【摘要】 【目的】 观察低浓度马血清体外诱导成肌细胞c2c12向成熟肌细胞分化、形成肌管的作用,探索定向诱导肌分化的途径及其分子机制。【方法】 将c2c12成肌细胞用含不同浓度马血清的高糖dmem培养基培养,收集细胞,在相差显微镜下观察形态变化,并通过免疫细胞化学(imminocytochemistry,icc)及rt-pcr方法分别检测肌性相关基因表达的改变。【结果】 ①20 ml/l和50 ml/l的马血清均能促使c2c12细胞形成肌小管,20 ml/l浓度马血清诱导效率最好(第7天时肌小管形成率分别为31.4% ± 2.1%和19.0% ± 1.6%,p < 0.001)。②20 ml/l马血清诱导3~4 d开始有肌管形成,之后肌管越来越多,到8~9 d达高峰(第9天40.2% ± 1.3%),往后细胞逐渐衰老死亡。③20 ml/l马血清诱导c2c12细胞向成熟肌细胞分化过程中,肌相关蛋白分子表达发生变化:结蛋白(desmin)、成肌分化抗原(myod)、生肌素(myogenin)和肌球蛋白(myosin)等表达逐渐增强(未刺激时分别约为49.6% ± 1.1%、23.4% ± 1.1%、4.8% ± 1.6%和2.6% ± 1.5%;第6天时分别提高为80.4% ± 1.8%、85.4% ± 1.1%、22.2% ± 1.1%和26.0% ± 1.6%;p < 0.001);desmin、myod和myogenin相应的mrna分子也可以通过rt-pcr检测到。WwW.133229.coM【结论】 ①低浓度的马血清能够有效刺激c2c12成肌细胞向成熟细胞分化,以20 ml/l浓度效果最好;②c2c12细胞是研究肌细胞发育分化的理想模板;③肌分化发育过程比较复杂,许多因素都可能起影响,研究设计要尽量标准化。
【关键词】 成肌细胞; 肌细胞; 肌管; 定向分化; 基因表达
in vitro inducement of c2c12 myoblasts into differentiation of myotubes
chen yong-le1, zhou guang-qian2, deng yu-bin1, zhi wei2,
xie hui-qi2, deng li2, yang zhi-ming2, wang ya-zhu1
( 1. department of patholophysiology, sun yat-sen medical school, sun yat-sen university, guangzhou 510089, china; 2. institute of stem cells and engineering, huaxi hospital, sichuan university, chengdu 610041, china )
abstract: 【objective】 to observe the role of low concentration horse serum on differentiation inducement of c2c12 myoblasts into mature myocytes and consequent formation of myotubes, exploring a method for committed myogenic differentiation, and its related molecular mechanisms. 【methods】 the c2c12 myoblasts were cultured in high glucose-containing dmem complemented with various concentration horse serum, then harvested and observed under the phase contrast microscope for the alteration of their appearance, and detected for the expression changes of muscle-associated genes by immunocytochemistry and rt-pcr assays respectively. 【results】 (1)both 20 ml/l and 50 ml/l horse serum concentrations were capable of stimulating myotube formation of c2c12 myoblasts, of which the 20 ml/l horse serum had the higher inducing effect (on day 7, the ratios of myotube formation in both groups are 31.4% ± 2.1% and 19.0% ± 1.6%, respectively, p < 0.0001). (2)induced with 20 ml/l horse serum for 3-4 days, myotubes started to form. later on, more and more myotubes appear, and at the peak on 8-9 days (day9, the myotube formation ratio was 40.2% ± 1.3%). after that, the cells gradually got senile and end in death. (3)in the maturation process from c2c12 to myocytes triggered by 20 ml/l horse serum, expression of muscle-related protein molecules changed: expressions of desmin, myod, myogenin, and myosin increased gradually(prior to simulation, their expressions ratios were 49.6% ± 1.1%, 23.4% ± 1.1%, 4.8% ± 1.6%, and 2.6% ± 1.5%, respectively; on day 6, up to 80.4% ± 1.8%, 85.4% ± 1.1%, 22.2% ± 1.1%, and 26.0% ± 1.6%, respectively; p < 0.001), of which the counterpart mrnas of desmin, myod, and myogenin could also be detected by rt-pcr. 【conclusions】 (1)low concentration horse serum is capable of effectively inducing c2c12 myoblats to differentiate into mature myocytes, of which the 20 ml/l horse serum bears the higher effect. (2)c2c12 cells are an optimal model for research on myogenic development and differentiation. (3)the process of muscle development and differentiation is complicated, in which too many factors are involved with. so, the design should be made in a standard way.
