钙调磷酸酶β通过激活未折叠蛋白反应在脑损伤后发挥保护作用

Calcineurin β protects brain after injury by activating the unfolded protein response.

作者信息Yanan Chen, Deborah M Holstein, Sofia Aime, Mariana Bollo, James D Lechleiter
PMID27334877
发布时间2016-10
DOI10.1016/j.nbd.2016.06.011

实验完整度

包含体外细胞实验(原代星形胶质细胞、C8D1A细胞系、人星形胶质细胞)、体内动物模型(TBI、光血栓性卒中)、重组蛋白实验以及PERK敲除小鼠和药理学抑制验证,涵盖功能与机制验证。

主要模型

C8D1A星形胶质细胞系 小鼠原代星形胶质细胞 人星形胶质细胞 CNβ敲除小鼠(创伤性脑损伤和光血栓性卒中模型) PERK敲除小鼠(Perk−/−)

重点核对

1 µM毒胡萝卜素处理1小时诱导ER应激 氧糖剥夺处理30分钟或1小时 CNβ过表达(慢病毒lenti-GFP(CNβ)) 40 µM槲皮素处理20分钟抑制CN磷酸酶活性 GSK2656157(PERK抑制剂)腹腔注射或侧脑室微量注射

摘要

Ca2+依赖的磷酸酶钙调磷酸酶(CN)被认为在受损神经元中起有害作用;然而,其在星形胶质细胞中的作用尚不清楚。在培养的星形胶质细胞中,用肌浆/内质网Ca2+-ATP酶抑制剂毒胡萝卜素及氧糖剥夺(一种体外缺血模型)处理后,CNβ表达增加。同样,在两种不同的脑损伤小鼠模型——光血栓性卒中和创伤性脑损伤(TBI)中,星形胶质细胞中的CNβ在体内也被诱导。免疫沉淀和化学激活二聚化方法表明CNβ与未折叠蛋白反应(UPR)传感器蛋白激酶RNA样内质网激酶(PERK)存在物理相互作用。相应地,诱导CNβ导致PERK的寡聚化和激活。值得注意的是,磷酸酶抑制剂的存在并不干扰CNβ介导的PERK激活,提示CNβ具有迄今未发现的非酶促作用。重要的是,CNβ的细胞保护功能在体外和体内均依赖PERK。体内CNβ缺失导致脑损伤显著增加,并与星形胶质细胞大小、PERK活性和胶质纤维酸性蛋白(GFAP)表达降低相关。综上所述,这些数据揭示了CNβ-PERK轴在脑损伤后不仅延长星形胶质细胞存活,而且调节星形胶质细胞增生中发挥关键作用。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
CNβ在脑损伤后星形胶质细胞中的功能及其分子机制是什么?
核心机制
CNβ与PERK物理相互作用,促进PERK寡聚化和自磷酸化,激活PERK-eIF2α信号通路,从而发挥细胞保护作用,此作用不依赖CNβ的磷酸酶活性。
主要证据
体外实验显示CNβ过表达增加P-PERK水平并提高星形胶质细胞在氧化应激下的存活率(需要PERK);体内实验中CNβ敲除小鼠在TBI和卒中后损伤增大,PERK活性降低,GFAP表达和星形胶质细胞大小减小。
研究意义
揭示了CNβ-PERK轴在脑损伤后星形胶质细胞存活和反应性胶质增生中的关键保护作用,为创伤或缺血性损伤提供了潜在的治疗策略。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

