賈艷艷,趙瑩瑩,余祖華,何 雷,廖成水,李 靜,郁 川,張春杰*,李銀聚
(1.河南科技大學(xué)動(dòng)物疫病與公共衛(wèi)生重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,洛陽(yáng) 471000;2.洛陽(yáng)市活載體生物材料與動(dòng)物疫病防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,洛陽(yáng) 471000)
自噬(autophagy)是一種高度保守性的細(xì)胞內(nèi)在機(jī)制[1]。當(dāng)細(xì)胞處于低氧、低營(yíng)養(yǎng)、低能量等惡劣條件時(shí),細(xì)胞自動(dòng)激活自噬機(jī)制,通過(guò)調(diào)控多種自噬相關(guān)蛋白ATG和溶酶體產(chǎn)生消化級(jí)聯(lián)反應(yīng),消化自身內(nèi)部衰老、病變的細(xì)胞器,以此維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)[2-3]。研究表明,在正常細(xì)胞中,自噬能夠通過(guò)對(duì)線粒體的穩(wěn)態(tài)性轉(zhuǎn)變和蛋白聚合物的清除來(lái)實(shí)現(xiàn)其抗腫瘤功能,而自噬基因的缺失會(huì)導(dǎo)致線粒體功能障礙,增加細(xì)胞的氧化性應(yīng)激,最終破壞染色體的穩(wěn)定性而導(dǎo)致腫瘤發(fā)生[4-5]。因此在腫瘤細(xì)胞發(fā)生發(fā)展過(guò)程中,自噬具有促進(jìn)和抑制腫瘤的雙重作用,已成為生物醫(yī)學(xué)界研究的熱點(diǎn)[6]。
自噬蛋白Beclin-1是酵母ATG6的同源基因,主要包含BH3(Bcl-2-homology-3)、卷曲螺旋域(CCD)和保守進(jìn)化域(ECD)等結(jié)構(gòu)域,其與Ⅲ型磷脂酰肌醇-3-磷酸酯酶(PIK3C3)形成催化核心區(qū),調(diào)節(jié)其他蛋白在自噬前體結(jié)構(gòu)中的定位,從而調(diào)控自噬活性[7-8]。Beclin-1除了作為自噬核心復(fù)合物關(guān)鍵蛋白,且在多種腫瘤組織低表達(dá),被認(rèn)為可能是潛在的抑癌基因[9]。但也有報(bào)道Beclin-1基因敲除可抑制骨肉瘤細(xì)胞的自噬活性,并降低骨肉瘤細(xì)胞的增殖、侵襲和遷移,可作為一個(gè)提高抗癌藥物療效的潛在靶點(diǎn)[10],提示Beclin-1基因在腫瘤生物學(xué)中有著復(fù)雜且重要的作用。目前,國(guó)內(nèi)沒(méi)有關(guān)于敲除Beclin-1基因的小鼠黑色素瘤細(xì)胞B16F10株的報(bào)道,因此,本研究以小鼠黑色素瘤細(xì)胞B16F10為研究對(duì)象,利用RNAi技術(shù)構(gòu)建沉默Beclin-1基因的腫瘤細(xì)胞系,為分析Beclin-1基因、自噬與腫瘤三者關(guān)系奠定基礎(chǔ)。
1.1.1 生物材料及試劑 pMD2G、pSPAX2和穿梭質(zhì)粒[攜帶目的基因或者shRNA(short hairpin RNA, shRNA)]購(gòu)自漢恒生物;大腸桿菌DH5α、293T細(xì)胞由河南科技大學(xué)動(dòng)物疫病與公共衛(wèi)生實(shí)驗(yàn)室保存;B16F10細(xì)胞系購(gòu)自中國(guó)科學(xué)院腫瘤細(xì)胞庫(kù)。
DMEM高糖培養(yǎng)基、胎牛血清、LipofiterTM購(gòu)自Gibco公司,限制性內(nèi)切酶、T4連接酶購(gòu)自Fermentas公司,puromycin購(gòu)自Sigma公司,SYBR Green Master Mix購(gòu)自TaKaRa公司,LC3多抗、RFP標(biāo)記Beclin-1兔單克隆抗體和HRP標(biāo)記羊抗兔IgG購(gòu)自Proteintech公司。
