雄激素合成酶在H22荷瘤小鼠不同证候表达差异❋
2017-11-17潘志强方肇勤卢文丽刘小美张园园
潘志强,方肇勤,卢文丽,刘小美,梁 超,张园园
(上海中医药大学基础医学院,上海 201203)
【实验研究】
雄激素合成酶在H22荷瘤小鼠不同证候表达差异❋
潘志强,方肇勤△,卢文丽,刘小美,梁 超,张园园
(上海中医药大学基础医学院,上海 201203)
目的:研究睾丸雄激素合成酶与肿瘤状态下小鼠证候的关系。方法:采用实验小鼠及其标准化四诊与辨证方法筛选H22荷瘤小鼠邪毒壅盛证、气虚证、阳气虚证、气阴阳虚证,并以GeneChip Mouse Exon 1.0 ST Array技术检测睾丸组织基因芯片表达谱,重点分析睾丸基因芯片中雄激素合成酶及其调节因子在不同证候小鼠中的差异表达。结果:与正常组比较,Star、Stard5、Cyp17a1、Hsd3b6、Hsd17b3、Sult1e1等基因在早期邪毒壅盛证和气虚证小鼠呈现下调趋势,且在中晚期阳气虚证和气阴阳虚证下调幅度更加显著,Cyp11a1、Hsd3b1、Hsd17b10、Hsd17b11、Hsd17b12、Fdx1、Fdxr、Por、Sult1a1等仅在中晚期阳气虚证和气阴阳虚证中显著下调,Cyp17a1仅在睾丸组织特异性中表达。结论:H22荷瘤小鼠肿瘤形成后,自发产生的虚证越严重,其睾丸雄激素合成酶基因转录活性越低。
雄激素合成酶;证候;小鼠;基因芯片;基因表达
证候的发生涉及神经内分泌免疫网络功能紊乱的观点在中医学术界基本达成共识。既往在临床与实验动物方面均发现,虚证在下丘脑、垂体、肾上腺皮质、甲状腺、性腺、胸腺等存在功能紊乱现象[1-3]。方肇勤课题组以H22肝癌荷瘤小鼠为实验对象,采用小鼠标准化四诊与辨证技术,动态观察荷瘤小鼠不同阶段自然形成的证候演变及检测神经内分泌免疫组织的基因表达谱,发现不同证候具有特征性差异表达基因[4]。
本文在课题组既往H22肝癌荷瘤小鼠不同证候睾丸基因芯片数据基础上[5-7],深入分析雄激素合成酶及其调节因子在不同证候中的表达特征,发现随肿瘤的进展,中晚期小鼠肿瘤体积逐渐增大,气血阴阳虚证日益严重,呈现典型的虚实夹杂证候特征,相应的雄激素合成减弱,其雄激素合成酶与调控因子的基因表达逐渐减弱,提示这可能与中晚期肿瘤虚证的发生有关,现报道如下。
1 材料与方法
1.1 实验动物
昆明种雄性小鼠250只,体质量(25±1)g,由上海斯莱克实验动物有限公司提供(动物生产许可证号SCXK(沪)2003-0003)。
1.2 实验试剂
TRIzol试剂购自美国GIBCO BRC公司,RNeasy Mini Kit试剂盒购自德国QIAGEN公司,RNA 6000 Nano LabChip购自美国Agilent Technologies公司,小鼠外显子基因芯片(GeneChip Mouse Exon 1.0 ST Array)及其试剂盒购自美国Affymetrix公司。
1.3 实验仪器
1.3.1 四诊计量化检测设备 YLS-13 A型小鼠抓力测定仪(购自山东省医学科学院设备站)用于抓力检测,底部划有4.5 cm×5.5 cm方格(3行×6列=18格)的实验笼用于旷场检测,NIKON 4500数码相机用于显微和普通拍照、旷场检测录像,3200 K(色温)250 W摄像专用光源显微和普通照明,MP200B型电子天平(购自上海恒平科学仪器有限公司)用于动物和饲料称质量,数字WMY-01型温度计(购自上海华辰医用仪表有限公司)用于检测腋温,SQF-EA体视显微镜(购自上海万科仪器有限公司)用于显微爪、尾的显微拍摄,游标卡尺、个人电脑用于图像和数据处理。
1.3.2 芯片检测仪器 杂交炉、芯片洗涤系统和芯片扫描仪等购自美国Affymetrix公司。
1.4 实验方法
