可誘導心肌特異性表達TRX蛋白轉基因小鼠模型的建立

孫煜，李成剛，周立

(1.湖北省食品藥品監督管理局藥品審評認證中心，湖北 武漢 430071；2.武漢市剛子科貿有限公司，湖北 武漢 430071；3.武漢大學動物實驗中心/ABSL-3實驗室，湖北 武漢 430071)

·論著·

可誘導心肌特異性表達TRX蛋白轉基因小鼠模型的建立

孫煜1，李成剛2，周立3

(1.湖北省食品藥品監督管理局藥品審評認證中心，湖北 武漢 430071；2.武漢市剛子科貿有限公司，湖北 武漢 430071；3.武漢大學動物實驗中心/ABSL-3實驗室，湖北 武漢 430071)

目的建立心肌特異性、高效表達鼠源硫氧還蛋白-1(Thioredoxin 1，Trx-1)的轉基因小鼠模型。方法將TRE-Tight-Trx-1與能夠控制TRE-Tight下游基因在心肌特異性表達的α-MHC-rtTA-hGH轉基因載體分別顯微注射入C57BL/6小鼠受精卵細胞中得到的分別含有一段轉基因載體的轉基因小鼠，再將這兩種轉基因小鼠進行交配，獲得同時含有TRE-Tight-Trx-1和α-MHC-rtTA-hGH這兩段基因的雙陽性子代轉基因小鼠。使用強力霉素(Dox)持續誘導6周齡雙陽性小鼠6周，再用Western blot方法檢測轉基因小鼠心肌細胞中Trx-1表達量。結果與野生型C57BL/6小鼠比較，經過強力霉素誘導的雙陽轉基因小鼠心肌細胞中Trx-1有高表達量(P＜0.05)。結論我們得到了可誘導、高效表達Trx-1的轉基因小鼠系，為心肌肥大疾病的研究和治療提供新的研究思路。

硫氧還蛋白-1；α-肌球蛋白重鏈；強力霉素；Tet-on/pTRE-Tight誘導表達系統

轉基因動物技術是通過實驗技術把外源基因通過基因注射等方法導入動物的早期胚胎細胞或者受精卵，使外源基因與受體細胞的基因組隨機或定向的整合[1]。最為常用的是Hammer等[2]建立的原核顯微注射法，由于其插入外源基因片段的大小受限制較小，效果又很可靠，到現在為止依然是最主要的制備轉基因動物的方法。

Tet-on&TRE-Tight基因表達系統在1995年由Gossen和Bujard等建立，是一種高效、低毒以及具有高效誘導能力表達外源DNA的調控系統。該系統在四環素類誘導物的作用下，其Tet-on質粒中反向(Tet-on)四環素調控轉錄激活因子rtTA調控元件和質粒TRE-tight中四環素操縱元件tet07特異性結合，啟動下游目的基因的高效表達，而在無誘導物時則不能啟動下游基因的轉錄，具有特異性、嚴密性以及高效性的特點，已經廣泛應用于構建轉基因動物模型。

硫氧還蛋白系統是生物體內主要的抗氧化系統之一，由硫氧還蛋白(Thioredoxin，Trx)、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAPDH)和硫氧還蛋白還原酶(Thioredoxin reductase，TrxR)三部分組成，是一個廣泛分布的NAPDH依賴性二硫化物還原酶系統[3-4]。Trx作為一抗氧化物，能被諸如ROS自由基氧化，也能通過清除過氧化氫，還原硫氧還蛋白過氧化物酶(Peroxiredoxin，PrX)，還原谷胱甘肽過氧化物酶-3(Glutathione peroxidise-3)等特異性酶類，進而維持細胞正常的氧化還原水平。Trx-1細胞內廣泛存在的抗氧化酶，是一種小分子蛋白(12 kD)，由104個氨基酸殘基構成，其蛋白結構為3個α螺旋和4個β折疊緊密結合的球狀結構[5]。Trx-1作為一種氧化還原調控蛋白在細胞的各種生理活動和功能中中發揮著重要的作用，其調控方式主要通過氧化還原狀態的變化實現。Trx-1不僅可以通過清除ROS來抵抗細胞內的氧化應激，還可以作為一種生長因子促進細胞的生長[5]。除此之外，Trx-1還能夠與某些含有半胱苷酸殘基的蛋白質相互作用，從而調控這種蛋白的功能[6]。此外，Trx-1還與某些疾病的發病機制有密切關系[6]，其中之一便是抑制心肌肥大。Trx-1通過上調miR-98的轉錄促使miR-98與cyclin D2的3'UTR區域miR-98結合位點結合，抑制cycling D2的表達。因cyclin D2具有促進心肌肥大的作用，故Trx-1能間接抑制cyclin D2的表達，進而抑制心肌肥大的發生[7]。

