吳飛,吳杰,陳學(xué)秋,周靜茹,張惠,黃艷,時(shí)恒枝,楊怡,馬光旭,杜愛(ài)芳
(浙江大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院動(dòng)物預(yù)防醫(yī)學(xué)研究所,杭州 310058)
細(xì)胞系(cell line)通常指能夠連續(xù)傳代的細(xì)胞,其易于傳代和編輯的特性使得其在生物學(xué)研究尤其是在探究癌癥發(fā)生發(fā)展機(jī)制及治療方案中具有重要的地位[1?2]。然而,廣泛應(yīng)用的綿羊細(xì)胞系仍十分匱乏[3],國(guó)內(nèi)易獲得的主要包括綿羊肺成纖維細(xì)胞(OAR?L1)和迪慶綿羊皮膚成纖維細(xì)胞(DQSHS1),前者是由中國(guó)科學(xué)院昆明細(xì)胞庫(kù)于1990年從雌性綿羊的肺組織中建立的細(xì)胞系,呈纖維狀,貼壁生長(zhǎng),2~3 d 以1∶3 的比例傳代,生長(zhǎng)迅速,連續(xù)傳代后形態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,非常適合做細(xì)胞模型。目前,在基于綿羊細(xì)胞的研究中,仍主要依賴于原代細(xì)胞的分離培養(yǎng),鮮有將現(xiàn)有綿羊細(xì)胞系應(yīng)用于研究中的報(bào)道[4?5]。同時(shí),對(duì)綿羊細(xì)胞系或原代細(xì)胞高效轉(zhuǎn)染方法的探索也十分有限,缺乏可推廣的普適性結(jié)論[6?10]。因此,尋找一種能夠簡(jiǎn)單、便捷地對(duì)綿羊細(xì)胞進(jìn)行穩(wěn)定高效轉(zhuǎn)染的方法十分重要。
真核細(xì)胞轉(zhuǎn)染技術(shù)是研究細(xì)胞內(nèi)基因及蛋白質(zhì)功能的一種重要手段,普遍應(yīng)用于細(xì)胞生物學(xué)、免疫學(xué)和病原學(xué)等眾多學(xué)科的多個(gè)領(lǐng)域中,主要可分為物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)方法[11?12]。每種方法都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì),如電穿孔法、顯微注射法、基因槍粒子轟擊法和激光轉(zhuǎn)染技術(shù)等物理學(xué)方法能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)打靶,但這類方法不僅需要特定的高精度儀器和專業(yè)的培訓(xùn),而且通常操作的細(xì)胞數(shù)量有限或受轉(zhuǎn)染細(xì)胞死亡率過(guò)高[11,13?14]。因此,這類方法在基于反芻動(dòng)物細(xì)胞研究過(guò)程中的應(yīng)用有限。目前,應(yīng)用最為廣泛的仍是化學(xué)轉(zhuǎn)染方法,其中最常用的是脂質(zhì)體2000 轉(zhuǎn)染試劑(LipofectamineTM2000 transfection reagent, Lipo 2000)、聚乙烯亞胺(polyethyleneimine,PEI)及其類似的產(chǎn)品,其在原代綿羊細(xì)胞中轉(zhuǎn)染效果最好,但效率均未超過(guò)30%[4?5,15?16]。 另 外,成 纖 維 細(xì) 胞 轉(zhuǎn) 染 試 劑 盒(CytofectTMfibroblast transfection kit,CF2)因具有顯著提高原代成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)染效率的能力[17],亦受到部分學(xué)者關(guān)注,但其是否能高效轉(zhuǎn)染綿羊成纖維細(xì)胞系仍需要進(jìn)一步探索。