豌豆肽通过Keap1/Nrf2/TXNIP信号通路减轻铅诱导的PC12细胞氧化应激损伤

最新细胞功能及机制文献分享
据世界卫生组织称,铅中毒仍然是一个主要的环境健康威胁。儿童早期接触铅会损害中枢神经系统,并导致各种认知问题,如精神障碍、注意力缺陷和多动症(ADHD)以及低智商(Tang Z, Carrel M., 2022)。海鲜、肉制品甚至环境中的铅含量如果超标,铅则可以通过消化道、呼吸道和皮肤接触进入并积聚在体内,当它积累到一定水平,就会导致铅中毒。

《豌豆肽通过Keap1/Nrf2/TXNIP信号通路减轻铅诱导的PC12细胞氧化应激损伤》

▲铅中毒症状(图片源自Wikipedia)。

背景介绍

据报道,铅中毒会导致体内氧化应激,这是其潜在机制之一(Lopes et al., 2016)。铅暴露引起的氧化应激不仅可能导致高血压和心血管疾病的发展,而且还可能通过氧化应激诱导的红细胞损伤影响血液系统。氧化应激是体内氧化和抗氧化作用之间不平衡的状态,它促进氧化过程,导致中性粒细胞的炎性浸润和蛋白酶的分泌增加,从而产生大量氧化中间体。体内的抗氧化系统由抗氧化酶和非酶抗氧化剂组成,其中,抗氧化酶包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽还原酶(GR)和谷胱甘肽过氧化物酶(GPx);非酶抗氧化剂由维生素C、维生素E和类胡萝卜素组成(图1)。

《豌豆肽通过Keap1/Nrf2/TXNIP信号通路减轻铅诱导的PC12细胞氧化应激损伤》

图1 氧化应激示意图(Zandi P, Schnug E., 2022)。

研究显示,NRF2-KEAP1信号通路是抗氧化应激反应的重要调节因子。铅暴露通过激活Nrf2/Keap1途径加剧氧化应激(图2)。进一步地,有研究表明,硫氧还蛋白相互作用蛋白(TXNIP)是体内广泛表达的内源性硫氧还素(TRX)阻遏蛋白,在细胞中,硫氧还蛋白相互作用蛋白是α-阻遏蛋白家族中唯一能与TRX结合的蛋白,其半胱氨酸63位和半胱氨酸247位可与还原的TRX活性位点的疏水基团形成二硫键,从而抑制TRX的抗氧化功能并促进活性氧ROS积累。此外,研究还发现,TXNIP对TRX/ROS的作用被p38 MAPK信号通路抑制剂SB03580阻断,这表明TXNIP参与了p38 MAPK对细胞内ROS的调节(Su et al., 2015)。

《豌豆肽通过Keap1/Nrf2/TXNIP信号通路减轻铅诱导的PC12细胞氧化应激损伤》

图2 铅暴露通过激活Nrf2/Keap1途径加剧氧化应激(Jiang et al., 2021)。

从豌豆中提取的蛋白质具有多种生物学功能。例如,豌豆中的粘性可溶性多糖可以提高葡萄糖耐量,降低血脂,并增加回肠胆汁酸的分泌(Sarmadi BH, Ismail A., 2010);豌豆蛋白可有效降低STZ诱导的糖尿病小鼠的血糖(Liu et al., 2021),水解物可降低高血压大鼠的血压(Li et al., 2011)。此外,豌豆籽蛋白在结肠炎小鼠模型中显示出抗炎作用(Utrilla et al., 2015)。

《豌豆肽通过Keap1/Nrf2/TXNIP信号通路减轻铅诱导的PC12细胞氧化应激损伤》
豌豆肽作用机制

2022年8月11日,河南农业大学食品科学与技术学院李宁教授在Frontiers in Nutrition杂志上发表了题为“Alleviating effects of pea peptide on oxidative stress injury induced by lead in PC12 cells via Keap1/Nrf2/TXNIP signaling pathway”的研究性文章。该文章指出,当大鼠嗜铬细胞瘤细胞系PC12细胞暴露于铅时,会产生大量ROS,导致氧化应激。细胞内抗氧化系统受到抑制,如SOD、CAT、GR、GPx水平下降,GSH/GSSG比值下降,产生大量脂质过氧化物,如MDA水平上升;细胞内Keap1的表达水平增加,Nrf2的表达水平降低,并与细胞质中的Keap1分离,然后转移到细胞核;细胞核内的TXNIP水平增加,并从细胞核转移到细胞质和线粒体,与TRX结合,抑制机体的抗氧化系统。当使用豌豆肽PP3、PP4或PP6预孵育后,逆转了这些现象。

