病理上,脊髓損傷(SCI)后血脊髓屏障(BSCB)破裂導(dǎo)致大量周圍巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)到損傷區(qū)域,并在新生血管周圍聚集。M1極化的巨噬細(xì)胞在SCI過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。今天小編給大家介紹于2020年3月發(fā)表在影響因子為9.986的“Redox Biology”上的文章“Exosomal miR-155 from M1-polarized macrophages promotes EndoMT and impairs mitochondrial function via activating NF-κB signaling pathway in vascular endothelial cells after traumatic spinal cord injury”。本研究旨在探討M1極化的骨髓源性巨噬細(xì)胞(M1-BMDMs)對(duì)血管內(nèi)皮細(xì)胞的影響及其機(jī)制。在本研究中,我們發(fā)現(xiàn)SCI后巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)可通過(guò)傳遞外泌體miR-155促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)內(nèi)膜結(jié)構(gòu)和損害線粒體功能,從而加重BSCB完整性破壞,miR-155隨后通過(guò)抑制SOCS6誘導(dǎo)的p65降解,激活NF-κB通路。
技術(shù)路線
結(jié)果
1)脊髓損傷后,BSCB隨著巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)和TJs破壞而破壞
脊髓損傷后,BSCB的完整性被破壞,如圖1A和B所示,在脊髓損傷中可見(jiàn)EB染色明顯,而假手術(shù)組未見(jiàn)EB染色,脊髓中EB染色含量也明顯增加。此外,在BSCB破壞的同時(shí),我們發(fā)現(xiàn)大量巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)損傷區(qū)血管周圍(圖1C),以M1極化為主,表現(xiàn)為CD68+和iNOS+(圖1C,1D)。此外,脊髓損傷后的病變區(qū)域可見(jiàn)明顯的血管新生,這可能是缺氧微環(huán)境所致;然而,TJs和血管的熒光染色顯示,與非損傷區(qū)相比,損傷區(qū)ZO-1和Occludin與CD31的共位較少(圖1E和F)。脊髓損傷后TJs蛋白水平隨時(shí)間顯著降低(圖1G)??紤]到脊髓損傷后浸潤(rùn)的M1極化巨噬細(xì)胞與病變區(qū)域的血管存在相互干擾,我們推測(cè)M1極化巨噬細(xì)胞可能對(duì)脊髓損傷后的血管內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)揮重要作用,損害BSCB的完整性。
2)M1-BMDMs來(lái)源的外泌體加重了bEnd.3 細(xì)胞的EndoMT
我們?cè)u(píng)估了M1-BMDMs對(duì)bEnd.3細(xì)胞的影響。結(jié)果表明,M1-BMDMs條件培養(yǎng)基(M1-CM)顯著降低了bEnd.3 細(xì)胞TEER值(圖2A),并增加通透性(圖2B)。此外,TJs蛋白熒光染色顯示,M1-CM處理顯著降低了bEnd.3 細(xì)胞膜ZO-1和Occludin的表達(dá)(圖2C和D)。為了進(jìn)一步研究M1- BMDMs是否通過(guò)外泌體破壞血管內(nèi)皮細(xì)胞的TJs,我們使用外泌體分泌抑制劑GW4869預(yù)處理M1- BMDMs。我們發(fā)現(xiàn),加入GW4869部分逆轉(zhuǎn)了M1-CM誘導(dǎo)的TEER值的下降(圖2A),滲透率增加(圖2B);GW4869也逆轉(zhuǎn)了TJs蛋白熒光強(qiáng)度下降的趨勢(shì)(圖2C和D)。相應(yīng)的,TJs蛋白表達(dá)水平也出現(xiàn)了類似的結(jié)果(圖2E)。有趣的是,通過(guò)對(duì)脊髓切片中的α-SMA和CD31進(jìn)行共染色,我們發(fā)現(xiàn)損傷部位的共定位比未損傷部位更多(圖2F和G)。M1-CM顯著改變bEnd.3 細(xì)胞形態(tài),分枝減少,胞體拉長(zhǎng)(圖2H)。此外,M1-CM暴露顯著降低了CD31的表達(dá),并強(qiáng)烈增強(qiáng)了EndoMT標(biāo)記物膠原I、III和α-SMA在bEnd.3 細(xì)胞中的表達(dá)(圖2I)。然而,GW4869可以部分扭轉(zhuǎn)這些影響。綜上所述,外泌體可能介導(dǎo)巨噬細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞之間的相互作用,并可能是巨噬細(xì)胞誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細(xì)胞 EndoMT的原因。
