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编号:10267223
电离辐射诱导小鼠胸腺细胞G1期阻滞的分子调控初探
http://www.100md.com 《中华放射医学与防护杂志》 1999年第4期
     作者:鞠桂芝 傅海青 苏旭 傅士波 刘树铮

    单位:130021 长春,白求恩医科大学卫生部放射生物学重点实验室

    关键词:电离辐射;G1期阻滞;分子调控

    中华放射医学与防护杂志/990415

    【摘要】 目的 研究电离辐射诱导小鼠胸腺细胞G1期阻滞的分子通路。方法 PI染色,流式细胞术检测细胞周期。单克隆抗体免疫荧光标记,流式细胞术检测蛋白表达。结果 0.5、1.0及2.0 Gy X射线全身照射后12小时及2.0 Gy照射后24小时小鼠胸腺细胞G1期细胞数明显增高。2.0 Gy照射后p53蛋白表达在照射后1~8小时明显增高;p21蛋白表达在照射后4~48小时明显增高;MDM2蛋白表达在照射后4小时及8小时明显增高;而GADD45蛋白表达未见明显变化。结论 0.5~2.0 Gy X射线全身照射可诱导小鼠胸腺细胞G1期阻滞。其分子通路主要是p53-p21通路。
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    Molecular pathway of G1 arrest of thymocytes induced by ionizing radiation

    JU Guizhi,FU Haiqing,SU Xu,et al.

    MH Radiobiology Research Unit,Norman Bethune University of Medical Sciences,Changchun 130021,China.

    【Abstract】 Objective To investigate the molecular pathway of G1 arrest of thymocytes induced by ionizing radiation. Methods Flow cytometry (FCM) was used to analyze cell cycle stained with propidium iodide (PI).And FCM was also used to analyze protein expression of thymocytes for their immunofluorescence stained with monoclonal antibodies. Results It was found that G1 phase cells of thymocytes increased significantly 12 h after whole body irradiation (WBI) with doses of 0.5,1.0 and 2.0 Gy,and 24 h following 2 Gy WBI in mice.The results also showed the increases of p53+ cells of thymocytes at 1 h to 8 h,p21+ cells at 4 h to 48 h,and MDM2+ cells at 4 h and 8 h after 2 Gy WBI in mice.But no change was found in GADD45+ cells. Conclusion G1 arrest could be induced by single WBI with 0.5 Gy to 2.0 Gy X-rays,and its molecular control might be established through the p53-p21 pathway.
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    【Key words】 Ionizing radiation G1 arrest Pathway

    电离辐射对细胞周期进程的影响是放射生物学研究的热点课题。其中,辐射诱导细胞G1期阻滞倍受研究者们关注。其原因是G1期阻滞与DNA损伤修复、细胞凋亡及细胞的放射敏感性密切相关[1-3]。近年来,随着分子生物学的发展,对电离辐射诱导细胞G1期阻滞机制的研究已深入到分子水平。但对其分子调控通路尚有争论。况且,国外多数研究限于离体照射的肿瘤细胞,对整体照射条件下,辐射对体细胞影响的研究报道甚少。国内有关方面研究刚刚起步。本文作者观察了X射线全身照射诱导小鼠胸腺细胞G1期阻滞及分子调控,以探讨电离辐射诱导胸腺细胞G1期阻滞的分子通路。为放射生物学研究提供新的资料。

    材料和方法

    1.动物:本校实验动物部饲养繁殖的昆明系小白鼠,雄性,体重(20±2)g,随机分组。
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    2.主要试剂:PI(propidium iodide,碘化丙啶,Sigma,美国)。第一抗体:p53单克隆抗体(mouse anti-p53,Neomarker,美国);p21多克隆抗体(rabbit anti-p21 Santa Cruz,美国 );GADD45多克隆抗体(rabbit anti-GADD45 Santa Cruz,美国);MDM2单克隆抗体(mouse anti-MDM2 Santa Cruz,美国)。第二抗体:羊抗鼠IgG-FITC(goat anti-mouse IgG-FITC,Jackson,美国);羊抗兔IgG-FITC(goat anti-rabbit IgG-FITC,Jackson,美国)。

