中国医科大学学报  2021, Vol. 50 Issue (11): 976-980, 985

文章信息

刘金霞, 王钰池, 郭卓, 赵江月, 孔珺, 秦宇
LIU Jinxia, WANG Yuchi, GUO Zhuo, ZHAO Jiangyue, KONG Jun, QIN Yu
microRNA-125b通过调控Nrf2/Keap1信号通路影响光感受器细胞氧化应激
Regulatory role of microRNA-125b in oxidative stress of photoreceptor cells via the Nrf2/Keap1 signaling pathway
中国医科大学学报, 2021, 50(11): 976-980, 985
Journal of China Medical University, 2021, 50(11): 976-980, 985

文章历史

收稿日期:2021-01-27
网络出版时间:2021-11-03 18:05
microRNA-125b通过调控Nrf2/Keap1信号通路影响光感受器细胞氧化应激
中国医科大学附属第四医院眼科, 中国医科大学眼科医院, 辽宁省晶状体学重点实验室, 沈阳 110005
摘要目的 研究在H2O2诱导的光感受器细胞氧化应激模型中microRNA-125b(miR-125b)调控核因子E2相关因子2(Nrf2)/Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白1(Keap1)信号通路的作用机制,探讨其在干性年龄相关性黄斑变性(AMD)发病过程中的作用。方法 利用H2O2(800?mol/L)构建小鼠视锥细胞系661W细胞氧化应激模型,用实时荧光定量PCR(qPCR)检测miR-125b及Keap1/Nrf2/HO-1 mRNA的表达。分别转染miR-125b模拟物、模拟物对照、抑制物、抑制物对照至661W细胞中,调控细胞miR-125b的表达,48 h后用qPCR在661W细胞氧化应激模型中检测miR-125b及Keap1/Nrf2/HO-1 mRNA的表达。用Western blotting检测Keap1蛋白的表达。结果 与对照组相比,miR-125b的表达在661W细胞氧化应激模型中显著降低,Nrf2及其下游基因HO-1 mRNA表达显著升高,Keap1 mRNA表达明显降低;与转染miR-125b模拟物对照组相比,转染miR-125b模拟物组Nrf2、HO-1与miR-125b mRNA表达显著升高,Keap1表达在mRNA水平无明显变化,在蛋白水平显著降低;与转染miR-125b抑制物对照组相比,转染miR-125b抑制物组Nrf2、HO-1与miR-125b mRNA表达显著降低,Keap1 mRNA表达水平无明显变化,蛋白表达显著增加,差异均有统计学意义(P < 0.05)。结论 miR-125b可能通过调控Nrf2/Keap1信号通路影响光感受器细胞氧化应激反应,调控干性AMD的发生,因而可能成为干性AMD治疗的新靶点。
Regulatory role of microRNA-125b in oxidative stress of photoreceptor cells via the Nrf2/Keap1 signaling pathway
Department of Ophthalmology, the Fourth Affiliated Hospital of China Medical University, Eye Hospital of China Medical University, Key Lens Research Laboratory of Liaoning Province, Shenyang 110005, China
Abstract: Objective To investigate the regulating mechanism of microRNA-125b (miR-125b) in photoreceptor cells via the Nrf2/Keap1 signaling pathway using an H2O2-induced oxidative stress model. Methods The oxidative stress model was established using the mouse cone cell line 661W treated with H2O2 (800?mol/L) for 6 h. Expression of miR-125b and Keap1/Nrf2/HO-1 was detected using real-time quantitative PCR (qPCR). miR-125b mimic and mimic control and miR-125b inhibitor and inhibitor control were transfected into the treated 661W cells in serum-free Opti-MEM using LipofectamineTM RNAiMAX. miR-125b expression, 48 hours post-transfection, in 661W cells was up- and downegulated, respectively. Expression of Keap1 protein was detected using Western blotting. Results Compared to the control group, expression of miR-125b decreased significantly, that of Nrf2 and its downstream gene HO-1 increased significantly, and that of Keap1 decreased significantly in the H2O2-treated group. Furthermore, after transfection with miR-125b mimic, the mRNA expression of Nrf2, HO-1, and miR-125b increased significantly. However, Keap1 mRNA expression showed no significant change, whereas Keap1 protein expression decreased significantly. Conversely, after transfection with miR-125b inhibitor, mRNA expression of Nrf2, HO-1, and miR-125b was significantly downregulated and that of Keap1 showed no significant change, whereas Keap1 protein expression level significantly increased. All differences were significant (P < 0.05). Conclusion The miR-125b/Keap1/Nrf2/HO-1 axis is a potential regulatory mechanism in pathogenesis and treatment of dry age-related macular degeneration that witnesses severe oxidative stress and adversely damaged photoreceptor cells.