key words: myoblast; myocyte; myotube; committed differention; gene expression
诱导肌干细胞(myogenic stem cell)向肌细胞定向分化进行移植是治疗dmd(duchenne蒺s muscular dystrophy)、 心肌梗死以及肌肉先后天缺损等疾病最有希望的方法之一。肌卫星细胞是主要的肌干细胞,是肌再生修复的主要种子细胞。它们存在于成熟肌纤维的浆膜和基膜之间,表达早期肌系特异性因子pax3、pax7和c-met,不表达结蛋白(desmin)、成肌分化抗原(myogenic differentiation antigen, myod)、生肌素(myogenin)和 肌球蛋白(myosin)等肌系中晚期分子。肌卫星细胞也表达cd34分子,经激活不同程度表达desmin、myod、myf-5、myosin 和m-钙黏附分子(m-cadherin)等分子[1-6]。对肌干细胞的肌定向诱导研究仍存在不少问题,主要有机制不清楚、诱导分化率低、分化一致性差、结果不稳定、生成的肌细胞功能缺陷等,故需要进一步研究。c2c12细胞是由c3h小鼠骨骼肌卫星细胞永生化而来的细胞株,因为细胞形态和特性均一,可无限代培养,因此常常被用做肌系细胞发育分化研究的模板[1,6-9]。本研究以c2c12成肌细胞为研究对象,尝试应用不同浓度马血清和牛血清进行体外培养,诱导其向成熟肌细胞分化,并进行定性证明,揭示肌发育分化过程一些肌特征性分子的表达情况,探索向肌细胞定向分化的诱导途径,为临床治疗肌性疾病的应用打下实验基础。
1 材料与方法
1.1 细 胞
小鼠肌卫星细胞株c2c12(为英国贝尔法斯特女王大学肿瘤研究和细胞生物学中心所保存,在含100 ml/l牛血清的高糖dmem培养基中增殖性生长)。
1.2 主要试剂
高糖dmem培养基和马血清(均为gibco公司产品),fbs血清(hyclone公司产品),tne(5 g/l胰酶 + 0.2 g/l edta,四川大学华西临床医院实验中心干细胞与组织工程研究室自配),鼠抗myod抗体、鼠抗myosin抗体、鼠抗myogenin抗体、兔抗pax7抗体、鼠抗desmin抗体(均为sigma公司产品),dab显色试剂盒(购自武汉博士德生物工程有限公司),rt-pcr试剂盒(invitrogen公司产品),trizol和depc(均为sigma公司产品)。
1.3 pcr引物
根据文献报道得到pax7、desmin、myod、myogenin、mrf4(muscle regulatory factor 4,肌调节因子4)和gapd分子的引物序列[10],然后在www.pubmed.blast中验证。引物由上海generay biotech公司合成。
1.4 方 法
1.4.1 c2c12细胞增殖培养 复苏c2c12细胞,用含100 ml/l fbs血清的高糖dmem培养基调节细胞浓度为5 × 103/ml,移入培养瓶中,置37 ℃,体积分数5%co2的孵箱中培养,隔2 d换液,观察细胞形态和生长情况。
1.4.2 c2c12细胞诱导肌分化培养 用tne消化增殖培养达90% ~ 100%融合的c2c12细胞,用含20 ml/l、50 ml/l fbs或20 ml/l、50 ml/l、100 ml/l马血清的高糖dmem培养基调节细胞浓度为5 × 104/ml,置37 ℃,体积分数5%co2的孵箱中培养,观察细胞形态和生长情况,特别注意是否肌管出现。细胞在25 ml的培养瓶培养,每瓶计1个样品,使用时每个样品细胞数达1 × 106~3 × 106。不同浓度组分别设3个复瓶。
1.4.3 gimsa染色并显微镜下观察 和1.4.2步骤一样爬片培养c2c12细胞,按四川大学华西临床医院实验中心干细胞与组织工程研究室方法进行gimsa染色,观察细胞形态和生长情况,特别注意是否肌管出现。
1.4.4 细胞免疫化学检测细胞肌性蛋白分子表达 常规制作经肌分化诱导的c2c12细胞不同时期(经20 ml/l马血清培养d0,d3,d6 3个时间点)的细胞爬片,经40 g/l多聚甲醛固定之后按试剂盒的使用说明行dab免疫细胞化学染色,观察、计算阳性率。细胞在6孔板培养,每个爬片计1个样品,使用时每个样品细胞数达3 × 105 ~ 5 × 105。每个时间点设1个组,分别设3个复孔。
