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轉(zhuǎn)錄因子Sp1對成肌細(xì)胞中豬SKIP的表達(dá)調(diào)控作用

2012-04-29 11:37:33熊琪柴進(jìn)張年索效軍李曉鋒楊前平劉洋陳明新
湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2012年18期
關(guān)鍵詞:肌細(xì)胞基因組分化

熊琪 柴進(jìn) 張年 索效軍 李曉鋒 楊前平 劉洋 陳明新

摘要:利用基因組PCR步移方法獲得豬SKIP轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游2 075 bp啟動子序列。生物信息學(xué)分析發(fā)現(xiàn)該序列中存在4個Sp1結(jié)合位點(diǎn)和1個CpG島。將啟動子序列構(gòu)建到pGL3-basic的雙熒光素酶報(bào)告基因載體上,再利用RNA干擾技術(shù)分析轉(zhuǎn)錄因子Sp1對SKIP轉(zhuǎn)錄的影響。熒光素酶活性分析發(fā)現(xiàn)Sp1的表達(dá)抑制使成肌細(xì)胞中SKIP啟動子活性顯著下降,表明轉(zhuǎn)錄因子Sp1可能通過順式作用元件GC-Box對成肌細(xì)胞分化過程中SKIP基因的轉(zhuǎn)錄激活起正向調(diào)控作用。

關(guān)鍵詞:Sp1;豬;SKIP;啟動子活性;RNA干擾

中圖分類號:Q789文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:0439-8114(2012)18-4147-05

Role of Transcription Factors Sp1 in the Expressional Regulation of SKIP Gene in Porcine C2C12 Myoblasts

XIONG Qi1,CHAI Jin2,ZHANG Nian1,SUO Xiao-jun1,LI Xiao-feng1,YANG Qian-ping1,LIU Yang1,CHEN Ming-xin1

(1. Institute of Animal Husbandry and Veterinary /Hubei Key Laboratory of Animal Embryo Engineering and Molecular Breeding, Hubei Academy of Agricultural Sciences, Wuhan 430064,China; 2. College of Animal Science and Technology, Huazhong Agricultural University/Key Laboratory of Agricultural Animal Genetics, Breeding and Reproduction of Ministry of Education, Wuhan 430070,China)

Abstract: Genome walking technique was used to clone the proximal promoter region of porcine SKIP. A fragment of 2 075 bp upstream start code was obtained from genomic DNA of porcine. Bioinformatics analysis revealed that it had 4 Sp1 binding sites and one CpG island. The cloned SKIP promoter were cloned into the upstream of pGL3-basic to analyze the effect of Sp1 on SKIP transcription activity by RNAi technique. Luciferase activity analysis indicated a decrease in SKIP transcriptional activity through inhibiting the expression of transcription factor Sp1 in differentiating C2C12 myoblasts. These results suggested that the transcription factor Sp1 played a positive regulatory role in SKIP expression possibly by GC elements in myotubes.

Key words: Sp1; porcine; SKIP; promoter activity; RNAi interference

骨骼肌纖維是骨骼肌的主要組成部分,肌纖維的數(shù)量和大小直接影響家畜的胴體性狀,與遺傳因素相關(guān)。5′肌醇磷酸酶(SKIP)由Ijuin等[1]首先發(fā)現(xiàn)并分離,在各組織中廣泛表達(dá),尤其在心臟、骨骼肌和腎臟中高表達(dá),因此SKIP被稱為骨骼肌和腎臟富含的5′肌醇磷酸酶。通過人與豬比較圖譜,發(fā)現(xiàn)豬的SKIP定位在豬12號染色體SSC12q1.3上。其所在位置存在影響第10肋骨背膘厚、胴體長[2]、肌纖維數(shù)量[3]和大腿重[4]的QTL區(qū)域。運(yùn)用?;驁D譜信息,發(fā)現(xiàn)牛SKIP定位在19號染色體 BTA19q1.3上,其所在位置存在影響犢牛出生重[5]的QTL區(qū)域。SKIP雜合突變小鼠比目魚肌和股四頭肌的重量顯著提高[6]也印證SKIP具有調(diào)節(jié)骨骼肌纖維發(fā)育的功能。因此有必要進(jìn)一步研究該基因參與骨骼肌生長發(fā)育的表達(dá)調(diào)控機(jī)制,為弄清楚肌纖維的生長發(fā)育規(guī)律奠定基礎(chǔ)。

