DMT1参与β-淀粉样前体蛋白表达和Aβ分泌的机制研究

论文摘要

前言阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease,AD）是一种发生于老年及老年前期的以进行性痴呆为主要特征的神经系统退行性疾病,其主要临床特征是进行性记忆丧失、认知缺陷及严重的精神障碍。AD的一个主要病理学标志是脑部出现淀粉样沉积,即老年斑（senil plaque,SP）。老年斑的核心成分是一种由39-43个氨基酸残基构成的小神经肽—Aβ（β-amyloid peptide）,Aβ由淀粉样前体蛋白（amyloidprecursor protein,APP）经过β-分泌酶及γ-分泌酶水解并分泌至细胞外。在正常生理状态下,人脑内存在纳摩尔级浓度的可溶性Aβ,对神经元具有神经营养作用。但在AD时,APP的异常剪切加工、Aβ的形成及其从可溶状态到不溶状态的转变是AD发病机制中的关键环节,近年来的研究表明铁、铜和锌等金属离子与APP、β-分泌酶、γ-分泌酶和Tau蛋白的基因表达密切相关,从而参与Aβ分泌、沉积。以金属离子及金属离子转运蛋白为切入点,解析AD发病机制并寻找AD治疗靶点已经成为AD治疗学的热点之一。二价金属离子转运体（divalent metal transporter 1,DMT1）属于自然抵抗相关的巨噬细胞蛋白家族。DMT1蛋白有12个跨膜域,根据DMT1 mRNA的3’端非翻译区（3’-untranslational region,3’-UTR）是否带有铁反应元件（iron-responseelement,IRE）,可将DMT1分为DMT1-IRE和DMT1-nonIRE两种异构体,二者均定位于细胞膜和胞内循环的内吞小泡膜上,参与多种二价金属离子尤其是铁离子的转运,是维持细胞内二价金属离子稳态的重要金属转运蛋白之一。近年来有关DMT1与神经退行性疾病发病机理的研究引人关注,通过对帕金森病（Parkinson disease,PD）患者和PD模型鼠的研究表明,DMT1在黑质的表达显著增强;而DMT1功能缺失鼠（mk/mk小鼠）却能拮抗1-甲基-4-苯-1,2,3,6-四氢吡啶（1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine,MPTP）和6-羟多巴胺诱导的PD症状和黑质神经元死亡。令人感兴趣的是老龄大鼠脑内DMT1表达呈年龄性增高趋势;多种炎症因子也能使DMT1在脑内表达上调,这两种情况均是诱发AD的重要危险因素。然而,有关DMT1与AD发病机理的研究尚未见报道。本研究对DMT1-IRE和DMT1-nonlRE在AD病人和APP/PS1转基因小鼠脑内的表达变化、定位分布及与Aβ的相关性进行系统分析,应用RNA干扰技术（RNAinterference,RNAi）探讨DMT1基因沉默阻抑APP表达和Aβ分泌的效果,对深入探讨脑金属代谢紊乱与AD病理生理机制具有重要意义。实验方法采用AD病人尸检脑组织、双转染人APP695swe基因和人早老素（presenilin,PS-1）突变基因的AD模型小鼠（APP/PS1小鼠）及稳定转染APP695swe基因的SH-SY5Y细胞（APPsw细胞）为研究对象,应用免疫荧光双标和激光共聚焦扫描显微技术（Confocal Laser Scanning Microscopy,CLSM）检测DMT1在AD病人和APP/PS1小鼠脑内的定位分布及其与Aβ在老年斑内的位置关系,应用Western Blot技术检测APP/PS1小鼠大脑皮层和海马及APPsw细胞DMT1的表达变化,应用免疫共沉淀技术（co-immunoprecipitation,co-IP）检测APP/PS1转基因小鼠脑内DMT1和Aβ的蛋白相关性,应用RNAi技术阻抑DMT1基因在稳定转染APPsw cDNA和空质粒neo的SH-SY5Y细胞的表达,并应用Western Blot技术检测RNAi对DMT1的基因沉默效果,应用Calcein AM荧光褪色光度法、RT-PCR技术、Western Blot技术、免疫荧光双标技术、ELISA技术、MTT技术检测DMT1-RNAi对细胞铁离子转运、APP表达、Aβ分泌和细胞生存率的影响。