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SMAD6在Aβ诱导的神经毒性病变中的表达变化

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中国神经免疫学和神经病学杂志2017年5月第24卷第3期Chin J Neuroimmunol&Neurol 201 7,Vo1.24,No.3 ・183・ SMAD6在Al3诱导的神经毒性病变中的表达变化 张莹洁摘要:目的安娜 探讨母抗Dpp小同源物6(small mothers against decapentaplegic homolog 6,SMAD6)在8淀 粉样蛋白(amyloid p,AB)诱导的神经毒性病变中的表达变化。方法 取孕15~17 d的SD大鼠的胎鼠,进行海 马神经元原代培养,经不同浓度(10、15、20 mol/L)A[ ̄25—35毒性片段处理后,通过定量PCR技术检测SMAD6 mRNA表达水平。取2月龄SD雄性大鼠12只,随机分为A8注射组和空白对照组,每组6只。采用双侧基底 前脑注射A8lI40建立大鼠痴呆模型,通过免疫组化及免疫印迹检测基底前脑及海马区SMAD6蛋白表达水平。 结果 不同浓度A ̄125~35处理组海马神经元内SMAD6 mRNA表达均较对照组减少(F一602.1,P<0.01)。免 疫组化结果显示,与对照组比较,A81—40注射组大鼠基底前脑区SMAD6蛋白表达减少(68103±1520比 96036±1804;t;20.51,P<0.01),而海马区其表达增多(96441士1852比55039士1528;t一29.87,P<0.01);免 疫印迹结果显示,与对照组比较,AI31—40注射组大鼠基底前脑区SMAD6蛋白表达减少(0.1042±0.0067比 1.000±0.0986; 一15.69,P<0.01),而海马区其表达增多(12.5525±2.6803比1.000土0.0135;t=7.465,P< 0.01)。结论Ap可直接下调神经元内SMAD6 mRNA转录及表达,不同脑区内SMAD6蛋白表达可能受负反 馈调节机制影响。 关键词:阿尔茨海默病;母抗Dpp小同源物6;骨形态发生蛋白质;B淀粉蛋白 中图分类号:R749.1 文献标识码:A 文章编号:1006—2963(2017)03—0183—05 The change of SMAD6 expression in A induced neurotoxicity ZHANG Yingj ie,AN Na . Shanghai Mental Health Center,Shanghai Jiaotong University,School of Medicine,Shanghai 200030,China CoHesponding author:AN Na,Emai1:nanaan1978@126.corn ABSTRACT: Objective To investigate the change of small mothers against decapentap1egic homolog 6 (SMAD6)expression in amyloid (A口)一induced neurotoxicity.Methods 15-17 days of pregnant SD mice were used for the experiment.Hippocampal neurons from the brain of fetal rats were treated with different concentrations of A1325—35(10,15,20 ̄mol/L)for 24 h.The mRNA level of SMAD6 in rat hippocampal neurons after A825—35 treatment was assayed through Reahime PCR.Twelve SD rats with the age of 2 months old and the weight of 2。