本文描述了利用体外和体内遗传学方法以及人源化小鼠模型,对c-Fos和Dusp1作为白血病药物靶点进行遗传学和化学验证的实验方案。该方法可广泛应用于任何靶点的遗传学验证及治疗开发。
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本文描述了利用体外和体内遗传学方法以及人源化小鼠模型,对c-Fos和Dusp1作为白血病药物靶点进行遗传学和化学验证的实验方案。该方法可广泛应用于任何靶点的遗传学验证及治疗开发。
酪氨酸激酶抑制剂(TKIs)在治疗慢性髓性白血病(CML)中的成功应用,标志着癌症治疗进入了一个新时代。然而,仍有一小部分细胞对TKI治疗无反应,导致微小残留病(MRD)的存在;即使是效力最强的TKIs也无法根除这些细胞。这些MRD细胞可作为治疗耐药的储备库。目前尚不清楚TKI治疗为何对MRD细胞无效。已有研究表明,生长因子信号通路在TKI治疗期间支持MRD细胞的存活,但其具体机制仍不明确。近期研究发现,由于癌基因信号与生长因子信号在MRD细胞中汇聚,导致c-Fos和Dusp1表达升高,从而介导了TKI耐药性。通过遗传或化学手段抑制c-Fos和Dusp1可使CML对TKIs高度敏感,并在基因工程小鼠模型和人源化小鼠模型中实现CML的治愈。我们利用TKI敏感与耐药细胞的多个微阵列数据鉴定出这些靶基因。本文提供了在体外和体内小鼠模型中进行靶点验证的方法。这些方法可便捷地应用于任何靶基因的遗传学验证及治疗开发。
BCR-ABL1 融合癌基因的组成性酪氨酸激酶活性导致慢性髓性白血病(CML),这为使用小分子抑制剂靶向该激酶活性提供了理论依据。酪氨酸激酶抑制剂(TKIs)在治疗CML患者中的成功,彻底改变了靶向治疗的概念1,2随后,针对多种其他恶性肿瘤(包括实体瘤)的抗激酶治疗作为精准医学得以发展。迄今为止,美国FDA已批准三十多种激酶抑制剂用于治疗多种恶性肿瘤。尽管酪氨酸激酶抑制剂(TKI)治疗在抑制疾病方面非常有效,但并不能实现治愈。此外,在治疗过程中仍有一小部分癌细胞持续存在:即微小残留病灶(MRD)3,4,5即使是达到完全缓解的患者仍会残留微小残留病(MRD),若不持续抑制,最终将导致疾病复发。因此,根除MRD细胞对于实现持久或治愈性疗效至关重要。慢性髓性白血病(CML)为阐明精准医学概念、肿瘤发生机制、靶向治疗的合理设计、疾病进展及药物耐药机制提供了重要的研究范式。然而,直至今日,酪氨酸激酶抑制剂(TKI)诱导癌细胞死亡的具体机制仍未完全阐明,同时也不清楚为何MRD细胞(主要由白血病干细胞[LSCs]构成)对TKIs具有内在耐药性。4,6然而,这一现象的 "癌基因依赖性" 突变型激酶癌蛋白与酪氨酸激酶抑制剂(TKI)疗效相关,TKI对靶向癌基因的急性抑制可引发癌基因休克,进而以细胞环境依赖的方式导致强烈的促凋亡反应或细胞静息状态6,7,8,9然而,癌基因依赖性的机制基础尚不明确。近期研究指出,生长因子信号通路可消除癌基因依赖性,从而导致对酪氨酸激酶抑制剂(TKI)治疗产生耐药性。10,11,12因此,为了深入了解癌基因依赖的机制,我们对具有BCR-ABL1依赖性和非依赖性(在生长因子存在下培养)的细胞进行了全基因组表达谱分析,结果表明c-Fos和Dusp1是癌基因依赖的关键介导因子。13c-Fos 和 Dusp1 的基因缺失对表达 BCR-ABL1 的细胞具有合成致死效应,实验所用小鼠未发生白血病。此外,使用小分子抑制剂抑制 c-Fos 和 DUSP1 可治愈小鼠中 BCR-ABL1 诱导的慢性髓系白血病(CML)。结果表明,c-Fos 和 Dusp1 的表达水平决定了癌细胞的凋亡阈值,较低的表达水平使细胞对药物敏感,而较高的表达水平则导致治疗耐药。13.
