李尊嶺, 邵淑紅, 焦 飛, 岳 真, 李有杰
(濱州醫(yī)學(xué)院1生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室,分子遺傳學(xué)研究所,2應(yīng)用心理學(xué)教研室,山東 煙臺(tái) 264003)
ras基因家族主要有3個(gè)成員:K-ras、H-ras和 N -ras,分別定位于 12p1、11p15、1p22,其編碼的蛋白質(zhì)主要是高度保守的小G蛋白,該蛋白有188-189個(gè)氨基酸組成,定位于細(xì)胞膜內(nèi)側(cè),是控制細(xì)胞外向細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的關(guān)鍵“開(kāi)關(guān)分子”[1]。Ras蛋白主要通過(guò)以下信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,促進(jìn)細(xì)胞的增殖:表皮生長(zhǎng)因子(epidermal growth factor,EGF)等信號(hào)分子與受體結(jié)合后,受體二聚化,激活其蛋白激酶的活性,使受體自身酪氨酸殘基磷酸化,形成SH2結(jié)構(gòu)域,進(jìn)而結(jié)合接頭蛋白Grb2,活化SOS(son of sevenless)蛋白;活化的SOS蛋白結(jié)合Ras蛋白,使Ras蛋白釋放GDP,結(jié)合GTP,最終通過(guò)Ras/Raf和Rho/Rac通路,促進(jìn)細(xì)胞增殖、抑制細(xì)胞凋亡[2]。
K-ras基因的突變和過(guò)度表達(dá)與肺癌的發(fā)生、發(fā)展和預(yù)后有著密切關(guān)系。有研究表明,在非小細(xì)胞肺癌(non-small cell lung cancer,NSCLC)尤其是腺癌中,60%的K-ras基因存在突變或過(guò)表達(dá),主要是第12位密碼子中的鳥(niǎo)嘌呤(G)被胸腺嘧啶(T)取代,從而導(dǎo)致 K-Ras蛋白喪失了GTP酶的活性,持續(xù)活化,使傳遞到細(xì)胞內(nèi)效應(yīng)器上的刺激大為延長(zhǎng),最終導(dǎo)致細(xì)胞異常增殖,發(fā)生癌變。已有報(bào)道表明肺腺癌細(xì)胞A549中存在 K-ras基因的突變[3]。研究表明早期肺腺癌中,K-ras基因突變患者的5年生存率比沒(méi)有基因突變患者的5年生存率明顯短。Suda等[4]發(fā)現(xiàn)在晚期肺腺癌患者中,K-ras基因突變患者的生存時(shí)間明顯短于無(wú)突變患者。以上資料表明:K-ras基因在肺腺癌中突變或過(guò)表達(dá)是一個(gè)大概率事件;無(wú)論是早期還是晚期肺癌患者,K-ras基因突變或過(guò)度表達(dá),都能顯著降低病人的5年生存率。
本研究檢測(cè)了K-Ras蛋白在6例肺腺癌標(biāo)本、正常毗鄰肺組織和 A549細(xì)胞中的表達(dá),以驗(yàn)證K-ras基因在肺腺癌中高表達(dá)的結(jié)論。另外,我們構(gòu)建了K-ras的反義表達(dá)載體,經(jīng)脂質(zhì)體轉(zhuǎn)染A549細(xì)胞,觀察細(xì)胞生長(zhǎng)及凋亡情況,并檢測(cè)細(xì)胞周期相關(guān)蛋白細(xì)胞周期素A(cyclin A)、細(xì)胞周期素D1(cyclin D1)、細(xì)胞周期素E(cyclin E)、細(xì)胞周期素依賴(lài)性激酶2(cyclin-dependent kinase 2,CDK2)和細(xì)胞周期素依賴(lài)性激酶4(cyclin-dependent kinase 4,CDK4),以及凋亡相關(guān)蛋白caspase-3、P53和Rb的表達(dá),旨在探討K-ras反義核酸在肺癌基因治療中的作用及機(jī)制。