1材料與方法

1.1材料

限制性內(nèi)切酶、T4連接酶、反轉(zhuǎn)錄試劑盒等購自Fermentas-MBI公司;Taq DNA聚合酶、SYBR Green Real-Time PCR Master Mix、dNTP、DNA分子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)DL 2000、pGL3-basic載體等購自全式金生物公司;染色體步移試劑盒購自Clotech公司;雙熒光素酶報(bào)告系統(tǒng)檢測試劑盒購自Promega公司。

1.2步移引物設(shè)計(jì)和PCR擴(kuò)增

根據(jù)豬SKIP第一外顯子序列, 采用Primer 5.0設(shè)計(jì)步移巢式引物,如表1,引物由北京奧科生物技術(shù)有限公司合成。步移擴(kuò)增由兩輪PCR反應(yīng)組成。第一輪PCR反應(yīng)體積為50 μL,反應(yīng)體系為 5 μL 10×Buffer,1 μL dNTP(10 mmol/L),1 μL引物AP1和第一輪PCR特異引物,1 μL文庫DNA模版,去離子水補(bǔ)足至50 μL,離心混勻。第一輪PCR反應(yīng)條件為:94℃ 5 min 后迅速加入Taq酶1 μL; 94 ℃ 25 s,72 ℃ 3 min ,7個循環(huán);然后94 ℃ 25 s,67 ℃ 3 min ,32 個循環(huán); 67 ℃ 7 min。?。?μL 第一輪PCR產(chǎn)物,在1.5%的瓊脂糖中電泳檢測。確認(rèn)后繼續(xù)第二輪PCR 反應(yīng)。除了模板、引物改變外,第二輪PCR 反應(yīng)體系與第一輪相同。將1 μL第一輪PCR產(chǎn)物(包括陽性和陰性對照)稀釋50倍,取其中1 μL作為第二輪PCR反應(yīng)的模板,引物為AP2 和第二輪PCR特異引物。第二輪PCR反應(yīng)條件為: 94 ℃預(yù)變性10 min;94 ℃變性25 s,72 ℃ 3 min ,5個循環(huán); 94 ℃變性25 s,62 ℃ 3 min,20個循環(huán); 67 ℃延伸7 min。?。?μL產(chǎn)物,在1.5%的瓊脂糖凝膠中電泳。

1.3生物信息學(xué)分析

在線網(wǎng)站http://www.cbrc.jp/research/db/TFSEARCH.html分析基因啟動子區(qū)的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合元件,MethPrimer(http://www.urogene.org/methprimer/index1.html)預(yù)測基因啟動子區(qū)是否有CpG島。

1.4豬SKIP啟動子表達(dá)載體的構(gòu)建

根據(jù)pGL3-basic 載體的多克隆位點(diǎn)和豬SKIP的啟動子序列,設(shè)計(jì)包含SacⅠ酶切位點(diǎn)的正向引物P1F:5′-AAAGAGCTCACTCTTGTTGATGTGGCTT

GA-3′和XhoⅠ酶切位點(diǎn)的反向引物PR:5′-CCCTC

GAGCTGCTTCTCGGTTCGGTCT-3′,以豬基因組DNA為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增。直接將符合目的片段大小的PCR產(chǎn)物用限制性內(nèi)切酶SacⅠ和XhoⅠ雙酶切,37 ℃過夜。將SacⅠ和XhoⅠ雙酶切的線性化pGL3-Basic載體與目的片段按照1∶3摩爾比均勻混合,用T4連接酶連接,然后轉(zhuǎn)化大腸桿菌DH5α。