为了鉴定驱动癌基因依赖性的基因,我们利用小鼠来源和慢性髓性白血病(CML)患者来源的细胞(K562),在存在生长因子和酪氨酸激酶抑制剂(伊马替尼)的条件下,开展了多项全基因组表达谱分析实验。这些数据与来自CML患者CD34+细胞的数据集进行了平行分析。+ 伊马替尼处理前后造血干细胞的分析揭示了三个在酪氨酸激酶抑制剂耐药细胞中共同上调的基因(一个转录因子[c-Fos]、双特异性磷酸酶1[Dusp1]和一个RNA结合蛋白[Zfp36])。为了验证这些基因在介导药物耐药性中的重要性,我们进行了逐步实验 体外 和 体内 分析。通过在耐药细胞中进行实时定量PCR(RT-qPCR)和蛋白质印迹实验,验证了这些基因的表达水平。进一步利用shRNA发夹结构对c-Fos、Dusp1和Zfp36进行cDNA过表达和敲低实验,结果表明,c-Fos和Dusp1表达水平的升高足以且必需介导酪氨酸激酶抑制剂(TKI)耐药性。因此,我们仅针对c-Fos和Dusp1在小鼠模型中进行了体内验证。为对c-Fos和Dusp1进行遗传学验证,我们构建了ROSACreERT诱导型c-Fosfl/fl 小鼠(条件性基因敲除)14 并与 Dusp1 杂交-/- (完全敲除)15 以制作 ROSACreERT2-c-Fosfl/flDusp1-/- 双转基因小鼠。骨髓来源的 c-Kit+ 细胞(来自 c-Fos)fl/fl-,Dusp1-/-- 和 c-Fosfl/flDusp1-/-表达BCR-ABL1的细胞被分析 体外 在菌落形成单位(CFU)实验中,以及 体内 通过将骨髓移植至致死剂量照射的小鼠体内,检测单独或联合缺失c-Fos和Dusp1对白血病发生的影响。同样,使用DFC(二氟化姜黄素)对c-Fos进行化学抑制16 以及通过BCI(苯亚甲基-3-(环己氨基)-2,3-二氢-1H-茚-1-酮)抑制Dusp117 在体外和体内利用表达BCR-ABL1的骨髓来源c-Kit+ 来自野生型(WT)小鼠的细胞。为了验证c-Fos和Dusp1在白血病干细胞中的必要性,我们采用了一种慢性髓系白血病(CML)小鼠模型,该模型通过多西环素诱导在干细胞中特异性表达BCR-ABL1(Tet-转录激活因子在小鼠干细胞白血病(SCL)基因3'增强子调控下表达)18,19我们使用了骨髓 Lin-Sca+c-Kit+ (LSK) 细胞进行体内移植实验。此外,我们分别将磷酸化 p38 水平和 IL-6 表达确立为 Dusp1 和 c-Fos 抑制作用的药效动力学生物标志物。 体内最后,为了增强研究对人类的相关性,采用患者来源的CD34+ 细胞(相当于 c-Kit)+ 来自小鼠的细胞经过长期体外培养起始细胞检测(LTCIC)以及慢性髓性白血病的人源化小鼠体内模型验证20,21将慢性髓性白血病(CML)的CD34+细胞移植到免疫缺陷小鼠体内,随后进行药物治疗并分析人源白血病细胞的存活情况。
在本项目中,我们利用遗传学和化学工具,结合不同的临床前模型,开发靶点识别与验证的方法。这些方法可成功应用于其他靶点的验证,并为治疗开发研制相应的化学干预手段。
