黃奇萍,劉 慧,張井巖,鄭 靜
(1.華東理工大學(xué)生物反應(yīng)器工程國家重點(diǎn)實驗室;2.華東理工大學(xué)藥學(xué)院,上海200237)
自1994 年首次發(fā)現(xiàn)Pb2+依賴性切割RNA 的單鏈DNA 片段(又稱脫氧核糖核酸酶或者DNAzyme)至今,科學(xué)家相繼發(fā)現(xiàn)了更多具有不同催化功能的DNA?zyme[1?2]。目前發(fā)現(xiàn)DNAzyme 的催化功能包括:斷裂和連接RNA、磷酸化DNA、氧化DNA 等。其中,催化RNA 斷裂的DNAzyme 因為其潛在的應(yīng)用價值而備受關(guān)注,10?23 DNAzyme 是其中研究最為廣泛的斷裂RNA 的DNAzyme 之一[3?4]。10?23 DNAzyme 是體外循環(huán)中第10輪循環(huán)的第23個克隆,由一個催化核心區(qū)域和兩側(cè)的底物結(jié)合區(qū)域組成,結(jié)合區(qū)域由DNAzyme 左右兩端7~9 個和底物互補(bǔ)配對的脫氧核苷酸組成,催化核心區(qū)域由和底物未完全互補(bǔ)配對的15 個脫氧核苷酸組成。只要改變10?23 DNAzyme 結(jié)合區(qū)域中的堿基序列就可作用于不同的RNA 底物[5?6]。Cairns 等[7]根據(jù)10?23 DNAzyme 設(shè)計了80 多個靶向HPV?16 的E6、E7 mRNA 的DNAzyme 以及60 多個針 對大鼠c?myc 基因的DNAzyme,其中8 種DNAzyme 對HPV?16 致癌基因有高效的切割效率。Sun等[8]研究發(fā)現(xiàn),在適宜的體外條件下,10?23 DNAzyme 對c?myc mRNA 的AU位 點(diǎn) 切 割 效 率 高 達(dá)20%~50%。Zhang 等[9]將靶向VEGRF?2的10?23 DNAzyme 注入到移植了腫瘤的無胸腺裸鼠體內(nèi)后,裸鼠腫瘤生長得到明顯的抑制。與對照組(注射生理鹽水)相比,注射4 次DNAzyme 后的裸鼠腫瘤體積縮小近75%,且腫瘤外區(qū)域細(xì)胞死亡顯著增加。由此可見,10?23 DNAzyme 作為一個潛在RNA切割工具具有很好的應(yīng)用前景,唯一不足的是它在細(xì)胞水平的穩(wěn)定性較差。
石墨烯量子點(diǎn)(GQDs)具有單層碳原子,尺寸較小,邊緣具有羧基官能團(tuán),而且具有低細(xì)胞毒性[10]、良好的水溶性、化學(xué)惰性[11]等性質(zhì),所以在負(fù)載藥物和DNA方面已顯示出優(yōu)良的應(yīng)用前景[12]。Zhang 等[13]將GQDs用于干細(xì)胞標(biāo)記,發(fā)現(xiàn)GQDs 比較容易進(jìn)入細(xì)胞,且表現(xiàn)出較低的細(xì)胞毒性,可以產(chǎn)生清晰穩(wěn)定的圖像。利用GQDs可以與多種分子結(jié)合的性質(zhì),Wang等[14]用粒度為15 nm 的PEG 對GQDs進(jìn)行表面修飾,利用氫鍵將阿霉素(DOX)結(jié)合到GQDs 表面形成DOX@GQDs?PEG。GQDs?PEG 作為藥物載體,運(yùn)載能力可以達(dá)到2.5 mg/mg,可以通過調(diào)節(jié)pH 值控制其對藥物的釋放。Sui等[15]發(fā)現(xiàn)GQDs與順鉑(CDDP)結(jié)合后,由順鉑導(dǎo)致的細(xì)胞毒性增大,細(xì)胞周期停滯以及DNA 分裂程度加強(qiáng)。GQDs 通過提高細(xì)胞通透性來增加其細(xì)胞攝取量,在細(xì)胞內(nèi)增強(qiáng)其與DNA 的相互作用,從而改善CDDP的藥物性能。這說明GDQs可以通過增強(qiáng)細(xì)胞攝取藥物能力來提高抗腫瘤藥物的化療效果。
