滑留帥,王 璟,白 杰,朱肖亭,陳付英,于 翔,楚秋霞,辛?xí)粤?,徐照學(xué),趙洪昌,王二耀
(河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 畜牧獸醫(yī)研究所,河南省畜禽繁育與營養(yǎng)調(diào)控重點(diǎn)實驗室,河南 鄭州 450002)
隨著動物轉(zhuǎn)基因技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展,轉(zhuǎn)基因動物在家畜改良、醫(yī)藥衛(wèi)生、生物制藥等方面均具有廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。慢病毒載體作為一類來源于逆轉(zhuǎn)錄病毒的載體,能夠?qū)⒛康幕蛘系剿拗骷?xì)胞染色體中,長期穩(wěn)定表達(dá)外源基因,同時其具備轉(zhuǎn)染效率高、可感染分裂期和非分裂期細(xì)胞、容納外源性基因片段大等優(yōu)點(diǎn),是制備轉(zhuǎn)基因動物的一種高效工具[3-4]。
脂肪酸結(jié)合蛋白4(Fatty acid binding protein 4,F(xiàn)ABP4)是脂肪酸結(jié)合蛋白超家族的一員,能夠促進(jìn)脂肪酸的代謝和轉(zhuǎn)運(yùn),調(diào)控脂類生成及降解,從而對于畜禽肉品的嫩度和肌內(nèi)脂肪含量具有重要的調(diào)控作用[5-6]。FABP4基因中的多個單核苷酸多態(tài)性(SNPs)被證明與家畜的肌內(nèi)脂肪含量和肉質(zhì)顯著相關(guān)[7-8]。在肌肉來源的干細(xì)胞中(MDSCs)異位表達(dá)FABP4,能夠誘導(dǎo)MDSCs向類脂肪細(xì)胞轉(zhuǎn)化[9]。利用體細(xì)胞核移植獲得FABP4轉(zhuǎn)基因牛,目前健康狀況良好,外源性FABP4基因在體內(nèi)能夠正常表達(dá),且轉(zhuǎn)基因牛FABP4表達(dá)量較野生型大幅升高,說明動物活體內(nèi)過表達(dá)FABP4未發(fā)現(xiàn)明顯的有害作用[5]。這些相關(guān)的研究證據(jù)均證明,F(xiàn)ABP4基因可以作為轉(zhuǎn)基因動物研究的重要候選基因,用于高效改良畜禽的肉品品質(zhì)。
小尾寒羊是在黃淮平原農(nóng)區(qū)特定的生態(tài)條件下,經(jīng)過自然選擇和培育形成的肉、裘兼用品種,具有生長發(fā)育快、早熟、繁殖能力強(qiáng)、遺傳性能穩(wěn)定、適應(yīng)性強(qiáng),被定為名畜良種,并被列入了《國家畜禽遺傳資源保護(hù)目錄》[10]。利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)制備FABP4轉(zhuǎn)基因小尾寒羊?qū)τ谛∥埠蛭磥淼钠贩N保護(hù)、開發(fā)與利用具有重要的意義。
本研究擬通過制備小尾寒羊原代成纖維細(xì)胞、構(gòu)建FABP4基因慢病毒表達(dá)載體,進(jìn)而制備穩(wěn)定表達(dá)FABP4基因的小尾寒羊成纖維細(xì)胞系,旨在為轉(zhuǎn)基因羊育種以及細(xì)胞水平分析FABP4基因的功能提供材料。
