FoxO1p38 MAPK信号通路在LPS致急性肺损伤

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网络出版时间:2022-12-0915:40:08 网络出版地址:https://kns.cnki.net/kcms/detail//34.1086.R.20221209.1427.009.html
FoxO1/p38MAPK信号通路在LPS致急性肺损伤中的作用研究
杨亚丽1,2,3,田 荣1,袁 茵1,王艳佳1,杨晓玲1
,2,3
(1.宁夏医科大学基础医学院;2.国家卫生健康委员会代谢性心血管疾病研究重点实验室;
3.宁夏血管损伤与修复研究重点实验室,宁夏银川 750004)
收稿日期:2022-08-23,修回日期:2022-11-26
基金项目:国家自然科学基金资助项目(No81960063);宁夏科技创
新领才项目(
NoKJT2016009);宁夏自然科学基金资助项目(
No2021AAC02012);宁夏回族自治区一般项目(No2021BEA03091)
作者简介:杨亚丽(1993-),女,硕士生,研究方向:心血管病理生
理,
E mail:735450961@qq.com;杨晓玲(1974-),女,博士,教授,博士生导师,研究方向:心血管病理生理,通信作者,
E mail:yangwj04@126.comdoi:10.12360/CPB202109073
文献标志码:A文章编号:1001-1978(2023)01-0036-07中国图书分类号:R 332;R322 35;R345 57;R394 2;R563 8;R977 3
摘要:目的 探讨叉头状转录因子O1(forkheadtranscriptionfactorsofOclass1,FoxO1)在脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)致急性肺损伤(acutelunginjury,ALI)中的作用及其调控机制。方法 采用LPS模拟诱导ALI模型。HE染色法观察肺组织的病理变化;
ELISA法检测肺组织中肿瘤坏死因子α(TNF α
)和白细胞介素6(IL 6)的含量;免疫组化染色观察FoxO1在小鼠肺组织的表达;Westernblot检测FoxO1、DNA甲基转移酶和p38MAPK的磷酸化水平;qRT PCR检测FoxO1、IL 6、TNF α和DNA甲基转移酶的mRNA水平;巢式甲基化特异性P
CR(nMS PCR)检测肺组织中FoxO1启动子区DNA甲基化的水平变化;培养肺血管内皮细胞(pulmonaryvascularendothelialcells,PVECs)并转染FoxO1siRNA,West ernblot检测p38MAPK的磷酸化水平;采用Pearson方法分析FoxO1甲基化水平与炎症因子的相关性。结果 与Con trol组相比,LPS组小鼠肺泡炎性细胞明显增多,肺组织水肿、充血明显;TNF α和IL 6的水平分别升高52 2%和150 4%(P<0 05);p38MAPK磷酸化水平及FoxO1表达分别增加1
34 1%和61 8%(P<0 05),而FoxO1启动子区DNA甲基化水平降低17 2%(P<0 05),体外转染FoxO1siRNA后,p38磷酸化水平降低,Pearson分析显示,FoxO1甲基化水平与炎症因子成负相关。结论 FoxO1启动子区低甲基化调控FoxO1/p38MAPK信号通路是LPS诱导急性肺损伤的重要机制。
关键词:FoxO1;LPS;急性肺损伤;DNA甲基化;p38MAPK信号通路;肺血管内皮细胞
开放科学(资源服务)标识码(OSID):
  急性肺损伤(acutelunginjury,ALI)是呼吸系统一种严重的疾病,其死亡率高,发病率约为30%
~40%[1]
。越来越多的证据表明,过度炎症反应在ALI的发病中起关键作用[2-3]。作为革兰阴性细菌
细胞壁主要成分的脂多糖(
lipopolysaccharide,LPS),体内外实验均表明,LPS诱导ALI是一种被
广泛接受的细菌性脓毒症动物模型[
初一文言文4]
。FoxO1作为Fox转录家族的主要成员之一,可以调节多种基因的表达,参与细胞分化、氧化应激、炎症反应、脂代谢
等病理过程,并参与ALI疾病发生[5-6]
。丝裂原活
化蛋白激酶(mitogenactivatedproteinkinases,MAPKs)信号通路是细胞内调控炎症产生的主要信
号转导通路,与LPS诱发的ALI有密切关系[7],p38
MAPK通过磷酸化被激活后,调控下游转录因子,促进IL 1、TNF α等细胞因子的分泌,
服务感想简短一点诱导一系列炎症反应[7]。因此,本研究通过LPS复制ALI体内外模
