Parkin在甲基苯丙胺诱导的α-突触核蛋白异常降解中的作用机制

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目的:  建立METH中毒的体内外模型,初步探讨α-Syn在泛素蛋白酶体途径中降解障碍而引起神经元损伤中的作用。利用分子生物学技术、细胞生物学技术、神经生物学技术等,通过α-Syn及其丝氨酸129位点磷酸化水平pS129α-Syn、PLK2、CD3δ、Caspase-3、PARP及Parkin等指标的检测,从而研究METH诱导的氧化应激对神经元的损伤作用。再通过SH-SY5Y细胞Parkin过表达慢病毒转染实验及C57小鼠纹状体立体定位技术进一步明确Parkin在α-Syn异常表达中所起的作用,以及METH、Parkin和α-Syn这三者之间的联系,为METH在神经系统损伤机制研究中提供新的靶点。  方法:  1.蛋白酶体抑制剂MG132处理细胞  用含10%新生胎牛血清(FBS)的DMEM-F12培养基接种SH-SY5Y细胞至6cm培养皿或6孔板中,于37℃和5%CO2条件的温箱中培养,待6孔板中细胞长至70%~80%汇合时,分别用含0mmol/L、DMSO、50nmol/L、75nmol/L、100nmol/L、150nmol/L MG132的2%血清培养基培养24小时,收集细胞并提取蛋白进行检测:Western Blot法检测α-Syn;免疫共沉淀(CO-IP)方法检测α-Syn的泛素化情况。  2.METH中毒细胞模型的建立  按照上述方法培养细胞,待6孔板中细胞长至70%~80%汇合时,分别用含0mmol/L、1.0mmol/L、1.5mmol/L、2.0mmol/L、2.5mmol/L、3.0mmol/L METH的2%血清培养基培养24小时或用2.0mmol/L METH的2%血清培养基分别培养0小时、2小时、4小时、6小时、8小时、12小时、24小时。收集细胞或提取细胞总蛋白进行以下各项实验:  (1)Western Blot法检测α-Syn及其磷酸化水平pS129α-Syn、PLK2、蛋白酶体活性标志分子CD3δ、凋亡相关蛋白Caspase-3、PARP及Parkin等指标。  (2)免疫荧光法检测α-Syn及Parkin表达变化,并采用共聚焦显微镜观察细胞内α-Syn及Parkin表达变化。  (3)免疫共沉淀(CO-IP)方法检测α-Syn及Parkin的相互作用关系。  3.METH亚急性中毒动物模型的建立  4.探究Parkin在METH诱导的α-Syn及其磷酸化异常聚集及其神经毒性的作用  (1)针对Parkin基因设计并合成人源重组基因病毒,采用转染技术处理SH-SY5Y细胞,实验分为LV-NC组、LV-Parkin组、LV-NC+METH组和LV-Parkin+METH组。Western Blot法检测Parkin蛋白过表达效率及α-Syn、pS129α-Syn、PLK2、蛋白酶体活性标志分子CD3δ、凋亡相关蛋白Caspase-3、PARP等指标表达情况。  (2)将40只6周龄雄性C57小鼠随机分成4组(n=10只/组):①空载对照组(LV-NC组);②过表达组(LV-Parkin组);⑨空载+METH组(LV-NC+METH组);④过表达+METH组(LV-Parkin+METH组)。使用前期合成并鉴定有效的鼠源Parkin基因重组病毒。利用脑立体定位注射技术向C57小鼠纹状体区注射空载病毒或Parkin基因重组病毒。注射后继续饲养二周,对③空载+METH组和④过表达+METH组给予腹腔注射15mg/kg METH,每间隔12h注射一次,共8次。对①空载对照组和②过表达组小鼠腹腔注射等量生理盐水。最后一次注射METH2h后麻醉、断颈、提取并分离脑组织;Western Blot方法检测Parkin蛋白过表达效率及α-Syn、pS129α-Syn、PLK2、蛋白酶体活性标志分子CD3δ、凋亡相关蛋白Caspase-3、PARP等指标表达情况。  结果:  1.蛋白酶体抑制剂MG132处理细胞  以SH-SY5Y细胞为体外实验模型,用不同浓度梯度(0nM-125nM)的泛素蛋白酶体抑制剂MG132作用于SH-SY5Y细胞24h。Western Blot结果显示,随着MG132作用浓度的增加,α-Syn表达水平呈显著上升趋势(P<0.05);免疫共沉淀结果显示,α-Syn泛素化水平呈显著上升趋势(P<0.05)。结果说明泛素蛋白酶体途径是α-Syn降解的主要途径之一。  