1.1.1 小尾寒羊耳緣組織樣品的采集 試驗動物在河南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究開發(fā)基地養(yǎng)殖,耳緣組織樣品采集方法為:①用肥皂水和生理鹽水徹底清洗采樣部位;②用手術(shù)刀片將采樣部位的毛刮掉,使耳緣組織裸露;③分別使用碘酊棉球和酒精棉球?qū)Σ蓸硬课幌?;④使用耳缺鉗或剪刀將采樣部位取下,迅速放入PBS溶液中清洗血污;⑤將組織塊轉(zhuǎn)入75%的乙醇中浸泡20 s;⑥轉(zhuǎn)入含青鏈霉素的PBS溶液中清洗3遍;⑦將組織塊轉(zhuǎn)入含青鏈霉素的1×DMEM培養(yǎng)基中,室溫下6 h內(nèi)帶入實驗室。
1.1.2 應(yīng)用組織塊法培養(yǎng)小尾寒羊原代成纖維細(xì)胞 將組織樣品帶入實驗室后,原代成纖維細(xì)胞的培養(yǎng)方法為:①首先使用手術(shù)刀片對組織樣品進(jìn)行修剪,去除殘留的毛和血污;②將組織塊在75%的乙醇中浸泡20 s;③用含青鏈霉素的PBS溶液清洗3次;④將組織塊轉(zhuǎn)入2 mL EP管中,用眼科剪將組織塊剪成小于1 mm3的小組織塊,剪時加入1/2組織塊體積的高血清培養(yǎng)基(1×DMEM,20%的血清,1×青鏈霉素);⑤將剪碎的組織塊均勻貼在60 mm或100 mm的培養(yǎng)皿中;⑥37 ℃、5% CO2培養(yǎng)4 h;⑦加入適量的高血清培養(yǎng)基;⑧每48 h換液一次,直至細(xì)胞在組織塊周圍匯合形成單層。
1.1.3 傳代與凍存 待培養(yǎng)皿內(nèi)的原代細(xì)胞形成單層時,用胰蛋白酶溶液(0.05% Trypsin-EDTA,Gibco:25300-054)將成纖維細(xì)胞從培養(yǎng)皿上消化下來,進(jìn)行傳代培養(yǎng)。避免消化時間過長,否則可能會將貼壁更牢的上皮細(xì)胞同時消化下來,造成污染。傳代后的培養(yǎng)條件為:完全培養(yǎng)基(1×DMEM,10%的血清,1×青鏈霉素)、37 ℃、5% CO2。等傳代后的細(xì)胞生長至80%匯合度,及時進(jìn)行凍存,凍存液的配方為:40% DMEM培養(yǎng)基、10% DMSO和50%的血清。
1.2.1 羊FABP4基因的克隆 使用全基因合成的方法獲得綿羊FABP4基因的CDS全長,參考序列為NCBI:NM_001114667。序列合成時在翻譯起始位點(diǎn)(ATG)上游添加了Kozak序列和限制性內(nèi)切酶切位點(diǎn)EcoRⅠ,添加的序列為:5′-CCGGAATTCC
1.2.2 慢病毒載體的構(gòu)建 使用的慢病毒載體為PEB-GP(輝駿生物,廣州),載體的主要結(jié)構(gòu)為:CMV-MCS-EF1-copGFP-T2A-Puro。首先分別使用限制性內(nèi)切酶EcoRⅠ和BamHⅠ雙酶切目的基因質(zhì)粒puc57-FABP4和慢病毒載體PEB-GP,膠回收純化后使用T4連接酶將FABP4基因片段和PEB-GP片段連接為PEB-GP-FABP4,將連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)入感受態(tài)細(xì)胞中,篩選陽性克隆后測序,測序引物為,CMV-F:5′-CGCAAATGGGCGGTAGGCGTG-3′。