本研究所用的人肺腺癌細(xì)胞A549細(xì)胞株和質(zhì)粒pcDNA3.1(+)載體由本研究所保存。6例肺腺癌標(biāo)本和毗鄰組織由濱州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院提供。RPMI-1640培養(yǎng)基、胎牛血清由HyClone提供??笴aspase-3、P53、Rb、cyclin A、cyclin D1、K - Ras抗體由 Santa Cruz Biotechnology提供,抗 cyclin E、CDK 2和CDK4抗體由 Cell Signaling Technology提供。K-ras反義寡核苷酸引物由北京賽百盛生物科技有限公司合成。T4 DNA連接酶、EcoR I內(nèi)切酶和Hind III內(nèi)切酶均購(gòu)自Fermentas,膠回收試劑盒購(gòu)自大連寶生物生物技術(shù)有限公司。Lipofectamine 2000 reagent kit購(gòu)自Invitrigen,Annexin V試劑盒購(gòu)自碧云天生物有限公司。
2.1 實(shí)驗(yàn)分組 根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求,將A549細(xì)胞分為空白對(duì)照組(不進(jìn)行任何處理)、空載體組(僅轉(zhuǎn)染了載體質(zhì)粒)和轉(zhuǎn)染組(轉(zhuǎn)染了K-ras反義表達(dá)載體)。
2.2 K-ras反義表達(dá)載體的構(gòu)建 以人 K-ras基因(NM-004985)exon 1為模板,應(yīng)用Primer 5.0軟件設(shè)計(jì)該基因的特異引物,序列為上游5'- GCGGAATTCCGGCTCGGCCAGTACTCC -3'(下劃線(xiàn)為EcoR I酶切位點(diǎn)),下游5'- GCGAAGCTTCTCTTGCCTACGCCACCA -3'(擴(kuò)展片段大小為 200 bp,下劃線(xiàn)為Hind III酶切位點(diǎn))。應(yīng)用DNA提取試劑盒(TaKaRa生物工程有限公司),從肺腺癌細(xì)胞A549中提取基因組DNA。PCR擴(kuò)增K-ras反義片段,條件為:95℃ 5 min預(yù)變性后,94℃ 45 s,62℃ 1 min,72℃ 30 s,30個(gè)循環(huán)后,72℃ 10 min。將擴(kuò)增后的目的片段和pcDNA3.1(+)載體應(yīng)用EcoR I和Hind III進(jìn)行雙酶切,酶切體系為:K-ras片段或pcDNA3.1(+)載體10 μL、10 × buffer R 2 μL、EcoR I和Hind III各2 μL、雙蒸水 4 μL,總體系為20 μL,37 ℃孵育6 h。膠回收試劑盒回收目的片段(按照說(shuō)明書(shū)進(jìn)行)。T4 DNA連接酶進(jìn)行連接,具體操作如下:pcDNA3.1(+)載體片段0.5 μL、K-ras目的片段1 μL、T4 DNA 連接酶 1 μL,10 × buffer 1 μL、雙蒸水6.5 μL,總體系 10 μL,22 ℃孵育 5 h。對(duì)連接產(chǎn)物進(jìn)行電泳和PCR鑒定,獲得陽(yáng)性克隆,并測(cè)序(北京拜爾特普生物技術(shù)有限公司完成)驗(yàn)證連接的正確性[5](命名為 antisense- K -ras-pcDNA3.1)。
2.3 轉(zhuǎn)染 詳細(xì)操作步驟按照Lipofectamine 2000 reagent kit說(shuō)明書(shū)進(jìn)行操作。
2.4 MTT測(cè)細(xì)胞增殖情況 取96孔板,接種1×104個(gè)細(xì)胞,常規(guī)培養(yǎng),轉(zhuǎn)染96h后,PBS洗滌細(xì)胞1次,每孔加0.1 mL PBS和10 μL MTT染液,繼續(xù)培養(yǎng)6 h,每孔加0.1 mL二甲基亞砜(DMSO),在振蕩器上振蕩混勻,讓還原產(chǎn)物充分溶解。置酶聯(lián)檢測(cè)儀上測(cè)定吸光度(A)值,檢測(cè)波長(zhǎng)570 nm。
2.5 Annexin V檢測(cè)細(xì)胞凋亡 常規(guī)培養(yǎng)細(xì)胞,轉(zhuǎn)染96 h后,PBS洗滌2次,應(yīng)用binding buffer結(jié)合并懸浮細(xì)胞,加入1 μL Annexin V-FITC混勻后加入5 μL 碘化丙啶(propidium iodide,PI)進(jìn)行標(biāo)記,室溫避光反應(yīng)5 min,應(yīng)用熒光顯微鏡觀察細(xì)胞凋亡情況。
