研究核因子κB受體活化因子配體(RANKL)對唑來膦酸(ZOL)誘發的破骨細胞生成及NF-κB p50和c-Jun基因表達抑制的挽救效應。體外分離小鼠顱骨成骨細胞(OB),并與RAW264.7細胞共培養。將細胞分為4組,給予ZOL和RANKL處理;于不同時間點檢測破骨細胞(OC)生成及NF-κB p50和c-Jun基因表達情況。B組(ZOL組) TRAP陽性多核OC及吸收陷窩最少(P<0.05或P<0.01),其次為C組(ZOL+RANKL組),D組(RANKL組) OC及吸收陷窩最多,與A組(對照)相似(P>0.05)。NF-κB p50和c-Jun基因表達也是B組最低(P<0.05或P<0.01),而C組較B組顯著升高(P<0.05),A組和D組基因表達最高且表達水平相近(P>0.05)。實驗結果表明,RANKL可以在共培養體系中部分挽救ZOL對OC生成的抑制作用;而NF-κB p50和c-Jun可能介導了RANKL和ZOL對OC的上述效應。
引用本文: 徐純峰, 李鵬, 董偉, 丁士育, 李任, 戚孟春, 李金源. 核因子κB受體活化因子配體對唑來膦酸誘發的破骨細胞生成及NF-κBp50和c-Jun基因表達抑制的挽救效應. 生物醫學工程學雜志, 2014, 31(2): 385-388. doi: 10.7507/1001-5515.20140072 復制
引言
破骨細胞(osteoclast,OC)是體內惟一具有骨吸收功能的多核巨細胞,在骨質疏松、風濕性關節炎、Paget’s 病等疾病中發揮著重要作用[1]。OC分化、生成離不開成骨細胞(osteoblast,OB)的信號刺激;OB產生核因子κB受體活化因子配體(receptor activator for nuclear factor-κB ligand,RANKL),與OC表面受體RANK結合,激活胞內NF-κB、JNK/c-Jun、c-Fos等信號通路,誘發NFATc1等基因表達,促使OC分化和生成[2]。含氮雙膦酸鹽作為治療上述疾病的首選藥物,主要通過抑制OC生成、黏附、骨吸收,誘發細胞凋亡來發揮作用[3],但其確切分子機制尚需進一步澄清。本研究通過與OB共培養法培養OC,探討唑來膦酸(zoledronate acid,ZOL)對OC胞內RANKL下游信號分子NF-κB、c-Jun基因表達的影響,以及外源性RANKL對ZOL作用的挽救效應,以進一步揭示雙膦酸鹽作用的分子機制。
1 材料和方法
1.1 實驗材料
RAW264.7細胞株購自北京軍事醫學科學院;唑來膦酸、PGE2、l,25-(OH)2 VitD3、抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate-resistant acid phosphatase,TRAP)染色試劑盒,美國Sigma公司;DMEM培養基、胎牛血清,美國Hyclone公司;RANKL,美國Biovision公司;鼠抗鼠NF-κB P50單克隆抗體,美國SANTA CRUZ公司;兔抗鼠c-Jun多克隆抗體,英國ABCAM公司;羊抗兔GAPDH多克隆抗體,杭州賢至生物;熒光FITC標記的IgG,武漢博士德生物科技有限公司。
1.2 OB-OC共培養及實驗分組
胰酶消化法獲取小鼠顱骨OB[4],體外培養;第3代OB用于共培養實驗。將第3代OB 1×103個/孔和破骨前體細胞(RAW264.7) 4×103個/孔混合接種于48孔板。用含有前列腺素(1×10-7 mol/L)、l,25-(OH)2D3(1×10-8 mol/L)、10%胎牛血清的DMEM完全培養基37 ℃、5% CO2條件下培養。