型,探讨FoxO1DNA甲基化及FoxO1/p38MAPK信号通路在ALI中的作用及意义。1 材料与方法1.1 材料 
1.1.1 实验动物 20只SPF级CBS+/+♂小鼠饲
养于宁夏医科大学实验动物中心标准屏障环境内,通风良好,期间自由活动和饮食,饲养8周后,体质量约25g,实验动物合格证号:SCXK(京)2016 0006,根据实验安排和需要,对小
鼠进行处理。1.1.2 主要试剂 LPS购自美国Sigma公司;小鼠肿瘤坏死因子 α(TNF α)、白介素 6(IL 6)ELISA检测试剂盒购自武汉江莱生物科技股份有限公司;RI PA裂解液检测试剂盒购自碧云天生物技术公司;苏木精-伊红(HE)染色液购自武汉塞维尔生物科技有限公司;蛋白提取试剂盒、蛋白定量试剂盒均为南京凯基,DNA、RNA提取试剂盒均为天根公司产品,逆转录试剂盒和荧光定量PCR试剂盒为北京TaKa Ra公司;甲基化检测试剂盒为美国ZYMORE SEARCH公司;FoxO1单克隆抗体购自Abmart;DAB显色液、山羊抗兔IgG HRP购自中杉金桥;引物由上海生工生物股份有限公司设计并合成。
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3·中国药理学通报 ChinesePharmacologicalBulletin 2023Jan;39(1):36~42
职工小家建设方案1.1.3 仪器 超净工作台(苏州,安泰);CO
培养
箱(德国,Heraeus);5415D型微量台式离心机(德国,Eppendorf);BS
110S型精密天平(德国,Sartori us);荧光定量PCR仪(美国,Bio Rad);垂直电泳仪、凝胶成像仪和Mod el680全自动酶标仪(美国,Bio Rad),酶标仪(美国Bio TEK),普通PCR仪和qRT PCR仪(德国,耶拿)。
1.2 方法 
1.2.1 动物分组 选取20只8周龄25g左右的SPF级CBS+/+小鼠,随机分为LPS组和Control组,每组10只,饲喂普通饮食,参考文献说明[8],术前将LPS溶解于无菌生理盐水中,小鼠禁食12h后,LPS组根据5mg·kg-1的剂量给予LPS腹腔注射,Con trol组给予等量的生理盐水腹腔注射。造模成功6h后麻醉处理动物获取肺组织。本研究严格按照《实验动物管理条例》进行实验。
1.2.2 细胞培养 PVEC使用含10%胎牛血清及1%的青链霉素的DMEM培养液,置于37℃、5%
CO
的恒温培养箱中常规培养,隔日换液,根据细胞生长状态,传至2~3代可用于后续实验。1.2.
3 细胞分组及转染 实验组:PVEC转染si FoxO1组;阴性对照组(negativecontrol,si NC):转染对基因无影响的空载RNA;空白对照组(con trol):加入等体积的完全培养基组。将处于指数生长期的细胞消化后细胞计数,等量接种于6孔板,待细胞生长到肉眼观60%~70%密度时进行转染。依据Lipofectamine2000Reagent和si FoxO1的说明书对各组细胞进行细胞转染实验,培养6h后,换正常的培养基,48h后进行后续实验。
1.2.4 HE染色 处死小鼠后,取左肺上叶组织置于4%的多聚甲醛固定24h,进行常规脱水、石蜡包埋、切片,按标准操作进行HE染色,光学显微镜下观察肺组织的病理学变化。
1.2.5 免疫组化染色 使用上述的方法制备的石蜡切片,经常规脱蜡水化,于0 01mol·L-1柠檬酸盐溶液高温加热进行抗原修复2min后,每张切片滴入0 3%过氧化氢以阻断内源性过氧化物酶的活性。经置室温冷却后,滴入10%山羊血清37℃封闭30min,以减少非特异性染色。滴加抗FoxO1(1∶200)单克隆抗体在湿盒中4℃孵育过夜,次日滴加生物素标记的二抗,室温孵育1h,加入DAB显色,再使用苏木精染色液对切片进行复染,常规脱水中性树脂封片,置于显微镜下观察并拍照。1.2.6 肺组织炎症因子的检测 各组小鼠处死后迅速取肺组织,称取约50mg加入450μLPBS,匀浆器充分研磨组织直至完全裂解,12000×g离心10min,取上清,按照ELISA说明书,检测肺组织中IL 6和TNF α的含量。
1.2.7 Westernblot检测FoxO1、DNA甲基转移酶和p38MAPK的蛋白表达 称取Control组及LPS组肺组织各0 6g,用预冷的PBS冲洗组织2次,加入细胞裂解液,使用匀浆机将其破碎,在4℃摇床裂解组织2h,离心机4℃,12000×g离心5min,提取上清液,即得总蛋白,采用BCA法测定各组蛋白含量,按每孔30μg蛋白经煮沸8min后,开始10%SDS PAGE凝胶电泳,随后将蛋白质湿转到PVDF膜上。用5%脱脂奶粉室温封闭2h。加入一抗(1∶1000)孵育,4℃摇床过夜,次日PBST洗膜,10min,洗3次,然后使用含HRP 二抗室温孵育2h,PBST洗膜3次后将PVDF膜放入凝胶成像仪内,膜上滴ECL发光液,A液∶B液=1∶1,曝光,以β ac tin为内参,ImageLab图像分析软件分析各组蛋白的相对表达。