实验结果一、DMT1异常分布和表达参与AD发生的在体研究1、DMT1在AD病人及APP/PS1转基因小鼠脑内的分布免疫组织化学结果显示,DMT1-IRE和DMT1-nonIRE免疫阳性反应产物均呈棕黄色,一在大脑皮层及海马内均可见DMT1阳性的老年斑分布,斑块大小不等,形状为圆形或不规则形状,边界较清晰。高倍镜下可见DMT1-IRE和DMT1-nonIRE广泛分布到整个老年斑内。此外,DMT1-IRE还广泛表达于淀粉样变性的血管壁及其周围。免疫荧光双标的共聚焦激光扫描结果显示,在AD病人和APP/PS1转基因小鼠脑内,Aβ免疫阳性的老年斑广泛分布于大脑皮层及海马,几乎所有Aβ阳性的老年斑均有不同程度的DMT1表达,即DMT1和Aβ共存于老年斑内。高倍镜观察可见在APP/PS1转基因小鼠脑内,Aβ主要分布于老年斑的核心,DMT1-IRE与DMT1-nonIRE在整个老年斑内均有分布,中心部位免疫阳性反应最强。而且DMT-IRE免疫荧光除了分布在老年斑中,还可见于淀粉样变性的血管壁及其周围。2、DMT1在APP/PS1转基因小鼠大脑皮层及海马内的表达变化Western Blot结果显示,DMT1在APP/PS1转基因小鼠大脑皮层和海马内的表达均明显高于野生型对照小鼠。其中DMT1-IRE和DMT1-nonIRE在大脑皮层的表达量分别是野生型小鼠的155.4%和158.5%;在海马的表达量分别是野生型小鼠的256.8%和239.9%。3、DMT1与Aβ蛋白相关性分析Co-IP结果显示,应用Aβ抗体对APP/PS1转基因小鼠大脑皮层蛋白进行免疫共沉淀,经过琼脂糖凝胶电泳,未见DMT1-IRE和DMT1-nonIRE条带。二、DMT1异常分布和表达参与AD发生的离体研究1、APPSW细胞APP695表达及Aβ1-42分泌显著增多Western Blot检测转染APPsw基因的SH-SY5Y细胞APP695水平显著高于对照组转空质粒的neo细胞。ELISA法检测APPsw细胞和neo细胞的条件培养基中Aβ1-42的水平,发现APPsw细胞分泌的Aβ1-42为86 pg/ml/protein,明显高于neo细胞分泌的8 pg/ml/protein。2、DMT1在转染人APPsw基因的SH-SY5Y细胞中的表达变化应用转染人APPsw基因的SH-SY5Y细胞株作为AD细胞模型,免疫荧光双标的共聚焦激光扫描结果显示,APPsw细胞呈Aβ免疫阳性,而且DMT1-IRE和DMT1-nonIRE与Aβ共同表达。Western Blot结果显示,DMT1-IRE和DMT1-nonIRE在APPsw细胞的表达均明显高于转染空质粒neo的对照组细胞。3、FeSO4对APPSW细胞和neo细胞表达DMT1的影响Western Blot结果显示,10和50μM的FeSO4可使neo细胞表达DMT1-IRE显著增高,100、200和500 gM的FeSO4处理后DMT1-IRE的表达降低,但是APPsw细胞经不同浓度的FeSO4处理后,DMT1-IRE表达均显著升高,并具有随着FeSO4浓度升高表达增高的趋势。不同浓度FeSO4处理后,neo细胞和APPsw细胞表达的DMT1-nonIRE均有不同程度的增高,但与FeSO4的浓度不具有相关性,而且APPsw细胞增高的程度更为显著。结果提示DMT1在APPsw细胞中的表达不受铁离子的负反馈调控,始终处于较高的水平。三、DMT1参与APP表达和Aβ分泌的机制研究1、RNAi对DMT1基因的沉默效果检测Western Blot结果显示,RNAi可明显抑制APPsw细胞的DMT1蛋白表达,干扰后48h为抑制效果最佳时间点,DMT1-IRE表达量为对照组的40%,DMT1-nonIRE表达量仅为对照组的20%。