細胞分為4組:A組為對照組,不進行處理;B組用2.5×10-8 mol/L ZOL處理;C組用2.5×10-8 mol/L ZOL和50 ng/mL RANKL處理;D組用50 ng/mL RANKL處理。于共培養第4 d,細胞分別進行藥物處理;24 h后撤去藥液;繼續培養。
1.3 OC生成檢測
TRAP染色:取共培養第8 d的細胞爬片,按TRAP染色試劑盒操作說明進行染色,顯微鏡下觀察。OC數目計算方法為:200倍下隨機選取5個視野,計數每視野中TRAP染色陽性細胞(細胞核≥3個,胞質內出現棕褐色顆粒)數目,5個視野平均值為該細胞爬片的OC數目。
吸收陷窩檢測:取共培養第8 d的牙本質磨片,掃描電鏡下觀察。500倍下隨機選取5個視野拍照,用醫學數碼圖像分析系統Med6.0測量5個視野吸收陷窩數目及陷窩面積,5個視野平均值代表該牙本質磨片的陷窩數目及面積。
1.4 real-time PCR檢測c-Jun和p50基因表達
細胞給藥后繼續培養24 h,收獲細胞,提取細胞總RNA;逆轉錄為cDNA;所用引物為:c-Jun上游5′-CGGACCGTTCTATGACTGC-3′ ,下游3-′GTGATGTGCCCATTGCTG-5′;NF-κB p50上游5′-AGTTTGACGGTCGTGAGCT -3′,下游3′-TGTGGGTAGGATTTCTTGTTC-5′;GAPDH上游5′-AATGTGTCCGTCGTGGATCT-3′,下游5′-TCC ACCACCCTGTTGCTGTA-3′。然后在Rotor-Gene 3000熒光定量PCR儀上進行擴增;總反應體系為20 μL,反應條件為:95 ℃,15 s;60 ℃,40 s;72 ℃,15 s;50個循環。每組細胞取三孔標本進行檢測。
1.5 Western blot 檢測
細胞經藥物處理后繼續培養24 h,收獲細胞,RIPA裂解液與蛋白酶抑制劑混合液(100∶1)提取蛋白質,測定蛋白質濃度,煮沸變性5 min,凝膠電泳并轉膜,經5% BSA室溫封閉2 h,NF-κB P50、c-Jun、GADPH抗體作為一抗孵育過夜。二抗室溫1 h,DAB顯色1 min。用ImageJ分析軟件檢測膜上每個條帶的灰度值。
1.6 統計學處理
數據用均數±標準差(
2 結果
2.1 RANKL及ZOL對OC生成的影響
細胞共培養第8 d,各組均有TRAP染色陽性多核OC形成(見圖 1、表 1),但各組OC數目存在明顯差異。B組OC數量最少,顯著少于其它各組(P<0.01);C組顯著多于B組(P<0.01);而A組和D組最多,二者的OC數量相近(P>0.05)。上述結果提示,ZOL可顯著抑制共培育體系中OC生成,而外源性RANKL則對OC生成有促進作用,部分抵消了ZOL對OC的抑制。


牙本質磨片SEM檢測結果如圖 2和表 1所示。各組比較,B組吸收陷窩數目最少,面積最小(P<0.01或P<0.05);C組次之;D組吸收陷窩數目最多,面積最大,但與A組相近(P>0.05)。上述結果說明,ZOL可顯著抑制共培育體系中OC的骨吸收功能,而外源性RANKL則對OC骨吸收有促進作用,并部分抵消了ZOL對OC的抑制。

2.2 c-Jun、NF-κB p50 mRNA水平
c-Jun、NF-κB p50基因mRNA相對濃度如表 2所示。兩者相對濃度均為B組最低(P<0.05);C組較B組顯著上升(P<0.05),但仍低于A組(P<0.05);D組mRNA則與A組相似(P>0.05)。上述結果提示ZOL可顯著抑制p50、c-Jun mRNA水平;而外源性RANKL則可部分減弱ZOL對上述基因表達的抑制。

2.3 NF-κB p50和c-Jun蛋白表達