体外ER应激模型验证CNβ表达

确定ER应激条件下星形胶质细胞中CNβ的表达变化

使用C8D1A星形胶质细胞系和小鼠原代星形胶质细胞,分别用1 µM毒胡萝卜素处理1小时或氧糖剥夺处理30分钟,通过免疫印迹检测CNβ和CNα的表达。

2

体内TBI模型验证CNβ表达

验证CNβ在创伤性脑损伤后星形胶质细胞中的表达变化

使用控制皮质撞击模型诱导小鼠TBI,伤后24小时取脑组织,免疫荧光共染CNβ和GFAP,观察CNβ在星形胶质细胞中的表达。

3

CNβ与PERK物理相互作用验证

验证CNβ与PERK是否存在物理相互作用

通过免疫共沉淀、GST pull-down和交联实验,检测CNβ与PERK的结合。

4

CNβ促进PERK磷酸化和寡聚化验证

验证CNβ是否促进PERK磷酸化和寡聚化

使用体外激酶实验检测CNβ对PERK自磷酸化的影响;交联实验检测CNβ对PERK寡聚化的影响;细胞实验用毒胡萝卜素或OGD处理观察P-PERK水平。

5

化学诱导二聚化验证CNβ-PERK相互作用的功能

在活细胞中验证CNβ-PERK相互作用是否促进PERK磷酸化

利用雷帕霉素诱导的FKBP-FRB二聚化系统,将CNβ招募到ER膜,检测P-PERK的荧光强度变化。

6

CNβ过表达对星形胶质细胞存活的影响

验证CNβ过表达是否提高应激星形胶质细胞的存活率

用慢病毒载体在Perk+/+和Perk−/−星形胶质细胞中过表达CNβ,使用tBuOOH或OGD处理,评估细胞存活率。

7

体内验证CNβ-PERK通路在卒中中的作用

验证CNβ-PERK通路在急性脑缺血中的保护作用

使用光血栓性卒中模型,对野生型和CNβ敲除小鼠进行PERK抑制剂处理,通过TTC染色评估梗死体积。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
DMEM培养基ATCC30-2002
胎牛血清----
毒胡萝卜素SigmaT9033
氧糖剥夺----
槲皮素SigmaQ4951
GSK2656157MedKoo Bio-science406230
抗CNβ抗体Millipore07-068
抗PERK抗体Cell Signaling Technology3192
抗磷酸化eIF2α抗体Cell Signaling Technology3597
抗GFAP抗体MilliporeMAB
抗肌动蛋白抗体MilliporeMAB1501
GST-cPERK融合蛋白----
His-CNβ融合蛋白----
DSS交联剂Thermo Scientific21658
Hoechst 33342染料Life TechnologiesH-3570
钙黄绿素红橙Life TechnologiesC34851
Fluo-4 AM钙指示剂Life TechnologiesF14217
泊洛尼克酸F-127Life TechnologiesP3000MP
内质网示踪剂蓝白DPXLife TechnologiesE-12353
伊文思蓝SigmaE2129
pUltra慢病毒载体Addgene24129
Lenti-X浓缩器Clontech631231
Transdux转导试剂System BiosciencesLV850A-1
玫瑰红染料Sigma330000
抗磷酸化PERK抗体Cell Signaling Technology3179
抗总PERK抗体Cell Signaling Technology3192
抗总eIF2α抗体Cell Signaling Technology9722
抗CNβ抗体(5 µg)Millipore07-068
抗磷酸化PERK抗体(Alexa 647偶联)Biossbs-3330R-A647
抗CNα抗体Proteintech13422-1-AP
抗PERK抗体(PERKUT)----
抗GFP抗体Abcam111258
抗CN-B抗体Millipore07-069

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
体外ER应激诱导
毒胡萝卜素浓度(1 µM)和处理时间(1小时);OGD处理时间(30分钟);细胞类型(C8D1A和小鼠原代星形胶质细胞)
阅读提示:Methods 4.11 ER stress induction;Figure 3 legend
CNβ过表达和细胞活力实验
慢病毒感染复数(MOI 200);tBuOOH浓度(100 µM)和处理时间(2小时);OGD处理时间(1小时);细胞活力检测方法(Hoechst和calcein染色)
阅读提示:Methods 4.14 Lentiviral vector production and transduction;4.15 Cell viability assay;Figure 6 legend
体内TBI模型
小鼠品系(C57BL/6背景CNβ+/+和β−/−);年龄(8-10周);CCI参数(速度4.5 m/s,深度2 mm);伤后24小时取材;Nissl染色
阅读提示:Methods 4.9 Traumatic brain injury (TBI) and Nissl staining;Figure 2 legend
体内光血栓性卒中模型
小鼠品系(C57BL/6);PERK抑制剂GSK2656157给药剂量和时间(腹腔注射,12小时前);Rose Bengal剂量;TTC染色时间(24小时)
阅读提示:Methods 4.10 Cortical photothrombosis and Triphenyl-tetrazolium chloride (TTC) staining;Figure 7 legend
CREB/PERK相互作用实验
细胞裂解液蛋白浓度(30 µg);DSS浓度(0.3 mM)和处理时间(30分钟);免疫沉淀抗体量(5 µg);交联反应温度(室温)
阅读提示:Methods 4.3 Immunoprecipitation and co-immunoprecipitation;4.4 In vitro kinase activity assay and pull-down assay;Figure 3 legend