MicroRNA-34a通過上調Cdc42和Rac1促進人晶狀體上皮細胞衰老和凋亡

蘭 文，陳志鈞，周 璐

目的：觀察MicroRNA-34a對人晶狀體上皮細胞系SRA01/04衰老和凋亡的影響及作用機制。

方法：qRT-PCR檢測年齡相關性白內障(ARC)晶狀體和透明晶狀體上皮細胞中MicroRNA-34a表達水平，采用脂質體轉染試劑盒將MicroRNA-34a mimics(過表達組)、MicroRNA-34a inhibitors(抑制組)和空脂質體(對照組)轉染至SRA01/04細胞，qRT-PCR檢測MicroRNA-34a的表達量；采用β-半乳糖苷酸(SA-β-gal)染色檢測轉染后細胞的衰老情況。Annexin V-FITC/PI雙染色流式細胞儀檢測MicroRNA-34a對人晶狀體細胞系SRA01/04細胞凋亡的影響；蛋白免疫印跡檢測Cdc42、Rac1蛋白的表達。

結果：透明晶狀體前囊膜組織中MicroRNA-34a的表達量顯著低于ARC晶狀體前囊膜組織(P<0.05)；MicroRNA-34a過表達組、對照組、MicroRNA-34a抑制組SA-β-gal陽性率分別為(87.56±2.34)%、(12.22±2.74)%、(3.45±0.45)%。MicroRNA-34a過表達組明顯高于對照組，而MicroRNA-34a抑制組SA-β-gal陽性率明顯低于對照組(P<0.05)；MicroRNA-34a抑制組、對照組和MicroRNA-34a過表達組的細胞凋亡率分別為(5.87±1.22)%、(12.26±2.14)%、(29.45±3.12)%，MicroRNA-34a抑制組細胞凋亡率明顯低于對照組，而MicroRNA-34a過表達組細胞凋亡率明顯高于對照組(P<0.05)；MicroRNA-34a過表達組中Cdc42和Rac1的表達明顯高于對照組(P<0.05)，MicroRNA-34a抑制組中Cdc42和Rac1的表達明顯低于對照組(P<0.05)。

結論：MicroRNA-34a可能通過上調Cdc42和Rac1促進人晶狀體上皮細胞衰老和凋亡。

0 引言

據統計，全球致盲性眼病中，因白內障致盲的患者占比約為50%。隨著世界人口增加，老齡化加劇，年齡相關性白內障(age-related cataract，ARC)發病人數逐年上升[1]。目前研究表明，細胞氧化應激是白內障產生的首要因素，病理學研究稱為晶狀體上皮細胞衰老凋亡[2-3]。微小RNA(MicroRNA)存在于真核生物中，是一類長約18～25個核苷酸的內源性單鏈非編碼RNA，能在轉錄水平與特定的靶基因3’非翻譯區完全或不完全互補配對，促使靶基因在mRNA水平發生降解。現階段研究表明，MicroRNA作為重要的調節因子，參與多種人類疾病的發展[4]，在疾病的診斷和治療中發揮積極作用[5]。近年來MicroRNA在眼科疾病的研究已經開展，MicroRNA在哺乳動物眼部表達豐富且分布廣泛，高表達于角膜上皮細胞、睫狀體、晶狀體及視網膜色素上皮細胞。其中ARC中表達最多的是MicroRNA-34a。文獻報道稱Rho蛋白家族(Cdc42、Rac1等)作為Ras超家族中小分子G蛋白的成員之一，在晶狀體上皮細胞和纖維細胞中表達，參與到細胞信號轉導[6]，激活其下游靶分子Rho激酶從而參與多種生物效應，譬如維持細胞微觀形態功能的穩定、增殖與遷移[7]、基因轉錄、分化[8-9]、增殖凋亡等[10]。Rac1和Cdc42又是Rho家族蛋白重要成員，有文獻指出Rac1和Cdc42能夠促進晶狀體上皮細胞遷移[11]，但對細胞的衰老和凋亡還沒有研究。本文通過觀察ARC晶狀體和透明晶狀體中MicroRNA-34a的表達，探討其對晶狀體細胞衰老和凋亡的研究，以期為白內障的防治提供新的方法。

1 材料和方法

1.1材料

1.1.1組織標本和細胞 透明晶狀體前囊膜40例，取自南京醫科大學附屬兒童醫院眼庫，來源于眼庫角膜移植供體；ARC晶狀體前囊膜40例，取自南京醫科大學附屬兒童醫院眼科常規白內障手術術中。透明晶狀體前囊膜患者的平均年齡為52.34±5.21歲，ARC晶狀體前囊膜患者的平均年齡為52.35±5.19歲。患者及其家屬簽署知情同意書。晶狀體上皮細胞SRA01/04采購自中科院上海細胞生物研究所。本研究經醫院倫理委員會批準展開。