為了提高DNAzyme 在細(xì)胞內(nèi)的穩(wěn)定性,選用兩個靶向TNF?α基因的DNAzyme與GQDs 結(jié)合。雖然目前已有多種抑制TNF?α 蛋白表達(dá)的方法,包括利用靶向TNF?α 的siRNA[16],但是siRNA 的轉(zhuǎn)入一般比較繁瑣[17],而且由于siRNA 的穩(wěn)定性差,所以最終效率比較低。本文系統(tǒng)研究以GQDs 為載體的復(fù)合體系在細(xì)胞水平的穩(wěn)定性以及它們抑制TNF?α 蛋白表達(dá)的能力。
人宮頸癌細(xì)胞系Hela 和人乳腺癌細(xì)胞MCF?7 細(xì)胞均購于中科院上海細(xì)胞庫。培育Hela 使用的DMEM 培養(yǎng)基和培養(yǎng)MCF?7使用的RPMI?1640培養(yǎng)基均補(bǔ)充添加10%加強(qiáng)型新生牛血清以及1%青霉素?鏈霉素雙抗溶液。細(xì)胞于37 ℃含5%CO2的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。DMEM 培養(yǎng)基和RPMI1640 培養(yǎng)基購自賽默飛世爾科技有限公司;胎牛血清購自美國Gibco 公司;青霉素鏈霉素雙抗溶液和Hoechst 33258 購自上海碧云天生物科技有限公司。BCA蛋白定量試劑盒購自北京康為世紀(jì)生物科技有限公司;ECL發(fā)光試劑盒購自Solar?bio公司。GAPDH和二抗(goat?anti?rabbit)購自Protein?tech公司。GQDs由上海交通大學(xué)微納米科學(xué)科技研究院郭守武教授課題組提供。實驗所用核苷酸序列是根據(jù)文獻(xiàn)設(shè)計的[20?21],均由上海生工生物工程有限公司合成,經(jīng)UltraPAGE純化。具體序列如下:
TNF?DNAzyme1:5’?FAM?GTGCTCAGGCTAGCTAC AACGAGGTGTCC?dT?3'
TNF?DNAzyme2:5'?FAM?GCAGAAGAGGGCTAGCTAC AACGAGTGGTGGCG?dT?3'
Substrate1:5'?GGACACCrArUGAGCAC?3'
Substrate2:5'?CGCCACCACrArUTCTTCTGC?3'
Cu?DNAzyme:5'?TGAGTGAGTCTGGGCCTCTTTTTAA GAAC?3'
Substrate for Cu?DNAzyme:5'?GAATTCTAATACGACTC AGCCG?FAM?3'
熒光分光光度計(中國Angilent Technologies 公司Cary Eclipse);化學(xué)發(fā)光儀(中國天能公司Tanon 5200S);垂直電泳槽(中國北京六一儀器廠Mini?Protean Tetra);酶標(biāo)儀(美國Biotek公司Synergy 2)。
1.3.1 GQDs和單雙鏈DNA(sDNA/dsDNA)的相互作用
末端熒光標(biāo)記的sDNA 退火后,與一定濃度的GQDs 混合均勻,通過檢測體系熒光強(qiáng)度變化來考察GQDs 和sDNA 的相互作用。同樣,通過檢測部分互補(bǔ)配對的DNAzyme?底物體系與不同濃度的GQDs相互作用后的熒光強(qiáng)度來考察GQDs 與雙鏈DNA 的相互作用。為了驗證被GQDs 吸附之后的DNAzyme 仍具有活性,以課題組前期研究的銅離子依賴性DNAzyme 為對象進(jìn)行實驗[22]。銅離子依賴性DNAzyme(E)和熒光標(biāo)記底物(S)1∶1混合后高溫退火,加入GQDs和28 μmol/L輔助因子,37 ℃恒溫水浴反應(yīng)30 min,用熒光分光光度計(激發(fā)波長,495 nm)檢測產(chǎn)物的熒光強(qiáng)度。
1.3.2 TNF?DNAzyme體外活性檢測
