广西医学 2015年4月第37卷第4期 455 钙调神经磷酸酶抑制剂对AI3。 所致 阿尔茨海默病大鼠学习记忆及细胞凋亡的影响▲ 王成志石胜良刘倩倩 高怀清 530021,E—mail:hey—chengzhi@126.com) (广西医科大学第一附属医院神经内科,南宁市【摘要】 目的探讨钙调神经磷酸酶抑制剂对B・淀粉样蛋白(AB 一 )所致阿尔茨海默病(AD)大鼠学习记忆及海马 区细胞凋亡的影响及可能作用机制。方法36只SD大鼠随机分为AD模型组、FK506组及对照组,每组12只。AD模型组 和FK506组采用AB 一 海马注射建立AD大鼠模型,FK506组以钙调神经磷酸酶抑制剂他克莫司(FK506)干预。用Morris水 迷宫检测大鼠学习记忆能力,原位末端凋亡法(TUNEL)检测凋亡细胞,实时定量PCR(RT.PCR)、免疫组化检测海马区促凋亡 蛋白(Bad)、细胞凋亡蛋白酶.3(Caspase.3)的表达。结果与对照组相比,AD模型组大鼠学习记忆能力明显减退(P<0.01), 海马CA1区神经元细胞凋亡率增高(P<0.05),而FK506可改善AD大鼠的学习记忆能力,并能减少海马CA1区神经元细胞 凋亡率(P<0.05);Bad基因转录及其蛋白表达在AD模型组与FK506组中无明显差异(P>0.05),而FK506可显著减少AD 大鼠海马区Caspase-3的表达(P<0.05)。结论通过阻断该途径来治疗AD。 抑制钙调神经磷酸酶激活可改善AD大鼠的学习记忆能力。AD的发病机制 可能为,活化的钙调神经磷酸酶可能通过介导Bad去磷酸化而激活Caspase-3,最终导致细胞凋亡。钙调神经磷酸酶抑制剂可 【关键词】 阿尔茨海默病;钙调神经磷酸酶;细胞凋亡;Bad;Caspase一3;大鼠 【中图分类号】 R 742 【文献标识码】 A 【文章编号】0253.4304(2015)04.0455—04 DoI:10.11675/j.issn.0253—4304.2015.04.06 Effect of calcineurin inhibitor on apoptosis and ability of learning and memorizing in AI31—42-induced Alzheimer s disease rats WANG Cheng-zhi,Sill Sheng—liang,LIU Qian—qian,GAO Huai—qing (Department ofNeurology,the First Affiliated Hospital,Guan ̄i Medical University,Nanning 530021,China) 【Abstract】Objective To investigate the impact of calcineurin inhibitor on hte ability oflearning and memorizing as well 88 hippocampal apoptosis in AB】一42-induced Alzheimer s disease(AD)rats and ist potential mechanisms.Methods Thirty—si】【SD rats were randomly divived into AD model group,FK506 group nd acontrol group,wit}l 12 rats in each group.AD rat model was developed by intra・hippocampal injection of At31—42 in het AD model group and FK506 group,and he tcalcinettrin inhibitor(FK506)was administerd aedditionally in the FK506 group.The abiliyt of learning and memorizing fo rats was evaluated by Morirs water n】日Ize test.The apoptotic ne1.1l'Ons were d ̄ted y tberminal dexynucleotidyl transferase—mediated dUTP nick end lbealling(TUNEL).Real・time