1.1.2主要儀器和試劑 胰蛋白酶、qRT-PCR檢測試劑盒購自碧云天生物技術有限公司；RPIM1640細胞培養基購自美國Gibco公司；Trizol總RNA提取試劑盒購自廣東銳博生物科技技術股份有限公司；反轉錄試劑盒購自美國Sigma；MicroRNA-34a inhibitors、MicroRNA-34a mimics和空脂質體(貨號B05009)由上海吉瑪制藥技術有限公司代為合成；Lipofectamine 2000購自美國Invitrogen公司；青、鏈霉素購自華北制藥有限公司、SYBR Premix Extaq system日本Takara公司；細胞培養箱采購自上海三騰儀器有限公司。兔抗人Cdc42和兔抗人Rac1(WB)購自美國abcam公司、二抗(IHC)、GAPDH鼠抗購自Fermentas公司。實時熒光定量PCR儀購自美國Thermo公司、細胞培養箱購自SANYO、生物安全柜購自haier；高速離心機購自Thermo；Ti-U/Ti-s倒置熒光顯微鏡購自Nikon。

1.2方法

1.2.1 qRT-PCR檢測MicroRNA-34a基因的表達 取透明人晶狀體前囊膜組織和ARC人晶狀體前囊膜組織，Trizol液與組織處理液混合作用10min，以1.2×104r/min離心10min，去除上層清液，加入Trizol與氯仿震蕩混勻，以1.2×104r/min離心20min，加入異丙醇，用移液器吹打均勻，以1.2×104r/min離心10min后，棄去上層清液，留下層絮狀沉淀，加入Trizol與乙醇的混合液，以1.2×104r/min離心10min后，棄上清液，提取的RNA用DEPC水溶解，用反轉錄試劑盒轉錄cDNA，按照SYBR方法進行實時定量PCR。反應條件為94℃ 30s，1 cycle；95℃ 5s，60℃ 30s，40 cycles；95℃ 5s，60℃ 1min，95℃，1cycle。以U6作為內參，上游引物為5’-CTC GCT TCG GCA GCA CA-3’，下游引物為5’-AAC GCT TCA CGA ATT TGC GT-3’。引物MicroRNA-34a上游引物為5’-CGG CGT GGC AGT GTC TTA G-3’，下游引物為5’-GTC GTA TCC AGT GCA GGG TCC GAG GTA TTC GCA CTG GAT ACG ACA CAA CC-3’，結果采用2-△△Ct法計算。

1.2.2細胞培養 液氮中取出人晶狀體細胞系SRA01/04，置于37℃水浴溶解，加入含10%胎牛血清(FBS)的DMEM培養基中培養48h，然后離心去上清，加入DMEM培養基懸浮細胞，接種于培養瓶中。置于二氧化碳培養箱中培養，培養條件37℃，5% CO2濃度。傳代一次，待細胞處于對數期用于后續研究。

1.2.3細胞轉染 調整人晶狀體細胞系SRA01/04細胞濃度為1×106個/mL，取2mL接種于6孔板中，培養過夜，采用Lipofectamine2000將濃度均為50nmol/L的MicroRNA-34a mimics、MicroRNA-34a inhibitors和空脂質體轉染至細胞。其中轉染MicroRNA-34a mimics的細胞作為MicroRNA-34a過表達組，轉染MicroRNA-34a inhibitors的細胞作為MicroRNA-34a抑制組，轉染空脂質體的細胞作為對照組。qRT-PCR檢測MicroRNA-34a的表達量。

1.2.4采用β-半乳糖苷酸(SA-β-gal)染色檢測細胞的衰老情況 將各組細胞接種于6孔板培養24h后，離心去除培養基，然后采用PBS洗滌，離心去上清，加入1mL β-半乳糖苷酶染色固定液，室溫固定15min，PBS洗滌3次，離心，去上清加入1mL染色工作液，37℃孵育過夜，光學顯微鏡下觀察染色結果并進行衰老細胞計數，SA-β-gal陽性細胞(衰老細胞)中可見藍色沉淀物，分別統計3個不同視野中的細胞總數和SA-β-gal陽性細胞數，SA-β-gal陽性細胞百分比(%)=SA-β-gal陽性細胞個數/總細胞數×100%。

