劉源,陳睿,張楠,葉賢龍,白銀,魏雨泉,任桂萍,李德山
東北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 生物制藥教研室,黑龍江 哈爾濱 150030
p53基因是迄今發(fā)現(xiàn)與腫瘤相關(guān)性最高的基因,也是研究最為廣泛和系統(tǒng)的腫瘤抑制基因。人p53基因位于染色體 17p 13.1[1]區(qū)域,全長1 182 bp,由11個外顯子和10個內(nèi)含子組成,編碼分子量為53 kDa的核內(nèi)磷酸蛋白。正常的P53蛋白在體內(nèi)有拮抗因環(huán)境壓力造成的 DNA損傷、維持基因組穩(wěn)定的作用;對于可修復(fù)損傷,P53調(diào)控細胞周期暫時的釋放,以便于有足夠的時間進行修復(fù),進而重新進入正常的細胞周期[2-5];相反,嚴(yán)重的或者不可修復(fù)的DNA損傷將導(dǎo)致細胞凋亡;P53還有抑制腫瘤血管生成等功能[6-10]。
細胞穿膜肽 (Cell-penetrating peptides,CPPs) 是一類能攜帶大分子物質(zhì)進入細胞的短肽,其穿膜能力不依賴于經(jīng)典的胞吞作用[11]。CPPs根據(jù)來源可以分為天然存在的和人工合成的兩種,天然的穿膜肽來源于天然蛋白質(zhì)的多肽區(qū)域,主要負責(zé)將蛋白質(zhì)向細胞內(nèi)轉(zhuǎn)運,包括TAT-PTD[12-13]、Penetration和 VP22[14]。這些細胞穿膜肽均為帶有正電荷的、長短不等的多肽片段,其中富含精氨酸、賴氨酸等堿性氨基酸殘基。利用這一特性,人工合成具有穿膜能力的多聚精氨酸和多聚賴氨酸的穿膜短肽,將生物分子帶入細胞內(nèi)發(fā)生作用,是一種細胞滲透性多肽,具有廣泛的組織相容性、穩(wěn)定性、低毒性和低免疫原性、具有特異的組織及細胞遞送功能、可人工合成及程序簡單等[15]優(yōu)點。其中 9個精氨酸 (9R)是一類含有大量正電荷的堿性氨基酸,其作為一個蛋白轉(zhuǎn)運結(jié)構(gòu)域來使用,它的堿性氨基酸殘基靠近細胞膜表面,然后CPPs發(fā)生旋轉(zhuǎn)使其疏水性氨基酸與細胞膜的疏水核心區(qū)相互作用,最后,細胞膜中的磷脂發(fā)生輕微斷裂,以使 CPPs穿透細胞膜[16]。
p53的基因產(chǎn)物是一種主要集中于核仁區(qū)、能與DNA特異結(jié)合、其活性受磷酸化調(diào)控且很容易降解,很容易因突變而喪失功能的蛋白。由于細胞膜的屏障,使得P53分子很難進入細胞,無法成為治療性蛋白藥物。本文將p53基因與穿膜肽9R基因融合于一體,表達可以穿透細胞膜P53融合蛋白,希望可以為腫瘤的生物治療提供一種新的策略。結(jié)果顯示帶有 9個精氨酸的CPPs-P53融合蛋白抑制腫瘤細胞生長的效果要明顯優(yōu)于沒有穿膜肽的P53。
pHisSUMOexpression質(zhì)粒、pHisSUMO-9R expression質(zhì)粒、表達Escherichia coli菌株Rosetta (含DE3) 由本實驗室保存;人的外周血(志愿者提供);HepG2細胞、U251細胞由本實驗室保存;Trizol購自Invitrogen公司;M-MLV逆轉(zhuǎn)錄酶購自 Promega公司;PMD-18T-simplevector購自TaKaRa公司;T4 DNA連接酶、限制性核酸內(nèi)切酶購自NEB公司;高糖DMEM培養(yǎng)基購自Invitrogen公司;新生牛血清購自Hyclone公司,Ni-NTA Agarose購自Sigma公司;蛋白分子量標(biāo)準(zhǔn)購自Fermentas公司;鼠抗人P53單克隆抗體 (D-07) 購自 DAKO公司;HRP標(biāo)記的羊抗鼠IgG購自Bioscience公司;SUMO蛋白酶由本實驗室表達純化;Annexin V-FITC細胞凋亡檢測試劑盒購于南京凱基生物科技發(fā)展有限公司;質(zhì)粒小提試劑盒、DNA回收試劑盒、PCR產(chǎn)物純化試劑盒均購自TIANGEN公司;所用的引物均由Invitrogen公司合成,引物見表1。
