文章信息
- 宋琪玲, 施琼, 陈楚, 唐祖川, 刘红霞, 周一青, 张汝益, 严树涓, 翁亚光
- SONG Qi-ling, SHI Qiong, CHEN Chu, TANG Zu-chuan, LIU Hong-xia, ZHOU Yi-qing, ZHANG Ru-yi, YAN Shu-juan, WENG Ya-guang
- MiR-21协同BMP9促进间充质干细胞C3H10T1/2成骨分化
- MiR-21 Synergizes with BMP9 in Osteogenic Differentiation During Mesenchymal Stem Cells Line C3H10T1/2
- 中国生物工程杂志, 2016, 36(2): 22-29
- China Biotechnology, 2016, 36(2): 22-29
- http://dx.doi.org/10.13523/j.cb.20160204
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文章历史
- 收稿日期: 2015-07-27
- 修回日期: 2015-08-31
近年来较多研究表明,microRNA(miRNA)通过转录后调节其靶基因表达来调节干细胞分化能力[1]。MiR-21在干细胞分化中的作用也得到初步阐述。通过调节TGF-β信号通路,miR-21可以促进间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)成脂分化[2]。在成骨分化过程中,miR-21可以靶向调节Spry1,Spry2,通过Erk-MAPK信号通路来促进间充质干细胞成骨分化 [3, 4, 5]。因此,miR-21在间充质干细胞成骨分化过程中发挥着重要作用。
BMP9(bone morphogenetic proteins,BMP9)属于TGF-β超家族成员,是目前已知具最强成骨能力的骨形态发生蛋白 [6, 7, 8, 9]。BMP9主要通过经典的Smad信号通路和非经典的MAPK信号通路促进间充质干细胞成骨分化[10]。但是microRNA参与BMP9调控间充质干细胞成骨分化鲜有报道[11],miR-21参与BMP9调控间充质干细胞成骨分化目前还未见报道。更有意义的是,BMP/Smad信号通路中重要的Smad蛋白可以通过影响Drosha蛋白中P68的组装来影响成熟miR-21的表达[12]。因此,BMP9与miR-21的关系,miR-21是否参与BMP9诱导间充质干细胞成骨分化,miR-21是否影响BMP9/Smad经典信号通路是本文探讨的重点。这为临床治疗骨缺损疾病提供了一定的理论依据。
1 材料与方法 1.1 细胞及重组腺病毒小鼠C3H10T1/2 细胞和人结肠癌细胞株HCT116购于ATCC公司;重组腺病毒Ad-GFP、Ad-BMP9(同时表达GFP)由本实验室前期构建保存。本实验所用的腺病毒是由穿梭质粒和骨架质粒一起在HEK-293细胞中包装而成,Ad-BMP9这一腺病毒的穿梭质粒pAdTRACK上插入了BMP9的CDS区,而pAdTRACK这个载体前期掺入了一个表达GFP标记的独立表达框以便于评估腺病毒的转导效率。因此,当细胞感染Ad-BMP9时,我们可以用荧光显微镜观察绿色荧光来了解病毒的感染情况[13]。
1.2 miR-21模拟物及其阴性对照物MiR-21模拟物(miR-21)及其阴性对照物(NC)购于上海吉玛制药技术有限公司,序列信息见表 1。
Mimic name | Mimic sequence(5′~3′) |
mmu-miR-21 mimic(miR-21) | UAGCUUAUCAGACUGAUGUUGA |
mimics NC(NC) | UUGUACUACACAAAAGUACUG |
DMEM培养基和胎牛血清购于Hyclone公司;链霉素、青霉素、茜素红S染料、维生素C和β-磷酸甘油购于Sigma公司;转染试剂EntransterTM-R4000购于北京英格恩生物科技有限公司;碱性磷酸酶(ALP)定量及活性试剂盒购于BD公司;RNA提取试剂Trizol购于Invitrogen公司;M-MLV逆转录酶,RT-PCR、Real-time PCR试剂盒购于TaKaRa公司;PCR引物由上海百力格公司合成。P-smad1/5抗体购于Cell Signaling公司。Smad1/5/8抗体购于Santa Cruz公司。β-actin抗体和二抗购于北京中杉金桥生物技术有限公司。其他试剂均为进口分装或国产分析纯。