3)M1-BMDMs來(lái)源的外泌體上調(diào)ROS水平,損害bEnd.3 細(xì)胞的線粒體功能
已有研究表明,ROS與BSCB中斷有關(guān),調(diào)節(jié)ROS水平在促進(jìn)中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后功能恢復(fù)中起著至關(guān)重要的作用?;谥暗慕Y(jié)果,我們研究了M1-BMDMs和ROS在bEnd.3 細(xì)胞中的關(guān)系。流式細(xì)胞術(shù)分析表明,M1-CM處理可顯著提高bEnd.3 細(xì)胞中ROS水平。GW4869可以部分逆轉(zhuǎn)這種增加(圖3 A和B)。此外,與M1-CM孵育后,線粒體超氧化物水平顯著升高,GW4869部分消除線粒體超氧化物水平(圖3C和D)。如圖JC-1染色所示,加入M1-CM后線粒體電位顯著降低,GW4869部分恢復(fù)線粒體電位(圖3E和F)。M1-CM處理使線粒體長(zhǎng)度縮短、腫脹,線粒體破碎的細(xì)胞比例明顯增加。然而,GW4869可以部分逆轉(zhuǎn)線粒體形態(tài)變化(圖3G和H)。此外,M1-CM暴露顯著降低了氧化磷酸化的生物標(biāo)志物OCR(圖3I)。基礎(chǔ)呼吸,ATP產(chǎn)生,呼吸能力,呼吸逆轉(zhuǎn)在添加M1-CM后顯著減少,而GW4869部分緩解了這一影響(圖3J)。
4)M1-BMDMs來(lái)源的外泌體在體內(nèi)阻礙脊髓損傷后的運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)和破壞BSCB
為了進(jìn)一步研究巨噬細(xì)胞在SCI微環(huán)境中的作用及其對(duì)血管內(nèi)皮細(xì)胞的潛在影響,我們提取并鑒定了來(lái)自M1-BMDMs (M1-Exos)的外泌體。脊髓損傷后立即注射外泌體,在指定時(shí)間進(jìn)行一系列行為評(píng)估(圖4A)。BMS行為分析表明,M1-Exos注射可導(dǎo)致脊髓損傷后后肢運(yùn)動(dòng)功能評(píng)分降低(圖4B)。足跡分析、電生理測(cè)試和游泳測(cè)試顯示了類似的結(jié)果,M1-Exos處理導(dǎo)致更短的步幅(圖4C),更低的MEPs振幅(圖4D),更傾斜的身體角度,更下垂的尾巴(圖4E)。EB外滲實(shí)驗(yàn)顯示,M1-Exos處理組有更多EB染料滲漏到間隙中(圖4F), TEM下血管TJs的電子密度遠(yuǎn)低于PBS組,兩內(nèi)皮細(xì)胞之間的間隙也更明顯(圖4G)。此外,注射M1-Exos后,脊髓病變中血管ZO-1的熒光強(qiáng)度顯著減弱(圖4H);TJs蛋白表達(dá)水平也明顯下調(diào)(圖4I)。我們還發(fā)現(xiàn),M1-Exos給藥后,病變區(qū)域更多的α-SMA與CD31共存(圖4J);I型膠原、III型膠原和α-SMA蛋白水平上調(diào),CD31表達(dá)降低(圖4K)。以上結(jié)果表明,M1- Exos可能誘發(fā)EndoMT加重脊髓損傷后BSCB的損傷,阻礙運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)。
5)M1-Exos通過(guò)傳遞miR-155加重了EndoMT