1.2.5 MicroRNA-34a對人晶狀體細胞系SRA01/04細胞凋亡的影響 Annexin V-FITC/PI雙染色流式細胞儀檢測細胞凋亡，收集各組細胞，PBS洗滌，離心去除上清，然后加入300μL的結合緩沖液，混勻，加入5μL Annexin V-FITC 和5μL PI，避光孵育30min，然后上機檢測，分析細胞早期和晚期凋亡率。

1.2.6蛋白免疫印跡檢測Cdc42、Rac1蛋白的表達 收集各組細胞，加細胞裂解液，冰上裂解30min，超聲裂解30s，10000r/min，4℃離心10min，收集上清，BCA檢測蛋白濃度，待測樣品和Loading buffer混合，然后加入至制備好的SDS-PAGE凝膠上樣孔中，進行分離，結束后取出凝膠，轉膜，封閉，加入兔抗人Cdc42(兔抗人Rac1)，4℃過夜，加入辣根過氧化物標記的羊抗兔IgG，37℃孵育2h，ECL顯影，采用自動凝膠成像系統采集圖像，以GAPDH作為內參進行分析。

2 結果

2.1 MicroRNA-34a在透明晶狀體前囊膜組織和ARC晶狀體前囊膜組織中的表達 qRT-PCR結果顯示透明晶狀體前囊膜組織中MicroRNA-34a的表達量顯著低于ARC晶狀體前囊膜組織，差異具有統計學意義(P<0.05)，見圖1。

2.2 MicroRNA-34a轉染晶狀體細胞系SRA01/04的表達 qRT-PCR檢測結果顯示MicroRNA-34a過表達組中MicroRNA-34a的表達明顯高于對照組(P<0.05)，MicroRNA-34a抑制組中MicroRNA-34a的表達明顯低于對照組，差異均有統計學意義(P<0.05)，見圖2，提示成功構建MicroRNA-34a過表達/抑制細胞株。

2.3 MicroRNA-34a對人晶狀體細胞系SRA01/04細胞衰老的影響 光學顯微鏡下觀察，SA-β-gal陽性細胞中可見藍色沉淀物。MicroRNA-34a過表達組呈強陽性染色，對照組、MicroRNA-34a抑制組著染陰性。MicroRNA-34a過表達組、對照組、MicroRNA-34a抑制組SA-β-gal陽性率分別為(87.56±2.34)%、(12.22±2.74)%、(3.45±0.45)%。MicroRNA-34a過表達組明顯高于對照組，而MicroRNA-34a抑制組SA-β-gal陽性率明顯低于對照組，差異均有統計學意義(P<0.05)，提示過表達MicroRNA-34a可促進SRA01/04細胞衰老，見圖3。

2.4 MicroRNA-34a對人晶狀體細胞系SRA01/04細胞凋亡的影響 MicroRNA-34a抑制組、對照組和MicroRNA-34a過表達組的細胞凋亡率分別為(5.87±1.22)%、(12.26±2.14)%和(29.45±3.12)%，MicroRNA-34a抑制組細胞凋亡率明顯低于對照組，而MicroRNA-34a過表達組細胞凋亡率明顯高于對照組，差異均有統計學意義(P<0.05)，見圖4。

2.5 MicroRNA-34a對Cdc42和Rac1蛋白的影響 Western blot檢測結果顯示，MicroRNA-34a過表達組中Cdc42和Rac1的表達明顯高于對照組，MicroRNA-34a抑制組中Cdc42和Rac1的表達明顯低于對照組，差異均有統計學意義(P<0.05)，見圖5。

3 討論

隨著當今社會老齡化發展，有報告指出2020年我國50歲以上患白內障的人群將達到總人數的1/4，白內障手術需求量逐年增加，給國家和個人帶來了巨大的經濟負擔。因此研究ARC的發病機制，尋找非手術的治療方法，具有重大意義。

圖1 MicroRNA-34a在透明晶狀體前囊膜組織和ARC晶狀體前囊膜組織的表達aP<0.05vs透明晶狀體前囊膜組織。

圖2 RT-PCR檢測MicroRNA-34a在人晶狀體細胞系SRA01/04中的表達aP<0.05vs對照組。

文獻報道[12]稱ARC是晶狀體衰老的表現，而氧化損傷是ARC發生的獨立危險因素。隨著年齡增加，細胞機能減退，細胞代謝產物和外部因子均不斷形成自由基，衰老的晶狀體細胞酶活性下降，抗氧化能力減弱，多余的自由基無法被清除，出現積累，就會對晶狀體產生氧化損傷，進而攻擊細胞膜，導致脂質過氧化，造成蛋白質和DNA損傷，導致晶狀體混濁[12-13]。表觀遺傳學調控基因表達的機制包括DNA甲基化、組蛋白修飾及微小RNA(MicroRNA)。其中MicroRNA的出現，為研究開拓了新思路。MicroRNA在哺乳動物中保持高度同源性，可與靶基因序列3’非編碼區結合，通過調節基因的轉錄表達，調節細胞的生長發育、分化、增殖、凋亡和衰老等。文獻報道稱在過氧化氫誘導的早衰細胞以及自然復制性衰老細胞中MicroRNA-34a表達均會出現異常升高[14-15]。

