Notch信號(hào)通路由4個(gè)Notch受體(Notch 1-4)和5個(gè)相關(guān)的Notch配體(Jagged 1、Jagged 2、Dell 1、Dell3和Dell4)組成[1]。Notch信號(hào)蛋白參與細(xì)胞增殖、遷移和細(xì)胞間黏附等多項(xiàng)生物活動(dòng)。據(jù)報(bào)道,Notch信號(hào)通路的大多數(shù)組分在血管內(nèi)皮中表達(dá),尤其是Notch1受體[2]。此外,Notch1受體已被證明是血管發(fā)育中最重要的Notch 受體,而Dell4和Jagged1是Notch1受體的主要配體[3]。Dell4 在血管生成中發(fā)揮重要作用,據(jù)報(bào)道,Dell4 缺陷可導(dǎo)致炎癥的血管重塑障礙及小鼠胚胎死亡[3]。雖然多項(xiàng)研究表明Notch1、Dell4和Jagged1在胚胎血管生成中起著重要作用[4]。然而,目前尚不清楚低氧對(duì)胎盤血管生成的影響是否與Notch1 及其配體有關(guān)。因此,本研究將人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞(human umbilical vein endothelial cells,HUVEC)在低氧條件下培養(yǎng)以模擬早期胎盤的低氧環(huán)境[5],應(yīng)用Notch1信號(hào)通路的抑制劑DAPT和激活劑JAG-1 觀察Notch1信號(hào)通路對(duì)HUVEC遷移和血管形成能力的影響。
HUVEC(中國(guó)典型培養(yǎng)物保藏中心);RPMI 1640培養(yǎng)基(美國(guó)Gibco公司);Matrigel基質(zhì)膠(354234)、DAPT和JAG-1(美國(guó)BD Pharmingen公司);Trizol試劑(15596-018)(美國(guó)Invitrogen公司);M-MLV Reverse Transcriptase試劑盒(M1701)[普洛麥格(北京)生物技術(shù)有限公司];引物序列由生工生物工程(上海)股份有限公司設(shè)計(jì)合成;
SYBR Green Real-time PCR Master Mix(QPK-201)
(日本TOYOBO公司);Bradford蛋白濃度測(cè)定試劑盒(P0012S)購自上海碧云天生物技術(shù)有限公司;抗體(英國(guó)Abcam公司);超敏ECL 化學(xué)發(fā)光試劑盒(ECL-P-100)(上海炎熙生物科技有限公司);MTT試劑盒(HZB0375)(美國(guó)Sigma公司)。
(一)細(xì)胞處理
將HUVEC進(jìn)行常氧和低氧[200 μmol/L,二氯化鈷(CoCl2)]誘導(dǎo)。再將常氧和低氧處理的HUVEC應(yīng)用Notch1信號(hào)通路的抑制劑DAPT(30 μmol/L,24 h)和激活劑JAG-1(30 μmol/L,24 h)干預(yù)。DAPT和JAG-1 用0.1﹪的二甲基亞砜溶解,并配置成指定濃度。細(xì)胞處理流程見圖1。
(二)細(xì)胞培養(yǎng)
將HUVEC 在37℃、5﹪ CO2環(huán)境中培養(yǎng)。培養(yǎng)基為含有10﹪胎牛血清和終濃度為0.1﹪二甲基亞砜的RPMI 1640培養(yǎng)基,培養(yǎng)期間每周更換2次或3次。含有二氯化鈷(CoCl2,200 μmol/L)的培養(yǎng)基用于細(xì)胞的低氧誘導(dǎo)[6]。
(三)小管形成測(cè)定
使用300 μL Matrigel 基質(zhì)膠涂覆24孔板進(jìn)行鋪膠,然后在37℃靜置30 min。將HUVEC分別用30 μmol/L的DAPT或JAG-1處理24 h。然后將HUVEC(1×105/孔)接種到每個(gè)孔中,并在37℃下孵育24 h。然后應(yīng)用Image-Pro Plus 圖像分析軟件計(jì)算小管總長(zhǎng)并用Nikon 倒置相差顯微鏡拍攝照片(×100)。實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。
