败血症大鼠肝细胞内核膜三磷酸肌醇受体的改变

http://www.100md.com 《首都医科大学学报》 1999年第4期

     作者：郝胜利 杨 军 张孙曦 庞永政 苏静怡 唐朝枢

    单位：郝胜利 张孙曦 北京医科大学生物物理系，北京 100083；庞永政 苏静怡 唐朝枢 杨 军 第一医院心血管研究所

    关键词：败血病；肝；细胞核；肌醇1,4,5-三磷酸；受体

    北京医科大学学报990406 摘 要 目的：观察早期、晚期败血症大鼠肝细胞内核膜上1,4,5-三磷酸肌醇受体(inositol 1,4,5-triphosphate receptors, IP₃R)的变化。方法：通过结扎并穿刺盲肠制作大鼠败血症模型，差速离心分离内核膜，[³H]IP₃放射配体分析肝内核膜IP₃R与其配体的最大结合容量(B_max)及亲和力(K_d)。⁴⁵Ca²⁺转运测定内核膜IP₃R释放Ca²⁺功能。结果：早期和晚期败血症B_max分别增加14%(P<0.05)和91%(P<0.01)。但K_d值无明显变化(P>0.05)。IP₃引起⁴⁵Ca²⁺转运在败血症时也相应增加。结论：在败血症时肝细胞核被膜IP₃R发生上调，其释放Ca²⁺的能力增强, 但结构可能未发生变化。

    中国图书资料分类法分类号 R631.3-332

    Changes of inositol 1,4,5-triphosphate receptors

    in inner nuclear membrane of rat liver during sepsis

    HAO Sheng-Li^＃, YANG Jun, ZHANG Sun-Xi, PANG Yong-Zheng, SU Jing-Yi, TANG Chao-Shu

    (＃Department of Biophysics, Beijing Medical University, Beijing 100083)

    ABSTRACT Objective: To investigate the changes of inositol triphosphate receptors in the inner nuclear membrane of rat liver during sepsis. Methods: Septic rat model was prepared by cecal ligation and puncture (LCP). The binding site density (B_max) and affinity (K_d) of IP₃ to the inner nuclear membrane were measured by [³H]IP₃ binding assay. The function of IP₃ receptors to release Ca²⁺ was assessed by ⁴⁵Ca²⁺ movement to the inner nuclear membrane vesicle upon the action of IP₃. Results: B_max was increased by 14% (P<0.05) during early sepsis and by 91% (P<0.01) during late sepsis while no alterations of the affinity of IP₃R to its ligand was shown during sepsis. ⁴⁵Ca²⁺ movement to the inner nuclear membrane vesicle was also increased accordingly during sepsis. Conclusion: Binding site density and the function of IP₃R in the inner nuclear membrane were progressively increased during sepsis, while there might be no change in the structure.

    MeSH Septicemia Liver Cell nucleus Inositol 1,4,5-triphosphate Receptors

    败血症及继发的多器官功能衰竭是感染性死亡的常见原因^[1]。由于败血症的发病机制迄今尚未完全阐明，尽管目前医疗手段不断提高，病死率仍呈上升趋势^[1]。现已发现参与败血症的体液因子很多^[1]，研究这些因子在细胞水平上的相互作用是阐明败血症的关键。其中细胞核内Ca²⁺信号变化尤其值得关注。Ca²⁺是调节细胞功能代谢的重要信使物质，近来发现Ca²⁺不仅为胞浆信使，还是核内信使，参与调控细胞分裂、分化、凋亡、基因转录等核内重要过程^[2]。核存在一整套Ca²⁺信号产生系统^[2]：内、外两层核膜形成的腔(即内核膜腔)贮有大量的钙亦为一钙库，Ca²⁺-ATPase,和1,3,4,5-四磷酸肌醇受体(IP₄R)是核Ca²⁺ 摄取系统，分布于外层核膜上。1,4,5-三磷酸肌醇(inositol 1,4,5 triphosphate, IP₃) 受体(IP₃ receptor, IP₃R)和ryanodine受体(ryanodine receptor, RyR)是核Ca²⁺释放系统，分布在内核膜上，它们本身即为Ca²⁺通道, 分别在IP₃和环腺苷二磷酸核糖(cyclic ADP ribose, cADPr)作用下，将核被膜腔内贮存的Ca²⁺释入核浆。核Ca²⁺摄取和释放系统精确地调控核内[Ca²⁺]变化，进而影响核的各种功能^[2]。本室曾报道败血症大鼠肝细胞核Ca²⁺泵功能的改变^[3]，在此基础上本实验观察败血症大鼠肝细胞核内核膜IP₃R的变化。以探讨败血症时造成核Ca²⁺信号改变的机制。