至于生物學(xué)方法,目前應(yīng)用更多的仍是慢病毒,首先是因?yàn)檫@類病毒存在缺陷,在侵染了一代細(xì)胞后不會(huì)在受侵染的細(xì)胞中再次包裝新的病毒;其次是這類方法在細(xì)胞轉(zhuǎn)染效率上具有顯著的優(yōu)勢(shì)[18?19],甚至能夠有效侵染多種公認(rèn)的難轉(zhuǎn)染細(xì)胞系或原代細(xì)胞[13]。但這類方法在基于綿羊細(xì)胞的研究中,主要用于構(gòu)建過(guò)表達(dá)或敲降細(xì)胞株,鮮有將之用作普通轉(zhuǎn)染方法[20]的報(bào)道。
基于此,本研究擬使用PEI、Lipo 2000、CF2 和慢病毒侵染的方法,對(duì)OAR?L1細(xì)胞進(jìn)行轉(zhuǎn)染效果的比較,以尋找能夠快捷、高效轉(zhuǎn)染OAR?L1 細(xì)胞的方法,為后續(xù)基于綿羊細(xì)胞的研究奠定理論基礎(chǔ)和提供技術(shù)支撐。
細(xì)胞(HEK 293T細(xì)胞)、菌株(大腸埃希菌感受態(tài)細(xì)胞TOP10)和質(zhì)粒(pMD2.G、psPAX2 以及熒光質(zhì)粒pLentiCMV?EGFP?Puro、pLentiCMV?mCherry?Puro)均由本實(shí)驗(yàn)室凍存,其中2種熒光質(zhì)粒圖譜如圖1所示。
圖1 熒光質(zhì)粒圖譜示意Fig.1 Schematic diagram of fluorescent plasmid maps
2×Taq主混合物購(gòu)自上海近岸生物科技有限公司;限制性內(nèi)切酶XbaⅠ、BamHⅠ和SalⅠ,購(gòu)自寶生物工程(大連)有限公司;轉(zhuǎn)染試劑聚乙烯亞胺(PEI,Linear)(分子量25 000)、脂質(zhì)體2000 轉(zhuǎn)染試劑(Lipo 2000)和成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)染試劑盒(CF2)分別購(gòu)自美國(guó)Polysciences、Thermo Fisher Scientific 和Cell Applications公司;達(dá)爾伯克氏改良伊格爾培養(yǎng)基(Dulbecco’s modified Eagle medium, DMEM)和Gibico 胎牛血清(fetal bovine serum,FBS)分別購(gòu)自以色列Biological Industries 公司和美國(guó)Thermo Fisher Scientific 公司;預(yù)染彩虹蛋白標(biāo)志物10~180 kDa、FDbio?Femto ECL 發(fā)光液、一步法凝膠制備試劑盒(12%)和辣根過(guò)氧化物酶(horseradish peroxidase,HRP)標(biāo)記的山羊抗鼠IgG,購(gòu)自杭州弗德生物科技有限公司;質(zhì)粒提取試劑盒購(gòu)自浙江易思得生物科技有限公司;綠色熒光蛋白(green fluorescent protein, GFP)抗體(小鼠單抗)、Western一抗稀釋液和Western一抗二抗去除液購(gòu)自上海碧云天生物技術(shù)有限公司;mCherry 抗體購(gòu)自武漢三鷹生物技術(shù)有限公司。
質(zhì)粒鑒定時(shí)所用的聚合酶鏈反應(yīng)(polymerase chain reaction,PCR)引物為測(cè)序通用引物(CMV?F,5′?CGCAAATGGGCGGTAGGCGTG?3′;WPRE?R,5′?CATAGCGTAAAAGGAGCAACA?3′),由浙江尚亞生物技術(shù)有限公司提供,且測(cè)序亦由該公司完成。