采集志愿者的外周血,用Trizol提取人外周血的總RNA,并經(jīng)RT-PCR擴增出目的片段,PCR反應(yīng)體系為 1.0 μL cDNA 模板,2.5 μL 10×PCR緩沖液,2.0 μL dNTPs 混合液,0.5 μL rTaq聚合酶,2 μL PCR上下游引物 (10 mol/L),滅菌三蒸水補足至25 μL。反應(yīng)條件為:95 5 min℃ ;95 ℃30 s,60 ℃ 30 s,72 ℃ 30 s,30 個循環(huán);72 ℃10 min。每次擴增均設(shè)由三蒸水代替模板的空白對照。產(chǎn)物經(jīng) PCR純化后,連接到 PMD-18-T-simple載體,經(jīng)測序鑒定正確后,與NCBI上公布的人腫瘤蛋白p53(TP53) 基因的mRNA序列完全一致,分別用BsaⅠ和BamHⅠ、XhoⅠ和BamHⅠ雙酶切,然后分別連接到pHisSUMO載體以及 pHisSUMO-9R載體并轉(zhuǎn)化至大腸桿菌Rosetta (DE3) 中進行表達。
將轉(zhuǎn)入重組質(zhì)粒 pHisSUMO-p53以及pHisSUMO-9R-p53的Rosetta (DE3) 劃線培養(yǎng)并挑取單菌落接種于LB培養(yǎng)液中 (含100 mg/L氨芐青霉素) 振蕩培養(yǎng)過夜。將上述培養(yǎng)物按 1%的比例接種于LB培養(yǎng)液中 (含100 mg/L氨芐青霉素) 培養(yǎng)至OD值為0.3~0.4時,加入IPTG進行誘導(dǎo)表達。取不同IPTG濃度、不同誘導(dǎo)時間的誘導(dǎo)菌經(jīng)超聲破碎后離心,將沉淀部分加入與上清相同體積的無菌純水,取菌體、上清部分及沉淀部分進行SDS-PAGE,檢測融合蛋白的表達情況。
取pHisSUMO-p53以及pHisSUMO-9R-p53轉(zhuǎn)化菌大量誘導(dǎo)表達CPPs-P53及P53蛋白。誘導(dǎo)后的菌體用溶解緩沖液 (10 mmol/L咪唑,300 mmol/L NaCl,50 mmol/L NaH2PO4,pH 8.0)重懸后加入溶菌酶至終濃度為1 g/L,冰上放置30 min后超聲破碎,10 000×g、4 ℃離心 30 min,收集上清。上清利用AKTA purifier100系統(tǒng)經(jīng)過HisTrapTM FF crude親和層析,用洗滌緩沖液 (20 mmol/L咪唑,300 mmol/L NaCl,50 mmol/L NaH2PO4,pH 8.0) 洗去雜蛋白后,再用洗脫緩沖液 (250 mmol/L咪唑,300 mmol/L NaCl,50 mmol/L NaH2PO4,pH 8.0) 洗脫,收集唯一的洗脫峰即為融合蛋白。收集的融合蛋白脫鹽后,加入SUMO蛋白酶和終濃度2 mmo l/L的DTT,30 ℃切割1 h,再經(jīng)Ni-NTA柱親和層析,收集流出液進行SDS-PAGE 電泳檢測。
表1 本實驗所用引物Table 1 Primers used in this study