1.2.3 慢病毒的包裝 首先在完全培養(yǎng)基(1×DMEM,10% FBS,1×青鏈霉素)中將293T細(xì)胞培養(yǎng)至80%匯合度。然后用轉(zhuǎn)染試劑脂質(zhì)體2000(Invitrogen,11668-027)將包裝質(zhì)粒(pLP1、pLP2、pLP/VSVG)與表達(dá)質(zhì)粒(PEB-GP-FABP4)共轉(zhuǎn)染293T細(xì)胞。轉(zhuǎn)染前2 h換液為無抗性培養(yǎng)基(1×DMEM,10% FBS);轉(zhuǎn)染時質(zhì)粒pLP1、pLP2、pLP/VSVG和PEB-GP-FABP4的使用量為每100 mm培養(yǎng)皿分別添加6.5,3.5,3.5,12.0 μg;轉(zhuǎn)染4~6 h后換液為低血清培養(yǎng)基(1×DMEM,2% FBS,1×青鏈霉素);轉(zhuǎn)染48,72 h后分別收集上清,3 000 r/min 4 ℃離心10 min,取上清用0.45 μm微孔濾器過濾后-80 ℃保存。
1.2.4 慢病毒滴度測定 采用逐孔稀釋法測定慢病毒的滴度,步驟為:①滴度測定前1 d,將293T細(xì)胞接種至96孔板中,每孔的細(xì)胞數(shù)目約為1.0×104個,培養(yǎng)基體積為100 μL。②取10個無菌的EP管,每管加入90 μL新鮮的完全培養(yǎng)基,之后取10 μL病毒原液加入第一個EP管中,混勻后從中吸取10 μL加入第二個EP管中;以此類推,將病毒原液依次地進(jìn)行10倍稀釋。③每個細(xì)胞培養(yǎng)孔小心吸去10 μL培養(yǎng)基(共10個孔),之后分別加入稀釋好的病毒液10 μL,其中第一孔相當(dāng)于添加了病毒原液1 μL。④將接種好病毒的細(xì)胞培養(yǎng)板放回37 ℃、5% CO2培養(yǎng)箱中,48 h后,每孔分別加入新鮮培養(yǎng)基100 μL。⑤96 h后觀察熒光表達(dá)情況,數(shù)出最后2個含有熒光細(xì)胞的孔中的熒光細(xì)胞個數(shù);病毒原液的滴度值=熒光細(xì)胞個數(shù)/稀釋后的病毒量。若第6個孔的發(fā)光個數(shù)為3個,則病毒液的滴度為3×103/10-5=3×108(TU/mL)。
1.3.1 慢病毒感染細(xì)胞 在6孔板內(nèi)接種小尾寒羊原代成纖維細(xì)胞,待細(xì)胞生長至50%匯合度時,進(jìn)行慢病毒感染。操作步驟:①冰浴解凍慢病毒;②用無血清培養(yǎng)基1∶1稀釋病毒液;③去除6孔板內(nèi)的培養(yǎng)基,加入稀釋過的病毒液,同時在培養(yǎng)基中加入8 μg/mL的Ploybrene;④在培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)4 h后,更換為完全培養(yǎng)基;⑤在培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h后,在倒置熒光顯微鏡下觀察熒光并檢測感染效率。
1.3.2 嘌呤霉素篩選穩(wěn)定轉(zhuǎn)染細(xì)胞 操作步驟:①慢病毒感染細(xì)胞48 h后,更換為新的培養(yǎng)基,同時在培養(yǎng)基中添加5 μg/mL的嘌呤霉素;②每48 h更換新的添加抗生素的培養(yǎng)基,直至細(xì)胞不再大量死亡,且在熒光顯微鏡下所有細(xì)胞均能觀察到綠色熒光;③然后更換為含1 μg/mL嘌呤霉素的完全培養(yǎng)基繼續(xù)擴(kuò)大培養(yǎng),擴(kuò)大培養(yǎng)后的細(xì)胞系在液氮中凍存?zhèn)溆谩?/p>
