Pax-8基因敲除小鼠心臟中NR4A1基因表達上調

黃曉燕，高瞻，周希，梁萬前，陳錫文，陳通克，楊德業（.溫州醫學院附屬第一醫院 心內科，溫州醫學院 心血管生物和基因研究所，浙江 溫州35000；.溫州醫學院 實驗動物中心，浙江 溫州 35035）

先天性心臟病-室間隔缺損（ventricular septum defect，VSD）是常見的心血管疾病，但我們對其致病因素及發病機制卻仍知之甚少。骨形態形成蛋白受體IA（bone morphogenetic protein receptor type 1A，又名ALK3）在心臟發育及室間隔形成中發揮重要作用[1-2]。已有心臟特異性ALK3基因敲除的小鼠模型培育成功[3]。ALK3基因敲除純合子小鼠胚胎發育皆終止于中期，并伴室間隔缺損、心內膜墊和肌小梁發育不全[4]、心肌細胞凋亡增加[5]。在ALK3基因缺失造成心臟發育異常的具體通路的實驗研究中，楊德業教授的團隊發現轉錄因子paired box gene 8（Pax-8）在ALK3基因敲除的純合子小鼠胚胎心臟中下調了7.1倍[6-8]。Pax-8參與心臟的正常發育，并與心肌細胞的凋亡有關[9]，Pax-8表達下調時細胞凋亡顯著增加，細胞增殖活性下降[10]。

為了探討Pax-8基因下調后引起細胞凋亡增多的機制，基因芯片和熒光實時定量PCR技術被應用于篩選Pax-8基因敲除小鼠差異表達的下游基因。

1 材料和方法

1.1 實驗動物及分組 Pax-8基因敲除小鼠模型由德國Peter Gruss和Ahmed Mansouri教授惠贈。Pax-8基因敲除小鼠純合子（Pax-8 KO-/-）為實驗組，Pax-8基因敲除小鼠雜合子（Pax-8 KO+/-）和野生型（Pax-8 KO+/+）為對照組。純合子和雜合子小鼠由雌性Pax-8 KO+/-小鼠與雄性Pax-8 KO+/-小鼠交配所得。

1.2方法

1.2.1 Pax-8基因敲除小鼠的基因型鑒定：實驗小鼠基因型由PCR法鑒定。引物為5’-GGATGTGGAA TGTGTGCGAGG-3’、5’-GCTAAGAGAAGGTGGATGAGAG-3’，和5’-GATGCTGCCAGTCTCGTAG-3’。PCR條件：94 ℃預變性5 min，94 ℃變性15 s，60 ℃退火15 s，72 ℃延伸30 s，經過10個循環后，再94 ℃變性15 s，57 ℃退火15 s，72 ℃延伸30 s，經過25個循環后，72 ℃延伸5 min。每組擴增產物取5μL，用含Gold View的1.5%瓊脂糖凝膠電泳，用凝膠成像分析系統（quantity one）攝像分析。

1.2.2 芯片雜交：取Pax-8 KO-/-組與Pax-8 KO+/-組出生第1天（P0）小鼠各3只，心臟組織總RNA由TRIzol法常規提取，經紫外吸收測定和變性瓊脂糖凝膠電泳鑒定RNA質量。按上海生物芯片有限公司試劑盒說明書操作，反轉錄標記cDNA探針并純化。Cy3-dUTP標記Pax-8 KO-/-cDNA，Cy5-dUTP標記Pax-8 KO+/-cDNA，將含31802個小鼠基因的Mouse OneArrayTMWhole Genome DNA microarray芯片（購自臺灣華聯芯片）與探針雜交（按臺灣華聯芯片說明書操作）。結果采用Axon公司的Gene Pix4100掃描，Gene PixPro4.0軟件分析Cy3和Cy5兩種熒光信號的強度和比值。用管家基因進行Cy3和Cy5均衡。判斷基因差異表達的標準為：①Cy3和Cy5信號比值>2.0為表達上調，<0.5為表達下調，0.5～2.0為不存在顯著表達差異。②Cy3和Cy5信號比值其中之一必須>200或其中之一<800及Cy5/Cy3在0.1～10之間，作為判斷基因差異表達的標準。

1.2.3 半定量RT-PCR：Pax-8 KO-/-組、Pax-8 KO+/-組和Pax-8 KO+/+組各取P0小鼠3只，心臟組織總RNA由TRIzol法提取。經紫外吸收測定和變性瓊脂糖凝膠電泳鑒定RNA質量后，取2μg總RNA進行逆轉錄反應（按RevertAidTM First Strand cDNA Synthesis Kit RT試劑盒說明書操作）。每組各取0.3μg cDNA分別進行PCR擴增NR4A1和GAPDH片段。NR4A1上游引物為5’-ATGCGATTCTGCAGCTCTTCC-3’，下游引物為5’-GGGTGGTATTGTCGTAGTAGAAGG-3’，GAPDH上游引物為5’-AGGTCGGTGTGAACGGATTTG-3’，下游引物為5’-TGTAGACCATGTAGTTGAGGTCA-3’（均由上海英駿生物技術有限公司合成）。管家基因GAPDH作為內參照標化NR4A1 mRNA表達。NR4A1反應條件如下：94 ℃預變性5 min后，94 ℃變性30 s，56.4℃退火30 s，72 ℃延伸1 min。GAPDH反應條件如下: 94 ℃預變性5 min后，94 ℃變性30 s，54.6℃退火30 s，72 ℃延伸1 min。分別當24、28、32、36個循環時中止反應，取5μL PCR產物用含Gold View的1.5%瓊脂糖凝膠電泳，用凝膠成像分析系統（quantity one）攝像分析。

