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Steven B. Zhang, David Maguire, Zhang Mei, Tian Yeping, Shanmin Yang, Amy Zhang, Katherine Casey-Sawicki, Deping Han, Jun Ma, Liangjie Yin, Yongson Guo, Xiaohui Wang, Chun Chen, Alexandra Litvinchuk, Zhenhuan Zhang, Steven Swarts, Sadasivan Vidyasagar, zhangluong Zhang, Paul Okunieff, "四种小鼠品系放射敏感性的线粒体DNA及功能研究",国际细胞生物学杂志, 卷。2014, 文章的ID850460, 8 页面, 2014. https://doi.org/10.1155/2014/850460
四种小鼠品系放射敏感性的线粒体DNA及功能研究
摘要
我们研究了mtDNA/nDNA比值的遗传放射敏感性变化是否对线粒体功能具有重要意义,以及mtDNA含量和功能是否存在实质性影响。将BALB/c(辐射敏感)、C57BL/6(辐射抗性)和F1杂交小鼠菌株进行全身照射。提取肝脏基因组DNA,分离线粒体。测定线粒体耗氧量、ROS和钙诱导的线粒体肿胀。辐射影响了菌株特异性存活在活的有机体内.F1杂种的存活受母体输入的影响。线粒体含量的变化与存活有关在活的有机体内在4个菌株中。钙诱导的线粒体肿胀是应变依赖性的。BALB/c小鼠分离的线粒体对钙超载的敏感性明显高于C57BL/6小鼠。母体输入部分影响辐射对F1杂种线粒体肿胀的恢复效果;具有辐射敏感母系的杂种恢复率较低。混血儿的存活率偏向于母亲的输入。这些菌株在辐照前测定的mtDNA含量和线粒体通透性过渡孔(MPTP)反映了来自亲本的显性输入。辐照后,MPTP在辐射敏感株和杂交株中开放较早,可能触发了固有的凋亡途径。这些发现对于将其转化为辐射敏感性/抗性的预测指标具有重要意义。
1.介绍
虽然许多研究都集中在核DNA (nDNA)作为辐射损伤的潜在部位,但现在注意力已经转向了线粒体DNA (mtDNA)对电离辐射的反应。虽然mtDNA和nDNA具有化学上相同的总体组成,但它们亚细胞环境的细微差异导致了对辐射的不同反应。辐照后不久,许多DNA中引起的变化会自动逆转。nDNA中大多数剩余的改变是通过不同的酶介导的途径修复的。虽然线粒体dna的修复水平有限,但大多数修复途径并不存在于线粒体中[1].核DNA损伤是通过屏蔽来自辐射的蛋白质(组蛋白)的存在限制。相反,线粒体基因组有限(没有组蛋白)蛋白质保护。
已经有人提出,每个线粒体中的许多mtDNA拷贝和每个细胞中的大量线粒体是防止细胞功能广泛中断的保险,特别是照射后的呼吸[2,3.].这种现象表明,存在与除去有缺陷线粒体的活性机制相关的单个线粒体功能的“校对”。这种机制是必要的,以避免具有功能障碍或非功能性线粒体的递增细胞。
辐照后,血浆基因组DNA拷贝数以剂量依赖性和时间依赖性的方式急剧增加[3.- - - - - -5].在全身照射(TBI)后,小鼠和大鼠表现出剂量依赖性在24小时的峰值增加,然后在几个月后缓慢下降。长期的肌肉研究表明,与nDNA水平相比,mtDNA水平低于控制值,即使校正了年龄依赖性比率的下降[6].没有证据证明mtDNA对辐射反应的缓解剂存在。
