Caveolin-1在氧化应激致肺血管通透性增加中的作用和调控机制

摘要

研究目的:血管通透性(vascular permeability)增加及其引起的组织水肿是多种炎症性疾病如急性肺损伤(acute lung injury)等共同的病理特点。其包括跨细胞通透性(transcellular:permeabilit),)和细胞旁通透性(paracellular permeability)两个方面。在生理条件下,内皮细胞间连接严格限制血液中生物大分子如白蛋白的通过,血管内皮对白蛋白的基础通透性主要取决于caveolae介导的的跨细胞转运(transcytosis)。病理情况下,活性氧(reactive oxygen species,ROS)包括超氧阴离子(·O2-)、过氧化氢(H2O2)等产生增加,形成氧化应激状态,是诱导血管通透性增加的一个重要因素,但其作用机制尚不完全清楚。有研究表明,氧化剂主要通过破坏细胞间连接从而增加细胞旁通透性。
　　 Caveolin-1(Cav-1)为分子量为21-24kDa的整合膜蛋白,是caveolae的主要结构和调节蛋白,在内皮细胞中表达丰富。我们前期的研究表明,caveolae介导的白蛋白跨细胞转运,不仅在生理状态下维持正常的组织胶体渗透压起决定性作用,而且在炎症(如活化的中性粒细胞)导致的肺血管通透性增加中也起重要作用,且此过程依赖于Cav-1的磷酸化。此外,近期多项研究也指出,Cav-1也参与了对细胞间粘附和细胞旁通透性的调节。但是,Cav-1对氧化应激致肺血管通透性增加的两条途径的调节作用及其调控机制目前尚无报道。
　　 研究方法:本研究用H2O2作为外源性ROS的来源,诱导氧化应激。体外实验利用培养的大鼠肺微血管内皮细胞(Rat lung microvascular endothelial cells,RLMVECs),或用野生型Cav-1(WT-Cav-1)cDNA和不能被磷酸化的突变型Cav-1(Y14F-Cav-1)cDNA转染RLMVECs,构建两种稳定转染细胞系,其中内源性Cav-1的表达水平未改变,但是外源性Y14F-Cav-1具有显性负效应(dominant-negativeeffecf)可同时抑制内源性Cav-1的磷酸化,研究H2O2诱导的Cav-1磷酸化对白蛋白跨细胞通透性和细胞旁通透性的调节作用和调控机制。免疫沉淀和免疫印迹法检测蛋白Cav-1、Src激酶和c-Abl激酶的磷酸化水平。利用小干扰RNA(Small interferingRNA,siRNA)介导的基因沉默技术,抑制Cav-1并c-Abl激酶的表达。以甲基环糊精(methyl-β-cyclodextrin,MβCD)和Src激酶抑制剂PP2分别破环caveolae结构和抑制Src激酶活性。利用放射性同位素碘125(125Ⅰ)标记的白蛋白检测白蛋白的内吞和跨细胞转运。免疫荧光和共聚焦显微镜技术检测白蛋白内吞,Cav-1和β-catenin的细胞定位和共定位并且观察细胞间连接的完整性。测定跨内皮电阻(transendothelialelectrical resistance,TER),反映内皮屏障功能(细胞旁通透性)的变化。免疫共沉淀技术测定Cav-1和β-catenin,β-catenin和VE-cadherin之间的相互作用及其变化。利用细胞膜和细胞质分离技术检测蛋白的转位。
　　 体内实验用野生型(Cav-1+/+)和Cav-1基因敲除(Cav-1-/-)小鼠,采用新鲜制备的脂质体介导的基因转染法,将WT-Cav-1和Y14F-Cav-1 cDNA转染到Cav-1-/-小鼠体内,使肺血管内皮细胞重新表达Cav-1蛋白(WT-Cav-1或者Y14F-Cav-1),然后利用小鼠的原位离体肺灌流模型,研究H2O2诱导的Cav-1磷酸化在肺血管通透性增加和肺水肿形成中的作用。免疫印迹法检测Cav-1和磷酸化Cav-1的蛋白表达。测定125Ⅰ标记白蛋白的血管外漏出量,计算肺白蛋白通透性和表面积的乘积(Permeability-surface area[PS]product,定量评价肺微血管通透性。测量肺的湿干比,判断肺水肿程度。
　　 结果:体外实验结果(1)H2O2(0.05-0.8mmol/L)可增加Cav-1氨基端的第14位酪氨酸磷酸化,并呈浓度依赖性。从5min开始升高,30min达最高峰,60min恢复到基础水平。同时,Src激酶的第418位酪氨酸磷酸化与Cav-1的磷酸化同步增加；c-Abl激酶的磷酸化也呈浓度依赖性的增高。低浓度H2O2(0.2mmol/L)引起的Cav-1磷酸化可被PP2完全抑制,而c-Abl siRNA对其无抑制作用。高浓度的H2O2(0.6mmol/L)诱导的磷酸化,只能部分被PP2抑制,并且c-Abl siRNA对其也有部分抑制作用。另外发现,PP2可明显抑制c-Abl激酶的磷酸化。(2)H2O2(0.05-0.2mmol/L)不损伤细胞间连接,不破环内皮屏障功能,但是可以浓度依赖性的增加白蛋白的细胞内吞和跨细胞转运,从而增加跨细胞通透性。并且发现,H2O2诱导的白蛋白内吞和跨细胞转运,可以被MβCD、Cav-1 siRNA以及PP2阻断,但是不受c-Abl激酶活性的影响,揭示磷酸化的Cav-1发挥重要作用。进一步实验显示,过表达Y14F-Cav-1与过表达WT-Cav-1的细胞相比,明显减弱了H2O2介导的白蛋白内吞和跨细胞转运。(3)H2O2(0.4-0.8mmol/L)可降低TER,诱导内皮细胞间隙形成,其中H2O2(0.4-0.6mmol/L)诱导的TER的降低可在5h内完全恢复,所以选择0.6mmol/LH2O2作为破坏正常细胞间连接,增加细胞旁通透性的药物浓度。结果显示,与正常细胞相比,0.6mmol/L H2O2可使过表达WT-Cav-1细胞的TER降低进一步加剧,而过表达Y14F-Cav-1的细胞、PP2和c-Abl siRNA均可使TER降低的幅度减弱,且c-Abl siRNA与PP2相比,可使TER更快恢复。更值得注意的是,0.2mmol/L H2O2就足以使过表达WT-Cav-1的细胞TER明显降低,而此浓度对于正常细胞和过表达Y14F-Cav-1的细胞无效；(4)免疫荧光结果显示,在正常情况下,存在明显的Car-1与β-catenin共定位于细胞-细胞邻接处。免疫共沉淀也表明,Cav-1与β-catenin间存在相互作用。0.6mmol/L H2O2可降低Cav-1与β-catenine的相互作用,使β-catenin由细胞膜转移到细胞质,破坏β-catenin和VE-cadherin的复合体,并观察到细胞间隙。而对于过表达WT-Cav-1的细胞,0.2mmol/L H2O2即可引起上述变化,但对于过表达Y14F-Cav-1的细胞无影响。
　　 体内实验结果表明,0.5mmol/L H2O2处理Cav-1+/+小鼠,可增加PS product和肺湿干比。而处理Cav-1-/-小鼠,PS product和肺湿干比未见增加。重新表达WT-Cav-1的Cav-1-/-小鼠,可以恢复与Cav-1+/+小鼠相同的对H2O2的敏感性,而重新表达Y14F-Cav-1的Cav-1-/-小鼠仍然未发生肺通透性增加和肺水肿。
　　 结论:(1)H2O2可诱导Cav-1的酪氨酸磷酸化。其中低浓度H2O2诱导的Cav-1磷酸化主要依赖于Src激酶,而高浓度H2O2诱导的Cav-1磷酸化同时依赖于Src和c-Abl激酶。(2)Cav-1的磷酸化介导了低浓度的H2O2诱导的白蛋白跨细胞通透性增加。(3)Cav-1的磷酸化介导了高浓度H2O2诱导的白蛋白细胞旁通透性增加。其机制主要是通过阻碍Cav-1与细胞连接蛋白β-catenin的结合,使β-catenin由细胞膜转移到细胞质,从而减少β-catenin和VE-cadherin的复合体,破环细胞连接的稳定性。(4)Cav-1的磷酸化介导了H2O2诱导的肺血管通透性增加和肺水肿。
　　 意义:本研究首次证明了磷酸化的Cav-1不仅参与了氧化剂诱导的血管内皮跨细胞通透性增加,更重要的是其可以调节细胞间连接,在细胞旁通透性增加中也起关键作用。首次将导致通透性增加的两条原本认为孤立的途径用一个蛋白即磷酸化的Cav-1联系起来。同时也揭示了,炎症状态下跨细胞通透性和细胞旁通透性之间可能存在协同关系。磷酸化的Cav-1可能是抑制氧化剂诱导的肺血管通透性增加,阻止肺水肿的重要的治疗靶点,因此对进一步认识急性肺损伤的发病机制及寻求更有效的治疗方法有重大意义。