(四)RNA提取和RT-PCR
用Trizol試劑根據(jù)生產(chǎn)廠商的說明從HUVEC中提取總RNA。使用M-MLV Reverse Transcriptase試劑盒將總RNA(1 μg)反轉(zhuǎn)錄成cDNA。引物序列如表1所示。使用SYBR Green Real-time PCR Master Mix(QPK-201)在Mx3000pTM實(shí)時(shí)熒光定量PCR 儀上進(jìn)行RT-PCR。反應(yīng)體系為20 μL,其中包括1 μL引物、10 μL MixSYBR、1 μL cDNA和6 μL H2O。反應(yīng)條件如下:95℃ 5 min,95℃ 10 s,65℃ 30 s,72℃ 30 s,40個(gè)循環(huán)。GAPDH作為內(nèi)參基因。使用2-△△Ct方法進(jìn)行mRNA 相對(duì)表達(dá)量的計(jì)算。實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。
圖1 HUVEC細(xì)胞處理流程
表1 引物序列信息
(五)Western blot檢測(cè)
將收集的細(xì)胞在300 μL裂解緩沖液中置于冰上裂解30 min,并將裂解液以10 000 ×g在4℃下離心15 min。使用Bradford蛋白濃度測(cè)定試劑盒測(cè)定蛋白濃度,并將蛋白質(zhì)在100℃變性5 min。通過10﹪SDS-PAGE 分離蛋白質(zhì)(40 μg),然后在轉(zhuǎn)移緩沖液中于4℃轉(zhuǎn)移至PVDF膜2 h。洗滌后,將膜用5﹪脫脂乳在室溫下封閉60 min。然后將膜在4℃下與以下一抗孵育過夜:Notch1(ab194123,1:2 000)、Dell4(ab23673,1:1 500)、JAG-1(ab7771,1:2 000)、HIF-1α(ab51608,1:3 000)、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)(ab222510,1:1 000)、MMP-9(ab141579,1:3 000)和GAPDH(ab181602,1:2 000)。然后在室溫下將膜與二抗抗兔抗體(ab6721,1:3 000)孵育90 min。然后通過超敏ECL 化學(xué)發(fā)光試劑盒(ECL-P-100)進(jìn)行顯影。GAPDH作為內(nèi)部對(duì)照,將靶蛋白條帶的相對(duì)密度標(biāo)準(zhǔn)化為GAPDH并計(jì)算相對(duì)表達(dá)量。
(六)Transwell遷移實(shí)驗(yàn)
先將HUVEC分別用30μmol/L的DAPT或JAG-1處理24 h。再將Transwell 小室插入24孔板中,向Transwell小室中加入100 μL HUVEC(1×104/孔),置于37℃、5﹪ CO2的培養(yǎng)箱培養(yǎng)1 h。將上室培養(yǎng)基更換為含有1﹪FBS的條件培養(yǎng)基,下室更換為含有15﹪FBS的普通培養(yǎng)基。后置于37℃、5﹪CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)12 h。用棉簽刮去上室未遷移細(xì)胞,并將小室用多聚甲醛固定15 min,然后結(jié)晶紫染色15 min,顯微鏡下觀察遷移細(xì)胞并計(jì)數(shù)。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)6次取平均值。
(七)傷口愈合實(shí)驗(yàn)
細(xì)胞接種在6孔板中并用無菌100 μL 槍頭在細(xì)胞生長(zhǎng)中央?yún)^(qū)域劃線。再分別將10 μL DAPT(30 μmol/L)或JAG-1(30 μmol/L)加入培養(yǎng)基中,對(duì)照組細(xì)胞加入10 μL PBS。通過倒置相差顯微鏡在0 h和24 h 捕獲傷口圖像,使用Image J 軟件評(píng)估傷口面積。
(八)MTT法測(cè)定細(xì)胞增殖