    1 材料与方法

    1.1 大鼠败血症模型的制作^[4]

    雄性SD大鼠200～250 g(北京医科大学实验动物中心提供)，术前禁食8 h，自由饮水，异戊巴比妥钠(每1千克体重60 mg, i.p.)麻醉下，开腹，3-0号线结扎盲肠并用18号针头穿刺两孔，分层缝合腹壁。术后皮下注射生理盐水(每1千克体重40 ml)。术后9，18 h分别为早期败血症和晚期败血症。

    1.2 肝细胞核内核膜的提纯^[5]

    所有操作在0～4℃下进行。用50 ml冰冷TKM液(mmol^.L^-1：Tris/HCl 50, KCl 25, MgCl₂ 5; pH 7.5)从门静脉原位灌洗肝，取肝剪碎置于40 ml匀浆液(含0.25 mol^.L^-1蔗糖, 1.0 mmol^.L^-1 EGTA 的TKM液)中，匀浆，纱布过滤, 离心(2 250 r^.min^-1, 10 min), 弃上清，将沉淀加6 ml匀浆液，12 ml含2.3 mol^.L^-1蔗糖的TKM液混匀, 装入离心管，下铺6 ml含2.3 mol^.L^-1蔗糖的TKM液。再离心(27 000 r^.min^-1, 30 min), 沉淀即为核。 核用缓冲液A(含0.25 mol^.L^-1蔗糖，10 mmol^.L^-1 MgCl₂，1 mmol^.L^-1 DTT¹, 10 mg^.L^-1 leupeptin, 2 mmol^.L^-1 PMSF², 50 mmol^.L^-1 Tris- HCl, pH 7.4)重悬, 加入10 g^.L^-1柠檬酸钠, 冰浴30 min并轻轻搅拌,离心(500 r^.min^-1, 15 min),去外膜核沉于管底。再用缓冲液A重悬沉淀,使核浓度为5 g^.L^-1，加入DNase I (250 mg^.L^-1), 在4℃消化14 h, 进行蔗糖密度梯度(0.25、1.6、2.4 mol^.L^-1)离心(27 000 r^.min^-1, 2 h), 内核膜位于0.25/1.60 mol^.L^-1蔗糖溶液界面。考马斯亮蓝法定量蛋白。按文献[6]方法测定标志酶活性：NAD焦磷酸化酶，NADPH细胞色素C还原酶。

    1.3 [³H]IP₃结合测定^[5]

    内核膜用含50 mmol^.L^-1 Tris-HCl，pH 8.0，2 mmol^.L^-1 EDTA悬浮，进行[³H] IP₃结合反应，分别加浓度递增的[³H] IP₃(0.05～1.5 nmol^.L^-1), 反应体积400 μl，加入核0.1 mg蛋白/管 ，0℃下反应10 min。 结合与游离的放射性配体([³H]IP₃)用离心法(12 000 r^.min^-1, 5 min)分离，上清抽吸去除，沉淀加1 ml 组织溶解液(Soluene 350, Packard)、乙酸70 μl，转至液闪杯中，用液闪仪测定[³H] IP₃放射活性。 非特异结合通过加10 μmol^.L^-1 IP₃测定。由Scatchard分析得到K_d, B_max值。

