尿酸對大鼠腎細胞線粒體損傷及Pgam5/Drp1表達的影響*

封寶紅，伍 軍，張艷霞，朱戈麗，鞏雪敏，畢智敏，胡曼莉

（武漢市第三醫院腎內科，湖北武漢430060）

高尿酸血癥（hyperuricemia，HUA）是慢性腎臟病最常見的并發癥之一。隨著我國居民生活水平的提高和方式的改變，HUA患病率逐年上升，發展為我國重要的公共衛生問題之一[1]。我國慢性腎臟病患者的HUA患病率為36.6%～50.0%，且HUA成為腎功能進展的獨立危險因素[2]。HUA具有體內嘌呤代謝紊亂、尿酸增高等病理特征，當尿酸在腎臟中長期積累，可造成腎實質損傷，稱為尿酸性腎病[3-4]。近年來，線粒體功能障礙在急性腎病和慢性腎病中的重要性受到越來越多人的重視[5-7]。研究顯示，線粒體DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）穩定性與人類多種疾病相關[8]。受損的線粒體將其DNA釋放到循環系統中，血清和尿中mtDNA水平可能是腎臟疾病的生物標志物[9]。前期研究結果顯示，尿酸引起的大鼠腎小管上皮細胞損傷中，胞內線粒體功能障礙，活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）增加，膜電位降低，細胞凋亡增加[10]。磷酸甘油酸變位酶家族成員 5（phosphoglycerate mutase family member 5，Pgam5）作為一種線粒體蛋白，在細胞凋亡和壞死過程中起關鍵作用，可介導線粒體發動蛋白相關蛋白1（dynamin-related protein 1，Drp1）參與調控細胞凋亡[11]。為了進一步探討尿酸在腎細胞中引起損傷的機制，本研究將從線粒體損傷及Pgam5/Drp1表達變化的角度進行闡述。

材料和方法

1 材料

大鼠腎細胞NRK-52E由中國科學院細胞庫提供。DMEM培養基（HyClone）；胎牛血清（Gibco）；DMSO和尿酸（Sigma）；MTT、Hoechst 33258染液、兔抗Drp1抗體（用于免疫熒光染色和Western blot檢測）、兔抗Pgam5抗體（用于Western blot檢測）、兔抗GAPDH抗體和抗熒光淬滅封片液（Bioswamp）；Annexin V-FITC/PI凋亡檢測試劑盒（BD）；兔抗Pgam5抗體（Biorbyt）；線粒體提取試劑盒（Solarbio）；細胞質和核RNA提取試劑盒（Borgen Biotek）；反轉錄試劑盒（TaKaRa）；SYBR Green PCR試劑盒（KAPA Biosystems）。

2 方法

2.1 細胞培養及分組 將細胞從液氮罐中取出，將細胞懸液轉移至離心管中，1 000 r/min離心3 min，棄上清，加入1 mL DMEM培養基懸浮細胞，轉移培養瓶中，再加入4 mL含10%胎牛血清的DMEM進行培養，2～3 d換液1次。收集對數生長期細胞，調整細胞濃度接種于96孔板中，每孔180 μL，每孔5×103個細胞。將細胞分為正常組和尿酸干預組，每組設置3復孔，分組干預后置于37℃、5%CO2培養箱中繼續培養24 h后進行實驗檢測。尿酸干預組處理：根據前期研究結果[7]，選擇濃度為0.6 mmol/L的尿酸干預。2.2 MTT法檢測細胞活力 分組處理細胞24 h后，取出細胞培養板，每孔加入20 μL濃度為5 g/L的MTT溶液，繼續培養4 h。棄上清，每孔加入150 μL DMSO溶液，搖床低速振蕩15 min，充分溶解結晶物。酶標儀檢測490 nm處各孔吸光度（A490），比較對照組和尿酸干預組的細胞活力。

2.3 Hoechst 33258染色 分組處理細胞24 h后，加入4%多聚甲醛固定細胞10 min。棄固定液，PBS洗滌2次，加入少量Hoechst 33258染液，覆蓋細胞即可，染色5 min。棄染液，PBS洗滌5次，于熒光顯微鏡下觀察細胞形態及凋亡情況。

2.4 流式細胞術檢測細胞凋亡 胰蛋白酶消化細胞，制備細胞懸液，收集至離心管中，1 000 r/min離心5 min。加入PBS重懸細胞，取5×105個細胞，1 000 r/min離心5 min。棄上清，加入1 mL預冷PBS重懸細胞，1 000 r/min 離心 5 min。棄上清，加入 200 μL binding buffer重懸細胞，加入10 μL Annexin V-FITC和 10 μL PI，混勻后，避光孵育 30 min。加入300 μL binding buffer，進行流式細胞術檢測。