變性聚丙烯酰胺凝膠電泳檢測TNF?DNAzyme1 的體外活性。若TNF?DNAzyme1 具有活性,其能夠在金屬輔助因子Mg2+存在下有效切割底物。TNF?DNA?zyme1/Substrate1 復(fù)合體系高溫退火后配置20 μL 的反應(yīng)體系(含2 μL 20 μmol/L 的酶和底物復(fù)合溶液,16 μL Tris?HCl 溶液,2 μL 200 mmol/L Mg2+),37 ℃恒溫反應(yīng)30 min;反應(yīng)結(jié)束后加入4 μL 電泳上樣緩沖液(8 mol/L 尿素,0.3 mol/L 蔗糖,50 mmol/L 乙二胺四乙酸二鈉,5 mmol/L Tris?硼酸溶液,pH 8.3),混合均勻,離心,80 ℃金屬浴中加熱5 min 后立即放入冰盒,等待上樣;28%聚丙烯酰胺凝膠電泳分離DNA 序列。底物切割效率計算公式:P=1-Sr/St,其中Sr代表底物剩余的量,St代表反應(yīng)前底物的總量。
1.3.3 細(xì)胞中總蛋白的提取
Hela細(xì)胞以4×105mL-1的密度接種于6孔板中,貼壁后用含有20 mmol/L Mg2+的培養(yǎng)基預(yù)處理60 min,PBS 充分洗滌,加入2 mL 含有TNF?DNAzyme1/GQDs的培養(yǎng)基。其中GQDs 濃度為50 μg/mL,TNF?DNA?zyme1 濃度為40 nmol/L。細(xì)胞在細(xì)胞培養(yǎng)箱中分別培育0、12、24、36 和48 h。對于含有TNF?DNAzyme2,或者GQDs 等體系實驗操作同上。細(xì)胞培育結(jié)束后,用細(xì)胞裂解液裂解細(xì)胞,提取總蛋白。
1.3.4 BCA試劑盒檢測蛋白濃度
800 μL 蛋白標(biāo)準(zhǔn)配制液加入到蛋白標(biāo)準(zhǔn)液(20 mg BSA)中,充分混合,配成25 mg/mL 的蛋白標(biāo)準(zhǔn)溶液;取蛋白標(biāo)準(zhǔn)液適量,稀釋至濃度為5 mg/mL;按體積比50∶1 混合BCA 試劑盒A 液B 液制成BCA 工作液;將標(biāo)準(zhǔn)品按0、1、2、4、8、12 和16 μL 加到96 孔板的標(biāo)準(zhǔn)品孔中,每個孔用標(biāo)準(zhǔn)品稀釋液補(bǔ)足至20 μL;用標(biāo)準(zhǔn)品稀釋液將待測蛋白稀釋至適當(dāng)濃度,取20 μL 樣品,加到96 孔板的樣品孔中;每孔加入200 μL BCA 工作液,37 ℃反應(yīng)30 min;酶標(biāo)儀檢測樣品在562 nm 處的吸收值,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線確定樣品的蛋白濃度。
1.3.5 Western Blot
Western Blot 檢測Hela 細(xì)胞中TNF?a 蛋白的表達(dá)水平。蛋白上樣量為10 μg,恒定電壓80 V 經(jīng)分離膠電脈20 min 后,調(diào)整電壓為120 V,直至上樣緩沖液中的藍(lán)色條帶到達(dá)膠的底部;用200 mA 恒定電流轉(zhuǎn)膜;TBST洗滌PVDF膜4×10 min;PVDF膜用5%的脫脂牛奶封閉1 h;4 ℃下用一抗孵育過夜;TBST 洗滌2×10 min;再用二抗常溫孵育1 h。利用超敏ECL 化學(xué)發(fā)光檢測試劑盒檢測結(jié)果。
1.3.6 細(xì)胞毒性檢測
取對數(shù)生長期Hela 細(xì)胞接種于96 孔板,每孔100 μL,常規(guī)培養(yǎng)12 h 后加入含20 mmol/L Mg2+的培養(yǎng)基預(yù)處理60 min;結(jié)束后用PBS 清洗2 次;細(xì)胞中加入分別含有TNF?DNAzyme1、TNF?DNAzyme2、TNF?DNAzyme1/GQDs、TNF?DNAzyme2/GQDs 和GQDs的同體積培養(yǎng)基,在37 ℃、5 % CO2、飽和濕度下培育36 h。每組設(shè)5個平行復(fù)孔,另設(shè)相同平行復(fù)孔的空白組、對照組。結(jié)束培育后,PBS 充分洗滌,加入100 μL MTT 繼續(xù)培養(yǎng)4 h;加入150 μL DMSO,輕微搖蕩10 min,酶標(biāo)儀檢測細(xì)胞在570 nm處的吸光度值A(chǔ)。細(xì)胞存活率(%)=(實驗組A值/對照組A值)×100%。