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所有动物实验均按照辛辛那提儿童医院医疗中心(CCHMC)机构动物照护与使用委员会(IACUC)的指南进行。人类样本(正常骨髓及慢性髓性白血病(p210-BCR-ABL+)患者的骨髓)是通过经机构审查委员会批准的方案(机构审查委员会:全美范围保证编号 #00002988,辛辛那提儿童医院医疗中心)并取得来自辛辛那提儿童医院医疗中心和辛辛那提大学捐赠者的知情同意后获取的。
1. 实时定量PCR分析
2. 蛋白质印迹法
注意:全细胞提取物的制备方法如下:加入 250 µL 1x 裂解缓冲液(参照 Kesarwani 等人的描述13),并添加蛋白酶抑制剂混合物和磷酸酶抑制剂混合物 2。
3. 基因敲除小鼠的制备
4. 从骨髓中分离 c-Kit+ 细胞
5. 转导
6. 菌落形成单位测定
7. 移植与死亡率检测
8. BCR-ABL1 白血病的转基因小鼠模型
9. BCI与DFC活性的体内评估
10. 长期培养起始细胞检测
注意: LTCIC 实验按先前所述方法进行25。
11. 利用慢性髓性白血病 CD34+ 细胞构建人源化小鼠模型
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癌基因成瘾被认为是酪氨酸激酶抑制剂(TKIs)治疗有效的机制之一。然而,驱动癌基因依赖性的具体机制尚不清楚。我们进行了多项无偏倚的基因表达分析,以鉴定参与调控这种成瘾状态的遗传组分。这些分析揭示了在不依赖癌基因信号通路存活、因而对TKI治疗不敏感的癌细胞中,c-Fos、Dusp1和Zfp36三个基因的表达上调。通过shRNA介导的敲低使c-Fos和Dusp1表达下调,足以恢复原本对TKI耐药细胞的药物敏感性。
为了验证c-Fos和Dusp1在白血病中作为治疗靶点的作用,首先使用表达BCR-ABL1癌基因的BaF3细胞确认了它们的过表达。在BaF3-BA细胞中,生长因子信号通路消除了对癌基因的依赖性;因此,这些细胞对酪氨酸激酶抑制剂(TKI)治疗无反应。通过RT-qPCR和蛋白质印迹法进行的定量表达分析证实,c-Fos和Dusp1均受BCR-ABL1诱导,并且其表达在生长因子IL-3存在下进一步增强(图 1A
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对于大多数癌细胞而言,酪氨酸激酶抑制剂(TKI)的治疗反应是通过阻断肿瘤所依赖的酪氨酸激酶癌蛋白信号通路介导的。然而,关于导致微小残留病(MRD)的少数癌细胞如何逃逸癌基因依赖性及治疗作用,目前了解仍较少4。近期研究表明,生长因子信号通路在白血病和实体瘤中均介导了药物耐药性,提示多种分子机制可能参与内在耐药性的形成10,11,12。为了阐明其机制并鉴定可用于治疗开发的基因靶点,我们利用小鼠(BaF3)和人源(K562)细胞进行了全面的全基因组表达谱分析。本研究未使用来自白血病小鼠或慢性髓系白血病(CML)患者的原始样本,因为我们推测,由于原始骨髓样本具有显著的异质性,可能会掩盖相关基因/靶点的真实特征。即使通过抗体介导分选获得的细胞(如干细胞前体细胞)也表现出明显的异质性。因此,使用纯化的细胞系可能更适用于靶点鉴定,以避免由遗传异质性带来的非预期复杂性。全基因组表达分析发现,c-Fos、Dusp1 和 Z...
