李 宵 王春芳* 李鵬飛 王 晶 閆肖卿 田 峰
(1山西醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心;實(shí)驗(yàn)動(dòng)物與人類(lèi)疾病動(dòng)物模型山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;2山西醫(yī)科大學(xué)科研實(shí)驗(yàn)中心,太原030001)
綠色熒光蛋白(Green Fluorescent Protein, EGFP),是1962年由Shimomura等從美國(guó)西海岸的一種水母中分離純化出的蛋白質(zhì),在體外可以經(jīng)適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)光激發(fā)后發(fā)出綠色熒光[1]。Shimomura、Marin Chalfie和Roger Y.Tsien于2008年因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)并發(fā)展了EGFP而獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。EGFP蛋白用途廣泛,可以用于分子標(biāo)記[2]、藥物篩選、融合抗體、蛋白標(biāo)記等,尤其用來(lái)觀察細(xì)胞的位置及動(dòng)態(tài)的變化[3-6],在實(shí)驗(yàn)前不需要固定染色,可以在幾乎不影響細(xì)胞的正常生理作用下進(jìn)行觀察分析。由于EGFP標(biāo)記過(guò)程無(wú)創(chuàng),分子量很小,并可以在多種生物體內(nèi)表達(dá),不擾亂生物正常生長(zhǎng)和功能,已廣泛應(yīng)用與轉(zhuǎn)基因生物的建立。
eEGFP是EGFP的突變型,發(fā)生了雙氨基酸取代,熒光強(qiáng)度為EGFP的35倍[7],可以更好的觀察及應(yīng)用。我們希望構(gòu)建一種可以穩(wěn)定表達(dá)eEGFP的轉(zhuǎn)基因小鼠,在清潔級(jí)環(huán)境下培養(yǎng)并繁殖建系,為之后的小鼠細(xì)胞標(biāo)記提供各組織器官的EGFP細(xì)胞來(lái)源。
實(shí)驗(yàn)中所需的c57/bl6小鼠購(gòu)于山西醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心,所有操作均符合倫理學(xué)要求。
Gateway?BPClonaseTMII Enzyme Mix,Gateway?LR ClonaseTMII Plus Enzyme Mix(invitrogen),QIAquick Gel Extraction Kit(QIAGEN),TIANprep Mini(TIANGEN),Taq DNA Polymerase,dNTP Mix,GeneRulerTM100bp DNA Ladder(Fermentas),PrimeSTARTMHS DNA Polymerase(Takara),BIO-RAD PCR 儀 (PTC-220/ALS-1296G/ALD1244G);電泳儀 DYY-12,水平電泳槽DYCP-31DN(北京市六一儀器廠);UV transilluminator(UVP);小型離心機(jī)(Eppendorf);;風(fēng)熱式電熱恒溫干燥箱(廣州東方電熱干燥設(shè)備廠);恒溫水浴鍋(HENGAO);全溫空氣搖床(上海?,攲?shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)。