取純化的兩個重組蛋白經(jīng)SDS-PAGE后,將蛋白轉(zhuǎn)移至NC膜上,50 g/L脫脂奶粉室溫封閉1 h,加入鼠抗人P53單克隆抗體 (1/50稀釋),4 ℃孵育過夜。PBST洗膜3次,每次5 min。再加入HRP標(biāo)記羊抗鼠IgG (1/7 500稀釋),37 ℃溫育1 h,PBST和PBS各洗膜3次后,ECL化學(xué)發(fā)光顯影,同時以BSA作為對照。
取對數(shù)生長期人肝癌 HepG2細胞及腦膠質(zhì)瘤細胞U251,經(jīng)0.25%胰酶消化后,用含10%小牛血清的 DMEM 培養(yǎng)液調(diào)節(jié)細胞密度為1×105/mL,并接種于 96孔細胞培養(yǎng)板上,每孔100 μL。置于 37 ℃、5% CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng) 24 h后吸去上層培養(yǎng)液,將純化后CPPs-P53以及P53蛋白稀釋至1 mg/mL,并以此濃度為起始濃度按1∶2倍比稀釋后加入各孔,每孔 200 μL,每個濃度梯度各設(shè)5個復(fù)孔,共設(shè)置7個稀釋度。設(shè)只加入培養(yǎng)液的空白對照及不孵育蛋白的細胞為陰性對照。培養(yǎng)板置于37 ℃、5% CO2培養(yǎng)箱內(nèi)繼續(xù)培養(yǎng)48 h后,每孔加20 μL MTT (5 g/L),繼續(xù)培養(yǎng)4 h后棄去培養(yǎng)液,向每孔加入150 μL二甲亞砜溶解甲瓚,振蕩10 min后檢測A570,以空白組平均值調(diào)零,按以下公式計算抑制率:
細胞生長抑制率=正常細胞孔平均OD值/對照孔平均OD值?實驗孔平均OD值/對照孔平均OD值
將HepG2及U251細胞懸液接種6孔細胞培養(yǎng)板,每孔加2 mL,置37 ℃、5% CO2細胞培養(yǎng)箱培養(yǎng)24 h,根據(jù)MTT結(jié)果,細胞完全貼壁后換濃度為0.25 mg/mL的CPPs-P53和P53的細胞培養(yǎng)液,培養(yǎng)36 h后,用0.25%的胰酶消化細胞 (0.5×106~1×106),用 PBS 洗 2 次,加入 500 mL結(jié)合緩沖液懸浮細胞,加入 FITC標(biāo)記的 5 μL Annexin-V,混勻避光反應(yīng) 30 min,再加入 5 μL PI和300 μL結(jié)合緩沖液,避光反應(yīng)5~15 min后,立即用流式細胞術(shù)定量檢測 (一般不超過1 h),同時以不孵育蛋白的細胞一管作為陰性對照。
從人外周血中提取的 RNA樣品通過 1%的瓊脂糖凝膠電泳進行檢測。從電泳圖中可以清楚地看到28 S,18 S和5 S三條帶,表明總RNA完整性較好,提取的總RNAOD260/OD280分布在1.8~2.0之間,表明質(zhì)量較好 (圖1)。質(zhì)粒經(jīng)PCR后,得到了與預(yù)期結(jié)果1 182 bp大小相同的條帶(圖2)。測序結(jié)果經(jīng)過NCBI上blast比對,與突變株TP53 (GenBank Accession No. NM_000546)同源性達到100%,證明p53目的基因已經(jīng)克隆成功。
圖1 人外周血總RNAFig. 1 Total RNA of human peripheral blood. M: DNA marker; 1?3: total RNA.
圖2 目的基因的克隆Fig. 2 Amplification of p53 and CPPs-p53 by PCR. M:DNA marker; 1: p53; 2: CPPs-p53; 3: negative control.