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢 G. Q. Daley 提供 BaF3 和 WEHI 细胞,感谢 T. Reya 提供 MSCV-BCR-ABL-Ires-YFP 载体。作者感谢 M. Carroll 提供慢性髓系白血病急变期患者的样本。本研究获得了美国国家癌症研究所(NCI,资助号 1RO1CA155091)、白血病研究基金会、V 基金会以及美国国家心肺血液研究所(NHLBI,资助号 R21HL114074-01)对 M.A. 的资助支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| <强>生物材料 | |||
| RPMI | Cellgro(康宁) | 15-040-CV | |
| DMEM | Cellgro(康宁) | 15-013-CV | |
| IMDM | Cellgro(康宁) | 15-016-CVR | |
| RetroNectin 重组人纤连蛋白片段 | Takara | T100B | |
| MethoCult GF M3434(小鼠CFU用甲基纤维素) | 干细胞 | 3434 | |
| 经典甲基纤维素人类集落形成单位培养基(MethoCult H4434 Classic) | 干细胞 | 4434 | |
| 4-羟基他莫昔芬 | Sigma | H6278 | |
| 重组小鼠 SCF | Prospec | CYT-275 | |
| 重组小鼠 Flt3-配体 | Prospec | CYT-340 | |
| 重组小鼠 IL-6 | Prospec | CYT-350 | |
| 重组小鼠 IL-7 | Peprotech | 217-17 | |
| DFC | LKT Laboratories Inc. | D3420 | |
| BCI | Chemzon Scientific | NZ-06-195 | |
| 伊马替尼 | LC实验室 | I-5508 | |
| 姜黄素 | Sigma | 458-37-7 | |
| NDGA | Sigma | 500-38-9 | |
| 青霉素/链霉素 | Cellgro(康宁) | 30-002-CI | |
| FBS | 亚特兰大生物制品 | S11150 | |
| 胰蛋白酶EDTA 1× | Cellgro(康宁) | 25-052-CI | |
| 1× PBS | Cellgro(康宁) | 21-040-CV | |
| L-谷氨酰胺 | Cellgro(康宁) | 25-005-CL | 5 mg/mL 储存液(溶于水) |
| 嘌呤霉素 | Gibco(Life Technologies) | A11138-03 | |
| HEPES | Sigma | H7006 | |
| Na2HPO4.7H2O | Sigma | S9390 | |
| 硫酸鱼精蛋白 | Sigma | P3369 | 5 mg/mL 水溶液储存液 |
| 0.4% 台盼蓝溶液 | Sigma | T8154 | |
| DMSO | Cellgro(康宁) | 25-950-CQC | |
| WST-1 | 罗氏 | 11644807001 | |
| 0.45 μ大孔径圆盘滤器 | PALL | 2016-10 | |
| 70 μm 尼龙细胞滤网 | Becton Dickinson | 352350 | |
| FICOL(Histopaque 1083)(多蔗糖) | Simga | 1083 | |
| PBS | 康宁 | 21040CV | |
| LS 柱 | Miltenyi | 130-042-401 | |
| 蛋白酶抑制剂混合物 | 罗氏 | CO-RO | |
| 磷酸酶抑制剂混合物 2 | Sigma | P5762 | |
| 硝酸纤维素膜 | 伯乐(Bio-Rad) | 1620115 | |
| SuperSignal West Dura 化学发光底物(化学发光底物) | 赛默飞世尔科技 | 34075 | |
| CD5 | eBioscience | 13-0051-82 | |
| CD11b | eBioscience | 13-0112-75 | |
| CD45R(B220) | BD 生物科学 | 553092 | |
| CD45.1-FITC | eBioscience | 11-0453-85 | |
| CD45.2-PE | eBioscience | 12-0454-83 | |
| hCD45-FITC | BD 生物科学 | 555482 | |
| 抗生物素-FITC | Miltenyi | 130-090-857 | |
| 抗-7-4 | eBioscience | MA5-16539 | |
| 抗Gr-1(Ly-6G/c) | eBioscience | 13-5931-82 | |
| 抗Ter-119 | eBioscience | 13-5921-75 | |
| Ly-6 A/E (Sca1) PE Cy7 | BD | 558612 | |
| CD117 APC | BD | 553356 | |
| BD Pharm Lyse | BD | 555899 | |
| BD Cytofix/Cytoperm(固定和破膜溶液) | BD | 554714 | |
| BD 固定/破膜缓冲液 (磷酸流式检测用的透化与洗涤液) | BD | 554723 | |
| 磷酸化 p38 | 细胞信号传导技术 | 4511S | |
| 总p38 | 细胞信号传导技术 | 9212 | |