    3.照射条件:Philips深部X射线治疗机,电压200 kV,电流10 mA,滤板0.5 mmCu,1.0 mmAl。单次全身照射,吸收剂量为0.5、1.0、2.0、4.0及6.0 Gy。吸收剂量率0.287 Gy/min,靶皮距50 cm。同时设假照射对照组。
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    4.细胞周期及蛋白测定:采用PI染色,FACScan流式细胞仪(美国BD公司)进行细胞周期测定[4]。用Cellfit软件收取细胞(每份样品收取10 000个细胞),并分析细胞周期。结果以细胞周期各时相细胞百分比表示。荧光标记,FACScan流式细胞仪检测各种蛋白表达的变化。将75%冷乙醇中固定的胸腺单细胞悬液(1×106个细胞)用PBS洗涤2次,除去乙醇,每份样品加入第一抗体50 μl,(1∶100稀释),4℃反应45分钟,PBS洗涤2次,加第二抗体50 μl(1∶100稀释),4℃反应45分钟,PBS洗涤2次,加PBS 500 μl,进行流式细胞仪检测。每一样品均设非特异对照,即用PBS代替第一抗体,其余步骤同上。用FACScan软件收集细胞,Lysis软件分析处理数据,记录阳性细胞百分率,减去非特异对照值。得出特异阳性细胞百分比。抗体均为用前新配制。

    5.统计学处理:采用Student's t检验方法进行统计学处理。

    结果
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    1.X射线全身照射诱导小鼠胸腺细胞G1期阻滞

    采用PI染色,流式细胞术检测细胞周期,观察0.5、1.0、2.0、4.0及6.0 Gy X射线全身照射后小鼠胸腺细胞周期的变化。发现0.5、1.0、2.0及4.0 Gy X射线全身照射后12小时,G1期细胞百分数明显高于假照射组,其中0.5、1.0及2.0 Gy组结果有统计学意义(分别P<0.01,P<0.01及P<0.05)。1.0 Gy及2.0 Gy照射后24小时G1期细胞百分数亦高于对照组,其中2.0 Gy组结果有统计学意义(P<0.05),见表1。

    表1 小鼠经X射线全身照射后胸腺G1期细胞的变化(±s)

    吸收剂量(Gy)

    G1期细胞百分比(%)
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    12 h

    24 h

    0.0

    82.39±4.06

    82.55±1.92

    0.5

    89.80±1.80**

    80.00±1.10

    1.0

    89.59±2.18**

    84.78±1.16

    2.0
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    86.91±3.17*

    85.20±0.39*

    4.0

    84.17±1.36

    73.15±2.84

    6.0

    80.95±3.70

    77.25±2.78

    注:n=7(12 h),n=4(24 h);与0 Gy组相比*P<0.05,**P<0.01

    以上结果表明,2.0 Gy X射线全身照射能诱导小鼠胸腺细胞G1期阻滞。在此研究的基础上,进一步观察了2.0 Gy照射后,与G1期阻滞相关的4种蛋白表达的变化。
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    2.X射线全身照射后小鼠胸腺p53,p21,GADD45及MDM2蛋白表达的变化

    采用单克隆抗体免疫荧光标记,流式细胞术检测,观察2.0 Gy X射线照射后1、2、4、8、12、16、24及48小时,小鼠胸腺细胞4种蛋白表达的变化。结果表明,2.0 Gy照射后胸腺细胞p53蛋白表达从照射后1小时开始明显增高,持续至照射后8小时(P<0.05~P<0.01);p21蛋白表达在照射后4小时开始明显增高,持续至照射后48小时(P<0.05至P<0.01);GADD45蛋白表达在照射后1~24小时内未见明显变化;MDM2蛋白表达在照射后4和8小时均明显增高(分别P<0.05),见表2。

    表2 小鼠经2.0 Gy X射线全身照射后胸腺细胞4种蛋白表达变化(±s)

    照射后时间(h)
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    阳性细胞百分数(%)

