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糖尿病是一种高患病率的代谢性疾病,以胰岛损伤和胰岛功能障碍为特征[1]。胰岛由β细胞、α细胞、δ细胞、PP细胞和ε细胞组成,分别分泌胰岛素、胰高血糖素、生长抑素等物质维持机体糖稳态。其中,胰岛β细胞占胰岛细胞的50%~80%[2],分泌具有强烈降血糖的胰岛素。因此,如何增加胰岛β细胞数量和保护胰岛β细胞功能是糖尿病治疗的重要研究方向。精氨酸代琥珀酸合成酶⁃1(argininosucci⁃ nate synthetase1,ASS1)是尿素循环中的限制酶,可催化瓜氨酸和天冬氨酸缩合形成精氨酸的直接前体——精氨酸代琥珀酸,后者可转化为精氨酸并生成 NO 和 L⁃瓜氨酸,是 NO 合成的潜在限速步骤[3]。本课题组前期研究发现模拟 2 型糖尿病(diabetes mellitus type2,T2DM)发病过程的高脂喂养鼠胰岛 ASS1 mRNA平均表达量较正常对照组降低[4],与其他团队发现的高脂喂养鼠胰岛ASS1蛋白表达量较对照组降低一致[5]。研究发现在促炎因子干扰素 (interferon,IFN)⁃γ、白介素(interleukin,IL)⁃1β和肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF)⁃α干预下,增加丙酮酸羧化酶活性可促进三羧酸循环生成更多的天冬氨酸,天冬氨酸在ASS1催化下与瓜氨酸反应生成精氨基琥珀酸,促进精氨酸生成尿素,减少NO生成,减轻IFN⁃γ、IL⁃1β和TNF⁃α对胰岛β细胞的损伤[6]。亦有研究发现高表达ASS1可减少棕榈酸诱导的胰岛β 细胞凋亡和减轻β细胞功能障碍[7]。目前有关ASS1 的研究主要在炎症、脂毒性等病理环境下进行,有关 ASS1在生理条件下对胰岛β细胞的研究尚需完善,故本研究旨在评估ASS1生理条件下表达量的高低对胰岛β细胞增殖、凋亡的影响,并探索其潜在的机制。
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1 材料和方法
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1.1 材料
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小鼠胰岛素瘤β⁃TC6细胞购自中国科学院典型培养物保藏委员会昆明细胞库。胎牛血清、0.25% EDTA⁃胰酶(Gibco公司,美国);DMEM高糖培养基、青链霉素混合液、RIPA 裂解液、嘌呤霉素、Alexa Fluor647/PI凋亡检测试剂盒(北京索莱宝科技有限公司);Lipofectamine3000(Invitrogen 公司,美国);ASS1⁃siRNA(广州锐博生物科技有限公司),慢病毒载体(上海汉恒生物科技有限公司);Trizol(Thermo Fisher公司,美国);增强型BCA蛋白浓度测定试剂盒、羊抗兔IgG⁃HRP抗体、羊抗鼠IgG⁃HRP抗体(上海碧云天生物技术有限公司);PrimeScriptTM RT Master Mix、SYBR Green Realtime PCR Master Mix (TaKaRa 公司,日本);Caspase⁃3 抗体、凋亡诱导因子(apoptosis inducing factor,AIF)抗体、β⁃actin 抗体 (CST 公司,美国);Bcl⁃2相关X蛋白(Bcl⁃2 associated X protein,Bax)抗体、B细胞淋巴瘤⁃2(B⁃cell leukae⁃ mia⁃2,Bcl⁃2)蛋白抗体、ASS1抗体、细胞核增殖抗原 (Ki67)抗体和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammali⁃ an rapamycin target protein,mTOR)抗体(Abcam 公司,美国);TUNEL凋亡检测试剂盒(苏州宇恒生物科技有限公司),EdU细胞增殖检测试剂盒(广州锐博生物科技有限公司),CCK⁃8试剂盒(MCE公司,美国); 荧光定量 PCR 仪(Roche 公司,美国),流式细胞仪 (BD公司,美国),酶标仪(Thermo Fisher公司,美国),荧光显微镜(ZEISS公司,德国)。
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1.2 方法
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1.2.1 细胞培养
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β⁃TC6细胞用含10%胎牛血清和1%青链霉素混合液的高糖DMEM完全培养基,在含5% CO2的37℃ 恒温培养箱中培养,取对数生长期的细胞进行实验。
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1.2.2 siRNA敲低ASS1
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ASS1 的 siRNA 序列为 5′⁃CTACAAAAGTGGT⁃ CATCCA⁃3′。采用Lipofectamine3000并根据说明书转染β⁃TC6 细胞,实验分为 Blank 组、si⁃NC 组、si⁃ ASS1 组。细胞提前 1 d 种于 6 孔板中,待细胞生长融合度达40%时进行转染。用Opti⁃MEM培养基稀释Lipofectamine3000,与含siRNA的Opti⁃MEM培养基混匀后室温静置 15 min,用 Opti⁃MEM 培养基和 β⁃TC6完全培养基按9∶1比例补足反应体系后加入 6孔板中,24 h后更换培养基,48 h后收集细胞进行相关实验。
