PTSD大鼠中缝背核神经元IRE1α-ASK1通路应答未折叠蛋白反应的分子机制

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目的:创伤后应激障碍(posttraumatic stress disorder, PTSD)是因为突发性的事件或处境而导致的延迟性的精神障碍,病人因为突发性的灾难事件,或者面临极度令人害怕的场景,出现悲伤、恐惧,导致个人延迟出现精神障碍,而且这种精神障碍会长期持续存在。  PTSD最显著的特征有:再体验(重复而且持续体验创伤性的事件);事件回避(逃避回忆及反应麻木);高唤起(警觉性增高)[1]。  目前研究发现PTSD的发病机理有三个方面:皮质类醇激素受体功能下降,去甲肾上腺素能和加压素能系统的兴奋,5-HT系统的缺陷[2]。  5-HT阳性细胞广泛分布于中缝核各部,尤以中缝背核部位密集,在情绪调节和焦虑行为的病理生理机制中发挥的重要作用[3]。在PTSD前期研究中,Feifei Luo等发现PTSD大鼠中缝背核神经元5-HT1A受体的表达增高[4]; Dongjuan Liu等从PTSD大鼠中缝背核神经元凋亡-线粒体路径和溶酶体路径进行了研究,发现PTSD大鼠中缝背核神经元线粒体细胞色素C的释放增多, TMP(三偏磷酸酶)活性增强,而且中缝背核神经元存在凋亡的形态学改变[5]。由此可见,中缝背核神经元的凋亡可能在PTSD的发病中起重要作用,这可能是大鼠创伤后异常情绪和行为形成的重要病理学基础之一。  据文献报道,通过内质网应激(endoplasmic reticulum stress,ERS)诱导细胞凋亡,是一条新的细胞凋亡信号传导通路[6~8],许多疾病的发病机制都与过度ERS引起的细胞凋亡有关[9~11]。  当ERS发生在细胞时,细胞会启动未折叠蛋白反应(unfolded protein response,UPR)应对ERS。参加未折叠蛋白反应(unfolded protein response,UPR)的内质网跨膜蛋白主要有3个:PRKR样内质网调节激酶(PRKR-like endoplasmic reticulumkinase,PERK)、活化转录因子6α(activating transcription factor6,ATF6α)和肌醇需酶1α(inositol requiring kinase1α,IRE1α)[12]。  ERS初期细胞主要通过内质网跨膜蛋白诱发的三个信号通路: PERK通路、IRE1α通路和ATF6通路来重建内质网稳态,恢复内质网的正常功能[13]。  但如果发生应激反应时间较长,持续的应激超出了细胞进行UPR的能力,细胞内的内质网稳态无法恢复到正常状态的时候, ERS就会导致细胞凋亡。三个内质网跨膜蛋白在过度ERS时诱发的三个信号传导通路诱导细胞发生凋亡的最终通路主要包括CHOP通路和IRE1α-ASK1-JNK通路。  在ERS早期,PERK介导的信号通路最先被激活,PERK的激活可迅速减少细胞内蛋白质合成,从而减轻内质网蛋白质负荷。如ERS仍然持续,细胞将进一步激活ATF6α途径,ATF6α信号通路应答UPR可激活XBP1及上调蛋白质折叠相关酶、分子伴侣,以增加内质网对蛋白质的处理能力,同时为IRE1激活做好物质准备。在PTSD大鼠内质网应激ATF6α途径诱发细胞凋亡方面,Juhua Xie等发现PTSD大鼠中缝背核内质网跨膜蛋白ATF6α、分子伴侣GRP94的表达均明显升高,提示PTSD大鼠中缝背核神经元启动了UPR,激活了内质网跨膜蛋白ATF6α通路诱导的细胞凋亡,为进一步从ERS这个角度研究PTSD大鼠中缝背核神经元凋亡提供了实验基础[14,15]。  而若ERS继续存在,细胞将启动IRE1α介导的内质网应激径路凋亡,诱导细胞死亡[16]。被激活的内质网跨膜蛋白IRE1α可诱导并活化XBP1蛋白的表达[17]。被激活的XBP1蛋白可以激活下游的ERS蛋白,其中有内质网分子伴侣BIP和CHOP(C/EBP homologous protein),导致内质网降解相关基因的表达增高,从而激活了UPR和ERS导致的细胞凋亡径路[18]。  PTSD是应激性精神障碍,通常是在遭受到各种巨大灾难后而发病,而这些灾难刺激均属于超强刺激,可导致过度ERS,使内质网对蛋白质的修饰加工能力大大降低,造成内质网内未折叠蛋白或错误折叠蛋白的积聚,从而启动了未折叠蛋白反应(unfolded protein response, UPR)。  那么PTSD大鼠是否存在内质网跨膜蛋白IRE1α诱导的细胞凋亡信号信号通路呢?LiX等报告PTSD大鼠前额内侧皮质神经元的IRE1α和XBP1在蛋白和基因水平均表达增高,说明PTSD大鼠发生了内质网应激IRE1α-XBP1通路诱导的神经元凋亡[19]。  内质网应激时,IRE1α的活化一方面能诱导XBP1、CHOP的表达,另一方面,IRE1α还可以结合肿瘤坏死因子受体相关因子2(TNF-receptor associated factor2,TRAF2),形成IRE1α与TRAF2复合体来激活细胞凋亡信号调节激酶1(apoptosissignal-regulating kinase1,ASK1)[20]。