馬青艷,林吉進,黃 蕾
[1.廣東省人民醫(yī)院(廣東省醫(yī)學科學院)廣東省心血管病研究所心血管輔助診斷科,廣州 510080;2.廣東省人民醫(yī)院(廣東省醫(yī)學科學院)廣東省心血管病研究所心內(nèi)科,廣州510080]
Caveolin 3是細胞膜穴樣內(nèi)陷分子的錨定蛋白,具有心肌特異性,只在心臟和骨骼肌中表達[1],在蛋白質(zhì)信號傳導中發(fā)揮著活性調(diào)節(jié)因子的作用。既往研究表明,caveolin 3 不僅參與心肌缺血再灌注損傷、心肌肥大、心律失常等疾病的病理生理機制[2],而且調(diào)控caveolin 3 功能或表達水平可能起到治療相關心血管疾病的作用[3]。由KCNA5 基因編碼的Kv1.5 鉀電流,是心房的超速激活延遲整流鉀電流(ultrarapidly activating delayed rectifier potassium current,Ikur)。此電流只影響心房動作電位持續(xù)時間(APD)復極化過程,而未影響心室復極化,是目前研發(fā)心房顫動藥物的新靶點[4]。近幾年已報道,caveolin 3 蛋白與心肌鈣離子通道存在相互作用并調(diào)控該通道蛋白的表達、轉(zhuǎn)運及功能[5];而caveolin 3 蛋白與Kv1.5 鉀通道是否存在相互作用,目前還未見報道。因此,本研究采用酵母雙雜交技術初步探索caveolin 3 蛋白與Kv1.5 鉀通道是否存在相互作用,然后應用免疫熒光細胞分析和膜片鉗技術,證實caveolin 3 在心肌細胞中與Kv1.5存在相互作用。
脂質(zhì)體2000(Lipofectamine 2000)購自Invitrogen 公司,pGBKT7 載體和人類心臟cDNA 文庫(載體為pACT2)購買自Clontech 公司,膜片鉗放大器為美國Axon 公司的Axopatch 200 B。
利用合成的帶有EcoR I 和BamH I 限制性內(nèi)切酶位點的特異性引物(Forward:5′-CGGAATTCATGATGGCAGAAGAGCA-3′;reverse:5′-CGGGATCCTTAGCTGTAGGTGCCCACAGG-3′)進行聚合酶鏈反應(polymerase chain reaction,PCR),PCR 擴增caveolin 3 基因的N 端全長(caveolin 3-NT,aa 1-159)。應用EcoR I 和BamH I 限制性內(nèi)切酶酶切PCR 產(chǎn)物和pGBKT7 載體(Clontech),通過凝膠回收純化得到兩端分別為EcoR I 和BamH I 限制性內(nèi)切酶位點的線性pGBKT7 載體和PCR 產(chǎn)物,應用T4 連接酶將兩者連接,從而構建了pGBKT7-caveolin 3-NT 誘餌質(zhì)粒。為了確保構建好的pGBKT7-caveolin 3-NT 質(zhì)粒能表達“caveolin 3-NT-Gal4 DNA binding domain”融合蛋白,將其送往TaKaRa公司測序,證明caveolin 3-NT 和“”GAL4 DNA-BDC-Myc”在同一讀框,沒有PCR 引起的任何突變。
詳細方法參見我們既往的報道[6]。
為判斷誘餌蛋白本身是否自我激活Ade2,His3和Mel1報告基因,分別將被pGBKT7-caveolin 3-NT、pGBKT7空載體、陽性對照質(zhì)粒(p53+Large T-antigen)轉(zhuǎn)化的酵母菌AH109 分別涂布于SD/-Trp、SD/-Trp/-His、SD/-Trp/-Ade 和SD/-Trp/X-α-Gal不同平板上,于30℃培養(yǎng)2 周,觀察生長情況及菌落是否變成藍色。同時也進行了β-半乳糖苷酶菌落影印濾膜分析來測定不同誘餌質(zhì)粒對LacZ基因激活的水平。
