新生儿缺氧缺血性脑病(hypoxic-ischemic encephalopathy, HIE)是一种由围产期脑血流和氧供不足导致的严重神经系统综合征,约50%的存活患儿会遗留永久性神经功能障碍甚至死亡
[1]。虽然亚低温治疗是目前唯一被证实有效的神经保护措施,但其疗效受治疗时间窗、设备条件等因素限制,且仅能提供部分神经保护
[2]。因此,探索HIE新的治疗靶点具有重要临床意义。近年研究发现,神经元能量代谢障碍是HIE的核心病理特征,其中线粒体功能障碍在疾病进展中起关键作用
[3]。作为维持线粒体质量的重要机制,线粒体自噬通过选择性清除受损线粒体参与神经保护
[4],但其在HIE中的调控网络尚未完全阐明。
研究表明,HIE患儿脑组织中微小RNA(microRNA, miR)-30b表达显著下调
[5-6],而该分子已被证实可通过促进线粒体自噬改善神经功能
[7]。在我们前期研究中,通过生信预测分析发现去泛素化酶泛素特异性肽酶14(ubiquitin specific peptidase 14, USP14)可能是miR-30b的下游靶点。值得注意的是,USP14抑制剂可通过不依赖经典PTEN诱导激酶1(PTEN-induced kinase 1, PINK1)/Parkin通路的方式促进线粒体自噬,改善神经退行性疾病模型中的线粒体功能障碍
[8]。然而,miR-30b/USP14调控轴在HIE中的作用机制,特别是其是否通过非经典通路调控线粒体自噬尚不清楚。本研究旨在阐明miR-30b通过靶向USP14调控线粒体自噬的分子机制,验证该过程对PINK1/Parkin通路的独立性,为开发新型HIE治疗策略提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 胎鼠皮层神经元氧糖剥夺/复氧模型构建
从C57BL/6胎鼠的大脑皮层中分离出初级皮层神经元
[9]。分离的神经元在无葡萄糖和无氧的Dulbecco改良Eagle培养基(Gibco,美国)中孵育,并置于37℃缺氧室(StemCell Technologies,加拿大)培养4 h(95% N
2和5% CO
2),将细胞返回到常温条件下,在正常完全培养基中培养24 h。si-Parkin、si-动力相关蛋白1(dynamin-related protein 1, Drp1)的序列以及过表达USP14质粒(oe-USP14)、miR-30b miRNA模拟物(miR-30b mimic)购自湖南丰晖生物科技有限公司。采用Lip3000转染试剂将以上序列和质粒分别转染进皮层神经元,48 h后收样。实验分为两部分:(1)将细胞随机分为对照组、氧糖剥夺/复氧(oxygen-glucose deprivation/reoxygenation, OGD/R)组、OGD/R+miR阴性对照(miR-NC)组、OGD/R+miR-30b mimic组、OGD/R+miR-30b mimic+过表达阴性对照组(oe-NC)组、OGD/R+miR-30b mimic+USP14过表达(oe-USP14)组;(2)另取细胞随机分为对照组、OGD/R组、OGD/R+miR-NC组、OGD/R+miR-30b mimic组、OGD/R+miR-30b mimic+siRNA阴性对照(si-NC)组、OGD/R+miR-30b mimic+siRNA敲降Parkin(si-Parkin)组、OGD/R+miR-30b mimic+siRNA敲降动力相关蛋白1(dynamin-related protein 1, Drp1)(si-Drp1)组。
1.2 实时荧光定量PCR检测miR-30b、USP14、Parkin、Drp1水平
提取样本总RNA后逆转录制备cDNA,随后在CFX Connect实时荧光定量PCR检测系统中进行检测,使用iQ SYBR Green Supermix试剂[伯乐生命医学产品(上海)有限公司]检测。以GAPDH作为内参,通过2-ΔΔCT法计算目的基因相对表达量。实验独立重复3次。
1.3 Western blot检测
