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轉錄因子Sp1對成肌細胞中豬SKIP的表達調控作用

2012-04-29 11:37:33熊琪柴進張年索效軍李曉鋒楊前平劉洋陳明新
湖北農業科學 2012年18期

熊琪 柴進 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轉錄起始位點上游2 075 bp啟動子序列。生物信息學分析發現該序列中存在4個Sp1結合位點和1個CpG島。將啟動子序列構建到pGL3-basic的雙熒光素酶報告基因載體上,再利用RNA干擾技術分析轉錄因子Sp1對SKIP轉錄的影響。熒光素酶活性分析發現Sp1的表達抑制使成肌細胞中SKIP啟動子活性顯著下降,表明轉錄因子Sp1可能通過順式作用元件GC-Box對成肌細胞分化過程中SKIP基因的轉錄激活起正向調控作用。

關鍵詞:Sp1;豬;SKIP;啟動子活性;RNA干擾

中圖分類號:Q789文獻標識碼: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,肌纖維的數量和大小直接影響家畜的胴體性狀,與遺傳因素相關。5′肌醇磷酸酶(SKIP)由Ijuin等[1]首先發現并分離,在各組織中廣泛表達,尤其在心臟、骨骼肌和腎臟中高表達,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,發現豬的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]、肌纖維數量[3]和大腿重[4]的QTL區域。運用牛基因圖譜信息,發現牛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具有調節骨骼肌纖維發育的功能。因此有必要進一步研究該基因參與骨骼肌生長發育的表達調控機制,為弄清楚肌纖維的生長發育規律奠定基礎。

1材料與方法

1.1材料

限制性內切酶、T4連接酶、反轉錄試劑盒等購自Fermentas-MBI公司;Taq DNA聚合酶、SYBR Green Real-Time PCR Master Mix、dNTP、DNA分子質量標準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;雙熒光素酶報告系統檢測試劑盒購自Promega公司。

1.2步移引物設計和PCR擴增

根據豬SKIP第一外顯子序列, 采用Primer 5.0設計步移巢式引物,如表1,引物由北京奧科生物技術有限公司合成。步移擴增由兩輪PCR反應組成。第一輪PCR反應體積為50 μL,反應體系為 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,去離子水補足至50 μL,離心混勻。第一輪PCR反應條件為:94℃ 5 min 后迅速加入Taq酶1 μL; 94 ℃ 25 s,72 ℃ 3 min ,7個循環;然后94 ℃ 25 s,67 ℃ 3 min ,32 個循環; 67 ℃ 7 min。取5 μL 第一輪PCR產物,在1.5%的瓊脂糖中電泳檢測。確認后繼續第二輪PCR 反應。除了模板、引物改變外,第二輪PCR 反應體系與第一輪相同。將1 μL第一輪PCR產物(包括陽性和陰性對照)稀釋50倍,取其中1 μL作為第二輪PCR反應的模板,引物為AP2 和第二輪PCR特異引物。第二輪PCR反應條件為: 94 ℃預變性10 min;94 ℃變性25 s,72 ℃ 3 min ,5個循環; 94 ℃變性25 s,62 ℃ 3 min,20個循環; 67 ℃延伸7 min。取5 μL產物,在1.5%的瓊脂糖凝膠中電泳。

1.3生物信息學分析

在線網站http://www.cbrc.jp/research/db/TFSEARCH.html分析基因啟動子區的轉錄因子結合元件,MethPrimer(http://www.urogene.org/methprimer/index1.html)預測基因啟動子區是否有CpG島。

1.4豬SKIP啟動子表達載體的構建

根據pGL3-basic 載體的多克隆位點和豬SKIP的啟動子序列,設計包含SacⅠ酶切位點的正向引物P1F:5′-AAAGAGCTCACTCTTGTTGATGTGGCTT

GA-3′和XhoⅠ酶切位點的反向引物PR:5′-CCCTC

GAGCTGCTTCTCGGTTCGGTCT-3′,以豬基因組DNA為模板進行PCR擴增。直接將符合目的片段大小的PCR產物用限制性內切酶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,然后轉化大腸桿菌DH5α。

1.5化學合成Sp1-siRNAs

根據在線軟件 https://rnaidesigner.invitrogen.com/rnaiexpress/design.do 設計化學合成的siRNA靶序列,見表2。

1.5實時定量PCR

在Sp1-siRNAs轉染C2C12細胞6 h后用2%馬血清誘導細胞分化,于分化第三天提取細胞RNA。

PCR反應體系:SYBR Green Real-Time PCR Master Mix 12.5 μL,定量引物0.5 μmol/L, cDNA模板 500 ng,補去離子水至總體積為25 μL。PCR擴增程序:95 ℃預變性2 min;94 ℃變性20 s,58 ℃退火20 s,72 ℃延伸35 s,74 ℃讀板, 40個循環,每個樣3個重復。PCR反應的特異性通過產物溶解曲線確認。用BioRad公司的iQ5軟件分析結果。先將閾值選定在各對數擴增曲線平行上升的最低點,得到各管的Ct值。軟件會算出每個基因Ct值的平均數及標準差和每組特異基因相對于內參的表達量。應用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共轉染C2C12細胞24 h后,小心吸棄培養基, PBS洗2次。200 μL/孔的Passive Lysis Buffer滴加到24孔板的每孔細胞中,在室溫避光裂解15 min。置振蕩器振蕩30 s,將裂解完全的細胞裂解液收集到1.5 mL EP管中,-80 ℃貯存備用。檢測前先在室溫中平衡細胞裂解混合液,每個樣品取10 μL到黑色96孔酶標板中搖勻,使細胞裂解液均勻鋪滿底部。提前30 min預熱報告基因檢測儀。將樣品、工作液依次放入到檢測儀器內,設置好程序后開始檢測,每個樣品將會有2個熒光素酶報告值A和B,A值與B值的比值就是每個樣品的相對表達量。