由于不同酵母菌菌株會產(chǎn)生不同水平的內(nèi)源性組氨酸,通??梢酝ㄟ^加入抑制劑3-氨基-1,2,4-三唑(3-Amino-1,2,4-triazole,3-AT)來抑制這種內(nèi)源性組氨酸的產(chǎn)生。為使3-AT 的濃度最優(yōu)化,將已被各種誘餌質(zhì)粒載體或pGBKT7空載體、陽性對照質(zhì)粒轉(zhuǎn)化的酵母菌涂布于3-AT 濃度分別為0、2.5、5、7.5、10 mmol/L 的SD/-His/-Trp 平板上,于30℃培養(yǎng)2 周,觀察菌落生長情況。
挑選新鮮的已被誘餌質(zhì)粒pGBKT7-caveolin 3-NT 轉(zhuǎn)化的AH109 菌落接種于50 mL SD/-Trp 培養(yǎng)液中,培養(yǎng)20 h 后,離心取沉淀物,與含人類心臟cDNA文庫(載體為pACT2,Clontech)的酵母菌Y187混合培養(yǎng)24 h。24 h 后離心取沉淀物加入0.5×YPDA/kanamycin 培養(yǎng)液中,涂布于50 個含5 mmol/L 3-AT 的SD/-Trp/-Leu/-His/-Ade(Quadruple Dropout,QDO)平板上進行培養(yǎng)2 周。然后,挑取分離生長良好菌落依次劃線接種于QDO/X-α-Gal、SD/-Trp/-Leu(Double Dropout,DDO)/X-α-Gal、DDO/X-α-Gal、DDO/X-α-Gal、QDO/X-α-Gal 平板上。挑取最后一次的QDO/X-α-Gal 平板上生長良好的單個藍色菌落,接種于0.5 mL 的SD/-Leu/-Trp 培養(yǎng)液,于30℃250 r/min 振蕩培養(yǎng)20 h。然后,使用Lyticase 溶壁酶提取酵母菌中的總DNA(包括酵母菌的基因組DNA、“誘餌”質(zhì)粒、來自cDNA 文庫的質(zhì)粒),將提取所得的總DNA 經(jīng)電穿孔法轉(zhuǎn)化大腸桿菌DH5α并涂布于LB/Ampicillin平板上,僅有被來自cDNA 文庫(其攜帶cDNA 的載體為pACT2,該載體帶有AMPr)的質(zhì)粒轉(zhuǎn)化的細菌才能生長,因此,LB/Ampicillin 平板上能生長的質(zhì)粒即是來自cDNA 文庫的“獵物”質(zhì)粒。
利用EcoR I/BamH I 從pMD18-T-caveolin 3 中切出caveolin3 的全長,將其連接到pDsRed2-N1,構建成能表達紅色熒光素的pDsRed2-N1-caveolin 3 質(zhì)粒。從pcDNA3.1-KCNA5 表達載體中,通過Hind III/ Kpn I 將全長KCNA5 cDNA 插入表達綠色熒光素載體pEGFP-N3 的相應位點上,構建pEGFP-N3-KCNA5 表達載體。構建載體時,確保載體pDSRed2-N1 中的“DsRed2“與caveolin3 在同一讀框、載體pEGFP-N3 中的“EGFP“與KCNA5 在同一讀框,分別能表達“caveolin3-DsRed2“和“KCNA5-EGFP“融合蛋白。將構建的載體送往TaKaRa 公司測序,證明目標質(zhì)粒構建成功。
在37℃、5%二氧化碳的溫箱中,用含10%胎牛血清的DMEM(Hyclone Laboratories)培養(yǎng)基培養(yǎng)HEK293 細胞。轉(zhuǎn)染前的1 d,將生長旺盛的HEK293 細胞接種于六孔板中,確保轉(zhuǎn)染當天細胞的融合度達到90%~95%。應用脂質(zhì)體2000(lipofectamine 2000)將pEGFP-N3-KCNA5 質(zhì)粒轉(zhuǎn)染HEK293 細胞以及質(zhì)粒pDsRed2-N1-caveolin 3和pEGFP-N3-KCNA5 共轉(zhuǎn)染HEK293 細胞。孵育6 h 后,將HEK293 細胞培養(yǎng)于24 孔培養(yǎng)板,加入不同濃度的G418(200、300、400、500、600、700、800 mg/L),根據(jù)培養(yǎng)基的顏色和細胞生長情況,每3~5 d 更換一次培養(yǎng)基,以2 周左右細胞全部死亡的濃度為篩選濃度。