2.6 Western blotting檢測(cè)相關(guān)蛋白的表達(dá) 細(xì)胞總蛋白應(yīng)用細(xì)胞蛋白裂解液進(jìn)行提取,超聲10 s,12000 r/min離心20 min收集上清。應(yīng)用Bradford試劑盒進(jìn)行蛋白定量,等量的細(xì)胞總蛋白(每個(gè)泳道80 μg)應(yīng)用10%的SDS-PAGE膠進(jìn)行電泳、轉(zhuǎn)膜、封閉、雜交,Ⅰ抗應(yīng)用兔抗 caspase-3、P53、Rb和鼠抗 cyclin A、cyclin D1、cyclin E、CDK2和 CDK4 抗體,Ⅱ抗采用辣根過(guò)氧化物酶標(biāo)記的山羊抗兔、山羊抗鼠抗體,ECL熒光試劑盒進(jìn)行曝光、顯影、定影、壓片。實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次,以目的蛋白和GAPDH吸光度比值作為目的基因的相對(duì)表達(dá)量。
本研究應(yīng)用PCR的方法,擴(kuò)增K-ras exon 1反義片段,電泳后在200 bp顯示有一條帶,見(jiàn)圖1,與目的片段大小相吻合,表明 K-ras exon 1反義片段擴(kuò)增正確(測(cè)序結(jié)果進(jìn)行了證實(shí))。應(yīng)用EcoR I和Hind III對(duì)空白載體pcDNA3.1(+)進(jìn)行雙酶切,電泳后在4000 bp顯示單一條帶,且條帶整齊,無(wú)彌散和多條帶現(xiàn)象,表明成功對(duì)pcDNA3.1(+)空白載體進(jìn)行了雙酶切,見(jiàn)圖1。應(yīng)用膠回收試劑盒對(duì)以上 K-ras exon 1反義片段和pcDNA3.1(+)雙酶切片段進(jìn)行回收,電泳結(jié)果顯示在200 bp和4000 bp各有一整齊條帶,表明片段回收正確,在回收過(guò)程中無(wú)條帶斷裂等現(xiàn)象,見(jiàn)圖1。應(yīng)用T4 DNA連接酶對(duì)以上回收的目的片段進(jìn)行連接,由于電泳的方法較難區(qū)分4000 bp和4200 bp條帶,本實(shí)驗(yàn)采用菌落PCR的方法對(duì)陽(yáng)性克隆進(jìn)行鑒定。陽(yáng)性克隆菌落組電泳結(jié)果顯示在200 bp有一整齊條帶,而陰性對(duì)照PCR擴(kuò)增后,電泳結(jié)果沒(méi)有任何條帶,見(jiàn)圖1,表明成功構(gòu)建了K-ras exon 1的反義表達(dá)載體(測(cè)序證實(shí)了該結(jié)果的正確性)。
Figure 1.The construction of antisense K-ras exon 1 expression vector.M:marker;1:the fragment of K -ras exon 1 and its length was 200 bp;2:the fragment of pcDNA3.1(+)vector digested by EcoR I and Hind III;3:the purification result of digested pcDNA3.1(+)vector;4:the purification result of digested K-ras exon 1;5:negative control that the template was the pcDNA3.1(+)vector;6:positive result that its sequence was identified.圖1 K-ras exon 1反義表達(dá)載體的構(gòu)建
Western blotting檢測(cè)6例肺腺癌標(biāo)本、毗鄰正常組織和A549細(xì)胞中K-Ras蛋白的表達(dá)結(jié)果顯示,與正常毗鄰組織相比較,6例標(biāo)本中有4例標(biāo)本K-Ras蛋白高表達(dá),陽(yáng)性率為66.7%;在A549細(xì)胞中,K-ras蛋白高表達(dá),見(jiàn)圖2。
Figure 2.The expression of K-Ras in lung samples and A549 cells.A:A549 cells and lung adenocarcinoma samples(S1 -S6);B:paired adjacent normal samples.圖2 K-Ras蛋白在肺標(biāo)本和A549細(xì)胞中的表達(dá)
轉(zhuǎn)染96 h后,各組細(xì)胞中 K-Ras蛋白的表達(dá)結(jié)果顯示antisense-K-ras-pcDNA3.1能夠明顯抑制K-ras基因的表達(dá),抑制率可以高達(dá)70%,見(jiàn)圖3。