年龄相关性黄斑变性(age-related macular degeneration,AMD)是老年人群不可逆转性盲的主要原因之一[1]。AMD分为干性和湿性2种类型,其中,干性AMD占比较多,目前尚无有效治疗手段[2-3]。干性AMD的病理改变以光感受器细胞变性为主[4]。视网膜氧化损伤已被确定为干性AMD的主要致病因素之一,光感受器细胞受到各种来源的氧化应激刺激,导致视网膜退行性变,严重影响视力[5]

核因子E2相关因子2(nuclear factor-erythroid 2-related factor 2,Nrf2)是机体发挥抗氧化应激反应的重要转录因子。基础状态下,Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白1(Kelch-like ECH-associated protein-1,Keap1)与Nrf2在细胞质中结合,引起Nrf2降解;氧化应激时,Nrf2与Keap1解离,移位入核,与下游基因血红素单加氧酶(heme oxygenase-1,HO-1)结合,发挥抗氧化作用[6-7]。因此,通过激活Nrf2/Keap1信号通路,可增加细胞抗氧化反应能力,减轻细胞氧化损伤[8]。微RNA(microRNA,miRNA)可通过内源性RNA干扰机制抑制多种靶基因的表达,调节各种细胞功能[9]。已有研究[10]证明,多种miRNAs可通过调控Nrf2影响AMD发病,包括miR-144[11]、miR-141[12]、miR-626[13]等。但光感受器细胞中miRNAs对Nrf2的调控机制尚未完全明确。本研究通过细胞实验,研究在干性AMD中miR-125b通过Nrf2/Keap1信号通路对光感受器细胞氧化应激反应的调控作用。

1 材料与方法 1.1 材料

小鼠视锥细胞系661W细胞由美国休斯顿大学Muayyad R. AL-UBAIDI教授赠予。DMEM培养液、青链霉素混合液、胰蛋白酶、PBS(中国江苏凯基生物公司),3%过氧化氢(H2O2)溶液、DMSO(美国SIGMA公司),胎牛血清(澳大利亚AusGeneX公司),RNAiso Plus、LipofectamineTM RNAiMAX、OPTI-MEM(美国Invitrogen公司),PrimerScript RT reagent Kit(日本TaKaRa公司)、TB Green premix Ex Taq Ⅱ(日本TaKaRa公司),增强型CCK-8试剂盒(美国Apexbio公司),mRNA引物(中国上海生工生物工程公司),miR-125b与RNU6B的RT引物、PCR引物、miR-125b模拟物、模拟物对照、抑制物、抑制物对照(中国广州锐博公司),SDS-PAGE胶(中国碧云天生物技术有限公司),PCR逆转录仪(美国BIO-RAD公司)。RT-PCR仪(美国AppliedBiosystem公司),荧光显微镜(日本Olympus公司)。

1.2 方法

1.2.1 细胞培养

用含5%胎牛血清和1%青链霉素混合液的DMEM培养基,于37 ℃、5% CO2的培养箱中,培养661W细胞。待细胞生长至80%~90%融合后,用0.25%胰蛋白酶进行消化、传代,用于后续实验。

1.2.2 CCK-8试剂盒检测细胞增殖活性

取对数生长期661W细胞消化并离心后,用含5%胎牛血清DMEM培养基重悬细胞,制成细胞悬液,以每孔2×104细胞接种于96孔板中。用正常培养细胞组作为对照组,用培养基不含细胞组作为空白对照组。用不同浓度H2O2(400,600,800,1 000 µmol/L)处理细胞6 h后,每孔加入10 µL CCK-8溶液,37 ℃培养箱中孵育1 h,用酶标仪检测450 nm波长处的吸光度值(A)。细胞增殖活性=(A实验组-A空白组)/(A对照组-A空白组)×100%。

1.2.3 细胞转染

将661W细胞培养至30%~50%融合。用LipofectamineTM RNAiMAX和无血清Opti-MEM培养基将miR-125b模拟物、模拟物对照(100 nmol/L)和miR-125b抑制物、抑制物对照(30 nmol/L)分别转染至661W细胞,在37 ℃培养箱中继续培养48 h后,进行后续实验。

1.2.4 实时荧光定量PCR(qPCR)检测

用TRIzol提取各组细胞的总RNA,用反转录试剂盒Primer Script RT reagent Kit反转录为cDNA,qPCR试剂盒TB Green premix Ex Taq Ⅱ检测miR-125b与Keap1/Nrf2/HO-1 mRNA的表达水平,RNU6B为miR-125b内参对照,GAPDHKeap1/Nrf2/HO-1内参对照。所有操作均严格遵循说明书。引物序列见表 1