0~220 g,were divided into an Ap injection group and a control group.In vivo,AB 1-40 was bilaterally injected into the basal forebrain to simulate neuropathol0gical processes of Alzheimer’s disease (AD),and the levels of SMAD6 protein were explored in the regions of basal forebrain and hippocampus.Results Result of Realtime PCR showed that the levels of SMAD6 mRNA in the Ae group significantly decreased compared with the eontrol group(F一602.1,P<0.01).Immunohistochemisty results showed that SMAD6 protein was significantly decreased in the A8 group relative to the control group in the basal forebrain(68 1 03± 1520 vs.96036士1804; :2O.51,P<O.01),while there was an opposite change in the hippocampus(96441± 1852 s.55039±1528;t=29.87,P<0.01).Western blot results showed that SMAD6 protein was significantly decreased in the AB group relative to the control group in the basal forebrain(0.1042±0.0067 vs. 1.000±0.0986; 15.69,P<O.01),while there was an opposite change in hippocampus(12.5525±2.6803 vs.1.000±0.0135;£一7.465,P<O.01).Conclusions AB directly down-regulates SMAD6 expression,and there may be negative feedback regulation of SMAD6 among different brain regions. Key words:Alzheimer’s disease;small mothers against decapentaplegic homolog 6;bone morphogenetic proteins;amyloid beta protein doi:10.3969/j.issn.1006—2963.2017.03.008 作者单位:100088首都医科大学附属北京安定医院13病区(张莹洁);200030上海交通大学医学附属精神卫生中心老年科(安娜) 通讯作者:安娜,Email:nanaan1978@126.tom ・184・ 中国神经免疫学和神经病学杂志2017年5月第24卷第3期Chin J Neuroimmunol&Neurol 2017,Vo1.24,No.3 阿尔茨海默病(Alzheimer disease,AD)是一 醉大鼠,固定于BAS立体定向仪上,将齿棒定为 一种进展性神经变性疾病,65岁以上患病率达5 /04, 85岁以上达2O ,病残、病死率高[1]。AD的主要 病理特征为 淀粉样蛋白(amyloid p protein,AI3) 2.4 mm。前囟后1.4~1.6 mm,旁开2.5 mm, 钻颅缓慢进针深度7 mm。A8注射组采用1 L的 微量注射器和微量推进器在双侧基底前脑Mey— nert核各注射AI?I一40(10 ug/uL,Sigma公司)1 L,注射时间10 min,注射完毕后,针停留5 min, 缓慢拔出,然后以同样方法注射另一侧[8 ]。对照 组采用等剂量的PBS溶液进行注射,方法同上。 形成老年斑沉积和异常细胞骨架形成神经原纤维 缠结 ]。AI3具有强神经毒性,在导致大量神经元 变性和坏死之前可先引起神经突触损伤,进而引起 认知功能障碍[3]。母抗Dpp小同源物(small mothers against decapentapIegic homolog, SMAD)与骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)同属转化生长因子J3(transforming growth factor G,TGF ̄3)超家族中的重要成员,参 与调节细胞生长、分化、凋亡等过程,由8种不同的 蛋白构成整个SMAD家族,通过可逆磷酸化对多 种信号传导通路进行调节L4]。