2.5 透射電鏡觀察 收集消化后的細胞，PBS清洗2次，1 000 r/min離心5 min。PBS重懸，取1×106個細胞使用2.5%戊二醛4℃預固定45 min，再采用1%鋨酸固定。梯度乙醇脫水后，丙酮、環氧樹脂浸透，加入包埋劑，放入聚合包埋箱聚合。切成超薄切片，雙染法染色，送至武漢大學人民醫院電鏡室進行透射電鏡觀察拍照。

2.6 RT-qPCR檢測mRNA表達 采用線粒體提取試劑盒提取細胞線粒體：取5×107個細胞，冰浴研磨30～40次，將細胞勻漿轉移至離心管中，10 000 r/min離心5 min，取上清；10 000 r/min離心5 min，取上清；12 000 r/min離心10 min，離心后的上清用于提取細胞質基質蛋白，而管底沉淀為線粒體。再采用細胞質和核RNA提取試劑盒提取線粒體RNA，反轉錄試劑盒將RNA反轉錄為cDNA，以cDNA為模板進行PCR擴增。Pgam5的正向引物序列為5’-ACCTGAAGAAAAGGAACG-3’，反向引物序列為5’-TCATAGAGGAATGGACGAT-3’；GAPDH的正向引物序列為5’-CAAGTTCAACGGCACAG-3’，反向引物序列為 5’-CCAGTAGACTCCACGACAT-3’。引物由武漢天一輝遠生物科技有限公司合成。

2.7 免疫熒光染色 將各組細胞消化制成單細胞懸液，將1×108/L細胞接種至放有蓋玻片的24孔板中，培養過夜。PBS洗滌2次，加入4%多聚甲醛固定30 min。PBS洗滌3次，加入0.5%Triton X-100室溫下通透20 min。PBS洗滌3次，加入5%BSA室溫封閉1 h，PBS洗滌后，取出蓋玻片，加入I抗稀釋液（抗Pgam5和Drp1抗體稀釋比1∶200），濕盒內室溫孵育1 h。PBS洗滌3次，加入Alexa Fluor 594標記的II抗稀釋液，室溫孵育1 h，PBS洗滌5次。取出一塊載玻片，滴加一滴含DAPI的抗熒光淬滅封片液，將蓋玻片貼在載玻片上，于熒光顯微鏡下觀察。

2.8 Western blot檢測蛋白水平 提取各組細胞質基質蛋白，定量后以20 μg蛋白上樣量進行SDSPAGE。將蛋白轉至PVDF膜，5%脫脂奶粉封閉液室溫封閉2 h。加入I抗（抗Pgam5、Drp1和GAPDH抗體稀釋比1∶1 000），室溫孵育1 h，PBS洗滌3次。加入HRP標記的II抗，室溫孵育1 h，PBS洗滌3次。將膜置于暗室中，滴加化學發光試劑，與膜充分接觸后，將膜置于全自動化學發光分析儀中檢測。

3 統計學處理

采用SPSS 22.0軟件進行統計學分析，GraphPad Prism 5.0軟件進行統計圖繪制。每組實驗均進行3次重復，計量資料以均數±標準差（mean±SD）表示，兩組間比較采用t檢驗，以P＜0.05表示差異具有統計學意義。

結 果

1 尿酸對腎細胞活力的影響

MTT法檢測細胞活力，與正常組細胞比較，經過尿酸干預24 h后的NRK-52E細胞的活力顯著降低（P＜0.01），見圖1。

Figure 1.The effect of uric acid on the viability of NRK-52E cells.Mean±SD.n=3.**P＜0.01 vs normal group.圖1 尿酸對NRK-52E細胞活力的影響

2 尿酸對腎細胞形態及凋亡的影響

采用Hoechst 33258染色觀察細胞形態，發現正常組細胞大部分細胞呈圓形或橢圓形，細胞核呈均勻藍色熒光，出現極少濃染致密的細胞碎片，呈亮藍色，即為凋亡小體；尿酸干預組細胞形態異常，出現大量亮藍色細胞碎片，即凋亡小體增多，見圖2A。采用流式細胞術檢測了各組細胞凋亡水平，統計Q2-2和Q2-4細胞凋亡率，結果顯示尿酸干預組細胞凋亡率顯著高于正常組（P＜0.01），見圖2B。

Figure 2.The morphological observation（A；×200）and apoptotic rate detection（B）of the NRK-52E cells after treated with uric acid.Mean±SD.n=3.**P＜0.01 vs normal group.圖2 NRK-52E細胞形態觀察及凋亡率檢測