質(zhì)粒pDSRed2-N1-caveolin 3 和pEGFP-N3-KCNA5 轉(zhuǎn)染HEK293 細胞24~48 h 后,用DAPI 與磷酸鹽緩沖液(PBS)按體積比1∶10 的比例配制,配置后復染細胞核孵育5 min,然后用磷酸鹽緩沖液清洗3 次,每次5 min。載玻片上加入抗淬滅劑DABCO 進行封片,然后將載玻片放置倒置熒光顯微鏡下進行觀察轉(zhuǎn)染細胞。
既往研究已表明HEK293 細胞中未表達內(nèi)源性caveolin,因此被選為我們的建模系統(tǒng)。將實驗分為兩組。(1)對照組(Kv1.5 組):將質(zhì)粒pEGFPN3-KCNA5轉(zhuǎn)染HEK293細胞,使其單獨表達Kv1.5通道電流;(2)實驗組(Kv1.5+caveolin 3組):將質(zhì)粒pEGFP-N3-KCNA5 和pDSRed2-N1-caveolin 3 共轉(zhuǎn)染HEK293 細胞,使其同時表達caveolin 3 蛋白,以研究caveolin 3蛋白對Kv1.5通道功能的影響。每組記錄10 個細胞的Kv1.5 通道電流情況。在轉(zhuǎn)染后24 h,通過膜片鉗破壞細胞膜的脂筏,將Borcillica玻璃移液管拉至2~4 MΩ的電阻,在熒光顯微鏡(Nikon)下通過GFP和Red熒光鑒定細胞,記錄其對應電流情況。本研究使用Axon 的MultiClamp 700B Commander和Molecular Devices的pCLAMP 10.2軟件(Axon Instruments,F(xiàn)oster City,California)進行全細胞膜片鉗記錄。電極的電阻用KCl 20 mmol/L、MgCl21.0 mmol/L、HEPES 10.0 mmol/L、EGTA 5.0 mmol/L、GTP 0.1 mmol/L、門冬氨酸鉀110 mmol/L、磷酸肌酸鈉5 mmol/L、Mg2+-ATP 5 mmol/L,用KOH 調(diào)pH 至7.2。用細胞外液NaCl 140 mmol/L、KCl 5.0 mmol/L、MgCl21.0 mmol/L、KaH2PO40.33 mmol/L、HEPES 5.0 mmol/L、Glucose 10.0 mmol/L,用NaOH 調(diào)pH 至7.4。調(diào)制細胞鉗制在-80 mV 的條件下,予指令從-40~+60 mV 的電位,步階電壓為10 mV,波寬為200 ms,然后電壓保持在-40 mV,持續(xù)300 ms記錄Kv1.5 鉀電流。所有電生理實驗均在室溫(23℃±1℃)下進行。
采用SPSS 19.0 統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行分析。計量資料以()表示,進行Student′st檢驗。以P<0.05 為差異有統(tǒng)計學意義。
將caveolin 3 基因的N 端全長caveolin 3-NT(aa 1-159)克隆進誘餌載體pGBKT7 中。構建載體時,確保載體pGBKT7 中的“GAL4 DNA-BD”和C-Myc 與caveolin 3-NT 在同一讀框,能表達融合蛋白“GAL4 DNA-BD-C-Myc-caveolin 3-NT”。將構建好的pGBKT7-caveolin 3-NT 誘餌質(zhì)粒經(jīng)EcoRI和BamHI 雙酶切(圖1)及進一步測序鑒定,結果證明caveolin 3-NT 和“GAL4 DNA-BD-C-Myc”在同一讀框,沒有PCR 引起的任何突變。
圖1 “誘餌質(zhì)?!眕GBKT7-caveolin 3-NT 酶切鑒定圖
