常敏惠,王蘭,張左兵
山西大學 生命科學學院,山西 太原 030006
斑馬魚ID1啟動子體內(nèi)外活性分析
常敏惠,王蘭,張左兵
山西大學 生命科學學院,山西 太原 030006
目的:分析斑馬魚分化抑制因子1(ID1)啟動子在體內(nèi)、外的活性情況,為研究ID1基因表達調(diào)控奠定基礎。方法:通過構(gòu)建斑馬魚ID1啟動子不同長度螢光素酶報告質(zhì)粒,分別以鯉魚上皮瘤細胞(EPC)和斑馬魚胚胎為材料進行體外轉(zhuǎn)染和體內(nèi)注射,并采用雙螢光素酶報告系統(tǒng)對不同長度ID1啟動子活性進行評估。結(jié)果:在體內(nèi)、外實驗中,不同長度ID1啟動子活性均表現(xiàn)出隨啟動子長度變化而變化的情況;啟動子活性變化趨勢在體內(nèi)和體外并不一致,呈現(xiàn)出較大差異性。結(jié)論:ID1啟動子活性隨長度變化而表現(xiàn)不同,說明啟動子上存在許多順式調(diào)控元件,且體內(nèi)、外ID1活性變化可能受多種因素的影響,提示不同細胞中的調(diào)控機制有所不同。
斑馬魚;分化抑制因子1(ID1);啟動子;雙螢光素酶報告系統(tǒng)
分化抑制因子(inhibitor of differentiation protein,ID)也稱作DNA結(jié)合抑制因子,是螺旋-環(huán)-螺旋(helix-loop-helix,HLH)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子家族成員,缺少與DNA結(jié)合所必需的堿性氨基酸序列,可通過與堿性HLH(bHLH)分子形成異二聚體,對bHLH轉(zhuǎn)錄因子起負調(diào)節(jié)作用[1]。ID家族蛋白參與生物體多種發(fā)育過程,并具有促進細胞周期進程,抑制細胞分化、凋亡,誘導細胞增殖,參與腫瘤性血管新生、腫瘤的侵襲和轉(zhuǎn)移等重要作用,具有癌基因?qū)傩訹2]。截至目前,哺乳動物已知的ID蛋白有ID1、ID2、ID3和ID4,近年來以ID1的研究最多。研究表明,ID1在20多種人類腫瘤中均過量表達,且ID1上調(diào)程度與腫瘤惡化程度及病情復雜性相關(guān)[3-5]。部分與ID1相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子功能及其所結(jié)合ID1啟動子上特異的順式作用元件相繼被發(fā)現(xiàn)。Benezra等發(fā)現(xiàn),在血清刺激下,Egr-1可與其他蛋白形成復合體,并結(jié)合于ID1基因上游-1.5 kb處,促進ID1表達上調(diào)[6];Birkebkamp等則發(fā)現(xiàn),F(xiàn)OXO3a可以結(jié)合于ID1啟動子,抑制ID1的表達[7]。這些實驗均是在小鼠或人體細胞等哺乳動物細胞中完成的,在其他物種的細胞及整體體內(nèi)活性尚未見報道。斑馬魚(Danio rerio)作為脊椎動物模式物種,具有體型小、子代數(shù)量多、飼養(yǎng)成本低等優(yōu)勢,因為與人類基因具有高度的同源性,被廣泛應用于構(gòu)建人類疾病模型及相關(guān)藥物篩選等研究[8-9]。本研究以斑馬魚為材料,通過構(gòu)建ID1啟動子不同長度的報告質(zhì)粒,并利用雙螢光素酶報告系統(tǒng)對導入EPC細胞及斑馬魚胚胎的ID1啟動子的活性進行檢測。
1.1 材料
鯉魚上皮瘤細胞(endothelial progenitor cells,EPC)由中國科學院水生生物研究所惠贈;M199培養(yǎng)基(Hyclone公司);胎牛血清(杭州四季青公司);KOD-plus-neo(ToYoBo公司);DL5000 DNA marker、LATaq酶(TaKaRa公司);動物組織基因組提取試劑盒(康為世紀公司);E.Z.N.A.Endofree Plasmid Mini Kit、E.Z.N.A.Gel Extraction Kit(Omega公司);Trans5αChemically Competent Cell(全式金公司);Dual-Luciferase Reporter Assay System(Promega公司);lipo2000(Invitrogen公司);PLI-100 Pico-Injector(Harvard公司);PC-10 Puller(Narishige公司)。
