水牛KDM1A/LSD1 基因的克隆分析及真核表達載體的構建

趙 鑫，俸 云，沈朋雷，石德順，陸鳳花

（廣西大學動物科學技術學院，亞熱帶農業生物資源保護與利用國家重點實驗室，廣西南寧 530004）

體細胞核移植技術（Somatic Cell Nuclear Transfer，SCNT）在科研、動物育種、轉基因動物生產、瀕危動物保護、醫療等領域具有非常廣闊的應用前景，但極低的克隆效率嚴重限制了該技術的發展和應用[1]。研究表明，克隆胚胎發育過程中出現的表觀遺傳修飾異常，是導致克隆胚胎發育效率低下的最主要原因[2]，其中組蛋白修飾中的組蛋白甲基化異常是主要因素之一。組蛋白甲基化修飾會在異染色質形成，基因表達調控以及X 染色體失活等過程中發揮作用[3-4]。一般情況下，組蛋白甲基化修飾存在于組蛋白H3/H4 位點N 端的Lysine 和Arginine上，不同的組蛋白甲基化形式對基因表達起到不同的調控作用[5]。其中克隆胚胎中頻繁發生的組蛋白H3K4、H3K9 甲基化異常，是導致克隆胚胎發育失敗的原因之一[6]。而KDM1A 也被稱為LSD1，是最早被發現的組蛋白去甲基化酶[7]，屬于黃素腺嘌呤二核苷酸依賴酶[8-9]，由Tower、SWIRM 和胺氧化酶3 種結構域組成，能夠在組蛋白H3K4me/me2 和H3K9me/me2 的調控過程中發揮作用[8-10]。另外，有研究發現，敲除KDM1A 會導致卵母細胞的紡錘體發生損傷，進而影響胚胎的早期發育；還會引起組蛋白H3K9me3 異常升高，表明KDM1A 在卵母細胞發育、受精、組蛋白甲基化調控等方面發揮了關鍵作用[11]。同時，KDM1A 還被證明對DNA 甲基轉移酶Dnmt1 的穩定性以及干細胞的多能性產生影響[12]。以上研究結果都強烈暗示了KDM1A 在表觀遺傳修飾調控過程中的重要性。

盡管KDM1A 被發現已多年，但關于水牛KDM1A基因的研究目前鮮有報道。故本研究擬對水牛KDM1A基因進行克隆分析，并構建真核表達載體，為進一步研究KDM1A 在水牛SCNT 胚胎發育過程中發揮的作用提供基礎。

1 材料與方法

1.1 實驗材料 本實驗所用水牛卵巢購買自南寧市某屠宰場，卵巢離體后立刻保存于液氮，用于RNA 的提取。pcDNA3.1（+）骨架載體和水牛耳部成纖維細胞（BFFs）由廣西大學亞熱帶農業生物資源保護與利用國家重點實驗室提供。

1.2 主要試劑 TRIzol Reagent 購買自Invitrogen 公司；反轉錄試劑盒HiScript II 1st Strand cDNA Synthesis Kit，基因克隆試劑盒2×Phanta Master Mix，載體構建試劑盒ClonExpress Ultra One Step Cloning Kit，實時熒光定量PCR（Real-Time Quantitative PCR，RT-qPCR）試 劑ChamQ Universal SYBR?qPCR Master Mix 均購買 自 諾 唯贊生物科技有限公司；去內毒質粒提取試劑盒Endo-Free Plasmid Mini Kit 和膠回收試劑盒E.Z.N.A Gel Extraction Kit 購買自OMEGA 公司；感受態細胞購買自全式金生物科技有限公司；限制性內切酶Xho I 購買自日本TaKaRa公司；細胞轉染試劑ViaFect ? 購買自美國Promega 公司。其他試劑均參考《分子克隆與實驗指南》進行配制。

1.3 引物設計與合成 參考NCBI 上已公布的水牛KDM1A 序列信息（登錄號：XM_025278755.1），使用Oligo 6.0 軟件設計引物并交由上海生工生物科技有限公司進行合成，具體信息如表1 所示。