    1.4 ⁴⁵Ca²⁺ 转运测定^[5]

    内核膜置于缓冲液B( mmol^.L^-1, 250蔗糖，2 EGTA, 2 EDTA, 4 K₂HPO₄, 4 MgCl₂, 50 Tris-HCl, pH 8.0 )，并含2.08 mmol^.L^-1 CaCl₂ (游离[Ca²⁺] 为1 μmol^.L^-1)。 加入7.4×10⁴ Bq^.ml^{-1 45}Ca²⁺ (Amersham公司), 实验分两组, 一组加5 μmol^.L^-1 IP₃，另一组加2 μmol^.L^-1离子霉素(ionomycin), 37℃反应并计时, 按不同时间点通过真空抽滤中止反应，内核膜被截留在GF/ B (whatman) 玻璃纤维膜。用3 ml冰冷的缓冲液B快速冲洗纤维膜, 后将其置于液闪杯中，干燥后在液闪仪测定⁴⁵Ca²⁺放射活性。转运的⁴⁵Ca²⁺ 量由给定时间点放射性减去开始的放射性求得。

    1.5 数据处理

    实验数据均以±s表示，单因素方差分析或Student- Newman- Keuls检验。

    2 结果

    2.1 肝细胞核及内层核膜的鉴定

    NAD焦磷酸酶是细胞核的标志酶^[5]，内层核膜上的活性约为匀浆的21倍[每分每毫克蛋白(78.26±5.44) vs (3.68±0.27) nmol]。而微粒体的标志酶NADPH细胞色素C还原酶，在内层核膜只有匀浆的1/8[每分每毫克蛋白(1.27±0.11) vs(10.27±0.87) nmol]。表明得到的核及内层核膜纯度高、污染小。上述标识酶在败血症组与对照组之间相近, 差别无统计学意义(P>0.05)。

    2.2 [³H] IP₃ 与内核被膜上IP₃R的结合

    本实验置内核膜于低渗缓冲液，使其破碎成小片, 进行[³H] IP₃ 结合实验. 结果显示IP₃与内核膜结合的最大容量B_max在早期败血症组比对照组增加14.2%[每毫克蛋白(2 629±221) vs (2 302±186) fmol, P<0.05]。晚期败血症时B_max进一步升高，为每毫克蛋白4408±286 fmol,是对照组的1.91倍(P<0.01 ), 亦比早期败血症组增加了 17% (P<0.01)。IP₃ 与内核膜上IP₃R的亲和力在早期败血症时无变化(3组K_d分别为：nmol^.L^-1，对照组1.18±0.20；早期组1.16±0.22；晚期组1.38±0.24，各组间P>0.05，见图1A,1B)。

    2.3 IP₃ 诱发的⁴⁵Ca²⁺向内核膜囊泡中的转运

    内核膜在等渗液中自发形成内面朝里的囊泡^[5](vesicle)。加入5 μmol^.L^-1 IP₃发现⁴⁵Ca²⁺转入内核膜囊泡的量随时间呈先升后降的双相变化(见图2A)。早期败血症组, 各时间点⁴⁵Ca²⁺转运的量均高于对照； 晚期败血症组⁴⁵Ca²⁺转运量进一步增加,当以2 μmol^.L^-1离子霉素代替IP₃时，发现Ca²⁺进入囊泡的量约为这一作用的2～5倍，其中峰值(30S时)差别最大。败血症过程引起的Ca²⁺转运量也呈进行性增加(见图2B)。

    图1 [³H]IP₃与败血症大鼠肝细胞内层核膜结合的饱和曲线(A)

    及Scatchard曲线(B), ±s, n=8, control, ES, LS

    分别表示对照组、早期和晚期败血症组(下同)

    Figure 1 Saturation curve (A) and Scatchard plot (B) of [³H]IP₃

    binding to liver inner nuclear membrane from septic rat, ±s, n=8,ES, LS represent early sepsis group and late sepsis group, respectively