1.4.1 实验分组及处理 采用随机数字表法取60只做正常对照,另190只腋下接种H22肿瘤腹水癌细胞0.2 ml(细胞浓度4×107/ml),出瘤后淘汰40只出瘤不佳及畸形小鼠,剩余150只。取正常小鼠20只和肝癌小鼠150只用于四诊计量检测和辨证,另40只正常对照小鼠不做四诊检测(用于早期、中期的正常对照组),常规饲养。
1.4.2 四诊计量化检测方法与计量辨证方法 我们采用课题组研制的小鼠四诊工作站技术与方法标准采集小鼠四诊信息,主要包括小鼠一般外观表现、体质量、体温、饮水量、摄食量、旷场实验小鼠跨格数、小鼠肢体抓力、爪色泽、尾色泽、肿瘤瘤径等指标,然后进行计量化辨证,可参见有关文献[8]。
1.4.3 肝癌小鼠分期与常见证候的确定 H22肝癌小鼠分期标准参见有关文献[9]。分别于接种肿瘤后第7天(早期)、第20天(中期)、第28天(中晚期)进行全体小鼠四诊检测与辨证,并分别于检测后的次日,即接种肿瘤后第8天(早期)辨证并筛选出最为典型的邪毒壅盛证和气虚证小鼠各16只,第21天(中期)辨证并筛选出最为典型的阳气虚证小鼠16只,第29天(中晚期)辨证并筛选出最为典型的气阴阳虚证小鼠16只。
1.4.4 不同证候肝癌小鼠的处死与取材 在小鼠四诊检测与辨证的次日,即分别于接种肿瘤后第8天处死邪毒壅盛、气虚证肝癌小鼠以及正常对照小鼠各16只;第21天处死阳气虚肝癌小鼠和正常对照小鼠各16只,第29天处死气阴阳虚肝癌小鼠和正常对照小鼠各16只。分别取下丘脑、垂体、甲状腺、肾上腺、睾丸、胸腺、脾脏和肿瘤组织。
1.4.5 RNA的提取与检测 以上共5组样本采用Trizol(GIBCO BRC)试剂盒及其方法,抽提睾丸组织总RNA;采用RNeasy Mini Kit(QIAGEN)试剂盒及其方法纯化RNA;采用RNA Nano LabChip和方法,及其配套的Agilent-bioanalizer 2100检测RNA的质量和电泳图谱。
1.4.6 芯片检测 采用Affymetrix的GeneChip Mouse Exon 1.0 ST Array及其试剂盒所建议的检测方法。依据检测结果和Affymetrix建议的方法,采用iterPlier法计算核心基因表达读数值。以上RNA质量和芯片检测委托上海生物芯片有限公司完成。
1.4.7 雄激素合成酶及其调节因子的基因筛选 在睾丸基因芯片原始数据中,筛选雄激素合成酶及其调节因子,并以正常组为对照,计算不同证候差异变化倍数,即各证候/正常基因芯片读数比值。
2 结果
2.1 雄激素合成起始环节相关转运蛋白在荷瘤小鼠不同证候中的表达差异
表1显示,雄激素合成起始环节由类固醇急性调节蛋白(Star)介导,将细胞浆内胆固醇从线粒体外膜转运到线粒体内膜。此外,协同转运的StarD家族蛋白也起到类似马达蛋白作用,为类固醇激素合成提供重要的胆固醇原料,其中StarD4和StarD5具有低水平Star活性作用,而StarD6主要表达于生精细胞,但其功能不清楚。结果显示,H22荷瘤小鼠肿瘤发生后,早期邪毒壅盛证和气虚证睾丸Star基因表达下调40%,中晚期阳气虚证和气阴阳虚证Star基因表达下调达60%,同样,Stard4、Stard5、Stard7和Stard8基因在阳气虚证和气阴阳虚证也下调,提示中晚期阳气虚证和气阴阳虚证H22荷瘤小鼠睾丸雄激素合成的起始环节就出现异常。此外,Stard10基因在睾丸组织中表达量非常高,但是其在睾丸中的生物功能尚不清楚。
2.2 雄激素合成限速酶和17α羟化酶在荷瘤小鼠不同证候中的表达差异