Calcein AM荧光褪色光度法结果显示,在APPsw细胞,DMT1-RNAi后48h,APPsw细胞内的荧光强度明显高于未干扰细胞,表明干扰后铁内流减少。2、DMT1-RNAi对APP表达和Aβ分泌的影响RT-PCR结果显示,RNAi可明显抑制APP mRNA的表达,其中RNAi处理48 h后,APPsw细胞和neo细胞的APP mRNA水平分别降低了36.4%和29.2%析因分析显示DMT1-RNAi对APPsw细胞的APP mRNA表达的影响更为显著。Western Blot结果显示,RNAi可明显抑制APPsw细胞的APP695蛋白表达,并且抑制程度与干扰效率呈时间依赖性。neo细胞的APP695表达也有一定程度的降低。析因设计方差分析结果显示,DMT1-RNAi后,ApPsw细胞的APP695蛋白表达量降低的更为显著。ELISA结果显示,干扰48 h后,APPsw分泌的Aβ1-42由干扰前的86pg/ml/protein下降为62 pg/ml/protein。neo细胞分泌的Aβ1-42也有一定程度的降低,但并无统计学意义。3、DMT1-RNAi可拮抗金属离子对细胞生存率的影响MTT结果显示,APPsw细胞生存率随培养液中FeSO4、FeCl3、CuSO4和ZnSO4浓度的升高而降低,选择可使APPsw细胞的生存率降低20%左右的100μM FeSO4、100μM FeCl3、50μM CuSO4和50μM ZnSO4作为处理因素。正常培养条件下,DMT1-RNAi对细胞生存率几乎没有影响,但是RNAi可以逆转100μM FeSO4、100μM FeCl3和50μM CuSO4引起的APPsw细胞生存率降低。但对50μM ZnSO4处理的APPsw细胞生存率没有影响。4、DMT1-RNAi可拮抗金属离子诱导的APP蛋白表达上调Aβ分泌Western Blot结果显示,100μM FeSO4、100μM FeCl3和50μM CuSO4处理可分别使APPsw细胞APP695蛋白表达升高,而DMT1-RNAi可拮抗金属离子诱导的APP蛋白表达上调。但DMT1-RNAi对50μM ZnSO4处理的APPsw细胞表达的APP695水平没有影响。ELISA结果显示,100μM FeSO4可使APPsw分泌的Aβ1-42从86 pg/ml/protein升高至98 pg/ml/protein,而DMT1-RNAi后APPsw细胞分泌Aβ1-42的水平降低至90pg/ml/protein。结论1、DMT1-IRE和DMT1-nonIRE与Aβ共表达于AD患者和APP/PS1转基因小鼠脑内老年斑和淀粉样变性的血管壁及其周围脑组织。DMT1-IRE和DMT1-nonIRE在APP/PS1转基因小鼠大脑皮层和海马的表达均高于野生型小鼠。2、DMT1-IRE和DMT1-nonlRE在稳定转染APPsw基因的SH-SY5Y细胞表达均高于转染空质粒的SH-SY5Y细胞,并且不受Fe2+的反馈调控。。3、DMT1-RNAi可明显降低稳定转染APPsw基因的SH-SY5Y细胞的APP表达和Aβ分泌,而且APP的表达抑制程度与DMT1-RNAi效率一致。4、金属离子铁、铜和锌能降低APPsw细胞的生存率,而DMT1-RNAi可拮抗金属离子的作用,提高细胞生存率;同时铁、铜和锌能上调APPsw细胞内APP蛋白表达水平,使分泌性Aβ产生增多,DMT1-RNAi可显著降低金属离子诱导的APP蛋白表达水平和Aβ1-42分泌水平。

论文目录

• 一、摘要
• 中文论著摘要
• 英文论著摘要
• 二、英文缩略语
• 三、论文
• 论文一 DMT1在AD病人和转基因鼠大脑老年斑内的分布与表达
• 前言
• 实验材料和方法
• 实验结果
• 讨论
• 结论
• 论文二 DMT1参与APP表达和酶切加工及Aβ分泌的机制研究
• 前言
• 实验材料和方法
• 实验结果
• 讨论
• 结论
• 四、本研究创新性的自我评价
• 五、参考文献
• 六、附录
• 综述
• 在学期间科研成绩
• 致谢
• 个人简介