细胞衰老和肿瘤复杂过程中MTDNA变化的新发现证据了[7- - - - - -9].线粒体DNA蛋白突变已经在许多类型的肿瘤中被发现[8,10],最近的研究表明线粒体DNA突变在多种癌症中具有较高的频率,包括结肠癌、膀胱癌和肺癌[10,11].实际上,许多线粒体基因是明确定义的肿瘤抑制剂,与促进细胞死亡的信号级联相关[8,12,13].此外,线粒体功能紊乱影响脱氧核糖核酸三磷酸(dNTP)平衡,进而导致基因组不稳定。线粒体膜电位是线粒体对外界和内部刺激反应的指标,在辐射和氧化应激的敏感性或抗性中起关键作用。
在这项研究中,我们旨在确定线粒体DNA,这是母亲遗传的,是否在小鼠品系特异性放射敏感性中发挥作用。检测了放射敏感(BALB/c)、抗放射(C57BL/6)和F1杂交(BALB/c雌性× C57BL/6雄性和BALB/c雄性× C57BL/6雌性)小鼠mtDNA/nDNA比值变化的意义。此外,还检测了线粒体腺苷-5 ' -三磷酸(ATP)、活性氧(ROS)和钙诱导的线粒体通透性过渡孔(MPTP)肿胀的生理水平。我们发现,线粒体拷贝数和MPTP与小鼠品系放射敏感性密切相关,而且这种敏感性是母系遗传的。
2.材料和方法
2.1.道德声明
本研究严格按照罗彻斯特大学研究所动物议定书进行。护理和使用程序由动物护理和使用委员会批准。
2.2。动物和治疗
7- 8周龄BALB/c和C57BL/6小鼠(国家癌症研究所小鼠库,Frederick, MD)的雄性和雌性小鼠被安置在罗切斯特大学(罗切斯特,纽约)的微隔离菌群管理室,进行12小时的光照/黑暗周期,并喂食标准饮食。到达后5天,将小鼠(除繁殖小鼠外)固定在有机玻璃盒中,假照射(对照)或使用铯-137放射源以1.75 Gy/分钟的剂量率给药。照射后,每天对小鼠进行监测,持续1个月。按照ICAU方案,将BALB/c雌性与C57BL/6雄性交配,BALB/c雄性与C57BL/6雌性交配,获得F1杂种品系。用上述相同的方法对杂交小鼠进行处理。
2.3.组织的收集和肝线粒体的分离
在之前的研究中,我们测试了来自不同组织的基因组DNA,发现肝脏对辐射很敏感。因此,在本研究中,小鼠被安乐死,通过斩首来收集肝脏组织。收集的组织要么立即使用,要么在−70°C冷冻直到使用。肝脏被放入冰冷的缓冲液中(250 mM蔗糖,1 mM EGTA(乙二醇四乙酸)和10 mM HEPES(4-(2-羟乙基)-1-哌嗪乙烷磺酸)(pH 7.4))。组织被切碎,缓冲液在这个过程中被改变了3到5次,以移除血细胞和糖原。切碎的组织用玻璃/特氟隆陶瓷组织研磨机均质5分钟。匀浆组织4℃,500 ×g离心10分钟。将上清转移到离心管中,于12000 ×g、4℃离心10分钟。然后用缓冲液重新悬浮沉积物(250 mM蔗糖和10 mM HEPES, pH 7.4),在4°C, 12000 ×g再次离心10分钟。用0.7 mL缓冲液重悬微丸转移到1.5 mL微滤管中。分离的线粒体保存在冰上,并在分离程序完成后4小时内使用。
2.4.组织和分离线粒体的DNA提取
从肝组织中提取总基因组DNA。用标准的蛋白水解法从肝线粒体中分离出线粒体DNA,然后用酚/氯仿/异戊醇纯化。提取的DNA用TE缓冲液(T10E1用紫外分光光度计在260 nm和280 nm处测定其吸光度,进行定量和质量评价。
2.5。孤立线粒体的蛋白质量
用细胞裂解缓冲液(100 mM NaCl, 10 mM Tris-Cl, (pH 8.0), 25 mM EDTA (pH 8.0)和0.5%十二烷基硫酸钠)稀释分离的线粒体,使用BCA (bicinchoninic acid)蛋白检测试剂盒(Thermo Scientific, Rockford, IL)。以牛血清白蛋白为标准,参照蛋白标准曲线计算样品蛋白浓度。
2.6.线粒体DNA的数量
