G突變對先天性心臟病相關(guān)基因表達(dá)的影響▲"/>
謝華斌 葛高順 王瑩瑩 方宜臻 馬芳芳 倪二茹,3
(1 廈門大學(xué)附屬心血管病醫(yī)院檢驗科,福建省廈門市 361008,電子郵箱:xmsccl@126.com;2 廈門市心血管疾病精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)重點實驗室,福建省廈門市 361008;3 廈門大學(xué)醫(yī)學(xué)院,福建省廈門市 361000)
先天性心臟病(congenital heart disease,CHD)是一種最常見的出生缺陷性疾病,其中80%為單純性CHD,即僅有心臟的發(fā)育畸形或缺陷,而沒有其他部位的發(fā)育異常[1-3]。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多個可能與CHD發(fā)病有關(guān)的基因,其中NK2同源異型框5(NK2 homeobox 5,NKX2-5)、GATA結(jié)合蛋白4(GATA binding protein 4,GATA4)和T盒轉(zhuǎn)錄因子5(T-box transcription factor 5,TBX5)是心臟早期發(fā)育過程中的3個重要轉(zhuǎn)錄因子。有研究提示,這3個基因參與室間隔缺損和房間隔缺損的發(fā)生和發(fā)展[4],且三者相互作用,共同調(diào)控心臟特異基因的表達(dá)[5-7]。其中,NKX2-5的基因突變可引起房室傳導(dǎo)缺陷和房間隔缺損,可導(dǎo)致左心發(fā)育不良綜合征、右室雙出口和法洛四聯(lián)癥等多種不同類型的CHD[4-7]。最近研究還有表明CHD的發(fā)生與NKX2-5基因的63位堿基的A突變?yōu)镚有關(guān)[8],但其具體機(jī)制尚未明確。本研究探討NKX2-5基因63A>G突變對CHD相關(guān)基因表達(dá)水平的影響,為闡明NKX2-5基因與CHD發(fā)病的關(guān)系提供實驗依據(jù)。
1.1 材料 P19細(xì)胞和HEK293T細(xì)胞(美國菌種保藏中心,ATCC);PLVX-puro-MCS-GFP質(zhì)粒(美國Addgene公司,批號:128652);psPAX2質(zhì)粒(美國Addgene公司,批號:12260)和pMD2G質(zhì)粒(美國Addgene公司,批號:12259);DH5α感受態(tài)細(xì)胞(天根生物公司,批號:CB101-02);BamHⅠ限制性內(nèi)切酶(美國Thermo公司,批號:FD0054)和EcoRⅠ限制性內(nèi)切酶(美國Thermo公司,批號:FD0274);NKX2-5 cDNA(Sino Biological公司,批號:HG12354-ANG);T4連接酶(美國Thermo公司,批號:15224017);杜氏改良伊格爾培養(yǎng)基(Dulbecco′s modified Eagle medium,DMEM;美國Gibco公司,批號:11965092);點突變試劑盒(碧云天公司,批號:D0208S);瓊脂糖(北京索萊寶生物公司,批號:9012-36-6);Turbofect轉(zhuǎn)染試劑(美國Thermo公司,批號:R0534);聚凝胺(美國Sigma公司,批號:TR-1003-G);蛋白酶抑制劑(美國羅氏公司,批號:5892791001);綠色熒光蛋白(green fluorescent protein,GFP)抗體(武漢三鷹生物公司,批號:66002-1-Ig);ECL化學(xué)發(fā)光液(美國Millipore公司,批號:WBKLS0100);磷酸緩沖鹽溶液(phosphate buffered saline,PBS;廠家:北京索萊寶生物公司,批號:P1010)。