為了研究外泌體miR-155在SCI后M1-Exos介導(dǎo)的BSCB破壞惡化中的作用,構(gòu)建miR-155過(guò)表達(dá)(miR-155OE)和敲低(miR-155KD) BMDMs,然后分離外泌體并處理bEnd.3細(xì)胞。如圖5A和B所示,miR-155OE-Exos組TEER值顯著降低,通透性顯著增加,而miR-155KD-Exos組則相反。加入miR-155OE-Exos后,ZO-1和Occludin的熒光強(qiáng)度明顯降低,而miR-155KD-Exos處理后,ZO-1和Occludin的表達(dá)顯著增強(qiáng)(圖5C和D)。此外,western blot檢測(cè)TJs蛋白的表達(dá),結(jié)果與上述討論的結(jié)果相似(圖5E)。miR-155OE-Exos可促進(jìn)細(xì)胞形態(tài)轉(zhuǎn)化,其分支更少,體細(xì)胞更長(zhǎng)。miR-155KD-Exos處理后的結(jié)果則相反(圖5F)。miR-155OE-Exos暴露后,I型膠原蛋白、III型膠原蛋白和α-SMA蛋白水平上調(diào),CD31蛋白水平下調(diào),而miR-155KD-Exos作用相反(圖5G)。以上結(jié)果表明,外泌體miR-155在促進(jìn)bEnd.3細(xì)胞的EndoMT中起著至關(guān)重要的作用。
6)M1-Exos通過(guò)傳遞miR-155上調(diào)ROS水平,損害bEnd.3細(xì)胞線粒體功能
我們研究了外泌體miR-155與bEnd.3細(xì)胞中線粒體功能的關(guān)系。我們發(fā)現(xiàn),與miR-NCOE-Exos相比,miR-155OE-Exos處理上調(diào)了ROS水平(圖6A和B),線粒體超氧化物水平(圖6C和D)和線粒體電位(圖6E);然而,miR-155KD-Exos處理則顯示了相反的結(jié)果(圖6A-E)。此外,miR-155OE-Exos可使線粒體腫脹更大,形態(tài)更短,線粒體碎片細(xì)胞比例更高,而miR-155KD-Exos可減輕線粒體腫脹(圖6F和G)。miR-155OE-Exos處理后的OCR、基礎(chǔ)呼吸、ATP產(chǎn)生、呼吸能力和呼吸逆轉(zhuǎn)均明顯下降,而miR-155KD-Exos處理減輕了氧化呼吸功能障礙(圖6H和I)。這些結(jié)果表明,上調(diào)外泌體miR-155可導(dǎo)致過(guò)度ROS的產(chǎn)生和線粒體功能障礙。
7)miR-155負(fù)調(diào)控SOCS6表達(dá),激活NF-κB通路
為了進(jìn)一步探討外泌體miR-155誘導(dǎo)EndoMT和線粒體功能障礙的潛在機(jī)制,我們重點(diǎn)研究了miR-155的下游基因。首先,利用在線miRNA靶標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)預(yù)測(cè)了84個(gè)潛在靶基因。SOCS6是具有3’UTR的下游mRNA之一,可能與miR-155結(jié)合(圖7A)。結(jié)合GSE49329和GSE49330數(shù)據(jù)庫(kù),我們發(fā)現(xiàn)miR-155的表達(dá)與SOCS6的表達(dá)呈負(fù)相關(guān)(圖7B)。為了進(jìn)一步證實(shí)SOCS6 3’UTR是miR-155的直接靶標(biāo),我們根據(jù)預(yù)測(cè)的結(jié)合位點(diǎn)(圖7C)構(gòu)建了SOCS6 3’UTR野生型(WT)和突變型(MUT)序列。熒光素酶報(bào)告實(shí)驗(yàn)顯示,與對(duì)照組相比,共轉(zhuǎn)染SOCS6的WT-3’UTR時(shí),miR-155過(guò)表達(dá)明顯降低了熒光素酶活性(圖7D)。qRT-PCR和western blot進(jìn)一步顯示,miR-155過(guò)表達(dá)導(dǎo)致SOCS6表達(dá)降低,而miR-155敲低上調(diào)SOCS6 mRNA和蛋白水平(圖7E和F)。GO分析顯示miR-155可以負(fù)向調(diào)控細(xì)胞-細(xì)胞粘附,參與調(diào)控成纖維細(xì)胞增殖(圖7G)。從GO分析可知,miR-155可能介導(dǎo)NF-κB信號(hào)通路(圖7G)。過(guò)表達(dá)miR-155可顯著提高細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核中p65蛋白的水平,而敲低miR-155可起到相反的作用(圖7H)。
8)SOCS6通過(guò)泛素化和降解p65抑制NF-κB信號(hào)通路
