樊嘉琦 周学章
(宁夏大学生命科学学院,银川 750000)
乳脂和乳蛋白是衡量乳制品品质的关键营养成分,其中乳脂在牛奶中含量为3%~5%,牛奶乳脂中97%的成分可被人体吸收,牛奶中乳蛋白的含量影响牛奶的营养价值[1]。奶牛乳腺上皮细胞(bovine mammary epithelial cells,BMECs)是乳腺组织中吸收营养物质、执行泌乳功能、与外界直接接触、高度分化的免疫细胞,也是合成和分泌乳脂、乳糖、乳蛋白等营养成分的主要场所[2-3]。牛乳中各种成分会在一定范围内波动,其中乳脂含量是牛乳中最容易产生浮动的指标,奶牛品种、年龄、胎次、泌乳时间等均可影响乳脂的分泌[4-5]。当奶牛乳腺炎发生时,由于乳腺组织的损伤,会导致牛奶中营养成分的降低及产量的下降,在BMECs炎症模型中,乳脂、乳蛋白表达量减少[6-7]。脂多糖(lipopolysaccharides,LPS)是革兰氏阴性菌细胞壁的主要成分,可引起机体及细胞的免疫反应。有研究表明,LPS可引起乳腺组织剧烈的炎症反应,目前LPS刺激BMECs是体外研究奶牛乳腺炎模型的主要方法[6,8]。奶牛乳腺炎的发生会降低乳脂及乳蛋白的合成,影响牛奶的品质及产量,增加奶牛淘汰率,因此,寻找缓解BMECs细胞炎症、保证乳品质的持续发展的药物十分重要。如今发现多种中药及中药提取物可以提升奶牛的泌乳性能,并缓解乳腺炎的发生[1,9-10]。黄芪甲苷(astragalus-Ⅳ,AS-Ⅳ)是中药黄芪的一种提取物,具有抗炎、抗病毒、抗菌、抗癌的功能和增强机体免疫的作用[11]。本课题组前期研究发现,AS-Ⅳ可以抑制LPS刺激的BMECs中炎症因子的表达,并激活细胞中β-酪蛋白的分泌[12]。基于此研究背景,本试验以LPS为炎症诱导剂,研究AS-Ⅳ干预LPS诱导的BMECs中乳脂及乳蛋白合成的影响,为AS-Ⅳ在缓解乳腺炎中的进一步应用提供理论依据。
BMECs由宁夏大学生命科学学院王东老师惠赠,将培养8~15代的BMECs用于试验研究。
倒置显微镜(日本奥利巴斯公司);细胞计数仪、酶标仪、荧光定量PCR仪、蛋白电泳仪、蛋白转膜仪(美国Bio-Rad公司);流式细胞仪(美国BD公司)。AS-Ⅳ(北京某科技有限公司);黄芪甲苷-5(6)-羧基二乙酸荧光素琥珀酰亚胺酯复合物(ASIV-CDFA,相对分子质量1 228.43)(南京固与生物有限公司);磷酸盐缓冲液(PBS)(美国Sigma公司);DMEM高糖培养液(以色列Biological Industeies公司);胎牛血清(FBS)、胰蛋白酶(美国Gibco公司);CCK-8试剂盒(日本同人公司);氟化硼二吡咯衍生物(美国GLPBIO公司);脂质过氧化物(LPO)试剂盒、丙二醛(MDA)试剂盒(南京建成生物工程研究所);HiScript Ⅱ Q Select RT SuperMix for qPCR试剂盒、ChamQ Universal SYBR qPCR Master Mix试剂盒(南京诺唯赞生物科技股份有限公司);全蛋白提取试剂盒、BCA试剂盒(江苏凯基生物技术股份有限公司);抗哺乳动物雷帕霉素靶蛋白抗体(bs-1992R)、抗磷酸化哺乳动物雷帕霉素靶蛋白抗体(bs-5331R)(北京博奥森生物技术有限公司);抗β-肌动蛋白(β-actin)抗体(ab8227)(英国Abcam公司)。
BMECs以1×104个/孔的密度接种在96孔板中,培养24 h使细胞完全贴壁。试验设计不同浓度(12.5、25.0、50.0、100.0、200.0、400.0、800.0 μg/mL)的AS-Ⅳ,与细胞共孵育1、3、6 h,并同时设立对照孔(对照组,不含药物,含细胞及培养基)和空白孔(空白组,不含细胞和药物,只含培养基),每组设置6个重复。弃去培养基,每孔添加含10% CCK-8的培养液,避光孵育3 h,于450 nm处测定吸光度值,并计算细胞存活率,计算公式如下:
