楊翠平,何 園,劉慧瑩,張 硌,周晨辰,米志強(qiáng),查玉華,柏長(zhǎng)青
(1.解放軍醫(yī)學(xué)院,北京 100039;中國人民解放軍總醫(yī)院第五醫(yī)學(xué)中心南院區(qū) 2.呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科,3.醫(yī)學(xué)工程科,北京 100071;4.軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院微生物流行病研究所,病原微生物生物安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100071)
轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β(transforming growth factor-β, TGF-β)是一個(gè)由多種分泌型多肽信號(hào)分子組成的細(xì)胞因子超家族,調(diào)節(jié)機(jī)體的多種生物學(xué)功能。Smad蛋白在TGF-β的胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中起關(guān)鍵作用,是目前發(fā)現(xiàn)的唯一一個(gè)TGF-β受體胞內(nèi)激酶底物,可將TGF-β信號(hào)由細(xì)胞膜外直接轉(zhuǎn)導(dǎo)入細(xì)胞核,TGF-β/Smad信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路在生物體的胚胎發(fā)育、成體組織再生及內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)中均發(fā)揮重要作用[1]。Smad 蛋白是TGF-βⅠ型受體(TGF-β receptorⅠ,TβR-Ⅰ)的直接作用底物,從結(jié)構(gòu)和功能上主要分為3個(gè)亞型:① 受體調(diào)節(jié)型Smad(receptor-activated Smad,R-Smad),包含5個(gè)成員:Smad 1,2,3,5和8;② 共同通路型Smad,哺乳動(dòng)物中只有Smad 4,與其他Smad的同源性較低,參與所有TGF-β超家族的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),C端功能域無磷酸化位點(diǎn),不與受體直接作用,與R-Smad形成穩(wěn)定的異源多聚體進(jìn)入細(xì)胞核;③抑制型Smad,包含Smad 6和7,通過阻斷R-Smad磷酸化,對(duì)TGF-β信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路發(fā)揮負(fù)調(diào)控作用[2]。TGF-β/Smad信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中各型Smad分子之間的作用精密協(xié)調(diào),共同完成生理及病理狀態(tài)下TGF-β的生物學(xué)效應(yīng)[2]。研究TGF-β/Smad信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的具體作用機(jī)制對(duì)闡明肺纖維化等疾病發(fā)生機(jī)制及篩選藥物治療靶點(diǎn)十分重要,亦有助于進(jìn)一步探索Smad蛋白在多細(xì)胞生物體結(jié)構(gòu)的發(fā)育和維持中發(fā)揮的調(diào)節(jié)作用[3]。
紅色熒光蛋白mCherry和熒光素酶報(bào)告基因載體具有操作簡(jiǎn)便、易于觀察、靈敏度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。本研究構(gòu)建一種以Smad響應(yīng)元件(Smad response elements,Smad RE)作為轉(zhuǎn)錄調(diào)控順式元件、以GalVP64為放大調(diào)控因子、以mCherry或熒光素酶為報(bào)告基因的表達(dá)載體,并進(jìn)一步構(gòu)建由TGF-β誘導(dǎo)表達(dá)mCherry或熒光素酶的人非小細(xì)胞肺癌A549細(xì)胞系,通過觀察mCherry或熒光素酶的表達(dá)篩選TGF-β/Smad信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路相關(guān)抑制劑。