1.4 RNA 提取和第1 鏈cDNA 的合成 使用TRIzol Reagent提取水牛卵巢和BFFs 的總RNA，使用分光光度計和瓊脂糖凝膠電泳檢測RNA 的純度和完整性，符合要求后立刻使用HiScript II 1st Strand cDNA Synthesis Kit 進行第1 鏈cDNA 的體外合成，反應體系：4×gDNA Wiper Mix 4 μL，RNA 模 板500 ng，RNase free H2O 補 足16 μL，吹打混勻后PCR 儀中42℃孵育2 min；加入5×HiScript II qRT SuperMix II 4 μL，50℃孵育15 min，85℃反應5 s，獲得cDNA。產物保存于-20℃冰箱備用。

1.5 水牛KDM1A 片段的克隆 以水牛卵巢cDNA 為模板，使用試劑盒2×Phanta Master Mix 進行KDM1A 片段的擴增。參照試劑說明書，設計反應體系：2×Phanta Master Mix 25 μL，10 nmol/L 上、下游 引 物 各2 μL，cDNA 模 板5 μL，RNase free H2O 補 足50 μL。PCR 擴增程序：95℃預變性30 s；95℃變性10 s，60.5℃，15 s，72℃延伸2 min，循環數為25；72℃延伸5 min 后保存于4℃。反應完成后使用瓊脂糖凝膠電泳檢測擴增產物的片段大小，確認無誤后使用E.Z.N.A Gel Extraction Kit進行目的片段的回收。回收產物保存于-20℃冰箱備用。

1.6 單酶切 使用單酶切的方法線性化骨架載體pcDNA3.1（+）。酶切反應體系：pcDNA3.1（+）載體1 μg，限制性內切酶Xho I 1 μL，反應緩沖液10×Reaction Buffer H 2 μL，RNase free H2O 補足20 μL。PCR 儀中37℃孵育1 h，酶切完成后使用E.Z.N.A Gel Extraction Kit 回收目的片段。回收產物保存于-20℃冰箱備用。

1.7 連接、轉化與測序 使用ClonExpress Ultra One Step Cloning Kit 進行目的片段與載體的連接。連接反應體系：將目的片段與線性化載體按照0.06 pmol∶0.03 pmol 的比例混合，加入4 μL 的5×CE Buffer 和2 μL 的Exnase II，RNase free H2O 補足20 μL。PCR 儀中37℃孵育30 min，連接完成后立刻將連接產物轉化入感受態細胞，再將菌液涂布于含氨芐青霉素（Amp+）的LB 固體平板上，置于37℃生化培養箱中過夜培養。菌落長出后挑取單個菌落并置于含Amp+的LB 肉湯中，置于37℃搖床中過夜培養。菌液長出后提取質粒并電泳檢測質粒大小，符合預期后將質粒送至廣州華大生物科技有限公司進行測序鑒定。

1.8 生物信息學分析 使用DNAStar 軟件中的MegAlign程序測序比對序列的同源性；使用DNAMAN 軟件比對預測編碼的氨基酸序列；使用MEGA 6.0 軟件構建系統進化樹；使用在線程序EXPASY（https://web.expasy.org/protparam/）預測編碼蛋白的氨基酸組成、等電點、相對分子質量等；使用DNA star 軟件中的Protean 程序預測水牛KDM1A 蛋白的二級結構；最后再使用在線 程 序I-TASSER（https://zhanglab.ccmb.med.umich.edu/I-TASSER/）預測水牛KDM1A 蛋白的三級結構。

表1 PCR 擴增序列引物

1.9 細胞轉染 參考轉染試劑ViaFect ?的說明書，將pcDNA3.1（+）-KDM1A轉染進BFFs，并將轉染pcDNA3.1（+）空載體和未轉染組設為對照組。