1.2 質(zhì)粒構(gòu)建 以NKX2-5 cDNA作為模板設(shè)計引物(含BamHⅠ和EcoRⅠ酶切位點),通過PCR法進(jìn)行NKX2-5基因擴(kuò)增,分別使用BamH Ⅰ和EcoR Ⅰ內(nèi)切酶對擴(kuò)增產(chǎn)物和PLVX-puro-MCS-GFP載體質(zhì)粒進(jìn)行酶切,然后將酶切產(chǎn)物進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳,并通過膠回收試劑盒純化NKX2-5基因擴(kuò)增產(chǎn)物和載體片段,通過T4連接酶將擴(kuò)增產(chǎn)物和載體片段進(jìn)行連接,并將連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)化至DH5α感受態(tài)細(xì)胞中,37℃培養(yǎng)過夜后挑單菌落進(jìn)行擴(kuò)增培養(yǎng),而后純化質(zhì)粒和測序鑒定,獲得pLVX-Puro-NKX2-5-GFP質(zhì)粒(NKX2-5質(zhì)粒)。以NKX2-5質(zhì)粒作為模板,采用點突變試劑盒將63位堿基序列由A突變?yōu)镚,獲得pLVX-Puro-NKX2-5 63A>G-GFP質(zhì)粒(NKX2-5 63A>G質(zhì)粒)。
1.3 慢病毒包裝 培養(yǎng)HEK293T細(xì)胞并傳代,取生長狀態(tài)良好的細(xì)胞,用適當(dāng)?shù)腄MEM培養(yǎng)基重懸后以1×104個/mL平鋪于10 cm細(xì)胞培養(yǎng)皿上。將細(xì)胞置于含5% CO2的37℃細(xì)胞培養(yǎng)箱中孵育8~24 h,當(dāng)細(xì)胞完全貼壁后將細(xì)胞分為GFP組、NKX2-5組和NKX2-5 63A>G組,并開始轉(zhuǎn)染。轉(zhuǎn)染前2 h換液(用10 mL完全培養(yǎng)基置換舊的培養(yǎng)基);分別混勻3種待包裝質(zhì)粒[對照GFP空載質(zhì)粒(廠家:Addgene,批號:128652)、NKX2-5質(zhì)粒和NKX2-5 63A>G質(zhì)粒],同時混勻病毒包裝體(psPAX2和病毒包膜(pMD2G)。取3個無菌1.5 mL EP管,分別依次加入400 μL無血清DMEM、1.500 g的待包裝質(zhì)粒、1.000 g的病毒包裝體(psPAX2)、0.500 g的病毒包膜(pMD2G)和6 μL Turbofect轉(zhuǎn)染試劑,即每個包裝體系中待包裝質(zhì)粒、病毒包裝體(psPAX2)、病毒包膜(pMD2G)的質(zhì)量比為3∶2∶1,充分混勻,靜置15~20 min后將混合液分別逐滴加入上述含有單層HEK293T細(xì)胞的細(xì)胞培養(yǎng)基中,輕輕搖動細(xì)胞培養(yǎng)平皿后置于含5% CO2的37℃細(xì)胞培養(yǎng)箱孵育。6~10 h后吸棄培養(yǎng)基,加入5 mL的37℃預(yù)熱完全培養(yǎng)基,繼續(xù)將細(xì)胞放置37℃、含5%二氧化碳的細(xì)胞培養(yǎng)箱孵育,40 h后收集含慢病毒的上清(病毒液)進(jìn)行感染操作或者分裝后置于-80℃儲存待用。
1.4 細(xì)胞病毒轉(zhuǎn)染 將P19細(xì)胞平鋪于6孔板,當(dāng)細(xì)胞達(dá)最佳密度30%~70%時,將細(xì)胞分為GFP組、NKX2-5組和NKX2-5 63A>G組,在6孔板中依次加入1 mL 1.3步驟獲得的相應(yīng)病毒液和終濃度為2 μg/mL的聚凝胺,充分搖勻后置于含5% CO2的37℃細(xì)胞培養(yǎng)箱孵育,12~24 h后換液,采用熒光顯微鏡(明美光電公司,型號:MF41)觀察轉(zhuǎn)染效果,穩(wěn)定轉(zhuǎn)染的細(xì)胞長滿細(xì)胞培養(yǎng)板后傳代或者用于后續(xù)試驗。
1.5 CCK-8實驗 取各組穩(wěn)定轉(zhuǎn)染質(zhì)粒的對數(shù)生長期P19細(xì)胞,用0.25%胰蛋白酶消化,以每孔5 000個細(xì)胞接種于96孔板內(nèi),每孔100 μL,每組設(shè)3個平行孔并設(shè)不含細(xì)胞的空白對照(只有100 μL培養(yǎng)基),置于含5% CO2的37℃細(xì)胞培養(yǎng)箱培養(yǎng)0 h、24 h、48 h、72 h后,將10 μL CCK-8試劑(上海碧云天生物技術(shù)有限公司,批號:C0038)加入96孔板內(nèi),37℃孵育1 h后,于酶標(biāo)儀490 nm波長處讀取吸光值,記錄結(jié)果。實驗重復(fù)3次。