用RIPA裂解缓冲液裂解细胞,离心取上清,用BCA试剂盒(P0010S,上海碧云天生物技术有限公司)定量。取等量样品加入上样缓冲液后煮沸,进行电泳、转膜。用脱脂牛奶封闭PVDF膜,然后分别用抗微管相关蛋白1轻链3(microtubule-associated protein 1 light chain 3, LC3)Ⅰ抗体(1∶1 000;Thermo,美国)、LC3 Ⅱ抗体(1∶1 000;Thermo,美国)、抗线粒体外膜转位酶20(translocase of outer mitochondrial membrane 20, TOMM20)抗体(1∶2 000;Thermo,美国)、抗USP14抗体(1∶1 000;Thermo,美国)、抗PINK1抗体(1∶1 000;Thermo,美国)、抗Parkin抗体(1∶1 000;Thermo,美国)、抗Drp1抗体(1∶1 000;Abcam,美国)、抗GAPDH抗体(1∶1 000;Thermo,美国),4℃孵育过夜。加二抗(1∶1 000;Thermo,美国)室温孵育后洗膜,使用曝光液显影。采用Image J软件进行灰度分析,以GAPDH为内参。实验独立重复3次。
1.4 CCK-8检测细胞活力
细胞以3×104个细胞/mL的密度接种于96孔板,培养24 h后。每孔加入10 μL的CCK-8试剂(上海碧云天生物技术有限公司),37℃ 5% CO2孵育2 h。用酶标仪(Synergy HTX,Agilent,美国)测定在450 nm波长处吸光度。实验独立重复3次。
1.5 碘化丙啶染色检测细胞死亡
细胞用预冷PBS洗涤后,4%多聚甲醛固定20 min,使用0.1% Triton X-100透膜处理10 min,再用1% BSA封闭内源性非特异抗原30 min,加入碘化丙啶(propidium iodide, PI)[1∶3 000,翌圣生物科技(上海)股份有限公司]染色液在黑暗中染色20 min,随后DAPI染细胞核5 min。用荧光显微镜(Nikon,日本)在每组样品中随机选取6个视场进行拍摄。实验独立重复3次。
1.6 线粒体活性氧水平检测
采用MitoSOX Red线粒体超氧化物检测试剂盒(上海碧云天生物技术股份有限公司)进行检测。消化并收集细胞,加入0.5 mL MitoSOX Red染色工作液,用PBS重悬细胞,通过流式细胞仪检测细胞线粒体活性氧(reactive oxygen species, ROS)含量。实验独立重复3次。
1.7 MitoTracker Green检测线粒体形态
离心去除细胞培养液,加入经37℃预温育的Mito-Tracker Green(Life Technologies,美国)染色工作液,于37℃避光孵育15~45 min。孵育结束后,弃去染色工作液,PBS洗涤细胞。使用激光共聚焦显微镜观察细胞线粒体形态并采集图像,利用Image J软件插件MitoLoc分析线粒体形态进,以体积/碎片指数进行量化。实验独立重复3次。
1.8 RNA免疫共沉淀检测miR-30b及USP14 mRNA与AGO2的结合
收集细胞,使用RIPA裂解液于冰上裂解,将等量细胞裂解液分别与AGO2抗体(Abcam,英国)或对照IgG抗体(Abcam,英国)以及protein A/G磁珠(Thermo Scientific,美国)混合,于4℃旋转孵育过夜。次日,使用酚-氯仿法从免疫沉淀复合物中提取总RNA。通过实时荧光定量PCR检测miR-30b与USP14 mRNA的富集水平。实验独立重复3次。
1.9 双萤光素酶报告基因实验验证miR-30b与USP14的靶向关系
将USP14野生型(USP14-WT)和突变型(USP14-MUT)分别克隆至pmirGLO双萤光素酶报告基因载体(Promega,美国)。采用HEK293T细胞系,于含10%胎牛血清的DMEM培养基中,在37℃、5% CO₂条件下培养。细胞分为4组:miR-NC+USP14-WT组、miR-30b mimic+USP14-WT组、miR-NC+USP14-MUT组、miR-30b mimic+USP14-MUT组。待细胞密度达到70%~80%时,使用Lipofectamine™ 3000转染试剂(Thermo,美国)将USP14-WT或USP14-MUT与miR-30b mimic或miR-NC共转染至细胞中,培养48 h后,按照双萤光素酶试剂盒说明书检测各组细胞荧光素酶活性。实验独立重复3次。
1.10 统计学分析
采用SPSS 27.0软件对数据进行统计分析。符合正态分布的计量资料以均数±标准差()表示。两组间比较采用两样本t检验;多组间比较采用单因素方差分析,组间两两比较采用Tukey检验。P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 过表达USP14后各组细胞活性及死亡情况比较
PI染色结果显示,OGD/R组PI阳性率较对照组升高(
P<0.05),OGD/R+miR-30b mimic组PI阳性率较OGD/R+miR-NC组降低(
