端粒和端粒酶在衰老和肿瘤发生中发挥着关键作用。本实验方案的目标是展示如何构建两种可诱导的小鼠端粒酶敲入等位基因,并说明如何利用这些模型研究组织退化/再生以及癌症。
端粒和端粒酶在衰老和肿瘤发生中发挥着关键作用。本实验方案的目标是展示如何构建两种可诱导的小鼠端粒酶敲入等位基因,并说明如何利用这些模型研究组织退化/再生以及癌症。
端粒功能障碍引起的基因组完整性丧失及其相关的DNA损伤信号传导和检查点反应是导致衰老过程中组织退化的明确驱动因素。癌症的发病率随年龄显著增加,其特征表现为端粒缩短和端粒酶活性升高。为了研究端粒功能障碍和端粒酶再激活在衰老与癌症中的作用,本实验方案展示了如何构建两种可诱导的小鼠端粒酶基因敲入等位基因 4-羟基他莫昔芬(4-OHT)诱导型端粒酶逆转录酶-雌激素受体(mTERT-ER) 和 Lox-终止子-LoxTERT (LSL-mTERT)。该方案描述了诱导端粒功能障碍并重新激活端粒酶活性的实验步骤 mTERT-ER 和 LSL-mTERT 小鼠 体内代表性数据表明,端粒酶活性的重新激活可改善由端粒功能障碍引起的组织退行性表型。为了确定端粒酶重新激活对肿瘤发生的影响,我们构建了前列腺肿瘤模型G4 PB-Cre4 PtenL/L p53L/L LSL-mTERTL/L 以及胸腺T细胞淋巴瘤模型G4 Atm-/- mTERT内质网/内质网代表性数据表明,在端粒功能障碍引起的基因组不稳定性背景下,端粒酶的再激活可显著增强肿瘤发生。本方案还描述了从神经干细胞(NSCs)中分离的实验步骤 mTERT-ER 和 LSL-mTERT 小鼠并重新激活神经干细胞中的端粒酶活性 体外代表性数据显示,端粒酶的再激活可增强自我更新能力及神经发生 体外最后,本方案描述了在小鼠福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)脑组织以及培养细胞的中期染色体上进行端粒荧光原位杂交(FISH)的操作步骤。
端粒酶是一种负责维持端粒的酶。端粒是位于染色体末端的重复序列,可保护染色体的完整性。端粒酶全酶的核心组分包括一个具有逆转录酶活性的催化亚基(TERT)和一个作为合成端粒重复序列模板的RNA亚基(TERC)1,2。端粒酶在分化成熟的体细胞中通常处于抑制状态,但在生殖细胞、癌细胞和干细胞中表现出显著的活性,并发挥重要作用。
mTERC 和 mTERT 基因敲除小鼠提供了极大的帮助 体内 用于研究端粒酶在干细胞和癌症中功能的模型系统。该 mTERC 和 mTERT 基因敲除小鼠(G1)由于小鼠端粒具有较长的储备,未表现出任何明显的表型3然而,连续互交 mTERC 和 mTERT 敲除小鼠至晚期世代(G5-G6)导致端粒进行性缩短,最终引发高度增殖组织的严重退化4晚期代次(G5-G6) mTERC-/- 小鼠由于睾丸中高水平的细胞凋亡及生殖细胞耗竭而不育。G5-G6 mTERC-/- 小鼠由于组织干细胞/祖细胞区室中凋亡率较高且自我更新能力缺陷,也在高增殖性组织(包括骨髓、肠道和皮肤)中表现出退行性表型。4. 晚期世代骨髓中的造血干细胞 mTERC-/- 小鼠表现出增殖潜能下降、自我更新能力受损、凋亡增强,并最终导致功能耗竭5,6同样,在G1至G6各连续世代的肠隐窝中均观察到逐渐增加的凋亡小体 mTERC-/- 小鼠7,8. 功能失调的端粒的有害影响似乎不仅限于高更新率的组织,因为成年神经干细胞的增殖也受到同样影响 体外 以及神经发生 体内 在晚期世代(G4-G5)中严重受损 mTERC-/- 小鼠9端粒酶在干细胞中的作用进一步得到了一种罕见的人类遗传病——先天性角化不良症(dyskeratosis congenita, DKC)研究发现的支持,该疾病在某些方面类似于早衰。10,11DKC 由基因突变引起 TERC, TERT以及编码端粒酶核心亚基——角化不良蛋白(dyskerin)和其他与角化不良蛋白相关蛋白的基因12平均而言,DKC 患者的端粒长度短于99%的同龄对照人群。该疾病的主要临床表现为再生障碍性贫血,其病因是造血干细胞的维持功能缺陷。疾病的其他表现,如口腔白斑、指甲营养不良、智力障碍、睾丸萎缩以及肺部并发症,均提示组织干细胞和前体细胞功能受损。10,这些发现与端粒酶基因敲除小鼠在晚期世代中的结果高度一致。DKC患者易患骨髓增生异常综合征,并且恶性黏膜肿瘤的发生率升高。因此,人类患者中端粒酶的缺陷重现了晚期世代端粒酶基因敲除小鼠中所观察到的干细胞功能障碍及肿瘤易感性表型。