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1.2.3 慢病毒过表达ASS1
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采用慢病毒载体构建ASS1过表达稳转细胞株,实验分为Blank组、OE⁃NC组、OE⁃ASS1组。细胞提前1 d种于25 cm2 细胞培养瓶中,24 h后更换培养基为2.5 mL含病毒的β⁃TC6完全培养基,4 h后补足培养基至 5 mL。转染 24 h 后,每 24 h 更换新鲜培养基。细胞生长至70%融合度时进行传代。传代后用含4 μg/mL嘌呤霉素的β⁃TC6完全培养基筛选稳转株。
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1.2.4 qRT⁃PCR检测
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用 Trizol 提取细胞总 RNA,测量浓度后取 500 ng RNA 逆转录合成 cDNA。cDNA 用 DEPC 水 1∶5 稀释后,根据 SYBR Green Realtime PCR Master Mix qPCR说明书冰上制备PCR反应液,在StepOne⁃ Plus 实时荧光定量 PCR 仪器上进行实时荧光定量 PCR 反应,95℃10 s 预变性;95℃ 5 s、60℃ 1 min, 40个循环;95℃ 15 s、60℃ 1 min、15℃ 1 s。以空白对照组为内参,目的基因相对表达量以ΔCT表达。
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1.2.5 Western blot检测
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RIPA 裂解液冰上提取细胞蛋白,用增强型 BCA 蛋白浓度测定试剂盒测定蛋白浓度。蛋白煮沸变性后,取30 μg样品进行10% SDS⁃PAGE凝胶电泳2 h,湿转法将蛋白转印至PVDF膜,5%脱脂牛奶室温封闭2 h后,加入一抗4℃孵育过夜。TBST洗涤后加入HRP标记的二抗,室温孵育1 h,TBST洗涤后 ECL发光液显影,凝胶成像仪曝光蛋白条带。
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1.2.6 CCK⁃8实验
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将β⁃TC6细胞按3×104 个/孔接种于96孔板中,给予处理后更换新鲜培养基,每孔加入10 μL CCK⁃8 检测液,于培养箱中孵育1.5 h,用酶标仪在450 nm 波长测每孔吸光度,计算细胞增殖活力。细胞活力= (A 干预-A 空白)/(A 对照-A 空白)×100%(A 干预:含细胞、 CCK8溶液和药物溶液的孔的吸光度值;A 空白:含培养基和CCK8溶液而没有细胞的孔的吸光度值;A 对照:含细胞、CCK8溶液而没有药物溶液的孔的吸光度值)。
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1.2.7 5⁃乙炔基⁃2′⁃脱氧尿嘧啶核苷(5⁃ethynyl⁃2′⁃ deoxyuridine,EdU)法检测细胞增殖
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β⁃TC6细胞按3×104 个/孔接种于96孔板中,给予处理后更换为含 50 μmol/L EdU 的完全培养基,于培养箱中孵育 2 h,PBS 洗涤后,用 4%多聚甲醛室温固定30 min,0.5%的Tritonx⁃100于摇床上孵育 10 min,PBS洗涤后,加入Apollo染色反应液室温避光孵育30 min,0.5%的Tritonx⁃100清洗后,甲醇清洗 1次,PBS洗涤后用荧光显微镜拍照观察。
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1.2.8 AV/PI检测
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收集干预后的全部细胞至离心管中,PBS清洗后,加入195 μL Annexin V⁃Alexa Fluor 647结合液重悬细胞并转移至流式管中,每管加入 5 μL AnnexinV⁃Alexa Fluor 647,混匀后4℃孵育15 min。避光每管加入 5 μL 碘化丙啶(propidium iodide,PI)染色液后,立即用流式细胞仪检测。
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1.2.9 TdT介导的dUTP缺口末端标记技术(terminal dUTP nick⁃end labeling assay,TUNEL)检测细胞凋亡
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β⁃TC6细胞按3×104 个/孔接种于96孔板中,给予处理后,PBS洗涤2次,每孔加入50 μL 4%多聚甲醛于4℃固定30 min,PBS洗涤后,0.2%TritonX⁃100 室温孵育20 min,PBS洗涤后,TUNEL平衡缓冲液孵育5 min,弃去缓冲液,加50 μL TUNEL反应混合液 37℃避光反应1 h,PBS洗涤后,每孔加入30 μL DAPI 室温孵育10 min,PBS洗涤后加入甘油封片,避光用倒置荧光显微镜拍照。