1.10 實時熒光定量PCR 轉染48 h 后提取細胞RNA并將其逆轉錄為cDNA，再使用RT-qPCR 技術對BFFs中KDM1A 基因的表達水平進行檢測。以轉染后細胞cDNA 為模板，轉染pcDNA3.1（+）空載體和未轉染組為對照，β-actin 為內參，使用ChamQ Universal SYBR?qPCR Master Mix，對KDM1A 的表達水平進行測定。反應體系：10 μL 的2×ChamQ Universal SYBR?qPCR Master Mix，0.4 μL 上、下 游 引 物，1 μL 的cDNA，RNase-free H2O 補足20 μL。反應程序：95℃預變性30 s，95℃變性10 s，退火延伸60℃，30 s，反應40 個循環；熔解曲線反應程序為95℃，15 s；60℃，30 s ；95℃，15 s；反應40 個循環。每個樣品至少重復3 次，反應結束后使用2-ΔΔCt法對基因的表達情況進行計算。另外，為了研究KDM1A 在水牛GV 期和MII 期卵母細胞中的表達模式，本研究又提取了水牛GV 期和MII 期卵母細胞的cDNA，以BFFs 的cDNA 為對照，運用相同的實驗方法對其進行檢測。

1.11 統計分析 本實驗使用SPSS 17.0 軟件，利用其單因素方差分析中的Tukey 檢驗對數據進行統計學分析，P＜0.05 表示差異顯著，P＞0.05 表示差異不顯著。

2 結 果

2.1 水牛KDM1A 編碼區的克隆與鑒定 如圖1 所示，所提卵巢總RNA 中5S、18S 和28S 條帶清晰，結構完整且降解少，可以用于后續實驗。隨后使用RT-PCR 法擴增水牛KDM1A 基因序列，擴增片段大小與預期一致（圖2）。

2.2 水牛pcDNA3.1（+）-KDM1A 真核表達載體的構建利用同源重組技術將上一步中克隆得到的KDM1A 基因片段與線性化的pcDNA3.1（+）骨架載體進行連接并使用瓊脂糖凝膠電泳檢測其片段大小。如圖3 所示，片段大小符合預期。

2.3 水牛KDM1A 基因的序列的生物信息學分析 如圖4所示，擴增得到的水牛KDM1A 片段編碼區長2 625 bp，預測編碼874 個氨基酸。如圖5 所示，水牛KDM1A 基因與黃牛、山羊、綿羊、豬、貓、馬、犬、黑猩猩的同源性分別為98.9%、97.8%、97.7%、94.0%、93.6%、93.4%、93.3%、93.0%。如圖6 所示，水牛與黃牛序列聚為一支，并與綿羊、山羊等哺乳動物的遺傳距離相對較近，所得進化樹與動物分類學之間存在較高的一致性。

2.4 水牛KDM1A 蛋白的生物信息學分析 如圖7 所示，水牛KDM1A 在各個物種間具有較高的保守性。使用EXPASY 服務器對水牛KDM1A 蛋白理化性質進行預測顯示，該蛋白質的化學分子式為C2375H3855N805O776S24，理論分子質量為56 872.11，等電點為10.3，呈堿性。預測由874個氨基酸組成，其中丙氨酸的含量最高（17.3%），甘氨酸次之（13.3%），半胱氨酸和色氨酸的含量最低（1.6%）。如圖8 所示，蛋白二級結構包含α 螺旋19 個，β 折疊47個，T 轉角25 個以及數個無規則卷曲。如圖9 所示，在水牛、黃牛、人3 個物種之間，水牛和牛KDM1A 蛋白具有較高的相似性。

2.5 水牛pcDNA3.1（+）-KDM1A 真核表達載體的效率驗證 如圖10 所示，轉染48 h 后，與對照組相比，BFFs 中KDM1A 的表達水平顯著升高。