文獻報道稱患者晶狀體混濁程度與MicroRNA-34a表達呈明顯的正相關關系，提示MicroRNA-34a在ARC發生發展過程中起著關鍵作用[16]。本研究qRT-PCR結果顯示透明晶狀體前囊膜組織中MicroRNA-34a的表達量顯著低于ARC晶狀體前囊膜組織，差異具有統計學意義(P<0.05)。為了進一步觀察MicroRNA-34a在ARC中的作用，本研究又以SRA01/04細胞株為研究對象，采用細胞轉染技術構建MicroRNA-34a過表達抑制細胞株，然后觀察MicroRNA-34a對SRA01/04細胞的衰老和凋亡的影響。文獻報道[17]稱衰老的細胞中β-半乳糖苷酶的表達量會極具升高，因此SA-β-gal染色陽性常常作為細胞衰老的生物學標志。本研究通過SA-β-gal染色檢測MicroRNA-34a對SRA01/04細胞衰老情況的影響，結果顯示MicroRNA-34a過表達組呈強陽性染色，空脂質體組、MicroRNA-34a抑制組著染陰性，陽性率分別為(87.56±2.34)%、(12.22±2.74)%、(3.45±0.45)%，MicroRNA-34a過表達組明顯高于對照組和MicroRNA-34a抑制組，差異均有統計學意義(P<0.05)。進一步采用流式細胞術檢測MicroRNA-34a對SRA01/04細胞凋亡的影響，結果顯示MicroRNA-34a抑制組、對照組和MicroRNA-34a過表達組的細胞凋亡率分別為(5.87±1.22)%、(12.26±2.14)%和(29.45±3.12)%，MicroRNA-34a抑制組細胞凋亡率明顯低于對照組，而MicroRNA-34a過表達組細胞凋亡率明顯高于對照組，差異均有統計學意義(P<0.05)，提示過表達MicroRNA-34a可促進SRA01/04細胞衰老和凋亡。

圖3 MicroRNA-34a對人晶狀體細胞系SRA01/04細胞衰老的影響(×200) A：MicroRNA-34a抑制組；B：對照組；C：MicroRNA-34a過表達組;D：三組SA-β-gal陽性率比較，aP<0.05vs對照組。

圖4 MicroRNA-34a對人晶狀體細胞系SRA01/04細胞凋亡的影響 A：MicroRNA-34a抑制組；B：對照組；C：MicroRNA-34a過表達組;D：三組細胞凋亡率比較，aP<0.05vs對照組。

圖5 MicroRNA-34a對Cdc42和Rac1蛋白的影響 A：三組Western blot檢測結果；B：三組Cdc42的表達比較；C：三組Rac1的表達比較。aP<0.05vs對照組。

Rho蛋白家族能夠參與并調節細胞增殖、基因表達及細胞骨架重組，是參與細胞內信號轉導的重要蛋白，能夠改變和影響細胞生物學功能。其中Cdc42蛋白作為Rho家族蛋白重要成員之一，主要參與調解細胞骨架中肌動蛋白重排、調控蛋白激酶，啟動細胞內外信號等來影響細胞增殖、侵襲、分化和轉移等[18]。Rac1蛋白作為信號傳導通路關鍵因子，文獻報道稱[19]其是信號傳導通路中的分子開關。本研究發現，MicroRNA-34a過表達可促進晶狀體上皮細胞凋亡。本研究Western blot檢測結果顯示MicroRNA-34a過表達組中Cdc42和Rac1的表達明顯高于對照組，MicroRNA-34a抑制組中Cdc42和Rac1的表達明顯低于對照組，差異均有統計學意義(P<0.05)，提示MicroRNA-34a能通過調節Cdc42、Rac1基因表達來促進人晶狀體上皮細胞SRA01/04的衰老和凋亡。

綜上所述，MicroRNA-34a在ARC人晶狀體上皮細胞中高表達，其可能通過調節Cdc42、Rac1基因表達，調控人晶狀體上皮細胞衰老和凋亡這一生理過程，從而在白內障的發病機制中行使重要的功能，成為白內障診治的潛在新途徑。