1.3.3 利用Western Blot鑒定FABP4基因的表達(dá)水平 操作步驟:①制備樣品。復(fù)蘇細(xì)胞,等細(xì)胞生長至80%匯合度時,收獲細(xì)胞,使用RIPA裂解液和PMSF裂解細(xì)胞,然后使用BCA蛋白濃度測定試劑盒測定樣品中的蛋白濃度,并調(diào)整試驗樣品和對照組為同一濃度。②電泳。制備10%的SDS-PAGE分離樣品。③轉(zhuǎn)膜。電泳結(jié)束后,將凝膠從玻璃板中取出,然后按照轉(zhuǎn)膜儀操作要求,將凝膠中的蛋白轉(zhuǎn)移至PVDF膜上。④封閉。取出蛋白膜置于封閉液中,在37 ℃ 260 r/min,封閉1 h。⑤一抗孵育。將封閉過的蛋白膜置于稀釋過的一抗中(兔源FABP4一抗:生工D220618;鼠源GAPDH一抗:生工D190090),在37 ℃ 260 r/min,孵育1 h。⑥二抗孵育。將一抗孵育過的蛋白膜置于稀釋過的二抗中(HRP標(biāo)記的羊抗兔IgG:生工D110058;HRP標(biāo)記的羊抗鼠IgG:生工D110087),在37 ℃ 260 r/min,孵育1 h。⑦顯影。使用ECL化學(xué)發(fā)光試劑盒(碧云天P0018)進(jìn)行顯影,然后使用成像系統(tǒng)進(jìn)行拍照。
組織塊在培養(yǎng)箱中培養(yǎng)3 d后,能夠觀察到零星的細(xì)胞從組織塊周圍游出,第4天后在大部分組織塊周圍均能夠觀察到細(xì)胞簇存在,細(xì)胞呈長梭形,立體感強(qiáng)(圖1-A)。繼續(xù)培養(yǎng)4 d后,成纖維細(xì)胞可圍繞組織塊形成單層。用胰蛋白酶在37 ℃消化5 min后,能夠觀察到成纖維細(xì)胞縮成圓形并成片脫落,但上皮細(xì)胞仍然繼續(xù)貼壁(圖1-B),因此,根據(jù)成纖維細(xì)胞與上皮細(xì)胞對胰蛋白酶敏感性的差異,消化時及時收獲細(xì)胞能夠?qū)⒊衫w維細(xì)胞進(jìn)行分離純化。收獲的細(xì)胞繼續(xù)傳代2~3次后,得到了較純的小尾寒羊原代成纖維細(xì)胞(圖1-C)。
利用全基因合成方法獲得了綿羊FABP4基因的CDS區(qū)全長片段,合成后的片段被克隆至puc57質(zhì)粒,對puc57-FABP4質(zhì)粒進(jìn)行測序表明,合成的序列與模板序列完全一致,沒有突變,F(xiàn)ABP4基因CDS區(qū)全長為399 bp,編碼132個氨基酸。
用限制性內(nèi)切酶EcoRⅠ和BamHⅠ分別雙酶切質(zhì)粒puc57-FABP4和慢病毒質(zhì)粒PEB-GP后,通過膠回收和T4連接酶連接,將FABP4基因片段亞克隆至PEB-GP中,成功構(gòu)建了慢病毒載體PEB-GP-FABP4,對載體的雙酶切鑒定圖譜見圖2。同時對質(zhì)粒PEB-GP-FABP4進(jìn)行測序表明,亞克隆過程沒有發(fā)生序列變異。
A.組織塊培養(yǎng)4 d;B.胰蛋白酶消化原代細(xì)胞;C.傳代后的原代細(xì)胞。A.Tissue culture for 4 days; B.Digestion of the primary fibroblasts by trypsin; C.Primary fibroblasts after passage.
使用EcoR Ⅰ和BamH Ⅰ雙酶切后質(zhì)粒呈現(xiàn)2條帶,其中8 200 bp的條帶為慢病毒質(zhì)粒骨架,412 bp的條帶為FABP4基因片段。
The vector displays two bands after digestion byEcoRⅠ andBamHⅠ,in which the band of 8 200 bp is the backbone of the lentiviral vector,while the band of 412 bp is theFABP4 fragment.
