梁氏異蝎毒素促進KYSE-510細胞凋亡的作用機制研究

王娟， 李秦晉， 符文卉， 魏寶陽， 王智*

(1. 湖南農業大學生物科學技術學院，長沙410128； 2. 湖南體育職業學院，長沙410019)

梁氏異蝎毒素促進KYSE-510細胞凋亡的作用機制研究

王娟1#， 李秦晉1， 2#， 符文卉1， 魏寶陽1， 王智1*

(1. 湖南農業大學生物科學技術學院，長沙410128； 2. 湖南體育職業學院，長沙410019)

為了研究蝎毒抑制腫瘤細胞生長的機理，提取梁氏異蝎Heterometrusliangi蝎毒干預人食管癌細胞(KYSE-510細胞)，運用流式細胞術、電鏡技術、逆轉錄PCR和Western blot方法分別檢測蝎毒對KYSE-510細胞凋亡的影響以及對caspase-3基因表達。結果表明：經蝎毒處理的實驗組KYSE-510活細胞數量顯著減少，其原因是蝎毒引起細胞大量凋亡和壞死。經不同濃度(50 μg·mL-1，100 μg·mL-1，200 μg·mL-1)蝎毒處理的KYSE-510細胞與對照組的caspase-3基因在mRNA水平表達相近，而在蛋白表達水平上，實驗組細胞與對照組細胞相比，蝎毒促進了caspase-3的剪切活化，且以200 μg·mL-1蝎毒處理的KYSE-510細胞caspase-3的剪切活化最強，由此證明蝎毒導致KYSE-510細胞凋亡的機理之一可能是其促進了caspase-3的剪切活化。

梁氏異蝎毒素；KYSE-510細胞；caspase-3；基因表達

Caspase家族在介導細胞凋亡的過程中起著非常重要的作用(Krajewskaetal.,1997，Stefanakietal.,1998；許世偉等，2014)，其中caspase-3為關鍵的執行分子，它在凋亡信號傳導的許多途徑中發揮作用。作為細胞凋亡的調控因子，caspase-3可能在癌的發生發展過程中起重要作用(Liuetal.,1996；Qietal.,2002)。蝎毒作為一種動物毒素，對腫瘤細胞有直接殺傷作用，能有效導致癌細胞的凋亡(賈莉等，2001)，對肝癌、肺癌等有確切的療效(孫立東等，1996；楊春旭等，2002，2005；王兆朋等，2006a)，對一些移植性動物腫瘤也有顯著的抑制和預防作用(李桂生等，2004)。不同的學者應用不同的方法證明了蝎毒廣泛的抗腫瘤活性(董偉華等，1999；孔天翰等，2004；付士波，2005；楊春旭等，2005；王兆朋等，2006b；朱靈等，2008)，并且其在抗腫瘤的同時具有明顯的增強機體免疫力的作用(張維東等，2007)，與放療藥和化療合用可降低放療和化療的毒副作用，具有成為新型抗癌藥的良好前景(Krajewskaetal.,1997；楊志華等，2000；王兆朋等，2006a，2006b；許世偉等，2014)。

已有統計數據表明，食道癌的發生率占所有惡性腫瘤的2%(Parkinetal.,1999；Enzinger & Mayer，2003)。全世界每年約有22萬人死于食道癌，我國是食道癌高發區，因食道癌死亡者僅次于胃癌，居第二位。因此，本實驗以人食管癌KYSE-510細胞為代表，以梁氏異蝎Heterometrusliangi為材料提取蝎毒，運用電鏡以及流式細胞儀檢測，采用逆轉錄PCR(RT-PCR)和Western blot方法分別檢測蝎毒對KYSE-510細胞caspase-3基因的mRNA和蛋白表達，分別在mRNA和蛋白水平上研究了蝎毒對KYSE-510細胞中caspase-3基因表達的影響，以揭示蝎毒抗腫瘤的分子機理。