端粒缩短和端粒酶活性升高是癌症的典型特征。当正常或癌前细胞分裂时,由于端粒酶活性较低或缺失,端粒最终会逐渐磨损,并激活类似于DNA双链断裂(DSBs)所引发的细胞检查点机制13。与经典的DSBs类似,端粒功能障碍已被证实可诱导p53及其相关的细胞反应,例如细胞衰老和/或凋亡14,15。当p53发生突变失活后,端粒功能障碍的细胞其增殖周期和存活能力增强,从而提供了一种促癌性的突变机制,其特征为染色体易位以及局部扩增和缺失16,17。与此同时,持续的端粒功能障碍及相关的大范围染色体不稳定性(即使在p53缺失的细胞中)似乎会限制此类癌症向完全恶性进展。例如,与Ink4a/Arf缺失小鼠相比,晚期世代(G4-G5)的mTERC-/- Ink4a/Arf-/-小鼠由于端粒严重缩短,淋巴瘤发生率显著降低。在另一项研究中,由于明显的生长停滞和细胞凋亡,G4代mTERT-/- APCmin小鼠中更晚期的腺瘤样病变也较APCmin小鼠显著受到抑制18,19。端粒功能障碍引起的基因组不稳定性反而抑制肿瘤进展这一现象提示:端粒酶的激活可能部分通过抑制基因组不稳定性至肿瘤细胞可耐受的水平,或中和p53依赖性或非依赖性的检查点机制,从而促进恶性肿瘤的发展。
为了研究端粒酶再激活是否能够停止甚至逆转干细胞的衰老,以及在基因组不稳定的背景下端粒酶再激活是否会促进肿瘤发生,我们构建了两种可诱导的小鼠端粒酶等位基因。第一种是4-羟基他莫昔芬(4-OHT)可诱导的TERT-雌激素受体(mTERT-ER)融合基因敲入等位基因。在无4-OHT的情况下,携带mTERT-ER纯合子(记为mTERTER/ER)的小鼠缺乏端粒酶活性,表现出与传统的mTERT或mTERC基因敲除模型相同的细胞遗传学和细胞表型。经4-OHT处理后,TERT-ER蛋白的活性可恢复至与天然TERT蛋白相当的水平20, 21。第二种等位基因是一种新型的可诱导TERT敲入等位基因,包含一个内含子中的LoxP-终止序列-LoxP盒(LSL-mTERT);在Cre介导的LSL序列切除后,mTERT可在内源性表达调控机制下重新表达22。
注意:本方案中的所有步骤均已获得德克萨斯大学MD安德森癌症中心的批准。
1. 生成 mTERT-ER 等位基因
2. LSL-mTERT 等位基因的构建
3. 端粒酶的再激活 mTERT-ER 和 LSL-mTERT 小鼠 体内
对于 mTERT-ER
对于 LSL-mTERT
4. 神经干细胞的分离与端粒酶的重新激活 体外
5. 端粒荧光原位杂交(Telomere FISH)
小鼠模型的构建策略 mTERT-ER 和 LSL-mTERT 基因敲入等位基因的描述见于 图1A 和 1B。具体而言,一个 LoxP-三重密封塞-Neo-LoxP 片段被插入到第1个外显子和第2个外显子之间 mTERT 位点以生成 LSL-mTERT 等位基因。为了生成 mTERT-ER 等位基因,ERT2-LBD 结构域与之同框 mTERT 基因被插入到第1个外显子的N端。我们发现,当通过给予4-OHT缓释丸处理4周,在端粒功能障碍小鼠中短暂重新激活端粒酶时,可在多个器官(如脑)中改善退行性表型图2A)以及睾丸(图2B). 为了确定端粒酶再激活对培养细胞的影响 体外我们从晚期传代的G4中分离出神经干细胞(NSCs) LSL-mTERT 和 G4 mTERT-ER 小鼠。