Nrf2通过TGF-β1/SMADs通路调控肠纤维化的分子机制研究

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目的:炎症性肠病(inflammatory bowel disease,IBD)是一种慢性复发性疾病,包括克罗恩病(Crohn’s Disease,CD)和溃疡性结肠炎(ulcerative colitis,UC)。肠纤维化是炎症性肠病常见并发症之一,纤维化能够导致肠腔狭窄,严重影响着患者的生活质量。但炎症性肠病相关肠纤维化的发病机制尚不明确,因此当务之急是探究其发病机制,寻找行之有效的治疗方法。氧化应激是多种器官纤维化的发病机制之一。NF-E2相关因子2(NF-E2-related factor-2,Nrf2)为核转录因子,是细胞抗氧化应激反应的重要转录因子之一。正常生理状态下,Nrf2与其负性调节蛋白Keap1(Kelch-like ECH-associated protein 1)稳定结合,当受到活性氧(reactive oxygen species,ROS)和炎症因子等因素刺激后,Nrf2立即与Keap1解离,然后Nrf2从细胞质转移到细胞核内,最终诱导血红素氧合酶-1(Hemeoxygenase-1,HO-1)、谷氨酸-半胱氨酸连接酶催化亚基(glutamate cysteine ligase catalytic,GCLC)和谷氨酸-半胱氨酸连接酶调节亚基(glutamate-cysteine ligase modifier subunit,GCLM)等下游具有抗氧化作用的基因转录。Nrf2的下游产物作为抗氧化剂,具有降低体内氧化应激物质的堆积,清除ROS的作用。在溃疡性结肠炎患者炎症明显处的结肠组织中Nrf2的表达水平高于非炎症处的结肠组织的表达水平。Nrf2及其下游产物在炎症性肠病急性炎症、慢性炎症和炎症性肠病相关癌症研究中都具有保护作用。同时在其它器官纤维化疾病的研究中已证实Nrf2通路具有抑制纤维化的作用。细胞外基质(extracellular matrixc,ECM)在基层大量沉积可以导致肠纤维化的发生。ECM的主要成分是胶原蛋白、纤连蛋白等,可以被基质金属蛋白酶(matrixmetalloproteinase,MMP)降解,基质金属蛋白酶组织抑制剂(Tissue inhibitor of matrixmetalloproteinase,TIMP)是MMP的特异性抑制剂,能抑制MMP对ECM的降解作用。ECM主要由肠肌成纤维细胞产生,α-平滑肌肌动蛋白(Alpha-smooth muscle actin,α-SMA)是肌成纤维细胞的细胞外标记蛋白。转化生长因子β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1)在肠纤维化过程中具有重要作用,并且是被研究最多的分子之一。TGF-β1主要通过其下游SMADs蛋白家族传递信号,最终促进ECM合成增加、加快纤维化进程。TGF-β1刺激成纤维细胞,可以使成纤维细胞向能产生ECM的肌成纤维细胞转化。活性氧(ROS)是诱导纤维化的重要介质,能激活TGF-β1/SMADs通路,而Nrf2及下游产物具有清除ROS的能力。论文通过体内、体外实验探究Nrf2是否能够抑制肠纤维化,是否是通过减低ROS介导的TGF-β1/SMADs通路表达,发挥抑制纤维化的作用。研究方法:1.通过给BALB/C小鼠2,4,6-三硝基苯磺酸(2,4,6-Trinitrobenzenesulfonic acid,TNBS)灌肠建立慢性结肠炎肠纤维化小鼠模型,并给予肠纤维化模型Nrf2激动剂特丁基对苯二酚(Tertiary butylhydroquinone,tBHQ)处理。实验分为四组:control组,tBHQ组,TNBS组,TNBS+t BHQ组。利用H&E和Masson三色染色后,对结肠组织进行病理组织学评分、纤维化评分;利用RT-qPCR法、Western Bolt法和免疫组化分析法检测炎症指标如髓过氧化物酶(Myeloperoxidase,MPO)、肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF-α)和白细胞介素-1β(Interleukin-1 beta,IL-1β),以及纤维化相关指标如I型胶原、α-SMA、MMP3和TIMP1的mRNA和蛋白表达水平。Western Bolt法检测TGF-β1/SMADs通路的蛋白水平的变化。2.给予肠成纤维细胞tBHQ或TGF-β1刺激后,用RT-qPCR和Western bolt法检测纤维化指标如I型胶原、α-SMA、MMP3和TIMP1的mRNA和蛋白表达水平。Western bolt法检测TGF-β1/SMADs通路的蛋白水平的变化。3.通过利用siRNA转染肠成纤维细胞来沉默Nrf2表达后,用TGF-β1刺激转染后的细胞,Western bolt法检测纤维化指标I型胶原和α-SMA的蛋白表达水平。Western bolt法检测TGF-β1/SMADs通路的蛋白水平的变化。4.在TGF-β1刺激成纤维细胞前,给予细胞tBHQ和ROS的主要成分H2O2处理,Western bolt法检测TGF-β1/SMADs通路蛋白水平表达变化。或在TGF-β1刺激成纤维细胞前,利用siRNA-Nrf2沉默细胞,并给予ROS的清除剂N-乙酰半胱氨酸(N-Acetyl-L-cysteine,NAC)处理,Western bolt法检测TGF-β1/SMADs通路蛋白水平表达变化。结果:tBHQ+TNBS组的组织学评分低于TNBS模型组,而且tBHQ+TNBS模型组的炎症指标如MPO、TNF-α、IL-1β以及纤维化指标如I型胶原、α-SMA、MMP3和TIMP1的mRNA和蛋白表达水平低于TNBS模型组。体外实验中得到相同的结果,TGF-β1刺激成纤维细胞使其向肌成纤维细胞转化时,细胞表达I型胶原、α-SMA和TIMP1水平增高。而Nrf2激动剂预处理,TGF-β1刺激组中的I型胶原、α-SMA和TIMP1的mRNA和蛋白的表达水平低于TGF-β1刺激组。利用siRNA技术沉默成纤维细胞Nrf2的表达后,再用TGF-β1刺激细胞,能够使成纤维细胞表达的I型胶原和α-SMA蛋白水平高于TGF-β1刺激组。体内实验中,TNBS组中的TGF-β1及其下游pSMAD3、pSMAD2/3和SMAD2/3的蛋白表达水平高于control组。而Nrf2激动剂tBHQ处理的TNBS模型组中的TGF-β1及其下游pSMAD3、pSMAD2/3和SMAD2/3的蛋白表达水平低于TNBS组。体外实验中,外源性TGF-β1引起成纤维细胞向肌成细胞转化时,内源性TGF-β1及SMADs通路蛋白表达水平增高。tBHQ预刺激细胞能抑制TGF-β1诱导成纤维细胞高表达内源性TGF-β1及SMADs通路。而敲减Nrf2能促进TGF-β1诱导成纤维细胞高表达内源性TGF-β1及SMADs通路。外源性TGF-β1刺激肠成纤维细胞向肌成纤维细胞转化时,内源性TGF-β1表达增高。Nrf2可以抑制细胞内源性TGF-β1的表达,H2O2减弱了Nrf2抑制内源性TGF-β1表达的作用。siRNA-Nrf2可以促进内源性TGF-β1表达,NAC减弱了siRNA-Nrf2促进内源性TGF-β1表达的作用。结论:1.Nrf2抑制TNBS小鼠慢性结肠炎纤维化模型的炎症程度。2.Nrf2具有抑制肠纤维化的作用。3.Nrf2通过减低ROS介导的TGF-β1/SMADs信号通路表达,发挥抑制肠纤维化的作用。
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