1 材料與方法

1.1 細胞株

KYSE-510細胞株由中南大學湘雅二醫院遺傳學國家重點實驗室提供。

1.2 培養基

RPMI1640培養基購自美國GIBCO公司。

1.3 蝎毒制備

蝎毒(提取自梁氏異蝎)：用電激法取毒液，溶于磷酸鹽緩沖液中，離心去不溶物質，然后在RPMI1640培養基中溶解，分別配制成50 μg·mL-1、100 μg·mL-1、200 μg·mL-1，-20 ℃保存備用。

1.4 主要試劑

新生牛血清、牛血清蛋白、Triton X-100(聚乙二醇辛基苯基醚)、RT-PCR通用試劑盒(美國PROMEGA公司)、TRIZOL Reagent(美國GIBCO公司)、DEPC(德國GREINER公司)、PVDF膜(美國MILLIPORE公司)，羊抗小鼠抗體 #05-665(美國MERK MILLIPORE公司)，PCR引物由上海生工生物工程技術服務有限公司合成，其他試劑均為國產分析純。

1.5 實驗方法

1.5.1 流式細胞儀檢測細胞凋亡——Annexin V/PI雙染色法 懸浮細胞直接收集到10 mL的離心管中，用孵育緩沖液洗滌1次，500～1 000 r·min-1離心5 min。用100 μL的標記溶液重懸細胞，室溫下避光孵育10～15 min，500～1 000 r·min-1離心5 min沉淀細胞孵育緩沖液洗1次，加入熒光(SA-FLOUS)溶液，4 ℃下孵育20 min，避光并不時振動，用流式細胞儀分析，然后判斷結果：凋亡細胞對所有用于細胞活性鑒定的染料如PI有抗染性，壞死細胞則不能。

1.5.2 電鏡標本的制備 掃描電鏡以及透射電鏡實驗標本均分為對照組和實驗組。實驗組加含最終濃度為100 μg·mL-1的蝎毒處理，不加毒素的為對照組，培養24 h后常規掃描電鏡和透射電鏡制樣。

1.5.3 RT-PCR方法檢測caspase-3基因的mRNA表達水平 引物設計：內參GAPDH擴增的片段長度為443 bp，引物序列為：

Upper Primer1： 5’-TCCCTCAAGATTGTCAGCAA-3’， Lower Primer2： 5’-AGATCCACAACGGATACATT-3’。

根據GenBank提供的序列，設計用于擴增caspase-3基因引物，擴增的片段長度為250 bp，引物序列為：

Upper Primer1： 5’-CTCTCAACGACAGCAGCCCG-3’， Lower Primer2： 5’-AGGTGATCCAGACTCTGACC-3’。

凝膠圖像分析：用電泳圖像分析儀的分析軟件系統進行瓊脂糖凝膠的掃描和擴增條帶光密度分析。

1.5.4 Western blot方法檢測caspase-3基因的蛋白表達 用10%分離膠，4%的濃縮膠灌膠，電泳至溴酚蘭剛跑出即可終止電泳，轉膜，轉完后將膜用1×麗春紅染液染5 min，然后用水沖洗掉多余染液并將膜晾干準備免疫反應，通過顯影和定影完成凝膠圖像分析。

2 結果與分析

2.1 流式細胞儀檢測結果

Annexin V/PI雙染色法后，用50 μg·mL-1和100 μg·mL-1蝎毒處理KYSE-510細胞，48 h內觀察到細胞凋亡的產生。從圖1可知，活細胞的減少與蝎毒濃度是密切相關的，隨著蝎毒濃度的增加，活細胞的數量顯著減少：從98.68%減少到42.58%再到38.28%。細胞凋亡數(包括損傷和凋亡)從0.93%增加到47.97%再到49.49%，細胞壞死率從0.40%到9.46%再到12.22%。結果表明，該蝎毒能有效促進KYSE-510細胞的凋亡和壞死。

2.2 電鏡檢測結果

對照組的細胞(圖2：A，B)在掃描電鏡下生長活躍，細胞之間緊密相連。正常的KYSE-510細胞是一個中間有突起的不規則多邊形，它的游動靠其表面延伸到周圍環境的微絨毛。經蝎毒處理24 h，實驗組(圖2：C，D)的KYSE-510細胞在掃描電鏡下的形態學特征表現為細胞凋亡的出現：細胞表面粗糙，細胞膜出現皺縮甚至部分出現穿孔。