细胞存活率(%)=[(样品组-空白组)/(对照组-空白组)]×100。
BMECs以2×105个/孔的密度接种在6孔板中,培养24 h使细胞完全贴壁。试验分为8组(每组3个重复),分别为对照组(C组)、LPS刺激组(LPS组,0.5 μg/mL LPS刺激24 h)以及6个AS-Ⅳ干预组,即在0.5 μg/mL LPS刺激24 h后,加入不同浓度的AS-Ⅳ继续培养,6个AS-Ⅳ干预组分别为100 μg/mL AS-Ⅳ刺激1 h组(LPS+100 AS-Ⅳ 1 h组)、100 μg/mL AS-Ⅳ刺激3 h组(LPS+100 AS-Ⅳ 3 h组)、100 μg/mL AS-Ⅳ刺激6 h组(LPS+100 AS-Ⅳ 6 h组)、25 μg/mL AS-Ⅳ刺激6 h组(LPS+25 AS-Ⅳ 6 h组)、50 μg/mL AS-Ⅳ刺激6 h组(LPS+50 AS-Ⅳ 6 h组)、100 μg/mL AS-Ⅳ刺激6 h组(LPS+100 AS-Ⅳ 6 h组)。使用Trizol法提取细胞总RNA,并使用分光光度计检测RNA的纯度及浓度。按照HiScript Ⅱ Q Select RT SuperMix for qPCR试剂盒说明书步骤逆转录合成cDNA。按照ChamQ Universal SYBR qPCR Master Mix试剂盒说明书步骤进行实时荧光定量PCR。反应程序:95 ℃ 3 min;95 ℃ 5 s,60 ℃ 30 s,40个循环;熔解曲线为单峰,β-肌动蛋白作为内参基因,使用2-ΔΔCt法计算基因相对表达量。引物设计参考文献[13-14],具体见表1。
表1 实时荧光定量PCR引物Table 1 Primers for RT-qPCR
BMECs以2×105个/孔的密度接种在6孔板中,培养24 h使细胞完全贴壁。试验分组同1.4,每组设置3个重复。收集各组中细胞培养液,按照MDA和LPO测定试剂盒说明书进行检测。
BMECs以2×105个/孔的密度接种在放有盖玻片的6孔板中,培养24 h细胞完全贴壁。试验分组同1.4。使用4%的多聚甲醛固定细胞20 min,PBS清洗3次,加入BODIPY495/503染料染色15 min,PBS清洗3次,用含4′,6-二脒基-2-苯基吲哚(DAPI)的抗荧光淬灭封片剂封片,荧光倒置显微镜观察细胞,使用Image J软件检测细胞中平均荧光强度。
BMECs以2×105个/孔的密度接种在6孔板中,培养24 h使细胞完全贴壁。试验分组同1.4。使用全蛋白提取试剂盒裂解细胞并收集细胞全蛋白,BCA试剂盒测定蛋白浓度,并调整蛋白含量一致。在含5%浓缩胶、7.5%分离胶的十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)中进行蛋白电泳,湿转法将蛋白转移至聚偏二氟乙烯(PVDF)膜。PVDF膜封闭在0.5%的脱脂奶粉中,封闭1 h。4 ℃孵育一抗12 h,TBST缓冲液清洗3次。室温孵育辣根过氧化物酶标记二抗2 h,TBST清洗3次。使用增强型化学学发光显色液(ECL)曝光和拍照。使用Image J软件对哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)、磷酸化哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(p-mTOR)、β-肌动蛋白的蛋白表达进行灰度分析。
为检测BMECs可否吸收AS-Ⅳ,将使用荧光倒置显微镜观察ASIV-CDFA在BMECs中的位置,并使用流式细胞术分析ASIV-CDFA在BMECs中的吸收状况与药物刺激时间及浓度的相关性。