基于Trx的重要生物學功能，以及缺乏合適的動物模型的現狀，本研究構建了以TRE-Tight質粒為載體，構建可在心肌細胞誘導型產生小鼠Trx-1基因的表達質粒系統，結合顯微注射技術生產了能夠心肌組織特異性、誘導性高表達鼠源Trx-1的轉基因小鼠，為心臟疾病的研究建立了Trx-1局部高表達模型，為心肌肥大疾病的研究和治療提供新的研究思路。

1 材料與方法

1.1 質粒、感受態、細胞系和實驗動物載體Tet-on-rtTA-hGH以及TRE-Tight質粒由本實驗室保存；大腸桿菌感受態細胞TOP10購自天根生化科技(北京)有限公司；小鼠心肌細胞(MCM)由美國Johns Hopkins大學醫學院Dr.Yingming Tsai提供；C57/BL6小鼠由武漢大學動物實驗中心提供。

1.2 主要試劑LATaq DNA聚合酶、限制性內切酶、T4DNA連接酶、dNTP、基因組DNA提取試劑盒(DV811A)購自寶生物工程(大連)有限公司；普通質粒小提試劑盒和瓊脂糖凝膠DNA回收試劑盒購自生工生物工程(上海)股份有限公司；高糖DMEM、胎牛血清(FBS)、100 U/ml青/鏈霉素轉染試劑Lipofectamin 2000、0.25%胰酶購自Life Technologies公司、M-MLV逆轉錄試劑盒；質粒大量提取試劑盒購自德國QIAGEN公司；Tris base、Tween-20、EDTA、二硫蘇糖醇(DTT)、Trition X-100、鹽酸胍(Guanidine HCl)、蛋白酶K均購于Sigma公司；丙烯酰胺、甲叉雙丙烯酰胺、過硫酸銨、TEMED、Western blot超敏發光液購于北京鼎國生物技術有限公司；兔抗鼠Trx-1一抗以及HRP標記的羊抗兔二抗購于Cell Signaling公司。

1.3 重組質粒的構建

1.3.1 α-MHC promoter-rtTA-hGH質粒的構建以含有C57/BL6小鼠全基因為模板，用含有Xhol和HindⅢ特異性酶切位點的上下游引物擴增出含心肌特異性α-肌球蛋白重鏈(α-MHC)啟動子的片段；引物序列為：Trx-FP:5'-GCGAATTCCCCGCAACAGCCAAAA-3'，EcoRITrx-RP:5'-CGCGGATCCATGATTAGCATATTC AGTA-3'，BamHⅠ用EcoRⅠ和BamHⅠ雙酶切PCR產物Trx-1片段以及TRE-Tight質粒，回收長度分別為337bp的IL-22片段和2.6kb的線性化TRE-Tight片段；將兩片段按照拷貝數3:1混合后用T4連接酶連接，兩者粘合成環形重組質粒TRE-Tight-Trx-1(圖1)。