线粒体DNA与核DNA的比例如Zhang等所述[3.].扩增小鼠18S rRNA核基因靶区和小鼠线粒体基因组12S rRNA基因靶区。使用SYBR green (AB Science, Paris, France)进行定量聚合酶链反应(PCR)分析,50 ng分离的DNA在iQ5光学系统软件(Bio-Rad, Laboratories, Inc, Hercules, CA)上进行。PCR反应在95℃初始变性10分钟,95℃变性15秒,59℃退火25秒,72℃延伸50秒,扩增40个循环。记录荧光超过阈值时的循环数(Ct)。通过比较12S rRNA和18s rRNA的Ct水平,测定mtDNA与nDNA的相对含量。目的基因为编码18S核糖体RNA的nDNA基因和编码12s核糖体RNA的mtDNA基因。
2.7。线粒体氧气消耗
用clark型电极(Hansatech Instruments Limited, Norfolk, UK)测定从小鼠肝脏分离的线粒体(1 mg蛋白)的耗氧量。用线粒体缓冲液稀释样品添加0.01 mM EGTA(螯合Ca2+水中杂质),1 mM Mg2+, 5毫米磷酸钾。在2-3分钟后,记录5 mM琥珀酸对线粒体呼吸链的激活,随后0.1 mM ADP持续2分钟,1 mM ADP持续3分钟,0.1 mM白术苷抑制ADP/ATP交换。为了计算RCI(7),测量的最大O2在1 mM ADP存在下的消耗被底物介导的O2(即,在5 mM琥珀酸存在下)。
2.8。线粒体活性氧
用Amplex Red Assay (Invitrogen Corporation, Carlsbad, CA)测定线粒体ROS [14,15].分离的肝线粒体(1mg)悬浮在呼吸缓冲液中(2mL; 120mm KCl,70mM甘露醇,25mM蔗糖和20mM Hepes(pH 7.4)),补充有2 U型II型辣根过氧化物酶,10nm Amplex红色和160 U Cu / Zn-SOD(铜/锌 - 超氧化物歧化酶)(Sigma-Aldrich,St.Louis,Mo)。用Shimadzu RF 5301光谱荧光仪(Shimadzu Scientific Instruments,Columbia,MD)在比色皿中测量荧光。一旦O.2浓度达到稳定状态后,检测荧光至少3分钟以确定ROS的生成速率,然后通过添加1进行校准μM,其次为1μM H.2O2.我们没有添加SOD以最大化H.2O2因为SOD (80 U/mL的Cu/Zn-SOD)的存在与否,其速率是相同的。这一结果可能是由于高内源性自发变异率或者在线粒体制剂中仍然存在残留的SOD的事实。所有吸光度谱都以稳定状态记录(O.2)使用400和650nm之间的波长扫描。H2O2通过使用已知H构建标准曲线来校准一代2O2浓度。通过荧光变化斜率测定ROS浓度。
2.9。线粒体肿胀
采用Petronilli等人描述的方法诱导线粒体肿胀[16].用1 mL改良线粒体肿胀缓冲液(120mm KCl, 65mm蔗糖,2mm琥珀酸,5mm Na)稀释分离的肝线粒体(1mg蛋白质)2HPO4/不2阿宝4(pH 7.4)和10毫米HEPES (pH 7.2))。用Beckman DU-640分光光度计(Beckman Coulter, Inc., Brea, CA)在540 nM下记录2~3分钟的吸光度变化,以获得稳定的基线;随后,诱导线粒体肿胀,随后加入Ca2+诱导线粒体肿胀或200 nM CSA 5分钟,然后再加入Ca2+诱导线粒体肿胀。
2.10。统计分析
数值表示为平均值±SD。比较采用单向或双向方差分析,然后采用学生的方差分析-测试。确定了显着的差异.