1.2 質(zhì)粒構(gòu)建
取野生型性成熟斑馬魚3~5條,剪取少量腹鰭或尾鰭,用試劑盒提取基因組DNA,以此為模板,通過巢式PCR擴增得到ID1啟動子序列(2818 bp)。反應體系:10×LATaq酶緩沖液Ⅱ5 μL、dNTP(2.5 mmol/L)8μL、LATaq酶0.5μL、10μmol/L引物0.25μL,用去離子水補充至50 μL。PCR反應程序:94℃預變性1 min;98℃變性10 s,65℃退火30 s,72℃延伸3 min,35個循環(huán);72℃終延伸10 min;16℃保溫。以第一輪PCR產(chǎn)物的1/100稀釋燁為模板進行第二輪PCR,反應體系及程序同前。PCR產(chǎn)物凝膠電泳后與空載體pGL3同時用KpnⅠ/XhoⅠ于37℃雙酶切過夜,4℃連接過夜,連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)化大腸桿菌DH5α感受態(tài)細胞,培養(yǎng)12 h后挑取陽性單克隆進行菌液PCR及測序驗證,用去內(nèi)毒素質(zhì)粒提取試劑盒提取質(zhì)粒,以此質(zhì)粒為模板,將ID1啟動子序列從上游依次截短300 bp構(gòu)建其余質(zhì)粒。
1.3 細胞培養(yǎng)及轉(zhuǎn)染
EPC于含10%胎牛血清及1%雙抗(青霉素/鏈霉素)的M199培養(yǎng)基中培養(yǎng),培養(yǎng)條件為25℃、恒溫、恒濕、5%CO2。以1×105~1.5×105/孔的密度鋪布在24孔板中,靜置過夜,待細胞長至70%~80%時進行質(zhì)粒轉(zhuǎn)染。轉(zhuǎn)染時,每孔加入0.1μg啟動子質(zhì)粒、0.02μg pRL-TK、0.36μL lipo2000。先將質(zhì)粒和lipo2000分別加入50μL無血清的M199培養(yǎng)基中,混勻后室溫靜置5 min,再將2份培養(yǎng)基混合,室溫靜置20 min,以每孔100μL加入細胞培養(yǎng)板,前后混勻,25℃培養(yǎng)過夜。轉(zhuǎn)染24 h后吸凈混合液,每孔加入100 μL 1×PLB裂解液,15 min后將細胞裂解液置于冰上,用于后續(xù)雙螢光素酶活性檢測。
1.4 雙螢光素酶報告系統(tǒng)檢測
對螢光素酶的活性檢測,依據(jù)Promega公司Dual-Luciferase Reporter細胞培養(yǎng)板中的混合液,加入100μL細胞裂解液(1×PLB),室溫裂解15 min,將裂解液∶LARⅡ∶Stop&Glo按1∶5∶5的比例加入試劑檢測讀數(shù),設置參數(shù)(reading time:10 s,delay time:2 s,speed:3 s),記錄Firefly Luc/ Renilla Luc比值,以空載體pGL3 basic和pRL-TK共轉(zhuǎn)染檢測值作為對照。所得數(shù)據(jù)用GraphPad Prism 6軟件進行統(tǒng)計學分析。
1.5 胚胎顯微注射
AB系親魚以雌雄1∶1的比例放入配魚專用缸(每缸4尾),雌雄魚用隔板隔開,次日光周期開始后抽開隔板,待產(chǎn)卵后將卵收集洗凈,在1~2細胞期將外源質(zhì)粒(30 ng/μL)1~2 nL注入胚胎動物極,加入適量養(yǎng)魚水培養(yǎng)至發(fā)育72 h,取4~6個重復(10條/重復)勻漿裂解,檢測螢光素酶活性。
2.1 質(zhì)粒構(gòu)建
從斑馬魚基因組DNA中擴增到ID1啟動子序列,經(jīng)KpnⅠ和XhoⅠ雙酶切后插入pGL3-basic質(zhì)粒,構(gòu)建螢光素酶報告質(zhì)粒,測序長度為2818 bp,將此質(zhì)粒命名為ID1pro-2.8k。以ID1pro-2.8k質(zhì)粒為基礎,用同樣方法構(gòu)建其余截短質(zhì)粒(所用引物見表1)ID1pro-2.5k(2523 bp)、ID1pro-2.3k(2280 bp)、ID1pro-2.0k(1947 bp)、ID1pro-1.7k(1670 bp)、ID1pro-1.4k(1399 bp)、ID1pro-1.2k(1104 bp)、ID1pro-0.9k(867 bp)和ID1pro-0.7k(590 bp)。見圖1、2。