使用MTT 測(cè)定法檢測(cè)細(xì)胞增殖,將HUVEC分別用30 μmol/L的DAPT或JAG-1處理24 h后,將細(xì)胞按每孔1×105接種到96孔板中,培養(yǎng)48 h后,分別向每個(gè)孔中加入20 μL 5 g/L的MTT 并孵育4 h。棄去上清液,每孔加入150 μL 二甲基亞砜并攪拌15 min。使用SpectraMax M5多功能酶標(biāo)儀檢測(cè)488 nm處的吸光度。
采用SPSS 18.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,小管總長(zhǎng)、HIF-1α、VEGF、MMP-9 mRNA和蛋白表達(dá)、Notch1、Dell4和JAG-1mRNA和蛋白表達(dá)、遷移細(xì)胞數(shù)、遷移距離、MTT法測(cè)定細(xì)胞增殖實(shí)驗(yàn)中488 nm處的OD值檢測(cè)結(jié)果均以表示。兩組間比較采用t檢驗(yàn),采用析因設(shè)計(jì)方差分析低氧和DAPT以及低氧和JAG-1對(duì)HUVEC遷移能力、距離、小管形成能力和細(xì)胞增殖的交互作用。以P<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
與常氧比較,低氧小管總長(zhǎng)(8.18±0.62)mm 比(15.43±1.32)mm 增高,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。常氧中的“管道樣”小管結(jié)構(gòu)較少且長(zhǎng)度較短,而低氧的細(xì)胞相互連接,“管道樣”結(jié)構(gòu)小管增多增長(zhǎng),血管腔完整性較好(圖2)。
與常氧比較,低氧的HIF-1α、VEGF和MMP-9的mRNA 相對(duì)表達(dá)量和蛋白相對(duì)表達(dá)量均升高,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05,表2,圖3)。
與常氧比較,低氧Notch1、Dell4和Jagged1的mRNA 相對(duì)表達(dá)量和蛋白相對(duì)表達(dá)量均升高,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05,圖4,表3)。
表2 HUVEC 中HIF-1α、VEGF和MMP-9的蛋白相對(duì)表達(dá)量(±s,n = 6)
表2 HUVEC 中HIF-1α、VEGF和MMP-9的蛋白相對(duì)表達(dá)量(±s,n = 6)
注:HIF-1α為低氧誘導(dǎo)因子-1α;VEGF為血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子;MMP-9為基質(zhì)金屬蛋白酶-9;n為實(shí)驗(yàn)重復(fù)次數(shù)
分組 HIF-1α mRNA VEGF mRNA MMP-9 mRNA HIF-1α蛋白 VEGF蛋白 MMP-9蛋白images/BZ_44_987_2879_988_2880.png常氧 1.01±0.03 1.02±0.03 0.98±0.04 1.01±0.03 0.99±0.02 1.02±0.04低氧 4.43±0.35 3.55±0.28 3.24±0.25 3.22±0.25 2.89±0.22 2.43±0.19 t 值 13.768 11.353 11.769 9.746 8.642 5.749 P值<0.001<0.001<0.001 0.002 0.009 0.019
圖2 倒置相差顯微鏡下觀察HUVEC細(xì)胞Matrigel 小管形成能力(×100)
圖3 Western blot檢測(cè)HUVEC 中HIF-1α、VEGF和MMP-9的蛋白表達(dá)
圖4 Western blot檢測(cè)HUVEC 中Notch1、Dell4和Jagged1的蛋白表達(dá)
(一)HUVEC的遷移細(xì)胞數(shù)