3.结果
3.1.老鼠生存研究
数字1显示纯种和杂交小鼠的辐射剂量 - 反应曲线。C57BL / 6母×BALB / C男性杂种()对7 Gy TBI耐受,无胃肠道综合征死亡(7 - 10天),很少有骨髓综合征死亡(10 - 30天)。BALB/c雌性× C57BL/6雄性杂种()死于骨髓综合征,提示罹患LD50/30.存活率的差异很大().BALB/c母鼠较早死亡表明,这些动物的肠细胞和骨髓细胞对辐射更敏感。逆交后代(抗辐射母系与辐射敏感父系)在第18天前无死亡率,最终存活率与母系无显著差异().
3.2。线粒体基因组比率
为了确定任何菌株特异性的差异,我们估计了所有F1代小鼠的mtDNA和nDNA的比例。如图2结果表明,2个亲本品系间mtDNA/nDNA比值存在显著差异;敏感株的mtDNA含量低于耐药株。2个杂交菌株的mtDNA与nDNA的比值在统计学上相似。所有菌株在照射后表现出相似的反应(数据未显示)。
3.3.线粒体氧气消耗
用标准方案测定小鼠肝脏分离线粒体的耗氧量[17和克拉克型电极。耗氧量高,反映了线粒体的健康。由状态III和状态IV耗氧量比值估算的线粒体RCI值也在表明线粒体强健的范围内;对于调查的任何菌株,这些值之间没有差异(表1).
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| 缩写:RCI:呼吸控制指数;ROS:活性氧。 |
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3.4.线粒体活性氧
测定了2个纯种和2个杂交种的线粒体ROS生成。在双亲及其后代的线粒体中,活性氧产生旺盛;两组间差异无统计学意义(表1)1).
3.5。线粒体肿胀
小鼠肝脏切除后,按上述方法提取线粒体。根据540 nm处的吸光度变化,使用标准技术评估线粒体肿胀。在未辐照的动物中,两个亲本品系的肿胀率有显著差异。C57BL/6小鼠在50和75岁时均表现出更强的钙超载抗性μM比放射敏感BALB/c小鼠(图3.).杂交菌株中钙诱导的肿胀表现出对辐射的中等反应(图)4).母系血统主导了反应;C57BL/6母系后代对肿胀有抗性,BALB/c母系后代对肿胀敏感。此外,辐照2个月后,2个杂交菌株在钙诱导的线粒体肿胀方面表现出差异(图)5).线粒体来自于Ca的母体输入++敏感菌株(BALB/c) Ca含量显著高于敏感菌株(BALB/c)++与父本BALB/c背景的杂交种相比敏感。在使用的钙浓度下,环孢素A (CSA, 200 nM)缓解了所有菌株的线粒体肿胀(图4).
(一)
(b)
(一)
(b)
(一)
(b)
(c)
4.讨论
我们的团队和其他人[5,6]已经证明(a)在中等剂量照射后,多种小鼠组织中mtDNA/nDNA比值增加;(b)峰值增加发生在不同的时间,在不同的组织,在不同的动物,可能在不同的品系。在我们的DNA提取过程中,我们采用了Kirby [18].Swerdlow集团(19[]比较了提取DNA的方法,以评估mtDNA/nDNA比值,得出Kirby法是唯一可靠的方法。
BALB/c小鼠对创伤性脑损伤更敏感,在胃肠道综合征(操作上定义为7天前死亡)和骨髓综合征(定义为7天后但30天前死亡)的急性致死率方面都是如此。第7至10天之间的死亡一般被认为是混合死亡[20.].2个亲本品系的C57BL/6雄性× BALB/c雌性和BALB/c雄性× C57BL/6雌性的存活率分别为53%和80%1).这一结果提示了孟德尔隐性遗传模式。然而,C57BL/6母系杂交表现出对母系的严重偏倚,这表明存在母系优势,如线粒体遗传。观察到的模式与纯母系(mtDNA)遗传并不相符,在纯母系遗传中,后代将表现出与母系相同的活性水平。