1.5化學(xué)合成Sp1-siRNAs

根據(jù)在線軟件 https://rnaidesigner.invitrogen.com/rnaiexpress/design.do 設(shè)計(jì)化學(xué)合成的siRNA靶序列,見表2。

1.5實(shí)時(shí)定量PCR

在Sp1-siRNAs轉(zhuǎn)染C2C12細(xì)胞6 h后用2%馬血清誘導(dǎo)細(xì)胞分化,于分化第三天提取細(xì)胞RNA。

PCR反應(yīng)體系:SYBR Green Real-Time PCR Master Mix 12.5 μL,定量引物0.5 μmol/L, cDNA模板 500 ng,補(bǔ)去離子水至總體積為25 μL。PCR擴(kuò)增程序:95 ℃預(yù)變性2 min;94 ℃變性20 s,58 ℃退火20 s,72 ℃延伸35 s,74 ℃讀板, 40個循環(huán),每個樣3個重復(fù)。PCR反應(yīng)的特異性通過產(chǎn)物溶解曲線確認(rèn)。用BioRad公司的iQ5軟件分析結(jié)果。先將閾值選定在各對數(shù)擴(kuò)增曲線平行上升的最低點(diǎn),得到各管的Ct值。軟件會算出每個基因Ct值的平均數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)差和每組特異基因相對于內(nèi)參的表達(dá)量。應(yīng)用SPSS 13.0軟件的單因素方差方法分析不同處理組中基因的表達(dá)是否具有顯著差異,P<0.05為具有顯著性差異。

1.6啟動子的熒光素酶活性分析

在重組載體和Sp1-siRNA共轉(zhuǎn)染C2C12細(xì)胞24 h后,小心吸棄培養(yǎng)基, PBS洗2次。200 μL/孔的Passive Lysis Buffer滴加到24孔板的每孔細(xì)胞中,在室溫避光裂解15 min。置振蕩器振蕩30 s,將裂解完全的細(xì)胞裂解液收集到1.5 mL EP管中,-80 ℃貯存?zhèn)溆?。檢測前先在室溫中平衡細(xì)胞裂解混合液,每個樣品?。保?μL到黑色96孔酶標(biāo)板中搖勻,使細(xì)胞裂解液均勻鋪滿底部。提前30 min預(yù)熱報(bào)告基因檢測儀。將樣品、工作液依次放入到檢測儀器內(nèi),設(shè)置好程序后開始檢測,每個樣品將會有2個熒光素酶報(bào)告值A和B,A值與B值的比值就是每個樣品的相對表達(dá)量。

2結(jié)果與分析

2.1豬SKIP啟動子的克隆

根據(jù)豬SKIP第一外顯子序列,設(shè)計(jì)2條特異的PCR引物,分別為FGPS1和FGPS2。以4個不同酶切的基因組步移庫為模板,以FGPS1和AP1(Adaptor primer 1)配對進(jìn)行第一輪PCR反應(yīng)。將第一輪PCR反應(yīng)產(chǎn)物用去離子水稀釋50倍后作為第二輪PCR反應(yīng)的模板,將引物FGPS2與AP2(Nested adaptor primer 2)組合進(jìn)行第二輪PCR擴(kuò)增。擴(kuò)增結(jié)果電泳檢測,第一輪PCR反應(yīng)的產(chǎn)物均呈彌散帶(圖1-A);第二輪PCR產(chǎn)物中,經(jīng)PvuⅡ消化后的基因組為模板擴(kuò)增出大小約328 bp的片段,電泳檢測結(jié)果如圖1-B所示。