2.2 不同長度啟動子在EPC中的活性
表1 擴增ID1啟動子片段所用引物
圖1 構(gòu)建入pGL3.0的ID1啟動子片段截短的示意圖
不同長度ID1啟動子報告質(zhì)粒轉(zhuǎn)染EPC 24 h后裂解細胞,檢測螢光素酶基因的表達量(n= 6),經(jīng)SPSS 13.0軟件分析,所有啟動子組表達量相比于對照pGL3-basic組均有顯著升高,依次分別約為對照組的244倍、178倍、225倍、417倍、158倍、184倍、263倍、114倍、76倍和18倍(圖3)。在ID1pro-2.0k處螢光素酶基因的表達量最高,ID1pro-1.2k次之,之后啟動子活性伴隨長度縮短而降低,整體呈現(xiàn)一個“M”形變化趨勢。
2.3 不同長度啟動子在斑馬魚體內(nèi)的活性
將各ID1啟動子質(zhì)粒顯微注射入斑馬魚1~2細胞期胚胎,待魚體發(fā)育至72 h,取10條/重復(n=3),勻漿,檢測螢光素酶活性,經(jīng)SPSS 13.0分析,ID1pro-2.8k組表達量相比于其他組均有顯著性升高。從趨勢上看,除ID1pro-2.8k組之外,表達量較高的2組分別為ID1pro-2.3k和ID1pro-1.4k,與體外實驗比較發(fā)生了左方向偏移(圖4)。
圖2 含ID1啟動子質(zhì)粒的雙酶切鑒定
圖3 不同長度ID1啟動子在EPC中的活性變化
圖4 不同長度ID1啟動子在斑馬魚體內(nèi)活性變化
ID1是HLH蛋白家族V型亞家族中的一員,此亞家族在哺乳動物有ID1~ID4等4個蛋白成員,以ID1的研究最多,它們對一些生物發(fā)育進程常常會起負調(diào)節(jié)作用,如細胞的分化、衰老、凋亡,神經(jīng)的形成,血管生成等[10-17]。ID蛋白家族缺乏堿性DNA結(jié)合區(qū),通過高度保守的HLH結(jié)構(gòu)域與bHLH蛋白形成異二聚體,從而抑制一些bHLH轉(zhuǎn)錄因子的功能。目前已知的有肌源性調(diào)節(jié)因子(MyoD、Myf5、MRF4/Myf6)、E蛋白(E12、E47、E2-2、TCF12)[18-22]。此外,還有一些非HLH蛋白,如Ets2、MIDA1。
ID1是癌癥研究中的明星分子,很多癌癥的發(fā)生與進程均有ID1參與。啟動子作為決定基因活動的開關(guān)而備受關(guān)注。許多研究證實,在一些癌癥相關(guān)的信號通路中,特殊的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合于ID1啟動子上的順式元件作用位點,從而啟動或抑制ID1表達[23-25]。斑馬魚是一個很好的用于研究這些作用的物種。我們通過逐步截短斑馬魚ID1啟動子片段,構(gòu)建了9個具有5'端不等、3'端平齊的啟動子的雙螢光素酶報告基因重組質(zhì)粒,通過體內(nèi)、外實驗檢測了ID1啟動子活性,所構(gòu)建的質(zhì)粒均包含ID1啟動子活性區(qū),定位了ID1啟動子關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄調(diào)控位置為-1.2k~-2.0k(~800 bp)處,并且還發(fā)現(xiàn)在體內(nèi)、外實驗中,ID1啟動子活性呈現(xiàn)出不同的變化趨勢和規(guī)律,提示ID1啟動子活性所受調(diào)控的機制比較復雜,不同細胞間可能存在差異。Kang等[6]在研究TGFβ調(diào)節(jié)ID1基因的表達時發(fā)現(xiàn),TGFβ對人ID1基因表達的影響在不同細胞中隨刺激時間的變化而出現(xiàn)促進和抑制的雙向效應;Liang等[26]則進一步發(fā)現(xiàn),這種雙向調(diào)節(jié)效應取決于TGFβ所引起的ID1啟動子上組蛋白的乙?;潭?。這2項研究說明,ID1啟動子活性除了受到特定的反式作用因子調(diào)節(jié)外,還可能受到一些轉(zhuǎn)錄后修飾作用的影響;斑馬魚胚胎顯微注射為在體內(nèi)分析啟動子活性提供了可能性,且內(nèi)參質(zhì)粒極大地避免了注射量不同帶來的組內(nèi)個體差異。但是,由于外源質(zhì)粒只能短暫表達,因此此法只能檢測一些短期作用因子的變化[27]。此外,斑馬魚在胚胎發(fā)育過程中基因表達的時空差異性及相互作用也可能導致ID1啟動子活性發(fā)生變化。具體的調(diào)控機制、重要的順式作用元件還有待于進一步研究。