在SD/-Trp/X-α-Gal 平板上,所有被轉(zhuǎn)化的AH109 均生長,這是因為pGBKT7 自身帶有營養(yǎng)篩選標記Trp,可以自身表達色氨酸,然而只有被陽性對照質(zhì)粒轉(zhuǎn)化者變成藍色,這表明誘餌蛋白caveolin 3-NT不能自我激活報告基因Mel1(圖2A)。在SD/-Trp/-Ade 平板上,只有被陽性對照質(zhì)粒轉(zhuǎn)化的AH109 酵母菌可以生長,這表明誘餌蛋白caveolin 3-NT不能自我激活報告基因Ade2(圖2B)。在SD/-Trp/-His 平板上,被pGBKT7 和pGBKT7-caveolin 3-NT 轉(zhuǎn)化AH109 酵母菌有弱生長,這表明誘餌pGBKT7 可以弱激活報告基因His3,并表達一定水平的組氨酸(圖2C)。總之,誘餌蛋白caveolin 3-NT 未能夠自我激化報告基因Ade2、Mel1 和LacZ,弱激活報告基因His3。
圖2 “誘餌蛋白”caveolin 3 自激活報告基因圖
在誘餌蛋白自我激活報告基因的檢測中,發(fā)現(xiàn)被pGBKT7 載體AH109 菌可以弱激活報告基因His3,表達一定水平的組氨酸。為抑制酵母菌內(nèi)源性組氨酸表達,本研究可以通過在培養(yǎng)基上加入3-氨基-1,2,4-三唑(3-AT)抑制這種的表達。為使3-AT 的濃度最優(yōu)化,將被pGBKT7-caveolin 3-NT 質(zhì)粒轉(zhuǎn)化的酵母菌AH109 分別涂布于含有不同濃度3-AT(0、2.5、5、7.5、10 mmol/L)的SD/-Trp/-His 平板上30℃培養(yǎng)1~2 周,生長情況如圖3所示。該結果表明3-AT 抑制內(nèi)源性組氨酸的最適合濃度為10 mmol/L。
圖3 pGBKT7-caveolin 3-NT、pGBKT7 vector、陽性對照組、AH109 酵母菌在含有不同濃度3-AT(0、2.5、5、7.5、10 mmol/L)的SD/-Trp/-His 平板上的生長情況
本實驗對caveolin 3-NT 進行酵母雙雜交篩選時,共篩選了6.82×107個克隆,在最初的含10 mmol/L 3-AT 的QDO 板上共長出的158 個克隆,再經(jīng)過多次的篩選得到30 個克隆。將這30 個克隆的“獵物”質(zhì)粒送往測序,將測序所得到的DNA 序列輸入美國國立醫(yī)學圖書館的BLAST 數(shù)據(jù)庫(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST/)進行分析,共得到KCNA5、CDH13(T-cadherin)、MYBPC3(cardiac myosin binding protein C)等16 種蛋白質(zhì)(有的克隆重復多次為KCNA5)。
將構建好的質(zhì)粒pDSRed2-N1-caveolin 3 和pEGFP-N3-KCNA5 經(jīng)測序鑒定,結果證明DsRed2與caveolin 3、EGFP 與KCNA5 在同一讀框,且沒有PCR 引起的任何突變。
應用免疫熒光細胞化學分析方法研究caveolin 3 蛋白和KCNA5 蛋白在細胞內(nèi)的亞定位情況。將質(zhì)粒pDSRed2-N1-caveolin 3 和pEGFP-N3-KCNA5利用脂質(zhì)體2000共轉(zhuǎn)染HEK293細胞,用G418處理篩選出表達載體的轉(zhuǎn)染細胞,再進行細胞爬片固定,應用倒置熒光顯微鏡進行觀察。熒光顯微鏡顯示KCNA5 蛋白定位于細胞膜上,顯示為綠色信號,caveolin 3 蛋白也定位于細胞膜上,顯示為紅色信號;紅色信號和綠色信號重疊處意味caveolin 3 蛋白和KCNA5 蛋白的細胞共定位的位置,則顯示為黃色信號(如圖4)。本實驗結果表明,caveolin 3 蛋白和KCNA5蛋白在細胞內(nèi)共定位于細胞膜上。
