本文介绍了一种工具,可用于通过诱导型表达系统结合移液管电穿孔技术,研究转录后水平对原代肺泡上皮细胞中转录本的调控作用。
本文介绍了一种工具,可用于通过诱导型表达系统结合移液管电穿孔技术,研究转录后水平对原代肺泡上皮细胞中转录本的调控作用。
研究转录后调控对于理解特定信使RNA(mRNA)的调控机制及其对细胞稳态和代谢的影响至关重要。事实上,转录本表达水平的波动可能改变翻译效率,最终影响转录本的细胞功能。已有多种实验方法被开发用于研究mRNA的半衰期,但其中一些方法存在局限性,限制了对转录后调控的准确研究。启动子诱导系统可在合成型四环素调控启动子的控制下表达目的基因,该方法能够在不干扰细胞稳态的前提下,在任意实验条件下估算特定mRNA的半衰期。该方法的一个主要缺点是需要对细胞进行转染,这限制了其在原代分离细胞中的应用,因为这些细胞通常对常规转染技术具有高度抗性。原代培养的肺泡上皮细胞已被广泛用于研究肺泡上皮的细胞与分子生物学特性。由于原代肺泡细胞具有独特的特性和表型,因此在这些细胞中研究目的基因的转录后调控显得尤为必要。因此,我们的目标是开发一种新工具,用于在原代培养的肺泡上皮细胞中研究目的mRNA的转录后调控。我们设计了一种快速且高效的瞬时转染方案,将转录可控的质粒表达系统导入原代肺泡上皮细胞。该克隆策略利用病毒表位对构建体进行标记,从而可轻松区分外源构建体的表达与内源mRNA的表达。通过改进的ΔΔ定量循环(Cq)方法,可在不同时间点定量检测转录本的表达水平,以测定其半衰期。我们的数据表明,这种新方法在研究原代肺泡上皮细胞多种病理生理条件下转录后调控方面具有高效性和实用性。
已开发出多种技术用于测定mRNA的半衰期。脉冲-追踪降解技术利用标记的mRNA,可在细胞干扰最小的情况下同时评估大量mRNA的稳定性。然而,该方法无法直接估算单个基因转录本的半衰期,也不能用于研究在生长因子、活性氧(ROS)、警报素或炎症刺激后mRNA的转录后调控过程1。
使用转录抑制剂(如放线菌素D和α-鹅膏蕈碱)是一种相对简单的方法,可用于随时间测量mRNA的降解动力学。与先前的技术(例如脉冲-追踪法)相比,该方法的一个主要优势在于能够直接估算特定转录本的半衰期,并比较不同处理条件对其降解动力学的影响。然而,转录抑制剂对细胞生理状态具有显著的有害影响,这是该方法的主要缺点2。事实上,这些药物对全细胞转录组的抑制会带来负面副作用,干扰参与mRNA稳定性的关键组分的合成,例如微小RNA(miRNA),以及RNA结合蛋白的表达与合成,而这些蛋白在mRNA降解和稳定性中起重要作用。因此,这些药物对基因转录的严重干扰可能会人为地改变转录本的降解曲线。
启动子诱导系统是测定特定mRNA半衰期的第三种方法。该方法测定特定mRNA降解的方式与使用转录抑制剂的方法类似。常用的诱导系统有两种:血清诱导的c-fos启动子3和Tet-Off可诱导系统4。使用c-fos系统时,无需使用可能对细胞有毒性的转录抑制剂。然而,该方法需要进行细胞周期同步化,从而无法评估转录本在间期的真实稳定性5。相比之下,Tet-Off系统可在合成型四环素调控启动子的控制下实现目的基因(GOI)的强表达。该系统需要两个元件共转染细胞后才能发挥功能。第一个质粒(pTet-Off)表达调控蛋白tTA-Adv,这是一种由原核阻遏蛋白TetR(来自大肠杆菌Escherichia coli)与三个来自病毒蛋白HSV VP16的转录激活结构域融合而成的杂合型合成转录因子。目的基因被克隆至pTRE-Tight质粒中,受控于一个合成启动子(PTight),该启动子包含巨细胞病毒(CMV)启动子的最小序列,并融合了七段tetO操纵子序列的重复片段。位于PTight下游基因的转录依赖于TetR与tetO的相互作用。当存在四环素或其衍生物多西环素(doxycycline)时,TetR阻遏蛋白对tetO操纵子的亲和力丧失,导致转录终止4。Tet-Off系统的特性使其成为研究真核细胞中特定mRNA表达的理想模型,同时避免了因真核细胞中缺乏原核调控序列而可能产生的多效性影响6。通常,采用双稳定Tet-Off细胞系(如HEK 293、HeLa和PC12)与该系统联用,以便将调控质粒和响应质粒整合入基因组,从而实现对基因表达的便捷调控7,8,9。