《豌豆肽通过Keap1/Nrf2/TXNIP信号通路减轻铅诱导的PC12细胞氧化应激损伤》

图3 PP3、PP4和PP6在减轻铅暴露引起的氧化应激中的作用机制(Li N et al., 2022)。

实验方法及结果

1、建立细胞模型:首先,将处于对数生长阶段的PC12细胞在6孔板中预孵育24h。然后,用含有或不含有肽的新鲜培养基替换培养基4h。最后,用含有铅或不含有铅的新鲜培养液替换培养基24h,用于随后的测定。

2、CCK检测细胞活力:使用不同浓度的Pb(0~160μM)处理PC12细胞24h,用CCK-8检测细胞活力,结果如图4A所示;使用不同浓度,不同种类的豌豆肽(0~200μM PP3/4/6)处理PC12细胞4h,用CCK-8检测细胞活力,结果如图4B/C/D所示;使用200μM的豌豆肽(PP1~PP6)预处理PC12细胞4h,再用10μM的Pb处理24h,用CCK-8检测细胞活力,结果如图4E所示。

《豌豆肽通过Keap1/Nrf2/TXNIP信号通路减轻铅诱导的PC12细胞氧化应激损伤》

图4 不同处理对PC12细胞活力的影响。(A)Pb对PC12细胞活力的影响;PP3(B)、PP4(C)和PP6(D)对PC12细胞活力的影响;(E)PP1~6对Pb暴露PC12细胞活力的影响。柱状图的值表示平均值±SD(n≥3)。不同上标字母表示差异(P<0.05)。

3、活性氧ROS水平的检测:根据文献选择80µM VC作为对照组评估豌豆肽抗氧化性能的标准(An et al., 2014)。使用200μM的PP3/4/6和80µM的VC处理PC12细胞4h,用试剂盒检测ROS水平,结果如图5A所示;使用200μM的PP3/4/6和80µM的VC预处理PC12细胞4h,再用10μM的Pb处理24h,用试剂盒检测ROS水平,结果如图5B所示。

《豌豆肽通过Keap1/Nrf2/TXNIP信号通路减轻铅诱导的PC12细胞氧化应激损伤》

图5 不同处理对PC12细胞内ROS的影响。(A)PP3、PP4、PP6和VC对PC12细胞内ROS的影响;(B)PP3、PP4、PP6和VC对Pb暴露PC12细胞内ROS的影响。柱状图的值表示平均值±SD(n≥3)。不同上标字母表示差异(P<0.05)。

4、细胞氧化应激指标的检测:使用200μM的PP3/4/6和80µM的VC处理PC12细胞4h,用试剂盒检测抗氧化酶SOD、CAT、GR、GPx活性和丙二醛MDA含量,结果如图6A~E所示,检测GSH和GSSG水平,结果如7A所示;使用200μM的PP3/4/6和80µM的VC预处理PC12细胞4h,再用10μM的Pb处理24h,检测抗氧化酶SOD、CAT、GR、GPx活性和丙二醛MDA含量,结果如图6F~J所示,检测GSH和GSSG水平,结果如图7B所示。

《豌豆肽通过Keap1/Nrf2/TXNIP信号通路减轻铅诱导的PC12细胞氧化应激损伤》

图6 不同处理对PC12细胞氧化应激指标的影响。SOD结果如图(A、F)所示;CAT结果如图(B、G)所示;GR结果如图(C、H)所示;GPx的结果如图(D、I)所示;MDA的结果如图(E、J)所示。柱状图的值表示平均值±SD(n≥3)。不同上标字母表示差异(P<0.05)。