將實(shí)驗(yàn)室保存的熒光質(zhì)粒pLentiCMV?EGFP?Puro、pLentiCMV?mCherry?Puro轉(zhuǎn)化至感受態(tài)細(xì)胞TOP10 中并涂于氨芐抗性的溶菌肉湯(lysogeny broth,LB)平板上,次日挑取單克隆送往公司測(cè)序;用測(cè)序正確的菌液樣品在氨芐抗性的LB平板上劃線,次日挑取單克隆,于37 ℃條件下?lián)u菌3 h后進(jìn)行菌液PCR鑒定,將陽(yáng)性樣品接種至含5 mL氨芐抗性LB溶液的試管中擴(kuò)繁,16~18 h后按說(shuō)明書(shū)步驟進(jìn)行質(zhì)粒抽提;測(cè)定所提質(zhì)粒的濃度并經(jīng)雙酶切鑒定,鑒定正確的質(zhì)粒在6孔板中按照2 μg/孔的劑量轉(zhuǎn)染HEK 293T細(xì)胞,后續(xù)結(jié)合熒光表達(dá)情況和蛋白質(zhì)印跡法(Western blotting)結(jié)果對(duì)留存質(zhì)粒進(jìn)行鑒定。
鑒定成功的質(zhì)粒,分別以PEI(1 mg/mL)、Lipo 2000和CF2為轉(zhuǎn)染試劑,按不同的劑量轉(zhuǎn)染在24孔板中以梯度密度鋪板的OAR?L1 細(xì)胞(圖2)。待滿鋪的OAR?L1 細(xì)胞消化后重懸于2 mL培養(yǎng)基中,計(jì)數(shù)后將1×104、2×104、4×104、8×104個(gè)細(xì)胞分別接種至24 孔板A、B、C 和D 行對(duì)應(yīng)的孔中,轉(zhuǎn)染時(shí)24 孔板的第1—6 列分別加入1、2、3、4、5、6 μL PEI、Lipo 2000 或CF2轉(zhuǎn)染劑(圖2C)。轉(zhuǎn)染參照相應(yīng)試劑的說(shuō)明書(shū)進(jìn)行,48 h后觀察熒光表達(dá)情況。
鑒定成功的質(zhì)粒在6孔板中按照每孔1 μg熒光質(zhì)粒、0.75 μg psPAX2、0.25 μg pMD2.G 的劑量共轉(zhuǎn)染HEK 293T細(xì)胞,轉(zhuǎn)染過(guò)程如圖2B所示;隨后收集表達(dá)熒光蛋白的細(xì)胞上清液,以800g離心5 min,并經(jīng)0.45 μm的濾器過(guò)濾獲得包裝完成的病毒液;收集的慢病毒用于侵染以圖2C 方式鋪板的OAR?L1 細(xì)胞,侵染時(shí)24 孔板的第1—6 列每孔分別使用100、200、300、400、500、600 μL 病毒液,并補(bǔ)加100 μL 新鮮培養(yǎng)液,6 h后再補(bǔ)加250 μL培養(yǎng)液,24 h后換液,48 h后觀察熒光并采用蛋白質(zhì)印跡法驗(yàn)證(圖2B)。
包裝完成后收集的病毒液共分為8 份,其中2份在收集后立即侵染OAR?L1細(xì)胞,其余6份分成2組分別儲(chǔ)存在4 和-80 ℃條件下,并在第5、10、15天各自取出1 份侵染OAR?L1 細(xì)胞,每次侵染48 h后觀察熒光表達(dá)情況。
本研究中共侵染以2種方式進(jìn)行,一種是先包裝再共同侵染,另一種是同時(shí)包裝2種慢病毒質(zhì)粒,獲得混合的病毒液后再進(jìn)行侵染。前者的病毒包裝過(guò)程如圖2B 所示,獲得的2 種病毒液按照1∶1 的比例侵染OAR?L1細(xì)胞;后者的包裝過(guò)程也相似,不同的是在轉(zhuǎn)染時(shí)將1 μg 紅色熒光質(zhì)粒、1 μg 綠色熒光質(zhì)粒與0.75 μg psPAX2 和0.25 μg pMD2.G 充分混合,后續(xù)過(guò)程與前面一致,48 h后觀察熒光表達(dá)情況。
圖2 轉(zhuǎn)染、侵染流程和細(xì)胞鋪板情況Fig.2 Protocols of transfection,infection and cell plating