已采用多种肺泡上皮细胞的体外培养模型来研究肺泡上皮的细胞与分子生物学特性。多年来,研究人员广泛使用人或啮齿类动物的原代细胞10,11,以及永生化细胞系,如人源A549细胞或大鼠RLE-6TN细胞12,13。尽管原代培养的肺泡上皮细胞通常增殖能力较低,且培养和转染难度较大,但在生理和病理条件下研究肺泡上皮功能与功能障碍方面,它们仍是金标准。事实上,永生化细胞系(如A549细胞)并不具备原代细胞复杂的特性和表型,而原代培养的肺泡上皮细胞则能重现肺泡上皮的主要特性,尤其是形成极化且紧密屏障的能力14,15。然而,这些细胞对常规转染技术(如脂质体介导的转染)具有很强的抗性,使得使用Tet-Off等启动子诱导系统变得极为困难。
mRNA 的转录后调控是快速调节转录本基因表达的最有效方法之一16。mRNA 的 3' 非翻译区(3' UTR)在这一机制中起着重要作用。研究表明,与 5' UTR 不同,3' UTR 的长度与生物体的细胞复杂性和形态复杂性之间存在指数相关性。这种相关性表明,3' UTR 与 mRNA 编码区一样,在进化过程中经历了自然选择,从而实现了日益复杂的转录后调控17。3' UTR 包含多个蛋白质和 miRNA 的结合位点,这些位点可影响转录本的稳定性和翻译效率。
在本研究中,我们开发了一种工具,用于研究目的基因(GOI)3'非翻译区(3' UTR)中高度保守结构域在转录本稳定性调控中的作用。我们重点关注上皮钠通道α亚基(αENaC),该蛋白在肺泡上皮生理过程中发挥关键作用18。通过原代培养的肺泡上皮细胞,成功瞬时转染了Tet-Off系统的两个组分,该系统可在对细胞生理和代谢影响最小的情况下,研究3' UTR在mRNA稳定性中的作用,相较于其他方案中使用转录抑制剂的方法更具优势。我们设计了一种克隆策略,利用非内源性表达的表位(V5)来区分目的基因与内源基因的表达。随后,采用移液器电穿孔技术将应答质粒和调控质粒导入肺泡上皮细胞。接着,通过在不同时间点用多西环素处理细胞,检测转录本的表达水平。采用经转染的tTA-Ad mRNA产物作为归一化参照,结合改良的Cq法进行RT-qPCR分析,评估转录本的半衰期。通过本实验方案,我们提供了一种便捷的方法,用于在不同条件下研究转录本的转录后调控机制,并更深入地界定非翻译区的参与作用。
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所有动物实验均按照加拿大动物护理委员会的指南进行,并已获得蒙特利尔大学医院研究中心(CRCHUM)机构动物护理委员会的批准。
1. 表达目的基因(GOI)的响应质粒的设计与构建
2. 将表达目的基因(GOI)的报告质粒转染至原代肺泡上皮细胞
3. 诱导目的基因的转录抑制
注意:可在强力霉素诱导前对细胞进行所需的处理,以评估这些处理对 mRNA 稳定性的影响(图 5)。
4. 确定目的基因mRNA的稳定性
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本方案已成功用于构建 Tet-Off 转录调控型质粒表达系统,以评估 αENaC 3' 非翻译区(UTR)不同片段在原代肺泡上皮细胞中对转录本稳定性的调控作用。
实施该系统的第一步是建立一种快速、简便且高效的原代培养肺泡上皮细胞转染技术,这类细胞通常难以转染。如图1所示,移液管电穿孔技术可实现25–30%的转染效率,该数据通过荧光显微镜和流式细胞术检测到的表达eGFP的细胞比例得出。
在应用由四环素及其衍生物控制的该诱导系统之前,首先验证了该药物对目的基因(GOI)表达的影响。肺泡上皮细胞经处理后 1.0 µg/mL 多西环素处理以评估其对内源性 αENaC mRNA 表达的影响。如图所示,经过 1–24 小时的处理,对内源性转录本的表达无显著影响。
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原代培养的肺泡上皮细胞转染效率低,一直是应用 Tet-Off 系统评估这些细胞中 mRNA 稳定性的严重限制因素。然而,通过移液管电穿孔技术克服了这一限制,实现了 25–30% 的转染效率(图 1 和 图 3)26。
转录本稳定性的测定对于理解特定mRNA的调控机制及其对细胞稳态和代谢的影响至关重要。目的基因(GOI)生物可利用性的变化可能改变翻译效率,并直接影响该基因在细胞内的表达水平。因此,已发展出多种技术用于测定mRNA的半衰期。如上所述,这些技术均存在一定的局限性和约束条件,限制了对目标转录本的准确研究。与其他方法相比,本文所建立的TET-off模型具有可在任意实验条件下估算特定mRNA半衰期的优势。然而,该模型无法直接研究内源性转录本的稳定性。为尽可能克服这一局限,建议在质粒中包含该转录本的5'非翻译区(5' UTR)和3'非翻译区(3' UTR)序列,使构建的表达载体尽可能接近内源性转录本。V5表位的引入...
