研究背景及目的动脉粥样硬化(AS)是一种慢性炎症性疾病,最先发生于血流动力学紊乱的血管分叉或狭窄的部位。局部血流变化与这种部位特异性密切相关,其中一个重要的因素是剪切力(WSS)。剪切力是血液在血管中流动时对血管内膜产生的一种摩擦力。剪切力的大小与血液流速成正比,比管腔半径成反比。生理剪切力的大小介于0.5-1.2Pa,小于0.5Pa或者大于1.2Pa分别称为低剪切力和高剪切力。剪切力作用于内皮细胞能引起胞内各种信号转导分子的激活,如蛋白激酶C(PKC)、丝裂原活化的蛋白激酶(MAPK)等。此外,低剪切力能够促进促动脉硬化物质在管腔和管壁之间的转运,因此能促进动脉粥样硬化的发生。聚二磷酸腺苷核糖聚合酶1(PARP-1)是一种高度保守的DNA结合蛋白。作为一种核酶,PARP-1参与了DNA损伤后的修复。一旦与损伤的DNA结合,PARP-1会被激活并催化烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)裂解为尼克酰胺和ADP核糖,从而在DNA修复、基因转录、细胞周期、细胞死亡、染色体功能和遗传稳定性中发挥重要的作用。然而,PARP-1过度活化会引起细胞内NAD+和ATP的耗竭,导致细胞能量危机、细胞毒性和细胞死亡。研究证实氧化应激引起的PARP-1过度活化与各种疾病的发生密切相关,如内皮功能障碍、休克、糖尿病、高血压、动脉粥样硬化等。此外,作为核因子κB (NF-κB)的激活物,ⅠPARP-1能够调节各种关键炎症因子的表达,如单核细胞趋化蛋白1(MCP-1)、细胞间粘附分子1(ICAM-1)、诱导型一氧化氮合酶(iNOS)等。在以往研究的基础上,我们提出如下假设：1)低剪切力能引起氧化应激并导致DNA损伤,从而激活PARP-1;2) PARP-1在低剪切力引起的炎症反应中发挥了重要作用。本研究正是基于以上思路,拟应用低剪切力刺激人脐静脉内皮细胞(HUVECs)以验证这一假说。旨在探讨PARP-1在低剪切力引起的脐静脉内皮细胞炎症反应中的作用和可能的机制,以期寻找到与低剪切力相关的炎症性疾病的预防和治疗靶点。材料与方法1.细胞培养及剪切力模型建立：本实验采用内皮细胞培养基(ECM)培养的人脐静脉内皮细胞(HUVECs)作为研究对象；低剪切力(0.4Pa)刺激以诱导脐静脉内皮细胞发生炎症反应,静态状态下培养的脐静脉内皮细胞作为实验对照。2.细胞内基因蛋白表达的干预：采用PARP-1抑制剂ABT888或瞬时转染PARP-1小干扰RNA片段的方式实现对脐静脉细胞内PARP-1表达的干预；采用SP600125,SB203580和U0126抑制剂来抑制,NK、 P38和ERK的活性。3.实时定量逆转录PCR(Real-time RT-PCR):收集各组细胞,提取RNA,进行逆转录和实时定量PCR,检测各组细胞中iNOS和ICAM-1mRNA的表达水平。4.蛋白印迹(Western blotting):收集各组细胞,提取蛋白,分别检测ICAM-1、iNOS、PARP-1、PAR、 nitrotyrosine、H2A-X、p-H2A-X、c-Jun、p-c-Jun、MAPKAPK-2、 p-MAPKAPK-2、ERK、p-ERK、Sirt1、IκBα口p-p65等蛋白的表达水平。5.细胞免疫荧光：显示细胞超氧阴离子的生成,细胞内的NF-κB P65亚基的表达及转位情况。6.分光光度法：收集各组细胞,使用相应试剂盒以检测细胞内NAD+勺水平和Sirtl的活性。