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        轉(zhuǎn)基因DT40細(xì)胞導(dǎo)入早期雞胚后的分布及綠色熒光蛋白表達(dá)的研究

        2011-01-30 08:02:32靳文靜張文新李贊東
        中國比較醫(yī)學(xué)雜志 2011年9期
        關(guān)鍵詞:檢測(cè)

        孫 鵬,趙 晨,燕 麗,靳文靜,張文新,李贊東

        (1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院農(nóng)業(yè)生物技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100193;2.北京教育考試院,北京 100083)

        隨著重組DNA技術(shù)的迅猛發(fā)展,動(dòng)物轉(zhuǎn)基因技術(shù)的研究取得了一系列可喜的進(jìn)展。這種基因轉(zhuǎn)移技術(shù)為人類提供了從遺傳上改變高等動(dòng)物細(xì)胞的能力,并成為制備轉(zhuǎn)基因動(dòng)物和進(jìn)行基因治療的基礎(chǔ)。把經(jīng)基因改造的細(xì)胞移植到動(dòng)物體內(nèi)將可能為生產(chǎn)藥用蛋白[1]或者進(jìn)行基因治療[2]提供一種更加經(jīng)濟(jì)的途徑。但是,對(duì)于許多高等動(dòng)物,特別是具有完善的免疫系統(tǒng)的脊椎動(dòng)物,基因傳遞系統(tǒng)存在潛在的免疫刺激性,異源基因的表達(dá)容易引起宿主產(chǎn)生免疫應(yīng)答,進(jìn)而將降低異源基因表達(dá)產(chǎn)物的量甚至將其完全消除[1,3-5]。Mohammed等[1]將重組的人免疫球蛋白(rh IgG3)基因轉(zhuǎn)入雞法氏囊淋巴細(xì)胞系(DT40)后再將后者通過靜脈注射到產(chǎn)蛋母雞體內(nèi),在注射細(xì)胞6d后宿主雞所產(chǎn)蛋中可通過ELISA檢測(cè)到rh IgG3,該蛋白含量在注射12d后的蛋中達(dá)到最高峰,但在此之后驟然下降,這可能是宿主對(duì) rh IgG3產(chǎn)生了免疫應(yīng)答的結(jié)果。要解決這一問題,需要使宿主動(dòng)物對(duì)異源蛋白形成免疫耐受。根據(jù) Burnet提出的抗體產(chǎn)生克隆選擇學(xué)說[6],有研究人員在雞胚發(fā)育早期將異源蛋白注射到胚胎內(nèi),可以誘導(dǎo)出生后的雞對(duì)此抗原的免疫耐受[7]。

        禽類的胚胎發(fā)育模式與哺乳動(dòng)物存在很大差異,前者的胚胎發(fā)育是在離開母體的密閉蛋殼內(nèi)獨(dú)立完成的,可以在不停止胚胎發(fā)育的情況下對(duì)其進(jìn)行研究,這使得胚胎血管微注射外源物質(zhì)的方法成為對(duì)禽類進(jìn)行研究的一種重要手段[8-11]。本實(shí)驗(yàn)室曾在胚胎早期注射異種蛋白誘導(dǎo)雞免疫耐受方面進(jìn)行過一系列的研究[12],但在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),在胚胎發(fā)育過程中持續(xù)導(dǎo)入外源蛋白比較困難,一次性大劑量的接種外源蛋白可能會(huì)導(dǎo)致受體胚胎大量死亡。將攜帶異源基因的細(xì)胞導(dǎo)入早期發(fā)育的胚胎中,若導(dǎo)入細(xì)胞可以存活且目的基因能夠正常持續(xù)表達(dá),則可能解決這一問題。

        本實(shí)驗(yàn)的目的是通過血管微注射法將表達(dá)異源蛋白的細(xì)胞導(dǎo)入早期雞胚,研究供體細(xì)胞在雞胚中的分布以及所攜帶的外源基因的表達(dá)情況,為胚胎期導(dǎo)入外源蛋白誘導(dǎo)免疫耐受的研究以及將轉(zhuǎn)基因細(xì)胞移植到動(dòng)物體內(nèi)生產(chǎn)目的蛋白的研究提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)平臺(tái)。