1.6 細(xì)胞周期檢測 取各組對穩(wěn)定轉(zhuǎn)染質(zhì)粒的對數(shù)生長期P19細(xì)胞,以1×104個/mL平鋪于細(xì)胞6孔板上,用DMEM培養(yǎng),置于含5% CO2的37℃細(xì)胞培養(yǎng)箱培養(yǎng)48 h后,進(jìn)行固定、透膜,然后采用周期試劑盒(上海碧云天生物技術(shù)有限公司,批號:C1052)染色,于流式細(xì)胞儀(貝克羅公司,型號:DxFLEX)上檢測細(xì)胞周期。實驗重復(fù)3次。
1.7 蛋白免疫印跡試驗 將各組穩(wěn)定轉(zhuǎn)染質(zhì)粒的對數(shù)生長期P19細(xì)胞棄除培養(yǎng)基后,用PBS洗滌3次,加入含蛋白酶抑制劑的RIPA裂解液后(在冰上操作),用細(xì)胞刮刮凈細(xì)胞至1.5 mL離心管中再裂解30 min,將裂解產(chǎn)物離心后,測定蛋白濃度,加入蛋白上樣緩沖液后95℃煮沸5 min使蛋白變性,制作12%十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠,加樣蛋白后進(jìn)行電泳,以100 V電壓濕轉(zhuǎn)100 min將蛋白轉(zhuǎn)至聚偏二氟乙烯膜;5%脫脂奶粉4℃封閉聚偏二氟乙烯膜過夜;棄去封閉液,PBST洗膜3次,5 min/次;將聚偏二氟乙烯膜按泳道剪切,放入4個干凈的培養(yǎng)皿中,分別加入GFP抗體(稀釋比例為1∶1 000),并以甘油醛-3-磷酸脫氫酶(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase,GAPDH;稀釋比例為1∶3 000)蛋白(上海碧云天生物技術(shù)有限公司,批號:AF5009)作為內(nèi)參,室溫反應(yīng)2 h,PBST洗3次,5 min/次;加入1∶3 000稀釋的羊抗鼠辣根過氧化物酶-IgG(上海碧云天生物技術(shù)有限公司,批號:A0216),室溫反應(yīng)1 h,PBST洗3次,5 min/次;ECL顯色并觀察記錄結(jié)果,通過Image J軟件進(jìn)行灰度分析。實驗重復(fù)3次。
1.8 實時定量PCR檢測 收集穩(wěn)定轉(zhuǎn)染質(zhì)粒的P19細(xì)胞,采用TRIzol法提取RNA,并通過NanoDrop核酸檢測儀測定RNA濃度及純度,采用反轉(zhuǎn)錄試劑盒(Toyobo公司,批號:FSQ-101)將RNA反轉(zhuǎn)錄為cDNA,嚴(yán)格按試劑盒說明進(jìn)行操作,以cDNA為模板,SYBR熒光染料進(jìn)行實時定量PCR。反應(yīng)體系為:10 μL 2×qPCR Mix,1 μL cDNA模板,上下游引物各0.5 μL和8 μL雙蒸水。反應(yīng)條件為:95℃下預(yù)變性30 s,然后95℃變性5 s,56℃退火30 s,72℃延伸30 s,40個循環(huán),熱熔解階段95℃下變性60 s,56℃下熱熔解30 s,95℃熱熔解30 s。以GAPDH基因為內(nèi)參,檢測NKX2-5、GATA4、TBX5、心房鈉尿肽(atrial natriuretic peptide,ANP)、骨形成發(fā)生蛋白4(bone morphogenetic protein 4,BMP4)、肌球蛋白輕鏈2V(myosin light chain 2V,MLC2V)、N-myc、心肌細(xì)胞增強(qiáng)因子2C(myocyte enhancer factor 2C, MEF2C)、蛻膜/心臟/自主神經(jīng)系統(tǒng)和神經(jīng)嵴衍生物表達(dá)蛋白2(deciduum,heart,autonomic nervous system,and neural crest derivatives-expressed protein 2,dHAND)和肌節(jié)同源異型框2(muscle segment homeobox 2,MSX2)的mRNA表達(dá)水平。引物序列見表1。目的基因的表達(dá)水平由實時定量PCR的CT值計算得出。實驗重復(fù)3次。
表1 待測基因引物序列
