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Establishment of reporter gene-based cell screening model for discovering new chemopreventive agents

基于报告基因的化学预防剂细胞筛选模型的建立



全 文 :基于报告基因的化学预防剂细胞筛选模型的建立
徐海荣,卜平,李湘鸣
(扬州大学 医学院 中西医结合研究所,江苏 扬州 225001)
[摘要] 目的:建立基于报告基因和抗氧化反应元件(antioxidativeresponseelement,ARE)的药物筛选细胞模型,为化学
预防剂的筛选奠定基础。方法:构建重组报告基因表达载体 p4ARETKGFP/neo,并将其转入 HepG2细胞中,利用已知化学预
防剂检测该细胞模型,并观察白藜芦醇、原儿茶醛、熊果酸和齐墩果酸4种中药单体不同浓度(0,125,25,50,100,200μmol·
L-1)对GFP报告基因表达活性的影响。结果:表达载体p4ARETKGFP/neo中 GFP的表达受 ARE的调控,其表达水平高于
对照载体且在一定范围内与化学预防剂的浓度呈剂量效应关系。4种中药单体中白藜芦醇有较好的诱导效果。结论:利用此
模型通过测定GFP报告基因的诱导表达水平可筛选得到新结构的化学预防剂。
[关键词] 抗氧化反应元件;报告基因;化学预防剂;中药;药物筛选模型
[收稿日期] 20081210
[基金项目] 国家自然科学基金项目(30873343);江苏省研究生培
养创新工程项目(CX07S042z)
[通信作者] 卜平,Tel:(0514)87978801,Fax:(0514)87341733,
Email:boping@yzu.edu.cn
  肿瘤的化学预防是指应用天然或人工合成的化
合物,去阻断、逆转或防止侵袭性肿瘤的发生,在这
一过程中发现或甄别新的预防肿瘤的化合物非常重
要,这对于减少癌症发生率具有十分重要的意义。
目前认为90%的肿瘤的发生与化学致癌物氧
化损伤有关。致癌物进入体内后,会受到Ⅰ相酶和
Ⅱ相酶的代谢[1]。Ⅰ相代谢酶可使多数致癌物活
化,通过氧化损害生物大分子物质而引起肿瘤;Ⅱ相
代谢酶又称为解毒酶,它可使多数致癌物失活并促
进其在体内的代谢,因此在阻断或抑制肿蝊的发展
进程中起着至关重要的作用[24]。在Ⅱ相代谢酶基
因上游启动区有一非常保守的基因调控序列,称为
抗氧化反应元件(antioxidativeresponseelement,
ARE),药物中许多活性成分可直接或间接地与
ARE特异结合,顺式激活Ⅱ相酶的表达,且其表达
量往往与这些活性成分的作用程度有剂量效应关
系[58]。因此,作者将 ARE与绿色荧光蛋白(GFP)
报告基因相串联,构建转基因细胞模型,为从中药中
筛选化学预防剂奠定了基础。
1 材料
1.1 质粒、菌种与细胞株 DH5α、质粒 pTKGFP
由本实验室保存;pEGFPN1表达质粒(Clontech公
司);HepG2细胞(中国科学院上海细胞研究所)。
1.2 工具酶与主要试剂 T4多聚核苷酸激酶
(T4PNK)、各种限制性内切酶、Taq酶、T4连接酶、
DNA胶回收试剂盒和核酸共沉剂(TaKaRa公司);
DMEM(批号 1342878)、脂质体转染试剂盒 Lipo
fectamine(批 号 50480)和 PLUSReagent(批 号
1276852,Invitrogen公司);胎牛血清(批号07030350,
杭州四季青公司);ARE序列和引物由上海生物工程
公司合成;吡咯烷二硫代氨基甲酸盐(pyrolidinedi
thiocarbamate,PDTC,批号L07399)和叔丁基对苯二酚
(tertiarybutylhydroquinone,tBHQ,批号 1254992,Sig
ma公司);中药单体白藜芦醇(纯度≥98%,批号
TCM038070628)、熊果酸(纯度≥98%,批号TCM036
071016)、原儿茶醛(纯度≥99%,批号 TCM018
070821)和齐墩果酸(纯度≥98%,批号 TCM030
070728,南京替斯艾么中药研究所)。
1.3 主要仪器 PTC100型 PCR仪(MJ.RE
SEARCH公司),GENEGENIVS全自动凝胶成像分
析仪(Syngene公司),1645070型水平电泳仪(BIO
RAD公司);TGL18GC型离心机(上海安亭科学仪
器厂),BX51型倒置荧光显微镜(OLYMPUS公司);