目录

文摘

英文文摘

TABLE OF CONTENTS

符号说明

第一章 前言

第二章 实验材料

第三章 实验方法

3.1 体外实验

3.1.1 细胞培养

3.1.2 基因沉默-小干扰RNA技术

3.1.3 质粒扩增和抽提

3.1.4 建立稳定转染细胞系

3.1.5 用放射性碘125标记的白蛋白检测白蛋白的内吞

3.1.6 用放射性碘125标记的白蛋白检测白蛋白的跨细胞转运

3.1.7 用免疫荧光标记的白蛋白检测白蛋白的内吞

3.1.8 跨内皮细胞电阻检测内皮屏障功能

3.1.9 免疫印迹分析法

3.1.10免疫沉淀纯化蛋白、免疫共沉淀法检测蛋白之间相互作用

3.1.11免疫荧光双染色

3.1.12分离细胞质和细胞膜

3.2 整体动物实验

3.2.1 新鲜脂质体的制备

3.2.2 脂质体介导的小鼠基因转染

3.2.3 小鼠原位离体肺灌流模型

3.2.4 计算白蛋白通透性肺表面积乘积定量评价肺血管通透性

3.2.5 肺湿/干比重检测肺水肿

3.2.6 小鼠肺组织总蛋白的抽提和蛋白浓度的测定

3.3 统计分析

第四章 结果与分析

4.1 H2O2通过Src和c-Ab1激酶诱导Cav-1的酪氨酸磷酸化

4.2 Cav-1的磷酸化介导H2O2诱导的白蛋白跨细胞通透性增加

4.3 Cav-1的磷酸化介导H2O2诱导的白蛋白细胞旁通透性增加

4.4 Cav-1的磷酸化介导H2O2诱导的β-catenin和VE-cadherin复合体分离

4.5 Cav-1的磷酸化介导H2O2诱导的肺血管通透性增高和肺水肿

4.6 模型

第五章 讨论

第六章 结论

第七章 附图表

英文论文

参考文献

文献综述

Ⅰ活性氧对血管内皮细胞通透性的影响

参考文献

ⅡCaveolae、Caveolin-1在调节血管内皮细胞通透性中的作用及机制

参考文献

致谢

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