NF-κB p50、c-Jun蛋白表達如圖 3所示。B組p50、c-Jun蛋白灰度值較A組明顯減弱,分別為A組的32.8%和41.29%;C組則較B組明顯增強,分別為A組的56.56%和52.00%;D組則和A組相似,分別為A組的89.79%和103.50%。上述結果說明,ZOL可顯著抑制NF-κB p50、c-Jun蛋白在OC中的表達;而外源性RANKL則可促進上述蛋白表達,減弱ZOL對OC的抑制作用。

3 討論
OC分化、生成受許多因子的調節,其中OB產生的RANKL和骨保護素(osteoprotegerin,OPG)發揮著至關重要的作用。RANKL與OC表面受體RANK結合,募集適配分子腫瘤壞死因子受體相關因子6(TNF receptor-associated factor 6,TRAP6),進而激活下游一系列信號通路,如NF-κB、Akt、MAPKs(包括JNK/c-Jun和p38)、AP-1等[2, 5],進而激活c-Fos、NFATc1等下游關鍵基因表達,最終誘使OC分化、生成[5]。
NF-κB家族有5個成員:RelA (p65)、 p50、 p52、 RelB 和 c-Rel;其中p50和RelA組成的異源二構體是NF-κB最常見的形式[6]。p50-RelA二聚體通常與其抑制蛋白IκBα結合,處于無活性狀態;在上游分子作用下,IκBα被蛋白水解酶迅速降解,使NF-κB異源二聚體進入胞核;調控細胞因子、酶、生長因子等表達,促使OC分化、生成[6]。研究表明,NF-κB是OC分化的重要信號通路;p50/p52雙敲除小鼠由于OC前體不能向成熟OC分化[7],而出現牙齒萌出障礙和骨硬化癥[8];這些小鼠來源的脾細胞即使在RANKL刺激下,也不表達c-Fos和NFATc1,形成OC[9]。
c-Jun是RANKL胞內MAPKs信號通路的重要分子;在外界刺激下,激酶JNK使之磷酸化并激活。c-Jun與Fos家族中c-Fos組成二聚體,形成AP-1;而AP-1是調控NFATc1等許多OC關鍵基因的轉錄因子[2]。c-Jun基因敲除可導致體外OC分化發生明顯障礙[10]。而表達無活性c-Jun(dominant-negative)的轉基因小鼠也因OC生成障礙出現嚴重的骨硬化癥;這些小鼠的脾細胞在RANKL刺激下向OC分化的能力及NFATc1表達均受到嚴重抑制[11]。上述結果說明,c-Jun表達及活性對RANKL依賴的OC分化是不可替代的。
本研究中,在OC-OB共培養第4 d用ZOL處理;此時,正處于OC前體細胞分化的細胞融合(多核化)階段;所用ZOL濃度(2.5×10-8 mol/L)較低,時間較短(24 h),未發現細胞毒性。ZOL作用下,NF-κB p50和c-Jun mRNA及蛋白水平均顯著降低,隨后(第8 d)TRAP陽性多核OC生成及牙本質磨片上骨吸收陷窩也受到顯著抑制,提示ZOL可在OC分化階段發揮抑制作用,而NF-κB p50和c-Jun 可能介導了其對OC分化的抑制。我們前期研究發現,ZOL可以抑制OC胞內c-Fos、NFATc1、Atp6v0d2等基因表達;這可能與ZOL對上游分子NF-κB、c-Jun的表達抑制有關。而Cheng等[12]的研究也證實,人參皂甙(ginsenoside)Rb1對OC生成及c-Fos、NFATc1基因表達的抑制是由JNK/c-Jun及NF-κB信號通路介導的。
RANKL可以通過多種胞內信號通路誘發OC分化、生成;而ZOL則對OC生成具有顯著抑制作用。那么,補充外源性RANKL能否克服ZOL對OC生成的抑制及其機制如何,目前尚不清楚。本研究在共培養體系中,用ZOL處理的同時加入50 ng/mL RANKL,發現NF-κB p50和c-Jun基因表達顯著上升,TRAP陽性多核OC生成及骨吸收陷窩也顯著增加;提示外源性RANKL部分挽救了ZOL對OC的抑制作用,而NF-κB p50和c-Jun參與了上述作用。Sutherland等[13]研究也表明,外源性RANKL可顯著減弱阿倫膦酸誘發的OC凋亡,促進OC生成及骨吸收;也支持RANKL對雙膦酸鹽的這種挽救效應。