2結果與分析

2.1豬SKIP啟動子的克隆

根據豬SKIP第一外顯子序列,設計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)配對進行第一輪PCR反應。將第一輪PCR反應產物用去離子水稀釋50倍后作為第二輪PCR反應的模板,將引物FGPS2與AP2(Nested adaptor primer 2)組合進行第二輪PCR擴增。擴增結果電泳檢測,第一輪PCR反應的產物均呈彌散帶(圖1-A);第二輪PCR產物中,經PvuⅡ消化后的基因組為模板擴增出大小約328 bp的片段,電泳檢測結果如圖1-B所示。

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

鑒于擴增片段長度偏短,再根據第二次PCR步移得到SKIP啟動子序列,又設計了一對嵌套特異引物TGPS1和TGPS2對SKIP進行第三次步移。 繼續以四個不同酶切的基因組步移庫為模板,引物TGPS1與AP1組合進行第一輪PCR擴增(圖3-A),以TGPS2和AP2為巢式引物進行第二輪PCR擴增(圖3-B)。在第二輪PCR產物中,經EcoR V消化后的基因組為模板擴增出約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啟動子區序列利用在線軟件TFSEARCH預測分析啟動子中的潛在順式作用元件,發現3個潛在的TATA box,2個MyoD結合位點,4個Sp1結合位點和1個位于起始密碼子上游的CpG島,如圖4所示,而4個Sp1結合位點都處于CpG島中。為了闡明SKIP的表達調控機制,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對肌細胞分化過程中SKIP轉錄的影響,用化學合成的方法合成Sp1的干擾序列Sp1-siRNAs,化學合成的Sp1-siRNAs轉染分化中的肌細胞的實時定量分析如圖6所示。

實時定量PCR結果顯示,Sp1和β-actin標準曲線制備均在線性范圍內,擴增產物溶解曲線符合要求。Sp1的mRNA表達量在各試驗組及對照組中整體水平差異顯著(P<0.05)。3個Sp1-siRNA在肌細胞中均抑制Sp1的表達,其中Sp1-siRNA2抑制率最高。

2.4Sp2-siRNA2表達抑制對肌細胞分化和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,抑制了肌細胞的終末分化。利用Sp1-siRNA2與啟動子P1共轉染肌細胞分析Sp1對肌細胞中SKIP表達的影響。熒光素酶活性分析表明Sp1受到干擾時,SKIP啟動子的活性也顯著下降了(圖8)。表明轉錄因子Sp1可能通過順式作用元件GC-Box對肌肉細胞分化過程中SKIP的轉錄激活起正向調控作用。

3討論

有研究發現,脊椎動物基因組包含未甲基化的CpG島[7]。雖然不清楚這些區域是怎么維持非甲基化狀態的,但是在有些情況下這依賴于轉錄因子Sp1的結合[8]。Sp1是較早克隆和鑒定出的結合在SV40啟動子上的真核轉錄因子[9]。它包含3個鋅指結構基序,Cys-2-His-2,能結合在GGGGCGGGG序列上[10]。Sp1結合位點經常在CpG島區出現。有研究發現Sp1結合位點對維持APRT基因CpG島的非甲基化狀態十分關鍵[11]。預測發現位于轉錄起始位點上游的1個CpG島區域和若干Sp1結合位點,推測Sp1轉錄因子可能是調節SKIP穩定表達的潛在轉錄因子。如果沒有Sp1結合位點遍布CpG島區,則SKIP啟動子很容易被甲基化引起轉錄活性的抑制,但是5′肌醇磷酸酶SKIP是廣泛表達且在某些組織是高表達的,暗示轉錄因子Sp1可能避免基因組CpG島被甲基化。通過Sp1 RNA干擾分析P1啟動子在肌細胞的活性,發現SKIP的啟動子活性確實受細胞內Sp1表達水平的調節,Sp1轉錄因子的表達抑制顯著地降低了SKIP的活性,可見反式作用因子Sp1對SKIP的穩定表達至關重要。

Sp1以豐富的核蛋白形式存在于大多數細胞中,但是在不同的發育階段和不同類型的細胞中,表達水平是有差異的[12]。Sp1對MyoD轉錄因子家族的轉錄活性和肌肉細胞的分化也有影響,有研究發現pRb、MDM2和Sp1協同調節肌肉細胞的分化[13,14]。Sp1的轉錄活性受到與MDM2蛋白互作的影響,Sp1與MDM2的結合抑制了Sp1與肌肉特異表達基因啟動子DNA序列的結合,而當Sp1與MDM2的結合受到pRb競爭抑制時,Sp1從Sp1- MDM2蛋白復合體中釋放出來,重新結合順式作用元件與MyoD轉錄因子家族成員共同激活肌肉特異表達基因的轉錄,促進肌肉細胞的分化。研究發現干擾Sp1的表達影響肌細胞的終末分化,進一步證實Sp1對成肌分化的重要作用以及SKIP可能參與骨骼肌細胞分化進程。

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收稿日期:2012-06-14

基金項目:湖北省動物胚胎工程及分子育種重點實驗室開放課題(2010ZD111);湖北省科技計劃自然科學基金重點項目(2010CBB01301);

湖北省農業科學院青年科學基金(2011NKYJJ16);華中農業大學自主創新基金(2010BQ001);華中農業大學青年教師科技創新項目

(2011QC001);湖北省農業科技創新中心(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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