表 1 实时PCR引物序列(5'-3') Tab.1 Primers for qPCR assay (5'-3')
Gene Forward primer sequence Reverse primer sequence
Nrf2 TAGATGACCATGAGTCGCTTGC GCCAAACTTGCTCCATGTCC
Keap1 GGAAAGTTTAAACGAGAAGCCTCTGGGCTCTG GGAAATCTAGACCATCAGGATCTGCGTGTATT
HO-1 TCTATCGTGCTCGCATGAAC CTGTCTGTGAGGGACTCTGG
GAPDH GTCTCCTCTGACTTCAACAGCG ACCACCCTGTTGCTGTAGCCAA

1.2.5 Western blotting检测

利用RIPA细胞裂解液提取各组细胞总蛋白,BCA法测定蛋白浓度。95 ℃水浴10 min变性,蛋白上样行SDS-PAGE凝胶电泳。转移至PVDF膜,5%脱脂奶粉室温封闭1 h。用Keap1抗体(1︰5 000)4 ℃过夜孵育,GAPDH作为内参对照。将孵育过一抗的PVDF膜用TBST洗3次,10 min/次,用山羊抗兔二抗(1︰5 000)室温孵育2 h,TBST洗膜3次,10 min/次。ECL发光显影,采用Image J软件分析条带灰度值。

1.3 统计学分析

采用SPSS 25.0软件进行统计学分析,用GraphPad Prism 8作统计图。所有结果均以x±s表示;采用独立样本t检验和单因素方差分析对结果进行显著性比较,检验水准α=0.05。

2 结果 2.1 661W细胞氧化应激模型中miR-125b与Keap1/Nrf2/HO-1 mRNA的表达

分别利用400、600、800、1 000 µmol/L H2O2处理661W细胞6 h,用CCK-8试剂盒检测细胞活性变化。结果显示,当H2O2浓度为800 µmol/L时,细胞活性降低至50%左右,故后续试验选用800 µmol/L H2O2构建细胞氧化应激模型。qPCR结果显示,与对照组相比,随着H2O2浓度逐渐增加,miR-125b表达逐渐降低。661W细胞氧化应激模型中,Nrf2及其下游基因HO-1 mRNA表达升高,Keap1 mRNA表达降低,差异均有统计学意义(P < 0.05)。见图 1。说明661W细胞受到氧化应激刺激后,miR-125b表达降低,Nrf2及其下游基因HO-1表达水平升高,Keap1表达水平降低。

A,oxidative stress model was established using H2O2;B,miR-125b expression in oxidative stress model of 661W cells;C to E,Keap1/Nrf2/HO-1 mRNA expression in oxidative stress model of 661W cells. *P < 0.05,**P < 0.01. Ctrl,control. 图 1 661W细胞氧化应激模型中miR-125b及Keap1/Nrf2/HO-1 mRNA的表达 Fig.1 Expression of miR-125b and Keap1/Nrf2/HO-1 mRNA in oxidative stress model of 661W cells

2.2 miR-125b调控661W细胞氧化应激模型中Keap1/Nrf2/HO-1 mRNA的表达

661W细胞氧化应激模型中,转染miR-125b模拟物组miR-125b、Nrf2HO-1 mRNA的表达显著高于转染模拟物对照组,差异均有统计学意义(P < 0.05);转染miR-125b抑制物组miR-125b、Nrf2HO-1 mRNA的表达水平显著低于转染抑制物对照组,差异均有统计学意义(P < 0.05);转染miR-125b模拟物组和转染miR-125b抑制物组分别与转染模拟物对照组和转染抑制物对照组比较,Keap1表达在mRNA水平无明显变化,见图 2。说明miR-125b可能通过调控Nrf2HO-1 mRNA的表达以增强661W细胞抗氧化应激能力,但对Keap1 mRNA的表达无明显影响。

A,expression of miR-125b after transfection of miR-125b mimic or inhibitor in oxidative stress model;B to D,expression of Keap1/Nrf2/HO-1 mRNA after transfection of miR-125b mimic or inhibitor in oxidative stress model. *P < 0.05,**P < 0.01. NC,negative control;Ctrl,control. 图 2 调控miR-125b对661W细胞氧化应激模型中Keap1/Nrf2/HO-1 mRNA表达的影响 Fig.2 Up- or down-regulating miR-125b affects expression of Keap1/Nrf2/HO-1 mRNA

