类固醇激素20-羟基蜕皮酮通过增加细胞内钙离子水平促进自噬向凋亡转化

摘要

研究背景及存在的科学问题:
　　程序性细胞死亡(PCD)主要包括有自噬和凋亡。自噬是指当细胞受到压力或营养缺乏时，细胞将自身的一些损伤蛋白或细胞器降解掉从而产生能量让自己存活下来的过程。凋亡是指机体通过自身基因及其产物主动而有序的调控机体死亡的过程，称为Ⅰ型PCD。对于自噬的功能目前主要存在两种观点:一种是自噬导致细胞存活，在众多的哺乳动物细胞中，如在人类的成纤维和T细胞中，自噬是一种存活过程。另一种是自噬是一种死亡过程，既Ⅱ型PCD，如在果蝇中肠的降解。因此，自噬究竟是存活还是死亡、自噬与凋亡之间究竟存在着一种什么关系以及自噬转向凋亡的分子机制是当今亟待解决的科学问题。
　　昆虫在经历幼虫到蛹的转变过程中，旧的中肠会发生PCD降解，包括自噬与凋亡，因此昆虫中肠PCD为研究自噬和凋亡以及二者的关系提供了理想模型。双翅目昆虫果蝇中肠PCD是一种自噬性死亡，没有凋亡性死亡，而鳞翅目昆虫家蚕中肠PCD中却是先发生自噬，然后发生凋亡，但家蚕中肠PCD自噬转化成凋亡的机制尚不清楚。因此，不同昆虫中肠的PCD的机制有所不同。昆虫PCD的发生依赖于蜕皮激素(20-Hydroxyecdysone，20E)，在家蚕脂肪体中，20E可以通过上调自噬相关基因和凋亡相关基因的表达来促进脂肪体PCD。在家蚕丝腺中，20E可以引起胞内Ca2+水平的升高最终活化下游的Caspase-3导致PCD。
　　钙离子的变化和平衡对细胞行使多种功能有着重要的作用，胞质中的钙离子水平相对较低，而胞外可以维持较高的钙离子水平。在一些细胞中，胞内钙离子的增加可以促进自噬。另外还有一些细胞中，胞内钙离子的增加可以活化钙依赖蛋白酶Calpain，Calpain一旦活化后，就会引起自噬相关蛋白5(ATG5)切割成氨基端ATG5(NtATG5)，这样自噬的过程就会受阻，凋亡就会增强。因此，我们推测20E增加的细胞内Ca2+在自噬与凋亡的转化中发挥重要作用。为了验证我们的假设以及解决自噬研究领域存在的科学问题，我们以鳞翅目昆虫棉铃虫的中肠PCD作为模型，并以棉铃虫的表皮细胞系(HaEpi)作为平台开展研究，以回答自噬的功能究竟是一种存活还是死亡，自噬与凋亡究竟是一种什么关系以及自噬转向凋亡的分子机制等科学问题。
　　研究结果:
　　在鳞翅目昆虫棉铃虫中，自噬相关基因(ATGs)和凋亡相关基因(Caspases)都在变态期高表达，而且都响应20E的诱导。大部分自噬相关基因的表达要先于凋亡相关基因。20E可以诱导微管轻链3蛋白-磷脂酰乙醇胺(LC3-Ⅱ，又名ATG8)的形成，表明自噬受20E的诱导，但是转染pIEx-RFP-GFP-LC3-His荧光双标签质粒进一步检测自噬发现，20E诱导的自噬不能持续下去，这表明自噬在20E诱导的晚期呈现出下降趋势，而凋亡却显著增加，说明20E诱导的自噬最终转向了凋亡。在鳞翅目昆虫棉铃虫中肠程序性细胞死亡过程中(PCD)，既存在自噬也存在凋亡而且自噬发生在前凋亡的发生在后。LC3-Ⅱ形成的增加预示自噬的水平的增加;活化的Caspase-3和流式细胞仪用于检测凋亡的水平。凋亡发生时Caspase-3被活化同时自噬相关蛋白ATG5被切割产生氨基端ATG5(NtATG5)。在棉铃虫的表皮细胞系(HaEpi)中，相对较低浓度20E情况下，LC3-Ⅱ的形成增多预示着自噬会逐渐增强，在相对较高浓度的20E情况下，ATG5被切割成为NtATG5，Caspase-3的活性逐渐增强，预示着自噬转向了凋亡。当干扰ATG5或施加自噬的抑制剂3-甲基嘌呤(3-MA)时，20E诱导的自噬和凋亡会受到抑制。但是，当施加凋亡的抑制剂Ac-DEVD-CHO时，可以抑制20E诱导的凋亡，但没有阻止20E诱导的自噬。这暗示了自噬控制并决定凋亡。另外，高浓度20E可以诱导胞内Ca2+水平升高促进ATG5的切割成NtATG5，Caspase-3的活化，进而将自噬转向凋亡。阻止20E诱导的胞内Ca2+的升高将会导致NtATG5以及活化的Caspase-3下降，细胞会维持自噬存活。在人类乳腺癌细胞中，20E可诱导自噬的发生，但是当施加高浓度的Ca2+时，自噬会转化成凋亡。这些结果表明胞内高浓度的Ca2+将细胞自噬性存活转为凋亡性死亡，而且20E诱导了胞内高浓度的Ca2+促进了自噬向凋亡的转化。
　　结论:
　　1.自噬是一种存活过程，凋亡是一种细胞死亡过程。当凋亡受到抑制时，细胞将处于自噬的存活状态。这与果蝇中肠的自噬死亡不一样，可能是物种间调控机制的差异。
　　2.20E诱导中肠自噬和凋亡先后发生并促使自噬向凋亡转化。自噬是凋亡的前提，凋亡终结自噬。阐明了中肠中自噬与凋亡的关系不是简单的拮抗关系。
　　3.20E通过增加细胞内钙离子浓度促进自噬向凋亡转化。高浓度的20E诱导胞内Ca2+增加，高水平的Ca2+使ATG5被切割成NtATG5进而活化Caspase-3引起凋亡。抑制Ca2+通道可以阻止自噬向凋亡的转化。在没有钙离子时自噬不能被转化成凋亡。该结果在人乳腺癌细胞中可以得到验证。确定了自噬转向凋亡的关键因子是钙离子。
　　科学意义:
　　阐明了20E调控钙离子增加，介导自噬转化为凋亡是中肠PCD的分子机制;自噬是一种存活过程而凋亡是一种细胞死亡过程;Ca2+离子的浓度决定了自噬向凋亡的转化。丰富了昆虫中肠PCD的理论，为防治病虫害提供了新的靶标。为自噬的功能及在细胞存活与死亡中的机制提供了新的理论依据。