《豌豆肽通过Keap1/Nrf2/TXNIP信号通路减轻铅诱导的PC12细胞氧化应激损伤》

图7 不同处理对PC12细胞GSH/GSSG的影响。(A)PP3、PP4、PP6和VC对PC12细胞GSH/GSSG的影响;(B)PP3、PP4、PP6和VC对Pb暴露PC12细胞GSH/GSSG的影响。柱状图的值表示平均值±SD(n≥3)。不同上标字母表示差异(P<0.05)。

5.Western Blot:使用200μM的PP3/4/6和80µM的VC预处理PC12细胞4h,再用10μM的Pb处理24h,检测Keap1/Nrf2/TXNIP通路蛋白的表达。结果如图8所示。

《豌豆肽通过Keap1/Nrf2/TXNIP信号通路减轻铅诱导的PC12细胞氧化应激损伤》

图8 PP3、PP4、PP6和VC对Pb暴露的PC12细胞中Keap1、Nrf2和TXNIP蛋白表达的影响。(A)不同处理下PC12细胞中Keap1、Nrf2和TXNIP的蛋白质印迹结果;(B)不同处理下PC12细胞中Keap1、Nrf2和TXNIP蛋白相对表达量的变化。

结论

铅暴露可显著降低PC12细胞的活力,增加ROS和MDA水平,降低SOD、CAT、GPx、GR和GSH/GSSG的活性,上调PC12细胞中Keap1和TXNIP蛋白的表达,下调Nrf2蛋白的表达。豌豆肽可以减轻铅诱导的PC12细胞氧化应激损伤,通过Keap1/Nrf2/TXNIP信号通路保护PC12细胞。该研究将为铅神经毒性的深入研究提供新的视角。

参考文献

An L, Li Z, Zhang T. Reversible effects of vitamins C and E combination on oxidative stress-induced apoptosis in melamine-treated PC12 cells. Free radical research, 2014,48(2).

Li H, Prairie N, Udenigwe CC, et al. Blood pressure lowering effect of a pea protein hydrolysate in hypertensive rats and humans. Journal of agricultural and food chemistry, 2011,59(18).

Li N, Wen L, Wang F, et al. Alleviating effects of pea peptide on oxidative stress injury induced by lead in PC12 cells via Keap1/Nrf2/TXNIP signaling pathway. Front Nutr. 2022;9:964938.

Liu JP, Qian YF, Qin GYX, et al. Antidiabetic activities of glycoprotein from pea (Pisum sativum L.) in STZ-induced diabetic mice. Food & function, 2021.

Lopes ACBA, Peixe TS, Mesas AE, et al. Lead Exposure and Oxidative Stress: A Systematic Review. Reviews of environmental contamination and toxicology, 2016,236.

Jiang X, Xing X, Zhang Y, et al. Lead exposure activates the Nrf2/Keap1 pathway, aggravates oxidative stress, and induces reproductive damage in female mice. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2021,207.

Sarmadi BH, Ismail A. Antioxidative peptides from food proteins: A review. Peptides, 2010,31(10).

Su C, Shi A, Cao G, et al. Fenofibrate suppressed proliferation and migration of human neuroblastoma cells via oxidative stress dependent of TXNIP upregulation. Biochemical and Biophysical Research Communications, 2015,460(4).

Tang Z, Carrel M. The more things change the more they stay the same: Persistent spatial inequity in pediatric lead poisoning in Chicago. Applied Geography, 2022,142.

Utrilla MP, Peinado MJ, Ruiz R, et al. Pea (Pisum sativum L.) seed albumin extracts show anti-inflammatory effect in the DSS model of mouse colitis. Molecular nutrition & food research, 2015,59(4).

Zandi P, Schnug E. Reactive Oxygen Species, Antioxidant Responses and Implications from a Microbial Modulation Perspective. Biology (Basel). 2022;11(2):155.

《豌豆肽通过Keap1/Nrf2/TXNIP信号通路减轻铅诱导的PC12细胞氧化应激损伤》

点赞

发表回复

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用*标注