MUC13通过蛋白激酶C负调控紧密连接蛋白和肠道上皮屏障完整性。

MUC13 negatively regulates tight junction proteins and intestinal epithelial barrier integrity via protein kinase C.

作者信息Celia Segui-Perez, Daphne A C Stapels, Ziliang Ma, Jinyi Su, Elsemieke Passchier, Bart Westendorp, Richard W Wubbolts, Wei Wu, Jos P M van Putten, Karin Strijbis
PMID38345099
发布时间2024-03-01
DOI10.1242/jcs.261468

实验完整度

高

包含CRISPR/Cas9基因敲除、回补实验、TEER测量、通透性检测、质谱膜蛋白组学、蛋白降解分析及激酶抑制剂实验等多层级验证。

主要模型

HRT18细胞系 Caco-2细胞系 CRISPR/Cas9构建的MUC13敲除及胞尾缺失HRT18细胞系

重点核对

MUC13敲除细胞系(ΔMUC13)中TEER升高及Lucifer Yellow通透降低 MLCK抑制剂ML-7、ROCK抑制剂Y-27632、PKC抑制剂GF-109203X对ΔMUC13细胞TEER的影响 膜蛋白组学分析显示ΔMUC13细胞中紧密连接蛋白(claudin-1、-2、-3、-4等)表达上调 PKC抑制剂处理对ΔMUC13细胞膜上claudin-1、-3、-4蛋白水平的影响 MUC13-ΔCT细胞中TEER不显著改变但Lucifer Yellow通透降低

摘要

Glycosylated mucin proteins contribute to the essential barrier function of the intestinal epithelium. The transmembrane mucin MUC13 is an abundant intestinal glycoprotein with important functions for mucosal maintenance that are not yet completely understood. We demonstrate that in human intestinal epithelial monolayers, MUC13 localized to both the apical surface and the tight junction (TJ) region on the lateral membrane. MUC13 deletion resulted in increased transepithelial resistance (TEER) and reduced translocation of small solutes. TEER buildup in ΔMUC13 cells could be prevented by addition of MLCK, ROCK or protein kinase C (PKC) inhibitors. The levels of TJ proteins including claudins and occludin were highly increased in membrane fractions of MUC13 knockout cells. Removal of the MUC13 cytoplasmic tail (CT) also altered TJ composition but did not affect TEER. The increased buildup of TJ complexes in ΔMUC13 and MUC13-ΔCT cells was dependent on PKC. The responsible PKC member might be PKCδ (or PRKCD) based on elevated protein levels in the absence of full-length MUC13. Our results demonstrate for the first time that a mucin protein can negatively regulate TJ function and stimulate intestinal barrier permeability.

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
MUC13是否以及如何调控肠道上皮紧密连接和屏障完整性?
核心机制
MUC13通过其胞质尾区调控PKC(可能为PKCδ)的活性或稳定性,进而影响claudin等紧密连接蛋白的积累,负调控紧密连接强度。
主要证据
MUC13敲除导致TEER升高、小分子通透降低,膜上claudin-1、-3、-4等上调;PKC抑制剂GF-109203X逆转ΔMUC13细胞膜claudin的表达;PKCδ总蛋白在ΔMUC13细胞中升高。
研究意义
首次揭示黏蛋白MUC13负调控紧密连接并刺激肠道屏障通透性,为理解MUC13在IBD和结直肠癌中的作用提供新机制。

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

MUC13表达与定位分析

确定MUC13在肠道不同部位和细胞类型中的表达水平及亚细胞定位。

利用公共单细胞RNA测序数据分析成人肠道各部位及各类细胞中MUC13等黏蛋白的表达;通过免疫荧光共聚焦显微镜检测HRT18和Caco-2细胞中MUC13的定位,并用MAL-II、occludin标记膜与顶面。

2

CRISPR/Cas9敲除MUC13及胞质尾区缺失细胞系构建

生成MUC13全敲除和胞质尾区缺失的HRT18细胞系,以研究MUC13功能。

设计双gRNA策略,删除MUC13第2外显子380bp或第10外显子121bp,构建HRT18-WT、ΔMUC13和MUC13-ΔCT细胞系,通过PCR测序、Western blot和免疫荧光验证。