表2显示,Cyp11a1编码胆固醇侧链裂解酶P450scc,主要催化胆固醇转化为孕烯醇酮,是类固醇合成过程的限速酶。结果显示,在中晚期阳气虚证和气阴阳虚证Cyp11a1表达下调60%,提示中晚期阳气虚证和气阴阳虚证H22荷瘤小鼠睾丸雄激素合成起始环节限速过程显著降低。P450c17酶既有17α羟化酶活性,又表现出17,20裂解酶活性,将孕烯醇酮转化为C19类固醇(脱氢表雄酮)。结果显示,不同证候均出现Cyp17a1基因表达下调,尤其是中晚期阳气虚证和气阴阳虚证Cyp17a1表达下调约60%,提示中晚期阳气虚证和气阴阳虚证H22荷瘤小鼠睾丸雄激素前体转化为脱氢表雄酮的能力显著降低。
表1 胆固醇转运相关分子在不同证候中的基因表达差异
表2 雄激素合成限速酶和17α羟化酶在不同证候中的表达差异
2.3 羟基类固醇脱氢酶在荷瘤小鼠不同证候中的表达差异
2.3.1 3β-羟基类固醇脱氢酶 表3显示,3β-HSDs主要作用催化孕烯醇酮转化为孕酮、17羟-孕烯醇酮转化为17羟-孕酮、脱氢表雄酮(DHEA)转化为雄烯二酮、雄烯二醇转化为睾酮。结果显示,小鼠睾丸组织Hsd3b1和Hsd3b6高表达,各证候Hsd3bs基因表达均下调,尤其是中晚期阳气虚证和气阴阳虚证Hsd3b3、Hsd3b6基因下调约70%,提示中晚期阳气虚证和气阴阳虚证小鼠雄激素合成过程的脱氢酶活跃性下降。
表3 3β-羟基类固醇脱氢酶在不同证候中的表达差异
2.3.2 11β-羟基类固醇脱氢酶 表4显示,11β-HSDs属于短链脱氢酶还原酶(SDR)家族,包括Hsd11b1和Hsd11b2。结果显示,它们在小鼠睾丸组织中表达量较低,提示它们对睾丸生理功能不重要。
表4 11β-羟基类固醇脱氢酶在不同证候中的表达差异
2.3.3 17β-羟基类固醇脱氢酶 表5显示,17β-HSDs属于醛酮还原酶(AKR)家族,它催化雄烯二酮转化为睾酮、脱氢表雄酮转化为雄烯二醇、雌酮转化为雌二醇等重要生化过程。17β-HSDs包括多种亚型,其中Hsd17b3属于微粒体氧化酶,它特异性表达于睾丸组织,该酶的紊乱常导致男性假两性畸形(17-酮类固醇还原酶)缺陷。本研究结果显示,H22荷瘤小鼠肿瘤形成后,不同证候小鼠睾丸Hsd17b3基因表达下调50%~70%,且中晚期阳气虚证和气阴阳虚证下调更显著,提示严重的虚实夹杂证肿瘤小鼠睾丸雄激素合成与转化关键酶活跃性下降。然而,Hsd17b1主要表达于胎盘组织和卵巢颗粒细胞,负责催化雌二醇生成;Hsd17b2属于微粒体氧化酶,主要表达于胎盘、肝脏、小肠、前列腺、子宫内内膜和卵巢组织。本基因芯片未包含Hsd17b1和Hsd17b2转录本。 Hsd17b4类似Hsd17b2,Hsd17b4缺乏会引起Zellweger综合征,结果显示Hsd17b4在睾丸中表达量很高,且中晚期阳气虚证和气阴阳虚证Hsd17b4表达下调约10%;小鼠Hsd17b5(Akr1c6)最早克隆于3α羟基类固醇脱氢酶,属于AKR酶,催化雄烯二酮转化成睾酮,且在体外相当不稳定。目前认为,Hsd17b5在前列腺内雄激素代谢有重要作用,Hsd17b5在睾丸中表达量低,同样在中晚期阳气虚证和气阴阳虚证Hsd17b5表达下调约40%。值得注意的是,Hsd17b6(别名Hsd17b9、Rdh8)、Hsd17b7、Hsd17b8、Hsd17b10、Hsd17b11、Hsd17b12、Hsd17b13等尽管属于17βHSD家族,但实际上其17βHSD活性非常弱,它们与雄激素合成过程关系不大。结果显示,睾丸组织中Hsd17b10、Hsd17b11、Hsd17b12表达量较高,且在中晚期阳气虚证和气阴阳虚证均下调30%以上。总体而言,H22荷瘤小鼠阳气虚证和气阴阳虚证17β羟基类固醇脱氢酶多种亚型基因表达均呈现下调趋势,提示17βHSD酶活性下降可能与虚证关系密切。
表5 17β-羟基类固醇脱氢酶在不同证候中的表达差异
2.4 雄激素合成酶的调节因子在荷瘤小鼠不同证候中的表达差异