圖2慢病毒載體PEB-GP-FABP4的雙酶切鑒定
Fig.2VerificationofthelentiviralvectorPEB-GP-FABP4bydoubleenzymedigestion
將慢病毒載體PEB-GP-FABP4和包裝質(zhì)粒(pLP1、pLP2、pLP/VSVG)用轉(zhuǎn)染試劑共轉(zhuǎn)染293T細(xì)胞后,分別在48,72 h收集了上清液,離心和過濾后進(jìn)行了慢病毒滴度測定。測定結(jié)果表明,當(dāng)在96孔板中添加病毒原液量為10-4μL時,觀測不到熒光。當(dāng)添加量為10-3μL,能夠觀測到熒光,說明獲得慢病毒的滴度為1×106TU/mL以上(圖3)。
用制備的慢病毒感染小尾寒羊原代成纖維細(xì)胞48 h后,觀察熒光表明,大約70%以上的細(xì)胞能夠觀察到綠色熒光,說明制備的慢病毒對小尾寒羊原代成纖維細(xì)胞具有較高的感染效率(圖4-A1、A2)。在培養(yǎng)基中添加5 μg/mL的嘌呤霉素后,24 h能夠觀察到部分細(xì)胞死亡,繼續(xù)加藥篩選48 h后,細(xì)胞狀態(tài)趨于穩(wěn)定,不再觀察到大量的細(xì)胞死亡現(xiàn)象。用含1 μg/mL嘌呤霉素的完全培養(yǎng)基繼續(xù)培養(yǎng)并傳代2次后,在熒光顯微鏡下所有的細(xì)胞均能觀察到綠色熒光(圖4-B1、B2)。利用Western Blot檢測了細(xì)胞中FABP4蛋白的表達(dá)水平,結(jié)果表明,在對照組幾乎檢測不到FABP4的表達(dá),而在病毒感染組則能夠清晰的觀察到FABP4蛋白的表達(dá),說明成功獲得了穩(wěn)定表達(dá)FABP4的小尾寒羊成纖維細(xì)胞系(圖4-C1、C2)。
第1行和第2行分別是添加不同量的病毒液后,96 h時觀察的熒光照片和白場照片。The first row and the second row displays the fluorescent and white field photograph 96 hours after infected by different amounts of viral fluid,respectively.
A1、A2.慢病毒感染小尾寒羊成纖維細(xì)胞系48 h后的熒光表達(dá)和白場照片(×40);B1、B2.用嘌呤霉素篩選后的熒光表達(dá)和白場照片(×40);C1.應(yīng)用Western Blot鑒定對照組和病毒感染組中FABP4蛋白的表達(dá)情況;C2.內(nèi)參基因GAPDH在對照組和病毒感染組中的表達(dá)情況。
A1,A2.The fluorescent and white field photograph of the fibroblasts 48 hours after infected by lentivirus (×40); B1,B2.The fluorescent and white field photograph of the fibroblasts purified by puromycin(×40); C1.Expression identification of the FABP4 in the virus infection group and the control group by Western Blot.C2.The expression of theGAPDHin the virus infection group and the control group.
圖4慢病毒介導(dǎo)穩(wěn)定表達(dá)FABP4基因的小尾寒羊成纖維細(xì)胞系的構(gòu)建與鑒定
Fig.4ConstructionandidentificationofthestablyexpressingFABP4fibroblastsfromtheSmall-tailedHansheep