1.3.2 TRE-Tight-Trx-1質粒的構建以含有C57/ BL6小鼠全基因為模板，用含有EcoRⅠ和BamHⅠ特異性酶切位點的上下游引物擴增出含Trx-1的表達框片段；引物序列為：Trx-FP：5'-GCGAATTC CCCGCAACAGCCAAAA-3'，EcoRITrx-RP:5'-CGCGGATCC ATGATTAGGCATATTCAGTA-3'，BamHⅠ用EcoRⅠ和BamHⅠ雙酶切PCR產物Trx-1片段以及TRE-Tight質粒，回收長度分別為337 bp的Trx-1片段和2.6 kb的線性化TRE-Tight片段；將兩片段按照拷貝數3:1混合后用T4連接酶連接，兩者粘合成環形重組質粒TRE-Tight-Trx-1(圖1)。

圖1 α-MHC promoter-rtTA-hGH以及TRE-Tight-Trx-1片段構建示意圖

將重組質粒轉化到大腸桿菌Top10感受態細胞中，用菌落PCR的方法挑選陽性單克隆子，并送到金唯智(Genewiz)生物科技有限公司進行測序，檢查目的α-MHC啟動子片段與rtTA-hGH片段連接序列是否正確以及目的基因翻譯起始位點是否完好，獲得含有重組質粒α-MHC promoter-rtTA-hGH(簡稱α-MHC-rt-TA-hGH)或者TRE-Tight-Trx-1的陽性克隆菌。

1.4 體外表達檢測取含有陽性克隆的細菌，大量擴增菌液，并按照質粒提取試劑盒的操作規范提取高濃度質粒進行培養，從中提取重組質粒，保存于-20℃，待用。將4×105個小鼠心肌細胞接種于6孔板中，培養12 h(細胞密度達到80%～90%)后進行雙質粒轉染。轉染后6 h更換新鮮培養基并加入無菌過濾的強力霉素(Doxycycline)0 ng、10 ng、100 ng或1 000 ng，于誘導表達12 h后收集細胞，或使用100 ng Doxycycline誘導細胞表達6 h、12 h以及24 h后收集細胞，使用TRI Reagent提取細胞總RNA，并使用M-MLV逆轉錄試劑盒進行逆轉錄，得到cDNA。使用鼠源Trx-1特異性引物通過熒光定量PCR的方法對cDNA中Trx-1的表達進行檢測，以未經過處理的細胞的Trx-1表達量定義為1，計算經過處理后的細胞內Trx-1表達量的增加倍數。檢測的引物序列分別為Trx-1D15'-CAAGCCCCCAT和Trx-1D25'-GCAACAT ATCCTG'(產物長度為84 bp)，結果用軟件Graph pad Prism5.0進行數據分析。

1.5 顯微注射用線性DNA的制備取含有陽性克隆的細菌，大量擴增菌液，并按照QIAGEN質粒大量提取試劑盒的操作規范提取高濃度質粒進行培養，從中提取重組質粒，并分別用限制性核酸內切酶XhoⅠ與NotⅠ(α-MHC-rtTA-hGH)或者XhoⅠ(TRE-Tight-Trx-1)進行酶切，使用QIAGEN膠回收試劑盒將酶切片段回收，純化后的DNA調整濃度為1 μg/μl，-20℃保存，待用于基因注射。

1.6 轉基因小鼠的制備與檢測獲得新生小鼠后，將鼠尾用200 μl DNA裂解液(0.5%SDS、0.05 mol/L EDTA、0.1 mol/L NaCl、0.01 mol/LTris。HCl使用前加入終濃度為1 mg/ml的蛋白酶K)裂解后作為模板DNA，用檢測引物檢測其基因型(引物分別為rtTA檢測引物rtTAD1：5'-TGGGAGTTTGTTTTGGCAC-3'和rt-TA D2：5'-ATGGCTAAGGCGTCGAG-3'，產物長度為380 bp)以及Trx-1的檢測引物Trx-1 D1和Trx-1 D2。反應參數：94℃預變性10 min，然后94℃30 s，60℃30s，72℃60s，共30個循環，最后72℃延伸5 min)。最終得到3個α-MHC-rtTA-hGH Founders，編號分別為10，19，30；兩個得到TRE-Tight-Trx-1Foundes，編號分別為9，13。將含有其中一種轉基因片段的小鼠分別作為父母系進行繁殖，對獲得的子代小鼠使用上述方法進行基因鑒定。參照Zheng等[8]的方法將篩選出的同時含有兩種轉基因片段的小鼠(雙陽性小鼠)分窩后單獨飼養，連續喂飲含有強力霉素的飲用水6周，刺激Trx-1在心肌大量表達。