目录

声明

摘要

符号说明

1 概述

2 自噬和凋亡的研究进展

2．1 自噬的存活功能

2．2 自噬的分子机制

2．3 凋亡

2．4 自噬与凋亡的关系

2．5 钙离子和凋亡

2．6 钙离子与自噬

3 昆虫组织重建过程中发生的程序性细胞死亡(PCD)及调控机制

3．1 昆虫蜕皮与变态

3．2 昆虫PCD

3．3 20-羟基蜕皮酮(20-hydroxyecdysone，20E)

3．4 昆虫发育过程中20E的滴度变化

3．5 20E介导的PCD

3．6 20E介导的钙信号

4 存在的科学问题及实验方案

第二章 类固醇激素20-羟基蜕皮酮通过增加细胞内钙离子水平促进自噬向凋亡的转化

1 引言

2 实验材料与方法

2．1 实验材料

2．2 实验方法

3 实验结果

3．1 棉铃虫自噬相关基因(ATGs)和细胞凋亡蛋白酶基因(Caspases)的鉴定

3．2 原核表达纯化后的ATG5、LC3蛋白以及抗体特异性检测

3．3 中肠ATGs和Caspases在不同发育阶段转录水平分析

3．4 20E诱导ATGs和Caspases表达上调

3．5 ATG5、LC3以及Caspase-3在中肠中的蛋白水平表达模式

3．6 LC3，Caspase-3在中肠组织中的定位

3．7 20E诱导自噬

3．8 20E诱导凋亡

3．9 20E诱导自噬先于凋亡的发生

3．10 高浓度20E诱导凋亡，相对较低浓度20E诱导自噬

3．11 凋亡依赖于自噬

3．12 Ca2+决定自噬向凋亡的转化

4．讨论

4．1 20E诱导自噬向凋亡的转化依赖于20E的剂量

4．2 20E诱导细胞内钙离子水平的增加促进NtATG5的形成将自噬转化为凋亡

4．3 在20E诱导的中肠PCD过程中，自噬相关蛋白是凋亡所必须的

5．结论

创新点总结与意义

论文的不足之处

参考文献

致谢

在读期间已发表和准备发表的文章