pLentiCMV?EGFP?Puro 及pLentiCMV?mCherry?Puro 經(jīng)XbaⅠ和BamHⅠ位點(diǎn)雙酶切后連接入一段外源基因,構(gòu)建能夠表達(dá)特定蛋白的熒光質(zhì)粒,再根據(jù)1.7節(jié)結(jié)果選擇合適的共侵染方式進(jìn)行共侵染試驗(yàn),通過(guò)觀察熒光表達(dá)情況和采用蛋白質(zhì)印跡法驗(yàn)證結(jié)果。
通過(guò)ImageJ 1.52v軟件統(tǒng)計(jì)轉(zhuǎn)染后表達(dá)熒光的細(xì)胞數(shù);利用t檢驗(yàn)對(duì)不同轉(zhuǎn)染方法的轉(zhuǎn)染效率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,以P<0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義;采用GraphPad Prism 6繪制圖形。
用本實(shí)驗(yàn)室留存質(zhì)粒(pLentiCMV?EGFP?Puro和pLentiCMV?mCherry?Puro)轉(zhuǎn)染TOP10 后挑取單克隆,菌液PCR 鑒定結(jié)果顯示,所有克隆均擴(kuò)增出長(zhǎng)約750 bp 的目的條帶(圖3A);BamHⅠ/SalⅠ雙酶切結(jié)果可見(jiàn)長(zhǎng)約750 bp 的目的條帶(圖3B)。分 別 將 鑒 定 正 確 的pLentiCMV?EGFP?Puro 和pLentiCMV?mCherry?Puro 質(zhì)粒轉(zhuǎn)染HEK 293T 細(xì)胞,結(jié)果(圖3C)顯示,HEK 293T 細(xì)胞分別成功表達(dá)綠色熒光蛋白和紅色熒光蛋白,蛋白質(zhì)印跡法結(jié)果中可見(jiàn)與理論大小一致的目的條帶,進(jìn)一步證明熒光蛋白在細(xì)胞中進(jìn)行了表達(dá)。綜上所述,本實(shí)驗(yàn)室留存的pLentiCMV?EGFP?Puro 和pLentiCMV?mCherry?Puro 質(zhì)粒能夠表達(dá)相應(yīng)的熒光蛋白,且能在HEK 293T 細(xì)胞中高效表達(dá),適用于后續(xù)的試驗(yàn)。
圖3 熒光質(zhì)粒鑒定結(jié)果Fig.3 Results of fluorescent plasmid identification
PEI、Lipo 2000 和CF2 轉(zhuǎn)染OAR?L1 細(xì)胞的結(jié)果顯示,3 種轉(zhuǎn)染試劑對(duì)OAR?L1 細(xì)胞的轉(zhuǎn)染效率均未超過(guò)30%,且CF2 最佳轉(zhuǎn)染效率要顯著低于PEI 和Lipo 2000(圖4)。同時(shí),根據(jù)轉(zhuǎn)染后不同組熒光細(xì)胞數(shù)目可知,3 種轉(zhuǎn)染試劑對(duì)細(xì)胞密度和試劑使用量都有比較嚴(yán)格的要求,當(dāng)轉(zhuǎn)染條件為2 μL CF2 或3 μL Lipo 2000 且鋪板細(xì)胞量為2×104個(gè)時(shí),或1 μL PEI 在鋪板細(xì)胞量為4×104個(gè)時(shí)才能達(dá)到各自最佳轉(zhuǎn)染效果(圖4)。
圖4 3種試劑轉(zhuǎn)染OAR-L1細(xì)胞的效果Fig.4 Effects of three different reagents transfecting OAR-L1 cells
由圖5 可見(jiàn),慢病毒侵染能夠在OAR?L1 細(xì)胞中高效表達(dá)異源蛋白,且其侵染效率與細(xì)胞鋪板密度和病毒液用量沒(méi)有明顯的相關(guān)性。但該種方法得到的表達(dá)效率要顯著高于PEI、Lipo 2000、CF2組最佳轉(zhuǎn)染效率(圖6)。