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Avtivity Analysis of Zebrafish ID1 Promoter Through In Vitro and In Vivo Study
CHANG Min-Hui,WANG Lan*,ZHANG Zuo-Bing*
School of Life Sciences,Shanxi University,Taiyuan 030006,China
*Co-corresponding authors,WANG Lan,E-mail:lanwang@sxu.edu.cn;ZHANG Zuo-Bing,E-mail:zbzhang@sxu.edu.cn
Objective:To explore the biological activity of zebrafish ID1(inhibitor of differentiation/DNA binding protein 1)promoter throughin vitroandin vivostudy,and to provide basis for expression regulation study for ID1 gene.Methods:A set of zebrafish ID1 promoter with different length were amplified from genomic DNA and inserted to luciferase vector pGL3-basic,and subsequently were transfected into endothelial progenitor cells(EPC)and microinected into zebrafish embyo at 1~2 cell stage.The promoter activity was determined with the dual-luciferase reporter system assay.Results:The ID1 promoter activity varied as the length change,and thein vivoandin vtrostudies presented great different paterns.Conclusion:The different promoter activity betweenin vitroandin vivostudy indicate that there are a lot of cis-acting element located at the ID1 promoter,and the regulatory mechanism of ID1 promoter are different in different types of cells.
zebrafish;ID1(inhibitor of differentiation/DNA binding protein 1);promoter;dual-luciferase reporter
Q78
A
1009-0002(2017)03-0308-05
10.3969/j.issn.1009-0002.2017.03.013
2016-12-22
國家自然科學基金(31672293);高等學校博導類基金(20111401110010);山西省特色學科重點項目(2011-SXDX-SWX-003);山西省留學基金(2014-013);山西省高等學校優(yōu)秀青年學術(shù)帶頭人支持計劃
常敏惠(1990-),女,碩士研究生,(E-mail)1085972754@qq.com
王蘭,(E-mail)lanwang@sxu.edu.cn;張左兵,(E-mail)zbzhang@sxu.edu.cn