quantitative PCR(RT-PCR)and immunochemistry were used to detect the expressions of Bad and Caspase-3 in hippocampus.Results The ability of learning nd memoraizing decreased signiifcntaly(P<0.O1) and the apoptotic rate of hippoeampal neumIls in CA1 subregion increased in he tAD model group compared with the controls(P<0.05). FK506 might be able to improve the ability of learning and memorizing in AD rats and reduce the apoptotic rate of hippocampal neurons in CA1 subregion(P<0.05).There was no sinigifcant diference in the Bad gene transcirption and its protein expression between AD model group and FKS06 group(P>0.05).FK506 could signiifcantly down—regulate the expression level of Caspase一3 in hippocampal regions (P<0.05).Conclusion The inhibition of calcineurin activation might improve the ability of learning and memoirzing of AD rats. AD mechanism might be that activated calcineurin induces Caspase一3 activation by the Bad・mediated dephosphorylation,which leads to the cell apoptosis.Calcineurin inhibitor could be used to cure AD by blocking this pathway. 【Key words]Alzheimer s disease;Calcineurin;Apoptosis;Bad;Caspase一3;Rat 阿尔茨海默病(Alzheimer s disease,AD)是一种以认 素…。钙调神经磷酸酶(ealeineurin,CaN)属活性受钙离 知功能减退为主要表现的神经系统退行性疾病,其主要 子/钙调素(Ca2 /CaM)调节的丝/苏氨酸蛋白磷酸酶家 的病理学特点是神经原纤维缠结、细胞外淀粉样老年斑 族成员,在大脑皮层、海马神经元中表达最为丰富。研 的形成、神经元细胞凋亡、突触损伤等。而神经元细胞 究发现CaN抑制剂可逆转p一淀粉样蛋白(AB 埘)沉积 凋亡是导致神经元丢失及AD进行性发展的关键因 导致的学习记忆能力减退,减少神经元细胞凋亡 , ▲基金项目:广西医疗卫生重点科研课题(重2012066) 作者简介:王成志(1987一),男,在读硕士研究生,研究方向:痴呆。 通信作者:石胜良(1964~),男,博士后,教授,研究方向:痴呆,E.mail:8sl一1964@163.com。 456 Guangxi MedicaZ JoMrn0f,Apt.2015,Vo1.37,No.4 但具体机制尚未明了。本实验采用双侧海马注射 各组随机选取6只,依次经心脏灌注生理盐水冲洗和多聚 甲醛固定后取脑,常规石蜡包埋切片。TUNEL法检测海 马组织细胞调亡,切片脱蜡入水,3%H2O 处理10 min, 0.01 mmol/L PBS(pH=7.4)洗3 min×3次,蛋白酶K消 Ap :建立AD大鼠模型,以CaN抑制剂他克莫司 (FK506)腹腔注射干预,通过观察大鼠行为学改变及海 马CA1区神经元细胞凋亡数、促凋亡蛋白Bad及细胞凋 亡蛋白酶.3(Caspase-3)的表达来探讨CaN对AD大鼠 的影响。 化20 min,PBS洗3 min×3次,滴加TUNEL反应混合物 37 ̄C孵育60 min,PBS洗5 min×3次,再加转换剂POD 37℃孵育30 min,PBS洗5 min×3次。