實驗用的GQDs是單層石墨烯量子點(diǎn),其熒光強(qiáng)度較弱,在細(xì)胞中很難直接觀察到其熒光[18]。為了確認(rèn)作為載體GQDs 能否進(jìn)入細(xì)胞,利用GQDs 可以淬滅小分子的熒光的特性,首先將細(xì)胞用Hoechst染色,細(xì)胞核呈現(xiàn)藍(lán)色Hoechst熒光;利用GQDs可以有效淬滅小分子熒光的特點(diǎn),將染色后的細(xì)胞與GQDs共培育,跟蹤GQDs是否進(jìn)入細(xì)胞。如圖1所示,隨著GQDs濃度的增加,共培育時間的增長,細(xì)胞核內(nèi)的Hoechst可以被GQDs完全淬滅,表明GQDs能夠進(jìn)入到細(xì)胞核[19]。因此,GQDs具備作為DNAzyme載體的基本能力。
利用6'?FAM 標(biāo)記的單雙鏈DNA 的熒光強(qiáng)度變化來檢測GQDs 負(fù)載單雙鏈DNA 的能力[23]。如圖2(a)所示,隨著GQDs 濃度的增加,sDNA 的熒光強(qiáng)度隨之降低,當(dāng)GQDs濃度達(dá)到200 μg/mL時,體系中熒光強(qiáng)度基本為零。從圖2(b)可以看出,隨著體系中GQDs濃度不斷增加,檢測到DNAzyme?底物的雙鏈DNA(ES)的熒光強(qiáng)度越來越低。當(dāng)GQDs濃度達(dá)到500 μg/mL,體系中的熒光強(qiáng)度基本為零,說明此時的ES 和GQDs 完全結(jié)合。由此可以初步確定,GQDs 能夠負(fù)載單鏈DNA以及DNAzyme?底物體系。
圖1 MCF?7細(xì)胞與Hoechst和Hoechst/GQDs分別共培育不同時間得到的熒光圖Figure 1 Fluorescence images of the MCF?7 cells after incubation with Hoechst and Hoechst/GQDs for different time
利用課題組前期研究的銅離子依賴性DNAzyme(Cu?DNAzyme),考察負(fù)載在GQDs 上DNAzyme 的活性[24]。如圖2(c)所示,GQDs 和ES 復(fù)合體系中加入輔助因子,37 ℃恒溫反應(yīng)30 min 后,僅檢測到微弱的熒光;但在體系中加入不同濃度的乙醇溶液后,體系的熒光信號增強(qiáng)。當(dāng)加入50%的乙醇時,熒光強(qiáng)度基本接近自由的ES 的熒光強(qiáng)度。由圖2(d)可知,被GQDs 吸附的ES體系在銅配合物存在下仍能表現(xiàn)出活性,但由于產(chǎn)物被GQDs 吸附,檢測到的熒光強(qiáng)度較低,當(dāng)有乙醇存在時,減弱了sDNA和GQDs之間的疏水作用,使得帶有熒光標(biāo)記的sDNA 游離到溶液中,熒光強(qiáng)度增加。為了確認(rèn)檢測到的熒光是來自熒光標(biāo)記的DNA 產(chǎn)物,在帶有熒光標(biāo)記的底物中加入足量的GQDs,后加入50%的乙醇溶液,充分混合后發(fā)現(xiàn)體系沒有熒光。同樣,ES體系也基本未被檢測到任何熒光信號。