1.9 統(tǒng)計學(xué)分析 采用GraphPad Prism 7軟件進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。計量資料以(x±s)表示,多組間比較采用單因素方差分析,兩組間比較采用Tukey檢驗;計數(shù)資料以例數(shù)或構(gòu)成比表示,組間比較采用χ2檢驗。以P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。
2.1 NKX2-5 63A>G質(zhì)粒的鑒定 構(gòu)建NKX2-5 63A>G質(zhì)粒后進(jìn)行測序,結(jié)果顯示在NKX2-5基因序列的第63位堿基由A突變?yōu)镚,表明點突變質(zhì)粒構(gòu)建成功。構(gòu)建NKX2-5 63A>G質(zhì)粒結(jié)構(gòu)見圖1A,測序結(jié)果見圖1B。
圖1 NKX2-5 63A>G點突變載體
2.2 穩(wěn)定轉(zhuǎn)染P19細(xì)胞株的鑒定 將包裝好的GFP質(zhì)粒、NKX2-5質(zhì)粒和NKX2-5 63A>G質(zhì)粒分別轉(zhuǎn)染P19細(xì)胞后,進(jìn)行嘌呤霉素篩選,獲得穩(wěn)定轉(zhuǎn)染細(xì)胞株。熒光顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn),穩(wěn)定轉(zhuǎn)染GFP質(zhì)粒、NKX2-5質(zhì)粒和NKX2-5 63A>G質(zhì)粒的P19細(xì)胞株,均可表達(dá)出較強(qiáng)的熒光,見圖2A,提示穩(wěn)定轉(zhuǎn)染細(xì)胞株構(gòu)建成功。進(jìn)一步使用蛋白免疫印跡法檢測GFP抗體表達(dá)情況,結(jié)果顯示,轉(zhuǎn)染GFP質(zhì)粒的細(xì)胞在分子量為25 kDa左右的位置有明顯條帶;而轉(zhuǎn)染NKX2-5和NKX2-5 63A>G質(zhì)粒的細(xì)胞則在60 kDa左右有明顯條帶,提示存在NKX2-5和NKX2-5 63A>G蛋白表達(dá),成功構(gòu)建穩(wěn)定轉(zhuǎn)染細(xì)胞株,見圖2B。
圖2 NKX2-5質(zhì)粒和NKX2-5 63A>G質(zhì)粒穩(wěn)定轉(zhuǎn)染P19細(xì)胞株的鑒定結(jié)果
2.3 NKX2-5 63A>G突變對P19細(xì)胞增殖和周期的影響 流式細(xì)胞術(shù)結(jié)果顯示,3組細(xì)胞周期比例差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義,其中GFP組、NKX2-5 63A>G組、NKX2-5組G1期細(xì)胞比例依次升高,S期、G2期細(xì)胞比例依次降低(P<0.05),見表2。CCK-8增殖實驗結(jié)果顯示,在0 h、24 h兩個時間點,3組細(xì)胞增殖能力差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05),但在48 h、72 h兩個時間點,3組細(xì)胞增殖能力差異有統(tǒng)計學(xué)意義,其中在48 h時NKX2-5 63A>G組吸光度值高于GFP組,在72 h時,GFP組吸光度值均高于其他兩組,且NKX2-5 63A>G組高于NKX2-5組(P<0.05),見表3。
表2 3組P19細(xì)胞周期的比較(x±s,%)
表3 不同時間點3組P19細(xì)胞增殖情況的比較(x±s,吸光度值)
2.4 3組P19細(xì)胞NKX2-5、GATA4和TBX5 mRNA表達(dá)水平的比較 各組NKX2-5、GATA4和TBX5的mRNA相對表達(dá)水平差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05),見表4。
表4 3組P19細(xì)胞NKX2-5、GATA4和TBX5 mRNA相對表達(dá)水平的比較(x±s)
2.5 3組P19細(xì)胞NKX2-5下游基因表達(dá)水平的比較 3組P19細(xì)胞的BMP4和MEF2C的mRNA表達(dá)水平差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。與GFP組相比,NKX2-5組P19細(xì)胞的BMP4和MEF2C mRNA表達(dá)水平升高;與NKX2-5組比較,NKX2-5 63A>G組P19細(xì)胞的BMP4和MEF2C mRNA表達(dá)水平降低(均P<0.05)。3組P19細(xì)胞的ANF、MLC2V、N-myc、dHAND和MSX2 mRNA表達(dá)水平差異無統(tǒng)計學(xué)意義(均P>0.05)。見表5。