A549細(xì)胞(人非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞系)和293FT(人腎上皮細(xì)胞系)及慢病毒質(zhì)粒載體pCDH-GFPPuro-noCMV由本實(shí)驗(yàn)室保存;UAS-Smad REPmin-Gal4VP64-mCherry和UAS-Smad REPmin-Gal4VP64-luciferase報(bào)告基因序列由通用生物系統(tǒng)(安徽)有限公司合成,報(bào)告基因序列中的Smad RE參照Dennler等[4]設(shè)計(jì),序列為:5′-TCGAGAGCCAGACAAAAAGCCAGACATTTAGCCAGACAAAAAGCCAGACATTTAGCCAGACAAAAAGCCAGACATTTAGCCAGACAAAAAGCCAGACATTTAGCCAGACAC-3′;EcoRⅠ和BamHⅠ限制性核酸內(nèi)切酶、DNA聚合酶、PCR反應(yīng)試劑及3.1NEB緩沖液(美國NEB公司);感受態(tài)細(xì)菌DH5α、質(zhì)粒提取試劑盒及DNA電泳凝膠回收試劑盒〔天根科技生化(北京)有限公司〕;脂質(zhì)體lipofectamine 2000(美國Invitrogen公司);胎牛血清和DMEM高糖培養(yǎng)基(美國Gibco公司);TGF-β受體拮抗劑LY2109761和SB431542、兔抗人Smad2/3和磷酸化Smad2/3(phospho-Smad2/3,p-Smad2/3)多克隆抗體(美國Cell Signaling Technology公司);小鼠抗人GAPDH單克隆抗體(美國Santa Cruz Biotechnology);辣根過氧化物酶標(biāo)記羊抗小鼠IgG和羊抗兔IgG多克隆抗體(二抗)(美國Jackson公司);RIPA裂解液和PMSF蛋白酶抑制劑(北京索萊寶科技有限公司);ECL發(fā)光試劑盒和重組人TGF-β(美國Thermo Fisher Scientific公司);熒光素酶檢測(cè)試劑盒(美國Promega公司);其他試劑均為國產(chǎn)分析純。
首先用限制性核酸內(nèi)切酶EcoRⅠ和BamHⅠ分別酶切pCDH-GFP-Puro-noCMV慢病毒質(zhì)粒載體及UAS-Smad RE-Pmin-Gal4VP64-mCherry和UAS-Smad RE-Pmin-Gal4VP64-luciferase報(bào)告基因序列,使它們線性化后通過T4 DNA連接酶將該載體分別與UAS-Smad RE-Pmin-Gal4VP64-mCherry和UAS-Smad RE-Pmin-Gal4VP64-luciferase報(bào)告基因序列連接(圖1),分別獲得由TGF-β誘導(dǎo)的含有Smad RE和mCherry或熒光素酶報(bào)告基因序列的重組慢病毒質(zhì)粒載體,分別命名為pCDH-USPG-mCherry和pCDH-USPG-luciferase。將該2個(gè)重組慢病毒質(zhì)粒分別轉(zhuǎn)化至大腸桿菌DH5α感受態(tài)細(xì)胞擴(kuò)增,隨后挑取單克隆、酶切和測(cè)序,鑒定重組慢病毒質(zhì)粒pCDH-USPG-mCherry和pCDH-USPG-luciferase是否構(gòu)建成功。
Fig.1 Schematic diagrams of construction of recombinant lentiviral plasmid vectors—pCDH-USPG-mCherry and pCDH-USPG-luciferase recombinant lentiviral plasmids induced by transforming growth factor- β(TGF- β),which contained Smad response elements(Smad RE)and mCherry(red fluorescent protein)or luciferase sequences,respectively.
取對(duì)數(shù)期生長(zhǎng)狀態(tài)良好的293FT細(xì)胞,接種于60 mm×15 mm皿中,37℃,5% CO2培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng),當(dāng)細(xì)胞匯合度達(dá)到60%~70%時(shí)開始轉(zhuǎn)染。1個(gè)目標(biāo)質(zhì)粒:pCDH-USPG-mCherry或pCDH-USPG-luciferase,4 μg;2個(gè)輔助質(zhì)粒:pMD2G 1 μg,psPAX2 3 μg。首先用Opti-MEM 100 μL分別稀釋2個(gè)輔助質(zhì)粒和1個(gè)目標(biāo)質(zhì)粒,輕輕吹吸3~5次混勻;其次用Opti-MEM 100 μL 稀釋 16 μL LipofectamineTM2000,輕輕吹吸3~5次混勻,室溫下靜置5 min;隨后混合轉(zhuǎn)染試劑和質(zhì)粒DNA稀釋液,輕輕吹吸3~5次混勻,室溫下靜置20 min;最后將轉(zhuǎn)染復(fù)合物加入到293FT細(xì)胞培養(yǎng)皿中,前后輕搖培養(yǎng)皿混合均勻。轉(zhuǎn)染6 h后更換新鮮培養(yǎng)基,48 h后收集細(xì)胞上清液1次;加入新鮮培養(yǎng)基繼續(xù)培養(yǎng),72 h后再次收集細(xì)胞上清液。將2次收集的上清液合并,300×g離心5 min去除殘余細(xì)胞。用0.22 μm的濾器過濾后,4000×g離心 20 min得到病毒濃縮液約 200 μL,-20℃保存?zhèn)溆谩?/p>