        1 材料和方法

        1.1 材料與設(shè)備

        1.1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物:本實(shí)驗(yàn)所用白萊航雞(White Leghorn,Gallus domesticus)種蛋購自中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院養(yǎng)雞場(chǎng)。

        1.1.2 細(xì)胞及載體:雞法氏囊淋巴細(xì)胞系(DT40)由韓國首爾國立大學(xué) Han Jae Yong教授贈(zèng)送。pEGFP-N1載體由軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院范寶興博士贈(zèng)送。

        1.1.3 主要試劑及材料:限制性內(nèi)切酶Eco O109Ⅰ購自MBI公司;限制性內(nèi)切酶Hin dⅢ購自NEB公司;DMEM/F-121∶1、雙抗、胎牛血清(fetal bovine serum,F(xiàn)BS)、非必需氨基酸和丙酮酸鈉均購自HyClone公司;G418購自Sigma公司;PCR預(yù)混液購自寶生物工程大連有限公司;膠回收試劑盒購自北京 Tiangen生物技術(shù)有限公司;Southern雜交膜(Amersham-XL尼龍膜)購自 GE公司;放射性同位素α-32p-dCTP購自中國同位素進(jìn)出口公司;X光片購自Kodak公司;顯影濃縮液及定影濃縮液購自樂凱公司;PCR引物的合成由上海英駿生物技術(shù)有限公司完成;一抗:小鼠抗綠色熒光蛋白(GFP)單克隆抗體購自MBL公司;生物素化羊抗小鼠IgG二抗試劑盒、聯(lián)苯二胺(DAB)顯色試劑盒及小鼠抗增殖細(xì)胞 核 抗 原 (proliferating cell nuclear antigen,PCNA)抗體購自武漢博士德生物技術(shù)有限公司。

        1.1.4 主要設(shè)備:電擊儀:Gene Pulser X CellTMElectroporation System(Bio-Rad USA);倒置熒光顯微鏡:IX71(Olympus Japan);纖維光源 (Nikon Japan);雜交爐(Bio-Rad USA);拉針儀:PN-40(Narishige Japan);切片機(jī)(Leica Germany)。

        1.2 實(shí)驗(yàn)方法

        1.2.1 DT40細(xì)胞的轉(zhuǎn)染與篩選:將 DT40細(xì)胞懸浮培養(yǎng)于DMEM/F-12培養(yǎng)基(含10%胎牛血清,1%丙酮酸鈉,1%非必需氨基酸,100U/m L青霉素,100μg/mL鏈霉素)中置于二氧化碳培養(yǎng)箱中培養(yǎng)(37.5℃,5%CO2)。收集對(duì)數(shù)期生長的DT40細(xì)胞約5×106個(gè)與60μg線性化pEGFP-N1載體于無血清的DMEM/F-12基礎(chǔ)培養(yǎng)基中混勻后電擊轉(zhuǎn)染(550V,50μF)。電擊后的DT40細(xì)胞用DMEM/F-12培養(yǎng)基培養(yǎng) 24h后添加 G418(終濃度為 1.5mg/m L)繼續(xù)培養(yǎng)7 d,在此期間,每2d更換一次含G418的培養(yǎng)基。之后換為含終濃度為0.4mg/m L的G418培養(yǎng)基繼續(xù)培養(yǎng)14d,在此期間,每2d更換一次含G418的培養(yǎng)基。收集細(xì)胞,將細(xì)胞按5~10個(gè)/孔的細(xì)胞密度接種于96孔細(xì)胞培養(yǎng)板,在終濃度為0.4mg/m L的G418培養(yǎng)基中繼續(xù)培養(yǎng),每日觀察,21d后挑出由單個(gè)細(xì)胞形成的克隆,擴(kuò)大培養(yǎng),熒光顯微鏡鏡檢。選取將作為供體細(xì)胞的細(xì)胞株命名為DT40-GFP。