3

MUC13过表达及回补细胞系构建

验证MUC13缺失的表型可通过MUC13过表达回补。

利用慢病毒转导构建强力霉素诱导的MUC13-GFP过表达(WT+pMUC13)和回补(ΔMUC13+pMUC13)细胞系,检测GFP表达和TEER。

4

上皮屏障功能检测

评估MUC13缺失对上皮屏障功能的影响。

在Transwell系统中培养细胞14天,测定TEER随时间的变化;使用Lucifer Yellow、FITC-dextran和LPS通透性实验检测小分子和大分子的跨膜运输;用L. plantarum处理野生型和ΔMUC13细胞检测TEER变化。

5

膜蛋白组学分析

鉴定MUC13缺失后膜蛋白组成的变化,特别是紧密连接蛋白。

通过亚细胞分级分离富集膜组分,Western blot验证,然后进行质谱分析,比较WT、ΔMUC13和MUC13-ΔCT细胞膜蛋白丰度。

6

紧密连接蛋白降解率分析

确定MUC13缺失是否影响紧密连接蛋白的降解。

使用sulfo-NHS SS-biotin标记细胞表面蛋白,在0、1、3天收集蛋白,通过链霉亲和素沉淀和Western blot检测occludin、claudin-1、claudin-4和E-cadherin的含量。

7

激酶抑制剂对TEER的影响

探究MLCK、ROCK和PKC是否参与MUC13缺失引起的高TEER。

在WT、ΔMUC13和MUC13-ΔCT细胞培养过程中分别加入ML-7、Y-27632和GF-109203X,监测TEER变化。

8

PKC亚型表达分析及PKC抑制剂验证

确定MUC13对PKC亚型的影响,验证PKC在claudin积累中的作用。

通过Western blot检测WT、ΔMUC13和MUC13-ΔCT细胞中PKCα、PKCβ-I、PKCδ、PKCε、PKCζ和磷酸化PKC的水平;在有无PKC抑制剂GF-109203X条件下,分析膜组分中claudin-1、-3、-4的表达。