BMECs以2×105个/孔的密度接种在放有盖玻片的6孔板中,培养24 h细胞完全贴壁。ASIV-CDFA以100 μg/mL刺激BMECs 1 h,PBS漂洗3次,4%的多聚甲醛固定20 min。用含DAPI的抗荧光淬灭封片剂封片,荧光倒置显微镜观察ASIV-CDFA在BMECs中的位置。
使用流式细胞术分析ASIV-CDFA在BMECs中的吸收状况。BMECs以2×105个/孔的密度接种在6孔板中,培养24 h细胞完全贴壁。0.5 μg/mL LPS刺激BMECs 24 h,加入不同浓度(25、50、100 μg/mL)的ASIV-CDFA,与细胞共孵育1、3、6 h,PBS清洗2次,胰酶消化细胞,PBS清洗细胞后将细胞重悬至Hanks液中,使用流式细胞仪检测细胞摄取的荧光强度。
使用SPSS 22.0软件对试验数据进行单因素方差分析(one-way ANOVA),数据均以平均值和标准差表示,P<0.05为差异显著。
如图1所示,AS-Ⅳ对细胞的毒性作用会随着刺激浓度的提高和刺激时间的延长而增加。在浓度为100 μg/mL的AS-Ⅳ刺激BMECs 1、3、6 h时,细胞存活率分别为100%、96%、92%,25%、50%、100 μg/mL的AS-Ⅳ刺激BMECs 6 h时,细胞存活率分别为96%、95%、92%,在此时间及浓度下细胞存活率在90%以上,将选取以上浓度及时间作为后续试验条件。
图1 AS-Ⅳ对BMECs细胞活性的影响Fig.1 Effects of AS-Ⅳ on BMECs cell activity
如图2所示,与对照组相比,LPS刺激BMECs会显著抑制细胞中β-酪蛋白(CSN2)及αS1-酪蛋白(CSN1S1)基因相对表达量(P<0.05);与LPS组相比,各AS-Ⅳ组细胞中CSN2基因相对表达量均显著升高(P<0.05),但AS-Ⅳ对炎症细胞中CSN1S1基因相对表达量无激活作用,100 μg/mL AS-Ⅳ刺激细胞1 h会显著抑制炎症细胞中CSN1S1基因相对表达量(P<0.05)。
如图3所示,与对照组相比,LPS显著抑制脂肪酸结合蛋白3(FABP3)、脂肪酸合成酶(FASN)、固醇调节元件结合蛋白1(SREBP1)基因相对表达量(P<0.05)。与LPS组相比,各个浓度的AS-Ⅳ可以显著提高FABP3基因相对表达量(P<0.05),100 μg/mL AS-Ⅳ刺激炎症细胞1 h显著升高FASN、乙酰辅酶A羧化酶(ACC)、脂蛋白酯酶(LPL)基因相对表达量(P<0.05),25 μg/mL AS-Ⅳ刺激细胞6 h显著提高过氧化酶体增殖物激活受体γ(PPARγ)基因相对表达量(P<0.05),50 μg/mL AS-Ⅳ刺激细胞6 h显著提高LPL基因相对表达量(P<0.05)。
如图4所示,与对照组相比,LPS显著提高细胞上清液中LPO和MDA含量(P<0.05);与LPS组相比,各AS-Ⅳ组均可显著降低炎症细胞中MDA含量(P<0.05),25、50、100 μg/mL的AS-Ⅳ刺激细胞6 h显著降低炎症细胞中LPO含量(P<0.05)。
CSN2:β-酪蛋白 β-casein;CSN1S1:αS1酪蛋白 αs1-casein。C:对照组;LPS:0.5 μg/mL LPS刺激组;LPS+100 AS-Ⅳ 1 h:0.5 μg/mL LPS刺激24 h+100 μg/mL AS-Ⅳ刺激1 h;LPS+100 AS-Ⅳ 3 h:0.5 μg/mL LPS刺激24 h+100 μg/mL AS-Ⅳ刺激3 h;LPS+100 AS-Ⅳ 6 h:0.5 μg/mL LPS刺激24 h+100 μg/mL AS-Ⅳ刺激6 h;LPS+25 AS-Ⅳ 6 h:0.5 μg/mL LPS刺激24 h+25 μg/mL刺激AS-Ⅳ 6 h;LPS+50 AS-Ⅳ 6 h:0.5 μg/mL LPS刺激24 h+50 μg/mL AS-Ⅳ刺激6 h。