圖1 50 μg·mL-1以及100 μg·mL-1蝎毒處理(48 h)KYSE-510細胞密度坐標(百分含量)

Fig. 1 Density plots showing the percentage distribution of KYSE-510 control and 50 μg·mL-1and 100 μg·mL-1scorpion venom treated cells

A. 對照組, B. 50 μg·mL-1蝎毒處理組, C. 100 μg·mL-1蝎毒處理組; 左上方: 損傷細胞, 右上方: 晚期凋亡細胞或者壞死細胞, 左下方: 活細胞, 右下方: 早期凋亡細胞。A. Control group, B. Scorpion venom-treated group (50 μg·mL-1), C. Scorpion venom-treated group (100 μg·mL-1); upper left: injured cell, upper right: non-viable apoptotic cell or non-viable non-apoptotic cell, bottom left: living cell, bottom right: viable apoptotic cell.

圖2 掃描電鏡下的形態學觀察Fig. 2 Morphological observations using scanning electron microscopy

A. 對照組細胞 (×2 000), B. 100 μg·mL-1蝎毒處理細胞 (24 h, ×2 000), C. 對照組細胞(×5 000), D. 100 μg·mL-1蝎毒處理細胞 (24 h, ×5 000)。

A. Control group cell (×2 000), B. Scorpion venom-treated cell (100 μg·mL-1, 24 h, ×2 000), C. Control group cell (×5 000), D. Scorpion venom-treated cell (100 μg·mL-1, 24 h, ×5 000).

圖3 透射電鏡下的超微結構觀察

Fig. 3 Morphological observations using transmission electron microscopy

E. 對照組細胞 (×10 000), F. 100 μg·mL-1蝎毒處理細胞 (24 h, ×10 000), G. 對照組細胞 (×15 000), H. 100 μg·mL-1蝎毒處理細胞 (24 h, ×15 000)。 E. Control group cell (×10 000), F. Scorpion venom-treated cell (100 μg·mL-1, 24 h, ×10 000), G. Control group cell (×15 000), H. Scorpion venom-treated cell (100 μg·mL-1, 24 h, ×15 000).

用透射電鏡進一步觀察它的超微結構，可以看出對照組的細胞(圖3：E，G)擁有完整的細胞膜及細胞器，沒有出現核物質的聚集。而實驗組的組織水腫，細胞內空泡數量增多；細胞核內常染色體減少，程序性死亡的細胞增多(圖3：F，H)。

2.3 RT-PCR方法檢測caspase-3基因mRNA表達水平結果分析

caspase-3基因RT-PCR產物經1.8%瓊脂糖凝膠電泳后凝膠成像，結果顯示(圖4)，3組不同濃度(50 μg·mL-1、100 μg·mL-1、200 μg·mL-1)蝎毒處理的KYSE-510細胞與對照組相比，caspase-3基因的mRNA表達量相近，證明蝎毒對caspase-3基因在mRNA水平表達上無明顯影響。

圖4 不同濃度蝎毒處理的KYSE-510細胞 caspase-3基因mRNA表達水平Fig.4 Expression of caspase-3 gene in KYSE-510 cells that treated with different concentrations of scorpion venom as determined by RT-PCR

2.4 Western blot方法檢測caspase-3基因蛋白表達水平結果分析

用Western blot方法檢測了不同濃度(50 μg·mL-1、100 μg·mL-1、200 μg·mL-1)蝎毒處理的KYSE-510細胞與對照組的caspase-3基因在蛋白質水平上的表達，結果顯示(圖5)，經蝎毒處理的KYSE-510細胞caspase-3基因的蛋白表達明顯強于對照組，并且經200 μg·mL-1蝎毒處理的KYSE-510細胞caspase-3基因的蛋白表達增強最為明顯，箭頭所指的部位是亞基(17 kDa)，細胞開始早期凋亡，證明蝎毒可以明顯促進KYSE-510細胞caspase-3蛋白的剪切活化，并在濃度為200 μg·mL-1時最為有效。