HERAcel150型 CO2孵箱(HERAEUS公司),GEN
IOSPLUS荧光酶标仪(TECAN公司)。
2 方法
2.1 ARE序列设计 分别合成4对 ARE序列,并
在5′端和3′端引入不同的酶切位点(表1),以便于
酶切鉴定和各段 ARE序列的正确插入。将各单链
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ARE溶于STE缓冲液使其终浓度为50μmol·L-1,
于94℃保温5min退火形成双链,用 T4PNK酶对
其末端进行磷酸化,操作过程按说明书进行。然后
加05mol·L-1EDTA(pH80)5μL,再用氯仿抽提
后用核酸共沉剂沉淀。
2.2 pTKGFP/neo表达载体的构建 以质粒pTK
表1 人工合成的4对ARE序列
  序列(5′3′)                 
P1 TCGACTAGCTTGGAAATGACATTGCTAATGGTGACAAAGCAACTTTGAGCTSalⅠ SacⅠ
P2 CAAAGTTGCTTTGTCACCATTAGCAATGTCATTTCCAAGCTAG
P3 TAATGTAAAGCTTTAGCTTGGAAATGACATTGCTAATGGTGACAAAGCAACTTTGVspⅠ HindⅢ SalⅠ
P4 TCGACAAAGTTGCTTTGTCACCATTAGCAATGTCATTTCCAAGCTAAAGCTTTACAT
P5 TAATGTACTCGAGTAGCTTGGAAATGACATTGCTAATGGTGACAAAGCAACTTTAVspⅠ XhoⅠ HindⅢ
P6 AGCTTAAAGTTGCTTTGTCACCATTAGCAATGTCATTTCCAAGCTACTCGAGTACAT
P7 TAATGTGCACTAGCTTGGAAATGACATTGCTAATGGTGACAAAGCAACTTTCVspⅠ ApaLⅠ XhoⅠ
P8 TCGAGAAAGTTGCTTTGTCACCATTAGCAATGTCATTTCCAAGCTAGTGCACAT
GFP为模板,用PCR扩增TK基本启动子,上游引物
为5′CCATTAATGCATGCCTGCAGGTCGAC3′,下游
为5′CTGGATCCCTTTTAAGCGGGTCGCTGCA3′,引
物的5′端分别引入 AseⅠ和 BamHⅠ酶切位点,并
增加2个保护碱基。PCR产物经 DNA胶回收试剂
盒回收后,用AseⅠ和BamHⅠ酶双切,电泳切胶回
收150bp的 TK目的片段,同时对载体 pEGFPN1
用该酶进行线性化,用T4连接酶将 TK基本启动子
与pEGFPN1载体相连,以驱动 EGFP基因的表达。
连接产物转化于感受态细胞 DH5α,经 Kana抗性平
板筛选阳性克隆,常规挑斑提取质粒,酶切鉴定,并
送测序,测序正确的载体命名为pTKGFP/neo。
2.3 p4ARETKGFP/neo载体的构建 用SalⅠ和
SacⅠ对pTKGFP/neo双酶切,酶切产物经1%琼脂
糖电泳回收纯化,用 T4连接酶将第一段 ARE与
pTKGFP/neo载体相连,构建成ARE调控的GFP表
达载体 pARETKGFP/neo。按相同的分子生物学
技术方法,分别将余 ARE片段依次插入到 pARE
TKGFP/neo载体,构建成4个 ARE重复序列调控
的GFP真核载体,将其命名为p4ARETKGFP/neo。
2.4 细胞模型的建立 将 HepG2细胞接种于含
10%胎牛血清的DMEM液中扩增培养,取对数生长
期细胞接种入 24孔板中,使细胞在转染时贴壁
80%左右,用脂质体转染试剂盒(Lipofectamine和
PLUSReagent),将载体pTKGFP/neo(对照载体)和
p4ARETKGFP/neo分别转染于 HepG2细胞,转染
步骤参照说明书进行。转染后24h,于倒置荧光显
微镜下观察细胞荧光,用终浓度为600mg·L-1的
G418进行筛选2周。挑选阳性克隆,扩增传代,将
所选细胞克隆分别命名为 HepG2TKGFP和
HepG24ARETKGFP。
2.5 细胞相对荧光发光度测定 由于 GFP的荧光
强度不仅与诱导物的诱导有关,还与细胞的数量有
关,而细胞数在5×104~20×104时GFP与EB荧光
强度呈线性关系[9],故可用 EB荧光强度代表细胞
的数量,校正每孔的 GFP荧光强度,即得相对发光
强度。故采用不同的激发和发射波长测得 GFP和
EB荧光强度,其激发波长/发射波长分别为 485
nm/530nm(GFP)和485nm/612nm(EB)。
2.6 细胞模型的实验验证 PDTC和tBHQ是已知