需要指出的是,本研究中D組OC生成及基因表達情況與對照組A組相似,提示共培養體系中OB產生的RANKL水平足以調控OC分化、生成;而外源性RANKL作用有限。同時,C組外源性RANKL并未完全挽救ZOL對NF-κB p50、c-Jun基因表達及OC生成的抑制,這可能與加入的外源性RANKL劑量較低及ZOL其它胞內抑制效應(如對甲羥戊酸信號途徑的抑制)有關。
本研究顯示,在OB-OC共培養體系中,RANKL可以在OC分化階段部分挽救ZOL對OC生成的抑制;RANKL和ZOL的效應可能由信號分子NF-κB p50、c-Jun介導。
引言
破骨細胞(osteoclast,OC)是體內惟一具有骨吸收功能的多核巨細胞,在骨質疏松、風濕性關節炎、Paget’s 病等疾病中發揮著重要作用[1]。OC分化、生成離不開成骨細胞(osteoblast,OB)的信號刺激;OB產生核因子κB受體活化因子配體(receptor activator for nuclear factor-κB ligand,RANKL),與OC表面受體RANK結合,激活胞內NF-κB、JNK/c-Jun、c-Fos等信號通路,誘發NFATc1等基因表達,促使OC分化和生成[2]。含氮雙膦酸鹽作為治療上述疾病的首選藥物,主要通過抑制OC生成、黏附、骨吸收,誘發細胞凋亡來發揮作用[3],但其確切分子機制尚需進一步澄清。本研究通過與OB共培養法培養OC,探討唑來膦酸(zoledronate acid,ZOL)對OC胞內RANKL下游信號分子NF-κB、c-Jun基因表達的影響,以及外源性RANKL對ZOL作用的挽救效應,以進一步揭示雙膦酸鹽作用的分子機制。
1 材料和方法
1.1 實驗材料
RAW264.7細胞株購自北京軍事醫學科學院;唑來膦酸、PGE2、l,25-(OH)2 VitD3、抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate-resistant acid phosphatase,TRAP)染色試劑盒,美國Sigma公司;DMEM培養基、胎牛血清,美國Hyclone公司;RANKL,美國Biovision公司;鼠抗鼠NF-κB P50單克隆抗體,美國SANTA CRUZ公司;兔抗鼠c-Jun多克隆抗體,英國ABCAM公司;羊抗兔GAPDH多克隆抗體,杭州賢至生物;熒光FITC標記的IgG,武漢博士德生物科技有限公司。
1.2 OB-OC共培養及實驗分組
胰酶消化法獲取小鼠顱骨OB[4],體外培養;第3代OB用于共培養實驗。將第3代OB 1×103個/孔和破骨前體細胞(RAW264.7) 4×103個/孔混合接種于48孔板。用含有前列腺素(1×10-7 mol/L)、l,25-(OH)2D3(1×10-8 mol/L)、10%胎牛血清的DMEM完全培養基37 ℃、5% CO2條件下培養。
細胞分為4組:A組為對照組,不進行處理;B組用2.5×10-8 mol/L ZOL處理;C組用2.5×10-8 mol/L ZOL和50 ng/mL RANKL處理;D組用50 ng/mL RANKL處理。于共培養第4 d,細胞分別進行藥物處理;24 h后撤去藥液;繼續培養。
1.3 OC生成檢測
TRAP染色:取共培養第8 d的細胞爬片,按TRAP染色試劑盒操作說明進行染色,顯微鏡下觀察。OC數目計算方法為:200倍下隨機選取5個視野,計數每視野中TRAP染色陽性細胞(細胞核≥3個,胞質內出現棕褐色顆粒)數目,5個視野平均值為該細胞爬片的OC數目。
吸收陷窩檢測:取共培養第8 d的牙本質磨片,掃描電鏡下觀察。500倍下隨機選取5個視野拍照,用醫學數碼圖像分析系統Med6.0測量5個視野吸收陷窩數目及陷窩面積,5個視野平均值代表該牙本質磨片的陷窩數目及面積。