1.1.2 主要儀器 PCR儀、蛋白質(zhì)電泳儀和凝膠成像系統(tǒng)購(gòu)自Bio-Rad生命醫(yī)學(xué)產(chǎn)品有限公司,臺(tái)式冷凍小離心機(jī)FRESCO 21購(gòu)自Thermo公司,超聲波裂解儀購(gòu)自Sonics & Materials公司,轉(zhuǎn)印儀購(gòu)自Amer Sham公司。熒光定量PCR儀購(gòu)自Roche公司,倒置熒光顯微鏡購(gòu)自德國(guó)徠卡公司。
針對(duì)m-Beclin-1參考序列,根據(jù)RNAi序列的設(shè)計(jì)原則,設(shè)計(jì)并合成m-Beclin-1基因特異性siRNA靶點(diǎn),序列如表1所示,以上shRNA由北京六合華大基因科技有限公司合成。
表1 shRNA序列
經(jīng)預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)shRNA1的干擾效果最好,將合成的shRNA1 DNA單鏈退火形成雙鏈,連接到慢病毒表達(dá)載體,轉(zhuǎn)化至感受態(tài)細(xì)胞DH5α,挑取陽(yáng)性克隆測(cè)序。提取測(cè)序正確的陽(yáng)性克隆質(zhì)粒,與pSPAX2和pMD2G共轉(zhuǎn)染293T細(xì)胞,于轉(zhuǎn)染后48 h收集細(xì)胞培養(yǎng)上清,利用超速離心機(jī)純化濃縮病毒,并進(jìn)行滴度測(cè)定。
將慢病毒以MOI值為1、3、10感染B16F10細(xì)胞,感染48 h后觀察細(xì)胞熒光情況,摸索慢病毒的最佳MOI值。
將B16F10細(xì)胞培養(yǎng)于24孔板,待細(xì)胞匯合率約為60%,更換含puromycin的培養(yǎng)基,設(shè)定puromycin濃度梯度為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 μg·mL-1,每個(gè)濃度設(shè)3個(gè)復(fù)孔。2~3 d更換培養(yǎng)基,并保持puromycin濃度不變,觀察細(xì)胞的死亡情況,選取能夠殺死全部細(xì)胞的最低濃度為最佳細(xì)胞篩選濃度。
將過(guò)夜培養(yǎng)的B16F10細(xì)胞棄去細(xì)胞培養(yǎng)基,添加5 μg·mL-1的助感染試劑polybrene(hexadimethrine bromide,聚凝胺)后,將慢病毒以最佳MOI值感染B16F10細(xì)胞,用最佳細(xì)胞篩選濃度的 puromycin進(jìn)行篩選培養(yǎng),每48 h更換含puromycin培養(yǎng)基,待長(zhǎng)出單克隆細(xì)胞,挑出細(xì)胞團(tuán),采用有限稀釋法對(duì)陽(yáng)性孔細(xì)胞進(jìn)行亞克隆,重復(fù)篩選3~5次,直至獲得穩(wěn)定沉默Beclin-1基因的小鼠黑色素瘤細(xì)胞株B16F10-Beclin-1-shRNA1。
抽提穩(wěn)轉(zhuǎn)細(xì)胞系的總RNA,進(jìn)行cDNA的合成及純化,最后進(jìn)行Real-time PCR分析,具體的反應(yīng)條件:95 ℃預(yù)變性15 s,95 ℃變性5 s,58 ℃退火10 s,72 ℃延伸15 s,39個(gè)循環(huán),反應(yīng)結(jié)束后分析Beclin-1 mRNA水平的變化。m-Beclin-1基因的PCR引物序列見(jiàn)表2。
表2 引物序列