的化学预防剂,可以通过ARE特异地诱导Ⅱ相酶的
表达,故用此2种化学物对所构建的细胞模型进行
实验验证。将转GFP基因细胞扩增后,接种入黑色
96孔板,每孔细胞数为5×104个,培养24h后加入
用培养基稀释的不同浓度的受试物。受试物用DM
SO助溶,加入DMSO终浓度不超过细胞培养液总体
积的1%。受试物浓度设计为:0(空白对照),125,
25,50,100,200μmol·L-1,每一浓度组有 5个重
复,于37℃培养作用 24h,用 PBS洗涤后加入含
100mg·L-1EB的 PBS200μL,于室温下染色 20
min,再用PBS洗涤1次后每孔加入PBS200μL,用
多功能荧光酶标仪检测细胞的 GFP荧光强度和 EB
荧光强度,求其相对发光度。
2.7 4种中药单体对 GFD表达的诱导作用 将
HepG24ARETKGFP接种入黑色96孔板,每孔细
胞数为 5×104个,培养 24h后加入不同浓度(0,
125,25,50,100,200μmol·L-1)的中药单体,求
GFP相对发光度。
2.8 统计分析 本实验的计量数据均以 珋x±s表
示,2组以上均数比较采用单因素方差分析,P<
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005表示差异有显著性,应用 SPSS110统计软件
进行分析。
3 结果
3.1 重组表达载体 p4ARETKGFP/neo的构建 
由T4连接酶将4段ARE逐一插入pTKGFP/neo载
体TK启动子上游,构建重组表达载体 p4ARETK
GFP/neo。每次的连接产物都转化 DH5α并进行扩
增,小规模提取质粒 DNA,用插入 ARE时引入的特
异酶切位点进行酶切鉴定(图1)。
3.2 阳性克隆筛选结果 两载体pTKGFP/neo和
M.4500bpDNAMarker;1.pARETKGFP/neo载体ApalⅠ,BamHⅠ双酶切;2.pTKGFP/neo载体ApalⅠ,BamHⅠ双酶切;
3.p2ARETKGFP/neo载体SphⅠ酶切;4.p3ARETKGFP/neo载体SphⅠ酶切;5.p3ARETKGFP/neo载体XhoⅠ酶切;
6.p4ARETKGFP/neo载体ApalⅠ酶切。
图1 重组表达载体pTKGFP/neo,pARETKGFP/neo(A),p2ARETKGFP/neo(B),p3ARETKGFP/neo(C),
p4ARETKGFP/neo(D)酶切鉴定
p4ARETKGFP/neo转染 HepG2细胞后分别用600
mg·L-1G418筛选出阳性克隆,2~3周后挑取阳性
克隆进行扩大培养(图 2)。图示为 HepG24ARE
TKGFP细胞的筛选过程,HepG2TKGFP细胞的筛
选过程相同。从图中可看出所筛出的克隆细胞GFP
荧光较均匀,且进一步的筛选实验表明2~3代后荧
光未明显减弱。
3.3 细胞模型的实验验证 PDTC和 tBHQ是已知
的人工合成的化学预防剂,可诱导Ⅱ相酶的表达,用
来检测该筛选系统的效果。图3,4分别表明PDTC,
tBHQ对ARE调控的转基因细胞 HepG24ARETK
GFP中的GFP的良好诱导效果及剂量依赖关系,从
结果可见,这2种化学物对有ARE调控的GFP荧光
诱导效果都很明显,相对于无ARE调控的GFP的
A.克隆筛选1周(×200);B.克隆筛选2周(×200);C.挑取的克隆扩大培养(×400)
图2 HepG24ARETKGFP细胞的筛选
基础水平有较大提高(P<005)。在细胞 HepG2
4ARETKGFP中,PDTC浓度为50μmol·L-1时,诱
导效果最好,与空白组比较差异有显著性(P<
005);tBHQ诱导效果随浓度升高持续上升,各组
(125,25,50,100,200μmol·L-1)与空白组比较差
异都有显著性(P<005)。
3.4 4种中药单体对 GFP表达的诱导作用 图5
表明了4种中药单体对 HepG24ARETKGFP中的
GFP的诱导效果。白藜芦醇有较好诱导效果,随着
浓度升高,荧光强度持续上升,在50μmol·L-1时
与空白组比较差异即具有显著性(P<005)。熊果
酸虽有一定诱导效果,但无显著性差异。原儿茶醛、
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图3 PDTC对GFP诱导表达的量效关系
图4 tBHQ对GFP诱导表达的量效关系
图5 4种中药单体对GFP表达的诱导作用
齐墩果酸对GFP诱导表达无影响。
4 讨论