圖5 不同濃度蝎毒處理的KYSE-510細胞 caspase-3基因蛋白表達水平Fig. 5 Expression of caspase-3 gene in KYSE-510 cells that treated with different concentrations of scorpion venom as determined by Western blot

3 討論

許多研究表明，caspase-3與腫瘤的分化、增生、轉移有關，caspase-3在正常情況下充當腫瘤抑制基因，在腫瘤組織中高表達則是機體對腫瘤的一種抵抗措施(EI-Deiryetal.,1993；Leppleetal.,1996；Ikeguchietal.,1998)。本實驗以KYSE-510細胞為代表，以梁氏異蝎為材料提取蝎毒，在掃描電鏡與透射電鏡下對比觀察實驗組(經蝎毒處理24 h)與對照組細胞形態學的改變與超微結構的變化，發現對照組的細胞正常而實驗組的細胞出現凋亡。用流式細胞儀檢測細胞凋亡的程度，隨著毒素濃度的增大，正常活細胞的數量顯著減少或百分比顯著降低，凋亡壞死的細胞明顯增加，表明蝎毒影響KYSR-510細胞的生長與死亡，抑制細胞的生長增殖而促進其凋亡和壞死，這也是蝎毒的抗腫瘤機制。

實驗中蝎毒在mRNA水平上對caspase-3基因表達無明顯影響，而在蛋白水平上則大大增強了caspase-3蛋白的剪切活化，并以經200 μg·mL-1蝎毒處理的KYSE-510細胞caspase-3蛋白的剪切活化最強，由此說明了蝎毒抑制癌細胞增殖的其中一種機制是通過增強癌細胞內caspase-3蛋白的剪切活化來阻止細胞進入細胞周期。另外，蝎毒是否還有其他機制可以促進癌細胞凋亡，還有待進一步研究。

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Mechanism of the Enhancement of Scorpion Venom fromHeterometrusliangion Apoptosis and Necrosis of KYSE-510 Cell

WANG Juan1#， LI Qinjin1， 2#， FU Wenhui1， WEI Baoyang1， WANG Zhi1*

(1. College of Bioscience & Biotechnology， Hunan Agriculture University， Changsha 410128， China;2. Hunan Sports Vocational College， Changsha 410019， China)

Scorpion venom was extracted fromHeterometrusliangito study the mechanism of inhibition of venom on tumor grow. The effect of scorpion venom on apoptosis and necrosis of KYSE-510 cell and expression levels of caspase-3 were investigated by electron microscopy， Annexin V-FITC， and propidiumiodide double staining analysis by flowcytometry as well as reverse transcription PCR and Western blot. The results indicated that the mRNA expression levels of caspase-3 in KYSE-510 cells that treated with different concentrations of scorpion venom (50 μg·mL-1， 100 μg·mL-1， 200 μg·mL-1) were similar to these of control. However， the expressions of caspase-3 in KYSE-510 cells were obviously up-regulated by scorpion venom as determined by Western blot， especially when the cells were treated with 200 μg·mL-1scorpion venom. These results suggested that the possible mechanism of the scorpion venom was accelerated protein splicing activity of caspase-3.

venom ofHeterometrusliangi; KYSE-510 cells; caspase-3; gene expression

2016-06-03 接受日期：2016-08-17

湖南省科技廳重點項目(2014FJ2003)

王娟(1990—)， 女， 碩士研究生， 研究方向為發育生態學， E-mail：240647109@qq.com; 李秦晉(1975—)， 男， 博士研究生， 講師， 主要從事農業生態學研究， E-mail：18157099@qq.com#同等貢獻作者

*通信作者Corresponding author， 博士， 教授， 博士研究生導師， 主要從事生態學和害蟲生態調控研究， E-mail：wangzspider@sina.com.cn

10.11984/j.issn.1000-7083.20160152

Q78

A

1000-7083(2016)05-0660-06