7.彗星实验(comet assay):收集各组细胞,检测细胞DNA损伤程度。8.电泳迁移率检测(EMSA):收集各组细胞,提取各组细胞核蛋白,检测细胞内核转录因子NF-KB的活性。研究结果1.低剪切力诱导脐静脉内皮细胞内iNOS和ICAM-1mRNA和蛋白的表达具有时间依赖性：应用低剪切力(0.4Pa)刺激HUVECs Oh、4h、8h、12h、16h、24h和36h,RT-PCR和蛋白印记结果显示,与正常对照组相比,LSS能够诱导HUVECs细胞内iNOS和ICAM-1的表达。在LSS刺激4h后,iNOS mRNA和蛋白表达开始升高；在LSS刺激12h后,iNOS mRNA和蛋白达到峰值,此时ICAM-1mRNA和蛋白的表达也明显升高。2.LSS刺激增加了脐静脉内皮细胞中PARP-1的蛋白表达和活性：与正常对照组相比,LSS能够显著增加细胞中PARP-1蛋白的表达量,而PARP-1的siRNA可以下调PARP-1的表达；此外,LSS刺激能增加PARP-1的活性,即上调PAR的生成,加入PARP-1抑制齐ABT888或siRNA后,PAR的生成明显减少。3.LSS刺激增加了细胞中超氧阴离子(02-)和3-NT的合成：为了显示细胞内的氧化应激水平,我们检测了细胞内超氧阴离子和硝基酪氨酸的合成。DHE染色和蛋白印记结果显示,与正常对照组相比,LSS刺激下的HUVECs细胞,O2-的合成和3-NT的表达明显增加。4.LSS刺激引起细胞DNA损伤：彗星实验结果显示,低剪切力刺激能显著增加尾部DNA的含量,而静态条件下尾部几乎没有DNA;此外,LSS还能增加细胞中P-H2A-X的表达,说明了LSS刺激能诱导细胞DNA损伤。5.LSS能够通过MEK/ERK通路激活PARP-1:与正常对照组相比,LSS能够活化JNK、p38和ERK通路,增加其磷酸化蛋白的表达。应用SP600125、SB203580、U0126抑制剂能够抑制JNK、p38、ERK的磷酸化,但是只有MEK/ERK抑制剂U0126能够减少PAR的生成。6.抑制PARP-1能够减少炎症因子iNOS和ICAM-1的表达：蛋白印迹结果显示,与正常对照组相比,LSS刺激能够显著增加iNOS和ICAM-1的蛋白表达量；应用ABT888或siRNA抑制PARP-1后,炎症因子的表达明显减少。7.抑制PARP-1通过上调胞内NAD+的水平而上调Sirtl的活性：与正常对照组相比,LSS刺激能够显著减少细胞内NAD+的水平和Sirt1的活性；抑制PARP-1后,细胞内NAD+水平明显升高,伴随Sirt1活性的增加,而其蛋白表达量没有明显变化。8.抑制PARP-1通过抑制NF-KB的核转位和活性而减少炎症因子的表达：免疫荧光结果显示,静息状态下,NF-KB的亚单位p65主要存在于胞浆中,而LSS刺激能够诱导p65亚基的核转位；抑制PARP-1后,LSS诱导的p65亚基核转位受到明显抑制。EMSA结果显示,LSS刺激能够增加NF-KB的转录活性,而抑制PARP-1能够显著降低NF-κB的活性。此外,蛋白印迹结果显示,LSS能减少IkBα的表达,增加p65亚基的磷酸化；而抑制PARP-1能够减少p65亚基的磷酸化,对IkBα勺表达无显著作用。结论及意义1.低剪切力能够诱导人脐静脉内皮细胞的炎症反应；2.低剪切力能够引起细胞内氧化应激和DNA损伤；3.低剪切力可以通过MEK/ERK途径激活PARP-1;4.