在正常情况下,机体只有30%的Ⅱ相酶被诱导
而发挥作用,这就为肿瘤的化学预防提供了可能。
Watenberg等人证实化学预防剂的作用机制在于可
长期有效地诱导编码Ⅱ相解毒酶基因的表达,从而
起到显著降低癌症发生率的作用,但在此基础上从
分子和细胞水平上对化学预防剂的有效鉴别还相当
缺乏[5]。本研究构建了一个真核表达载体 p4ARE
TKGFP/neo,所插入的 TK基本启动子是目前在基
因工程研究中应用最为广泛,进展最快的1个基因,
而ARE的调控作用在于当细胞中加入各种不同浓
度的化学预防剂时,ARE可与这些化学预防剂相结
合,调控下游GFP的表达,从 GFP荧光强度的变化
就能判断各种化学预防剂的预防效果。
目前,GFP在蛋白质标记、基因表达水平指示等
方面正得到越来越广泛的应用,成为活细胞分子水
平研究的工具。本实验用 GFP作为报告基因,具有
许多显著的优点,如活体、原位、实时表达,不需裂解
细胞,可直接比色测定;荧光高度稳定,无需另外添
加底物或辅助因子等协助指示;检测方便,只需要紫
外光或蓝色激发;灵敏度高、速度快,可在较短的时
间内(约24h内)得出结果等。
本研究选取了白藜芦醇、熊果酸、原儿茶醛和齐
墩果酸4种中药单体为研究对象,观察其对ARE调
控GFP的诱导作用,结果表明白藜芦醇对 ARE调
控的GFP荧光有较强的诱导作用,可见某些天然的
化学预防剂的效果并不比目前已知的一些人工合成
的化学预防剂差,而其副作用却可能小得多,应更有
应用前景。
总之,本实验从细胞和分子生物学水平成功构建
了一个可用来筛选各种天然或人工合成的化学预防
剂的细胞模型,为从中药中筛选化学预防剂提供了一
个很好的技术手段,为其新药开发利用奠定基础。
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discoveringnewchemopreventiveagents
XUHairong,BUPing,LIXiangming
(InstituteofIntegratedChineseandWesternMedicine,MedicalColegeofYangzhouUniversity,Yangzhou225001,China)
[Abstract] Objective:Todiscovernewchemopreventiveagents,adrugscreeningcelmodelbasedonreportergeneandanti
oxidativeresponseelement(ARE)hasbeenestablished.Method:FourrepeasofAREDNAbindingconservedsequencesweresyn
thesizedandclonedintoaGFPexpressionvector.ThisconstructwasstablytransfectedintoHepG2celsinvitro.Thecelmodelwas
testedwithknownchemopreventiveagentsandtheefectsofresveratrol,protocatechuicaldehyde,ursolicacidandoleanolicacidatdif
ferentconcentration(0,125,25,50,100,200μmol·L-1)wereobservedbydeterminingreportergeneGFPactivity.Result:The
inducelevelofGFPwasregulatedbyAREandthedosedependenceinacertainrangewasobserved.TheinducelevelofGFPbyres
veratrolwassignificantlyincreased.Conclusion:ThemethodcanbeusedtoscreeningofchemopreventiveagentsfromChinesetradi
tionalmedicinebymeasurementofluminescentvalueofexpressedGFPinwelsofmicrotiterplate.
[Keywords] ARE;reportergene;chemopreventiveagent;Chinesetraditionalmedicine;drugscreeningmodel
[责任编辑 古云侠]
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