表6显示,雄激素合成各酶的几个重要调节因子,包括铁氧还蛋白1(Fdx1)、铁氧还蛋白还原酶(Fdxr)、P450氧化还原酶(Por)、5α还原酶(Srd5a)、细胞质磺酶(Sult)等,其中睾酮经5α还原酶(Srd5a1、Srd5a2)作用后转化成更强烈的双氢睾酮,类固醇的磺和硫酸化方式主要通过细胞质磺(Sult)酶作用,以产生活性更强的雄激素。结果显示,小鼠睾丸Sult1e1和Sult1a1基因表达均高,Sult1e1在不同证候H22荷瘤小鼠均出现下调,尤其是中晚期阳气虚证和气阴阳虚证Fdx1、Fdxr、Por、Sult1e1和Sult1a1基因表达均下调,提示中晚期阳气虚证和气阴阳虚证H22荷瘤小鼠睾丸雄激素磺和硫酸化作用也显著减弱。
表6 雄激素合成酶调节因子在不同证候中的表达差异
2.5 P450c17酶在小鼠睾丸组织特异性表达
表7显示,P450c17酶主要表达于睾丸组织,依据芯片结果发现,Cyp17a1基因在正常小鼠睾丸中表达量非常高,芯片读数值为8358,而正常小鼠下丘脑、垂体、肾上腺、甲状腺、胸腺、脾脏组织表达量非常低,仅是睾丸组织的1.3%~6.7%。此外在肿瘤组织也低表达,进一步提示Cyp17a1基因在睾丸组织特异性表达的特性。
表7 Cyp17a1基因在小鼠不同组织中表达量比较
2.6 P450arom芳香化酶在小鼠各组织中的表达比较
表8显示,P450arom芳香化酶由Cyp19a1基因编码,是雌激素合成过程的关键酶,主要催化睾酮和雄烯二酮转化为雌激素,Cyp19a1基因在雄性小鼠睾丸、下丘脑、垂体、肾上腺、甲状腺、胸腺、脾脏、肿瘤等组织中表达量均非常低,提示Cyp19a1在雄激素合成过程中不重要。
3 讨论
证候研究是中医基础理论的一个重要领域,近几十年来,探索证候发生的物质基础是中医基础现代化的方向之一。既往的研究思路是依据中医证候产生的病理因素,在实验动物上施加类似因素以复制不同证候模型,然后检测模型动物相关靶组织的分子变化,以期望发现证候的可能物质基础,这种方法被广泛运用,其优点是方法易于采纳与推广,缺点是一些实施的造模因素与临床疾病及证候发生不相符。近20年来,方肇勤课题组依据中医临床自然状态下的辨证思维模式,发明与创建了小鼠/大鼠标准化四诊信息采集方法与辨证技术[8-9],针对疾病模型小鼠予以辨证分型,然后对同病异证小鼠神经内分泌免疫网络组织及相应的病变组织进行微观指标检测,以期望揭示证候的可能物质基础,该研究方法最大优点是符合临床诊治实际,运用中医思维对任何疾病动物均可执行辨证论治,具有很强的实用性,然而部分学者对小鼠/大鼠标准化四诊信息采集方法与辨证技术也有质疑。
表8 Cyp19a1基因在小鼠不同组织中表达量比较
证候是客观存在的,那么证候是否具有相应的物质基础?理论上是肯定的。但证候的物质基础是否可用比较简洁的语言表述清楚,目前依然难以定论甚至存在很大争论[10]。经学术界的不断研究与积累,发现证候与神经内分泌免疫网络及其病变靶组织的内在变化存在一定的关系,这一认识在业界基本达成共识。基于此,本文主要从性腺合成雄激素重要功能基因的转录组层面,探索H22肝癌荷瘤小鼠自发形成的各种证候在雄激素合成转录组的变化。我们采用基因芯片技术检测了正常小鼠以及不同证候荷瘤小鼠睾丸组织的基因表达,围绕雄激素合成过程的重要酶及其调节因子,比较与分析它们在不同证候中的差异表达特征。业已明确[11-12],睾酮及其前体去氢表雄酮(DHEA)是睾丸间质细胞合成的重要雄激素,其生化合成过程属于类固醇激素。经典生化合成过程是,类固醇急性调节蛋白(StAR)首先将胆固醇从线粒体外膜转运到线粒体内膜,然后在P450侧链裂解酶作用下合成孕烯醇酮,这两步是限速过程;之后经P450 17α羟化酶催化合成DHEA,再经3β羟基固醇脱氢酶的催化作用最终合成睾酮。