DAB显色,苏木精 1材料与方法 1.1 实验动物及材料SD雄性大鼠36只,3—4月龄, 220~250 g(购于广西医科大学动物中心);AB 一鸵(美国 Sigma公司);FK506(美国Selleckchem公司);兔抗大鼠 多克隆抗体Bad(美国SAB公司);兔抗大鼠多克隆抗体 Caspase-3(美国PTG公司);Kit、POD(瑞士Roche公 司);SP免疫组化试剂盒、DAB试剂盒(北京中杉金桥有 限公司);RNAiso Plus试剂、PrimeScriptMT RT reagent Kit with gDNA Eraser、SYBR@Premix Ex Taq II(日本 Takara公司);Morirs水迷宫系统、大鼠脑立体定位仪 (日本);LightCycler480II(德国Roche公司);Olympus光 学显微镜系统(日本Olympus公司)等。 1.2 方法 1.2.1模型制备和分组:36只SD大鼠随机分为AD模 型组、FK506组及对照组,每组12只。AI3, 溶于 0.01 mmol/L PBS以稀释成2 g/ l,于37℃孵育3 d使 其变为聚集态。麻醉大鼠,将其平颅位固定于脑立体定 向仪上。参照包新民 的《大鼠脑立体定位图谱》确定 两侧海马坐标:前囟后3 nlln,正中矢状缝左右旁开 2 mm,硬脑膜下3.5 mm。按上述位点钻孔,AD模型组和 FK506组,每侧海马注射5 Ap 一 ,10 min内注完,留针 5 min以保证At3。一 充分弥散。对照组以0.01 mmol/L PBS代替X13。一啦注射。术后第2天开始进行药物干预。 对照组和AD模型组腹腔注射生理盐水(0.2 m#100 g); FKS06组腹腔注射FK506(0.2 ms/100 g),隔日1次,共 30 d。 1.2.2大鼠行为学观察:药物干预结束后,采用Morris水 迷宫对大鼠进行行为学测试。前5天,每只大鼠每天分别 从4个不同象限入水训练1次,记录大鼠寻找并爬上平台 所需时间,取4次训练的平均值作为每天的逃避潜伏期, 并作为当天的学习能力。规定每次的实验时间为120 S, 若120 S内未找到平台,则帮助其上平台,在平台上站立 15 S,拿下休息30 s后再依象限入水训练。第6天撤去平 台进行空间搜索实验,将大鼠放入平台所在对角线的象限 内,记录2 min内大鼠穿过隐匿平台次数,以此作为大鼠 记忆能力。 1.2.3原位末端凋亡法(TUNEL)及免疫组织化学染色: 轻度复然。脱水、透明、封片,显微镜下观察。凋亡细胞的 细胞核为棕黄色(TUNEL阳性)。随机选取5个不重叠海 马CA1区400倍镜视野观察,计数凋亡细胞数和总细胞 数,细胞凋亡率=凋亡细胞数/总细胞数×100%。免疫组 织化学染色,取海马冠状层面用sP法行免疫组织化学染 色,DAB显色。Bad抗体浓度为1:100,Caspase-3抗体浓 度为1:100。阳性表达为胞浆或胞膜染成棕褐色或棕 黄色,阴性对照用PBS代替一抗。每个标本取2张切 片,每个切片随机选取3个不重叠的海马CA1视野区高 倍镜下(×400)观察,测定每个视野的积分光密度值和 阳性面积,计算其平均积分光密度(IOD/um )。 1.2.4 RT.PCR:各组剩余6只,断头取脑,迅速冰上分 离海马,参照RNAiso Plus试剂说明书提取总RNA,反转 录成cDNA(37℃孵育15 min;85 ̄C孵育5 s,4℃终止反 应)后,再进行PCR扩增,其中,Bad基因:上游引物5 一 GGACAGGCAGCCAATAACAG一3 ,下游弓l物5 .CCTC— CTCCATCCCq3'CATCT-3 ,PCR产物:143 bp。Caspase-3 基因:上游引物5 -GGAGCAG1 TI1’GTGTGTGTGAT-3 ,下 游引物5 一ATGATGAAGA CGGCTIq'C一3 ,PCR产物: 148 bp;GAPDH上游引物:5 .GGAGA rrACTGCCCTG— GCTCCTA-3 ,下游弓I物5 .GACTCATCG_TACTCCTGC I’r- GCTG..3,PCR产物:135 bp。扩增条件为:95℃预变性 30 S,然后进入40循环反应,95%变性5 S,55 ̄C退火 30 S,72 ̄C延伸1 min。表达量的多少通过与内参GAPDH 比较来反映。 1.3统计学分析采用SPSS 16.0统计软件进行处理。 