从每个亲本和杂交菌株中提取的分离线粒体通过3个独立的功能检测进行评估。呼吸控制指数(RCI),定义为最大呼吸与底物诱导呼吸的比值,[21表明分离的线粒体能够在底物存在的情况下利用二磷酸腺苷(ADP)生成ATP。2个亲本菌株的呼吸(RCI)差异无统计学意义(见表)1).2个菌株表现出相似的ROS测量值;杂交后代的ROS表达水平与亲本相似(见表)1),再次提示隐性遗传。在4个菌株的肝线粒体中也测量了钙诱导的线粒体肿胀;结果显示了菌株对钙超载反应的差异(图)3.和4).此外,照射后2个月,在这些后代提取的线粒体中表达的水平在2株之间显着不同。来自小鼠的线粒体来自小鼠的母体母体谱系表现出对钙诱导的膨胀的增加。相反,与CSA孵育在辐照和非菌菌的非辐射小鼠之间消除了线粒体钙加载能力的任何可辨别差异。
钙引起的肿胀与线粒体通透性转变的增加有关(即线粒体膜对小于1500道尔顿分子的通透性)[22],这是开放MPTP的结果[23].MPTP是在线粒体肿胀和细胞死亡的病理条件下线粒体膜上形成的蛋白质孔。MPTP在某些类型的细胞凋亡中起重要作用。尽管MPTP的确切分子成分尚不清楚,但人们认为它们包括许多正常的线粒体膜蛋白,包括腺嘌呤核苷酸转位酶(ANT)——这是一种复合物,负责线粒体基质中氧化磷酸化过程中产生的ATP与胞质中ADP的交换。
一项关于人体肿瘤细胞对致死辐射水平的反应的调查显示,存在相当大的差异。辐射诱导mtDNA中4977bp的缺失,发现这取决于人类细胞固有的辐射敏感性[24,25].该研究还表明mtDNA含量似乎具有较高的遗传力,低mtDNA含量可能与肾细胞癌的风险增加有关。最近,Shock等人发现线粒体起着表观遗传作用[24].目前的研究表明,线粒体通透性在能量传输和细胞凋亡中起着关键作用,并显示出与放射敏感性相关的遗传差异。ANT在人类肿瘤中的作用,如介导胞质ADP和线粒体ATP的重要交换,并通过其成为线粒体内膜致命孔的能力参与MPTP的开放,与(抗)癌基因相关伯灵顿/ bcl - 2家庭与过度表达[25- - - - - -27].因此,宿主放射敏感性、细胞线粒体易感性和癌变高风险之间可能存在联系。
这些数据表明辐照在活的有机体内导致线粒体载钙能力的不可逆下降。我们未来的工作将集中在辐照后效应机制的精确性质上。例如,ANT含量的抑制可能是改变MPTP的钙依赖性调节的关键因素,正如已经提出的接受阿霉素化疗的患者累积和不可逆的心肌功能损失[28].另外,另一个因素有助于MPTP的形成,如电压依赖性的阴离子通道或Bcl2 / Bcl-xl,可能是观察到的抗钙致肿胀的原因。然而,这种效应与母体遗传输入的明显关联,将支持线粒体基因组的表达产物而不是核加密输入的参与。因此,我们计划在一系列辐射剂量后的不同时间检测未辐照小鼠的线粒体基因组和蛋白质组。
这些经过辐照的杂交品系的存活率偏向于母体的输入。照射前测定的线粒体DNA和MPTP反映了来自亲本的显性输入。辐照后,对辐射敏感的菌株和任何一个交配组合的后代的MPTP开放得更快。正是后一种反应可能引发内在细胞凋亡,导致死亡。
利益冲突
作者声明本文的发表不存在利益冲突。
致谢
作者要感谢Sheu博士为线粒体功能分析提供了实验室,并感谢Beutner博士为罗彻斯特大学药学系和生理学以及线粒体研究与创新小组的线粒体提供了技术帮助。最后,这篇论文是为了纪念David Maguire博士,他是帮助构思实验、分析数据并撰写早期草稿的主要作者之一。
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