我们发现,当端粒酶在端粒功能失调的神经干细胞(NSCs)中被重新激活时,NSCs的自我更新能力显著增强(图3A)和 体外 神经发生也显著增强(图3B)。为了确定端粒酶再激活在端粒功能障碍背景下对肿瘤发生的影响,我们构建了 PB-Cre4 PtenL/L p53L/L LSL-mTERTL/L (前列腺肿瘤模型)和 Atm-/- mTERT内质网/内质网 (胸腺T细胞淋巴瘤模型)晚期世代群体。通过他莫昔芬处理并在小鼠体内注射以重新激活端粒酶后图 4A)或植入4-OHT缓释颗粒持续8周(图4B),在前列腺肿瘤模型中,肿瘤发生显著增强(图4A)和胸腺T细胞淋巴瘤模型(图4B最后,我们报道了在福尔马林固定石蜡包埋的小鼠脑组织上进行端粒荧光原位杂交(FISH)的实验方案(图5)以及中期染色体(图5(插图)。

图 1:(A) mTERT-ER 基因敲入策略。TV,靶向载体;WT,野生型等位基因;KI,敲入等位基因;LA,左臂;RA,右臂;E1,外显子 1;E2,外显子 2;neo,由 pgk 启动子驱动的新霉素抗性基因;ER,修饰的雌激素受体(ERT2)配体结合域;DT,白喉毒素基因。(B) LSL-mTERT 基因敲入策略。TV,靶向载体;WT,野生型等位基因;KI,敲入等位基因;LA,左臂;RA,右臂;E1,外显子 1;E2,外显子 2;neo,由 pgk 启动子驱动的新霉素抗性基因;STOPPER,三个重复的转录终止序列;DT,白喉毒素基因。

图2:代表性数据展示端粒酶再激活可改善器官的退行性表型。 大脑的代表性图像(左) G0 和 G4 的睾丸(右侧) mTERT-ER 经安慰剂或4-OHT处理4周的小鼠。比例尺表示 50 µm. 经许可重新印刷自 20. 请点击此处以查看此图的放大版本。

图3:代表性数据展示端粒酶再激活可增强神经干细胞的自我更新能力与神经发生 体外. (AG4代分离的神经干细胞代表性图像 LSL-mTERT (上图) 和 G4 mTERT-ER (下图)在添加溶剂或4-OHT的干细胞培养基中培养。B代表性图像 体外 G4来源的神经干细胞的神经发生(Tuj1+) mTERT-ER 在含1% FBS的分化培养基中培养,分别用溶剂或4-OHT处理。比例尺表示 100 µm.

图4:代表性数据,显示在基因组不稳定性背景下,端粒酶再激活可增强肿瘤发生。 (A代表性图像:从G0代小鼠中分离的前列腺肿瘤 PB-Cre4 PtenL/L p53L/L LSL-mTERT+/-,G4 PB-Cre4 PtenL/L p53L/L LSL-mTERT-/-, 和 G4 PB-Cre4 PtenL/L p53L/L LSL-mTERTL/L 经他莫昔芬处理。转载自,经许可 22. (BG0代小鼠胸腺T细胞淋巴瘤的代表性图像 Atm-/- mTERT+/ER,G4 Atm-/- mTERT内质网/内质网 对照处理,以及 G4 Atm-/- mTERT内质网/内质网 经4-OHT处理8周。比例尺表示1 cm。

图 5:小鼠福尔马林固定石蜡包埋脑组织及中期细胞(插图)端粒和着丝粒FISH的代表性图像。红色代表DNA,绿色代表端粒染色,青色代表着丝粒染色。比例尺表示1 mm。
在此,我们报道了两种可诱导小鼠端粒酶等位基因的构建以及如何重新激活端粒酶 在体 和 体外. 重新激活mTERT-ER活性的关键步骤是维持他莫昔芬的持续浓度,因此我们选择使用美国Innovative Research of America公司生产的4-OHT缓释颗粒。这些颗粒可持续释放4-OHT,维持其在血液中的稳态水平为1 ng/ml,持续长达60天。在之前的一项研究中,我们发现,通过该策略重新激活端粒酶活性,能够改善由G4代端粒功能障碍所诱导的多种器官退行性表型,例如干细胞耗竭、组织损伤应答能力下降以及器官衰竭。mTERTER/ER 小鼠20.