P<0.05),OGD/R+miR-30b mimic+oe-USP14组PI阳性率较OGD/R+miR-30b mimic+oe-NC组升高(
P<0.05)。见
图1、
表1。
CCK-8检测结果显示,OGD/R组细胞活力较对照组降低(
P<0.05),OGD/R+miR-30b mimic组细胞活力较OGD/R+miR-NC组升高(
P<0.05),OGD/R+miR-30b mimic+oe-USP14组细胞活力较OGD/R+miR-30b mimic+oe-NC组降低(
P<0.05)。见
表1。
2.2 过表达USP14后各组细胞miR-30b及USP14 mRNA表达水平比较
实时荧光定量PCR检测结果显示,与对照组相比,OGD/R组miR-30b表达水平降低,USP14 mRNA表达水平升高(
P<0.05);与OGD/R+miR-NC组相比,OGD/R+miR-30b mimic组miR-30b表达水平升高,USP14 mRNA表达水平降低(
P<0.05);与OGD/R+miR-30b mimic+oe-NC组相比,OGD/R+miR-30b mimic+oe-USP14组miR-30b表达水平降低,USP14 mRNA表达水平升高(
P<0.05)。见
表1。
2.3 过表达USP14后各组细胞LC3 Ⅱ/LC3 Ⅰ、USP14、TOMM20蛋白表达水平比较
Western blot检测结果显示,与对照组相比,OGD/R组USP14蛋白表达、LC3 Ⅱ/LC3 Ⅰ比例升高,TOMM20蛋白表达降低(
P<0.05);与OGD/R+miR-NC组相比,OGD/R+miR-30b mimic组LC3 Ⅱ/LC3 Ⅰ比例升高,USP14、TOMM20蛋白表达降低(
P<0.05);与OGD/R+miR-30b mimic+oe-NC组相比,OGD/R+miR-30b mimic+oe-USP14组LC3 Ⅱ/LC3 Ⅰ比例降低,USP14、TOMM20蛋白表达升高(
P<0.05)。见
表1、
图2。
2.4 过表达USP14后各组细胞线粒体ROS水平及形态比较
MitoSOX Red结果显示,OGD/R组线粒体ROS水平较对照组升高(
P<0.05),OGD/R+miR-30b mimic组ROS水平较OGD/R+miR-NC组降低(
P<0.05),OGD/R+miR-30b mimic+oe-USP14组ROS水平较OGD/R+miR-30b mimic+oe-NC组升高(
P<0.05)。见
表2。
MitoTracker Green染色结果显示,与对照组相比,OGD/R组线粒体碎片化指数增加,线粒体体积减少(
P<0.05);OGD/R+miR-30b mimic组线粒体碎片化指数、线粒体体积较OGD/R+miR-NC组减少(
P<0.05);OGD/R+miR-30b mimic+oe-USP14组线粒体碎片化指数、线粒体体积较OGD/R+miR-30b mimic+oe-NC组增加。见
表2、
图3。
2.5 miR-30b与USP14靶向关系验证
经TargetScan数据库预测发现,miR-30b与USP14之间存在结合位点(
图4)。AGO
2-RIP实验结果显示,与IgG对照组(分别0.51±0.18、0.23±0.05)相比,AGO
2组miR-30b与USP14 mRNA富集水平升高(分别12.20±0.83、32.68±0.04;
t=23.84、877.74,
P<0.05)。双萤光素酶报告基因结果显示,与miR-NC+USP14-WT组(1.000±0.059)相比,miR-30b mimic+USP14-WT组(0.472±0.0182)荧光素酶活性降低(
P<0.05);与miR-NC+USP14-MUT(1.079±0.111)相比,mtiR-30b mimic+USP14-MUT组(1.013±0.037)荧光素酶活性无明显变化(
P>0.05)。提示miR-30b与USP14存在靶向关系。
2.6 敲降Parkin/Drp1后各组miR-30b、Parkin、Drp1 mRNA表达水平比较
实时荧光定量PCR检测结果显示,与OGD/R+miR-30b mimic组相比,OGD/R+miR-30b mimic+si-Parkin组Parkin mRNA表达水平降低(
P<0.05),OGD/R+miR-30b mimic+si-Drp1组Drp1 mRNA表达水平降低(
P<0.05),表明Parkin、Drp1敲降成功(
P<0.05)。见
表3。
2.7 各组LC3 Ⅱ/LC3 Ⅰ、PINK1、Parkin、Drp1蛋白表达水平比较