低氧提高HUVEC遷移細(xì)胞數(shù)(F= 138.754,P<0.001),而DAPT 降低HUVEC遷移細(xì)胞數(shù)(F= 409.246,P<0.001),低氧和DAPT 交互效應(yīng)差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F= 1.049,P= 0.336,表4)。低氧和JAG-1均提高HUVEC遷移細(xì)胞數(shù)(F= 263.776,P<0.001;F= 227.439,P<0.001),低氧和JAG-1 交互效應(yīng)具有協(xié)同作用(F= 43.215,P<0.001,表4)。Transwell遷移實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。
(二)HUVEC的遷移距離
低氧提高HUVEC遷移距離(F= 72.600,P<0.001),而DAPT降低HUVEC遷移距離(F= 123.267,P<0.001),低氧和DAPT交互效應(yīng)差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F= 0.067,P= 0.803,表5,圖5)。低氧和JAG-1均提高HUVEC遷移距離(F= 73.000,P<0.001;F= 200.562,P<0.001),低氧和JAG-1 交互效應(yīng)差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F= 0.342,P= 0.575,表5)。傷口愈合實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。
低氧提高HUVEC的小管總長(zhǎng)(F= 15.902,P= 0.004),而DAPT 降低HUVEC的小管總長(zhǎng)(F= 8.051,P= 0.022),低氧和DAPT 對(duì)小管形成能力的交互效應(yīng)差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F= 3.984,P= 0.081,表6)。低氧和JAG-1均提高HUVEC的小管總長(zhǎng)(F= 22.514,P= 0.001;F= 17.277,P= 0.003),低 氧和JAG-1的交互效應(yīng)具有協(xié)同作用(F= 7.348,P= 0.027,表6)。HUVEC的小管形成實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。
表3 HUVEC 中Notch1、Dell4和Jagged1的蛋白相對(duì)表達(dá)量(±s,n = 6)
表3 HUVEC 中Notch1、Dell4和Jagged1的蛋白相對(duì)表達(dá)量(±s,n = 6)
注:n為實(shí)驗(yàn)重復(fù)次數(shù)
分組 Notch1 mRNA Dell4 mRNA Jagged1mRNA Notch1蛋白 Dell4蛋白 Jagged1蛋白常氧 0.98±0.01 0.98±0.02 0.97±0.03 1.01±0.03 1.00±0.04 1.03±0.05低氧 3.13±0.24 2.67±0.21 2.45±0.19 2.44±0.19 2.30±0.18 2.27±0.18 t 值 11.146 7.647 7.112 4.793 4.520 4.438 P值<0.001 0.004 0.008 0.022 0.027 0.033
表4 低氧及DAPT、JAG-1對(duì)HUVEC遷移細(xì)胞數(shù)的影響(個(gè),x±s)
圖5 倒置相差顯微鏡下觀察HUVEC細(xì)胞Transwell遷移實(shí)驗(yàn)(結(jié)晶紫染色,×200)
表5 低氧及DAPT、JAG-1對(duì)HUVEC遷移距離的影響(mm,x±s)
圖6 倒置相差顯微鏡下觀察不同組0和24 h HUVEC細(xì)胞傷口愈合(×100)
低氧提高HUVEC的小細(xì)胞增殖(F= 54.914,P<0.001),而DAPT 降低HUVEC的細(xì)胞增殖(F= 78.229,P<0.001),低氧和DAPT 對(duì)細(xì)胞增殖的交互效應(yīng)差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F= 0.914,P= 0.367)。低氧和JAG-1均提高HUVEC的細(xì)胞增殖(F= 160.013,P<0.001;F= 98.299,P<0.001),低氧和JAG-1的交互效應(yīng)具有協(xié)同作用(F= 21.831,P= 0.002)。(表7)