    p53

    p21

    GADD45

    MDM2

    0

    9.02±4.24

    22.50±15.79

    30.76±6.59

    18.51±1.67

    1

    16.41±4.96*
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    27.04±3.20

    30.83±7.94

    21.60±6.01

    2

    17.22±4.06*

    25.49±5.60

    25.50±10.63

    21.48±3.16

    4

    14.85±4.43*

    31.64±5.33*

    31.17±7.20
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    25.90±5.84*

    8

    17.50±2.27**

    23.51±8.41

    32.04±3.62

    23.42±4.93*

    12

    17.54±9.42

    35.46±8.80*

    25.13±6.65

    23.67±7.20

    16
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    14.38±5.83

    36.03±6.91**

    29.86±6.92

    17.49±4.10

    24

    14.58±5.11

    34.74±6.17**

    26.39±9.76

    11.23±5.29

    48

    11.72±3.84

    37.67±4.82**
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    —

    —

    注:n=6,与假照射组相比较*P<0.05,**P<0.01

    讨论

    早在1968年Little等就报道了X射线照射能引起细胞周期G1期阻滞[5]。此后的20多年间对辐射诱导G1期阻滞的分子基础一直无彻底了解,直到1991年Kastan等发现,γ射线诱导G1期阻滞伴有p53蛋白的堆积[6]。从此,细胞周期调控的研究进入了分子时代。近年来,已经了解到在细胞周期进程中有3个检查点(checkpoints):即G1→S、S→G2、G2→M的过渡。在这3个检查点上基因及其蛋白产物调控着细胞周期进程。其中G1检查点的调控在放射生物学研究中倍受重视。目前多数报道认为哺乳动物细胞中的野生型p53蛋白在G1→S过渡中起关键作用[7]。电离辐射作为物理性DNA损伤因子可激活p53基因,其蛋白产物p53蛋白作为转录因子(transcription factor)调控其下游基因的转录及表达[8]。p21蛋白为WAF1/CIP1基因(p53下游基因)的蛋白产物,是周期素依赖性蛋白激酶抑制剂,能抑制G1→S过渡中周期素E/蛋白激酶2复合物的形成。p21蛋白的表达能抑制G1→S过渡,因而在辐射诱导G1期阻滞的发生中起重要作用。GADD45蛋白是GADD45基因(p53下游基因)的蛋白产物,GADD45蛋白可与增殖细胞核抗原(PCNA)结合,抑制DNA合成,阻止细胞进入S期。因此认为GADD45蛋白在调控G1→S过渡中亦发挥重要作用。MDM2蛋白是MDM2基因(p53下游基因)的蛋白产物,MDM2蛋白通过蛋白与蛋白间的相互作用结合到p53蛋白的氨基末端,从而阻止p53蛋白转录激活功能,对p53蛋白调控的G1期阻滞形成负反馈。因此认为MDM2蛋白的正常功能是限制G1期阻滞的时间,使DNA损伤修复后的细胞重新进入细胞周期。
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    本实验证实,2.0 Gy X射线全身照射后12及24小时,小鼠胸腺细胞发生明显的G1期阻滞。同时观察到p53蛋白表达在照射后1小时开始明显增高,随之p21蛋白从照射后4小时开始显著增高,以上两种蛋白的表达与胸腺细胞G1期阻滞的变化在时间上密切相关。提示,p21蛋白的表达在X射线全身照射诱导胸腺细胞G1期阻滞中起重要作用。同时发现,MDM2蛋白表达在照射后4和8小时显著增高,负反馈抑制p53蛋白的作用,从而限制G1期阻滞的时间。然而,本实验未见GADD45蛋白表达有明显变化。提示,在X射线诱导小鼠胸腺细胞G1期阻滞的发生中,可能主要通过p53-p21通路,而p53-GADD45通路不起主要作用。

    Bae等报道,γ射线离体照射诱导Burkitt's淋巴瘤细胞系WMN,以及成淋巴样细胞系FWL细胞G1期阻滞的分子通路为p53-p21及p53-GADD45两条通路[9]。而对大多数人黑色素瘤系G1期阻滞而言,则只存在p53-p21通路[10]。本实验结果证实,X射线全身照射诱导胸腺细胞G1期阻滞的分子调控通路主要为p53-p21通路。
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    本课题受国家自然科学基金资助(项目号:39770193)

    参考文献

    1 Weinert TA.Dual cell cycle checkpoint sensitive to chromosome replication and DNA damage in budding yeast saccharomyces cerevisiac.Radiat Res,1992,132:141-143.

    2 O'Connor PM,Jackman J,Jondle D,et al.Role of the p53 tumor suppressor gene in cell cycle arrest and radio-sensitivity of Burkitt's lymphoma cell lines.Cancer Res,1993,53:4776-4780.
, 百拇医药
    3 Siles E,Villalobos M,Valenzuela MT,et al.Relationship between p53 status and radiosensitivity in human tumor cell lines.Br J Cancer,1996,73:581-588.

    4 苏旭,张迎春,刘树铮.电离辐射对胸腺细胞周期进程的影响.白求恩医科大学学报,1996,22:580-582.

    5 Little JB.Delayed initiation of DNA synthesis in irradiated human diploid cells.Nature,1968,218:1064-1065.

    6 Kastan MB,Onyekwere O,Sidransky D,et al.Participation of p53 protein in the cellular response to DNA damage.Cancer Res,1991,51:6304-6311.
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    7 Gadbois DM,Crissman HA,Nastasi A,et al.Alterations in progression of cells through the cell cycle after exposure to α-particles or γ-rays.Radiat Res,1996,146:414-424.

    8 Chin PL,Momand J,Pfeifer GP.In vivo evident for binding of p53 to consensus binding sites in the p21 and GADD45 genes in response to ionizing radiation.Oncogene,1977,15:87-99.

    9 Bae I,Fan S,Bhatia K,et al.Relationship between G1 arrest and stability of the p53 and p21 cip1/waf1 protein following γ-irrdiation of human lymphoma cells.Cancer Res,1995,55:2387-2393.

    10 Bae I,Smith MS,Zhan Q,et al.An abnormality in the p53 pathway following γ-irradiation in many wild-type p53 human melanoma lines.Cancer Res,1996,56:840-847.

    (收稿:1998-11-01 修回:1998-12-26), 百拇医药