以每孔3×104~5×104A549細(xì)胞接種于6孔培養(yǎng)板,待細(xì)胞生長(zhǎng)至對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期且狀態(tài)良好時(shí),加入濃縮后的pCDH-USPG-mCherry或pCDH-USPG-luciferase病毒液50 μL。感染后約72 h,在450 nm激發(fā)光照射下,利用倒置熒光顯微鏡觀察A549細(xì)胞是否表達(dá)綠色熒光蛋白(green fluorescent protein,GFP)。隨后加入嘌呤霉素5 mg·L-1篩選感染成功的細(xì)胞。24 h后更換新鮮培養(yǎng)基,未成功感染的細(xì)胞被嘌呤霉素殺死,感染成功的細(xì)胞完好,并表達(dá)GFP。感染成功的細(xì)胞分別命名為USPG-mCherry A549和USPG-luciferase A549細(xì)胞,擴(kuò)大培養(yǎng)后備用。
取穩(wěn)定感染的USPG-mCherry A549細(xì)胞加入24孔板,在37℃,5% CO2及飽和濕度條件下培養(yǎng),待細(xì)胞匯合度達(dá)約80%時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分為細(xì)胞對(duì)照、TGF-β(終濃度 10 μg·L-1)、LY2109761(終濃度5 μmol· L-1)、SB431542(終 濃 度 10 μmol· L-1)、LY2109761+TGF-β和SB431542+TGF-β組,其中LY2109761+TGF-β和SB431542+TGF-β組先分別加入 LY2109761(終濃度 5 μmol·L-1)和 SB431542(終濃度10 μmol·L-1)預(yù)孵育1 h,然后加入TGF-β(終濃度10 μg·L-1)。各組繼續(xù)培養(yǎng)24 h后,通過倒置熒光顯微鏡觀察各組細(xì)胞mCherry的表達(dá)。
取穩(wěn)定感染的USPG-luciferase A549細(xì)胞加入24孔板中,在37℃,5% CO2及飽和濕度條件下培養(yǎng),待細(xì)胞匯合度達(dá)約80%時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分為細(xì)胞對(duì)照、TGF-β(終濃度 10 和 50 μg·L-1)、LY2109761(終濃度 5 μmol·L-1)+TGF-β(終濃度10 μg·L-1)和 SB431542(終濃度 10 μmol·L-1)+TGF-β(終濃度 10 μg·L-1)組,其中 LY2109761+TGF-β和SB431542+TGF-β組先加入LY2109761和SB431542孵育1 h,然后加入TGF-β。各組繼續(xù)培養(yǎng)24 h后裂解細(xì)胞,使用Tanon 5200化學(xué)發(fā)光成像分析系統(tǒng)拍攝熒光圖像,并利用熒光素酶檢測(cè)試劑盒檢測(cè)熒光素酶的表達(dá)。
將A549細(xì)胞接種于24孔培養(yǎng)板中,在37℃,5% CO2及飽和濕度條件下培養(yǎng),待細(xì)胞匯合度達(dá)約80%時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分為細(xì)胞對(duì)照、TGF-β(終濃度 1,5 和 10 μg·L-1)、LY2109761(終濃度5 μmol·L-1)、SB431542(終 濃 度 10 μmol·L-1)、LY2109761(終濃度 5 μmol·L-1)+TGF-β(終濃度為 1,5和10 μg·L-1)和 SB431542(終濃度10 μmol·L-1)+TGF-β(終濃度為1,5和10 μg·L-1)組。① 細(xì)胞對(duì)照組用DMEM培養(yǎng)基培養(yǎng);②LY2109761+TGF-β和SB431542+TGF-β組先加入LY2109761和SB431542孵育0.5 h,然后加入TGF-β。各組繼續(xù)培養(yǎng)1.0 h后去除細(xì)胞培養(yǎng)基,用預(yù)冷的PBS洗2次,加入RIPA裂解液(RIPA裂解液中加入10%的PMSF,現(xiàn)用現(xiàn)配)裂解細(xì)胞;然后加入等體積2×蛋白上樣緩沖液,于98℃水浴鍋中15 min,使細(xì)胞充分裂解;6400×g離心2 min,上清用BCA法進(jìn)行蛋白質(zhì)定量后制成上樣液。各樣品取等量蛋白質(zhì)上樣,SDS-PAGE電泳分離蛋白,隨后電轉(zhuǎn)移至NC膜。5%的脫脂牛奶室溫封閉1 h,與1∶1000稀釋的一抗工作液4℃孵育過夜。TBST洗膜3次,每次10 min。加入1∶1000稀釋的二抗工作液搖床上室溫孵育1 h;TBST洗3次,每次10 min。加入ECL顯色液置Tanon 5200化學(xué)發(fā)光成像分析系統(tǒng)顯影,參考蛋白質(zhì)分子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)觀察是否有p-Smad2/3蛋白表達(dá)。