SMAD6作为一种 抑制性SMAD蛋白,通过减少SMAD2和SMAD5 磷酸化,与SMAD4竞争,从而抑制TGFfl/BMP信 号通路[5]。作者团队前期研究发现BMP蛋白在 At3毒性病变中具有神经保护作用【6。],而作为 BMP下游通路中抑制性蛋白SMAD6在AD毒性 病变中的作用尚不明确。本研究利用原代培养海 马神经元和痴呆大鼠模型探讨了SMAD6在AJ3 毒性病变中的表达变化以及潜在的作用。 1材料和方法 1.1实验动物 采用Sprague—Dawley(SD)雄性 大鼠16只,2月龄,体质量200~220 g。购自中国 科学院上海实验动物中心,饲养于中国科学院药物 研究所实验动物中心(清洁级环境),动物的使用符 合上海市动物管理委员会管理条例。将SD大鼠 随机分为AG注射组和空白对照组,每组8只。 1。2主要试剂和仪器A1325—35和阿糖胞苷购自 美国Sigma公司,Trizol试剂购自于美国Invitro— gen公司。SMAD6抗体(sc-13048)购自于美国 Santa Cruz公司。所有化学试剂均为分析级。大 鼠立体定向仪、微量推进器、颅骨钻购自美国BAS 公司。1 L微量注射器及手术器械购自上海医疗 器械公司。Morris水迷宫图像自动采集和处理系 统由中国科学院药物研究所提供。垂直电泳槽、电 转移电泳槽购自于美国BioRad公司。 1.3 方法 1.3.1 建立大鼠胆碱能神经元损伤模型:按文献 E6]方法向大鼠双侧基底前脑Meynert神经核注 射At?进行造模。以1O (质量浓度)水合氯醛麻 手术后第11天开始进行水迷宫试验训练,经过5 d 水迷宫训练后,采集入水后寻找到平台的时间。造 模成功标准以及水迷宫试验结果作者团队前期研 究,造模成功率100 [6]。水迷宫试验后取大鼠海 马和基底前脑组织冻存备用。 1.3.2原代海马神经元培养:取孕15~17 d的 SD大鼠1只(购自中国科学院上海实验动物中 心),无菌条件下取胎鼠海马,以0.125 (质量浓 度)胰蛋白酶消化,加入1O (体积分数)胎牛血清 培养基终止消化,吸管吹打组织2O次,收集细胞悬 液,接种于多聚赖氨酸包被的培养板中,放入培养 箱,24 h后换不含血清的培养液(1 谷氨酸盐+ 2 B27+97 Neurobasal,Gibco公司),48 h后 加阿糖胞苷,作用24 h后全量换液,此后每3 d半 量换液。于培养7~10 d,神经元纯度达到8O ~ 9O 后用于下一步实验。 1.3.3提取与扩增SMAD6 mRNA:将A1 ̄25—35 溶解于0.1 A(质量浓度)三氟乙酸溶液中,配成1o mmol/L储存液,临用前置于37℃孵箱中孵育3 d 进行老化处理,使可溶性At?聚集成不溶性AG。 将培养的原代海马神经元随机分为4组,分别用不 同浓度A[325—35处理海马神经元,使AB25—35终浓 度分别为10、15、20 umol/L;另设立阴性对照,添 加等量三氟乙酸溶液。孵育24 h后采用总RNA 提取(total RNA isolation,TRIzo1)法提取总 RNA。实验步骤严格按Realtime PCR试剂盒说 明书进行(Takara公司)。用Bio—Rad定量PCR 仪(Bio—Rad公司)设置预变性95℃10 S,PCR反 应95℃5 S,依据相应的退火温度持续30 S,循环 4O次。SMAD6和J3一actin cDNA基因全长由 Pubmed Genebank查得,委托上海生物工程公司 代为设计并合成。PCR扩增引物如下:SMAD6: 上游:5 一CGGGAGAACAGGGTATGA一3 ,下游: 5I_CAGGCTGGAAGGAGAAGAT一3 ; 13-actin:上 游:5,_AACCCTAAGGCCAACCGTGAAAAG一3 ,下 游:5'-TCATGAGGTAGTCTGTCAGGT-,3。SMAD6 中国神经免疫学和神经病学杂志2017年5月第24雀第 期Chin J Neuroimmunol鱼 ! ! !! . , . 片段长度为149 kp,退火温度54℃;t?-actin片段长 用IMS图像分析系统(Nikon公司)设定基础统计 面积,分别调定背景、阴性细胞、阳性细胞,通过计 算机自动分析,得出阳性表达面积及阳性强度均 度241 kp,退火温度60℃。PCR产物含量依据 2 计算(其中ct值代表每个反应管内的荧光 信号到达设定的域值时所经历的循环数)。每个实 验重复3次,取均数。 1.3.4 免疫印迹分析:取At?注射组和空白对照 值,按下列公式计算SMAD6表达阳性指数:阳性 指数一阳性表达面积×阳性强度均值。阳性指数 越高表示目标蛋白表达越高。每个实验重复 3次。 