    3 讨论

    本实验发现败血症不同时期IP₃与内膜结合的最大容量(B_max)呈进行性增加，表明IP₃受体数量增加,而且在晚期比早期增加更为显著。IP₃和IP₃R的亲合力在败血症时变化不显著，表明IP₃R结构可能未发生变化。败血症时IP₃诱发⁴⁵Ca²⁺进入内核膜囊泡的量高于对照，表明核IP₃R释放Ca²⁺功能在败血症时呈进行性增强，与 IP₃R数量的增加一致。造成IP₃R上调的机制尚待进一步研究。

    图2 5 μmol^.L^-1 IP₃ (A) 及2 μmol/L离子霉素 (B) 作用下⁴⁵Ca²⁺

    向内核膜囊泡转运的时间关系曲线，±s, n=8, *P<0.05,** P<0.01(与对照组相比)；# P<0.05,## P<0.01 (与ES相比)

    Figure 2 ⁴⁵Ca²⁺ transport to the inner nuclear membrane vesicle acted

    by 5 μmol^.L^-1 IP₃ (A) or 2 μmol^.L^-1 ionomycin (B), ±s,n=8, * P<0.05, ** P<0.01 (vs control)；

    # P<0.05, ## P<0.01 (vs ES)

    IP₃R数目的变化可能会影响到核内Ca²⁺信号的幅度及频率，近来发现在肝细胞胞浆Ca²⁺信号频率和幅度与内质网上的IP₃R数目、分布及功能直接相关^[7], 推测核Ca²⁺信号也与核被膜上IP₃R有关。Ca²⁺信号频率和幅度的差异是Ca²⁺特异调控细胞内不同生理过程的内在机制^[6]。肝是体内代谢及防御的重要器官，在败血症的发生发展过程中起重要作用^[8]。在早期败血症时肝细胞蛋白表达迅速发生改变^[8]，表明核功能发生了改变(如基因转录等)。本实验发现IP₃R在早期败血症时受体上调可能是造成这些改变的重要原因； 晚期败血症时IP₃R受体进一步上调，向核浆内释放Ca²⁺能力增加，核内可能出现Ca²⁺超载，这些变化可能是晚期时肝细胞蛋白合成减少，细胞发生凋亡，进而导致肝功能衰竭的一个机制^[8]。

    参考文献

    1 Bone RC, Grodzin CJ, Balk RA. Sepsis: a new hypothesis for pathogenesis of the disease process, Chest, 1997, 112: 235-243

    2 Santella L, Carafoli E. Calcium signalling in the nucleus. FASEB J, 1997, 11: 1091-1109

    3 王培勇，叶 赤，庞永政，等.败血症大鼠肝细胞核Ca²⁺ 转运功能的改变. 生理学报，1997，49：191-196

    4 Wichterman KA, Baue AE, Chaudry IH. Sepsis and septic shock: a review of laboratory models and a proposal. J Surg Res, 1980, 29: 189-201

    5. Humbert JP, Matter N, Artault JC, et al. Inositol 1,4,5-triphosphate receptor is located to the inner nuclear membrane vindicating regulation of nuclear calcium signalling by inositol 1,4,5-triphosphate. J Biol Chem, 1996, 271: 478-485

    6 Dolmetsch RE, Lewis RS, Goodnow CC, et al. Differentisl activation of transcription factors induced by Ca²⁺ response amplitude and duration. Nature, 1997, 368: 855-858

    7 Joseph SK. Making waves: regulation of inositol triphosphate receptors and propagation of calcium signals in the liver, Hepatology, 1997, 26: 799-801

    8 Biolo G, Toigo G, Cioocchi B, et al. Metabolic response to injury and sepsis: change in protein metabolism. Nutrition, 1997, 13: 52S-57S

    (1998-07-20收稿)

    百拇医药网 http://www.100md.com/html/analecta/2003/08/29/66/592.htm