芯片结果显示,雄激素合成过程重要酶包括Star、Cyp11a1、Cyp17a1、Hsd3b1、Hsd17b3等在正常小鼠睾丸组织中表达非常高(芯片读数2000以上,是睾丸基因芯片均值746的3倍以上),尤其是Cyp17a1在睾丸组织呈现特异性高表达(芯片读数值为8358),Cyp19a1在雄性小鼠各组织中低表达,进一步佐证基因芯片数据的稳定性与可信度。进而深入分析各基因差异表达与不同证候的关系,发现雄激素合成起始环节的2个重要限速酶Star和Cyp11a1在中晚期阳气虚证和气阴阳虚证均下调60 %以上。此外,Stard4、Stard5、Stard7和Stard8基因在阳气虚证和气阴阳虚证也下调,提示中晚期阳气虚证和气阴阳虚证H22荷瘤小鼠睾丸间质细胞将胆固醇从线粒体外膜转运到线粒体内膜的转运能力下降,而Cyp11a1基因表达的下调进一步提示雄激素起始过程的限速步骤的合成能力明显下降。同样,不同证候均出现Cyp17a1基因表达下调,尤其是中晚期阳气虚证和气阴阳虚证Cyp17a1表达下调约60%,提示中晚期阳气虚证和气阴阳虚证H22荷瘤小鼠睾丸雄激素前体转化为脱氢表雄酮的能力显著降低。细胞色素P450是一类重要的酶,其中有7个表达于线粒体、50个表达于内质网,而15个内质网中P450酶是肝药物代谢酶,20个参与类固醇激素和胆汁酸等合成,15个作用不明确。在睾丸间质细胞,Cyp11a1编码胆固醇侧链裂解酶P450scc,主要催化胆固醇转化为孕烯醇酮,是类固醇合成过程的限速酶;Cyp17a1编码P450c17酶,既有17α羟化酶活性、又表现出17,20裂解酶活性[13]。本研究显示,小鼠肿瘤形成后,中晚期阳气虚证和气阴阳虚证的睾丸组织Cyp11a1和Cyp17a1基因表达显著低于正常小鼠,说明中晚期阳气虚证和气阴阳虚证小鼠具有雄激素合成能力下降的特征。
此外,羟基类固醇脱氢酶家族成员、Hsd3bs基因在各证候中表达均下调,尤其是中晚期阳气虚证和气阴阳虚证Hsd3b3、Hsd3b6基因下调约70%;中晚期阳气虚证和气阴阳虚证荷瘤小鼠睾丸Hsd17b3、Hsd17b4、Hsd17b5、Hsd17b7、Hsd17b10、Hsd17b11基因表达明显低于正常组小鼠。它们在睾酮合成过程中发挥重要的脱氢酶作用,提示小鼠肿瘤形成后,中晚期阳气虚证和气阴阳虚证小鼠睾酮合成与转化能力显著下降。而雄激素合成酶的重要调节因子Fdx1、Fdxr、Por、Sult1e1和Sult1a1在中晚期阳气虚证和气阴阳虚证表达也显著下降,进一步提示其雄激素磺和硫酸化作用也显著减弱。
综上所述,昆明种小鼠接种H22肝癌细胞后,肿瘤形成后的不同阶段自发出现邪毒壅盛证、气虚证、阳气虚证、气阴阳虚证等证候,通过对不同证候睾丸组织的基因表达谱检测,发现中晚期阳气虚证和气阴阳虚证小鼠睾丸雄激素合成过程关键酶及其调节因子基因转录明显低于正常对照小鼠,提示雄激素合成酶转录水平下降可能是肿瘤小鼠中晚期阳气虚证和气阴阳虚证的重要特征性变化。
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DifferentialExpressionofAndrogenSynthaseinDifferentSyndromesofH22TumorBearingMice
PAN Zhi-qiang, FANG Zhao-qin△, LU Wen-li, LIU Xiao-mei, LIANG Chao, ZHANG Yuan-yuan
(BasicMedicalSchoolofShanghaiUniversityofTraditionalChineseMedicine,Shanghai, 201203,China)