根據(jù)第一次PCR步移得到SKIP啟動子序列,設(shè)計(jì)了另一對嵌套特異引物SGPS1和SGPS2對SKIP進(jìn)行第二次步移。同樣以4個不同酶切的基因組步移庫為模板,引物SGPS1與AP1組合進(jìn)行第一輪PCR擴(kuò)增(圖2-A),以SGPS2和AP2為巢式引物進(jìn)行第二輪PCR擴(kuò)增(圖2-B)。在第二輪PCR產(chǎn)物中,經(jīng)DraⅠ消化后的基因組為模板擴(kuò)增出大小約871 bp的片段(泳道4)。

鑒于擴(kuò)增片段長度偏短,再根據(jù)第二次PCR步移得到SKIP啟動子序列,又設(shè)計(jì)了一對嵌套特異引物TGPS1和TGPS2對SKIP進(jìn)行第三次步移。 繼續(xù)以四個不同酶切的基因組步移庫為模板,引物TGPS1與AP1組合進(jìn)行第一輪PCR擴(kuò)增(圖3-A),以TGPS2和AP2為巢式引物進(jìn)行第二輪PCR擴(kuò)增(圖3-B)。在第二輪PCR產(chǎn)物中,經(jīng)EcoR V消化后的基因組為模板擴(kuò)增出約1 182bp的片段(泳道4)。將3次基因組步移所得到的序列拼接起來,得到豬SKIP部分啟動子序列。

2.2啟動子序列分析

將3次基因組步移拼接得到的豬SKIP啟動子區(qū)序列利用在線軟件TFSEARCH預(yù)測分析啟動子中的潛在順式作用元件,發(fā)現(xiàn)3個潛在的TATA box,2個MyoD結(jié)合位點(diǎn),4個Sp1結(jié)合位點(diǎn)和1個位于起始密碼子上游的CpG島,如圖4所示,而4個Sp1結(jié)合位點(diǎn)都處于CpG島中。為了闡明SKIP的表達(dá)調(diào)控機(jī)制,將2 075 bp的啟動子序列片段(-2 038到+37)克隆到pGL3載體中命名為P1,酶切鑒定如圖5。

2.3Sp1-siRNA的合成和干擾效果

為了深入了解Sp1對肌細(xì)胞分化過程中SKIP轉(zhuǎn)錄的影響,用化學(xué)合成的方法合成Sp1的干擾序列Sp1-siRNAs,化學(xué)合成的Sp1-siRNAs轉(zhuǎn)染分化中的肌細(xì)胞的實(shí)時(shí)定量分析如圖6所示。

實(shí)時(shí)定量PCR結(jié)果顯示,Sp1和β-actin標(biāo)準(zhǔn)曲線制備均在線性范圍內(nèi),擴(kuò)增產(chǎn)物溶解曲線符合要求。Sp1的mRNA表達(dá)量在各試驗(yàn)組及對照組中整體水平差異顯著(P<0.05)。3個Sp1-siRNA在肌細(xì)胞中均抑制Sp1的表達(dá),其中Sp1-siRNA2抑制率最高。

2.4Sp2-siRNA2表達(dá)抑制對肌細(xì)胞分化和SKIP啟動子活性的影響

由圖7可知,Sp2-siRNA2顯著降低了MHC和TnT的表達(dá),抑制了肌細(xì)胞的終末分化。利用Sp1-siRNA2與啟動子P1共轉(zhuǎn)染肌細(xì)胞分析Sp1對肌細(xì)胞中SKIP表達(dá)的影響。熒光素酶活性分析表明Sp1受到干擾時(shí),SKIP啟動子的活性也顯著下降了(圖8)。表明轉(zhuǎn)錄因子Sp1可能通過順式作用元件GC-Box對肌肉細(xì)胞分化過程中SKIP的轉(zhuǎn)錄激活起正向調(diào)控作用。