        1.2.2 GFP基因的Southern blot檢測(cè):以 pEGFPN1載體序列(GenBank Accession No.U55762)設(shè)計(jì)探針引物,上游5'-GGACGGCGACGTAAACGGCCACAA-3',下游 5'-ACGAACTCCAGCAGGACCATG-3',目的片段為GFP基因內(nèi)長度為618bp的一段序列。提取DT40-GFP細(xì)胞的基因組 DNA,取30μg基因組DNA用Hin dⅢ,37℃過夜消化。將消化后的基因組DNA通過0.7%的瓊脂糖凝膠電泳分離,然后轉(zhuǎn)移到尼龍雜交膜上。通過隨機(jī)引物法將618bp的DNA探針用32P標(biāo)記后,進(jìn)行雜交,放射自顯影。

        1.2.3 雞胚血管微注射 DT40-GFP細(xì)胞及熒光顯微鏡檢測(cè):種蛋表面以新潔爾滅溶液擦洗干凈后置于孵化器中在38.5℃,相對(duì)濕度70%的條件下孵化,2h翻蛋一次,翻蛋角度為90°。將孵化65~70h(胚胎發(fā)育至17~18期[13])的種蛋取出,用酒精棉擦拭表面消毒后,通過纖維光源照蛋確定胚胎所處位置并做標(biāo)記。在記號(hào)附近的蛋殼上用醫(yī)用牙鉆開一個(gè)直徑約4mm的小窗。在實(shí)體顯微鏡下用外徑為50~70μm的玻璃針將2μL含有約6×104個(gè)DT40-GFP細(xì)胞的PBS(pH 7.6)緩慢注射到雞胚的前卵黃靜脈中,注射后用 parafilm封閉開口,標(biāo)記,共注射117個(gè)雞胚。將處理后的胚胎放回孵化器繼續(xù)孵化,在孵化后4~19 d,每天取4~5個(gè)活胚,用鑷子將胚胎不同組織分開,置于玻璃平皿中,熒光顯微鏡下鏡檢,觀察熒光細(xì)胞在胚胎中的分布情況。取4只新生小雞,頸椎脫臼處死并解剖,取腦、心臟、卵黃囊膜、法氏囊等組織、器官,熒光顯微鏡下鏡檢,觀察熒光細(xì)胞在小雞各組織器官中的分布情況。

        1.2.4 PCR檢測(cè):在熒光顯微鏡下收集含有熒光細(xì)胞的胚胎組織樣品并提取基因組 DNA,方法同Taberlet and Bouvet的報(bào)道[14]。以 pEGFP-N1載體序列(GenBank Accession No.U55762)設(shè)計(jì)PCR引物:上游5'-TTCAAGGACGACGGCAACT-3',下游5'-TGGGTGCTCAGGTAGTGGTT-3'擴(kuò)增GFP基因內(nèi)部的一段314bp大小的DNA片段。PCR擴(kuò)增條件為94℃ 5m in,94℃ 30s,54℃ 45s,72℃ 30s,35個(gè)循環(huán),72℃延伸10m in結(jié)束,1.5%瓊脂糖分析。

        1.2.5 免疫組織化學(xué)檢測(cè) GFP的表達(dá):分別取孵化5d和10d的注射了 DT40-GFP細(xì)胞的雞胚組織,于10%中性緩沖福爾馬林溶液中固定,常規(guī)脫水,石蠟包埋。取組織蠟塊連續(xù)切片,厚度6μm,60℃烤片15m in,常規(guī)脫蠟至水,其余步驟嚴(yán)格按照生物素化羊抗小鼠IgG二抗試劑盒及DAB顯色試劑盒說明書操作。一抗工作濃度為1:250,DAB顯色后,切片于顯微鏡下檢測(cè)。