圖4 KCNA5 與caveolin 3 蛋白的細胞共定位圖像[綠色信號為KCNA5 蛋白信號(A),紅色信號為caveolin 3 蛋白信號(B),黃色信號為紅色信號和綠色信號重疊信號(C),提示cavoiln 3 蛋白和KCNA5 蛋白的細胞共定位的位置]
對照組和實驗組細胞所記錄到的Kv1.5 通道電流,如圖5A、5B 記錄所示。結果顯示,實驗組(Kv1.5+caveolin 3 組)明顯減少了HEK293 細胞中Kv1.5 的電流情況(如表1 所示)。與對照組相比,在脈沖電壓從-10 mV 到60 mV 時,caveolin 3 表達組的電流振幅和電流密度均顯著的改變(P<0.05)(如表1、圖6AB所示);其中,在電壓+60 mV時,Kv1.5+caveolin 3 組的Kv1.5 電流振幅明顯低于HEK293/Kv1.5 組的Kv1.5 電流振幅,差異有統(tǒng)計學意義[(896.69±145.12)pAvs.(3 303.77±779.27),P<0.001,n=10](如圖6A)。同時,在電壓+60 mV 時,Kv1.5+caveolin 3 組的Kv1.5 電流密度比亦明顯低于Kv1.5組的Kv1.5電流密度比,差異有統(tǒng)計學意義[(30.99±5.46)pA/pFvs.(95.13±13.46)pA/pF,P<0.001,n=10](如圖6B)。因此,可以認為caveolin 3 的表達影響并降低了Kv1.5 的電流振幅及電流密度比,caveolin 3 蛋白對心臟Kv1.5 鉀通道具有負性調(diào)控作用。
本研究首次利用酵母雙雜交技術篩查出與caveolin 3相關蛋白有KCNA5、CDH13(T-cadherin)、MYBPC3(cardiac myosin binding protein C)等16 種蛋白質(zhì),其中克隆重復多次、備受關注的是KCNA5。KCNA5 基因(potassium voltage-gated channel,shaker-related subfamily,member 5)為Kv1.5 鉀通道的編碼基因,是Ikur 的主要分子基礎,編碼了Kv1.5 鉀電流,此電流只在心房中特異性表達[5,7]。caveolin 3 是細胞質(zhì)膜上的特異性囊狀小凹結構,具有心肌特異性,從caveolin 3 N 端篩選出心臟文庫中KCNA5 基因,我們初步推測caveolin 3 蛋白質(zhì)可能對Kv1.5 鉀電流的正常定位、復合體形成、功能調(diào)控等具有重要意義。
表1 兩組細胞在不同電壓時Kv1.5電流振幅和電流密度比的比較 [n=10,]
表1 兩組細胞在不同電壓時Kv1.5電流振幅和電流密度比的比較 [n=10,]
圖5 Caveolin 3 蛋白對Kv1.5 通道電流的影響的電流圖(A:HEK293 細胞中單獨表達KCNA5 蛋白的Kv1.5 通道電流;B:共同表達KCNA5 和caveolin 3 的細胞所記錄到的Kv1.5 鉀通道電流)
圖6 Caveolin 3蛋白對Kv1.5通道電流影響的曲線圖[A:對照組與實驗組,Kv1.5 鉀通道的電流與電壓關系(I-V 曲線);B:對照組與實驗組,Kv1.5 鉀通道的電流密度比與電壓的曲線關系(n=10,P<0.05)]
本實驗將caveolin 3 蛋白N 端(caveolin3-NT,aa 1-159)克隆進入誘餌載體pGBKT7。pGBKT7為酵母表達載體,具有核定位序列,該載體表達的caveolin 3-NT 融合蛋白通過該核定位序列而進入核內(nèi)。然而,此技術未能確定完整的caveolin 3蛋白正常定位是否與Kv1.5 鉀電流存在共定位。因此,我們將caveolin 3 蛋白和KCNA5 蛋白轉(zhuǎn)染HEK293細胞,通過熒光免疫化學分析發(fā)現(xiàn)KCAN5 和caveolin 3 蛋白共定位于細胞膜上。Ravi 等[4]研究利用共聚焦成像證明了Kir2.1和caveolin 3的共定位,并發(fā)現(xiàn)caveolin 3蛋白與Kir2.1形成復合體,修飾并調(diào)控Kir2.1 電流密度表達。Caveolin 3 蛋白和KCNA5蛋白共定位提示,caveolin 3 蛋白很可能也相似參與了Kv1.5 鉀通道的功能調(diào)控。
