50Hz工频磁场暴露引起FL细胞线粒体膜通透性转换的生物学机制及效应

摘要

极低频电磁场（extremely low frequency electromagnetic fields，ELF-EMF）一般指频率为0-300 Hz的交变电磁场，其中频率为50/60 Hz的磁场又称为工频磁场（magnetic fields，MF），可由各种家用电器以及高压输变电线路产生，广泛存在于职业环境及日常生活环境中。自1979年，Leeper和Wertheimer首先报道MF暴露与儿童白血病发病率存在正相关，ELF-EMF对人体的潜在危害日益受到人们的关注。此后，又有诸多研究报道ELF-EMF暴露与肿瘤，神经系统疾病，不孕症等疾病具有相关性。然而，到目前为止，ELF-EMF产生这些生物学效应的机制尚不明确。
　　线粒体作为细胞的“能量工厂”，不仅能够通过呼吸作用产生ROS，还能在维持离子浓度平衡中起着重要的作用。因此，线粒体极易成为外界刺激因素的一个作用位点。本课题组在前期的研究中发现，工频磁场暴露可以引起线粒体膜通透性转换（mitochondrial permeability transition，MPT）并伴随细胞色素c(Cyt-c)的释放，但并不引起细胞发生凋亡。线粒体具有双层膜结构，正常生理情况下，线粒体内膜对离子高度不通透。然而在某些因素的作用下，可致线粒体膜通透性转换孔(mitochondrial permeability transition pore，mPTP)开启，从而允许分子量小于1500 Da的分子自由出入线粒体内外膜，引起线粒体基质肿胀及其结构改变，并最终产生一系列生物学效应。
　　有研究表明，细胞内有多种信号分子可介导mPTP的开启，从而诱导发生MPT，如Bcl-2蛋白家族，GSK-3β蛋白，ROS等，而诱导产生ROS是工频磁场比较确定的效应。因此，本学位论文首先探索了ROS等信号分子在工频磁场暴露诱导细胞发生MPT过程中的可能作用，以期揭示工频磁场诱导细胞MPT的分子机制。研究发现，工频磁场暴露并不改变线粒体中Bcl-2，Bax蛋白的含量，但可以显著增高细胞内ROS水平并改变GSK-3β磷酸化水平程度;用ROS清除剂NAC及GSK-3β抑制剂分别预处理细胞均可以抑制工频磁场诱导产生的MPT;并且NAC预处理细胞能够显著抑制工频磁场暴露后GSK-3β磷酸化的改变。以上结果提示，工频磁场暴露引起细胞发生MPT由ROS/GSK-3β信号通路介导。
　　另外，前期研究发现工频磁场暴露虽然诱导细胞发生了MPT及Cyt-c的释放，但并没有引起细胞凋亡的发生，因此，推测工频磁场暴露可能会改变细胞的状态，从而影响细胞对外界刺激因素的响应。为此，本学位论文随后探索了工频磁场暴露与凋亡诱导剂staurosporine(STS)可能的联合作用。结果发现，将细胞预暴露于工频磁场可以显著抑制低剂量STS诱导的细胞早期凋亡，并呈现出暴露时间窗效应和功率窗效应。MPT抑制剂CyclosporineA(CsA)预处理细胞可以抑制工频磁场的抗凋亡作用，提示MPT在这一过程中起着重要的作用。同时，工频磁场暴露可促进线粒体ROS通过mPTP释放到胞浆中并激活Akt信号通路。而且，PI3K/Akt抑制剂能有效抑制MF的抗凋亡作用，提示Akt也参与了工频磁场的抗凋亡过程。以上结果表明，工频磁场暴露可诱导细胞线粒体内ROS经mPTP释放到胞浆并激活Akt信号通路，从而影响细胞对外界的刺激因素的响应。
　　综上所述，本学位论文分别探讨了工频磁场暴露引起MPT的分子机制及其生物学效应。结果显示，细胞内ROS/GSK-3β信号通路介导工频磁场诱导的MPT发生过程;线粒体内ROS可通过mPTP释放到胞浆中并激活Akt信号通路，从而拮抗STS诱导的细胞早期凋亡。

目录

声明

致谢

摘要

缩略词

1 引言

2 实验材料

2．1 细胞培养

2．2 主要试剂

2．3 主要仪器设备

2．4 主要耗材

2．5 缓冲液与常用试剂配置

2．6 工频磁场暴露系统

2．7 分析软件

3 实验方法

3．1 第一部分 工频磁场诱导FL细胞线粒体膜通透性转换的分子机制

3．2 第二部分 工频磁场诱导FL细胞线粒体膜通透性转换的生物学效应

4 实验结果

4．1 第一部分 工频磁场诱导FL细胞线粒体膜通透性转换的分子机制

4．1．1 工频磁场暴露对FL细胞内Bcl-2，Bax含量的影响

4．1．2 ROS介导工频磁场诱导的MPT

4．1．3 GSK-3β介导工频磁场诱导的MPT

4．1．4 ROS介导工频磁场诱导的GSK-3β磷酸化(Ser9)水平改变

4．2 第二部分 工频磁场诱导FL细胞线粒体膜通透性转换的生物学效应

4．2．1 工频磁场暴露对细胞早期凋亡及活力的影响

4．2．2 工频磁场暴露拮抗STS诱导的细胞早期凋亡

4．2．3 线粒体ROS的释放介导工频磁场诱导的抗凋亡作用

4．2．4 Akt介导工频磁场诱导的抗凋亡作用

5 讨论

6 结论

参考文献

综述 线粒体膜通透性转换调节机制研究进展

作者简介及科研成果