        2 結(jié)果

        2.1 穩(wěn)定整合 GFP基因的DT40細(xì)胞株(DT40-GFP)的獲得與鑒定:電擊轉(zhuǎn)染后經(jīng)G418篩選得到了多個(gè)DT40細(xì)胞株。經(jīng)熒光顯微鏡檢測(cè),在其中選擇GFP表達(dá)效果好,分裂周期較短的一株 DT40細(xì)胞(彩插3圖1A、B)作為雞胚血管微注射實(shí)驗(yàn)的供體細(xì)胞,命名為DT40-GFP。Southern blot結(jié)果表明(彩插3圖1C),GFP基因整合到了 DT40-GFP細(xì)胞基因組中,且拷貝數(shù)為1。

        2.2 DT40-GFP細(xì)胞在雞胚中的分布及存活情況:在孵化4d(即注射后1d)至孵化19 d(出雛前)的胚胎中均可以檢測(cè)到熒光細(xì)胞。DT40-GFP細(xì)胞在胚胎中分布比較廣泛,在心臟(彩插4圖2H)、肝臟(彩插4圖2J)、脾臟(彩插4圖2K)、腎臟(彩插4圖2I)及腸(彩插4圖2F)等內(nèi)臟器官上數(shù)量較少,胚胎頭部的熒光細(xì)胞數(shù)量較多,主要集中在腦部(彩插4圖2A、B、C、L),在卵黃囊膜(彩插4圖2G)和尿囊膜(彩插4圖2D)上也相對(duì)較多。DT40-GFP細(xì)胞被導(dǎo)入胚胎后,細(xì)胞形狀發(fā)生了較大變化(彩插4圖2C、G)

        2.3 DT40-GFP細(xì)胞在孵出小雞體內(nèi)的分布及存活情況:將四只注射DT40-GFP細(xì)胞的新生小雞解剖后,在熒光顯微鏡下仔細(xì)觀察小雞的腦、心臟、卵黃囊膜、法氏囊及各內(nèi)臟器官,均未檢測(cè)到熒光細(xì)胞。

        2.4 DT40-GFP細(xì)胞在雞胚內(nèi)的熒光檢測(cè)統(tǒng)計(jì):本實(shí)驗(yàn)共檢測(cè)了67只注射了DT40-GFP細(xì)胞的雞胚,在58只雞胚中檢測(cè)到了熒光細(xì)胞,占所檢測(cè)樣本的86.6%;共檢測(cè)4只胚胎期導(dǎo)入 DT40-GFP細(xì)胞后孵出的小雞,沒有檢測(cè)到熒光細(xì)胞,具體數(shù)據(jù)總結(jié)于表1。

        表1 DT40-GFP細(xì)胞在受體中的熒光檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Detection of DT40-GFP cells in recipients under fluorescence microscopy

        2.5 體細(xì)胞轉(zhuǎn)基因嵌合體雞胚中 GFP基因的檢測(cè):取孵化5d的嵌合體雞胚頭部和身體部分分別提取基因組DNA,取孵化10d、15d嵌合體胚胎的腦和心臟分別提取基因組DNA,共得到基因組樣品28份,通過PCR反應(yīng),全部能擴(kuò)增出相應(yīng)的DNA片段,而未注射的野生型胚胎基因組中沒有擴(kuò)增出相應(yīng)DNA片段,部分樣本的PCR擴(kuò)增電泳結(jié)果見圖3。

        圖3 PCR擴(kuò)增注射DT40-GFP細(xì)胞受體組織基因組DNAFig.3 The PCR amplification of chimeric tissue genome DNA注:M.DNA marker;P.pEGFP-N1質(zhì)粒(陽性對(duì)照);N.未注射雞胚基因組樣本(陰性對(duì)照);1~4.孵化5d嵌合體胚胎頭部基因組樣本;5~8.孵化5d嵌合體胚胎身體基因組樣本;9~11.孵化10d嵌合體胚胎腦部基因組樣本;12~14.孵化10d嵌合體胚胎心臟基因組樣本;15~17.孵化15d嵌合體胚胎腦部基因組樣本;18~20.孵化15d嵌合體胚胎心臟基因組樣本Note:Lane M:DNA size markers;Lanes 1-4:The head of four 5-day somatic chimeric chicken respectively.Lanes 5~8:The body of four 5-day somatic chimeric chicken respectively.Lanes 9~11:The head of three 10-day somatic chimeric chicken embryo respectively.Lanes 12~14:The body of three 10-day somatic chimeric chicken embryo respectively.Lanes 15~17:The head of three 15-day somatic chimeric chicken embryo respectively.Lanes 9~11:The body of three 15-day somatic chimeric chicken embryo respectively.Genomic DNA of a nonmanipulated chicken embryo and plasm idDNA(pEGFP-N1)were used as negative(lane N)and positive(lane P)control,respectively

