSP,转硫途径。TST,硫代硫酸盐硫转移酶。ETHE1,乙基丙二酸脑病1。TCA、三羧酸循环或克雷布斯循环。线粒体电子传递链(ETC)复合体用方框中的罗马数字表示。数据以平均值和单个值表示。对以下对象进行双向方差分析,然后进行Tukey或Sidak校正以进行事后比较d日如果.双尾非配对t吨-已执行测试如果e(电子),、和j个对以下对象进行了单向方差分析,然后进行了Tukey校正,以进行事后比较使用Kaplan–Meier方法估计生存率,并使用对数秩检验比较k个.

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