眾多研究證實KCNA5 基因參與了心房顫動的心肌重構[8],心房顫動時動作電位中復極化過程的改變與Kv1.5 的mRNA 表達改變有關[9]。此外,Christophersen 研究者發(fā)現(xiàn),KCNA5 基因的突變,擾亂酪氨酸激酶信號通道傳導,引起Ikur 電流密度的增強或減弱,動作電位持續(xù)時間和有效不應期(ERP)的延長,增加早期復極化的可能,進而誘發(fā)心房顫動[10]。Kv1.5 鉀電流參與動作電位持續(xù)時間復極化過程,而未影響心室肌復極化過程發(fā)揮作用,使其成為新的治療心房顫動藥物研究熱點[5]。人們在不斷地探索選擇性抑制Kv1.5 通道延長心房有效不應期,而不引起室性心律失常的危險,研發(fā)選擇性抗心律失常藥物靶點[8,11-12]。假設caveolin 3 蛋白與Kv1.5 鉀通道形成復合體,修飾并調(diào)控電流密度的表達,那么,caveolin 3 蛋白可成為治療心房顫動的藥物靶點。
以往的研究顯示,caveolin 3蛋白與心臟Kir2.1[2]、Nav1.5[13]、Kv1.3[14]、KCa1.1[15]、cyclicnucleotidegated(HCN)[16]等多種離子通道存在相互作用并調(diào)控該通道蛋白的表達、轉(zhuǎn)運及功能。本研究利用膜片鉗技術,記錄到caveolin 3 蛋白的表達,降低了Kv1.5 鉀通道的電流振幅和電流密度,首次發(fā)現(xiàn)caveolin 3 蛋白對Kv1.5 鉀通道的電流具有負性調(diào)控作用。然而,其具體調(diào)控機制需進一步的探索。先前研究已經(jīng)證實,caveolin 區(qū)域的改變會顯著影響心臟HCN4,Kv1.5,Cav1.2 和Nav1.5 等通道的特性[13,15-17]。Caveolin 3 基因的突變與先天性長QT綜合征(LQT9)有關,其T63S,T78M,A85T,L79R,C78W 的點突變增加晚期鈉電流、延長動作電位持續(xù)時間從而誘發(fā)LQT9 的發(fā)生[16]。F97C 和S141R點突變,增加了Cav1.2 編碼的L 型Ca2+通道電流的增加,降低了介導瞬時外向鉀電流(Ito)的Kv4.2 和Kv4.3通道電流[17]。此外,Vaidyanathan、Vatta等[13,18]研究發(fā)現(xiàn),caveolin 3 可通過影響Kir2.1、Nav1.5 通道誘發(fā)LQT7、LQT3 發(fā)生;而caveolin 3 影響Kir2.1的另一種機制包括通道亞硝基化,Nedd4-2 誘導的快速降解或通過與4,5-二磷酸磷脂酰肌醇(PIP2)相互作用改變門控特性[18]。因此,改變小窩蛋白的微結構可調(diào)控多種通道蛋白的表達、轉(zhuǎn)運及功能。調(diào)控caveolin 3 功能或表達水平有時候可起到治療在多種心血管相關疾病的作用,例如過渡表達caveolin 3 蛋白可通過抑制T 型Ca2+電流來對抗心臟肥大[15]。
Caveolin 3 作為信號分子的支架和調(diào)節(jié)蛋白,其調(diào)控離子通道特別是Kv1.5 電流通道的病理生理機制,尚未明了,需要進一步的研究探索。本研究首次發(fā)現(xiàn)caveolin 3 蛋白對Kv1.5 電流具有負性調(diào)節(jié)機制,為研發(fā)安全有效的心房顫動藥物提供一個潛在的靶點和新的研究思路。