        2.6 體細(xì)胞轉(zhuǎn)基因嵌合體雞胚中GFP的檢測(cè)

        通過免疫組化法,在雞胚的頭部、心臟、身體等部位檢測(cè)到了GFP陽性細(xì)胞,而在陰性對(duì)照組中沒有檢測(cè)到陽性信號(hào),證明在熒光顯微鏡下觀察到的注射了DT40-GFP細(xì)胞的雞胚中的熒光細(xì)胞的確表達(dá)了GFP,部分樣本的免疫組化結(jié)果彩插3見圖4。

        3 討論

        3.1 胚胎血管微注射時(shí)期的選擇

        禽類胚胎的發(fā)育與哺乳動(dòng)物差別很大,禽受精卵產(chǎn)出體外時(shí)胚胎通常已發(fā)育至第Ⅹ期,即胚盤期,相當(dāng)于哺乳動(dòng)物的囊胚期。有一些研究[15-16]采用了將其他來源的供體細(xì)胞注入胚盤下腔的方法制備嵌合體禽類,也有使用這種方法制備轉(zhuǎn)基因嵌合體禽類[18-19]的報(bào)道。但經(jīng)這種注射方法處理過的種蛋孵化率一般在20%~40%之間,得到后代的比例較低。本實(shí)驗(yàn)室嘗試過在雞胚處于胚盤期時(shí)注射供體細(xì)胞的方法,由于胚盤下腔的空間小,只能容納少量的供體細(xì)胞,操作時(shí)針尖穿過胚盤下腔導(dǎo)致供體細(xì)胞流失的概率很大,并且發(fā)現(xiàn)在胚胎發(fā)育過程中大量供體細(xì)胞分散在胚外組織膜上,只有少量的供體細(xì)胞在胚體內(nèi)部,不能滿足本實(shí)驗(yàn)的要求。

        在胚胎形成血管之后,此時(shí),可以將外源細(xì)胞以血管微注射的方法導(dǎo)入胚胎中形成嵌合體[8-11,19-21]。在這一時(shí)期,可以將供體細(xì)胞直接導(dǎo)入到胚胎的循環(huán)系統(tǒng)中,使進(jìn)入到胚體內(nèi)的供體細(xì)胞的比例明顯增加。但若在胚胎免疫系統(tǒng)開始建立之后再將表達(dá)外源蛋白的供體細(xì)胞導(dǎo)入,供體細(xì)胞就可能會(huì)被胚胎免疫排斥。本實(shí)驗(yàn)室前期在雞胚胎期誘導(dǎo)免疫耐受的研究中發(fā)現(xiàn):在胚胎發(fā)育65~70h階段接種抗原后孵化的小雞中表現(xiàn)出對(duì)這種蛋白抗原的耐受[22]。所以本實(shí)驗(yàn)選擇了雞胚孵化65~70h時(shí)通過血管微注射的方法導(dǎo)入供體細(xì)胞,以增加供體細(xì)胞在受體中存活的比例。

