本研究目的為探究γ-分泌酶抑制劑DAPT(3, 5-二氟苯乙酰-L-丙氨酰-S苯基甘氨酸t-丁酯)對神經元前體細胞系分化的影響, 檢驗經DAPT誘導產生更多可用于移植的神經元的可能性。培養神經元前體細胞系GE6時, 以培養基中加入4μmol/L DAPT的為實驗組, 不加DAPT的為對照組, 分化4 d, 采用免疫熒光染色的方法分別檢測兩組細胞Tuj1、GFAP、O4的陽性率, 采用qRT-PCR分別檢測兩組細胞Tuj1 mRNA、GFAP mRNA相對表達量。免疫熒光染色表明實驗組Tuj1陽性率較對照組增加, 而GFAP和O4的陽性率較對照組減少, 這些差異均有統計學意義(P<0.05)。qRT-PCR中兩組Tuj1和GFAP mRNA的變化趨勢與免疫熒光染色結果一致。結果提示DAPT能促進神經元前體細胞系向神經元分化, 抑制其向膠質細胞分化, 可以用DAPT誘導產生更多的可用于移植的神經元。
引用本文: 王琪, 李赫冬. γ-分泌酶抑制劑DAPT對神經前體細胞系分化的作用研究. 生物醫學工程學雜志, 2015, 32(1): 126-130. doi: 10.7507/1001-5515.20150023 復制
引言
神經退行性疾病(neurodegeneration)是指一類發生在中樞神經系統(central nervous system, CNS)中神經元減少的疾病。中樞神經系統發育成熟以后,神經元便不能再生,這種神經元的減少往往不可逆[1]。因此,這一類疾病會給患者造成嚴重的功能障礙。此外,癲癇等疾病的發生與神經元缺失也有直接關系[2]。理論上,我們可以將神經干細胞或者神經元移植到受損的神經系統,替代死亡的神經元,重建神經環路,改善癥狀,從而對這些疾病進行治療。已經有很多人嘗試了對這些疾病進行神經干細胞移植治療[3-5],但仍處于實驗室階段,在走向臨床應用前還有許多問題亟待解決。其中移植所需的細胞來源便是一個關鍵問題。
Notch信號通路和細胞連接以及信號傳遞息息相關,它能使細胞保持干性,且廣泛存在于各種生命過程中。在Notch信號通路激活過程中,γ-分泌酶復合物是一個關鍵因素[6]。研究發現,γ-分泌酶復合物抑制劑——DAPT(3, 5-二氟苯乙酰-L-丙氨酰-S苯基甘氨酸t-丁酯)可以抑制Notch信號通路激活。體內試驗證明,發育過程中DAPT可通過抑制Notch信號通路激活以促進神經元生成[7-8]。
GE6來自于自帶綠色熒光蛋白(green fluorescent protein,GFP)的胚胎期大鼠的大腦,經過病毒感染和單克隆篩選得到。實驗表明,GE6在體外可以分化成特定的神經元,且具有電生理活性[9]。GE6細胞系有望成為干細胞移植的細胞來源,治療相關疾病。本文欲通過一系列實驗,研究DAPT阻斷Notch信號通路對GE6分化的影響,檢測能否通過DAPT的處理使GE6更多地分化為神經元,為相關細胞移植提供一個更為高效的細胞來源。
本次實驗中主要涉及以下相關蛋白或基因。神經特異性貝塔微管蛋白Ⅲ(neuronal classⅢβ-Tubulin,Tuj1)是微管蛋白的一種,是一種神經元特有的微管蛋白。Tuj1在神經軸突的伸展和保持過程中有著很重要的作用,并且參與了神經元形成。Tuj1是神經元特異性標志物。膠質纖維酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein,GFAP)是一種由GFAP基因編碼的中間纖維蛋白,在細胞骨架的構成和功能的行使中起很重要的作用。通常認為GFAP能夠維持細胞的機械力和細胞形態。在中樞神經系統中,GFAP還參與了比如細胞間的信號傳遞和血腦屏障的構成等許多重要過程。GFAP在星形膠質細胞中大量而廣泛地表達,所以在神經生物學研究當中通常將其作為星形膠質細胞特異性標志物[10]。少突膠質細胞標志物O4(oligodendrocyte marker O4)是一種少突膠質細胞所特有的糖脂類物質,存在于細胞膜上。可以作為少突膠質細胞的特異性標志物,用于識別少突膠質細胞。本實驗通過檢測上述相關標志物表達情況來檢測細胞分化情況。