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1.3 统计学方法
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所有样本均独立重复3次。采用SPSS 26.0软件分析统计所得数据,用均数±标准差( ± s)表示。独立样本t检验用于两组数据间比较,多组比较采用单因素方差分析,P <0.05为差异有统计学意义。
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2 结果
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2.1 β⁃TC6细胞中ASS1敲低和过表达体系的构建及验证
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将 si⁃ASS1 和 si⁃NC 转染到β⁃TC6 细胞 48 h 后 (转染效率约80%),收集细胞检测ASS1 mRNA和蛋白表达水平。结果显示,转染 si⁃ASS1 的细胞中, ASS1 mRNA和蛋白水平明显降低(图1A~C)。
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采用慢病毒载体构建ASS1过表达稳转株后,收集细胞检测ASS1 mRNA和蛋白表达水平。结果显示,ASS1过表达细胞中,ASS1 mRNA和蛋白水平显著升高(图1D~F)。
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2.2 ASS1低表达和高表达对β⁃TC6细胞增殖的影响
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与 si⁃NC 组比较,敲低 ASS1 后β⁃TC6 细胞 EdU 阳性细胞率减少(P<0.05,图2A、B),细胞增殖活力下降(P <0.05,图2C)。与 OE⁃NC 组比较,过表达 ASS1 后β⁃TC6 细胞 EdU 阳性细胞率和细胞增殖活力无明显差异(图3)。
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2.3 ASS1低表达和高表达对β⁃TC6细胞凋亡的影响
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与si⁃NC组比较,敲低ASS1后β⁃TC6细胞TUNEL 阳性细胞率和凋亡细胞比例明显增加(P <0.05,图4)。与 OE⁃NC 比较,过表达 ASS1 后β⁃TC6 细胞 TUNEL阳性细胞率和凋亡细胞比例下降(P <0.01,图5)。上调ASS1可抑制β⁃TC6细胞凋亡。
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2.4 ASS1低表达对β⁃TC6细胞中AIF信号通路影响
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为了探究 ASS1 对β⁃TC6 细胞增殖和凋亡作用的具体靶点,进一步研究发现,与 si⁃NC 组比较,敲低 ASS1 后 β ⁃ TC6 细胞 Bax/Bcl ⁃ 2 比值降低(P <0.001,图6A、B),cleaved Caspase⁃3/Caspase⁃3比值也降低(P <0.01,图6C、D)。同时,与si⁃NC组比较,si⁃ ASS1组AIF 的mRNA 和蛋白水平增加(P<0.01,图6E~G)。下调 ASS1 增加β⁃TC6 细胞凋亡且不依赖Caspase途径,可能与AIF途径有关。
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A:qRT⁃PCR检测siRNA转染β⁃TC6细胞后ASS1 mRNA水平,与si⁃NC组比较,***P <0.001(n=3);B、C:Western blot 检测siRNA转染β⁃TC6 细胞后ASS1蛋白表达水平(B)及半定量分析(C),与si⁃NC组比较,*P<0.05(n=3);D:qRT⁃PCR检测慢病毒感染β⁃TC6细胞后ASS1 mRNA水平,与OE⁃NC组比较,***P <0.001(n=3);E、F:Western blot 检测慢病毒感染β⁃TC6细胞后ASS1蛋白表达水平(E)及半定量分析(F),与OE⁃NC 组比较,*P<0.05(n=3)。
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图1 β⁃TC6细胞中ASS1敲低和过表达体系的构建及验证
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Figure1 Verification of ASS1 expression in β⁃TC6 cells after knockdown and overexpression of ASS1
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A:EdU检测胰岛β细胞增殖代表图片(×400);B:EdU阳性细胞率比较,与si⁃NC组比较,*P<0.05(n=3);C:CCK⁃8检测β⁃TC6细胞增殖活力,与si⁃NC组比较,**P <0.01(n=3)。