1.7 小鼠心肌細胞的分離將小鼠按照Zhang等[9]的方法處理，收集心臟血液并對心臟進行清洗。取出心臟剪碎后，用PBS漂洗3次，去除殘余的血細胞和死細胞，再加入0.25%胰酶，于37℃消化10 min，搖蕩20 s，再放入37℃消化。10 min后靜置后吸取上清用胎牛血清終止消化，將收集的消化液上清用200目篩網過濾，收集分離的心肌細胞，離心5 min，用PBS漂洗2次，使用含有10%FBS的高糖DMEM培養基重選后放置于T25培養皿中于37℃培養1 h。因心肌細胞不貼壁，吸取懸浮細胞即含有高濃度的心肌細胞，重懸培養。

1.8 轉基因小鼠心肌細胞內Trx-1的表達向心肌細胞中加入無菌過濾的強力霉素(Doxycycline)1 000 ng，誘導轉基因小鼠心肌細胞內Trx-1表達72 h后，用G-lysis緩沖液(pH值為8.3的50 mmol/L Tris鹽酸緩沖液，3 mmol/L EDTA，6 mmol/L鹽酸胍，0.5% TritonX-100)收集細胞蛋白質，37℃避光放置30 min，加入蛋白上樣緩沖液電泳至溴酚藍帶泳出膠外8 min，轉至PVDF膜(40V，3 h)，5%封閉液室溫封閉1 h，加入一抗(羊抗鼠Trx1 1:15 000)，4℃避光過夜，再加入二抗(1:3 000)室溫1 h，最后用超敏發光液化學發光，顯影，定影。

2 實驗結果

2.1 質粒體外表達Trx-1的檢測誘導性產生Trx-1的檢測結果見圖2。在α-MHC-rtTA-hGH以及TRE-Tight-Trx-1系統中，Trx-1在mRNA水平的表達量隨著時間的延長而增多(圖2A)，表明強力霉素能夠一直誘導Trx-1表達。而用于誘導表達的強力霉素的量與最終Trx-1的表達量成比例(圖2B)。

圖2 Trx-1的誘導表達檢測

2.2 體內檢測Trx-1蛋白的表達由Western Blot顯色以及條帶分析結果可見，與野生型小鼠(WT)以及未經強力霉素誘導的小鼠(Tg-0周)相比，經過強力霉素誘導6周后的雙陽性轉基因小鼠心肌細胞中Trx-1蛋白表達量明顯增高(見圖3)，說明在強力霉素誘導下，我們構建的雙陽性轉基因小鼠能夠高水平的表達Trx-1蛋白。

圖3 心肌細胞中Trx-1蛋白的表達水平

3 討論

肌球蛋白是心肌肌小節粗肌絲的主要成分，由重鏈(MHC)和輕鏈(MLC)組成。在心肌中MHC有兩種亞型，即α-MHC和β-MHC。α-MHC是成年機體心肌中的主要形式[10]。Gulick等[11]分離出小鼠心肌MHC基因座，并鑒定了α-MHC基因的啟動子區，α-MHC啟動子能夠在心肌中特異性驅動CAT基因的表達，而非心肌組織中不表達。本研究克隆了α-MHC基因的啟動子區，α-MHC啟動子全長約5 kb，將α-MHC啟動子連接到rtTA-hGH的5'端，控制下游基因rtTA在心肌細胞中特異性的高表達。我們利用人心肌細胞在體外進行的檢測實驗結果也證明我們構建的α-MHC promoter-rtTA-hGH能夠指導rt-TA蛋白在心肌細胞中特異性表達。