隨著我國畜牧業(yè)的發(fā)展,生產(chǎn)水平不斷提高,肉類生產(chǎn)數(shù)量的也在不斷提高,肉類的研究更加注重肉質(zhì)的改善。家畜肉品質(zhì)評價指標(biāo)主要有:大理石花紋、色澤、嫩度、多汁性、風(fēng)味、系水力、pH值等。其中,大部分評價指標(biāo)均與脂肪組織的生長發(fā)育相關(guān)。提高肉品質(zhì)中肌內(nèi)脂肪含量,對于提高肉品質(zhì)具有重要的作用[11-12]。FABP4是一類分子質(zhì)量較小、對脂肪酸有高親和力的可溶性蛋白質(zhì),是細(xì)胞內(nèi)重要的脂肪酸載體蛋白,廣泛參與脂肪酸的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝。FABP4主要在動物脂肪組織中高表達(dá),被認(rèn)為與家畜大理石花紋、脂肪沉積、胴體重量以及牛肉風(fēng)味、脂肪酸組成等性狀密切相關(guān)[13-15]。本研究選擇FABP4作為候選基因,預(yù)期能夠提高未來轉(zhuǎn)基因綿羊的肌內(nèi)脂肪含量,從而提高肉品品質(zhì)。同時本研究選擇了全基因合成的方法來克隆綿羊的FABP4基因,通過基因合成后測序、慢病毒載體構(gòu)建后測序以及Western Blot分析,均證明克隆的序列是正確的,且在細(xì)胞內(nèi)能夠正確表達(dá)。提示除了傳統(tǒng)的RT-PCR或Overlap-PCR[16],全基因合成為便捷的獲得一些序列確定的基因提供了新的選擇。
小尾寒羊是我國優(yōu)良的地方綿羊品種,生產(chǎn)性能優(yōu)越、適應(yīng)性強(qiáng),因此在國內(nèi)被廣泛引種和推廣[10]。本研究利用組織塊培養(yǎng)法制備了小尾寒羊的原代成纖維細(xì)胞,為小尾寒羊未來的種質(zhì)資源保護(hù)和種質(zhì)創(chuàng)新提供了素材。通常原代細(xì)胞培養(yǎng)法主要有2種:消化培養(yǎng)法和組織塊培養(yǎng)法。其中,消化培養(yǎng)法能夠把組織塊直接分散為細(xì)胞團(tuán)或單個細(xì)胞,從而大大縮短細(xì)胞的潛伏生長期,獲得原代細(xì)胞的周期較短,但是其操作步驟繁瑣,容易造成污染;組織塊培養(yǎng)法細(xì)胞生長速度雖然較慢,但是操作便捷,且成功率高,適用于大規(guī)模的細(xì)胞培養(yǎng)[17]。通過采用本研究中的組織塊培養(yǎng)方法,河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所動物繁殖生物工程研究團(tuán)隊已經(jīng)成功制備50多個包括牛、羊、豬、驢等物種的細(xì)胞系,從而對其他物種細(xì)胞系構(gòu)建工作具有參考價值。
隨著基因編輯技術(shù)的不斷進(jìn)步,轉(zhuǎn)基因動物的制備方法也越來越多樣。尤其是近年來CRISPR Cas9技術(shù)在轉(zhuǎn)基因研究中的廣泛應(yīng)用,有取代其余技術(shù)的趨勢[18]。但是慢病毒作為一種傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)基因技術(shù),仍然有一些獨(dú)特的優(yōu)勢。首先,慢病毒具有主動整合目的基因進(jìn)入宿主基因組的特性,因此能夠高效感染多種細(xì)胞類型,尤其是在原代細(xì)胞操作和基因治療時有明顯的優(yōu)勢。其次,制備好的慢病毒載體具有通用性,其不僅能夠感染細(xì)胞、胚胎等不同的細(xì)胞類型,還能夠感染不同的物種,對于跨物種研究具有優(yōu)勢。同時,慢病毒操作成熟、簡單,目前的慢病毒制備技術(shù)已經(jīng)非常穩(wěn)定,對于快速開展細(xì)胞水平以及轉(zhuǎn)基因動物水平上功能驗證仍然是一個高效的工具[3-19]。本研究成功包裝了過表達(dá)FABP4的慢病毒,直接包裝獲得的慢病毒滴度為1×106TU/mL,與其他研究的滴度水平相一致[20-21]。高滴度的病毒顆粒對于下游應(yīng)用時提高感染效率具有重要的意義,因此,在慢病毒包裝時,需要對細(xì)胞狀態(tài)、質(zhì)粒比例、病毒收獲時間進(jìn)行優(yōu)化,以盡量提高病毒的滴度。如果需要更高的病毒滴度,如對受精卵注射等操作時也可以采用對慢病毒進(jìn)行濃縮處理。但由于慢病毒在包裝及感染過程中具有潛在的生物安全問題,操作必須嚴(yán)格規(guī)范,所用物品及廢液都要經(jīng)過滅活處理。使用重組FABP4基因慢病毒感染小尾寒羊成纖維細(xì)胞后,應(yīng)用Western Blot分析發(fā)現(xiàn),在對照組幾乎檢測不到FABP4蛋白的表達(dá),而在病毒感染組則能夠清晰的觀察到FABP4蛋白的表達(dá),說明成功制備了穩(wěn)定表達(dá)FABP4的小尾寒羊成纖維細(xì)胞系,從而為小尾寒羊未來的種質(zhì)創(chuàng)新提供了素材。
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