1.4 方 法 1.4.1 细胞培养C3H10T1/2细胞和HCT116细胞培养于含有10%胎牛血清的DMEM高糖培养基中,其中含有100U/ml青霉素和100μg/ml链霉素,在37℃、5%CO2的饱和湿度培养箱中培养。
1.4.2 条件培养基的制备接种HCT116细胞于60mm细胞培养皿中,细胞融合度达到60%~70%时加入适当滴度Ad-BMP9,6h后更换为无血清无双抗的DMEM高糖培养基培养,分别在24h、48h收集培养基并离心,4℃保存,以BMP9-CM作为标记,一周内用完。
1.4.3 ALP染色及活性测定将C3H10T1/2细胞种入24孔板后,待细胞密度达到70%时加入不同的处理因素,培养C3H10T1/2细胞7d后,根据试剂盒说明书进行ALP活性测定。弃去培养基后加入0.1g/L色酚AS-MX(NaphtholAS-MX)碱性磷酸酶溶液和0.6 g/L 固牢蓝(Fast Blue RR Salt)混合液200μl进行ALP染色,避光30min后观察染色结果 。
1.4.4 茜素红S染色测定细胞钙盐沉积C3H10T1/2细胞接种于24孔板,细胞融合度达到70%时加入不同的处理因素,6h后换液,同时加入工作浓度50μg/ml维生素C、10mmol/L的β-磷酸甘油,继续培养14d进行茜素红S染色:弃去孔板中的培养基,PBS洗3次后用0.05%戊二醛固定10 min,去离子水洗3次后加入0.4%茜素红S,染色5min,弃染液,去离子水终止反应并洗涤,显微镜下观察、成像。
1.4.5 PCR六孔板培养C3H10T1/2细胞,细胞覆盖达到70%时加不同的处理因素,分别在适当时间点提取RNA,逆转录成cDNA进行RT-PCR(β-actin为内参)或Real-time PCR(microRNA检测U6为内参,一般基因检测β-actin为内参)。Real-time PCR数据分析采用比较CT法(ΔΔCT),目的基因相对表达量=2-[(CT处理-CT内参)-(CT对照-CT内参)],所有数值取三次重复的平均值。所用引物序列见表 2。
Gene | Forward primer(5′to 3′) | Reverse primer(5′to 3′) |
miR-21 | TGGCGTAGCTTATCAGACTGA | GTGCAGGGTCCGAGGT |
U6 | CTCGCTTCGGCAGCACATATACT | ACGCTTCACGAATTTGCGTGTC |
β-actin | TGTTACCAACTGGGACGACA | GGGGTGTTGAAGGTCTCAAA |
BMP9 | GTACGCCTCCAACA | GTCCTCCAGAACATCATAAACG |
OCN | TCTGACAAAGCCTTCATGTCC | AAATAGTGATACCGTAGATGCG |
ALP | CCCCATGTGATGGCGTAT | CGGTAGGGAGAGCACAGC |
细胞经不同处理因素处理后,用RIPA裂解液于冰上,离心取上清,BCA法检测上清总蛋白浓度,上清液加入适量load buffer煮沸10min,经过SDS-PAGE、转膜、封闭、孵一抗、洗膜、孵二抗、洗膜显影后,最后成像保存。
1.5 统计学分析数据采用均数±标准差(x±s)表示,组间比较采用单因素方差分析,两组间比较采用t检验,统计所用软件为SPSS17.0,P<0.5认为差异有统计学意义。
2 结 果 2.1 miR-21在BMP9诱导间充质干细胞C3H10T1/2的成骨分化中内源性表达暂时性降低运用Ad-BMP9和Ad-GFP感染C3H10T1/2细胞5d(图 1a)。在Ad-BMP9组,ALP表达明显高于对照组(图 1b、1d),表明Ad-BMP9诱导成骨分化成功。同时,在Ad-BMP9组,miR-21表达明显低于对照组(P<0.01)(图 1c)。以上结果表明,在BMP9诱导C3H10T1/2的成骨分化的第5d,miR-21内源性表达暂时性降低。
2.2 在间充质干细胞C3H10T1/2中,过表达miR-21使得BMP9内源性表达降低用miR-21寡核苷酸模拟物转染C3H10T1/2细胞24h,miR-21表达明显升高(图 2a)。在第1d和第5d检测BMP9的表达,过表达miR-21时,BMP9表达较对照组明显下降(图 2b,图 2c)。miR-21可以暂时降低BMP9的内源性表达。