表6 低氧及DAPT、JAG-1對(duì)HUVEC 小管總長(zhǎng)的影響(mm,x±s)
圖7 倒置相差顯微鏡下觀察HUVEC的小管形成(×100)
表7 低氧及DAPT、JAG-1對(duì)HUVEC細(xì)胞增殖的影響(488 nm OD,x±s)
血管系統(tǒng)的形成是影響人胎盤發(fā)育和功能的最早和最重要的事件之一,這是成功懷孕和胎兒生長(zhǎng)的先決條件。人胎盤血管網(wǎng)絡(luò)的建立是一個(gè)非常復(fù)雜的過程,血管發(fā)生和血管生成是血管系統(tǒng)發(fā)育的兩個(gè)重要過程,血管發(fā)生之后的血管生成過程涉及血管的出芽、內(nèi)填和延長(zhǎng)三個(gè)步驟[7]。氧分壓、氧化應(yīng)激、活性氧、炎癥因子等均可引起胎盤功能障礙,并且與血管生成因子和抗血管生成因子之間的不平衡密切相關(guān)[8]。越來越多的證據(jù)表明,人體胎盤的血管系統(tǒng)紊亂在先兆子癇、胎兒宮內(nèi)生長(zhǎng)受限、復(fù)發(fā)性自然流產(chǎn)、胎兒窘迫等妊娠疾病中發(fā)揮關(guān)鍵作用[9]。因此,理解胎盤血管發(fā)生和血管生成過程中涉及的機(jī)制對(duì)正常受孕和胎兒生長(zhǎng)具有重要意義。
胎盤的正常發(fā)育與胎盤血管生成密切相關(guān),而氧分壓是血管生成調(diào)節(jié)的關(guān)鍵因素。氧分壓異??赡軐?dǎo)致人胎盤中的各種血管生成異常,從而導(dǎo)致先兆子癇、流產(chǎn)、早產(chǎn)等病理性妊娠的發(fā)生[10]。在妊娠早期階段,由于子宮螺旋動(dòng)脈為閉塞狀態(tài)且胎盤循環(huán)尚未完全建立,因此此時(shí)的胎盤約在2﹪~8﹪ O2的低氧調(diào)節(jié)下發(fā)育[11]。據(jù)報(bào)道,低氧能夠促進(jìn)毛細(xì)血管的形成及內(nèi)皮細(xì)胞的遷移[12]。本研究通過測(cè)試HUVEC的體外小管形成來模擬低氧條件下HUVEC的血管生成能力。研究發(fā)現(xiàn)常氧條件下HUVEC形成“管道樣”小管結(jié)構(gòu)較少且長(zhǎng)度較短,而低氧條件可促進(jìn)“管道樣”結(jié)構(gòu)小管的生長(zhǎng)。此外,本研究通過Transwell遷移實(shí)驗(yàn)和傷口愈合實(shí)驗(yàn)評(píng)估了低氧對(duì)HUVEC的遷移能力的影響。研究發(fā)現(xiàn),低氧顯著提高了HUVEC的遷移能力。上述研究結(jié)果與前人報(bào)道一致,即一定程度的低氧可促進(jìn)胎盤血管生成及內(nèi)皮細(xì)胞遷移。
HIF-1α是細(xì)胞對(duì)低氧反應(yīng)的主要調(diào)控因子,HIF-1α 在人體內(nèi)廣泛存在[13]。低氧條件可導(dǎo)致HIF-1α 高表達(dá),并激活其下游低氧反應(yīng)基因來調(diào)節(jié)血管生成、細(xì)胞生成和凋亡等一系列生理過程[14]。據(jù)報(bào)道,HIF-1α 可調(diào)控編碼VEGF的基因轉(zhuǎn)錄,從而維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定[15]。低氧導(dǎo)致HIF-1α 上調(diào),然后HIF-1α 與VEGF 啟動(dòng)子中的低氧反應(yīng)元件結(jié)合并上調(diào)其表達(dá)水平,進(jìn)而增加血管的通透性并促進(jìn)血管形成[16]。VEGF是新血管生成中的重要信號(hào)蛋白,主要由由刺激血管生成的細(xì)胞產(chǎn)生。VEGF的激活可促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移、存活以及血管的滲透性[17]。