抑制PARP-1能够减轻LSS诱导的脐静脉内皮细胞炎症反应,这一作用主要通过以下两个机制实现：(1)上调胞内NAD+水平而增加Sirt1的活性；(2)抑制NF-κB的核转位和活性,以及p65亚基的磷酸化。5.在本实验研究中,我们对PARP-1在低剪切力诱导的人脐静脉内皮细胞炎症中的作用及其机制做了系统的阐述,相关结果提示聚二磷酸腺苷核糖聚合酶1或许是治疗动脉粥样硬化疾病的靶基因。研究背景及目的在西方发达国家,动脉粥样硬化性疾病依然是患病率和死亡率的首要原因。随着我国人民生活水平的提高和饮食结构的改变,动脉粥样硬化(AS)也成为我国人民的主要死亡原因。动脉粥样硬化的发病是多因素的,深入的了解动脉粥样硬化对其早期预防和治疗具有重要的意义。动脉粥样硬化通常被认为是一种系统性疾病,其发病机制与许多经典的危险因素密切相关,如高血压,高血脂,糖尿病和吸烟等。动脉粥样硬化斑块好发于血管弯曲、分叉和分支部位,提示血流动力和血管形态在斑块形成中发挥了重要的作用。许多体内体外实验已经研究了血管中血流的状态并寻找斑块好发部位与血流动力学之间的可能联系。随着研究的不断深入,剪切力在动脉粥样硬化发病中的作用日益受到重视。在平直血管中,血液在各处血管的流速是不一致的。在血管轴心处血液流速最快,越靠近血管壁流速越慢。流动的血液会与血管发生摩擦,这种摩擦会产生一种平行作用于血管内膜的力,称为剪切力(WSS)。剪切力是一种十分重要的血流动力,它能够引起血管活性物质的释放,改变基因的表达、细胞代谢和细胞形态等。聚二磷酸腺苷核糖聚合酶1(ⅠPARP-1)是PARP家族中含量最多的一种高度保守的核蛋白。氧化应激引起的DNA损伤能够激活PARP-1。在细胞核中,活化的PARP-1催化裂解NAD+为ADP核糖并将其转移到靶蛋白上。在正常情况下,PARP-1参与了DNA损伤的修复；但是在病理条件下,PARP-1的过度活化会引起细胞内NAD+和ATP的耗竭,导致细胞能量危机和功能障碍甚至死亡。大量研究证实PARP-1的过度激活与各种疾病的发生密切相关,如休克、心衰、缺血再灌注损伤和糖尿病等。在以往研究的基础上,我们提出如下假设：1)在动脉粥样硬化形成的早期,抑制聚二磷酸腺苷核糖聚合酶1能够延缓低剪切力诱导的动脉粥样硬化斑块形成；2)抑制聚二磷酸腺苷核糖聚合酶1减少低剪切力诱导的动脉粥样硬化斑块形成是通过抑制内皮细胞炎症反应来实现的。本研究正是基于以上思路,在小鼠体内设计实验以验证这一假说。旨在探讨PARP-1在动脉粥样硬化斑块形成中的作用,以期为抑制斑块形成、预防心血管急性事件的发生防治寻找新的契机和治疗靶点。研究方法1.实验动物：先将ApoE和PARP-1敲基因小鼠合笼繁殖得到ApoE+/-PARP-1+/-小鼠,然后将ApoE+/-PARP-1+/-杂合子合笼繁殖,应用PCR鉴定其子代基因型,最后得到ApoE+/-PARP-1+/-双基因敲除小鼠。2.动物模型的建立：8周龄雄性ApoE和ApoE/PARP-1敲基因小鼠,采用高脂喂养+右侧颈动脉套管的方法,构建动脉粥样硬化模型；实验动物共分为三组：对照组,ApoE敲基因小鼠胃饲生理盐水；抑制剂组,ApoE敲基因小鼠胃饲PARP-1抑制剂ABT888;敲基因组,ApoE/PARP-1敲基因小鼠。3.聚二磷酸腺苷核糖聚合酶1的干预：采用基因敲除和聚二磷酸腺苷核糖聚合酶1抑制剂ABT888降低PARP-1基因表达。4.心率和血压：实验结束后,应用无创方法检测各组小鼠的心率和血压。5.