2.3 miR-21促进了BMP9诱导的C3H10T1/2细胞早期成骨分化过表达miR-21后,再联用BMP9-CM处理C3H10T1/2细胞7天后,与对照组相比,ALP染色明显增强(图 3a,图 3b),ALP活性升高(图 3c)。
2.4 miR-21促进了BMP9诱导的C3H10T1/2细胞晚期成骨分化过表达miR-21后,BMP9-CM处理C3H10T1/2细胞14d,钙盐沉积较对照组明显增加(图 4a,图 4b)。
2.5 miR-21促进了BMP9诱导的成骨相关因子的表达过表达miR-21后(图 5a),联合BMP9-CM处理C3H10T1/2细胞5d,成骨相关因子ALP和OCN mRNA表达水平增高,单独高表达miR-21不能使ALP,OCN mRNA表达升高(图 5b)。
2.6 miR-21对BMP9/Smad信号通路的影响过表达miR-21,联用BMP9-CM处理C3H10T1/2细胞,p-Smad1/5表达升高(图 6a,图 6c)。单独高表达miR-21不能使p-Smad1/5表达升高(图 6b,图 6d)。
3 讨 论骨缺损疾病,是以骨量下降、骨组织微结构退变为特征的一大类骨疾病,包括骨创伤、代谢性骨疾病、退化性骨疾病[9]。增加骨量,恢复骨组织微结构是治疗骨缺损疾病的关键。大量研究表明,BMP9是目前已知骨形态发生蛋白家族BMP2-BMP15中成骨能力最强者[6, 7, 8, 9]。BMP9是通过激活下游一系列信号分子发挥生物学效应,这些信号分子包括microRNAs。尽管已知BMP9具有极强成骨能力,但microRNA参与BMP9调控间充质干细胞成骨分化过程目前鲜有报道。最近研究表明,miR-21可以靶向DOCK家族调节成脂干细胞成脂分化[2]。MiR-21也可以通过靶向于Spry1,Spry2来激活MAPK-ERK信号通路,从而促进间充质干细胞成骨分化[3, 4]。这提示我们miR-21具有调节间充质干细胞分化的能力。结合以上两点,本课题重点阐述了miR-21与BMP9的相互关系,miR-21在BMP9诱导间充质干细胞C3H10T1/2细胞成骨分化中的作用,以及这一作用是否通过BMP9/Smad信号通路来实现。
BMP9可以暂时性降低miR-21的表达,miR-21也可以暂时性降低BMP9mRNA水平。这一结果说明BMP9与miR-21存在相互调控关系。而两者的相互调控可能对于维持骨形成平衡,防止过度成骨有着重要作用。为了更加明确两者之间的上下游关系,需要从浓度梯度和时间梯度两方面进行探讨miR-21与BMP9的调控关系[14]。 MiR-21协同BMP9增强了间充质干细胞C3H10T1/2细胞ALP以及钙盐沉积。同时,miR-21可以协同BMP9促进成骨分化相关因子ALP、OCN的表达。提示miR-21促进了BMP9诱导的间充质干细胞C3H10T1/2细胞成骨分化。这一过程可能与miR-21调节靶基因有关。结合生物信息学分析Target Scan(http://www.targetscan.org),PicTar(http://pictar.bio.nyu.edu)和miRanda(http://www.microrna.org),发现miR-21可以靶向BMP9/Smad信号通路中的抑制性Smad-Smad7。Smad7可以通过抑制p-Smad1/5/8从而减弱BMP9/Smad信号通路的激活[7, 15]。因此,本课题将后续探讨miR-21对Smad7是否存在转录后调控作用,并且通过双荧光素酶报告实验证明miR-21与Smad7是否存在直接靶向作用[14, 16]。
MiR-21的协同BMP9成骨效应与增强了BMP9/Smad信号通路的激活程度有关。BMP9/Smad信号通路的主要效应是由于BMP9与细胞膜上BMPⅡR、BMPΙR结合以后,激活胞浆中的Smad1/5/8使其磷酸化,p-Smad1/5/8入核与Smad4结合进而促进成骨相关转录因子的表达[17]。结合靶基因的预测,我们猜测miR-21极有可能靶向Smad7进而协同BMP9促进了BMP9/Smad信号通路的激活。因此,我们将对miR-21靶基因,靶基因在BMP9诱导间充质干细胞成骨分化中的效应以及动物实验深入分析miR-21在BMP9诱导间充质干细胞成骨分化中的作用。
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