1 材料和方法
1.1 實驗材料
GE6細胞系由四川大學李赫冬實驗室[9]提供。加葡萄糖、雙抗的DMEM/F12培養基(Invitrogen公司,美國);肝素(Heprin,Sigma公司,美國);B27(Invitrogen公司,美國);堿性成纖維細胞生長因子(bFGF,Preprotech公司,英國);DAPT(Sigma公司,美國); 神經元標志物Tuj1(mouse)抗體(AVES LABS公司,美國);星形膠質細胞標志物GFAP(chicken)抗體(AVES LABS公司,美國);少突膠質細胞標志物O4(mouse)抗體(Millipore公司,德國);4′, 6-二脒基-2-苯基吲哚(DAPI,Sigma公司,美國);反轉錄試劑盒(PrimeScript RT, TaKaRa公司,日本);熒光qRT-PCR試劑盒(iQTM SYBR Green Supermix,BIO-RAD公司,美國)。
1.2 實驗方法
1.2.1 細胞培養
GE6用10 mL含有bFGF、Heprin、B27、葡萄糖和雙抗的DMEM/F12生長培養基懸浮培養。細胞密度為1×106個每培養皿(100 mm)。培養條件為37℃、5% CO2及飽和濕度。復蘇后第二天每培養皿補加1 mL 10倍濃度的bFGF培養基,3 d傳代一次。
1.2.2 實驗處理
6孔板和放入圓形蓋玻片的24孔板預先經過多聚賴氨酸和層粘連蛋白處理。GE6細胞稀釋至3 000個/μL,吸取10μL含細胞的培養基接種于24孔板中的蓋玻片上,培養箱中放置1 h后,補加500μL的生長培養基。24 h后分別換上500μL含4μmol/L DAPT(實驗組)和不含DAPT(對照組)的分化培養基(含有B27、葡萄糖和雙抗的DMEM/F12培養基)。培養4 d后,細胞爬片用4%多聚甲醛固定后,換上磷酸鹽緩沖液(phosphate buffered saline, PBS)浸泡保存,待用。6孔板中操作與24孔板操作大致相同。接種細胞密度為10 000個/μL,接種100μL含細胞的培養基。補加的生長培養基和分化培養基分別為2 mL,培養4 d后,細胞用Trizol收集,保存于-20℃,待用。
1.2.3 免疫熒光染色
在實驗中使用的抗體分別為神經元特異性Tuj1抗體;星形膠質細胞特異性GFAP抗體;少突膠質細胞特異性O4抗體。取出PBS中保存的細胞爬片,PBS洗3次,加入按比例稀釋的一抗(Tuj1 1 :400;GFAP 1 :1 000;O4 1 :50)室溫孵育2 h,PBS-Tween 20(PBST)洗3次,加對應的按比例稀釋的二抗(1 :500)以及DAPI(1 :1 000)室溫孵育1 h后PBST洗3次,封片。本次實驗中,Tuj1使用山羊抗鼠二抗(CY5),GFAP使用山羊抗雞二抗(CY5),O4使用山羊抗鼠二抗(CY3)。O4染色時,將所有用到的PBST用PBS代替。片子晾干后,在熒光倒置顯微鏡下照相。將各個通道得到的圖片進行合并,然后計數。每次實驗選取3個視野計數,計數結果取平均數。然后計算各個抗體的陽性率(n≥3)。比如,Tuj1陽性率=Tuj1陽性細胞數/細胞總數(即綠色細胞數)。
1.2.4 qRT-PCR