血脂参数：实验结束后,收集小鼠血清,检测总胆固醇(TC)、甘油三脂(TG)、低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)和高密度脂蛋白胆固醇(HDL-C)的水平。6.H&E和油红O染色：收集左侧颈动脉和右侧颈动脉近心端,制备小鼠颈动脉切片,进行H&E和油红O染色,分别显示斑块的大体结构和斑块内脂质含量。7.免疫荧光检测：制备小鼠颈动脉近心端切片,进行免疫荧光染色,检测斑块组织内炎性因子ICAM-1的表达情况。8.蛋白印迹：收集颈动脉近心端,提取蛋白,用于检测组织内聚二磷酸腺苷核糖聚合酶1的蛋白及其活性、炎性因子ICAM-1的表达量。9.DHE染色：收集小鼠颈动脉,制备颈动脉切片,用于检测斑块内超氧化物阴离子的生成量。研究结果1.各组小鼠的一般情况：实验结束后,检测各组小鼠心率、血压和血脂水平,结果显示各组小鼠心率血压、血清TC.TG.LDL-C和HDL-C的浓度水平无显著统计学差异。这些结果提示PARP-1基因干预抑制动脉粥样硬化斑块形成与血脂之间没有直接关系。2.抑制聚二磷酸腺苷核糖聚合酶1能够减少低剪切力诱导的颈动脉斑块形成：实验结束后,我们应用H&E和油红O染色检测各组小鼠颈动脉斑块及脂质的形成情况。与正常对照组的生理剪切力(左侧颈动脉)相比,低剪切力(右侧近心端)明显促进了动脉粥样硬化斑块和脂质的生成(p＜0.05,VS生理剪切力)。与对照组低剪切力相比,(?)PARP一1抑制或敲除明显抑制了实验组套管侧近心端斑块的形成和脂质的含量(p<0.05,VS.对照组低剪切力)。3.抑制聚二磷酸腺苷核糖聚合酶1能够抑制低剪切力诱导的炎症反应：实验结束后,我们检测小鼠颈动脉炎症因子ICAM-1的表达情况。免疫荧光结果显示,与生理剪切力(对照组左侧颈动脉)相比,低剪切力(对照组套管近心端)能够明显促进ICAM-1的表达(p＜0.05,VS生理剪切力)；而在各实验组中,(?)PARP-1抑制或敲除能够明显抑制低剪切力诱导的ICAM-1表达(p<0.05,VS.对照组低剪切力)。蛋白印迹显示了类似的结果,且基因敲除引起的效果较抑制剂明显。这些结果说明抑制PARP-1减少低剪切力诱导的斑块形成是通过抑制内皮细胞炎症反应来实现的。4.低剪切力能够增加聚二磷酸腺苷核糖聚合酶1的表达和活性：实验结束后,我们检测了小鼠颈动脉中PARP-1和PAR的表达情况。蛋白印迹结果显示,与生理剪切力(对照组左侧颈动脉)相比较,低剪切力(对照组套管近心端)能够明显增加ⅠPARP-1和PAR的表达量(p<0.05,VS.对照组生理剪切力)。在实验组套管侧近心端,抑制剂组小鼠PARP-1的表达无明显变化,而PAR的表达明显下降；双基因敲除组小鼠体内没有PARP-1和PAR的表达(p<0.05,VS.对照组低剪切力)。5.低剪切力能够增加氧化应激反应：实验结束后,我们应用DHE染色显示组织中超氧阴离子的形成状况。DHE染色结果显示,与生理剪切力(对照组左侧)相比,低剪切力(对照组套管近心端)能够明显增加组织超氧阴离子的生成,且PARP-1基因敲除或抑制对此没有明显影响。结论及意义1.抑制聚二磷酸腺苷核糖聚合酶1能够减轻低剪切力诱导的动脉粥样硬化斑块形成；2.抑制聚二磷酸腺苷核糖聚合酶1能够减轻低剪切力诱导的内皮炎症反应；3.低剪切力能够增加聚二磷酸腺苷核糖聚合酶1的表达和活性；4.低剪切力能够增加氧化应激；5.该研究为进一步阐明PARP-1在AS斑块形成中的作用和机理,从而为相关的心血管急性事件的防治提供新的思路及有效的治疗靶点。