將獲得p53基因成功地插入高效原核表達系統(tǒng)pHisSUMO-9R載體以及pHisSUMO載體,并轉(zhuǎn)化至大腸桿菌中,成功表達 CPPs-P53融合蛋白以及P53蛋白,兩種重組蛋白在37 ℃時,選取0.25 mmol/L IPTG誘導(dǎo)表達,取不同誘導(dǎo)時間的誘導(dǎo)菌進行SDS-PAGE。結(jié)果顯示,獲得與預(yù)期的蛋白分子量 (約 66 kDa) 大小相一致的CPPs-P53以及P53,但兩種目的蛋白均以包涵體的形式表達。改變誘導(dǎo)溫度為20 ℃,摸索誘導(dǎo)劑IPTG (0.1~1.0 mmol/L) 在不同濃度下的誘導(dǎo)情況。經(jīng)灰度掃描分析,結(jié)果顯示融合蛋白CPPs-P53以包涵體的形式表達 (圖3),目的蛋白P53 90%以上以可溶形式存在 (圖 4)。利用pHisSUMO載體表達外源蛋白時,融合蛋白N端含有6×His標(biāo)簽,可以利用Ni-NTA層析柱進行純化。CPPs-P53表達菌破碎后離心的沉淀經(jīng)包涵體變性復(fù)性以及透析等技術(shù)得到 SUMOCPPs-P53蛋白;P53表達菌破碎后上清經(jīng)親和層析得到唯一的洗脫峰即為SUMO-P53融合蛋白。融合蛋白經(jīng)SUMO ProteaseⅠ酶切并純化后獲得成熟CPPs-P53融合蛋白和P53蛋白 (圖5、6)。經(jīng)Western blotting印跡分析表明,這兩個成熟蛋白均可與鼠抗人 P53的單克隆抗體發(fā)生特異性反應(yīng),而與其他蛋白無反應(yīng),證實了所表達的蛋白的特異性(圖7)。
圖3 目的蛋白pSUMO-P53的表達Fig. 3 SDS-PAGE analysis of expression of SUMO-P53. M: marker; 1: negative control; 2?8:soluble after IPTG induct 1 h, 2 h, 3 h, 4 h; 3?9:inclusion after IPTG induct 1 h, 2 h, 3 h, 4 h.
圖4 目的蛋白SUMO-CPPs-P53的表達Fig. 4 SDS-PAGE analysis of expression of SUMO-CPPs-P53. M: marker; 1: negative control; 2?8:soluble after IPTG induct 1 h, 2 h, 3 h, 4 h; 3?9:inclusion after IPTG induct 1 h, 2 h, 3 h, 4 h.
將HepG2細胞和U251細胞接種于96孔細胞培養(yǎng)板上培養(yǎng)24 h,吸去上層培養(yǎng)液。將純化后的兩種重組蛋白均稀釋至1 mg/mL,并以此濃度為起始濃度按 1∶2倍比稀釋后加入各孔,每個稀釋度5個復(fù)孔,同時設(shè)不加任何蛋白孵育的細胞為陰性對照組;繼續(xù)培養(yǎng)48 h后測定吸光度并計算細胞生長抑制率。以各孔所加蛋白濃度的稀釋度為橫坐標(biāo),以細胞生長抑制率為縱坐標(biāo)作圖 (圖 8、9),從中可以看出 P53蛋白對 HepG2和U251的細胞生長均有一定的抑制作用,而融合蛋白CPPs-P53對HepG2和U251的細胞生長的抑制作用更加顯著,并呈現(xiàn)劑量依賴性。CPPs-P53處理的HepG2細胞的MTT檢測結(jié)果顯示,其細胞生長抑制率比P53高2~8倍。CPPs-P53蛋白對于 U251細胞的 MTT檢測結(jié)果顯示,其抑制率比P53高1~2倍。生物統(tǒng)計學(xué)分析顯示,CPPs-P53融合蛋白與 P53相比對腫瘤細胞的抑制效果更好,差異極顯著 (*P<0.05;**P<0.01)。由此推斷9個精氨酸的穿膜肽能攜帶P53蛋白進入細胞內(nèi)并更好地抑制癌細胞的生長。
圖5 成熟CPPs-P53融合蛋白的制備Fig. 5 Mature CPPs-P53 fusion protein. M: marker; 1:mature CPPs-P53 protein; 2: fusion protein after Protease cleavage.
圖6 成熟P53蛋白的制備Fig. 6 Mature P53 protein. M: marker; 1: fusion protein after Protease cleavage; 2, 3: mature P53 protein.
圖7 CPPs-P53及P53的Western blotting分析Fig. 7 Western blotting analysis of the recombinant CPPs-P53 and P53. 1: BSA; 2: P53; 3: CPPs-P53.