實驗選用GAPDH為內參,上游引物5′-GCAAGTTCAACGGCACAG-3′;下游引物:5′-GCCAGTAGACTCCACGACAT-3′。Tuj1上游引物:5′-GGCCTTTGGACACCTATTCAG-3′;下游引物:5′-TCTCACATTCTTTCCTCACG-AC-3′。GFAP上游引物:5′-GACTTTCTCCAAC-CTCCAGATC-3′;下游引物:5′-CTCCTGCTTC-GACTCCTTAATG-3′。O4沒有相應的mRNA,故此處不做檢測。引物由上海捷瑞生物工程有限公司提供。首先將Trizol收取的細胞樣品提取總RNA,進行含量測定。然后用反轉錄試劑盒進行cDNA反轉,反轉采用10μL體系,RNA總量為500 ng。反轉得到的cDNA用來進行定量檢測。qRT-PCR采用10μL體系:預混液5μL,cDNA 50倍稀釋后取4.4μL,上游引物0.3μL,下游引物0.3μL。反應條件為:變性95℃10 s,退火58℃30 s,延伸72℃30 s,35個循環。重復實驗3次,結果采用2△△Ct方法計算相關mRNA相對表達量(n≥3)。
1.3 統計學方法
所有的統計結果采用單因素ANOVA進行分析,其中α=0.05。
2 實驗結果
2.1 免疫熒光染色
免疫熒光染色計數以及統計結果顯示,實驗組Tuj1陽性率(0.201±0.030)明顯高于對照組Tuj1陽性率(0.104±0.024)(P<0.05)(圖 1), 實驗組中GFAP陽性率(0.091±0.013)明顯低于對照組中GFAP陽性率(0.207±0.008)(P<0.05)(圖 2), 實驗組O4陽性率(0.028±0.013)明顯低于對照組O4陽性率(0.144±0.008)(P<0.05)(圖 3)。



2.2 qRT-PCR
qRT-PCR檢測的結果顯示,實驗組Tuj1 mRNA的表達量(1.348±0.109)高于對照組Tuj1 mRNA的表達量(1.063±0.055)(P<0.05), 實驗組GFAP mRNA的表達量(0.036±0.004)遠遠低于對照組GFAP mRNA的表達量(0.970±0.040)(P<0.05)。這種變化趨勢和免疫熒光染色以及計數統計的結果一致。
3 討論
Notch信號通路和神經干細胞的分化有重要聯系[11]。DAPT能夠通過抑制Notch信號通路γ-分泌酶復合物的活性來抑制Notch信號通路[8]。本實驗擬通過觀察DAPT作用于GE6細胞以后GE6各種細胞類型比例的變化來研究DAPT對神經元前體細胞系分化的影響。并且我們希望通過使用DAPT處理GE6,得到更多神經元,為GE6用于神經退行性疾病的細胞移植治療研究做好鋪墊。
在我們的實驗中,使用含DAPT的培養基培養的GE6可以更多地分化為神經元。與之相對應的是少突膠質細胞和星形膠質細胞分化比例降低。這說明,DAPT可以有效地促進神經元前體細胞向神經元分化,抑制其向膠質細胞分化。這和前人體內試驗結果高度一致。接下來我們會進一步的研究這些現象背后的機制。而且考慮體外實驗簡單可控,接下來,我們便可以用DAPT和GE6為體外模型,更深入地研究神經元發育以及神經退行性疾病發生的相關機制。此外,因為DAPT可以促進神經元的生成,我們甚至可以將DAPT用于神經退行性疾病的治療。具體的分子藥理學機制也可以用GE6為體外模型進行研究。
神經退行性疾病以及癲癇等疾病和大腦相關部位神經元減少高度相關[2, 12]。因為特異性高以及損傷小等優勢,神經干細胞移植是治療這一類疾病一種很有潛力的方法。已經有許多人進行了嘗試。但這些嘗試都處于實驗室階段,而且這些嘗試都是以原代細胞為細胞來源進行的移植[13-15]。顯而易見,原代細胞并不是一種穩定的細胞來源。如果應用到臨床,穩定的細胞來源是一個亟須解決的問題。體外神經干細胞系能夠為這一類移植治療提供有效的細胞來源,因為細胞系可以長時間傳代培養,隨時得到大量細胞。但是細胞系都存在一定的干細胞特性,而且神經干細胞可以分化為三大類細胞,神經元只是其中之一。要得到更多的神經元則需要減弱這種干性,并且促使其向神經元分化。用DAPT阻斷Notch信號通路是一種很好的思路。我們的實驗結果表明,使用DAPT處理可以有效地促進神經干細胞細胞系GE6的分化,使其產生較多的神經元、較少的星形膠質細胞或者少突膠質細胞。這樣的細胞系就有可能用于相關疾病的細胞移植治療,從而有效地解決大量純凈神經元的來源問題,具有較大的臨床價值。