根據(jù)文獻(xiàn)[20],以具有切割磷酸酯鍵能力的10?23 DNAzyme 為模版,設(shè)計合成了TNF?DNAzym1 和TNF?DNAzym2,具體見圖3(a)和3(b)。兩個DNA?zyme 具有和10?23 DNAzyme 相似的輔助因子鎂離子。首先考察鎂離子濃度對TNF?DNAzyme1 活性的影響,結(jié)果如圖3(c)所示。由圖3(d)可知:當(dāng)保持TNF?DNAzym1 和底物濃度保持不變時,隨著鎂離子濃度增加,TNF?DNAzyme1 切割活性逐漸增加。當(dāng)鎂離子濃度為50 mmol/L 時,切割效率高達(dá)60 %左右,且保持在穩(wěn)定的水平。在此條件下,反應(yīng)時間為30 min 時,TNF?DNAzyme1 活性達(dá)到最高,大約70 %的底物得到切割。TNF?DNAzyme1 活性與體系的pH 值也是相關(guān)的。由圖3(e)可知:在中性或偏堿性的環(huán)境中,TNF?DNAzyme1 活性達(dá)到最高;TNF?DNAzym2 的結(jié)構(gòu)與TNF?DNAzyme1 相似,但其在分子水平活性很低,有可能是因為它的穩(wěn)定性較差。
圖2 熒光光譜法檢測GQDs和單鏈DNA(sDNA)Figure 2 The interaction between GQDs and sDNA and ES detected by the fluorescence change of the system
TNF?DNAzyme1 或TNF?DNAzyme2 單獨(dú)與Hela 細(xì)胞作用48 h 后,細(xì)胞中TNF?a 蛋白的表達(dá)沒有明顯變化,結(jié)果如圖4(a)和4(b)所示。而以GQDs 為載體將TNF?DNAzyme1 導(dǎo)入到細(xì)胞后發(fā)現(xiàn),隨著TNF?DNA?zyme1/GQDs 作用時間的加長,Hela 細(xì)胞內(nèi)TNF?α 蛋白的表達(dá)量逐漸下降。當(dāng)作用36 h 后,TNF?DNA?zyme1/GQDs 體系對細(xì)胞的影響達(dá)到最大,蛋白的表達(dá)量降低了35%,見圖4(c)。
TNF?DNAzyme2/GQDs體系對TNF?α蛋白在細(xì)胞水平的表達(dá)影響更加顯著。如圖4(d)所示,隨著TNF?DNAzyme2/GQDs 與細(xì)胞共培育時間增長,TNF?α 蛋白的表達(dá)量明顯下降。當(dāng)TNF?DNAzyme2/GQDs 與細(xì)胞作用36 h 后,細(xì)胞內(nèi)TNF?α 蛋白的表達(dá)量降低了近50%。值得注意的是,在同等條件下GQDs 單獨(dú)與細(xì)胞共培育后,TNF?α 蛋白表達(dá)量隨GQDs 濃度的升高而增大。當(dāng)GQDs 濃度為100 μg/mL 時,蛋白表達(dá)量達(dá)到最大,見圖4(g)。雖然目前還不知道GQDs 提高TNF?α表達(dá)的機(jī)理,但是可以肯定的是,這一結(jié)果表明TNF?DNAzyme/GQDs 體系對TNF?α 蛋白表達(dá)的影響應(yīng)該比實驗觀測到的更為顯著。
圖3 鎂離子濃度、反應(yīng)時間和pH值對TNF?DNAzyme1活性的影響Figure 3 Effects of Mg2+concentration,reaction time and pH on the TNF?DNAzyme1 activity
圖4 TNF?DNAzyme1/2對TNF?α蛋白表達(dá)的影響Figure 4 Effects of TNF?DNAzyme1/2 on the expression of TNF?α