圖8 目的蛋白作用于HepG2細胞的MTT檢測結(jié)果Fig. 8 MTT assay of HepG2 treated with target protein.
細胞生長抑制率=正常細胞孔平均OD值/對照孔平均OD值?實驗孔平均OD值/對照孔平均OD值
圖9 目的蛋白作用于U251細胞的MTT檢測結(jié)果Fig. 9 MTT assay of U251 treated with target protein.
將HepG2及U251接種于6孔細胞培養(yǎng)板,細胞完全貼壁后更換含P53和CPPs-P53的細胞培養(yǎng)液,培養(yǎng)36 h后消化細胞,經(jīng)FITC標(biāo)記的Annexin-V和PI處理過的細胞用流式細胞儀檢測細胞的凋亡,結(jié)果見圖10。圖中Q1門為壞死的細胞,Q2門為晚期凋亡的細胞,Q3門為正常細胞,Q4門為早期凋亡的細胞。圖10A為HepG2空白對照的檢測結(jié)果,晚期凋亡細胞約占3.1%,早期凋亡細胞約為3.2%。圖10B為加入P53蛋白的檢測結(jié)果,晚期凋亡細胞約占 8.2%,早期凋亡細胞約為2.3%。圖10C為加入CPPs-P53融合蛋白的檢測結(jié)果,晚期凋亡細胞約占21.1%,早期凋亡細胞約為1.7%。如圖10A-C所示,與P53相比,CPPs-P53誘導(dǎo) HepG2細胞發(fā)生凋亡的效果更為顯著,晚期凋亡效果尤其顯著,凋亡率提高了12.9%。圖10D為U251空白對照的檢測結(jié)果,晚期凋亡細胞約占 4.8%,早期凋亡細胞約為0.6%。圖10E為加入P53蛋白的細胞檢測結(jié)果,晚期凋亡細胞約占 5.4%,早期凋亡細胞約為1.9%。圖10F為加入CPPs-P53融合蛋白的檢測結(jié)果,晚期凋亡細胞約占14.0%,早期凋亡細胞約為3.1%。如圖10D-F所示,與P53相比,CPPs-P53誘導(dǎo) U251細胞發(fā)生凋亡的效果更為顯著,晚期凋亡的效果顯著,凋亡率提高了8.6%。由此推斷CPPs-P53中的9個精氨酸的穿膜肽能有效攜帶P53蛋白進入細胞內(nèi),顯著提高了HepG2和U251細胞的凋亡。
目前已經(jīng)成藥并應(yīng)用于疾病治療的生物大分子藥物主要有酶、激素、細胞因子以及抗體等,它們或是直接發(fā)揮作用,或是通過細胞膜表面受體發(fā)揮效應(yīng)。而像P53一類的信號傳導(dǎo)蛋白卻因為細胞膜的天然屏障而久久不能得以應(yīng)用,此類蛋白若不能進入細胞,就很容易在機體內(nèi)發(fā)生降解,難以發(fā)揮高效、穩(wěn)定的生物學(xué)作用[17],細胞穿膜肽的出現(xiàn)有望化解這一瓶頸,為多種蛋白分子成藥提供了新的途徑。細胞穿膜肽作為一種具有高效穿膜活性的非病毒載體,不僅轉(zhuǎn)導(dǎo)效率高,而且可以攜帶各種大分子物質(zhì)進入細胞內(nèi),并保持其生物活性,具有廣闊的應(yīng)用前景。而9個精氨酸構(gòu)成的穿膜肽保證了穿膜所需的最大的內(nèi)在化作用,同時其肽分子較短,更有利于其與攜帶的生物分子融合表達[18]。
圖10 P53以及CPPs-P53作用HepG2、U251細胞Annexin V/PI雙染流式細胞儀檢測細胞凋亡率Fig. 10 Apoptotic analyses of HepG2 and U251 treated with P53 and CPPs-P53 by Annexin-V-FITC/PI method. (A)HepG2 blank contrast. (B) Apoptosis of HepG2 treated with P53. (C) Apoptosis of HepG2 treated with CPPs-P53. (D)U251 blank contrast. (E) Apoptosis of U251treated with P53. (F) Apoptosis of U251treated with CPPs-P53.