Figure 3.The expression of K -Ras in different groups.1:A549 cells;2:A549 cells transfected by pcDNA3.1;3:A549 cells transfected by antisense- K-raspcDNA3.1.圖3 K-Ras蛋白在不同實(shí)驗(yàn)組的表達(dá)
轉(zhuǎn)染antisense- K-ras-pcDNA3.1的 A549細(xì)胞出現(xiàn)明顯的凋亡現(xiàn)象,表現(xiàn)為發(fā)紅色熒光的細(xì)胞明顯增多,見(jiàn)圖4。
在細(xì)胞培養(yǎng)的前3 d,細(xì)胞生長(zhǎng)未見(jiàn)明顯差異。從第4 d開(kāi)始,轉(zhuǎn)染antisense- K-ras-pcDNA3.1的細(xì)胞開(kāi)始出現(xiàn)明顯的生長(zhǎng)抑制現(xiàn)象(P<0.01),見(jiàn)圖5。
Figure 4.The apoptosis among different groups(× 400).A:A549 cells;B:A549 cells transfected by pcDNA3.1(+);C:A549 cells transfected by antisense- K -ras-pcDNA3.1.圖4 不同實(shí)驗(yàn)組細(xì)胞凋亡
Figure 5.The growth curves in different groups..n=3.*P <0.05,**P <0.01 vs control.圖5 不同實(shí)驗(yàn)組細(xì)胞生長(zhǎng)曲線(xiàn)
與空白對(duì)照組和空載體組相比較,轉(zhuǎn)染反義K-ras的細(xì)胞中 G1/S期相關(guān)蛋白 cyclin A、cyclin D1、cyclin E、CDK2和 CDK4的表達(dá)明顯降低(均 P<0.05)。抑癌蛋白 Rb、P53和凋亡相關(guān)蛋白caspase-3的表達(dá)明顯升高(均P<0.01),而空載體組和空白組,上述蛋白的表達(dá)沒(méi)有明顯差異,見(jiàn)圖6。
Figure 6.The expression of cyclin A,cyclin D1,cyclin E,CDK2,CDK4,Rb,P53 and caspase-3.1:control;2:pcDNA3.1(+);3:antisense-K-ras-pcDNA3.1..n=3.*P<0.05,**P<0.01 vs control.圖6 各目的蛋白的表達(dá)分析
反義核酸技術(shù)是根據(jù)堿基互補(bǔ)原理用人工合成或生物體合成的特定DNA或RNA片段抑制或封閉基因表達(dá)的技術(shù)。根據(jù)核酸雜交原理,反義核酸可以從基因表達(dá)調(diào)控的多個(gè)層次干擾基因表達(dá),最主要的作用靶點(diǎn)是在轉(zhuǎn)錄和翻譯起始階段的調(diào)控,最終抑制靶基因的表達(dá),達(dá)到治療和預(yù)防某些疾病的目的。目前,反義核酸療法已在腫瘤學(xué)研究中廣泛應(yīng)用,有些已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)驗(yàn)和臨床階段,主要靶基因集中于癌基因和細(xì)胞生長(zhǎng)因子等領(lǐng)域[6]。
K-ras基因是最早發(fā)現(xiàn)的癌基因之一,其編碼的蛋白質(zhì)是小G蛋白,結(jié)合GTP后被激活,水解GTP后活性喪失,是酪氨酸蛋白激酶信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的關(guān)鍵分子。目前,利用反義核酸技術(shù)封閉 K-ras基因表達(dá)的研究已經(jīng)滲透到癌癥研究的各個(gè)領(lǐng)域在肺癌、胰腺癌、甲狀腺癌、結(jié)腸癌等多個(gè)癌癥領(lǐng)域,都有反義K-ras抑制癌細(xì)胞生長(zhǎng)的報(bào)道。有研究表明[7],利用反義核酸技術(shù),針對(duì) K -ras基因第2、第3外顯子以及兩側(cè)2.0 kb的核酸序列,設(shè)計(jì)相應(yīng)的反義核酸,轉(zhuǎn)染肺癌細(xì)胞H460后,K-ras基因表達(dá)的抑制可以高達(dá)90%以上,而且在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中,癌細(xì)胞喪失了致瘤能力。還有研究[8]利用 K-ras反義核酸封閉K-ras基因表達(dá)后,能夠明顯抑制肺癌的轉(zhuǎn)移和裸鼠致瘤能力,而且相同的結(jié)果也出現(xiàn)在胃癌細(xì)胞的研究中,但是反義 K-ras抑制腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)的作用機(jī)制報(bào)道較少。