圖5 慢病毒侵染OAR-L1細(xì)胞的效果Fig.5 Effects of lentivirus infecting OAR-L1 cells
圖6 不同轉(zhuǎn)染試劑最佳轉(zhuǎn)染效率下的熒光細(xì)胞數(shù)目Fig.6 Numbers of fluorescent cells under the best transfection efficiencies of different regents
在4 或-80 ℃分別存儲(chǔ)5、10、15 d 后,慢病毒侵染OAR?L1 細(xì)胞的效果如圖7 所示。從中可知,慢病毒在4 或-80 ℃條件下保存15 d 內(nèi)并不會(huì)對(duì)侵染效率產(chǎn)生明顯影響。因此,收集的慢病毒在4或-80 ℃條件下均能保存較長(zhǎng)時(shí)間。
圖7 不同保存條件和時(shí)間對(duì)慢病毒侵染OAR-L1細(xì)胞效果的影響Fig.7 Effects of different storage conditions and time on the infection efficiencies of OAR-L1 cells by lentivirus
2種慢病毒包裝方式共侵染OAR?L1細(xì)胞的結(jié)果顯示,2 種方法都能實(shí)現(xiàn)在OAR?L1 細(xì)胞中同時(shí)表達(dá)2 種外源蛋白,但分開(kāi)包裝病毒再共同侵染的方式共表達(dá)效率更高(圖8)。
2種熒光質(zhì)粒連接外源基因后,在HEK 293T細(xì)胞中包裝相應(yīng)的慢病毒,再共侵染OAR?L1 細(xì)胞,結(jié)果顯示,OAR?L1 細(xì)胞表達(dá)的融合外源基因的熒光蛋白強(qiáng)度要明顯低于空載熒光蛋白的強(qiáng)度,且前者熒光共定位的比例也明顯較后者低,但其本身的共定位比例并不低(圖8~9)。
圖8 2種包裝方式對(duì)慢病毒共轉(zhuǎn)染OAR-L1細(xì)胞的影響Fig.8 Effects of two packaging methods on co-transfection of OAR-L1 cells by lentivirus
本研究通過(guò)比較不同的轉(zhuǎn)染試劑對(duì)OAR?L1細(xì)胞的轉(zhuǎn)染/侵染效果發(fā)現(xiàn),PEI 介導(dǎo)的細(xì)胞轉(zhuǎn)染效率雖然要比Lipo 2000稍高,但PEI的細(xì)胞毒性也更大,這與曹慧玲等[15]的研究結(jié)果相符。但這2 種目前公認(rèn)的轉(zhuǎn)染效率較高的轉(zhuǎn)染試劑對(duì)受轉(zhuǎn)染細(xì)胞應(yīng)該具有選擇性,因?yàn)樗鼈儗?duì)OAR?L1細(xì)胞的轉(zhuǎn)染效率都不超過(guò)30%,與其他類似的研究結(jié)果[4?5,6?10,16]相當(dāng);CF2 轉(zhuǎn)染OAR?L1 時(shí)也同樣沒(méi)有取得理想的效果,可能是因?yàn)檫@種試劑中含有的能夠提高原代細(xì)胞轉(zhuǎn)染效率的成分會(huì)抑制細(xì)胞系的轉(zhuǎn)染效率。值得關(guān)注的是,在本試驗(yàn)中,雖然慢病毒包裝和侵染過(guò)程較其他轉(zhuǎn)染方式用時(shí)更長(zhǎng),但結(jié)合上述結(jié)果可知,慢病毒侵染的方式能夠?qū)崿F(xiàn)高效表達(dá)外源熒光蛋白的目的,與在其他細(xì)胞系中獲得的研究結(jié)果[21?23]一致,較本研究中其他轉(zhuǎn)染方法而言是一種更理想的OAR?L1 細(xì)胞轉(zhuǎn)染方式。當(dāng)使用pLentiCMV?EGFP?Puro 和pLentiCMV?mCherry?Puro熒光質(zhì)粒時(shí),侵染效率超過(guò)90%,然而,這2 種質(zhì)粒融合目的基因后侵染效率會(huì)有所降低,后續(xù)的試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)這種影響與所融合的基因相關(guān),即是否能夠取得理想的侵染效果,可能在一定程度上也依賴于所插入的目的基因。