计量资料以( ±s)表示,组间比较采用单因素方差分 析,以P<0.05为差异有统计学意义。 2结 果 2.1 Morris水迷宫测试结果各组大鼠随着训练天数 的增加,逃避潜伏期均越来越短,说明逃避潜伏期有随 时间变化的趋势(F时间:20.292,P=0.001),提示各组 大鼠在历次学习训练中均已逐渐学习寻找平台;但时间 与分组的交互作用无统计学意义(F交互=0.916, P=0.505);个体间总体变异部分的结果显示各组大鼠 逃避潜伏期总体而言不同(F 间=5.654,P=0.008),见 表1。 458 Guangxi Medicaf Journaf,Apr.2015,Vo1.37,No.4 离子大量流入细胞内并引起1,4,5-三磷酸肌醇(I )生 参考文献 成增加,从而激活内质网膜上的兰尼碱受体(RyR)和 IP3受体,导致大量钙离子流入细胞质 。流入的钙离 子与CaN结合后可激活CaN,从而启动一系列病理生理 反应,包括神经元细胞凋亡 、微管相关蛋白(tau蛋白) 的磷酸化 以及突触的可塑性等 。本实验主要从细 胞凋亡方面来探讨CaN作用于AD的可能相关机制。 [1]Yuan J,Yankner BA.Apoptosis in the nervous system[J]. Nature,2000,407(6 805):802—809. [2]Dinetey KT,Hogan D,Zhang WR,et a1.Acute inhihition of calcineurin restores associative learning and memory in Tg2576 APP transgenic mice[J].Neurobiol Learn Mem, 20O7,88(2):217—224. [3] Almeida S,Domingues A,Rodrigues L,et a1.FK506 pre— 在凋亡发生机制中最关键的影响因素是Caspase.3 和B淋巴细胞瘤-2(Bcl-2)对细胞凋亡的调控。Bad是 Bcl-2家族的主要促凋亡蛋白,在没有凋亡信号时,处于 磷酸化状态且与14—3-3蛋白结合 ;当有凋亡刺激时, Bad去磷酸化,与14—3-3蛋白分离,并竞争性结合线粒 体质膜上的异二聚体抗凋亡蛋白Bcl—xl/Bax,导致Bax 构型改变形成二聚体,最终使线粒体膜上形成一个钙离 子内流和细胞色素C(Cyto-C)外流的交换通道,Cyto.C 进入细胞质中激活CaspaLse一3 ,进而启动一系列的凋 亡过程。 Caspase.3是凋亡主要执行者,主要参与凋亡的终末 过程,也是凋亡进入不可逆状态的重要标志。在正常情 况下,Caspase.3以无活性的酶原形式存在。当有凋亡信 号刺激时,Caspase一3可由无活性的酶原转变为有活性 酶,活化后的Caspase-3可裂解细胞膜、抗凋亡蛋白并阻 止损伤DNA的修复 等。研究指出,活化的Caspase.3 可以使携带APPswe的转基因Tg2576 AD小鼠早期突触 功能障碍 ]、并能切割Ap 、tau蛋白 等,切割后的 产物对神经元细胞具有毒性作用,导致神经细胞的凋 亡。 我们的研究结果显示,通过CaN抑制剂FK506干预 后,大鼠的学习记忆能力明显改善,凋亡细胞数目也明 显下降,说明抑制CaN激活可在一定程度上缓解AD症 状,这与Cardoso等 的研究结果一致。而通过RT.PCR 及免疫组化技术,我们发现,FK506组与AD模型组相 比,Bad在基因表达水平及蛋白表达水平相差不大,但都 比对照组表达增多;而FK506可显著减少AD大鼠 Caspase 3的表达。因此,我们可以推断,在AD中,活化 的CaN可能通过介导Bad去磷酸化,而使Caspase-3活 化,进而导致神经元细胞凋亡。 本研究结果说明,抑制CaN激活可能通过影响细胞 凋亡而改善AD症状,对各组大鼠CaN活性及其他凋亡 相关因子的检测可能更有助于我们了解其作用于AD的 机制,从而找到新的神经保护性药物。 vents mitoehondrial——dependent apoptotic cell death in・- duced by 3-nitropropionic acid in rat primary cortical cul- tures[J].Neurobiol Dis,2004,17(3):435—444. 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