取生長(zhǎng)狀態(tài)良好的穩(wěn)轉(zhuǎn)細(xì)胞系,消化后制備成單細(xì)胞懸液,將細(xì)胞懸液滴加至12孔板內(nèi)爬片,待細(xì)胞貼壁后,固定爬片、RFP標(biāo)記Beclin-1兔單抗和HRP標(biāo)記羊抗兔IgG孵育,DAPI避光孵育,封片后在熒光顯微鏡下采集圖像。
提取穩(wěn)轉(zhuǎn)細(xì)胞系總蛋白進(jìn)行SDS-PAGE電泳,轉(zhuǎn)膜后用脫脂牛奶進(jìn)行封閉過(guò)夜,次日與GAPDH一抗(1∶1 000稀釋)、LC3一抗(1∶1 000稀釋)37 ℃ 孵育2~3 h,HRP標(biāo)記二抗(1∶3 000稀釋)孵育1 h,化學(xué)發(fā)光顯色。
將狀態(tài)良好的B16F10細(xì)胞棄掉培養(yǎng)基,更換含40 nmol·L-1的自噬誘導(dǎo)劑雷帕霉素(RAPA)的完全培養(yǎng)基繼續(xù)培養(yǎng)3 h,消化收集細(xì)胞,加入戊二醛溶液固定過(guò)夜。次日,漂洗4次,1%鋨酸溶液固定1.5 h。漂洗4次,丙酮梯度脫水,環(huán)氧樹脂浸透過(guò)夜。浸透后的樣本放入包埋膠囊的純環(huán)氧樹脂中,烤箱聚合。超薄切片,醋酸鈾和枸櫞酸鉛各染色15 min,透射電鏡觀察并拍照。
將細(xì)胞分別以1.0×104cells·孔-1接種至96孔板,每組細(xì)胞重復(fù)3次,待長(zhǎng)成單層細(xì)胞后開(kāi)始計(jì)時(shí),于0、6、12、18、24、36、48、60、72、84、96和120 h后,每組孔內(nèi)加入10 μL CCK-8溶液,在37 ℃、5% CO2培養(yǎng)箱孵育,2 h后終止顯色,利用紫外分光光度記測(cè)定450 nm波長(zhǎng)下各孔吸光度數(shù)值,分析細(xì)胞活力狀態(tài)。
使用SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,根據(jù)數(shù)據(jù)類型選擇單因素方差分析或t檢驗(yàn)進(jìn)行組間比較(*.P<0.05,**.P<0.01,***.P<0.001),應(yīng)用GradPrism5.0軟件作圖。
在含有抗性的LB平板上挑取轉(zhuǎn)化后的重組質(zhì)粒菌,于37 ℃,250 r·min-1條件下?lián)u菌14 h后,將菌液送公司測(cè)序。如圖1所示,測(cè)序結(jié)果(命名為NoName,見(jiàn)圖1)與目標(biāo)序列(Q1897-2)比對(duì)后,與預(yù)期相符,表明成功構(gòu)建了慢病毒載體m-Beclin-1-shRNA。
圖1 序列比對(duì)
利用瞬時(shí)轉(zhuǎn)染法,將構(gòu)建好的包裝載體瞬時(shí)共轉(zhuǎn)染293T細(xì)胞系而產(chǎn)生重組慢病毒。隨后將病毒稀釋感染細(xì)胞,通過(guò)稀釋計(jì)數(shù)法計(jì)算出病毒滴度為1×108TU·mL-1。
經(jīng)過(guò)puromycin濃度梯度摸索,能夠殺死B16F10空白細(xì)胞的最低puromycin濃度為1.5 μg·mL-1。將慢病毒以不同MOI值感染B16F10細(xì)胞,選擇感染效率高且細(xì)胞狀態(tài)較好的孔,對(duì)應(yīng)為最佳MOI值,48 h后觀察發(fā)現(xiàn)MOI值為1、3、10熒光比例分別為20%、40%、70%左右,本次試驗(yàn)中慢病毒最佳MOI值為10。
將慢病毒以MOI為10感染B16F10細(xì)胞,在puromycin加壓篩選下,利用有限稀釋法最終獲得干擾Beclin-1表達(dá)的穩(wěn)轉(zhuǎn)細(xì)胞系B16F10-m-Beclin-1-shRNA1,熒光顯微鏡下觀察大多數(shù)細(xì)胞發(fā)出綠色熒光,見(jiàn)圖2。