雖然使用慢病毒侵染的方式能夠高效地表達(dá)外源基因,但收獲的病毒液如何保存及有效期的問(wèn)題值得重視。一般來(lái)說(shuō),包裝的慢病毒常通過(guò)4、-80 ℃冰箱或添加其他凍存劑等方式保存[20,24]?;诖耍驹囼?yàn)探究了在4和-80 ℃條件下保存不同時(shí)間后,病毒液侵染OAR?L1細(xì)胞效率的變化。結(jié)果顯示,無(wú)論是在4 ℃還是在-80 ℃保存條件下,15 d內(nèi)病毒液的侵染效率不會(huì)受到影響,因此,可提前包裝收集足夠的病毒液凍存后使用。另外,隨著科學(xué)研究日益深入,單個(gè)基因的轉(zhuǎn)染越來(lái)越難以滿足科研需求,因此,本研究還探索了利用慢病毒侵染的方式在OAR?L1 細(xì)胞中實(shí)現(xiàn)共轉(zhuǎn)染的條件。結(jié)果表明,分別包裝后再共同侵染OAR?L1細(xì)胞能夠獲得更高的共轉(zhuǎn)率,這種方法在融合目的基因后依然有效,這使得在OAR?L1細(xì)胞中研究基因與基因間的相互作用成為可能。
雖然,目前已證實(shí)慢病毒在細(xì)胞轉(zhuǎn)染效率和保存方面具有優(yōu)勢(shì),但限于細(xì)胞系和毒株等試驗(yàn)材料的缺乏,本研究并未就其本身是否影響細(xì)胞的各項(xiàng)機(jī)能、是否參與其他胞內(nèi)病原體涉及的信號(hào)通路以及是否適用于這些病原體的研究進(jìn)行深入的探索。另外,近年來(lái)轉(zhuǎn)錄后修飾相關(guān)研究越來(lái)越熱,通常的單個(gè)基因轉(zhuǎn)染或2個(gè)基因共轉(zhuǎn)并不能滿足這類研究的需求,如泛素化研究需要至少同時(shí)向細(xì)胞內(nèi)導(dǎo)入3個(gè)基因(靶基因、泛素化連接酶和泛素)[25?26],本試驗(yàn)尚未找到很好的方法去驗(yàn)證慢病毒侵染能否滿足這類需求,因?yàn)檫@可能需要表達(dá)第3種甚至更多種熒光蛋白,后續(xù)可以進(jìn)行更為深入的探索。
圖9 融合其他外源蛋白對(duì)慢病毒侵染OAR-L1細(xì)胞的影響Fig.9 Effects of fusing with other exogenous proteins on the infection of OAR-L1 cells by lentivirus
本研究通過(guò)比較PEI、Lipo 2000、CF2以及慢病毒介導(dǎo)的4種轉(zhuǎn)染方法在OAR?L1細(xì)胞中的轉(zhuǎn)染效果,確定慢病毒侵染的方式比其他3 種方法更高效地在該細(xì)胞內(nèi)表達(dá)了外源蛋白。此外,分開(kāi)包裝再共同侵染的方式能獲得更高的共轉(zhuǎn)率,而插入的目的基因會(huì)降低共轉(zhuǎn)效率且這種降低程度與插入基因自身特性相關(guān)聯(lián)。綜上所述,慢病毒介導(dǎo)的轉(zhuǎn)染方法能夠在難轉(zhuǎn)染細(xì)胞中實(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)染效率,為后續(xù)基于OAR?L1 細(xì)胞對(duì)綿羊甚至其他反芻動(dòng)物展開(kāi)相關(guān)研究奠定基礎(chǔ),同時(shí),也能夠?yàn)樘剿髌渌y轉(zhuǎn)染細(xì)胞的轉(zhuǎn)染方法提供參考。
浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版)2022年1期