圖1 總RNA 電泳圖

圖2 水牛KDM1A 基因片段擴增

圖3 pcDNA3.1（+）-KDM1A

圖6 水牛KDM1A 基因進化樹分析

圖7 水牛與其他物種KDM1A 氨基酸序列比對

圖8 水牛KDM1A 蛋白質二級結構預測

圖9 水牛與其他物種的KDM1A 蛋白質高級結構預測

2.6 KDM1A 基因在水牛不同時期卵母細胞中表達水平的檢測 如圖11 所示， KDM1A 在水牛GV 期和MII 期卵母細胞中的表達水平均要高于BFFs（P＜0.05）。

圖10 轉染pcDNA3.1（+）-KDM1A后KDM1A 的相對表達水平

圖11 KDM1A 在水牛GV 期/MII 期卵母細胞中的表達模式

3 討 論

KDM1A 是賴氨酸特異性去甲基化酶家族的成員之一，在催化組蛋白H3K9me/me2 去甲基化的過程中發揮了巨大作用。目前已經證明，組蛋白H3K9 的甲基化狀態是影響克隆效率的關鍵因素之一[6]。下調克隆胚胎中組蛋白H3K9 的甲基化水平，可以提高多能基因Oct4、Sox2 和Nanog 的表達水平，從而提高克隆胚胎的發育效率[13]。為了對水牛KDM1A 基因進行初步了解，本研究首先對水牛KDM1A 進行了克隆分析，獲得2 625 bp 的水牛KDM1A 編碼區片段。通過進行生物信息學分析可知，水牛KDM1A 基因在各物種間的同源性較高；再結合進化樹結果進行分析，表明KDM1A 符合各個物種之間的進化規律。另外，其編碼的蛋白在各個物種間也具有較高的相似性。此外，僅從預測所得的氨基酸二級結構并不能對KDM1A 蛋白進行一個全面的預測。蛋白三級結構預測結果表明，水牛、黃牛和人的KDM1A 蛋白存在一定的相似性。綜合基因和蛋白分析發現，KDM1A 在多個物種中具有較高的保守性，推測其可能在哺乳動物體內發揮了關鍵的調控作用。

有研究表明，KDM1A 能夠通過調控甲基化的水平來發揮其轉錄抑制作用[8,14]。通過使用敲除技術發現，KDM1A 蛋白可以與細胞內的AREs 元件相結合，從而誘導組蛋白H3K9 的去甲基化[15]。另外，KDM1A 還能夠通過與HKMT 復合體中的HCF-1 相結合，從而下調組蛋白H3K9 的甲基化水平[16]。這些研究表明，KDM1A 是通過一套復雜的調控系統對組蛋白甲基化水平產生調控作用。此外，KDM1A 也參與了神經細胞中自噬以及癌細胞的調控[17-18]。除了在調控組蛋白甲基化過程中發揮了重要作用外， KDM1A 基因在卵母細胞發育的整個過程中均有表達，單細胞測序結果顯示KDM1A 缺失會導致卵母細胞紡錘體損傷、發育阻滯、合子基因激活異常等現象，進而引起早期胚胎的死亡[11]。另外，KDM1A 基因也參與了早期胚胎中的母源-合子基因轉化[19]。本研究發現，KDM1A 基因在卵母細胞中均呈現高表達狀態，且GV 期的表達水平要顯著高于MII 期。這不僅暗示了KDM1A 是一個關鍵的母源因子，由此還推測KDM1A 很有可能在卵母細胞成熟、發育以及早期胚胎發育的調控過程中發揮了重要作用。鑒于KDM1A 在正常生理調控中發揮了關鍵作用，但其在水牛克隆胚胎的調控過程中的作用鮮有研究。本研究構建了水牛KDM1A 的真核表達載體pcDNA3.1（+）-KDM1A。隨后將該載體轉染進入BFFs 中，48 h 后對其表達調控能力進行檢測，結果顯示轉染后BFFs 中KDM1A 基因的表達水平顯著上調。這一研究結果為后續研究其在克隆胚胎中的功能提供了研究基礎。

4 結 論

本研究克隆得到水牛KDM1A 基因序列全長2 625 bp，預測編碼874 個氨基酸；水牛KDM1A 與其他物種同源性較高且與生物分類學保持一致；構建了水牛pcDNA3.1（+）-KDM1A 真核表達載體，轉染pcDNA3.1（+）-KDM1A可以顯著提高水牛耳部BFFs 中KDM1A 的表達水平，且卵母細胞中KDM1A 的表達水平顯著高于BFFs。