A.B16F10細(xì)胞;B.B16F10-m-Beclin-1-shRNA1穩(wěn)轉(zhuǎn)細(xì)胞系
經(jīng)TRIzol法提取細(xì)胞總RNA,利用qPCR檢測(cè)mRNA相對(duì)表達(dá)水平。如圖3所示,m-Beclin-1-shRNA1在B16F10細(xì)胞中有干擾下調(diào)作用,與對(duì)照細(xì)胞株相比,m-Beclin-1-shRNA1抑制率為75%(P<0.01)。
圖3 Real-time PCR檢測(cè) Beclin-1基因mRNA的表達(dá)
利用Beclin-1熒光抗體檢測(cè)穩(wěn)轉(zhuǎn)細(xì)胞系Beclin-1蛋白的表達(dá)情況,熒光顯微鏡觀察兩組細(xì)胞的熒光強(qiáng)度。如圖4所示,在同一激發(fā)光強(qiáng)度下,B16F10-con-sh細(xì)胞內(nèi)Beclin-1蛋白熒光強(qiáng)度明顯高于m-Beclin-1-shRNA1細(xì)胞,結(jié)果表明穩(wěn)定沉默Beclin-1 B16F10細(xì)胞系的Beclin-1蛋白表達(dá)水平明顯降低。
圖4 免疫熒光分析Beclin-1蛋白的表達(dá)(40×)
提取B16F10-m-Beclin-1-shRNA1和B16F10-con-sh細(xì)胞總蛋白,利用Western blot方法分析B16F10細(xì)胞內(nèi)自噬蛋白LC3的表達(dá)情況。如圖5所示,與對(duì)照組細(xì)胞相比,B16F10-m-Beclin-1-shRNA1細(xì)胞系中LC3-Ⅱ的蛋白表達(dá)水平顯著降低,降低了61.34%(P<0.01),LC3-Ⅱ/LC3Ⅰ比值顯著降低,降低比例為117.93%(P<0.01),結(jié)果表明沉默Beclin-1基因后B16F10細(xì)胞自噬被顯著抑制。
A.蛋白電泳圖(1.正常對(duì)照細(xì)胞 B16F10-con-sh;2.穩(wěn)轉(zhuǎn)細(xì)胞系B16F10-m-Beclin-1-shRNA1);B.LC3蛋白相對(duì)表達(dá)量
收集細(xì)胞、固定、制樣后在透射電鏡下觀察,RAPA刺激后的B16F10-con-sh對(duì)照細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞質(zhì)中可見(jiàn)多個(gè)散在的雙層膜結(jié)構(gòu)的自噬小體及內(nèi)含細(xì)胞器的空泡狀自噬溶酶體,細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)正常,細(xì)胞膜清晰可見(jiàn),然而RAPA刺激后的B16F10-m-Beclin-1-shRNA1細(xì)胞中自噬小體較少。
A.正常對(duì)照細(xì)胞B16F10-con-sh;B.穩(wěn)轉(zhuǎn)細(xì)胞系B16F10-m-Beclin-1-shRNA1;N.細(xì)胞核;M.線粒體;Ass.自噬溶酶體
利用CCK-8方法測(cè)定B16F10-m-Beclin-1-shRNA1和B16F10-con-sh細(xì)胞在不同培養(yǎng)時(shí)間點(diǎn)的OD值,通過(guò)公式計(jì)算出細(xì)胞活力。如圖7所示,B16F10-m-Beclin-1-shRNA1組細(xì)胞活力顯著低于對(duì)照組,具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
圖7 CCK-8法測(cè)定細(xì)胞活力