研究背景及目的糖尿病(DM)是一种代谢综合征,以机体相对或绝对胰岛素不足或胰岛素抵抗而出现高血糖为特征。据统计目前全球约有1亿8千万糖尿病患者,预计到2025年这一数字将增加到3亿。随着人民生活水平的改善和饮食结构的变化,我国糖尿病的患病率也达到了相当高的水平,大约是9.7%。由冠状动脉病变和高血压引起的心血管疾病(CAD)是糖尿病患者死亡的首要病因。然而,科学研究发现在冠心病和高血压等危险因素不存在的情况下,糖尿病患者也出现了心衰症状,临床上将导致上述现象出现的疾病称为糖尿病心肌病(DCM)。作为糖尿病的早期并发症,糖尿病心肌病能够导致心肌收缩和舒张功能异常。尽管糖尿病心肌病的发病机制仍然不明确,但是氧化应激在其中发挥了重要的作用。高血糖引起的氧化应激诱导微血管病变的发生,导致心肌细胞死亡、肥大、纤维化和功能障碍。此外,氧化应激引起DNA链的断裂并激活了聚二磷酸腺苷核糖聚合酶1(PARP-1)。PARP-1是PARP家族中研究最为广泛的一种核酶。PARP-1具有3个功能结构域：DNA结合结构域、自我修饰结构域和催化结构域。正常情况下,PARP-1参与了机体DNA损伤的修复和遗传物质的稳定。然而,当PARP-1被过度激活时,它会快速消耗胞内NAD以便将聚ADP核糖转移到靶蛋白上。为了重新合成NAD,细胞会过度消耗ATP,从而导致能量耗竭和细胞死亡。抑制PARP-1可以减少细胞能量消耗而减少细胞死亡。此外,最近研究显示抑制PARP-1还能够诱导Akt磷酸化,激活抗凋亡信号转导通路。在心脏中,胰岛素样因子1(IGF-1)可以通过诱导胰岛素样因子1受体的磷酸化保护心脏功能,而后者的磷酸化能够激活PI3K/Akt信号通路。在以往研究的基础上,我们提出如下假设：1)抑制聚二磷酸腺苷核糖聚合酶1能够减少高糖诱导的心肌细胞凋亡；2)抑制聚二磷酸腺苷核糖聚合酶1减少凋亡的作用是通过激活IGF-1R/Akt信号通路来实现的。本研究正是基于以上思路,我们设计了体外实验以验证这一假说。旨在探讨聚二磷酸腺苷核糖聚合酶1在糖尿病心肌细胞凋亡中的作用和可能机制,以期寻找到糖尿病心肌病新的预防和治疗靶点。材料与方法1.细胞培养及模型建立：应用DMEM培养大鼠H9c2心肌细胞,以低糖(5.5mM)和高糖(33mM)分别刺激细胞。2.基因和蛋白表达的干预：体外采用瞬时转染PARP-1siRNA的方式抑制PARP-1的基因表达；分别应用IGF-1和PPP以促进或抑制IGF-1R的磷酸化水平。3.激光共聚焦显微镜：分别检测大鼠心肌细胞内超氧阴离子(O2-)和活性氧簇(ROS)的含量。4.流式细胞术：检测各刺激组心肌细胞的凋亡水平。5.实时定量逆转录PCR (Real-time RT-PCR):检测大鼠心肌细胞中PARP-1的基因表达水平。6.蛋白印迹(western blotting analysis):分别检测大鼠心肌细胞中PARP-1蛋白,IGF-1R和Akt蛋白的磷酸化水平。研究结果1.高糖诱导大鼠心肌细胞的氧化应激具有时间依赖性：应用高糖DMEM (33mM)分别刺激大鼠心肌细胞24h、36h(?)48h,应用DHE和DCF进行细胞染色,激光共聚焦显微镜拍片检测细胞中超氧阴离子和ROS的生成水平。