Objective: To study the relation of androgen synthases genes expression and syndromes in H22 tumor Mice. Methods: By the quantitative four diagnosis and syndrome differentiation methods, different H22 tumor mice with poisonous pathogenic factors syndrome and asthenia of qi syndrome in earlier period, asthenia of yang and qi syndrome on intermediate stage, asthenia of qi and yin and yang syndrome on advanced stage were obtained. Then testis cDNA microarray were detected by GeneChip Mouse Exon 1.0 ST Array. The androgen synthase and its regulatory factor genes expression were analyzed. Results: Compared with normal mice, Star, Stard5, Cyp17a1, Hsd3b6, Hsd17b3 and Sult1e1 genes expression were down-regulated in pathogenic factors syndrome and asthenia of qi syndrome on earlier period, and those genes were more significantly down-regulated in asthenia of yang and qi syndrome, asthenia of qi and yin and yang syndrome. Cyp11a1, Hsd3b1, Hsd17b10, Hsd17b11, Hsd17b12, Fdx1, Fdxr, Por and Sult1a1 genes expression were down-regulated only in asthenia of yang and qi syndrome, asthenia of qi and yin and yang syndrome. And Cyp17a1 specifically expressed only in testis. Conclusion: After the tumorigenesis, androgen synthases genes expression were decreased with spontaneous asthenia syndromes aggravation.
Androgen synthase; Syndrome; Mice; GeneChip; Genes expression
R285.5
B
1006-3250(2017)10-1379-05
上海市科委国际合作资助项目(064307052)-中医药有关肿瘤辨证论治机制的系统生物学研究;上海市进一步加快中医药事业发展三年行动计划(2014~2016年)(ZY3-CCCX-3-3010)-温肾壮阳中药有效成分的类固醇激素样效应比较及其相须配伍的物质基础
潘志强(1977-),男,江西人,教授,医学博士,硕士研究生导师,从事实验中医学教学与中医证候实验研究。
△通讯作者:方肇勤(1955-),男,上海人,医学博士,教授,博士研究生导师,从事实验中医学教学与中医基础实验研究,Tel:021-51322115,E-mail:zqfang@sh163.net。
2017-03-16