綜上所述,Notch信號通路抑制劑DAPT對神經元前體細胞系GE6的分化有明顯作用,能夠有效促進其向神經元分化。希望這個研究能為更深入地研究神經元發育以及神經退行性疾病的具體機制提供一個適當的體外模型,同時為解決細胞移植治療中細胞來源問題提供一個可能思路。
引言
神經退行性疾病(neurodegeneration)是指一類發生在中樞神經系統(central nervous system, CNS)中神經元減少的疾病。中樞神經系統發育成熟以后,神經元便不能再生,這種神經元的減少往往不可逆[1]。因此,這一類疾病會給患者造成嚴重的功能障礙。此外,癲癇等疾病的發生與神經元缺失也有直接關系[2]。理論上,我們可以將神經干細胞或者神經元移植到受損的神經系統,替代死亡的神經元,重建神經環路,改善癥狀,從而對這些疾病進行治療。已經有很多人嘗試了對這些疾病進行神經干細胞移植治療[3-5],但仍處于實驗室階段,在走向臨床應用前還有許多問題亟待解決。其中移植所需的細胞來源便是一個關鍵問題。
Notch信號通路和細胞連接以及信號傳遞息息相關,它能使細胞保持干性,且廣泛存在于各種生命過程中。在Notch信號通路激活過程中,γ-分泌酶復合物是一個關鍵因素[6]。研究發現,γ-分泌酶復合物抑制劑——DAPT(3, 5-二氟苯乙酰-L-丙氨酰-S苯基甘氨酸t-丁酯)可以抑制Notch信號通路激活。體內試驗證明,發育過程中DAPT可通過抑制Notch信號通路激活以促進神經元生成[7-8]。
GE6來自于自帶綠色熒光蛋白(green fluorescent protein,GFP)的胚胎期大鼠的大腦,經過病毒感染和單克隆篩選得到。實驗表明,GE6在體外可以分化成特定的神經元,且具有電生理活性[9]。GE6細胞系有望成為干細胞移植的細胞來源,治療相關疾病。本文欲通過一系列實驗,研究DAPT阻斷Notch信號通路對GE6分化的影響,檢測能否通過DAPT的處理使GE6更多地分化為神經元,為相關細胞移植提供一個更為高效的細胞來源。
本次實驗中主要涉及以下相關蛋白或基因。神經特異性貝塔微管蛋白Ⅲ(neuronal classⅢβ-Tubulin,Tuj1)是微管蛋白的一種,是一種神經元特有的微管蛋白。Tuj1在神經軸突的伸展和保持過程中有著很重要的作用,并且參與了神經元形成。Tuj1是神經元特異性標志物。膠質纖維酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein,GFAP)是一種由GFAP基因編碼的中間纖維蛋白,在細胞骨架的構成和功能的行使中起很重要的作用。通常認為GFAP能夠維持細胞的機械力和細胞形態。在中樞神經系統中,GFAP還參與了比如細胞間的信號傳遞和血腦屏障的構成等許多重要過程。GFAP在星形膠質細胞中大量而廣泛地表達,所以在神經生物學研究當中通常將其作為星形膠質細胞特異性標志物[10]。少突膠質細胞標志物O4(oligodendrocyte marker O4)是一種少突膠質細胞所特有的糖脂類物質,存在于細胞膜上。可以作為少突膠質細胞的特異性標志物,用于識別少突膠質細胞。本實驗通過檢測上述相關標志物表達情況來檢測細胞分化情況。
1 材料和方法
1.1 實驗材料