1.2.8 qRT PCR检测FoxO1和DNA甲基转移酶的mRNA水平 称取各组组织约0 6g,使用匀浆机将其破碎,加1mLTRIzolRNA提取试剂,提取总RNA,测定样品纯度(A
260
/A
280
=1 80~2 0)与浓度后将mRNA逆转录为cDNA。将得到的cDNA按照BestarSybrGreenqPCRMasterMix10μL、上游引物0 8μL、下游引物0 8μL、cDNA2μL、ROX0 4μL,灭菌蒸馏水6 0μL,配成20μL的PCR扩增体系。在NCBI查询各基因的CDS,用Premier6 0软件设计引物。引物序列见Tab1。扩增条件如下:95℃预变性2min,95℃变性10s,57℃退火30s,72℃延伸30s,40个循环,以GAPDH作为内参,目的基因的相对表达用2-ΔΔCT法分析。
Tab1 PrimersinvolvedinrealtimePCR
GeneTheprimersequence(5′ 3′)Prodsize(bp)FoxO1F:GCCCCTGACACAATGGTCC107
R:GTCTGGCCGGTGTACTCTG
DNMT1F:GGGTCTTTGTGGCTGGGTCAAG130
R:AAGCAGCAGAGCAGAGCCTTTG
DNMT3AF:GATGAGCCTGAGTATGAGGATGG101
R:CAAGACACAATTCGGCCTGG
DNMT3BF:CGTTAATGGGAACTTCAGTGACC169
R:CTGCGTGTAATTCAGAAGGCT
GAPDHF:AGGTCGGTGTGAACGGATTTG95
R:GGGGTCGTTGATGGCAACA
1.2.9 nMS PCR检测FoxO1启动子区DNA甲基化水平 按DNA提取试剂盒说明书提取各组细胞
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中国药理学通报 ChinesePharmacologicalBulletin 2023Jan;39(1)
全基因组DNA,亚硫酸盐修饰法对全基因组DNA进行甲基化修饰。nMS PCR法检测FoxO1启动子区DNA甲基化程度的改变。针对FoxO1启动子区,在线(http://www.urogene.org/cgi bin/methprimer/methprimer.cgi)设计一对外引物及两对内引物(外引物:上游:5′ TTTGTAGGTGTGTATAGGTAGGGTG 3′,下游:5′ AATACTCCAAACAAAACCCAAAC 3′;甲基化内引物:上游:5′ TAGAAAAGCGGTTTTTAT AGAAGAC 3′,下游:5′ TACCTATACACACCTA CAAAACGAA 3′;非甲基化内引物:上游:5′ TGG TAGAAAAGTGGTTTTTATAGAAGAT 3′,下游:5′ CCCTACCTATACACACCTACAAAACA 3′)。反应体系:MIX12 5μL、H
O7μL、上下游引物各1μL、已修饰的DNA模板3 5μL,共25μL。外引物扩增的反应条件为:95℃2min;95℃20s,60℃30s,72℃30s,20个循环,每个循环降0 5℃至50℃,72℃2min。以外引物的PCR产物为模板,进行内外引物的扩增,反应条件同外引物。随后,取10μLPCR产物于2%的琼脂糖凝胶上电泳,用凝胶成像分析仪成像并分析甲基化条带及甲基化条带的光密度,按如下公式进行计算:甲基化/%=甲基化OD值/(甲基化OD值+非甲基化OD值)×100%。1.3 统计学方法 采用prime6 0软件进行统计学分析
整理,实验数据均为计量资料采用珋x±s表示,两样本均数间比较采用Student′st检验,多样本均数间比较采用One wayANOVA检验。
形容思想的成语2 结果
2.1 肺组织的形态学变化 正常肺脏组织壁薄,无结缔组织增生、增厚;各级支气管结构完整清晰,染色较为均匀,未见明显变性坏死(Fig1A);LPS组小鼠肺泡结构被破坏,肺泡壁溶解断裂,局部肺泡腔狭窄甚至消失,肺泡壁、肺泡腔或间质炎细胞大量浸润(Fig1B)
恶露颜色
Fig1 Lungpathologicalchangesofmiceineachgroup(200×)A:HEstainingoflungtissuesections;B:LPS(5mg·L-1)