鑒于miR-155通過(guò)增強(qiáng)細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核中p65的表達(dá)負(fù)調(diào)控SOCS6的表達(dá),并激活NF-κB信號(hào)通路,我們下一步研究SOCS6與p65之間潛在的相互作用。首先,我們?cè)?/span>bEnd.3細(xì)胞中過(guò)表達(dá)或下調(diào)SOCS6。發(fā)現(xiàn)p65表達(dá)與SOCS6水平呈負(fù)相關(guān)(圖8A)。Discovery Studio?分析的3D對(duì)接也表明SOCS6可能與p65相互作用(圖8B)。此外,熒光共定位實(shí)驗(yàn)表明,SOCS6與p65在細(xì)胞質(zhì)中共定位(圖8C和D), Co-IP實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步揭示了SOCS6與p65的相互作用(圖8E)。值得注意的是蛋白酶體MG132可以部分逆轉(zhuǎn)SOCS6過(guò)表達(dá)對(duì)p65蛋白水平的抑制作用(圖8F)。同時(shí),在環(huán)己酰亞胺的情況下,SOCS6的沉默顯著延緩了內(nèi)源性p65的降解速率,而過(guò)表達(dá)SOCS6則顯著加速了p65的降解(圖8G)。最后,通過(guò)泛素化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證SOCS6是否通過(guò)蛋白酶體降解誘導(dǎo)p65失穩(wěn)。我們發(fā)現(xiàn)過(guò)表達(dá)SOCS6增加了bEnd.3細(xì)胞中p65多聚泛素化。沉默SOCS6則相反(圖8H)。綜上所述,這些結(jié)果表明SOCS6可以與p65結(jié)合并誘導(dǎo)其多聚泛素化和蛋白酶體降解。
9)M1-Exos通過(guò)miR-155/ SOCS6/p65軸加重了bEnd.3細(xì)胞的EndoMT
為了探討外泌體miR-155/SOCS6/p65軸在M1-Exos誘導(dǎo)的EndoMT中的作用,我們?cè)隗w外進(jìn)行了一系列功能喪失和功能獲得實(shí)驗(yàn)。我們發(fā)現(xiàn),SOCS6過(guò)表達(dá)部分逆轉(zhuǎn)了miR-NCOE-Exos或miR-155OE-Exos誘導(dǎo)的TEER值降低和通透性增加(圖9A和B)。ZO-1和Occludin的熒光強(qiáng)度進(jìn)一步顯示SOCS6過(guò)表達(dá)顯著逆轉(zhuǎn)了miR-NCOE-Exos或miR-155OE-Exos在bEnd.3細(xì)胞中引起的TJs破壞(圖9C)。此外,EndoMT標(biāo)記物的蛋白水平與這些結(jié)果一致,SOCS6上調(diào)可消除miR-NCOE-Exos或miR-155OE-Exos介導(dǎo)的p65上調(diào)(圖9D)。值得注意的是,當(dāng)miR-NCKD-Exos或miR-155KD-Exos下調(diào)SOCS6時(shí),則出現(xiàn)相反的結(jié)果(圖9E-H)。
10)M1-Exos在bEnd.3細(xì)胞中通過(guò)miR-155/SOCS6/p65軸上調(diào)ROS水平,損害線粒體功能
我們進(jìn)行了一系列功能喪失和功能獲得實(shí)驗(yàn)來(lái)研究miR-155/SOCS6/p65軸在調(diào)節(jié)線粒體功能中的作用。如圖10A -E所示,SOCS6過(guò)表達(dá)消除了miR-NCOE-Exos或miR-155OE-Exos誘導(dǎo)的ROS水平(圖10A和B)、線粒體超氧化物含量(圖10C和D)和線粒體電位(圖10E)的升高。此外,SOCS6過(guò)表達(dá)顯著緩解了miR-NCOE-Exos或miR-155OE-Exos處理后的線粒體腫脹,并降低了線粒體碎片細(xì)胞的比例(圖10F和G)。進(jìn)一步的結(jié)果表明,SOCS6過(guò)表達(dá)可挽救miR-NCOE-Exos或miR-155OE-Exos處理導(dǎo)致的OCR、基礎(chǔ)呼吸、ATP產(chǎn)生、呼吸能力和呼吸逆轉(zhuǎn)的下降(圖10H和I)。miR- NCKD-Exos或miR-155KD-Exos處理后沉默SOCS6則出現(xiàn)相反的結(jié)果(圖10J-R)。
結(jié)論:在本研究中,我們發(fā)現(xiàn)SCI后浸潤(rùn)的巨噬細(xì)胞可通過(guò)傳遞外泌體miR-155促進(jìn)EndoMT,損害線粒體功能,從而加重BSCB完整性,隨后通過(guò)抑制SOCS6誘導(dǎo)的p65降解,激活NF-κB通路。我們的工作可能會(huì)加強(qiáng)對(duì)巨噬細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞之間相互干擾的理解,并揭示脊髓損傷后BSCB完整性的潛在調(diào)節(jié)機(jī)制。