3 尿酸對腎細胞線粒體形態結構的影響

透射電鏡下觀察細胞線粒體形態變化，正常組細胞線粒體形態正常，嵴結構完整；尿酸干預組線粒體腫脹、空泡化，且嵴結構被破壞，出現斷裂，見圖3。

Figure 3.The morphological changes of mitochondria in the NRK-52E cells treated with uric acid observed under transmission electron microscope（×5 000）.圖3 透射電鏡觀察NRK-52E細胞線粒體形態結構的變化

4 尿酸對腎細胞Pgam5和Drp1表達的影響

免疫熒光染色結果顯示，經過尿酸干預后的NRK-52E細胞中Pgam5和Drp1陽性表達增加，見圖4。RT-qPCR和Western blot結果顯示，與正常組比較，尿酸干預組細胞線粒體中Pgam5的mRNA表達顯著降低（P＜0.01），而細胞質基質中Pgam5和Drp1的蛋白表達均顯著升高（P＜0.01），見圖5。

Figure 4.The expression of Pgam5 and Drp1 in the NRK-52E cells with immunofluorescence staining（×200）.圖4 NRK-52E細胞Pgam5和Drp1陽性表達的免疫熒光觀察

Figure 5.The mRNA expression of Pgam 5 in mitochondria（A）and the protein expression of Pgam 5 and Drp1 in cytoplasmic matrix（B）in theNRK-52E cells treated with uric acid.Mean±SD.n=3.**P＜0.01 vs normal group.圖5 NRK-52E細胞線粒體Pgam5的mRNA表達及細胞質基質中Pgam5和Drp1的蛋白表達情況

討 論

細胞凋亡是一種自發性、程序性死亡過程，在人類健康和疾病中起著關鍵的作用[12]。細胞的凋亡是所有多細胞生物控制細胞增殖和維持組織內穩態的重要機制，當凋亡失調時可能導致多種疾病的發生[13]。本研究結果顯示，尿酸干預NRK-52E細胞后，細胞增殖率降低，凋亡率升高，細胞形態異常。細胞凋亡過程受多種通路調控，其中，細胞線粒體介導的內源性凋亡通路為凋亡發生的主要機制之一[14]。為了進一步了解尿酸引起腎細胞凋亡的作用機制，我們使用透射電鏡觀察細胞線粒體，發現尿酸干預使NRK-52E細胞線粒體出現空泡化，且嵴結構受到破壞，而線粒體的形態變化、線粒體網絡的斷裂及線粒體嵴的重塑與細胞凋亡的發生密切相關[15]，因此推測尿酸可能通過線粒體途徑誘導腎細胞凋亡。

線粒體是一種多功能細胞器，可儲存能量并參與細胞多種應激反應過程，其本身也不斷受到ROS的刺激，而過度的ROS可引起蛋白質修飾、mtDNA損傷等，最終導致線粒體功能障礙[16]。Pgam5是一種分子大小為32 kD的線粒體膜蛋白，研究顯示，Pgam5通過獨立促進線粒體有絲分裂來保護細胞，避免細胞發生壞死[17]。而另一方面，線粒體應激可導致內源性Pgam5從受損的線粒體中釋放至細胞質基質中，與其他蛋白結合發揮作用[18-19]。Pgam5可促進Bax向線粒體易位和Drp1去磷酸化，形成的Bax-Pgam5-Drp1復合物是執行線粒體內源性細胞凋亡所必需的[20-21]。Drp1是發動蛋白超家族的一種尿苷三磷酸（uridine triphosphate，GUP）酶，以二聚體和四聚體形式存在于細胞質基質中，被線粒體外膜上的受體招募至線粒體，具有催化細胞內線粒體分裂的作用[22]。Wang 等[23]免疫共沉淀結果顯示 Drp1 可與Bax結合，是Bax線粒體易位必需的結合蛋白。Bax線粒體轉移，導致線粒體膜電位降低以及結構發生變化，促進線粒體釋放細胞色素C，引發下游的級聯反應，從而誘導線粒體內源性凋亡途徑的激活[24]。本研究結果顯示，尿酸干預后NRK-52E細胞線粒體中Pgam5 mRNA表達降低，而在細胞質基質中Pgam5和Drp1蛋白表達顯著升高。

綜上所述，本研究結果提示尿酸誘導可腎細胞破壞線粒體形態、結構，上調細胞質基質中Pgam5/Drp1表達，誘導細胞凋亡。因此，通過高濃度尿酸干預腎細胞模擬尿酸性腎病病理模型而探討尿酸干預機制將為尿酸性腎病的防治提供一定的理論基礎。值得注意的是，在Hoechst 33258染色中未觀察到尿酸處理后細胞核異?，F象，但在免疫熒光染色中發現個別細胞出現細胞核異常增大，因此推測尿酸可能對腎細胞核產生影響，但引起該變化的機制我們尚不清楚，將在進一步的研究中進行探討。