| 小鼠 IgG 对照 | BD | 554121 | |
| Alexa Fluor 488 标记 | Invitrogen | A-11034 | |
| 氯化钙 | Invitrogen | K278001 | |
| 2x HBS | Invitrogen | K278002 | |
| EDTA | Ambion | AM9261 | |
| BSA | Sigma | A7906 | |
| 毛细血管采血管 | Fisher | 22-260-950 | |
| 采血管 | Giene Bio-One | 450480 | |
| 新生牛血清 | 亚特兰大生物 | S11295 | |
| 促红细胞生成素 | 安进 | 5513-267-10 | |
| 人 SCF | Prospec | CYT-255 | |
| 人IL-3 | Prospec | CYT-210 | |
| G-SCF | Prospec | CYT-220 | |
| GM-CSF | Prospec | CYT-221 | |
| MyeloCult(LTCIC 检测用培养基) | 干细胞技术 | 5100 | |
| 氢化可的松琥珀酸钠 | 干细胞技术 | 7904 | |
| MEM α | Gibco | 12561-056 | |
| 1/2 cc 低剂量U-100胰岛素注射器,28 G1/2 | Becton Dickinson | 329461 | |
| 研钵和研杵 | Coor tek | 60316 和 60317 | |
| 异氟烷(Isothesia TM) | Butler Schien | 29405 | |
| SOC | New England Biolabs | B90920s | |
| 氨苄青霉素 | Sigma | A0166 | 100 mg/mL 水溶液储存液 |
| Bacto 琼脂(琼脂) | Difco | 214050 | |
| 优质肉汤 | Becton Dickinson | 243820 | |
| 琼脂糖 | Genemate | E-3119-500 | |
| 多西环素饲料 | TestDiet.com | 52662 | 改良型 RMH1500,可高压灭菌 5LK8 含 0.0625% 多西环素 |
| 他莫昔芬 | Sigma | T5648 | |
| 碘硝基四唑氯化物 | Sigma | I10406 | |
| <强>试剂盒 | |||
| Dneasy 血液 &;组织试剂盒 | Qiagen | 69506 | |
| GoTaq Green(含Green上样染料的Taq DNA聚合酶) | Promega | M1722 | |
| miRNeasy Mini Kit (RNA提取试剂盒) | Qiagen | 217084 | |
| DNA酶去DNA试剂盒(用于RT-PCR的DNA酶处理) | Ambion,Life Technologies | AM1906 | |
| Superscript III 第一链合成(用于 cDNA 合成的逆转录酶) | Invitrogen | 18080051 | |
| SYBR Green(用于qPCR的含绿色嵌入染料的taq聚合酶混合物) | 伯乐(Bio-Rad) | 1725270 | |
| CD117 MicroBead 试剂盒 | Miltenyi | 130-091-224 | |
| 人类长期培养起始细胞检测 | 干细胞技术 | ||
| <强>仪器 | |||
| NAPCO 系列 8000 WJ CO2 培养箱 | 赛默飞世尔科技 | ||
| 摆桶式转子离心机 5810R | Eppendorf | ||
| TC-10 自动细胞计数仪 | 伯乐(Bio-RAD) | ||
| C-1000 梯度PCR仪 | 伯乐(Bio-RAD) | ||
| Mastercycler Real Plex 2 | Eppendorf | ||
| ChemiDoc 成像系统(凝胶和蛋白质印迹成像系统) | 伯乐(Bio-RAD) | 17001401 | |
| Hemavet(血细胞计数仪) | Drew-Scientific | ||
| LSR II(流式细胞仪) | BD | ||
| Fortessa I(流式细胞分析仪) | BD | ||
| FACSAriaII(FACS 分选仪) | BD | ||
| 磁力架 | Miltenyi | ||
| 辐照仪 | J.L. Shepherd 和 Associates,美国加利福尼亚州圣费尔南多 | Mark I Model 68A | 铯-137 源 |
| <强>小鼠 | |||
| ROSACreERT2 | 杰克逊实验室 | ||
| Scl-tTA | Dr. Claudia Huettner’s 实验室 | ||
| BoyJ | 辛辛那提儿童医院医学中心小鼠核心设施 | ||
| C57Bl/6 | 杰克逊实验室 | ||
| NSGS | 辛辛那提儿童医院医学中心小鼠核心设施 | ||
| ROSACreERT2/c-Fosfl/fl Dusp1-/- | 自制 | ||
| ROSACreERT2/c-Fosfl/fl | 自制 | ||
| <强>细胞 | |||
| BaF3 | 哈佛医学院波士顿分校 George Daley 惠赠 | ||
| WEHI | 哈佛医学院波士顿分校 George Daley 惠赠 | ||
| CML-CD34+ 和正常 CD34+ 细胞 | 辛辛那提大学医院,辛辛那提大学 |
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