1.4.5 rt-pcr检测细胞肌性mrna分子表达 细胞在25 ml的培养瓶培养,每瓶计1个样品,使用时每个样品细胞数达1 × 106 ~ 3 × 106。20 ml/l马血清诱导的d0和d6分别设1组,每组分别设3个复瓶。
①rna提取及纯化:用trizol溶解c2c12或c2c12经诱导分化的细胞,按常规方法提取纯化rna,57 ℃孵育10 min,取适量上分光光度计测纯度和总量。
②逆转录反应(rt):按括弧内体系加入各成分[总体积25 μl:10×pcr buffer 2.5, mgcl2 5.0, dntp mixture 2.5, rnase inhibiter 0.5, amv reverse transcriptionase xl 0.5, random primer pairs(f+r) 0.5, rna sample 2.5, rnase free h2o 11.0]并混匀,按50 ℃反应50 min,接着转入95 ℃反应2 min,共1个循环进行rt反应得到cdna,保存于4 ℃中待用。
③多聚合酶链反应(pcr):按括弧内体系[总体积25 μl:premix taq 12.5,双蒸水 9.5,primer pairs(f+r) 1.0, cdna 2.0, gadp(内参照)0.6]加入各样本,混匀然后按如下的设定上pcr仪扩增目的基因:95 ℃变性2 min 共1个循环,然后执行(95 ℃变性30 s,接着60 ℃退火45 s,最后72 ℃延伸1 min 30 s)35个循环,接着72 ℃再延伸10 min,结束反应,保存于4 ℃待用。
将rt-pcr终产物上12 g/l琼脂糖凝胶中电泳,电泳结束后在自动成像系统中观察并拍照。
1.4.6 统计学分析 应用spss软件进行两个样品均数比较的t检验分析,检验水准α=0.05。
2 结 果
2.1 c2c12细胞增殖培养
细胞在含10 ml/l的fbs血清的高糖dmem培养基中培养,开始稀疏时细胞形态呈梭状,均一。细胞生长较快,3 ~ 4 d基本达完全融合。随着密度增加,细胞相互挤压,形态由梭状逐渐变长变细,呈纤维状,最后慢慢衰老死亡。包括gimsa染色,整个过程极少见细胞融合,没有肌小管出现(图1a - d)。减少培养基中fbs浓度,由100 ml/l降为50 ml/l甚至是20 ml/l,细胞生长进一步减慢,但形态保持不变。
2.2 c2c12细胞诱导肌分化培养
c2c12肌前体细胞在含20 ml/l浓度马血清的高糖dmem中培养,约3 ~ 4 d后显微镜下开始观察到细胞的融合出现,发现肌管形成,随着时间推移,细胞密度变大变长,细胞融合越来越多,可以见到许多有两个核以上象串珠似的肌管出现(图2a - e),到第8~9天达高峰(第9天为 40.2% ± 1.3%),之后细胞逐渐衰老死亡。50 ml/l马血清也有同样肌分化诱导作用,但速度要慢2 ~ 3 d,效果也明显低于20 ml/l浓度(第7天时肌小管形成率分别为:31.4% ± 2.1%和19.0% ± 1.6%,p < 0.001)。100 ml/l马血清没有观察到肌诱导分化作用。
2.3 c2c12肌前体细胞向肌细胞分化过程肌相关蛋白分子表达
免疫细胞化学检测发现,c2c12细胞未经20 ml/l马血清刺激(d0)时desmin和myod表达较高阳性率(分别约为:49.6% ± 1.1%、23.4% ± 1.1%。图3a,b),而myogenin和myosin虽表达,但表达率很低(分别约为:4.8% ± 1.6%和2.6% ± 1.5%,图3 c,d)。20 ml/l马血清刺激一段时间后,经20 ml/l马血清刺激6 d,desmin、myod、myogenin和myosin表达都有明显提高(表达阳性率分别约为:80.4% ± 1.8%,85.4% ± 1.1%,22.2% ± 1.1%,26.0% ± 1.6%; p < 0.001。图4a-d)。
2.4 c2c12肌前体细胞向肌细胞分化过程肌相关mrna分子表达