1.4 real-time PCR檢測c-Jun和p50基因表達
細胞給藥后繼續培養24 h,收獲細胞,提取細胞總RNA;逆轉錄為cDNA;所用引物為:c-Jun上游5′-CGGACCGTTCTATGACTGC-3′ ,下游3-′GTGATGTGCCCATTGCTG-5′;NF-κB p50上游5′-AGTTTGACGGTCGTGAGCT -3′,下游3′-TGTGGGTAGGATTTCTTGTTC-5′;GAPDH上游5′-AATGTGTCCGTCGTGGATCT-3′,下游5′-TCC ACCACCCTGTTGCTGTA-3′。然后在Rotor-Gene 3000熒光定量PCR儀上進行擴增;總反應體系為20 μL,反應條件為:95 ℃,15 s;60 ℃,40 s;72 ℃,15 s;50個循環。每組細胞取三孔標本進行檢測。
1.5 Western blot 檢測
細胞經藥物處理后繼續培養24 h,收獲細胞,RIPA裂解液與蛋白酶抑制劑混合液(100∶1)提取蛋白質,測定蛋白質濃度,煮沸變性5 min,凝膠電泳并轉膜,經5% BSA室溫封閉2 h,NF-κB P50、c-Jun、GADPH抗體作為一抗孵育過夜。二抗室溫1 h,DAB顯色1 min。用ImageJ分析軟件檢測膜上每個條帶的灰度值。
1.6 統計學處理
數據用均數±標準差(
2 結果
2.1 RANKL及ZOL對OC生成的影響
細胞共培養第8 d,各組均有TRAP染色陽性多核OC形成(見圖 1、表 1),但各組OC數目存在明顯差異。B組OC數量最少,顯著少于其它各組(P<0.01);C組顯著多于B組(P<0.01);而A組和D組最多,二者的OC數量相近(P>0.05)。上述結果提示,ZOL可顯著抑制共培育體系中OC生成,而外源性RANKL則對OC生成有促進作用,部分抵消了ZOL對OC的抑制。


牙本質磨片SEM檢測結果如圖 2和表 1所示。各組比較,B組吸收陷窩數目最少,面積最小(P<0.01或P<0.05);C組次之;D組吸收陷窩數目最多,面積最大,但與A組相近(P>0.05)。上述結果說明,ZOL可顯著抑制共培育體系中OC的骨吸收功能,而外源性RANKL則對OC骨吸收有促進作用,并部分抵消了ZOL對OC的抑制。

2.2 c-Jun、NF-κB p50 mRNA水平
c-Jun、NF-κB p50基因mRNA相對濃度如表 2所示。兩者相對濃度均為B組最低(P<0.05);C組較B組顯著上升(P<0.05),但仍低于A組(P<0.05);D組mRNA則與A組相似(P>0.05)。上述結果提示ZOL可顯著抑制p50、c-Jun mRNA水平;而外源性RANKL則可部分減弱ZOL對上述基因表達的抑制。

2.3 NF-κB p50和c-Jun蛋白表達
NF-κB p50、c-Jun蛋白表達如圖 3所示。B組p50、c-Jun蛋白灰度值較A組明顯減弱,分別為A組的32.8%和41.29%;C組則較B組明顯增強,分別為A組的56.56%和52.00%;D組則和A組相似,分別為A組的89.79%和103.50%。上述結果說明,ZOL可顯著抑制NF-κB p50、c-Jun蛋白在OC中的表達;而外源性RANKL則可促進上述蛋白表達,減弱ZOL對OC的抑制作用。

3 討論
OC分化、生成受許多因子的調節,其中OB產生的RANKL和骨保護素(osteoprotegerin,OPG)發揮著至關重要的作用。RANKL與OC表面受體RANK結合,募集適配分子腫瘤壞死因子受體相關因子6(TNF receptor-associated factor 6,TRAP6),進而激活下游一系列信號通路,如NF-κB、Akt、MAPKs(包括JNK/c-Jun和p38)、AP-1等[2, 5],進而激活c-Fos、NFATc1等下游關鍵基因表達,最終誘使OC分化、生成[5]。