2.2 各组小鼠IL 6和TNF α的表达 与Control相比,LPS组小鼠肺组织IL 6和TNF α浓度及mR NA水平均明显升高,其中ELISA结果显示,IL 6和TNF α浓度分别升高了38 9%和52 5%(Fig2A,P<0 05),qRT PCR结果显示,IL 6和TNF α的mR NA水平分别升高了144 5%和246 9%(Fig2B,P<0 01),
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且差异有统计学意义。
Fig2 ExpressionofinflammatorycytokinesIL 6
andTNF α(珋x±s,n=6)
  A:IL 6andTNF αconcentrationsweredetectedbyELISA.B:ThemRNAlevelsofIL 6andTNF αweredetectedbyqRT PCR. P<0 05,  P<0 01vsControlgroup.
2.3 肺组织中FoxO1的表达变化 肺组织免疫组化分析显示:与Control组比较,LPS组FoxO1的表达高于正常肺组织的表达(Fig3A);qRT PCR和Westernblot分别检测肺组织中FoxO1mRNA及蛋白的表达水平,结果显示:与Control组比较,LPS组FoxO1的mRNA和蛋白表达分别增加了134 9%和61 8%(Fig3B和C),且差异有统计学意义(P<0 01)。
2.4 FoxO1DNA甲基化水平改变 利用生物信息学软件分析预测FoxO1启动子区结构,在启动子上游-1226~-1352和-1414~-1796bp的位置存在两个CpG岛(Fig4A)。利用nMSP检测FoxO1启动子区的改变,结果显示,与对照组相比,LPS组FoxO1启动子区甲基化水平降低了17 2%(Fig4B,P<0 05)。
  DNA甲基转移酶是维持DNA甲基化修饰的酶,主要包括DNMT1、DNMT3A和DNMT3B,qRT PCR及Westernblot分别检测了DNMT1、DNMT3A、DNMT3B的表达,结果显示,LPS组小鼠肺组织DN
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玛雅遗址
·中国药理学通报 ChinesePharmacologicalBulletin 2023Jan;39(1)
MT3A和DNMT1的mRNA水平分别降低了149 1%和59 8%(P<0 05,P<0 01),DNMT3B变化差异无统计学意义(P>0 05,Fig4C);DNMT3A和DNMT3B的蛋白水平分别降低了142 1%和37 7%(P<0 05,P<0 01),DNMT1的变化无统计学意义(P>0 05,Fig4D),综合以上数据,说明FoxO1启动子区发生甲基化主要受到DNMT3A的
调控,从而参与LPS导致的肺损伤过程。
2.5 FoxO1甲基化水平与炎症的相关性分析 Pearson相关性分析结果显示,FoxO1甲基化水平与
小鼠肺组织IL 6及TNF α浓度呈负相关(r2
=-0 5218
,r2
=-0 7882)(Fig5A,B,P<0 05,P<0 01),该相关性分析表明,小鼠肺组织炎症因子的产生与FoxO1启动子区DNA
甲基化水平相关。
Fig3 ExpressionofFoxO1inlungtissuesofmice(珋x±s,n=6)
  A:TheexpressionofFoxO1inlungtissueswasdetectedbyimmunohistochemistry(400×,bar=50μm;brownisFoxO1expression);B,C:TheexpressionlevelofFoxO1mRNAandproteinweredetectedbyqRT PCRandWesternblot.  P<0 01vsControlgroup
Fig4 ExpressionofDNAmethyltransferaseinlungtissues(珋x±s,n=6)
  A:CpGislandsinFoxO1promoterregionwerepredictedforbioinformaticsanalysis;B:ThemethylationlevelofFoxO1genewasdetectedbyagarosegelelectrophoresis.(Mismethylation;Uisnon methylation).C,D:ThemRNAandproteinexpressionsofDNMT1,DNMT3AandDNMT3Bweredetec
tedbyqRT PCRandWesternblot. P<0 05,
P<0 01vsControlgroup.