活化的ASK1能够通过激活其下游的信号分子JNK和p38,经过一系列级联反应传递信号,促使细胞凋亡[21]。  目前,在PTSD大鼠内质网应激IRE1α-ASK1信号通路引起神经元凋亡方面,尚未见报道。  本研究将研究目标集中在内质网应激IRE1α-ASK1通路应答UPR,诱发中缝背核神经元凋亡的信号通路上,从蛋白和基因水平上观察PTSD大鼠中缝背核神经元IRE1α、ASK1及其下游信号分子JNK、P38、CHOP、Bcl-2、Bax表达量变化,从中找出预防和有效治疗PTSD的药物新靶点。  研究方法:  采用国际上公认的的单一延长应激(single-prolonged stress,SPS)的方法建立PTSD大鼠模型[22],随机分为5组:正常对照组、SPS刺激后1天组、SPS刺激后4天组、SPS刺激后7天组和SPS刺激后14天组;  采用Monies水迷宫测试SPS刺激后大鼠的空间记忆和学习能力的表现,包括定位航行实验和空间探索实验两部分。  采用免疫组化、Western blotting及RT-PCR检测正常对照组和模型组大鼠IRE1α、ASK1和JNK蛋白表达及mRNA分子水平表达;  采用免疫组化、Western blotting及RT-PCR检测正常对照组和模型组大鼠P38、CHOP蛋白表达及mRNA分子水平表达;  采用Western blotting及RT-PCR检测正常对照组和模型组大鼠Bcl-2、Bax蛋白表达及mRNA分子水平表达。  结果:  1、PTSD大鼠行为学改变  Morries水迷宫定位航行实验结果显示,模型组大鼠平均逃避潜伏期显著高于正常对照组,同时空间探索实验中模型组大鼠在目标象限停留的时间百分比明显低于正常对照组。  2、PTSD中缝背核神经元内质网应激IRE1α-ASK1-JNK通路诱导细胞凋亡的分子机制研究  2.1免疫组织化学技术检测IRE1α表达  免疫组织化学染色结果显示:IRE1α的阳性表达主要分布于中缝背核神经元核周质,阳性信号呈棕黄色颗粒。统计分析结果表明,经SPS刺激后第1d,与正常对照组比较,IRE1α阳性表达稍有增多,第4d和7d表达量最高(P<0.01),随后第14天表达量显著下降(P<0.01);第4d和7d表达量差异没有统计学意义(P>0.05)。  2.2 Western blotting检测IRE1α、ASK1和JNK蛋白表达  在SPS刺激后,IRE1α的蛋白表达,与正常对照组比较,明显升高,于7天达到峰值,随后下降;ASK1、JNK的蛋白表达量,与正常对照组比较,明显升高,于4天达到峰值,随后下降。  2.3 RT-PCR检测结果IRE1α、ASK1和JNK的mRNA表达  在SPS刺激后,IRE1α的mRNA表达,与正常对照组比较,明显升高,于7天达到峰值,随后下降;ASK1、JNK的mRNA表达量,与正常对照组比较,明显升高,于4天达到峰值,随后下降。  3、PTSD中缝背核神经元内质网应激IRE1α-ASK1-P38通路诱导细胞凋亡的分子机制研究  3.1 Western blotting检测P38、CHOP蛋白表达  P38的蛋白表达量,与正常对照组比较,也明显升高,于1天达到峰值,随后下降;CHOP的蛋白表达量,与正常对照组比较,明显升高,于4天达到峰值,随后下降。  3.2 RT-PCR检测结果P38、CHOP的mRNA表达  在SPS刺激后,P38的mRNA表达量,与正常对照组比较,明显升高,于4天达到峰值,随后下降;CHOP的mRNA表达,与正常对照组比较,明显升高,于第7天达到峰值,随后下降。  4、Bcl-2、Bax因子与PTSD中缝背核神经元凋亡的相关性研究  4.1 Western blotting检测Bcl-2、Bax的蛋白表达  Bcl-2和Bax的蛋白表达量,与正常对照组比较,也呈现出先升高再下降的趋势,但是Bcl-2蛋白表达峰值出现较早,在SPS1天即达到,随后表达量下降,维持在稳定水平,而Bax蛋白表达量,与正常对照组比较,在SPS刺激的早期(1-3天),无明显变化,于SPS刺激4天后明显升高,维持在较高水平。  4.2 RT-PCR检测结果Bcl-2、Bax的mRNA表达  Bcl-2和Bax的mRNA表达量,与正常对照组比较,也呈现出先升高再下降的趋势,但是Bcl-2 mRNA表达峰值出现较早,在SPS1天即达到,随后表达量下降,维持在稳定水平,而Bax的mRNA表达量,与正常对照组比较,在SPS刺激的早期(1-3天),无明显变化,于SPS刺激7天后明显升高,维持在较高水平。  结论:  1、经SPS刺激后,PTSD大鼠中缝背核神经元的IRE1α-ASK1-JNK细胞凋亡信号通路被明显激活,诱发了下游的级联反应,导致了中缝背核神经元的凋亡。  2、经SPS刺激后,PTSD大鼠中缝背核神经元的IRE1α-ASK1-P38细胞凋亡信号通路被明显激活,诱发了下游的级联反应,导致了中缝背核神经元的凋亡。  3、在SPS刺激后的早期(1天),抗凋亡蛋白BCL-2的表达增加对神经元起着暂时性保护作用;随着SPS刺激时间延长(4-7天),促凋亡蛋白BAX的表达增加,是导致PTSD大鼠中缝背核神经元发生凋亡的重要机制之一。
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