Trx-1在細胞內具有非常重要的調控作用，據報道，這種蛋白質和心血管疾病的發生密切相關[12-14]。在針對心肌肥大的疾病研究中，Trx-1更是被視為治療或者預防的新型藥物，但是其功能和作用機理并未在體內實驗中得到證實。此外，由于Trx-1在細胞內發揮著非常重要的作用，在同一組織類型中也發揮不同作用，我們不僅需要建立表達Trx-1的動物模型，還需要能夠隨時調控其特異性表達的調控手段進行輔助。

目前基因動物的構建主要用的是單質粒的顯微注射，由于轉基因動物的周期很長，如果目的基因具有一定的生物毒性或對機體存在潛在危害，就會造成工具鼠數量不足，獲得率低。誘導性表達質粒體系的應用能很好的解決這個問題，我們能夠通過在小鼠繁殖期間關閉基因的表達來避免表達的基因產物的生物毒性毒殺新生小鼠，而在小鼠成年后再開啟轉入基因的表達構建我們需要的動物模型。根據我們的實驗，在Tet-on質粒系統的調控下，目的基因的蛋白表達量跟時間呈正相關，我們能夠依據這種特性逐步建立轉基因的模型。誠然雙質粒在體外試驗中會提高轉染的難度，但是我們在體內實驗中可以通過將兩個質粒分別基因注射到兩只小鼠，構建兩種不同的轉基因小鼠系，應用時再將兩種小鼠交配獲得雙陽性小鼠用于實驗。

我們建立的雙質粒轉基因模型不但可以解決Trx-1潛在的生物毒性問題，還能夠通過將含有Trx-1的轉基因小鼠與含有不同的控制特異性表達的啟動子的轉基因小鼠交配，獲得一系列在不同組織和細胞中特異性表達Trx-1的小鼠。建立這樣一個平臺，對于豐富小鼠品系打下了堅實的基礎。如果擁有大量控制特異性表達的啟動子的轉基因小鼠，往后建立任何一種含有目的基因的小鼠都能通過交配的方式獲得一系列特異性表達該基因的小鼠系，使后期工作變得簡便，省時。

（志謝：目的DNA顯微注射這部分工作由武漢大學動物實驗中心吳珂老師完成，特此感謝。）

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Establishment of transgenic mice model with myocardium-specific expression of TRX protein.

SUN Yu1,

LI Cheng-gang2,ZHOU Li3.
1.Drug Certification Center of Food and Drug Administration,Wuhan 430071,Hubei, CHINA;2.Gangzi Technology&Trade Co,LTD,Wuhan 430071,Hubei,CHINA;3.Wuhan University Laboratory Animal Center/ABSL-3 Labaratory,Wuhan 430071,Hubei,CHINA.

ObjectiveTo establish Thioredoxin 1(Trx-1)transgenic mice model with myocardium-specific high expression of Thioredoxin(Trx-1).MethodsTRE-Tight-Trx-1 and α-MHC-rtTA-hGH gene vector which specifically controls the expression of TRE-Tight downstream gene in cardiomyocytes were microinjected into the zygote of C57BL/6 mice respectively for establishing the transgenic mice with transgenic vectors.After mating,a double-positive offspring with bothTRE-Tight-Trx-1 and α-MHC-rtTA-hGH gene were obtained.And then doxycycline was added to feed the double positive transgenic mice aged over 6 weeks for 6 weeks,where the concentration of Trx-1 in cardiomyocytes was detected by Western Blot.ResultsThe transgenic mice feeding with doxycycline showed high expression levels of Trx-1 in cardiomyocytes compared with wild type C57BL/6 mice.ConclusionWe established a Trx-1 transgenic mice model with inducible and high expression of Trx-1,which provided a new pattern of thinking in the research and therapy for cardiac hypertrophy.

Thioredoxin 1;α-myosin heavy chain(α-MHC);Doxycycline;Tet-on/pTRE-tight system

R-332

A

1003—6350（2014）08—1093—04

10.3969/j.issn.1003-6350.2014.08.0427

2013-11-07)

周立。E-mail：zhouli_jerry@whu.edu.cn