自噬是一種進(jìn)化上保守的溶酶體降解途徑,不僅負(fù)責(zé)細(xì)胞質(zhì)成分的更新,還能夠?qū)垢鞣N病原微生物的感染[11]。Beclin-1是自噬相關(guān)基因,其表達(dá)水平與自噬水平息息相關(guān),且研究證實(shí)其在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中扮演著重要角色[12-13]。本研究通過(guò)RNAi技術(shù)成功構(gòu)建了穩(wěn)定沉默Beclin-l的B16F10細(xì)胞系,結(jié)果顯示該細(xì)胞系Beclin-l基因的 mRNA和蛋白表達(dá)得到有效抑制,并且干預(yù)Beclin-1基因表達(dá)能夠抑制B16F10細(xì)胞自噬的發(fā)生,加速B16F10細(xì)胞死亡,提示自噬活性與B16F10腫瘤細(xì)胞增殖有關(guān)。
RNAi能夠特異性沉默靶基因,主要是通過(guò)短雙鏈結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)靶基因mRNA特異性降解[14-15]。shRNA(short hairpin RNA, shRNA)是一段具有緊密發(fā)卡環(huán)(tight hairpin turn)的RNA序列,常被用于RNAi沉默靶基因的表達(dá)[16]。本研究根據(jù)shRNA設(shè)計(jì)原則,同時(shí)設(shè)計(jì)了針對(duì)小鼠Beclin-1基因的3個(gè)慢病毒shRNA,根據(jù)敲低效果,選取沉默效率最高的一組用于后續(xù)試驗(yàn),提高了試驗(yàn)效率。利用RNAi技術(shù),選擇慢病毒作為載體轉(zhuǎn)染宿主細(xì)胞,慢病毒比腺病毒或逆轉(zhuǎn)錄病毒有較多優(yōu)勢(shì),它能夠?qū)⒆陨砘蛘系剿拗骰蚪M中,且整合位點(diǎn)處于轉(zhuǎn)錄相對(duì)活躍的區(qū)域,從而獲得更加高效表達(dá)或抑制外源基因的穩(wěn)轉(zhuǎn)細(xì)胞系[17]。且本研究所用的穿梭質(zhì)粒攜帶有GFP報(bào)告基因,便于觀察轉(zhuǎn)染效率。本研究將Beclin-1干擾載體轉(zhuǎn)染293T細(xì)胞,在熒光顯微鏡下觀察到大量的綠色熒光,顯示慢病毒包裝成功,病毒滴度為1×108TU·mL-1。本試驗(yàn)為促進(jìn)病毒的感染效率,在感染過(guò)程中降低培養(yǎng)基中血清的濃度,同時(shí)添加5 μg·mL-1的助感染試劑polybrene,polybrene相當(dāng)于破膜劑,只有細(xì)胞膜破了,病毒才有機(jī)會(huì)進(jìn)入細(xì)胞,研究報(bào)道polybrene顯著提高重組腺病毒感染細(xì)胞的效率,且在一定濃度范圍內(nèi)呈劑量依賴性[18]。以上研究為下一步篩選穩(wěn)轉(zhuǎn)細(xì)胞系奠定基礎(chǔ)。
構(gòu)建穩(wěn)轉(zhuǎn)細(xì)胞系時(shí)常采用一些抗生素進(jìn)行篩選,如G418、潮霉素B或puromycin,在篩選前需要先通過(guò)抗生素濃度梯度試驗(yàn),選擇殺死全部細(xì)胞的最低濃度為適合該類細(xì)胞的最佳篩選濃度。用G418或潮霉素B,選用在5 d左右出現(xiàn)細(xì)胞大批死亡,2周全部死亡的濃度作為篩選濃度。對(duì)于puromycin,通常采用在3~4 d殺死全部細(xì)胞的濃度。本試驗(yàn)中慢病毒載體上帶有puromycin抗性基因,細(xì)胞感染病毒后則會(huì)成功獲得puromycin抗性,因此,本研究在穩(wěn)轉(zhuǎn)細(xì)胞系篩選前,將puromycin濃度梯度設(shè)置為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 μg·mL-1處理B16F10細(xì)胞,72 h后觀察細(xì)胞的死亡情況,最后確定能夠殺死B16F10空白細(xì)胞的最低puromycin濃度為1.5 μg·mL-1。經(jīng)過(guò)puromycin加壓篩選成功獲得干擾Beclin-1表達(dá)的B16F10穩(wěn)轉(zhuǎn)細(xì)胞系。