组各3只大鼠冻存大脑组织,研磨制备匀浆。采用 Bradford法检测蛋白浓度,细胞蛋白提取物在 1.4统计学处理采用GraphPad Phrism 5软件 SDS—PAGE凝胶上进行电泳,采用湿转法转膜,转 膜结束后,丽春红及考马斯亮蓝染色。聚偏二氟乙 烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)膜浸入5 (质 进行分析,对数据进行正态性和方差齐性检验,符 合正态分布的计量资料以均数±标准差表示,多组 均数间比较采用单因素方差分析,两两比较采用 Bonferroni检验,两均数间比较采用样本t检 验。取口一0.05。 量浓度)脱脂奶粉的TBST室温封闭。一抗为兔 抗大鼠SMAD6(1:500)或t?-actin抗体(1:2000, Abcam公司),二抗为HRP标记的山羊抗兔抗体 (1:500,碧云天公司),通过电化学发光(electro~ chemical luminescence,ECI )试剂盒发光显影。采 用Bio—Rad2000型凝胶成像系统将光片在白光下 扫描后,应用Quantity One软件(Bio-Rad公司)进 行灰度扫描分析。各组SMAD6相对含量以 2 结果 2.1 各组大鼠原代海马神经元SMAD6 mRNA转 录水平 10、15、20 tzmol/I AB处理组以及对照组 原代海马神经元SMAD6 mRNA表达水平分别为 0.1286±0.0050、0.0675±0.0046、0.0189±0.0033、 SMAD6条带灰度值与各自3-actin灰度扫描值的 比值表示,并设对照组。计算At?处理组SMAD6 相对蛋白含量与对照组的比值。每个实验重 复3次,结果取均数。 1.3.5免疫组化:取AJ3注射组和空白对照组各3 只大鼠脑组织进行免疫组化试验,依据SP试剂盒 说明书(Santa Cruz公司)步骤操作。石蜡切片 1.0000±0.0654,各组间其表达水平比较差异有统 计学意义(F一602.1,P<O.O1)。与对照组比较,不 同A8浓度组海马神经元SMAD6 mRNA表达水平 均降低(均P<O.01)。 2.2 各组大鼠不同脑区SMAD6蛋白表达 (1) 免疫印迹分析:与对照组相比,At?l一40注射组大鼠 基底前脑区SMAD6蛋白表达降低(P<O.O1),而 海马区其表达升高(P<0.01)。(2)免疫组化:与 对照组相比,At?l一40注射组基底前脑区内SMAD6 (10 um)常规脱蜡,30 9/6(体积分数)H O 窒温下 持续孵育切片10 min,以灭活内源性酶,之后切片 上滴加正常山羊血清封闭液,室温下持续孵育3O min。滴加稀释好的兔抗大鼠SMAD6一抗(1: 500,Abcam公司),4℃过夜。滴加生物素化山羊 抗兔二抗(1:500,碧云天公司),37℃20 min后 PBS冲洗,DAB显色。细胞核内呈明确棕色染色 者即为SMAD6阳性细胞,蓝色染色为SMAD6阴 性细胞。选取同一染色条件下的6~7张切片,每 阳性细胞减少(P<0.01),而海马区则增多(P< 0.01)。结果见表1、图1~2。 基底前脑 正常 AB 正常 海马 ^B sII^D6 t 一●I actin..|■ -。 (免疫印迹法) ■— ■—● 图1各组SD大鼠不同脑区SMAD6蛋白表达变化 张切片随机取100个细胞,将图像摄人计算机,使 表1各组SD大鼠不同脑组织SMAD6蛋白表达水平比较(孑士5, 一3) 注:SMAD6:母抗Dpp小同源物6;At?:0淀粉样蛋白。图1、2同 中国{中经免疫学和神经病学杂志2017年5月第24卷第3期Chin J Neuroimmunol& Neurol 201 7,Vo1.2l,No.3 注:A:正常组基底前脑;B:Ap注射组基底前脑;(::正常组海马;D:Ap注射组海马 图2各组SD大鼠不同脑区SMAD6阳性细胞(红色箭头所示)表达比较(蓝色箭头所示为SMAD6阴性细胞;免疫组化.×2()()) 3讨论 AD是以渐进性的学习、记忆、行为和人格障 碍为主要临床特征的神经精神疾病,AB在脑内的 沉积是其最典型的病理特征,A8具有神经毒性,通 过产生氧化应激、代谢压力和兴奋性毒性诱导神经 元损害 。BMPs最初为软骨内骨形成的诱导剂 和骨代谢的调节剂,由胞浆分泌后进入细胞间隙。 与细胞膜上的BMPs受体(bone morphogenetic protein receptor,BMPR)相结合,激活BMP下游 信号,包括经典的SMAD及非经典的LIM激酶1 (LIM kinase 1,I IMK1)等。