隨著惡性腫瘤的發(fā)生率越來越高,人們一直在尋求一種有效的治療手段。腫瘤的發(fā)生是多種因素綜合作用的結(jié)果,其中包括各種基因的調(diào)節(jié)作用,原癌基因的激活以及抑癌基因的失活等,而p53基因是目前研究最廣泛而深入的抑癌基因,在細胞受到損害導(dǎo)致 DNA斷裂時,P53蛋白可作用于不同層面引起細胞周期阻滯、凋亡或衰老,保持細胞基因組的完整性并清除損傷細胞,其作用途徑包括誘導(dǎo)多種凋亡相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄或通過非轉(zhuǎn)錄依賴的機制發(fā)揮作用[19]。一旦p53基因缺失或突變失活,則將導(dǎo)致細胞惡性轉(zhuǎn)化、無限制增殖從而引發(fā)癌癥,因此如果將P53蛋白導(dǎo)入腫瘤細胞就能發(fā)揮有效的抗腫瘤作用[20]。
P53蛋白本身就是核內(nèi)磷酸化蛋白,必須進入到核內(nèi)才能發(fā)揮其功能,因此將P53蛋白帶到細胞內(nèi)部成為首要解決的問題。本實驗成功構(gòu)建質(zhì)粒 pHisSUMO-p53以及 pHisSUMO-9R-p53,并在E. coli表達系統(tǒng)中大量表達,純化獲得了重組的P53及CPPs-P53蛋白。通過Western blotting檢測顯示表達的蛋白分子量正確,經(jīng)灰度分析表明蛋白純度均高于 90%以上。MTT及 Annexin V/PI雙染檢測細胞凋亡的實驗中,MTT檢測表明重組 P53對腫瘤細胞的生長有一定的抑制作用,CPPs-P53與 P53相比,對腫瘤細胞的生長抑制效果更加顯著,并且細胞生長抑制率呈現(xiàn)劑量依賴性。MTT檢測結(jié)果顯示,CPPs-P53對HepG2細胞的生長抑制效果尤為突出,細胞生長的抑制率可高達P53的8倍,對U251的抑制率也達到了P53的2倍。AnnexinV/PI雙染檢測細胞凋亡的結(jié)果表明 P53可以在一定程度上誘導(dǎo)細胞的凋亡,CPPs-P53與 P53相比,細胞凋亡率明顯增加,對于HepG2和U251兩種細胞的凋亡率均提高了 2~3倍??傊?R攜帶的 P53(CPPs-P53) 在抑制腫瘤細胞的生長方面比沒有穿膜肽的P53蛋白效果更顯著,同時也驗證了9個精氨酸確實有攜帶P53進入細胞的作用。
現(xiàn)如今,生物大分子治療疾病的報道如雨后春筍般涌現(xiàn),各種藥物載體之間的聯(lián)合使用、與高分子聚合物的結(jié)合,在腫瘤靶向治療[21]、基因治療、增強藥物吸收、建立新型給藥方式及炎癥免疫治療等研究領(lǐng)域均具有良好的應(yīng)用前景。目前,尚未發(fā)現(xiàn)有9R攜帶P53融合蛋白治療癌癥的報道。雖有表達PTD-P53及11R-P53融合蛋白的研究,但報道的內(nèi)容均局限于細胞穿膜肽可以將蛋白分子帶入細胞內(nèi)部的驗證。本實驗報道了9個精氨酸攜帶的P53蛋白對于腫瘤細胞的生長存在抑制作用并能高效誘導(dǎo)細胞凋亡。對于依賴于病毒載體的基因治療,可以將 9R-P53插入病毒表達載體中,以融瘤的方式治療癌癥;對于不依賴于病毒載體的基因治療,可以通過表達能穿透細胞膜的重組的融合蛋白進行基因調(diào)控治療癌癥。本實驗驗證了帶有9R穿膜肽的P53的抗腫瘤效果,為進一步研究P53在細胞內(nèi)的作用機制,應(yīng)用P53蛋白進行腫瘤的生物治療提供了一種新的思路和策略,為開辟腫瘤治療新途徑奠定了重要基礎(chǔ)。
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