2.3 miR-125b通过在转录后水平调控Keap1蛋白表达调控Nrf2信号通路

如前所述,661W细胞氧化应激模型中,miR-125b对Keap1 mRNA的表达无明显影响,Western blotting结果显示,转染miR-125b模拟物组Keap1的蛋白表达水平显著低于转染模拟物对照组;转染miR-125b抑制物组Keap1的蛋白表达水平显著高于转染抑制物对照组,差异均有统计学意义(P < 0.05)。见图 3。说明miR-125b可能通过在转录后水平调控Keap1蛋白的表达,调控Nrf2及HO-1的表达,从而促进661W细胞抗氧化应激能力。

*P < 0.05,**P < 0.01. 图 3 调控miR-125b对Keap1蛋白表达水平的影响 Fig.3 Up- or down-regulating miR-125b affects expression of Keap1 protein

3 讨论

干性AMD早期病变主要表现为玻璃膜疣形成,玻璃膜疣数目和大小的增加显著增加疾病进展的风险;干性AMD的晚期病变地图状萎缩的形成主要由光感受器和视网膜色素上皮(retinal pigment epithelium,RPE)细胞死亡引起[14]。视网膜由RPE和神经视网膜组成,其生理结构和高代谢活性对视觉功能至关重要,尤其容易受到氧化损伤。视网膜氧化损伤是包括AMD在内的视网膜退行性疾病的主要致病因素之一[15]

Nrf2信号通路是体内主要的抗氧化信号通路之一,关于miRNAs对该通路的调控目前国内外尚未见明确报道。LAI等[16]发现,虾青素能够通过PI3K/Akt/Nrf2通路减少661W细胞中活性氧的产生,并抑制细胞凋亡。CARLOTTA等[17]发现2-乙酰基-5-四羟基丁基咪唑能够通过激活Nrf2/HO-1通路减轻H2O2诱导的661W细胞的氧化应激反应和细胞凋亡。此外,Nrf2激动剂RS9能够减轻光诱导的661W细胞损伤[18]。miR-125b与细胞增殖、迁移、凋亡和分化等密切相关[19]。YANG等[20]发现,miR-125b通过Keap1/Nrf2通路减轻肝损伤,并利用双荧光素酶报告基因系统验证了miR-125b与Keap1之间存在直接的连接位点,提示了miR-125b对Keap1/Nrf2直接的调控作用。

本研究利用H2O2构建光感受器细胞氧化应激模型,研究在干性AMD发病过程中miR-125b对抗氧化信号通路Keap1/Nrf2/HO-1可能的调控机制。结果显示,与对照组相比,miR-125b在光感受器细胞氧化应激模型中表达显著降低,Nrf2及其下游基因HO-1表达增加,Keap1表达降低,表明当光感受器细胞受到氧化刺激以后,Keap1表达减少,对Nrf2的锚定作用降低,因此Nrf2表达增加且移位入核发挥抗氧化作用。转染miR-125b模拟物后,Nrf2/HO-1表达增加,Keap1表达在mRNA水平无明显变化,在蛋白水平显著降低,提示miR-125b可能在转录后水平调控Keap1蛋白的表达,进而促进Nrf2/HO-1的表达,从而增强光感受器细胞的抗氧化能力,转染miR-125b抑制物的结果也证明了这一点。然而,miR-125b与Keap1之间的直接靶向关系还需将来进一步验证。

综上所述,miR-125b可促进光感受器细胞的抗氧化应激能力,该作用可能通过调控Keap1/Nrf2/HO-1信号通路实现。本研究利用细胞转染的方法调控miR-125b在光感受器细胞中的表达,初步论证了miR-125b在干性AMD发病过程中的调控作用,提示miR-125b可能成为干性AMD治疗的新靶点。