構(gòu)建的重組慢病毒質(zhì)粒pCDH-USPG-mCherry和pCDH-USPG-luciferase經(jīng)EcoRⅠ與BamHⅠ雙酶切后經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳分離,隨后用凝膠成像分析儀觀察。如圖2所示,pCDH-USPG-mCherry酶切后,可見一條約1690 bp的條帶,大小與UASSmad RE-Pmin-Gal4VP64-mCherry序列一致;pCDH-USPG-luciferase酶切后,可見一條約1772 bp的條帶,大小與UAS-Smad RE-Pmin-Gal4VP64-luciferase序列一致。選取酶切正確的單克隆菌落進(jìn)行測(cè)序分析,測(cè)序結(jié)果顯示與上述序列一致,表明重組慢病毒質(zhì)粒載體pCDH-USPG-mCherry和pCDH-USPG-luciferase構(gòu)建成功。
Fig.2 ldentification of recombinant lentiviral plasmid vectors pCDH-USPG-mCherry and pCDH-USPG-luciferase.A:pCDH-USPG-mCherry vector identification by EcoR Ⅰand BamHⅠenzymes digestion;lane 1:PCR product;lane 2:pCDH-USPG-mCherry enzymes digestion product.B:pCDHUSPG-luciferase vector identification by EcoRⅠand BamHⅠenzymes digestion;lane 1:PCR product;lane 2:pCDH-USPG-luciferase enzyme digestion product.
用濃縮的含pCDH-USPG-mCherry或pCDHUSPG-luciferase的病毒液感染A549細(xì)胞,72 h后用倒置熒光顯微鏡在488 nm激發(fā)光照射下可觀察到被感染的A549細(xì)胞表達(dá)GFP(圖3),表明A549細(xì)胞被感染成功,分別命名為USPG-mCherry A549和USPG-luciferase A549細(xì)胞。
Fig.3 ldentification of USPG-mCherry A549 and USPG-luciferase A549 transfected cells(×100).A549 cells were infected with concentrated virus fluids containing pCDH-USPG-mCherry or pCDH-USPG-luciferase(namely USPG-mCherry A549 and USPG-luciferase A549 cells,respectively).The expressions of green fluorescent protein in USPG-mCherry A549 cells and USPG-luciferase A549 were observed under excitation light at 488 nm under an inverted fluorescence microscope.
如圖4所示,USPG-mCherry A549細(xì)胞對(duì)照組及單獨(dú)加入LY2109761或SB431542組未檢測(cè)到mCherry的表達(dá);TGF-β組mCherry的表達(dá)較細(xì)胞對(duì)照組明顯增強(qiáng),分別加入LY2109761和SB43154后mCherry的表達(dá)較TGF-β組明顯減弱。上述結(jié)果表明,受Smad調(diào)控表達(dá)mCherry的USPG-mCherry A549細(xì)胞可用于篩選TGF-β/Smad信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路抑制劑。
如圖5所示,USPG-luciferase A549細(xì)胞對(duì)照組熒光素酶的表達(dá)在基線水平,幾乎不表達(dá);與細(xì)胞對(duì)照組相比,加入TGF-β(10和50 μg·L-1)刺激后熒光素酶表達(dá)明顯升高,分別為細(xì)胞對(duì)照組的3.55和 3.76 倍;而 LY2109761+TGF-β(10 μg·L-1)和SB431542+TGF-β(10 μg·L-1)組熒光素酶表達(dá)較 TGF-β(10 μg·L-1)組又明顯減弱,僅為 TGF-β(10 μg·L-1)組的約1/3。上述結(jié)果表明,受Smad調(diào)控表達(dá)熒光素酶的USPG-luciferase A549細(xì)胞可用于篩選TGF-β/Smad信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路抑制劑。
Fig.5 Effect of TGF- β and its receptor antagonists on luciferase expression of USPG-luciferase A549 cells detected by luciferase detection kit.See Fig.4 for the cell treatment.A:pseudo-color image of cell luminescence imaging;B:luminescence imaging of cells;C:the relative expression level of luciferase was normalized by the cell control group.