进行rt-pcr首先要得到优质的总rna,本实验抽提到的rna产物a260/280比值都在1.6到2.2之间,并获得了较高的量。做rt-pcr检测,未经诱导的c2c12细胞desmiin、myod和myogenin表达,desmin和myod有一定程度表达,myogenin表达很微弱,其余(pax7、和mfr4)均未检测到mrna表达。细胞经过含20 ml/l的马血清的高糖dmem 6 d培养,发现desmin和myod表达最强,myogenin仍保持微弱表达,而pax7和mfr4仍然未检测到mrna表达(图5)。
3 讨 论
在肌卫星细胞向肌细胞发育分化过程中,细胞出现融合,形成肌管、肌纤维,甚至可见肌细胞的搏动[11]。相应地,一些肌性标志性分子表达发生变化。早期的分子表达有pax3,six1,six4等,pax7,c-met接着出现,跟着的是myod,myogenin,dystrophin,desmin等,myf6,mrf,myosin和β-actin在分化终末期出现[11,12]。
3.1 低浓度血清刺激c2c12细胞向成熟肌细胞分化
低浓度血清能够刺激肌干细胞向成熟肌细胞分化[13,14]。我们只观察到低浓度马血清有刺激c2c12肌分化作用,低浓度fbs没有该效能。无血清培养下,细胞生长缓慢,细胞密集时也可见数量有限的肌小管融合形成。马血清中可能含有某种有利于启动肌前体细胞向成熟肌细胞分化的因子,低浓度血清本身能刺激血清反应因子(srfs)产生,因此低浓度马血清能有效诱导肌干细胞沿肌系下游分化。但是yoshiko y等[15]发现,高浓度血清也有诱导c2c12的肌分化作用,高峰值更高,只是作用出现延迟。理由是,高浓度血清刺激c2c12自分泌和旁分泌igf因子,刺激肌分化更甚于血清的有丝分裂原的分化抑制作用。分析我们用低浓度fbs诱导c2c12肌分化失败的原因,可能也是延迟出现而已,只是我们没观察到。这也说明,肌分化诱导结果受许多因素影响,实验设计要尽量标准化。
本实验观察到,永生化的肌卫星细胞c2c12在100 ml/l牛血清的高糖dmem中没有形态的改变,经低浓度马血清诱导后可*、稳定地向成熟肌细胞分化,形成肌管,但没有肌纤维,未见肌细胞搏动。相反,原代肌细胞在含100 ml/l牛血清的低糖dmem培养基中培养两周左右会出现肌纤维和肌细胞搏动。原因可能是肌原代细胞中含有肌分化更晚的早期细胞,容易在体外培养被激发,形态和功能也能够保持。而c2c12可能处于更早阶段,20 ml/l马血清只能在形态而不能在功能诱导上起作用。
3.2 与低浓度血清诱导c2c12向肌管分化相关的一些肌调节因子表达
文献报道[5,16],未经刺激的c2c12有少量desmin、myod和myogenin表达,刺激后表达明显增加。本实验中,增殖培养下,c2c12成肌细胞表达一定量的desmin、myod和少量的myogenin。分化诱导培养后,desmin和myod表达明显上调,但myogenin还保持少量水平。pax7和mrf4,不管在蛋白水平还是mrna水平都未检测到表达,这与文献报道不一致[12,17],可能是受某些影响的结果。pax7是转录子,在增殖和静止的肌卫星细胞(包括c2c12)均有表达。它在肌转化作用中作用较弱,因此,估计可能是pax7分子表达低的缘故,可能与检测不够灵敏也有关。另外原因可能因为pax7只在比c2c12更早阶段的肌干细胞表达[3,12,17]。te pas mf等[18]用激素刺激c2c12,发现对细胞增殖和分化均有抑制;但是对myod、myf5和mrf4表达水平都起上调作用,而对myogenin均起下调作用。与其它文献报道不一致,因为myogenin在myod等下游,myod高则myogenin高[5]。结合我们研究,说明细胞分化受许多方面影响,如细胞种类、发育时期、受刺激的方向等[19]。
肌干细胞体外发育分化受刺激因素、干细胞本身所处阶段等多因素影响,因此,诱导分化的路径、分化过程相伴随的分子的表达以及细胞形态功能等生物学特征差别较大,有许多方面需进一步探明。想获得高效、稳定、均一的成熟肌细胞用于研究或临床治疗必须尽可能选用高效途径,公式化作用模式,排除干扰因素。
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