1.2.4 熒光實時定量RT-PCR：Pax-8 KO-/-組、Pax-8 KO+/-組和Pax-8 KO+/+組各取P0小鼠3只，如上述方法獲得cDNA后，用NR4A1實時定量RT-PCR引物（由上海英駿生物技術有限公司合成）進行熒光定量PCR檢測。NR4A1引物序列為上游：5’-TGTTG ATGTTCCCGCCTTTG-3’，下游：5’-ATGCGATTCTGCAGC TCTTCC-3’（由上海英駿生物技術有限公司合成），采用Beta-actin作為內部參照。用ABI 7500 FAST型熒光定量PCR儀檢測，實驗重復3次。通過比較ΔCt的方法進行NR4A1表達的定量分析，NR4A1的相對表達量用2－ΔCt表示。Ct為每個反應管內的熒光信號到達設定的閾值時所經歷的循環數，ΔCt為NR4A1 Ct值與內參Beta-actin Ct值之差。

1.3 統計學處理方法 采用SPSS 11.5.0統計軟件進行處理，實驗數據經過方差齊性檢驗，以±s表示，兩組間均數比較采用t檢驗，檢驗水準α=0.01。

2 結果

2.1 PCR法鑒定Pax-8基因敲除小鼠基因型 Pax-8 KO-/-表現為約370 bp的單一條帶，Pax-8 KO+/+表現為約390 bp的單一條帶，Pax-8 KO+/-表現為390 bp和370 bp雙條帶（見圖1）。

圖1 PCR法鑒定Pax-8基因敲除小鼠的基因型

2.2 Pax-8基因敲除小鼠中差異表達的基因 通過基因芯片對31802個已知基因進行分析，發現與Pax-8 KO+/-組相比，在Pax-8 KO-/-組中25個基因表達下調，另外17個基因表達上調，其中涉及細胞周期、直接參與代謝、參與細胞信號轉導及核轉錄因子的基因，部分差異表達的基因見表1。

表1 利用基因芯片獲得Pax-8 KO-/-的部分差異表達基因

2.3 半定量RT-PCR法驗證基因芯片篩查結果 針對基因芯片篩選出的上調和下調的基因的引物做PCR擴增，比較不同的擴增周期不同基因的PCR產物量。結果發現NR4A1的PCR產物在第28個PCR循環周期開始，Pax-8 KO-/-組明顯多于Pax-8 KO+/-組和Pax-8 KO+/+組。說明NR4A1基因在Pax-8 KO-/-小鼠中表達上調（見圖2）。

圖2 在P0的Pax-8 KO-/-小鼠，Pax-8 KO+/-小鼠和Pax-8 KO+/+小鼠心臟中NR4A1和GAPDH基因在不同的PCR擴增周期的產量比較

圖3 NR4A1基因定量RT-PCR結果

2.4 熒光定量RT-PCR結果 NR4A1在Pax-8 KO-/-組比Pax-8 KO+/-組和Pax-8 KO+/+組分別上調（1.53±0.08）倍和（4.80±0.35）倍（均P<0.01），而作為內部對照的Beta-actin基因水平在兩組間差異無統計學意義（P>0.05）（見圖3）。

3 討論

NR4A1，又稱為Nur77、TR3、NGFI-B等，是一種轉錄因子，屬于核受體超家族一員，從氨基端到羧基端，一共有4個結構域組成（見圖4）。由于目前沒有發現NR4A1的配體，故他們又被稱為孤兒核受體。

圖4 NR4A1簡圖

無論在以細胞增殖為主的腫瘤細胞中[11-12]，還是在以細胞凋亡為主的生物過程中[13-14]，都可以找到NR4A1高表達的證據，表明其在增殖和凋亡上存在雙重作用。目前研究表明，NR4A1在增殖和凋亡中的作用主要取決于細胞受到的分子信號：當細胞受到促進生長分裂的分子信號如Erk2等刺激時，NR4A1可作為轉錄因子，調節各種促進細胞增殖的基因表達[15]；當細胞受到促進細胞凋亡的分子信號如JNK[16]等刺激時，NR4A1通過磷酸化，與RXR（retinoid X receptor）形成二聚體，從細胞核內轉移至線粒體，與Bcl-2蛋白結合。NR4A1能與Bcl-2的第三和第四個同源結構域-BH3、BH4之間的環結構結合，從而使BH3暴露，使Bcl-2從保護凋亡轉為促進凋亡，觸發細胞色素C釋放，激活細胞凋亡[17]。

值得注意的是，在Pax-8基因敲除小鼠心臟中，同時存在較正常高表達的NR4A1與Bcl-2-like 14（Bcl2l14）基因[18]。而后者的激活形態只含有BH3一個結構域，能夠顯著促進凋亡。

在整個室間隔形成的過程中，包括在房室心內膜墊、間隔、流出道、肌小梁和乳頭肌的發生中，細胞凋亡都扮演著關鍵角色[19-21]。在Pax-8基因敲除小鼠心臟中，可能存在由NR4A1介導的，通過Bcl2l14執行的細胞凋亡增加。使得在心臟室間隔發育過程中，細胞凋亡過度，室間隔形成緩慢甚至室間隔缺損——這是我們從本研究中得出的推測，然而需要確證這種假設還需要進行NR4A1細胞內定位，NR4A1干擾后觀察Bcl2l14表達變化等實驗。

致謝：此課題的完成得到德國Peter Gruss及Ahmed Mansouri教授的支持和幫助，尤其是惠贈實驗動物，特此表示感謝！

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