如圖6所示,細(xì)胞對(duì)照、LY2109761和SB431542組A549細(xì)胞未見p-Smad2/3蛋白表達(dá);加入TGF-β(1,5和10 μg·L-1)刺激后,均可檢測(cè)到p-Smad2/3蛋白表達(dá);預(yù)先加入LY2109761或SB431542,TGF-β(1,5和10 μg·L-1)誘導(dǎo)的p-Smad2/3蛋白表達(dá)則被明顯抑制。上述結(jié)果表明,Smad2/3蛋白磷酸化被LY2109761或SB431542阻斷,LY2109761和SB431542對(duì)TGF-β/Smad信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)具有明顯的抑制作用。
Fig.6 Effect of LY2109761(A)and SB431542(B)on expression of phosphorylated of Smad2/3 proteins(p-Smad2/3)in A549 cells by Western blotting.LY2109761+TGF-β and SB431542+TGF-β groups were pre-incubated with LY2109761 or SB431542 for 0.5 h,and then incubated with TGF-β for another 1.0 h.
TGF-β/Smad信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路構(gòu)成了一個(gè)多功能性的細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò),調(diào)控細(xì)胞周期、增殖、分化、黏附、轉(zhuǎn)移和凋亡[5-6]。Smad 蛋白是TGF-β超家族細(xì)胞內(nèi)重要的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和調(diào)節(jié)分子[7],通過調(diào)節(jié)該信號(hào)通路中一系列下游基因的活性,參與人類多種疾病如纖維化、炎癥、自身免疫性疾病和腫瘤等的發(fā)生與發(fā)展[8]。阻斷TGF-β/Smad信號(hào)傳導(dǎo)可對(duì)與其相關(guān)疾病的發(fā)展起到抑制作用。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,一些小分子抑制劑如LY2109761和SB431542可抑制該信號(hào)通路轉(zhuǎn)導(dǎo)[9],因此被廣泛應(yīng)用于與TGF-β/Smad信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究中。
mCherry是一種來自于蘑菇珊瑚(mushroom corals)的紅色熒光蛋白,能在特定波長(zhǎng)激發(fā)時(shí)發(fā)出紅色熒光[10]。相對(duì)于其他熒光蛋白,mCherry的優(yōu)越性在于它可與應(yīng)用較多的GFP共同標(biāo)記,且熒光非常穩(wěn)定。熒光素酶是能催化熒光素或脂肪醛氧化產(chǎn)生生物發(fā)光的一類酶,是一種常用的報(bào)告基因,因其具有非放射性、靈敏度高、操作簡(jiǎn)便、結(jié)果準(zhǔn)確、無毒副作用等優(yōu)點(diǎn),在藥物篩選領(lǐng)域已成為一種非常重要的研究工具[11-14]。
本研究利用DNA重組技術(shù)成功構(gòu)建pCDHUSPG-mCherry和pCDH-USPG-luciferase 2個(gè)重組慢病毒報(bào)告基因載體,在293FT細(xì)胞中包裝出慢病毒感染A549細(xì)胞,利用倒置熒光顯微鏡觀察到被感染的A549細(xì)胞表達(dá)GFP,表明表達(dá)mCherry和熒光素酶的USPG-mCherry A549和USPG-luciferase A549細(xì)胞構(gòu)建成功。加入TGF-β后可觀察到USPG-mCherry A549細(xì)胞表達(dá)mCherry,USPG-luciferase A549細(xì)胞表達(dá)熒光素酶;而加入TGF-β受體拮抗劑LY2109761和SB431542后,mCherry和熒光素酶的表達(dá)被抑制,表明本研究構(gòu)建的慢病毒表達(dá)載體可成功響應(yīng)與TGF-β/Smad信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路相關(guān)的信號(hào)刺激。
最后,為初步探討LY2109761和SB431542在TGF-β下游Smad2/3蛋白信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的抑制作用,本研究用A549細(xì)胞檢測(cè)其阻斷Smad2/3蛋白磷酸化的作用。結(jié)果表明,LY2109761和SB431542可特異性阻斷A549細(xì)胞Smad2/3蛋白磷酸化,對(duì)TGF-β/Smad信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)具有明顯的抑制作用。
綜上所述,本研究構(gòu)建了pCDH-USPG-mCherry和pCDH-USPG-luciferase 2個(gè)慢病毒報(bào)告基因載體,通過觀察mCherry熒光蛋白或熒光素酶的表達(dá)可鑒別目的細(xì)胞對(duì)TGF-β/Smad信號(hào)通路的響應(yīng),而且結(jié)果穩(wěn)定,操作簡(jiǎn)便,可直接用于以TGF-β或其受體家族為靶點(diǎn)的藥物篩選和活性檢測(cè)。