為進(jìn)一步確認(rèn)和優(yōu)化TNF?DNAzyme1/GQDs 和TNF?DNAzyme2/GQDs 體系對TNF?α 蛋白表達(dá)的影響,考察了不同濃度GQDs 對TNF?DNAzyme1 和TNF?DNAzyme2 活性的影響。從圖4(e)可以看出:增加GQDs 濃度的TNF?DNAzyme1 對細(xì)胞內(nèi)TNF?α 蛋白表達(dá)量只是略有影響;而TNF?DNAzyme2/GQDs 作用的細(xì)胞的TNF?α蛋白表達(dá)量隨GQDs濃度升高明顯降低,當(dāng)GQDs 濃度為100 μg/mL 時,TNF?α 蛋白表達(dá)量達(dá)到最低,只有原來的50%左右。GQDs濃度在200 μg/mL時,目的蛋白的表達(dá)量反而有小幅度的上升,這可能是高濃度的GQDs和細(xì)胞培育36 h后造成細(xì)胞凋亡,見圖4(f)?;诤蛦为?dú)TNF?DNAzyme,單獨(dú)GQDs 與細(xì)胞作用的結(jié)果比較,TNF?DNAzyme 的活性在GQDs 存在的條件下明顯得到了提高。與體外分子水平的結(jié)果對照,推測TNF?DNAzyme 活性提高的可能原因是其穩(wěn)定性得到了改善。當(dāng)然TNF?DNAzyme在細(xì)胞內(nèi)的狀態(tài)和體外有可能不同,因而作用機(jī)理等方面也有可能有差異;此外,因為GQDs的協(xié)助TNF?DNAzyme也可能在細(xì)胞內(nèi)的累積量增加,因此也可能導(dǎo)致其活性提高。這些推斷還有待于進(jìn)一步實驗驗證。
為進(jìn)一步了解該體系的作用效果和實際應(yīng)用的可能性,分別檢測了TNF?DNAzyme1、TNF?DNAzyme2、GQDs、TNF?DNAzyme1/GQDs 以及TNF?DNAzyme2/GQDs 體系對細(xì)胞活力的影響,結(jié)果(圖5)顯示,與TNF?DNAzyme1、TNF?DNAzyme2 單獨(dú)培育36 h 的Hela細(xì)胞,細(xì)胞存活率受TNF?DNAzyme1和TNF?DNAzyme2濃度影響不大,細(xì)胞始終保持較高的活力,見圖5(a)。與TNF?DNAzyme1/GQDs 和TNF?DNAzyme2/GQDs作用的細(xì)胞,存活率受GQDs 濃度影響顯著,隨濃度的升高而下降,在大于100 μg/mL 時,細(xì)胞凋亡明顯,存活率低于50%。Mg2+的預(yù)處理對細(xì)胞存活率沒有明顯的影響。TNF?DNAzyme/GQDs 體系的毒性主要來源于GQDs,但只要使用較低濃度的GQDs,體系的細(xì)胞毒性不影響DNAzyme的活性測定。
圖5 TNF?DNAzyme/GQDs體系的細(xì)胞存活率Figure 5 Cell viability of Hela cells after treating with different concentrations of TNF?DNAzyme/GQDs
為了提高DNAzyme 細(xì)胞水平的穩(wěn)定性,設(shè)計了兩個靶向TNF?α 的DNAzyme,TNF?DNAzyme1 和TNF?DNAzyme2,探索它們和GQDs 形成復(fù)合體系時的穩(wěn)定性以及在細(xì)胞水平的活性。研究發(fā)現(xiàn),TNF?DNA?zyme1、TNF?DNAzyme2 單獨(dú)與Hela 細(xì)胞作用不會對TNF?α 的蛋白表達(dá)水平產(chǎn)生顯著影響,但是當(dāng)TNF?DNAzyme與一定濃度的GQDs結(jié)合后,TNF?DNAzyme1/GQDs 和TNF?DNAzyme2/GQDs 體系均能顯著降低Hela 細(xì)胞內(nèi)TNF?α 蛋白的表達(dá)量,而且這些降低的結(jié)果是在GQDs 本身增加Hela 細(xì)胞內(nèi)TNF?α 蛋白的表達(dá)量的基礎(chǔ)上,說明實際降低量比觀測到的更高。此結(jié)果表明GQDs 可以提高TNF?DNAzyme 在細(xì)胞內(nèi)的活性,從而抑制目的蛋白表達(dá)?;趯φ諏嶒炓约绑w外分子水平的實驗,推測DNAzyme 在細(xì)胞水平的高活性可能是因為GQDs 提高了它的穩(wěn)定性。當(dāng)然DNAzyme的穩(wěn)定性是否直接導(dǎo)致它的活性增強(qiáng),還需要其他機(jī)理實驗來驗證,但是這一初步結(jié)果表明利用DNAzyme調(diào)控蛋白表達(dá)的可能性。