2.METH中毒细胞模型的建立  (1)用不同浓度梯度(0mM-3.0mM)和时间梯度(0h-24h)METH作用于SH-SY5Y细胞,Western Blot结果显示,随着METH作用浓度和时间的增加,α-Syn表达水平呈上升趋势(P<0.05),而E3泛素连接酶Parkin表达水平呈现下降趋势(P<0.05)。α-Syn磷酸化水平pS129α-Syn水平升高(P<0.05);蛋白酶体活性标志分子CD3δ升高(P<0.05);同时凋亡相关蛋白Caspase-3、PARP等表达升高(P<0.05)。当METH浓度为2.0mmol/L时,α-Syn升高显著(p<0.01),因此在后续试验中,选取2.0mmol/L浓度的METH建立中毒细胞模型。以上结果说明,随着METH作用浓度和时间的增加,α-Syn磷酸化修饰增强,蛋白酶体活性降低,这可能导致α-Syn及α-Syn磷酸化蛋白不能被蛋白酶体有效降解而堆积,又进一步增强了METH促进细胞凋亡的作用。  (2)免疫荧光结果和Western Blot结果相一致,2.0mM的METH作用于SH-SY5Y细胞α-Syn表达水平呈显著上升趋势(P<0.05),E3泛素连接酶Parkin表达水平呈下降趋势(p<0.05)。  (3)免疫共沉淀结果显示,E3泛素连接酶Parkin和α-Syn存在相互作用。  3.METH亚急性中毒动物模型的建立  建立C57小鼠METH亚急性中毒模型,实验分为对照组(Ctrl)和亚急性METH组(Subacute),取纹状体和中脑区进行后续实验。结果发现,亚急性METH组与对照组相比,E3泛素连接酶Parkin表达降低,α-Syn及其磷酸化水平pS129α-Syn、PLK2水平显著升高,蛋白酶体活性标志分子CD3δ呈升高趋势,且凋亡相关蛋白Caspase-3、PARP也呈现升高趋势(P<0.05)。说明METH注射入C57小鼠后,会导致小鼠脑组织中α-Syn水平增加,α-Syn磷酸化作用增强,同时蛋白酶体活性降低,进一步证明METH作用降低了α-Syn在泛素蛋白酶体途径的有效降解,增加了细胞的凋亡。  4.探究Parkin在METH诱导的α-Syn异常聚集及其神经毒性的作用  (1)在SH-SY5Y细胞中转染Parkin基因重组病毒再用METH处理细胞24h,实验分为LV-NC组、LV-Parkin组、LV-NC+METH组和LV-Parkin+METH组。Western Blot结果显示,SH-SY5Y细胞中转染Parkin基因重组病毒后,Parkin蛋白显著增多(P<0.05)。LV-Parkin+METH组和LV-NC+METH相比,α-Syn表达水平明显下降,且PLK2及α-Syn磷酸化水平也明显下降,凋亡相关蛋白Caspase-3、PARP也有降低,同时蛋白酶体活性标志分子CD3δ降低(P<0.05)。结果说明Parkin蛋白表达量上升能够缓解METH导致的α-Syn表达量上升,调节α-Syn磷酸化作用,激活蛋白酶体的活性,同时缓解细胞凋亡。  (2)利用脑立体定位注射技术向C57小鼠纹状体区注射空载病毒或Parkin基因重组病,取纹状体和中脑区进行后续实验。Western Blot结果显示,C57小鼠纹状体区注射Parkin基因重组病后,纹状体和中脑区Parkin蛋白都显著增多(P<0.05)。LV-Parkin+METH组和LV-NC+METH相比,纹状体和中脑区α-Syn表达水平明显下降,且PLK2及α-Syn磷酸化水平也明显下降,凋亡相关蛋白Caspase-3、PARP也有降低,同时蛋白酶体活性标志分子CD3δ降低(P<0.05)。结果说明,在体内实验中Parkin蛋白表达量上升也能够缓解METH导致的α-Syn表达量上升,调节α-Syn磷酸化作用,激活蛋白酶体的活性同时缓解细胞凋亡。  结论:  1.蛋白酶体抑制剂MG132引起SH-SY5Y细胞内α-Syn表达水平上升,且α-Syn泛素化修饰形式堆积,其上调趋势随着METH浓度的增多而升高。  2.在METH中毒的体内外模型中,SH-SY5Y细胞及C57小鼠脑组织α-Syn表达量异常增多,pS129α-Syn表达上调,PLK2水平升高,CD3δ表达升高,凋亡升高。  3.在SH-SY5Y细胞中转染Parkin过表达慢病毒或在C57小鼠纹状体区注射Parkin重组病毒,α-Syn表达下降,PLK2及α-Syn磷酸化水平下降,CD3δ表达降低,凋亡降低。
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