表5 3組P19細(xì)胞ANP、BMP4、MLC2V、N-myc、MEF2C、dHAND和MSX2 mRNA相對表達(dá)水平的比較(x±s)
CHD的發(fā)病主要與環(huán)境因素和遺傳因素有關(guān),多數(shù)是二者共同作用的結(jié)果。單純性CHD的發(fā)病主要與遺傳因素有關(guān),占發(fā)病因素80%左右,主要包括染色體、單基因或多基因的異常。染色體異常因素包括染色體的數(shù)目和結(jié)構(gòu)的異常,染色體結(jié)構(gòu)的異常又包括染色體大片段的倒轉(zhuǎn)、互置、缺失或重復(fù),以及微小片段的缺失或拷貝數(shù)增加等。21-三體綜合征、Turner綜合征和22q11.1微缺失綜合征等是可引起CHD的常見染色體異常[9-11]。而在這些遺傳因素中,多基因遺傳約占90%,且這些基因之間相互作用,任何一個基因的質(zhì)量或數(shù)量發(fā)生異常都可能引起心臟發(fā)育異常,導(dǎo)致CHD的發(fā)生[12-13]。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多種可能與CHD發(fā)病有關(guān)的異?;?,而心臟早期發(fā)育過程的3個重要轉(zhuǎn)錄因子NKX2-5、GATA4和TBX5[4,14-16]被確認(rèn)與CHD有關(guān),并且三者相互作用,共同調(diào)控心臟特異基因的表達(dá)[9-11]。
NKX2-5基因位于人類染色體5q35上,cDNA全長1 632 bp,編碼324個氨基酸,有2個外顯子,編碼4類高度保守的結(jié)構(gòu)域,是目前研究最多的與CHD發(fā)生有關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子。NKX2-5基因的缺失可導(dǎo)致胚胎死于心臟畸形,而其過表達(dá)可引起心臟擴(kuò)大[4-7]。一項針對我國人群的NKX2-5基因突變與CHD易感性之間關(guān)系的Meta分析結(jié)果顯示,該基因63A>G突變與CHD易感性有關(guān)[8,16],但是NKX2-5 63A>G突變參與CHD發(fā)病的機(jī)制尚不清楚。本研究采用P19細(xì)胞研究NKX2-5 63A>G過表達(dá)對轉(zhuǎn)錄因子GATA4、TBX5、NKX2-5及其下游信號通路的影響,為闡明NKX2-5基因63A>G突變與CHD之間的關(guān)系奠定研究基礎(chǔ)。
本研究結(jié)果顯示,NKX2-5基因過表達(dá)可以抑制P19細(xì)胞從G1期進(jìn)入S期,影響DNA的合成,但NKX2-5基因發(fā)生63A>G突變后,該抑制作用減弱;NKX2-5過表達(dá)能抑制P19細(xì)胞增殖,而NKX2-5 63A>G突變能部分減弱NKX2-5過表達(dá)對細(xì)胞增殖的抑制作用。這提示NKX2-5 63A>G突變可能影響 P19細(xì)胞的細(xì)胞周期和增殖。
有研究顯示,NKX2-5基因可通過影響下游基因,如ANP、BMP4、MLC2V、N-myc、MEF2C、dHAND和MSX2等基因的轉(zhuǎn)錄而參與心臟發(fā)育[8,17]。本研究結(jié)果顯示,NKX2-5 63A>G突變對心臟發(fā)育轉(zhuǎn)錄因子GATA4和TBX5的轉(zhuǎn)錄水平?jīng)]有影響,但可降低BMP和MEF2C mRNA的表達(dá)水平(均P<0.05),提示NKX2-5 63A>G突變可通過影響NKX2-5下游部分基因的轉(zhuǎn)錄水平參與心臟發(fā)育異常的過程。
綜上所述,NKX2-5基因過表達(dá)可影響細(xì)胞周期,抑制P19細(xì)胞增殖,發(fā)生63A>G突變后抑制細(xì)胞增殖的作用減弱,機(jī)制可能與其影響NKX2-5下游部分基因的轉(zhuǎn)錄水平有關(guān)。