3討論

有研究發(fā)現(xiàn),脊椎動物基因組包含未甲基化的CpG島[7]。雖然不清楚這些區(qū)域是怎么維持非甲基化狀態(tài)的,但是在有些情況下這依賴于轉(zhuǎn)錄因子Sp1的結(jié)合[8]。Sp1是較早克隆和鑒定出的結(jié)合在SV40啟動子上的真核轉(zhuǎn)錄因子[9]。它包含3個鋅指結(jié)構(gòu)基序,Cys-2-His-2,能結(jié)合在GGGGCGGGG序列上[10]。Sp1結(jié)合位點(diǎn)經(jīng)常在CpG島區(qū)出現(xiàn)。有研究發(fā)現(xiàn)Sp1結(jié)合位點(diǎn)對維持APRT基因CpG島的非甲基化狀態(tài)十分關(guān)鍵[11]。預(yù)測發(fā)現(xiàn)位于轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游的1個CpG島區(qū)域和若干Sp1結(jié)合位點(diǎn),推測Sp1轉(zhuǎn)錄因子可能是調(diào)節(jié)SKIP穩(wěn)定表達(dá)的潛在轉(zhuǎn)錄因子。如果沒有Sp1結(jié)合位點(diǎn)遍布CpG島區(qū),則SKIP啟動子很容易被甲基化引起轉(zhuǎn)錄活性的抑制,但是5′肌醇磷酸酶SKIP是廣泛表達(dá)且在某些組織是高表達(dá)的,暗示轉(zhuǎn)錄因子Sp1可能避免基因組CpG島被甲基化。通過Sp1 RNA干擾分析P1啟動子在肌細(xì)胞的活性,發(fā)現(xiàn)SKIP的啟動子活性確實(shí)受細(xì)胞內(nèi)Sp1表達(dá)水平的調(diào)節(jié),Sp1轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)抑制顯著地降低了SKIP的活性,可見反式作用因子Sp1對SKIP的穩(wěn)定表達(dá)至關(guān)重要。

Sp1以豐富的核蛋白形式存在于大多數(shù)細(xì)胞中,但是在不同的發(fā)育階段和不同類型的細(xì)胞中,表達(dá)水平是有差異的[12]。Sp1對MyoD轉(zhuǎn)錄因子家族的轉(zhuǎn)錄活性和肌肉細(xì)胞的分化也有影響,有研究發(fā)現(xiàn)pRb、MDM2和Sp1協(xié)同調(diào)節(jié)肌肉細(xì)胞的分化[13,14]。Sp1的轉(zhuǎn)錄活性受到與MDM2蛋白互作的影響,Sp1與MDM2的結(jié)合抑制了Sp1與肌肉特異表達(dá)基因啟動子DNA序列的結(jié)合,而當(dāng)Sp1與MDM2的結(jié)合受到pRb競爭抑制時(shí),Sp1從Sp1- MDM2蛋白復(fù)合體中釋放出來,重新結(jié)合順式作用元件與MyoD轉(zhuǎn)錄因子家族成員共同激活肌肉特異表達(dá)基因的轉(zhuǎn)錄,促進(jìn)肌肉細(xì)胞的分化。研究發(fā)現(xiàn)干擾Sp1的表達(dá)影響肌細(xì)胞的終末分化,進(jìn)一步證實(shí)Sp1對成肌分化的重要作用以及SKIP可能參與骨骼肌細(xì)胞分化進(jìn)程。

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收稿日期:2012-06-14

基金項(xiàng)目:湖北省動物胚胎工程及分子育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(2010ZD111);湖北省科技計(jì)劃自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2010CBB01301);

湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院青年科學(xué)基金(2011NKYJJ16);華中農(nóng)業(yè)大學(xué)自主創(chuàng)新基金(2010BQ001);華中農(nóng)業(yè)大學(xué)青年教師科技創(chuàng)新項(xiàng)目

(2011QC001);湖北省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新中心(2011-620-001-003)

作者簡介:熊琪(1981-),女,湖北武漢人,助理研究員,博士,主要從事草食家畜的分子育種研究工作,(電話)13072716772(電子信箱)

xq1223@yahoo.com.cn;通訊作者,陳明新,研究員,(電子信箱)xiongqi@webmail.hzau.edu.cn。

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