数据柱标注不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下图同。C: control group; LPS: 0.5 μg/mL LPS stimulation group; LPS+100 AS-Ⅳ 1 h: 0.5 μg/mL LPS for 24 h+100 μg/mL AS-Ⅳ for 1 h; LPS+100 AS-Ⅳ 3 h: 0.5 μg/mL LPS for 24 h+100 μg/mL AS-Ⅳ for 3 h; LPS+100 AS-Ⅳ 6 h: 0.5 μg/mL LPS for 24 h+100 μg/mL AS-Ⅳ for 6 h; LPS+25 AS-Ⅳ 6 h: 0.5 μg/mL LPS for 24 h+25 μg/mL AS-Ⅳ for 6 h; LPS+50 AS-Ⅳ 6 h: 0.5 μg/mL LPS for 24 h+50 μg/mL AS-Ⅳ for 6 h. Data columns with different lowercase letters indicate significant difference (P<0.05). The same as below.图2 AS-Ⅳ对LPS刺激的BMECs中CSN2、CSN1S1基因相对表达量的影响Fig.2 Effects of AS-Ⅳ on relative expression levels of CSN2 and CSN1S1 genes in LPS-stimulated BMECs
如图5所示,LPS预处理后脂滴表达量降低,100 μg/mL的AS-Ⅳ刺激细胞1 h及25、50 μg/mL的AS-Ⅳ刺激细胞6 h显著提高炎症细胞中脂滴的含量(P<0.05)。
如图6所示,与对照组相比,LPS组p-mTOR蛋白被显著抑制(P<0.05);与LPS组相比,AS-Ⅳ刺激炎症细胞时,25,100 μg/mL的AS-Ⅳ刺激细胞6 h可显著激活炎症细胞中p-mTOR蛋白的表达(P<0.05)。
ASIV-CDFA以100 μg/mL刺激BMECs 1 h,发现BMECs可吸收ASIV-CDFA,并在细胞质中聚集(图7)。之后使用流式细胞仪检测了在炎症状态下,BMECs所吸收的ASIV-CDFA荧光强度,结果如图8所示,在同一时间中,ASIV-CDFA的细胞吸收量会随着浓度的升高而增高;但同一浓度中,ASIV-CDFA的细胞吸收量却没有随时间的延长而提高。
奶牛乳腺炎是奶牛中频发发作、对乳业生产影响最严重的疾病之一,乳腺炎的发生会影响乳脂、乳蛋白的合成[6]。当发生临床性乳腺炎时,乳汁的颜色变为灰白色或黄褐色、浓度变稀、伴有絮状沉淀物等明显变化;发生隐性乳腺炎时,虽肉眼不能观察到乳汁颜色变化,但乳汁成分发生改变,其中乳脂、乳糖等含量显著降低[15-16]。LPS是革兰氏阴性菌细胞壁的主要成分,当革兰氏阴性菌入侵乳腺组织,细菌大量繁殖时或治疗乳腺炎细菌裂解死亡时,LPS会被大量释放,其中BMECs对LPS高度敏感,短时间内可引起细胞中炎症因子的大量分泌,LPS刺激BMECs是体外研究乳腺炎病理的理想模型之一[17]。AS-Ⅳ是我国传统常用中药黄芪的主要活性物质,可作为评价黄芪质量的重要标志物,在抗炎、抗氧化、抗病毒、抗应激等方面具有显著效果[18-19]。本课题组前期研究发现,AS-Ⅳ可抑制LPS损伤的BMECs炎症因子及氧化因子的表达,提高LPS损伤的BMECs中β-酪蛋白表达[12],本试验进一步观察了不同时间和浓度的AS-Ⅳ对炎症细胞中乳蛋白及乳脂合成相关因子的影响。