Western blot检测结果显示,与对照组相比,OGD/R组PINK1、Parkin、Drp1蛋白表达水平升高(
P<0.05);OGD/R组与OGD/R+miR-30b mimic组PINK1、Parkin蛋白表达水平比较差异无统计学意义(
P>0.05);OGD/R+miR-30b mimic组Drp1蛋白表达水平较OGD/R组升高(
P<0.05)(
图5A、
表4)。敲降Parkin/Drp1后,OGD/R+miR-30b mimic+si-NC组与OGD/R+miR-30b mimic+si-Parkin组LC3 Ⅱ/LC3 Ⅰ比例比较差异无统计学意义(
P>0.05),OGD/R+miR-30b mimic+si-Drp1组LC3 Ⅱ/LC3 Ⅰ比例较OGD/R+miR-30b mimic+si-NC组降低(
P<0.05)(
图5B、
表3)。以上结果提示Drp1而非Parkin是miR-30b调控线粒体自噬的关键效应分子。
2.8 敲降Parkin/Drp1后各组细胞线粒体形态比较
MitoTracker Green染色结果显示,OGD/R+miR-30b mimic+si-NC组与OGD/R+miR-30b mimic+si-Parkin组碎片化指数、线粒体平均体积比较差异无统计学意义(
P>0.05),OGD/R+miR-30b mimic+si-Drp1组碎片化指数、线粒体平均体积较OGD/R+miR-30b mimic+si-NC组升高(
P<0.05)。见
图6、
表5。
3 讨论
本研究探讨了miR-30b通过调控USP14促进线粒体自噬的分子机制。结果显示,在HIE细胞模型中,miR-30b表达显著下调,这与此前HIE新生儿血液定量检测的研究结果一致
[10]。线粒体自噬的标志性特征为LC3 Ⅱ/LC3 Ⅰ比例上调及TOMM20蛋白表达降低
[11-12],本研究发现,过表达miR-30b后,神经元LC3 Ⅱ/LC3 Ⅰ比例升高,TOMM20 蛋白表达降低,证实miR-30b过表达可有效促进线粒体自噬发生。此外,过表达miR-30b后神经元线粒体碎片化程度显著减轻,ROS水平明显下降,这两项指标均被视为线粒体功能改善的标志
[13];同时细胞活力增强、细胞死亡减少。上述结果表明,在OGD/R诱导的HIE细胞模型中,过表达miR-30b可通过促进线粒体自噬提升细胞活性、减少细胞死亡,且该过程伴随LC3 Ⅱ/LC3 Ⅰ比例升高及TOMM20蛋白表达降低,证实miR-30b可通过调控线粒体自噬改善HIE病理进程。
本研究中,Targetscan数据库预测及双萤光素酶报告基因实验验证表明,miR-30b-5p可特异性靶向结合USP14的3'非编码区(3'UTR),并下调USP14表达水平。进一步机制研究证实,miR-30b通过靶向抑制USP14促进线粒体自噬并减少神经元损伤,而USP14过表达可显著削弱miR-30b的治疗效应。在OGD/R诱导的细胞模型中,USP14过表达可逆转miR-30b对线粒体自噬的促进作用及对细胞存活的保护效应,提示USP14是介导miR-30b功能的关键分子。PINK1/Parkin通路是目前公认的经典线粒体自噬通路
[14-15],本研究结果显示,敲降Parkin后,mmiR-30b对LC3 Ⅱ/LC3 Ⅰ比例的调控作用未受影响,这提示miR-30b/USP14轴对线粒体自噬的调控可能独立于PINK1/Parkin通路。同时,敲降Drp1可逆转上述调控效应。该结果表明Drp1可能在miR-30b/USP14调控线粒体自噬的过程中具有重要作用。然而,Drp1在独立于PINK1/Parkin通路的线粒体自噬中发挥作用的具体机制仍需深入探索
[16-17]。
综上所述,在HIE细胞模型中,miR-30b可通过靶向抑制USP14,以不依赖于PINK1/Parkin通路的方式调控线粒体自噬。在理论层面,不仅拓展了miRNA调控线粒体自噬的认知边界,揭示了一条独立于PINK1/Parkin通路的线粒体自噬新调控机制;在临床转化层面,基于miR-30b的靶向治疗策略,可能为新生儿HIE干预提供新方向,尤其适用于对传统治疗反应不佳的患儿群体。同时,本研究提示,miR-30b表达水平监测有望成为评估HIE病情进展的潜在生物标志物。当然,将上述发现转化为临床应用仍面临诸多挑战,如miRNA体内递送效率优化、长期安全性评估等关键问题亟待解决。未来研究可进一步探索USP14下游的具体作用靶点,以及Drp1在该调控通路中的精确分子机制,为开发更高效、安全的HIE治疗手段提供坚实理论依据。
湖南省自然科学基金(2022JJ30967)