除了研究端粒酶在衰老中的功能外,这两种可诱导的端粒酶等位基因还可用于癌症研究。先前的研究利用这些等位基因探讨了端粒缩短以及端粒酶再激活在T细胞胸腺淋巴瘤21和前列腺癌22基因组形成及其生物学行为中的作用。这两项研究表明,在晚期第4代G4 Atm-/- mTERTER/ER 小鼠和G4 PB-Cre4 PtenL/L p53L/L LSL-mTERTL/L 小鼠中,端粒功能障碍为肿瘤起始过程中早期致突变事件的积累提供了机制支持,但同时抑制了完全恶性肿瘤的进展。当在端粒功能障碍引起的基因组不稳定的背景下重新激活端粒酶时,DNA损伤检查点被抑制,染色体不稳定性显著降低,从而允许恶性肿瘤充分进展,并获得新的生物学特性,例如前列腺癌的骨转移21和胸腺淋巴瘤的脑浸润21。类似现象也在其他癌症类型中被观察到,包括结肠癌和胰腺癌(与Haoqiang Ying博士、Adam Boutin博士和Ronald DePinho博士的个人交流)。
由于TERT-ER蛋白的活性状态可根据动物是否接受他莫昔芬或溶剂处理而在“开启”和“关闭”之间轻松切换,因此利用mTERT-ER等位基因构建的肿瘤模型可用于测试抗端粒酶治疗策略。在先前的研究中,G4 Atm-/- mTERTER/ER动物体内产生的肿瘤在撤除4-羟基他莫昔芬(4-OHT)后,随着端粒酶的耗竭,最终因端粒功能障碍诱导的检查点重新激活而缩小21。然而,部分肿瘤通过激活端粒替代延长机制(Alternative Lengthening of Telomeres, ALT)来应对端粒酶失活,从而获得耐药性。对这些ALT阳性耐药肿瘤的进一步表征显示,其线粒体生物学和氧化防御相关基因的转录出现异常,其中包括线粒体合成与氧化防御的主要调控因子PGC-1β。敲低PGC-1β或SOD2(另一种氧化防御调控因子)可显著清除ALT阳性肿瘤细胞,而端粒酶阳性肿瘤细胞则相对保持完整21。
这两种基因敲入等位基因的一个局限性在于,由于它们位于端粒酶基因的天然位点,因此只能实现端粒酶在内源性水平上的重新激活。而在大多数人类癌症中,端粒酶的实际表达水平要高得多。为了提高端粒酶的表达水平,我们可以考虑的一种改进方案是将带有更强启动子(如PGK(磷酸甘油酸激酶)启动子)的mTERT-ER构建体插入到Rosa26位点。
总之,这两种新型的可诱导小鼠端粒酶等位基因提供了前所未有的遗传工具,可用于研究端粒酶在衰老和组织稳态以及肿瘤进展中的功能,尤其是在已存在端粒功能障碍所导致的基因组不稳定的背景下。通过与其它易发肿瘤的小鼠模型杂交,mTERT-ER 等位基因还可用于研究抗端粒酶治疗。
作者无任何利益冲突需要披露。
J.H. 受美国国立卫生研究院(NIH)K99/R00 独立之路奖(5K99CA172700)和国家癌症研究所(NCI)脑癌SPORE职业发展奖(2P50CA127001)资助。
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