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图2 si⁃ASS1转染β⁃TC6细胞后细胞增殖变化
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Figure2 Proliferation changes of β⁃TC6 cells after si⁃ASS1 transfection
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2.5 ASS1 高表达对β⁃TC6 细胞中 mTOR 信号通路影响
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与 OE⁃NC 组比较,过表达 ASS1 后β⁃TC6 细胞 Ki67 和 mTOR 的 mRNA 和蛋白水平均升高(P< 0.001,图7)。上调 ASS1 促进β⁃TC6 细胞存活可能与mTOR通路有关。
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A:EdU检测胰岛β细胞增殖代表图片(×200);B:EdU阳性细胞率比较(n=3);C:CCK⁃8检测胰岛β细胞增殖活力(n=3)。
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图3 ASS1过表达载体转染后β⁃TC6细胞增殖变化
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Figure3 Proliferation changes of β⁃TC6 cells transfected with ASS1 overexpression vector
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A:TUNEL检测β⁃TC6细胞凋亡代表图片(×200);B:TUNEL阳性细胞率比较,与si⁃NC组比较,***P <0.001(n=3);C:AV/PI流式细胞术测定 β⁃TC6细胞凋亡代表图片;D:AV/PI流式细胞术测定β⁃TC6细胞凋亡率比较,与si⁃NC组比较,*P <0.05(n=3)。
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图4 si⁃ASS1转染β⁃TC6细胞后细胞凋亡变化 Figure4 Changes of pancreatic β⁃TC6 cell apoptosis after si⁃ASS
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Figure4 Changes of pancreatic β⁃TC6 cell apoptosis after si⁃ASS1 transfection
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A:TUNEL检测β⁃TC6细胞凋亡代表图片(×200);B:TUNEL阳性细胞率比较,与OE⁃NC组比较,*P <0.05(n=3);C:AV/PI流式细胞术检测β⁃TC6细胞凋亡代表图片;D:AV/PI流式细胞术检测β⁃TC6细胞凋亡率比较,与OE⁃NC组比较,**P <0.01(n=3)。
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图5 ASS1过表达载体转染后β⁃TC6细胞凋亡变化
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Figure5 Changes of apoptosis of β⁃TC6 cells transfected with ASS1 overexpression vector
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3 讨论
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ASS1是尿素循环中的限制酶,在肝脏和肾脏组织中高表达。临床研究发现肥胖人群外周血单核细胞中ASS1表达较正常人降低,并且ASS1的表达与体重指数和脂肪重量呈负相关[8],这与高脂喂养小鼠胰岛中ASS1的变化一致。既往研究结果显示 IL⁃1β、TNF⁃α及IFN⁃γ联合处理下,大鼠胰岛β细胞和人胰岛细胞团ASS1和iNOS表达水平升高,同时给予生理浓度的精氨酸或瓜氨酸时,胰岛细胞可以生成更多的 NO,后者进一步促进胰岛β细胞凋亡,损害胰岛β细胞[9]。除了ASS1,研究发现胰岛β细胞中也存在精氨基琥珀酸裂解酶、氨甲酰磷酸合成酶 1、二甲基精氨酸二甲基氨基水解酶1、二甲基精氨酸二甲基氨基水解酶⁃2、N⁃乙酰谷氨酸合酶,胰岛中β细胞存在完整的尿素循环。在 IL⁃1β、TNF⁃α和 IFN⁃γ联合处理胰岛β细胞模拟炎症环境时,促进精氨酸代谢生成尿素,减少精氨酸生成NO,可减轻胰岛β细胞凋亡[6]。本研究发现生理条件下敲低ASS1 后胰岛β细胞凋亡率增加,增殖水平下降,而高表达 ASS1后胰岛β细胞凋亡率减少,增殖水平增加。这提示ASS1对胰岛β细胞生存和功能发挥保护作用。