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作者声明无利益冲突。
Francis Migneault 获得了魁北克呼吸健康网络和加拿大卫生研究院(CIHR)肺部培训项目提供的博士后奖学金,以及来自 FRSQ 和蒙特利尔大学研究生与博士后学院的博士生奖学金支持。本研究得到了 Gosselin-Lamarre 临床研究讲席和加拿大卫生研究院 [YBMOP-79544] 的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 放线菌素D | Sigma-Aldrich | A9415 | |
| 氨苄青霉素 | Sigma-Aldrich | A1593 | |
| 亮线血细胞计数板 | Sigma-Aldrich | Z359629 | |
| 氯仿 - 分子生物学级 | Sigma-Aldrich | C2432 | |
| ClaI | New England Biolabs | R0197S | |
| 环己酰亚胺 | Sigma-Aldrich | C7698 | |
| DM IL LED 倒置显微镜,配备相差功能 | Leica | - | |
| DNase I,扩增级 | Invitrogen | 18068015 | |
| 盐酸多西环素 | Sigma-Aldrich | D9891-1G | |
| 杜尔贝科’不含钙和镁的D-磷酸盐缓冲液(D-PBS) | Wisent Bioproducts | 311-425-CL | |
| 乙醇 - 分子生物学级 | Fisher Scientific | BP2818100 | |
| Excella E25 恒温振荡培养箱 | Eppendorf | 1220G76 | |
| 甘油 | Sigma-Aldrich | G5516 | |
| HEPES pH 7.3 | Sigma-Aldrich | H3784 | |
| Heracell 240i | 赛默飞世尔科技 | 51026420 | |
| iScript cDNA合成试剂盒 | 伯乐生命科学公司 | 1708890 | |
| 异丙醇 - 分子生物学级 | Sigma-Aldrich | I9516 | |
| LB肉汤(Lennox) | Sigma-Aldrich | L3022 | |
| LB 肉汤加琼脂(Lennox) | Sigma-Aldrich | L2897 | |
| L-谷氨酰胺 | Sigma-Aldrich | G7513 | |
| 铜绿假单胞菌的脂多糖10 | Sigma-Aldrich | L9143 | |
| MEM,粉末 | Gibco | 61100103 | |
| MicroAmp 光学 96 孔反应板 | 应用生物系统公司 | N8010560 | |
| MicroAmp 光学粘性膜 | 应用生物系统公司 | 4360954 | |
| MSC-Advantage II级生物安全柜 | 赛默飞世尔科技 | 51025413 | |
| Mupid-exU 电泳系统 | Takara Bio | AD140 | |
| NanoDrop 2000c | ThermoFisher Scientific | ND-2000 | |
| Neon 转染系统 10 µL 型试剂盒 | Invitrogen | MPK1025 | |
| Neon 转染系统入门装 | Invitrogen | MPK5000S | |
| NheI | New England Biolabs | R0131S | |
| One Shot OmniMAX 2 T1R 化学感受态 E. coli | Invitrogen | C854003 | |
| pcDNA3 载体 | 赛默飞世尔科技 | V790-20 | |
| pcDNA3-EGFP 质粒 | Addgene | 13031 | |
| PlatinumTaq DNA聚合酶 高保真 | Invitrogen | 11304011 | |
| pTet-Off Advanced 载体 | Takara Bio | 631070 | |
| pTRE-Tight 载体 | Takara Bio | 631059 | |
| 纯化的肺泡上皮细胞 | 无可用数据 | 未提供 | |
| QIAEX II 琼脂糖凝胶回收试剂盒 | QIAGEN | 20021 | |
| QIAGEN 质粒大提试剂盒 | QIAGEN | 12162 | |
| QIAprep Spin Miniprep 试剂盒 | QIAGEN | 27104 | |
| QuantStudio 6 和 7 Flex 实时荧光定量 PCR 系统软件 | Applied Biosystems | 无可用数据 | |
| QuantStudio 6 Flex 实时荧光定量 PCR 系统,96 孔快速板 | Applied Biosystems | 4485697 | |
| 重组大鼠TNF-α蛋白 | R&D Systems | 510-RT-010 | |
| Septra | Sigma-Aldrich | A2487 | |
| 重组虾碱性磷酸酶(rSAP) | New England Biolabs | M0371S | |
| 碳酸氢钠 | Sigma-Aldrich | S5761 | |
| SsoAdvanced Universal SYBR Green Supermix | 伯乐生命科学公司 | 1725270 | |
| SuperScript IV 逆转录酶 | Invitrogen | 18090010 | |
| T4 DNA连接酶 | 赛默飞世尔科技 | EL0011 | |
| 四环素系统认证胎牛血清 | Takara Bio | 631367 | |
| 妥布霉素 | Sigma-Aldrich | T4014 | |
| TRIzol试剂 | Invitrogen | 15596018 | |
| 胰蛋白酶-EDTA(0.05%),酚红 | Gibco | 25300054 | |
| UltraPure 琼脂糖 | Invitrogen | 16500500 | |
| 水,分子生物学级 | Wisent Bioproducts | 809-115-EL |
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