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
含GlutaMAX的DMEM培养基Life Technologies31966047
胎牛血清Sigma-AldrichF7524
胰蛋白酶Thermo Fisher Scientific25200-072
青霉素/链霉素BioConnectML-105L
博来霉素InvivoGenant-zn
诺莫霉素InvivoGenant-nr
杀稻瘟菌素InvivoGenant-bl
潮霉素InvivoGenant-hg
MRS培养基Millipore69966
抗Claudin-1抗体Thermo Fisher Scientific51-9000
抗Claudin-3抗体Thermo Fisher Scientific34-1700
抗Claudin-4抗体Thermo Fisher Scientific32-9400
抗Occludin抗体Invitrogen33-1500
抗E-cadherin抗体Abcamab1416
抗PKCα抗体Abcamab32376
抗PKCβ-I抗体Abcamab195039
抗PKCδ抗体Abcamab182126
抗PKCε抗体Abcamab63638
抗PKCζ抗体Santa Cruz Biotechnologysc-216
抗泛磷酸化PKC抗体Cell Signaling Technology9371
抗GAPDH抗体MerckG9545
抗β-肌动蛋白抗体Biossbs-0061R
抗MUC13胞质尾抗体Abcamab235450
MAL-II生物素化凝集素Vector LabB-1265-1
抗Na⁺/K⁺-ATPase抗体Abcamab76020
抗ZO-1抗体Abcamab216880
抗乙酰化组蛋白H3抗体Merck07-352
山羊抗小鼠HRPSigma-AldrichA2304
山羊抗兔HRPSigma-AldrichA4914
Alexa Fluor 488山羊抗小鼠IgGThermo Fisher ScientificA11029
Alexa Fluor 568山羊抗小鼠IgGThermo Fisher ScientificA11031
Alexa Fluor 488山羊抗兔IgGThermo Fisher ScientificA11034
Alexa Fluor 568链霉亲和素Thermo Fisher ScientificS11226
DAPIInvitrogenD21490
FITC-葡聚糖4kDaSigma-Aldrich46944
FITC-葡聚糖70kDaSigma-Aldrich46945
荧光黄CH二钾盐Sigma-AldrichL0144
大肠杆菌0111:B4脂多糖InvivoGentlrl-3pelps
磺基-NHS-SS-生物素Thermo Fisher ScientificPG82077
pCRISPR-hCas9-2xgRNA-Puro质粒----
FastAP碱性磷酸酶Thermo Fisher Scientific--
T4多核苷酸激酶Thermo Fisher Scientific--
Fugene转染试剂Promega--
嘌呤霉素Life Technologies--
pcDNA3.1载体----
pInducer 20-extended MCS (pKSU59)----
Lipofectamine 3000转染试剂InvitrogenL3000001
多西环素Sigma-AldrichD3072
Triton X-100Sigma-AldrichX100
明胶Sigma-AldrichCM135a
牛血清白蛋白Sigma-AldrichA7030
Prolong Diamond封片剂InvitrogenP36990
Duolink原位PLA红色试剂盒MerckDUO92008
Duolink PLA抗小鼠MINUS探针MerckDUO92004
Duolink PLA抗兔PLUS探针MerckDUO92002
12孔Transwell板,12mm插入物,0.4µm孔径Costar3401
24孔Transwell板,6.5mm插入物,0.4µm孔径Costar3470
Millicell ERS-2电压电阻表Millipore--
ML-7----
Y-27632----
GF-109203X----
Pierce BCA蛋白定量试剂盒Thermo Fisher Scientific23225
Trans-Blot Turbo转印系统Bio-Rad--
Clarity Western ECL发光液Bio-Rad--
Femto ECL发光液Bio-Rad--
PVDF膜----
无甲醇甲醛Thermo Fisher Scientific28906
Halt蛋白酶和磷酸酶抑制剂混合物Thermo Fisher Scientific78441
Pierce链霉亲和素琼脂糖珠Thermo Fisher Scientific--
Lys-C内切酶Wako--
胰蛋白酶Sigma-Aldrich--
Sep-Pak C18 1cc真空小柱Waters--
Orbitrap Exploris 480质谱仪Thermo Fisher Scientific--
UltiMate 3000超高效液相色谱系统Thermo Fisher Scientific--
C18 PepMap100 µ-预柱Thermo Fisher Scientific--
Agilent Poroshell分析柱Agilent--
FLUOstar Omega酶标仪BMG Labtech--
QUANTI-Blue底物InvivoGenrep-qbs
HEK-Blue hTLR4细胞InvivoGenhkb-htlr4
HEK293T细胞ATCCCRL-3216
HRT18细胞ATCCCCL-244
Caco-2细胞ATCCHTB-37
植物乳杆菌ATCC14917

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
细胞培养与分化
HRT18细胞在DMEM含10% FCS条件下培养,分化2周以形成紧密连接;ΔMUC13和MUC13-ΔCT细胞由CRISPR/Cas9生成,需确认基因型。
阅读提示:详见'Cell lines, bacteria and culture conditions'和'Generation of HRT18 ΔMUC13 and MUC13-ΔCT cell lines using CRISPR/Cas9'
TEER测量
细胞接种于12孔Transwell板,插入物孔径0.4µm,初始汇合度30-60%,分化14天。
阅读提示:详见'TEER measurements'
通透性实验
Lucifer Yellow浓度400µg/ml孵育2小时,FITC-dextran 4kDa和70kDa浓度1mg/ml孵育6小时,LPS-EB 5mg/孔孵育24小时。
阅读提示:详见'Epithelial permeability assays with Lucifer Yellow and FITC–dextran'和'LPS translocation assays'
激酶抑制剂实验
ML-7(50µM)、Y-27632(50µM)、GF-109203X(20µM)在第3、6、9天添加,影响TEER的MLCK、ROCK和PKC通路。
阅读提示:详见'TEER measurements'和'Results TEER buildup in the absence of MUC13 is dependent on MLCK, ROCK and PKC kinases'相关部分
膜蛋白组学分析
细胞分化14天后进行亚细胞分级分离,超速离心100,000g 1小时,质谱分析蛋白表达。
阅读提示:详见'Subcellular fractionation'和'LC-MS/MS'