Cx43参与介导三氯乙烯致先天性心脏病的作用及其机制研究

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目的:三氯乙烯(trichlorethylene,TCE)暴露与先天性心脏病相关,但机制不明。连接蛋白43(Connexin43,Cx43)参与心脏发育及功能调控,本研究探讨Cx43是否介导TCE心脏发育毒性以及可能的作用机制,为其防治提供理论基础和实验依据。方法:本研究结合斑马鱼模式生物早期发育及人胚胎干细胞,两者皆可应用于疾病模型的构建,以斑马鱼进行体内实验,人胚胎干细胞进行体外实验。将斑马鱼胚胎暴露于不同剂量的TCE,观察胚胎发育情况并统计胚胎存活率、心脏畸形率和畸形类别。录像并测量和计算心脏收缩期和舒张期的容积变化,进行心功能评价。剖取各组斑马鱼胚胎心脏,进行DAPI、EdU和Cx43染色,统计心房和心室细胞数目及EdU阳性细胞比例。qPCR检测增殖细胞核抗原PCNA和NR4A1的表达。将人胚胎干细胞H1暴露于不同剂量的TCE,观察细胞形态,MTT检测其活性。运用qPCR和免疫荧光分别检测干细胞多能性基因OCT4、NANOG和SOX2的表达及分布。细胞计数记录细胞生长曲线,以免疫荧光检测增殖细胞核抗原PCNA和EdU阳性细胞的表达,以Western blot检测细胞周期蛋白依赖性激酶(CDK2、CDK4)的表达。Western blot和免疫荧光检测胞内Cx43的蛋白质表达,利用siRNA干扰Cx43,qPCR检测其敲降效率,免疫荧光和Western blot检测Cx43是否参与TCE诱导的细胞增殖。添加AKT抑制剂,检测TCE是否通过AKT信号通路调控Cx43。将人胚胎干细胞进行心肌定向分化,且全程暴露于10ppb的TCE,期间观察细胞形态的变化。收集不同发育时期的细胞,通过免疫荧光和qPCR检测心肌发育进程中特异性标志物的表达,并验证心室标志物MLC-2v和心房标志物SLN的表达,探讨TCE是否影响心脏发育。记录分化后心肌细胞自主节律性搏动,评价TCE对搏动节律的影响。以二氯二氢荧光素二乙酸醋(DCFH-DA)为探针检测心肌细胞中ROS的表达水平,以线粒体超氧化物MitoSOX red为指示剂检测心肌细胞线粒体ROS的表达水平,以萤火虫萤火素酶检测心肌细胞内ATP的水平。qPCR检测不同发育时期Cx43的表达,免疫荧光检测心肌细胞中Cx43和p-AKT的表达。BioGRID预测与Cx43结合相互作用的蛋白,并将其进行GO富集分析,来探讨Cx43是否参与TCE诱导的先天性心脏病。结果:(1)100ppb的TCE显著降低斑马鱼胚胎的存活率,且10和100ppb的TCE以剂量依赖的方式增加心脏畸形率。TCE引起斑马鱼心脏畸形并且严重干扰每搏输出量和心输出量。TCE处理显著增加心房心室的细胞数量以及EdU 阳性细胞数目。经TCE处理后斑马鱼胚胎心脏细胞增殖标志物PCNA和NR4A1 mRNA表达显著增加,Cx43蛋白表达显著下降。(2)10ppb、100ppb和1ppm的TCE不引起人胚胎干细胞H1的细胞毒性,而10ppm及以上浓度的TCE显著降低细胞的活力。后期所有实验选择TCE作用浓度为10ppb。我们发现,TCE不影响人胚胎干细胞H1多能性基因的表达。细胞生长曲线中,TCE处理24h、48h和72h时,细胞数量均显著增加。TCE处理导致细胞增殖标志物PCNA表达增加,EdU 阳性细胞比例增加。TCE显著上调细胞周期蛋白依赖性激酶CDK2和CDK4的表达。(3)TCE上调Cx43的表达,敲降Cx43能减弱由TCE诱导的Cx43的高表达,降低增殖细胞核抗原PCNA表达,抵抗TCE导致的EdU阳性细胞数目增多。此外,敲降Cx43减弱由TCE处理后CDK2的上调。添加AKT抑制剂LY294002,显著降低TCE处理后AKT磷酸化水平和Cx43的高表达,增殖细胞核抗原PCNA表达及EdU 阳性细胞数目降低,TCE诱导CDK2的上调效应减弱。(4)TCE不影响人胚胎干细胞向中胚层分化,但在D12(分化后第12天),TCE引起心肌特异性基因发生显著变化。TCE显著抑制心室标志物MLC-2v和心房标志物SLN的表达。TCE抑制心肌细胞自主节律性搏动,心肌细胞内及线粒体来源ROS水平升高,ATP产能效率显著减弱。TCE显著抑制Cx43和p-AKT的表达。GO富集分析与Cx43结合的蛋白,结果提示Cx43与NEDD4、ATG5、UBE2A等结合影响心脏发育。结论:在斑马鱼胚胎上,TCE处理显著诱导胚胎心脏组织细胞增殖,导致心脏缺陷和功能障碍。Cx43在分化过程中表达具有时相性,分化前,TCE处理导致Cx43表达增加,干扰细胞周期蛋白依赖性激酶,影响细胞增殖,AKT信号通路可能参与TCE对Cx43的表达调控。而在分化后期,TCE抑制Cx43表达,推测可能通过影响心肌形态发生与功能性基因表达介导心脏发育毒性。TCE引起线粒体ROS生成及细胞内ATP水平下降,影响心肌细胞自发搏动。
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