参考文献
[1]
LI XH, HE SK, ZHAO MW. An updated review of the epigenetic mechanism underlying the pathogenesis of age-related macular degeneration[J]. Aging Dis, 2020, 11(5): 1219-1234. DOI:10.14336/AD.2019.1126
[2]
AMBATI J, FOWLER BJ. Mechanisms of age-related macular degeneration[J]. Neuron, 2012, 75(1): 26-39. DOI:10.1016/j.neuron.2012.06.018
[3]
黄洁, 吴星伟. 干性年龄相关性黄斑变性动物模型研究进展[J]. 中国中医眼科杂志, 2020, 30(7): 515-517. DOI:10.13444/j.cnki.zgzyykzz.2020.07.014
[4]
LAMBROS ML, PLAFKER SM. Oxidative stress and the Nrf2 anti-oxidant transcription factor in age-related macular degeneration[J]. Adv Exp Med Biol, 2016, 854: 67-72. DOI:10.1007/978-3-319-17121-0_10
[5]
CHAKRAVARTHY U, PETO T. Current perspective on age-related macular degeneration[J]. JAMA, 2020, 324(8): 794-795. DOI:10.1001/jama.2020.5576
[6]
KENSLER TW, WAKABAYASHI N, BISWAL S. Cell survival responses to environmental stresses via the Keap1-Nrf2-ARE pathway[J]. Annu Rev Pharmacol Toxicol, 2007, 47: 89-116. DOI:10.1146/annurev.pharmtox.46.120604.141046
[7]
RUIZ S, PERGOLA PE, ZAGER RA, et al. Targeting the transcription factor Nrf2 to ameliorate oxidative stress and inflammation in chronic kidney disease[J]. Kidney Int, 2013, 83(6): 1029-1041. DOI:10.1038/ki.2012.439
[8]
NAKAGAMI Y. Nrf2 is an attractive therapeutic target for retinal diseases[J]. Oxid Med Cell Longev, 2016, 2016: 7469326. DOI:10.1155/2016/7469326
[9]
LIN CW, CHANG YL, CHANG YC, et al. MicroRNA-135b promotes lung cancer metastasis by regulating multiple targets in the Hippo pathway and LZTS1[J]. Nat Commun, 2013, 4: 1877. DOI:10.1038/ncomms2876
[10]
NATOLI R, FERNANDO N. MicroRNA as therapeutics for age-related macular degeneration[J]. Adv Exp Med Biol, 2018, 1074: 37-43. DOI:10.1007/978-3-319-75402-4_5
[11]
JADEJA RN, JONES MA, ABDELRAHMAN AA, et al. Inhibiting microRNA-144 potentiates Nrf2-dependent antioxidant signaling in RPE and protects against oxidative stress-induced outer retinal degeneration[J]. Redox Biol, 2020, 28: 101336. DOI:10.1016/j.redox.2019.101336
[12]
CHENG LB, LI KR, YI N, et al. miRNA-141 attenuates UV-induced oxidative stress via activating Keap1-Nrf2 signaling in human retinal pigment epithelium cells and retinal ganglion cells[J]. Oncotarget, 2017, 8(8): 13186-13194. DOI:10.18632/oncotarget.14489
[13]
XU XZ, TANG Y, CHENG LB, et al. Targeting Keap1 by miR-626 protects retinal pigment epithelium cells from oxidative injury by activating Nrf2 signaling[J]. Free Radic Biol Med, 2019, 143: 387-396. DOI:10.1016/j.freeradbiomed.2019.08.024
[14]
GAO ML, WU KC, DENG WL, et al. Toll-like receptor 3 activation initiates photoreceptor cell death in vivo and in vitro[J]. Invest Ophthalmol Vis Sci, 2017, 58(2): 801-811. DOI:10.1167/iovs.16-20692
[15]
HAN SX, CHEN JJ, HUA JJ, et al. MITF protects against oxidative damage-induced retinal degeneration by regulating the NRF2 pathway in the retinal pigment epithelium[J]. Redox Biol, 2020, 34: 101537. DOI:10.1016/j.redox.2020.101537
[16]
LAI TT, YANG CM, YANG CH. Astaxanthin protects retinal photoreceptor cells against high glucose-induced oxidative stress by induction of antioxidant enzymes via the PI3K/Akt/Nrf2 pathway[J]. Antioxidants, 2020, 9(8): 729. DOI:10.3390/antiox9080729
[17]
FABIANI C, ZULUETA A, BONEZZI F, et al. 2-Acetyl-5-tetrahydroxybutyl imidazole (THI) protects 661W cells against oxidative stress[J]. Naunyn Schmiedeberg's Arch Pharmacol, 2017, 390(7): 741-751. DOI:10.1007/s00210-017-1374-3
[18]
INOUE Y, SHIMAZAWA M, NODA Y, et al. RS9, a novel Nrf2 activator, attenuates light-induced death of cells of photoreceptor cells and Müller Glia cells[J]. J Neurochem, 2017, 141(5): 750-765. DOI:10.1111/jnc.14029
[19]
ZHAO Y, LI X, ZHU SQ. rs78378222 polymorphism in the 3'-untranslated region of TP53 contributes to development of age-associated cataracts by modifying microRNA-125b-induced apoptosis of lens epithelial cells[J]. Mol Med Rep, 2016, 14(3): 2305-2310. DOI:10.3892/mmr.2016.5465
[20]
YANG D, YUAN Q, BALAKRISHNAN A, et al. MicroRNA-125b-5p mimic inhibits acute liver failure[J]. Nat Commun, 2016, 7: 11916. DOI:10.1038/ncomms11916