NF-κB家族有5個成員:RelA (p65)、 p50、 p52、 RelB 和 c-Rel;其中p50和RelA組成的異源二構體是NF-κB最常見的形式[6]。p50-RelA二聚體通常與其抑制蛋白IκBα結合,處于無活性狀態;在上游分子作用下,IκBα被蛋白水解酶迅速降解,使NF-κB異源二聚體進入胞核;調控細胞因子、酶、生長因子等表達,促使OC分化、生成[6]。研究表明,NF-κB是OC分化的重要信號通路;p50/p52雙敲除小鼠由于OC前體不能向成熟OC分化[7],而出現牙齒萌出障礙和骨硬化癥[8];這些小鼠來源的脾細胞即使在RANKL刺激下,也不表達c-Fos和NFATc1,形成OC[9]。
c-Jun是RANKL胞內MAPKs信號通路的重要分子;在外界刺激下,激酶JNK使之磷酸化并激活。c-Jun與Fos家族中c-Fos組成二聚體,形成AP-1;而AP-1是調控NFATc1等許多OC關鍵基因的轉錄因子[2]。c-Jun基因敲除可導致體外OC分化發生明顯障礙[10]。而表達無活性c-Jun(dominant-negative)的轉基因小鼠也因OC生成障礙出現嚴重的骨硬化癥;這些小鼠的脾細胞在RANKL刺激下向OC分化的能力及NFATc1表達均受到嚴重抑制[11]。上述結果說明,c-Jun表達及活性對RANKL依賴的OC分化是不可替代的。
本研究中,在OC-OB共培養第4 d用ZOL處理;此時,正處于OC前體細胞分化的細胞融合(多核化)階段;所用ZOL濃度(2.5×10-8 mol/L)較低,時間較短(24 h),未發現細胞毒性。ZOL作用下,NF-κB p50和c-Jun mRNA及蛋白水平均顯著降低,隨后(第8 d)TRAP陽性多核OC生成及牙本質磨片上骨吸收陷窩也受到顯著抑制,提示ZOL可在OC分化階段發揮抑制作用,而NF-κB p50和c-Jun 可能介導了其對OC分化的抑制。我們前期研究發現,ZOL可以抑制OC胞內c-Fos、NFATc1、Atp6v0d2等基因表達;這可能與ZOL對上游分子NF-κB、c-Jun的表達抑制有關。而Cheng等[12]的研究也證實,人參皂甙(ginsenoside)Rb1對OC生成及c-Fos、NFATc1基因表達的抑制是由JNK/c-Jun及NF-κB信號通路介導的。
RANKL可以通過多種胞內信號通路誘發OC分化、生成;而ZOL則對OC生成具有顯著抑制作用。那么,補充外源性RANKL能否克服ZOL對OC生成的抑制及其機制如何,目前尚不清楚。本研究在共培養體系中,用ZOL處理的同時加入50 ng/mL RANKL,發現NF-κB p50和c-Jun基因表達顯著上升,TRAP陽性多核OC生成及骨吸收陷窩也顯著增加;提示外源性RANKL部分挽救了ZOL對OC的抑制作用,而NF-κB p50和c-Jun參與了上述作用。Sutherland等[13]研究也表明,外源性RANKL可顯著減弱阿倫膦酸誘發的OC凋亡,促進OC生成及骨吸收;也支持RANKL對雙膦酸鹽的這種挽救效應。
需要指出的是,本研究中D組OC生成及基因表達情況與對照組A組相似,提示共培養體系中OB產生的RANKL水平足以調控OC分化、生成;而外源性RANKL作用有限。同時,C組外源性RANKL并未完全挽救ZOL對NF-κB p50、c-Jun基因表達及OC生成的抑制,這可能與加入的外源性RANKL劑量較低及ZOL其它胞內抑制效應(如對甲羥戊酸信號途徑的抑制)有關。
本研究顯示,在OB-OC共培養體系中,RANKL可以在OC分化階段部分挽救ZOL對OC生成的抑制;RANKL和ZOL的效應可能由信號分子NF-κB p50、c-Jun介導。