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93·中国药理学通报 ChinesePharmacologicalBulletin 2023Jan;39(1)
Fig5 AnalysisofcorrelationbetweenFoxO1
methylationlevelandinflammation
  A:CorrelationanalysisbetweenIL 6inlungtissuesandFoxO1methylationlevel;B:CorrelationanalysisbetweenTNF αinlungtissuesandFoxO1methylationlevel.
风险投资家2.6 p38MAPK的磷酸化水平 与Control对照比较,LPS组肺组织p38MAPK蛋白表达无差异(P>0 05),而p38MAPK磷酸化水平明显增加,升高了134 1%(P<0 01),见Fig6
Fig6 Thephosphorylationlevelofp38MAPK(珋x±s,n=6)
  Thephosphorylationlevelofp38MAPKinlungtissueswasdetectedbyWesternblot.  P<0 01vsControlgroup.2.7 干扰FoxO1后p38MAPK的表达变化 为了进一步探讨FoxO1在肺损伤中的机制,构建FoxO1干扰片段并转染至PVEC48h,qRT PCR结果显示,在引起FoxO1表达下调的3个干扰片段中,FoxO1 siRNA 1803(si FoxO1)敲低效果最佳,可用于后续试验(Fig7A)。Westernblot验证其干扰效率,结果显示,FoxO1干扰片段筛选成功(Fig7B);为证明FoxO1在LPS诱导的肺损伤中调控作用,
在LPS干预PVEC情况下转染si FoxO1,Westernblot检测p38MAPK的磷酸化变化。结果显示,与LPS+si NC组相比,LPS+si FoxO1组p38MAPK蛋白磷酸化水平明显降低(Fig7C),以上结果说明,FoxO1可以调控p38MAPK的磷酸化水平。
3 讨论
  脂多糖是革兰阴性菌细胞壁的主要活性成分,可诱导炎症反应的过度激活,现已被广泛应用于诱导ALI模型[9-10]。我们的实验给予小鼠腹腔注射LPS诱导构建了急性肺损伤小鼠模型,肺损伤小鼠模型中病理学表现为肺泡结构损伤,肺间质充血水肿、大量炎性细胞浸润,肺组织匀浆液TNF α和IL 6含量也明显高于对照组,说明我们成功构建了急性肺损伤小鼠模型。
  FoxO1作为人体最重要的转录因子之一,在多种细胞类型中广泛表达,可通过转录和翻译,调节细胞氧化应激反应、炎症及增殖等多种病理生理过程[11]。FoxO1自身的转录后修饰调节FoxO1的功能奠定了它在代谢、免疫等方面研究中的重要地位[12]。Artham等[13]发现,Akt1/FoxO1/stromelysin1通路参与了LPS诱导的ALI的发病机制中,而抑制FoxO1的表达后,可逆转脂多糖诱导的急性肺损伤。本研究结果显示:在LPS诱导的肺损伤模型中,FoxO1表达明显增加,表明FoxO1参与了肺损伤的过程,但其具体机制有待进一步研究。
  DNA甲基化作为真核生物最常见的表观遗传修饰方式之一,目前,FoxO1DNA甲基化作为一种调控机制日益成为人们研究的热点,课题组前期发现,FoxO1启动子区的低甲基化造成FoxO1的表达增加,在Hcy诱导的肝细胞内质网应激未折叠蛋白反应中发挥重要作用[14],但是,关于FoxO1基因DNA异常甲基化与肺损伤的相关性研究尚属于全新的领域,其具体作用尚不明确。我们通过生物信息学分析发现,FoxO1启动子区存在两个CpG岛,提示FoxO1的表达可能受甲基化调控。进一步用MSP检测FoxO1启动子区甲基化,结果显示,LPS组肺组织FoxO1启动子区甲基化水平明显降低,与其
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