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mTOR是一种丝氨酸/苏氨酸激酶,可感知细胞外营养状态和细胞内 ATP 水平,对维持细胞生长和促进细胞增殖发挥重要作用[10]。Ki67 通常被认为是细胞增殖的标志物[11]。研究发现精氨酸可通过溶质载体(solute carrier,SLC)中溶酶体 SLC38A9 激活mTOR信号通路[12]。本研究中高表达ASS1后,胰岛β细胞存活数量增加,Ki67 和 mTOR 表达增加。因此,ASS1可能通过mTOR通路促进胰岛β细胞增殖,这与既往研究中降低胃癌细胞ASS1表达会抑制癌细胞增殖,而高表达ASS1可以通过激活mTOR信号通路促进肿瘤细胞存活具有一致性[13]。此外,研究报道L⁃精氨酸可改善糖尿病鼠胰岛β细胞功能障碍,促进胰岛β细胞恢复[14-15]。本研究仍需完善相关实验,明确精氨酸是否发挥作用。
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A、B:Western blot检测Bax和Bcl⁃2蛋白表达(A)及半定量分析(B);与si⁃NC组比较,***P <0.001(n=3);C、D:Western blot检测β⁃TC6细胞中Caspase⁃3和cleaved Caspase⁃3蛋白水平表达(C)及半定量分析(D),与si⁃NC组比较,**P <0.01(n=3);E:各组AIF mRNA水平比较,与si⁃NC 组比较,***P <0.001(n=3);F、G:Western blot检测各组AIF蛋白表达(F)及半定量分析(G),与si⁃NC组比较,**P <0.01(n=3)。
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图6 si⁃ASS1转染β⁃TC6细胞后Bax/Bcl⁃2、cleaved Caspase⁃3/Caspase⁃3和AIF的表达变化
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Figure6 Expression changes of Bax/Bcl⁃2,cleaved Caspase⁃3/Caspase⁃3 and AIF in β⁃TC6 cells after si⁃ASS1 transfection
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A:Ki67和mTOR mRNA水平比较,与OE⁃NC组比较,***P <0.001(n=3);B、C:Western blot检测Ki67和mTOR蛋白水平(B)及半定量分析 (C),与OE⁃NC组比较,***P <0.001(n=3)。
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图7 ASS1过表达载体转染胰岛β细胞后Ki67和mTOR表达变化
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Figure7 Expression changes of Ki67 and mTOR in pancreatic islet β cells transfected with ASS1 overexpression vector
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细胞亲凋亡蛋白Bax和亲生存蛋白Bcl⁃2,这一对蛋白在线粒体介导的依赖Caspase凋亡通路中起重要作用[16],通常用Bax/Bcl⁃2的比值反映细胞凋亡的趋势。Caspase⁃3是细胞凋亡经典信号通路的下游执行分子,凋亡早期Caspase⁃3活性增加,凋亡晚期 Caspase ⁃3 活性降低[17]。本研究使用 TUNEL 和AV/PI 法检测细胞凋亡情况,检测的是凋亡晚期细胞[18]。因此,敲低胰岛β细胞ASS1后,Caspase⁃3活性降低可能是细胞凋亡的伴随现象。正常生理状态下AIF在线粒体内参与细胞的氧化磷酸化,当细胞受到特定损伤时,AIF能够从线粒体转移到细胞核内直接诱导DNA降解而使细胞凋亡[19-20]。本研究发现敲低胰岛β细胞ASS1后,AIF在mRNA水平和蛋白水平的表达明显升高。因此,推测ASS1可能通过非经典Caspase途径介导了胰岛细胞凋亡的发生[21],其中AIF可能发挥重要作用,但仍需要进一步研究进行验证。
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综上所述,本研究初步发现ASS1可促进胰岛β 细胞增殖,这可能与激活 mTOR 信号通路有关;而 ASS1表达抑制时,胰岛β细胞可能通过AIF途径启动细胞凋亡。但ASS1促进增殖、抑制凋亡的保护作用是否与精氨酸及其他通路相关尚未明确,仍需进一步深入研究。ASS1是否能够成为保护胰岛β细胞功能的候选调控靶点,也需要整体水平的研究进一步探索。
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摘要
目的:探讨精氨酸代琥珀酸合成酶-1(argininosuccinate synthetase 1,ASS1)对胰岛β细胞增殖与凋亡的影响及机制。方法:利用siRNA和慢病毒载体在胰岛β-TC6细胞中分别敲低和过表达ASS1;5-乙炔基-2′-脱氧尿嘧啶核苷(5-ethynyl-2′- deoxyuridine,EdU)和CCK-8检测细胞增殖能力;Annexin V-PI流式细胞术和原位末端转移酶标记技术(terminal dUTP nick-end labeling assay,TUNEL)检测细胞凋亡水平;Western blot检测B细胞淋巴瘤-2(B-cell leukaemia-2,Bcl-2)蛋白、Bcl-2相关X蛋白 (Bcl-2 associated X protein,Bax)、半胱氨酸天冬氨酸酶3(Caspase3)、切割型半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶-3(cleaved Caspase- 3)、凋亡诱导因子(apoptosis inducing factor,AIF)、细胞核增殖抗原(Ki67)和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian rapamycin target protein,mTOR)的表达水平;RT-qPCR检测AIF、Ki67和mTOR mRNA水平。