        3.2 受體的陽性率

        本實(shí)驗(yàn)采用血管微注射法將供體細(xì)胞直接導(dǎo)入胚胎,提高了含有GFP細(xì)胞的胚胎比例。在本實(shí)驗(yàn)中,含表達(dá) GFP的DT40細(xì)胞的胚胎比例為86.6%(58/67),遠(yuǎn)高于2001年 Toba等[17]通過胚盤注射法將經(jīng)基因修飾的DT40細(xì)胞導(dǎo)入雞胚的實(shí)驗(yàn)以及2004年 Xi等[23]將轉(zhuǎn)基因融合細(xì)胞注入胚盤的實(shí)驗(yàn)得到的嵌合胚胎陽性率,但低于我們之前以雞胚成纖維細(xì)胞(CEFs)作為供體細(xì)胞得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[24]。這可能是因?yàn)镈T40細(xì)胞是經(jīng)過改造且經(jīng)長期體外培養(yǎng)的細(xì)胞系,已經(jīng)不適于在胚胎體內(nèi)長期生長所致。實(shí)驗(yàn)中可以持續(xù)觀察到綠色熒光細(xì)胞,表明GFP基因均可以在導(dǎo)入受體后的DT40細(xì)胞中正常表達(dá)。

        3.3 供體細(xì)胞在受體中的分布

        供體細(xì)胞被導(dǎo)入雞胚循環(huán)系統(tǒng)后,可隨血液循環(huán)到達(dá)胚胎的各個(gè)部位,在胚體中分布廣泛,尤其在循環(huán)系統(tǒng)末端的毛細(xì)血管附近分布最多。由表1,熒光細(xì)胞最多出現(xiàn)在胚胎的腦和卵黃囊膜中,分別在52個(gè)胚胎腦中和55個(gè)胚胎的卵黃囊膜中存在熒光細(xì)胞,其次是心臟,在34個(gè)胚胎的心臟中檢測(cè)到熒光細(xì)胞。由于孵化5d的胚胎腦泡中水分比例非常大,經(jīng)石蠟切片后腦泡部分呈空泡狀,通過免疫組化無法檢測(cè)到陽性細(xì)胞,但在腦泡附近的頭部組織中可以檢測(cè)到GFP陽性細(xì)胞。免疫組化結(jié)果與熒光檢測(cè)結(jié)果及PCR結(jié)果一致。

        3.4 熒光細(xì)胞在受體體內(nèi)存活的時(shí)間

        熒光顯微鏡觀察結(jié)果表明,雞胚發(fā)育早期導(dǎo)入的DT40-GFP不但可以在雞胚內(nèi)存活,而且其存活時(shí)間較長,可以持續(xù)到雞胚發(fā)育末期。但DT40-GFP細(xì)胞數(shù)量并未隨胚胎發(fā)育而增加,而是呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢(shì)。以本實(shí)驗(yàn)的觀察結(jié)果與我們之前導(dǎo)入攜帶GFP基因的雞胚成纖維細(xì)胞(CEF-GFP)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[24]相比較,兩實(shí)驗(yàn)導(dǎo)入胚胎的細(xì)胞數(shù)量均為6×104個(gè)/胚。在注射后第1d,即胚胎孵化第4d,兩實(shí)驗(yàn)的胚胎中熒光細(xì)胞的數(shù)量基本相同??傮w上看,在胚胎孵化至第9 d時(shí),注射DT40-GFP細(xì)胞的胚胎中的熒光細(xì)胞數(shù)量少于注射CEF-GFP細(xì)胞的胚胎中的熒光細(xì)胞數(shù)。胚胎孵化至15d時(shí),注射DT40-GFP細(xì)胞的胚胎中的熒光細(xì)胞數(shù)量遠(yuǎn)少于注射CEF-GFP細(xì)胞的胚胎中的熒光細(xì)胞數(shù)。

        3.5 結(jié)論

        本實(shí)驗(yàn)將穩(wěn)定整合了一個(gè)拷貝綠色熒光蛋白基因的DT40細(xì)胞在雞胚發(fā)育65~70h時(shí)通過血管微注射法導(dǎo)入雞胚中,整合了外源基因的DT40細(xì)胞可以在胚胎中存活直至胚胎出雛之前,且外源基因能夠持續(xù)表達(dá)。這一結(jié)果表明,可以通過此方法將外源基因?qū)氲绞荏w中,并使目的蛋白在受體胚胎中持續(xù)表達(dá),可以為深入研究免疫耐受的機(jī)制提供一定的技術(shù)支持。

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