本研究6例肺腺癌標(biāo)本中,有4例高表達(dá)KRas,陽(yáng)性率為66.7%,而且在A549細(xì)胞中 K-Ras蛋白高表達(dá),驗(yàn)證了文獻(xiàn)報(bào)道中K-Ras蛋白在肺腺癌中高表達(dá)的結(jié)論,為接下來(lái)的研究奠定了基礎(chǔ)。接著,本研究利用反義核酸技術(shù),針對(duì)K-ras基因exon 1,設(shè)計(jì)了反義核酸引物序列,并進(jìn)行硫代化修飾,構(gòu)建了針對(duì)K-ras的反義核酸表達(dá)載體,轉(zhuǎn)染肺腺癌A549后,Western blotting檢測(cè)K-Ras蛋白的表達(dá),從中選出了抑制作用最強(qiáng)的一條反義核酸;轉(zhuǎn)染A549細(xì)胞后,發(fā)現(xiàn)細(xì)胞凋亡較明顯,而且細(xì)胞生長(zhǎng)明顯受到抑制,表明封閉 K-ras基因表達(dá)后,能夠抑制細(xì)胞的生長(zhǎng),促進(jìn)細(xì)胞凋亡。
另外,在轉(zhuǎn)染反義 K-ras的細(xì)胞中,G1/S期相關(guān)蛋白 cyclin A、cyclin D1、cyclin E、CDK2 和 CDK4的表顯著降低,而抑癌蛋白R(shí)b、P53以及凋亡蛋白caspase-3的表達(dá)明顯升高,表明封閉 K-ras基因表達(dá)后,促進(jìn)細(xì)胞周期進(jìn)行和DNA合成的相關(guān)蛋白表達(dá)降低,而抑制細(xì)胞生長(zhǎng)、促進(jìn)細(xì)胞凋亡的相關(guān)蛋白表達(dá)增加。
在細(xì)胞周期調(diào)控過(guò)程中,cyclin和CDK形成復(fù)合物調(diào)控細(xì)胞周期的進(jìn)行。CyclinD1/CDK4和cyclin E/CDK2形成復(fù)合物后,促進(jìn)了細(xì)胞從G1期進(jìn)入S期,而cyclin A/CDK2形成復(fù)合物后,促進(jìn)了S期中DNA合成的起始[9]。Rb蛋白是一個(gè)抑癌蛋白,通過(guò)抑制轉(zhuǎn)錄因子E2F的活性,使細(xì)胞停滯在G1期;p53是目前發(fā)現(xiàn)的最經(jīng)典的抑癌基因,在DNA損傷修復(fù)和促進(jìn)凋亡方面發(fā)揮著重要作用。Caspase-3是促凋亡蛋白,在細(xì)胞凋亡過(guò)程中,發(fā)揮著重要作用[10]。
Cyclin D1/CDK4和cyclin E/CDK2復(fù)合物形成后,使Rb蛋白磷酸化,釋放轉(zhuǎn)錄因子E2F,游離的E2F又可以促進(jìn)其自身、cyclin D、CDK2和cyclin E等的合成,進(jìn)一步促進(jìn)Rb蛋白的磷酸化,釋放更多的E2F,形成一種正反饋,最終促進(jìn)DNA的合成,使細(xì)胞順利通過(guò)G1/S期轉(zhuǎn)折點(diǎn)[11]。在這個(gè)過(guò)程中cyclin A與CDK2形成復(fù)合物促進(jìn)了DNA復(fù)制的起始,啟動(dòng)DNA的復(fù)制。P53蛋白通過(guò)促進(jìn)G1期特異的細(xì)胞周期抑制物p21蛋白和DNA損傷修復(fù)誘導(dǎo)蛋白Gadd 45的表達(dá),使DNA受損細(xì)胞不再分裂,細(xì)胞停留在 G1期[12]。
綜上所述,K-ras基因反義核酸能抑制肺腺癌A549細(xì)胞的生長(zhǎng),促進(jìn)細(xì)胞凋亡,其機(jī)制可能與cyclin A、cyclin D1、cyclin E、CDK2、CDK4 的表達(dá)降低和caspase-3、P53、Rb的表達(dá)升高有關(guān)。
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