ACC:乙酰辅酶A羧化酶 acetyl CoA carboxylase;FABP3:脂肪酸结合蛋白3 fatty acid-binding protein 3;FASN:脂肪酸合成酶 fatty acid synthetase;LPL:脂蛋白酯酶 lipoprotein lipase;SCD:硬酯酰辅酶A去饱和酶 stearoyl-CoA-desaturase;SREBP1:固醇调节原件结合蛋白1 sterol regulatory element binding proteins 1;PPARγ:过氧化酶体增殖物激活受体γ peroxisome proliferators-activated receptors γ。图3 AS-Ⅳ对LPS刺激的BMECs中FABP3、ACC、FASN、PPARγ、LPL、SCD、SREBP1基因相对表达量影响Fig.3 Effects of AS-Ⅳ on relative expression levels of FABP3, ACC, FASN, PPARγ, LPL, SCD and SREBP1 genes in LPS-stimulated BMECs
大多研究认为,酪蛋白基因的表达是影响酪蛋白合成和分泌的关键因素,但酪蛋白的分泌还会受到其他营养物质的影响,在炎症状态下,用于合成酪蛋白的营养物质及前体物会被用于抗炎,因此导致酪蛋白基因的表达量降低[20-21]。100 mL牛乳中总蛋白质含量约为3.3 g,其中酪蛋白可占总蛋白质含量的80%,剩余20%为乳清蛋白,酪蛋白分为4类,分别是CSN1S1(约40%)、CSN2(约36%)、κ-酪蛋白(约14%)、αs2-酪蛋白(约10%),α-酪蛋白及β-乳球蛋白是乳蛋白中引起过敏的主要蛋白质[22]。胡耀等[23]发现LPS刺激BMECs会抑制CSN2、CSN1S1基因及蛋白的表达,LPS还可抑制细胞中mTOR基因的表达,黄花蒿乙醇提取物可以拮抗LPS对BMECs中乳蛋白的抑制。田青等[20]发现,LPS刺激大鼠乳腺上皮细胞会抑制细胞中CSN2、乳清蛋白(α-LA)基因的表达,但增强CSN1S1基因的表达,并推测CSN2与CSN1S1基因之间的拮抗作用是由于CSN1S1基因部分承担炎症免疫调节作用所导致。本试验研究结果发现,LPS刺激BMECs时会抑制乳蛋白合成相关基因CSN2、CSN1S1基因的相对表达,与胡耀等[23]研究结果相似;100 μg/mL的AS-Ⅳ刺激炎症细胞1、3、6 h和25、50、100 μg/mL的AS-Ⅳ刺激炎症细胞6 h均可提高细胞中CSN2基因相对表达,但各个AS-Ⅳ组之间无显著差异;AS-Ⅳ不能提高炎症细胞中CSN1S1基因相对表达,且100 μg/mL AS-Ⅳ刺激细胞1 h显著抑制了炎症细胞中CSN1S1基因相对表达量,并推测AS-Ⅳ可能通过提高炎症细胞中的CSN2含量,从而调节酪蛋白的组成成分。
MDA:丙二醛 malondialdehyde;LPO:脂质过氧化物 lipid peroxidase。图4 AS-Ⅳ对LPS刺激的BMECs中MDA、LPO含量的影响Fig.4 Effects of AS-Ⅳ on MDA and LPO contents in LPS-stimulated BMECs
图5 AS-Ⅳ对LPS刺激的BMECs中BODIPY脂滴荧光染色图及荧光染色量化结果图Fig.5 Fluorescence staining of BODIPY lipid droplets in LPS-stimulated BMECs by AS-Ⅳ and quantification results of fluorescence staining (40×)