GE6細胞系由四川大學李赫冬實驗室[9]提供。加葡萄糖、雙抗的DMEM/F12培養基(Invitrogen公司,美國);肝素(Heprin,Sigma公司,美國);B27(Invitrogen公司,美國);堿性成纖維細胞生長因子(bFGF,Preprotech公司,英國);DAPT(Sigma公司,美國); 神經元標志物Tuj1(mouse)抗體(AVES LABS公司,美國);星形膠質細胞標志物GFAP(chicken)抗體(AVES LABS公司,美國);少突膠質細胞標志物O4(mouse)抗體(Millipore公司,德國);4′, 6-二脒基-2-苯基吲哚(DAPI,Sigma公司,美國);反轉錄試劑盒(PrimeScript RT, TaKaRa公司,日本);熒光qRT-PCR試劑盒(iQTM SYBR Green Supermix,BIO-RAD公司,美國)。
1.2 實驗方法
1.2.1 細胞培養
GE6用10 mL含有bFGF、Heprin、B27、葡萄糖和雙抗的DMEM/F12生長培養基懸浮培養。細胞密度為1×106個每培養皿(100 mm)。培養條件為37℃、5% CO2及飽和濕度。復蘇后第二天每培養皿補加1 mL 10倍濃度的bFGF培養基,3 d傳代一次。
1.2.2 實驗處理
6孔板和放入圓形蓋玻片的24孔板預先經過多聚賴氨酸和層粘連蛋白處理。GE6細胞稀釋至3 000個/μL,吸取10μL含細胞的培養基接種于24孔板中的蓋玻片上,培養箱中放置1 h后,補加500μL的生長培養基。24 h后分別換上500μL含4μmol/L DAPT(實驗組)和不含DAPT(對照組)的分化培養基(含有B27、葡萄糖和雙抗的DMEM/F12培養基)。培養4 d后,細胞爬片用4%多聚甲醛固定后,換上磷酸鹽緩沖液(phosphate buffered saline, PBS)浸泡保存,待用。6孔板中操作與24孔板操作大致相同。接種細胞密度為10 000個/μL,接種100μL含細胞的培養基。補加的生長培養基和分化培養基分別為2 mL,培養4 d后,細胞用Trizol收集,保存于-20℃,待用。
1.2.3 免疫熒光染色
在實驗中使用的抗體分別為神經元特異性Tuj1抗體;星形膠質細胞特異性GFAP抗體;少突膠質細胞特異性O4抗體。取出PBS中保存的細胞爬片,PBS洗3次,加入按比例稀釋的一抗(Tuj1 1 :400;GFAP 1 :1 000;O4 1 :50)室溫孵育2 h,PBS-Tween 20(PBST)洗3次,加對應的按比例稀釋的二抗(1 :500)以及DAPI(1 :1 000)室溫孵育1 h后PBST洗3次,封片。本次實驗中,Tuj1使用山羊抗鼠二抗(CY5),GFAP使用山羊抗雞二抗(CY5),O4使用山羊抗鼠二抗(CY3)。O4染色時,將所有用到的PBST用PBS代替。片子晾干后,在熒光倒置顯微鏡下照相。將各個通道得到的圖片進行合并,然后計數。每次實驗選取3個視野計數,計數結果取平均數。然后計算各個抗體的陽性率(n≥3)。比如,Tuj1陽性率=Tuj1陽性細胞數/細胞總數(即綠色細胞數)。
1.2.4 qRT-PCR
實驗選用GAPDH為內參,上游引物5′-GCAAGTTCAACGGCACAG-3′;下游引物:5′-GCCAGTAGACTCCACGACAT-3′。Tuj1上游引物:5′-GGCCTTTGGACACCTATTCAG-3′;下游引物:5′-TCTCACATTCTTTCCTCACG-AC-3′。GFAP上游引物:5′-GACTTTCTCCAAC-CTCCAGATC-3′;下游引物:5′-CTCCTGCTTC-GACTCCTTAATG-3′。O4沒有相應的mRNA,故此處不做檢測。引物由上海捷瑞生物工程有限公司提供。首先將Trizol收取的細胞樣品提取總RNA,進行含量測定。然后用反轉錄試劑盒進行cDNA反轉,反轉采用10μL體系,RNA總量為500 ng。反轉得到的cDNA用來進行定量檢測。qRT-PCR采用10μL體系:預混液5μL,cDNA 50倍稀釋后取4.4μL,上游引物0.3μL,下游引物0.3μL。反應條件為:變性95℃10 s,退火58℃30 s,延伸72℃30 s,35個循環。重復實驗3次,結果采用2△△Ct方法計算相關mRNA相對表達量(n≥3)。