SMAD6是一种抑制 性SMAD蛋白,可竞争性地结合I型BMPR或 SMAD4蛋白,从而抑制SMAD1/5/8磷酸化或者 导SMAD6蛋白表达增加,当BMPs信号通路打开 时。通过SMAD途径和非SMAD途径影响遗传物 质的转录川 。经典的SMAD途径最终可以作用 于细胞核,影响BMPs的负性调节蛋白SMAD6的 基因转录,当BMPs信号通路增强时,SMAD6的 转录和表达会随之增强。BMPs诱导的SMA1)6 蛋白增加是BMPs信号通路的负反馈调节机制之 一:SMAD6可抑制SMAD1/5/8蛋白与共享 SMAD4蛋白形成复合体;同时SMAD6可抑制非 SMAD通路中转化生长因子激活激酶1一丝裂原活 化蛋白激酶(TGF activated kinase 1一mitogen acti— vated protein kinase,TAK1_MAPK)信号途径; SMAD6还可促进BMPR的降解【 。SMAD6 作为BMPs的下游信号,伴随BMPs的变化而变 化,从而起到负反馈平衡的作用。BMPs信号途径 除SMA6外,还存在多种调节因子.包括BMPs拮 抗剂noggin、chordin、follistatin等以及抑制性 核转移,从而下调BMP信号系统l1 。本研究选择 lO、15和20/_t mol/I 浓度的AJ325—35处理培养7 d的海马神经元,结果显示Ala25—35直接处理海马 神经元可导致SMAD6 tuRNA转录减少;进一步 SMAD7蛋白和SMAD磷酸酶,它们均在不同传 导通路上发挥作用 ,SMAD6是经典的SMAD 信号途径在细胞核内诱导产生的抑制性SMAD蛋 白,不仅与BMPs同步变化,而且在维持BMPs信 号稳定上有重要作用。上述研究结果提示,在一定 强度和时间范围内的AI?毒性刺激可以激发 BMPs/SMAD6信号通路的自我调节功能。中枢 神经系统具有双向联系的特征,基底前脑和海马区 之间正是具有双向投射纤维一 .这可以解释海马 采用AJ31—40注射建立胆碱能神经元损伤模型,通 过免疫组化和免疫印迹方法检测基底前脑区和海 马区SMAD6蛋白的表达情况,结果显示,AG1—40 对基底前脑区神经元产生直接神经毒性,导致 SMAD6蛋白表达降低,这与A ̄a25—35直接作用于 原代海马神经元导致SMAD6 mRNA表达水平降 低的实验结果相一致,提示AJ3可直接引起 SMAD6 mRNA转录和蛋白表达降低。作者课题 组前期研究应用水迷宫试验证实,AB卜40双侧注 射大鼠基底前脑区可导致大鼠产生记忆认知功能 障碍 一,AI3可导致SMAD6的上游通路BMP6、 BMP7及BMP4蛋白含量下降一 ,而作为BMPs 下游通路中的负性调节蛋白,SMAD6蛋白水平与 上诉3种蛋白的变化一致,似乎是一个矛盾的结 区SMAD6蛋白表达升高的原因。基底前脑胆碱 能系统包括腹侧纹状体、杏仁核、Meyner核、隔核 及斜方体,隔核海马胆碱能投射纤维终止于海马区 神经元。同时,海马区神经纤维元投射到隔阂的外 侧区和内侧区,从而反馈海马区的信息一 。本研 究采用Aj31—40注射基底前脑区建立大鼠模型,其 海马区SMAD6蛋白表达升高,推测海马区 果。Mouillesseaux等研究结果显示,BMP2可诱 中国神经免疫学和神经病学杂志2017年5月第24卷差 』 ! 塾 ! (1):l51—163. !! : ! : ・ 187 ・ SMAD6蛋白上调是由于基底前脑区SMAD6下 调的负反馈。基底前脑区神经元受到AG1—40的毒 性攻击,使该区域神经元受损严重,可直接导致细 胞内合成SMAD6的功能下降。本实验中AB注 射区为基底前脑,海马区未直接受到AI3毒性攻 击,与基底前脑区相比,海马区受毒性攻击的程度 和时间均会削弱,同时结合脑区间存在双向调节作 用,故作者推测海马区SMAD6因负反馈而代偿性 [7]Sun L,Guo C,Wang T,et a1.LIMK1 is involved in the protective effects of bone morphogenetic protein 6 against amyloid一 ̄-induced neurotoxicity in rat hippocampal neurons [J].J Alzheimers Dis,2014,42(2):543—554. [8]Bao XM,Shu SY.The rat brain in stereotaxic coordinates [B].Beijing:People’s Medical Publishing House,1991. 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