结果显示,应用高糖刺激24h后,心肌细胞中的氧化应激水平与正常对照组(5.5mM)相当；应用高糖刺激36h,与正常对照组相比,超氧阴离子和ROS的生成分别增加了将近1倍和3倍(p＜0.05,VS. control);应用高糖刺激48h后,超氧阴离子和ROS的生成分别增加了将近3倍和4倍(p＜0.01,VS.control)。2.高糖刺激增加了心肌细胞内PARP-1的表达和活性：分别应用高糖刺激心肌细胞24h.36h口48h后,检测细胞中PARP-1的表达与活性水平RT-PCR结果显示,与正常对照相比,高糖刺激24h后PARP-1基因表达无明显变化,高糖刺激36h和48h能够明显增加心肌细胞中PARP-1的基因表达量。蛋白印迹结果显示,高糖刺激24h后PARP-1和PAR蛋白表达无明显变化,高糖刺激36h和48h明显增加了PARP-1和PAR蛋白的表达量,且呈现时间依赖性。这些结果显示高糖能够增加PARP-1的表达和活性。3.PARP-1siRNA减少了PARP-1基因和蛋白的表达量：实验中我们应用了PARP-1的siRNA来抑制PARP-1的表达,并用RT-PCR和蛋白印迹的实验方法检测了干扰效率。RT-PCR结果显示与正常对照相比,PARP-1siRNA明显减少了PARP-1基因的表达；蛋白印迹结果显示应用PARP-1siRNA使PARP-1蛋白表达量减少到正常对照的一半。PARP-1siRNA的阴性对照对其基因和蛋白表达没有明显影响。这些结果显示PARP-1siRNA能有效抑制PARP-1的表达。4.抑制PARP-1减少了高糖诱导的胞内NAD+消耗：一旦被DNA损伤激活,PARP-1就会以胞内NAD+为底物进行聚ADP核糖化反应。我们应用NAD检测试剂盒测定各组细胞NAD+的水平。分光光度结果显示与正常对照组相比,高糖能够明显降低胞内NAD+的含量；而抑制PARP-1能够减少高糖诱导的NAD+消耗。这些结果说明PARP一1参与了高糖诱导的胞内NAD+消耗。5.抑制PARP-1减少了高糖诱导的心肌细胞凋亡：随后我们应用流式细胞术检测了各种心肌细胞的凋亡状况。结果显示与正常对照相比,高糖能够增加细胞的凋亡水平；应用IGF-1能够减少高糖诱导的细胞凋亡,而PPP却能够增加高糖引起的细胞凋亡；抑制PARP-1后,高糖诱导的心肌细胞凋亡水平明显减少。这些结果显示,与IGF-1一样,抑制PARP-1也能够减少心肌细胞凋亡。6.抑制PARP-1增加了Akt磷酸化水平：在接下来的实验中,我们研究了抑制PARP-1减少细胞凋亡的可能机制。考虑到Akt在抗凋亡中的重要作用,我们检测了细胞中Akt的表达。蛋白印迹结果显示,各组细胞总Akt的表达没有明显变化；但是与高糖刺激组相比,应用IGF-1和PARP-1siRNA能够增加Akt的磷酸化水平；应用PPP却减少了磷酸化Akt的表达。这些结果显示Akt参与了抗凋亡机制。7.抑制PARP-1增加了IGF-1R的磷酸化水平：随后我们检测了IGF-1R的表达量。蛋白印迹结果显示,各组细胞总的IGF-1R表达没有明显变化；但是与高糖刺激组相比,应用PPP减少了磷酸化IGF-1R的表达,应用IGF-1和PARP-1siRNA却能够增加IGF-1R的磷酸化水平。这些结果显示抑制PARP-1减少凋亡是通过激活IGF-1R/Akt细胞通路来实验的。结论及意义1.抑制聚二磷酸腺苷核糖聚合酶1能够减少高糖诱导的心肌细胞凋亡；2.抑制聚二磷酸腺苷核糖聚合酶1减少凋亡的作用是通过激活IGF-1R/Akt通路实现的；3.通过对高糖诱导的大鼠心肌细胞凋亡的研究,我们发现聚二磷酸腺苷核糖聚合酶1或许是未来治疗糖尿病心肌病的新靶点。