Beclin-1是第1個(gè)被發(fā)現(xiàn)的哺乳動(dòng)物自噬相關(guān)基因,主要通過(guò)與PI3K中的亞基VPS34及其調(diào)控成分VPS15型組成Ⅲ型磷脂酰肌醇三磷酸激酶復(fù)合物,誘導(dǎo)吞噬泡形成,在自噬體的形成與成熟兩個(gè)階段發(fā)揮作用[19-20]。Western blot結(jié)果表明,與對(duì)照組細(xì)胞相比,B16F10-m-Beclin-1-shRNA1細(xì)胞組中LC3-Ⅱ/LC3Ⅰ比值顯著降低;電鏡結(jié)果顯示,即使在自噬誘導(dǎo)劑RAPA刺激下B16F10-m-Beclin-1-shRNA1細(xì)胞內(nèi)自噬小體形成較少,以上結(jié)果充分說(shuō)明沉默Beclin-1表達(dá)能夠有效抑制B16F10細(xì)胞自噬的發(fā)生。這與張松[21]報(bào)道沉默Beclin-1基因可以降低前列腺增生上皮細(xì)胞BPH-1的自噬活性相一致。以上結(jié)果為研究Beclin-l基因功能與自噬關(guān)系提供重要試驗(yàn)材料。
越來(lái)越多研究表明,除調(diào)控自噬外,Beclin-1還可通過(guò)非自噬依賴性通路影響腫瘤的發(fā)生和進(jìn)展[22]。本研究中CCK-8試驗(yàn)結(jié)果顯示,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),干預(yù)Beclin-1表達(dá)后的B16F10細(xì)胞活力與對(duì)照細(xì)胞相比顯著下降,說(shuō)明Beclin-1表達(dá)下降能夠促進(jìn)B16F10細(xì)胞死亡。Ye等[23]發(fā)現(xiàn),Beclin-1基因敲除能通過(guò)抑制基質(zhì)金屬蛋白酶家族MMP-9蛋白抑制尤文肉瘤細(xì)胞SK-ES-1的增殖、侵襲和遷移。然而一些學(xué)者研究表明Beclin-1在肝癌等大多數(shù)腫瘤組織中表達(dá)量降低,且Beclin-1表達(dá)下降直接促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖活性[24],以上結(jié)果的不一致推測(cè)可能與Beclin-1在調(diào)控腫瘤作用中存在階段性有關(guān)。
本研究利用慢病毒介導(dǎo)的RNAi技術(shù)構(gòu)建了穩(wěn)定沉默Beclin-1基因B16F10細(xì)胞系,不僅可以有效沉默自噬基因Beclin-1的表達(dá),而且能夠降低B16F10細(xì)胞自噬活性,加速B16F10腫瘤細(xì)胞死亡。由于自噬的復(fù)雜性和階段性,至于沉默Beclin-1基因激活哪些信號(hào)通路,從而促進(jìn)B16F10腫瘤細(xì)胞死亡,這需要在后續(xù)試驗(yàn)中進(jìn)行探索。以上研究為探討B(tài)eclin-1基因在抗小鼠黑色素瘤中的作用機(jī)制奠定重要物質(zhì)基礎(chǔ)。
利用RNA干擾技術(shù)構(gòu)建穩(wěn)定沉默Beclin-l基因的B16F10小鼠黑色素瘤細(xì)胞系,結(jié)果顯示,該細(xì)胞系Beclin-l基因的 mRNA和蛋白表達(dá)得到有效抑制,并且干預(yù)Beclin-1基因表達(dá)能夠抑制B16F10細(xì)胞自噬的發(fā)生,加速B16F10細(xì)胞死亡,提示自噬活性與B16F10腫瘤細(xì)胞增殖密切相關(guān),這為探討B(tài)eclin-1基因功能及自噬在抗腫瘤中的作用奠定重要基礎(chǔ)。