1.3 統計學方法
所有的統計結果采用單因素ANOVA進行分析,其中α=0.05。
2 實驗結果
2.1 免疫熒光染色
免疫熒光染色計數以及統計結果顯示,實驗組Tuj1陽性率(0.201±0.030)明顯高于對照組Tuj1陽性率(0.104±0.024)(P<0.05)(圖 1), 實驗組中GFAP陽性率(0.091±0.013)明顯低于對照組中GFAP陽性率(0.207±0.008)(P<0.05)(圖 2), 實驗組O4陽性率(0.028±0.013)明顯低于對照組O4陽性率(0.144±0.008)(P<0.05)(圖 3)。



2.2 qRT-PCR
qRT-PCR檢測的結果顯示,實驗組Tuj1 mRNA的表達量(1.348±0.109)高于對照組Tuj1 mRNA的表達量(1.063±0.055)(P<0.05), 實驗組GFAP mRNA的表達量(0.036±0.004)遠遠低于對照組GFAP mRNA的表達量(0.970±0.040)(P<0.05)。這種變化趨勢和免疫熒光染色以及計數統計的結果一致。
3 討論
Notch信號通路和神經干細胞的分化有重要聯系[11]。DAPT能夠通過抑制Notch信號通路γ-分泌酶復合物的活性來抑制Notch信號通路[8]。本實驗擬通過觀察DAPT作用于GE6細胞以后GE6各種細胞類型比例的變化來研究DAPT對神經元前體細胞系分化的影響。并且我們希望通過使用DAPT處理GE6,得到更多神經元,為GE6用于神經退行性疾病的細胞移植治療研究做好鋪墊。
在我們的實驗中,使用含DAPT的培養基培養的GE6可以更多地分化為神經元。與之相對應的是少突膠質細胞和星形膠質細胞分化比例降低。這說明,DAPT可以有效地促進神經元前體細胞向神經元分化,抑制其向膠質細胞分化。這和前人體內試驗結果高度一致。接下來我們會進一步的研究這些現象背后的機制。而且考慮體外實驗簡單可控,接下來,我們便可以用DAPT和GE6為體外模型,更深入地研究神經元發育以及神經退行性疾病發生的相關機制。此外,因為DAPT可以促進神經元的生成,我們甚至可以將DAPT用于神經退行性疾病的治療。具體的分子藥理學機制也可以用GE6為體外模型進行研究。
神經退行性疾病以及癲癇等疾病和大腦相關部位神經元減少高度相關[2, 12]。因為特異性高以及損傷小等優勢,神經干細胞移植是治療這一類疾病一種很有潛力的方法。已經有許多人進行了嘗試。但這些嘗試都處于實驗室階段,而且這些嘗試都是以原代細胞為細胞來源進行的移植[13-15]。顯而易見,原代細胞并不是一種穩定的細胞來源。如果應用到臨床,穩定的細胞來源是一個亟須解決的問題。體外神經干細胞系能夠為這一類移植治療提供有效的細胞來源,因為細胞系可以長時間傳代培養,隨時得到大量細胞。但是細胞系都存在一定的干細胞特性,而且神經干細胞可以分化為三大類細胞,神經元只是其中之一。要得到更多的神經元則需要減弱這種干性,并且促使其向神經元分化。用DAPT阻斷Notch信號通路是一種很好的思路。我們的實驗結果表明,使用DAPT處理可以有效地促進神經干細胞細胞系GE6的分化,使其產生較多的神經元、較少的星形膠質細胞或者少突膠質細胞。這樣的細胞系就有可能用于相關疾病的細胞移植治療,從而有效地解決大量純凈神經元的來源問題,具有較大的臨床價值。
綜上所述,Notch信號通路抑制劑DAPT對神經元前體細胞系GE6的分化有明顯作用,能夠有效促進其向神經元分化。希望這個研究能為更深入地研究神經元發育以及神經退行性疾病的具體機制提供一個適當的體外模型,同時為解決細胞移植治療中細胞來源問題提供一個可能思路。