并且,VEGF的活化與胎盤血管形成密切相關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn),低氧可上調(diào)絨毛膜滋養(yǎng)層細(xì)胞的VEGF 水平,而氧分壓過高則會(huì)抑制VEGF的表達(dá)[18]。本研究應(yīng)用RT-PCR和Western blot檢測(cè)了低氧處理對(duì)HUVEC 中HIF-1α、VEGF和MMP-9的mRNA和蛋白表達(dá)的影響。研究發(fā)現(xiàn)低氧處理均可顯著上調(diào)HUVEC 中HIF-1α和VEGF的mRNA和蛋白表達(dá)(P<0.05)。表明低氧誘導(dǎo)的HUVEC 血管生成可能通過上調(diào)HIF-1α和VEGF 來介導(dǎo)。
近年來,人們?cè)絹碓疥P(guān)注Notch信號(hào)傳導(dǎo)途徑在胎盤發(fā)育中的作用。Notch信號(hào)通路在進(jìn)化過程中高度保守,并且在細(xì)胞生長(zhǎng)過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。其他研究人員發(fā)現(xiàn)通過切除小鼠Notch1、Dell4或JAG-1 基因可導(dǎo)致血管嚴(yán)重紊亂和血管重塑障礙,從而引起胚胎死亡[19]。Notch信號(hào)成員在人胎盤中廣泛表達(dá),尤其是Notch1、JAG-1和Dll4。此外,Notch信號(hào)分子是VEGF的下游靶基因,VEGF可通過激活Notch信號(hào)通路來促進(jìn)新生血管形成。有研究報(bào)道,在小鼠胚胎模型中注射VEGF的激活劑可上調(diào)VFGF的表達(dá),進(jìn)而誘導(dǎo)Notch信號(hào)通路相關(guān)因子的活化并促進(jìn)血管生成[20]。本研究應(yīng)用RT-PCR和Western blot檢測(cè)了低氧處理對(duì)HUVEC中Notch1信號(hào)分子的mRNA和蛋白表達(dá)的影響。研究顯示低氧處理均可顯著上調(diào)HUVEC 中Notch1、Dell4和Jagged1的mRNA和蛋白表達(dá)(P<0.05)。表明低氧可通過上調(diào)VEGF的表達(dá)進(jìn)而激活Notch信號(hào)通路來促進(jìn)胎盤血管生成。
各種研究表明,γ-分泌酶抑制劑(GSIs)如DAPT 可以有效阻斷Notch 受體的切割和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),相反,作為JAG-1的可溶性肽片段,JAG-1 可用于激活Notch信號(hào)傳導(dǎo)途徑[21]。為了進(jìn)一步驗(yàn)證Notch信號(hào)通路在HUVEC 血管生成中的作用,本研究分別應(yīng)用Notch1信號(hào)通路的抑制劑(DAPT)和激活劑(JAG-1)來處理HUVEC。研究發(fā)現(xiàn)DAPT處理顯著抑制了低氧誘導(dǎo)的HUVEC的小管形成、遷移和增殖能力,而JAG-1處理則進(jìn)一步提高了HUVEC的小管形成、遷移和增殖能力(P<0.05)。進(jìn)一步證實(shí)了低氧通過激活Notch1信號(hào)通路來促進(jìn)胎盤血管生成。此外,基質(zhì)金屬蛋白酶-9(MMP-9)在細(xì)胞的生長(zhǎng)和血管生成中發(fā)揮重要作用,MMP-9 不僅參與腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移,而且與胎盤血管生成和內(nèi)皮細(xì)胞遷移有關(guān)[22]。本研究發(fā)現(xiàn)低氧處理顯著上調(diào)HUVEC 中MMP-9的mRNA和蛋白表達(dá)(P<0.05)。提示低氧對(duì)HUVEC的遷移能力的促進(jìn)作用可能通過MMP-9 介導(dǎo)。
綜上所述,本研究表明低氧可通過激活HIF-1α/VEGF/Notch1信號(hào)通路顯著提高HUVEC的血管生成能力、遷移能力和增殖能力,從而促進(jìn)胎盤血管生成。
中華細(xì)胞與干細(xì)胞雜志(電子版)2020年3期