结果:①与对照相比,敲低ASS1后,胰岛β细胞EdU阳性率和CCK-8细胞增殖活力降低,TUNEL阳性细胞数和AV/PI检测的细胞凋亡率升高。胰岛β细胞内AIF表达量明显升高,Bax/Bcl-2比值下降,Caspase-3活性降低。②过表达ASS1后,TUNEL阳性细胞数和AV/PI检测的细胞凋亡率均较对照组降低,伴随胰岛β细胞内Ki67和mTOR表达量升高。但胰岛β细胞EdU阳性率和CCK-8细胞增殖活力无明显变化。结论: ASS1 过表达可能激活 mTOR 信号通路促进胰岛β细胞增殖;ASS1 表达降低时,胰岛β细胞可通过 AIF 途径启动细胞凋亡。 ASS1可能在胰岛β细胞的增殖和凋亡中发挥一定调控作用。
Abstract
Objective:The current study aims to investigate the effect of argininosuccinate synthetase 1(ASS1)on cell proliferation and apoptosis of pancreatic islet β cells. Methods:Small interference RNA was used to knockdown ASS1,and lentiviral vector to overexpress ASS1 in pancreatic islet β cells. The 5 - ethynyl - 2′- deoxyuridine(EdU)and CCK - 8 methods were used to detect proliferation ability,and Annexin V-PI flow cytometry and terminal dUTP nick-end labeling(TUNEL)were used to detect apoptosis. Western blot was used to examine protein expression of B -cell leukaemia -2(Bcl -2),Bcl -2 associated X protein(Bax),Caspase -3, cleaved Caspase - 3,apoptosis inducing factor(AIF),nuclear proliferation antigen Ki67 and mammalian rapamycin target protein (mTOR). RT-qPCR was applied to detect mRNA expression of AIF,Ki67 and mTOR. Results:①Proliferation activity of pancreatic β cells detected by EdU and CCK-8 was lower when ASS1 was knockdown,and apoptosis of islet β cells examined by TUNEL method and flow cytometry was higher than that in the control group. Meanwhile,the increased AIF expression and the decreased ratio of Bax/ Bcl - 2 and the activity of Caspase - 3 were observed. ②After overexpression of ASS1, the number of TUNEL positive cells and the apoptosis rate detected by AV/PI decreased compared to the control group, accompanied by expression levels of Ki67 and mTOR increased in pancreatic islets β cells. But there was no significant change in the positive rate of EdU and proliferative activity of cells by CCK -8 detected. Conclusion:Overexpressing ASS1 in pancreatic islet β cells may activate mTOR signaling pathway to promote cell proliferation. Pancreatic islet β cells with decreased ASS1 expression may initiate apoptosis through AIF pathway. In summary,ASS1 may play a role in proliferation and apoptosis of pancreatic islet β-cells.
关键词
精氨酸代琥珀酸合成酶 ; 胰岛β细胞 ; 增殖 ; 凋亡