乳脂是牛奶中的另一主要成分,其中短链脂肪酸可在乳腺中合成,长链脂肪酸由血液运输中获取[1,13]。当奶牛泌乳期时,BMECs细胞代谢速度增高,导致细胞中活性氧(ROS)的沉积增多,当过量的ROS沉积会引起细胞损伤,并攻击细胞中的不饱和脂肪酸,引起细胞中的脂质过氧化物的沉积[24]。MDA和LPO是细胞中活性氧和不饱和脂肪酸作用后的氧自由基产物,是反映细胞中脂质过氧化程度的指示剂,并间接反映细胞损伤程度[25]。本试验发现AS-Ⅳ可显著抑制炎症细胞中MDA的含量,25、50、100 μg/mL的AS-Ⅳ刺激细胞6 h可显著抑制炎症细胞中LPO的含量,100 μg/mL的AS-Ⅳ刺激细胞1 h及25、50 μg/mL的AS-Ⅳ刺激细胞6 h显著提高炎症细胞中脂滴的含量。FASN及ACC是合成短链脂肪酸的关键因子,可调控脂肪酸的初始合成及碳链延伸,FABP3及LPL是参与长链脂肪酸摄取及转运的关键因子,硬酯酰辅酶A去饱和酶(SCD)是催化饱和脂肪酸形成不饱和脂肪酸关键因子,PPARγ及SREBP1是影响长链脂肪酸代谢并调控脂肪合成的重要因子[13,26]。本试验研究发现,当LPS刺激BMECs会降低脂滴含量,抑制细胞中乳脂合成相关基因FABP3、FASN、SREBP1基因相对表达量,提高细胞中脂质氧化相关因子LPO和MDA含量。Wang等[27]研究发现,LPS处理后的BMECs中SREBP1、FASN、ACC基因在转录水平显著下调,与本试验研究结果相似。AS-Ⅳ在不同的刺激时间和刺激浓度提高乳蛋白合成相关基因的效果不同,其中100 μg/mL AS-Ⅳ刺激炎症细胞,刺激时间为1 h比3、6 h对细胞中ACC、FASN、LPL基因激活表达更佳,使用ASIV-CDFA观察炎症细胞对AS-Ⅳ的吸收效果发现,AS-Ⅳ的吸收量会呈浓度依赖性升高,但没有呈时间依赖性升高。这可能是因为AS-Ⅳ的细胞吸收量无显著差异时,AS-Ⅳ刺激细胞首先调控了脂肪酸从头合成相关ACC、FASN基因和乳糜摄取相关的LPL基因,之后再影响SCD、PPARγ基因的表达。AS-Ⅳ不仅可以激活乳脂合成相关基因的表达,而且对细胞中的脂质氧化有抑制作用,抑制细胞损伤。
图6 AS-Ⅳ对LPS刺激的BMECs中p-mTOR、mTOR蛋白表达的影响Fig.6 Effects of AS-Ⅳ on expression of p-mTOR and mTOR proteins in LPS-stimulated BMECs
图7 100 μg/mL的ASIV-CDFA刺激BMECs 1 h细胞图Fig.7 Graph of 100 μg/mL ASIV-CDFA stimulated BMECs for 1 h (40×)
mTOR信号通路广泛存在于多种细胞中,影响细胞的转录、翻译、增殖、凋亡等多种生命活动,在BMECs中还会影响细胞中乳脂和乳蛋白的合成[28]。mTOR信号对于细胞中脂肪酸合成及转录调控因子PPARγ、SREBP1的表达具有调控作用,对于乳蛋白的合成、翻译过程发挥重要作用[1,29]。本研究结果发现,在LPS刺激细胞后,p-mTOR蛋白被显著抑制,25、100 μg/mL的AS-Ⅳ刺激炎症细胞6 h时p-mTOR蛋白表达显著提高。这提示AS-Ⅳ可能激活炎性细胞中mTOR信号通路,从而缓解LPS对乳蛋白和乳脂的抑制作用,并抑制细胞上清液中脂质氧化物的表达。但AS-Ⅳ如何通过影响mTOR信号通路中关键因子的表达,从而影响乳脂及乳蛋白的合成;在不同时间点,细胞对AS-Ⅳ的吸收量不变,但是不同时间点对CSN1S1、FASN、ACC、SCD、LPL、LPO的响应不同的原因和机制尚不明确,具体机制仍需进一步试验深入研究。
在体外培养环境下,LPS刺激BMECs会抑制细胞中乳脂及乳蛋白合成相关基因的表达,激活脂质过氧化物MDA及LPO的产生。AS-Ⅳ可提高炎症细胞中FABP3、ACC、FASN、PPARγ、LPL、SCD、CSN2基因相对表达量,降低炎症细胞上清液中MDA、LPO含量,从而起到保护细胞的作用;AS-Ⅳ可通过激活mTOR信号通路,调节乳脂及乳蛋白合成关键调控基因的表达。
图8 BMECs对ASIV-CDFA的摄取Fig.8 Uptake of ASIV-CDFA by BMECs