首先利用重疊PCR擴(kuò)增得到attB1-eEGFP-attB2,反應(yīng)終止后,在1%的瓊脂糖凝膠中電泳。紫外下切出所需條帶,參照QIAquick的瓊脂糖凝膠電泳回收試劑盒進(jìn)行回收。然后,將回收的attB1-eEGFP-attB2利用 Gateway clone技術(shù),BP反應(yīng)3h得到pDown-eEGFP,并將產(chǎn)物轉(zhuǎn)化到大腸桿菌Stb13中。將轉(zhuǎn)化物涂到含有50μg/ml Kan的LB平板上,37℃孵育過(guò)夜后,挑取陽(yáng)性克隆提取質(zhì)粒,并使用瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)是否有相應(yīng)條帶出現(xiàn)。最后,將所得到的pDown-EGFP和母載體PRP.Des2dLR反應(yīng)3h,得到最終的表達(dá)載體PRP.Ex2d-EF1A>eEGFP。將表達(dá)載體轉(zhuǎn)化到Stb13。篩選并挑取出陽(yáng)性克隆,提取DNA,PCR后瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)是否有相應(yīng)條帶出現(xiàn)。
首先取多只雄性小鼠實(shí)施輸精管切除手術(shù),飼養(yǎng)兩周確定手術(shù)成功后取一只與1-2只雌鼠合籠飼養(yǎng),制作假孕母鼠。同時(shí)將正常小鼠交配,獲得正常受孕的母鼠,從受孕母鼠體內(nèi)取出受精卵,使用DNA顯微注射法,將之前構(gòu)建的EGFP表達(dá)載體注入受精卵原核,然后移植入假孕的母鼠輸卵管,待其自然產(chǎn)下小鼠。
建立轉(zhuǎn)基因小鼠期間通過(guò)熒光定量PCR方法鑒定其基因型,將離乳期小鼠剪下約1cm鼠尾,提取DNA,PCR后采取瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)。建系期間采取雙向鑒定的方法,熒光定量PCR檢測(cè)后觀察陽(yáng)性小鼠紫外照射是否會(huì)發(fā)出綠色熒光,及紫外照射發(fā)出熒光后熒光定量PCR鑒定其基因型是否符合。鑒定引物 F:ACGTAAACGGCCACAAGTTC,R: GATCTTGAAGTTCACCTTGATGC。
取一只陽(yáng)性EGFP轉(zhuǎn)基因小鼠麻醉,心臟灌注后取心、腦、肺、腎、肝、脾、骨骼肌、脊髓,修剪成合適大小,常規(guī)脫水后石蠟包埋。石蠟切片機(jī)5μm連續(xù)組織切片,脫蠟后不加處理直接放于熒光顯微鏡下,觀察陽(yáng)性小鼠的組織是否可以發(fā)出綠色熒光。
通過(guò)PCR將建立的4只原代轉(zhuǎn)基因小鼠間及與野生型小鼠間進(jìn)行配種繁殖,得到的陽(yáng)性子代間繼續(xù)交叉配種繁殖。全部過(guò)程于屏障環(huán)境中進(jìn)行,期間送檢微生物與寄生蟲(chóng)。
待小鼠長(zhǎng)至兩個(gè)月時(shí),隨機(jī)挑取10只轉(zhuǎn)基因小鼠及相同環(huán)境飼養(yǎng)的10只野生型c57小鼠,測(cè)量身長(zhǎng)和體重。數(shù)據(jù)用SPSS17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,數(shù)據(jù)以表示,組間比較采用t檢驗(yàn),P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
取一孕齡為13-14d的轉(zhuǎn)基因小鼠,麻醉后常規(guī)消毒母鼠腹部。開(kāi)腹后取出子宮,轉(zhuǎn)移至平皿中,D-Hanks液沖洗。剪開(kāi)子宮外膜取出胎鼠,剝離胎鼠脊髓,并剝?nèi)ゼ顾柰饽?,放入D-Hanks中吹打至脊髓消失液體渾濁。將渾濁液體1500r/min離心5min,棄上清,加入含EGF、FGF各20ng/ml的DMEM/F-12培養(yǎng)基后充分混勻后轉(zhuǎn)移至培養(yǎng)瓶中,放于37℃5%的CO2孵箱中培養(yǎng),每3d半量換液。將培養(yǎng)三代的神經(jīng)干細(xì)胞吹打混勻后吸出200 μl涂于載玻片上,不加處理,于熒光顯微鏡下觀察。
圖1A為PCR擴(kuò)增attB1-EGFP-attB2,該P(yáng)CR產(chǎn)物條帶理論大小約為722bp,對(duì)圖譜中相應(yīng)大小的條帶進(jìn)行切膠回收。圖1B為菌落PCR篩選pDown-eEGFP,產(chǎn)物條帶理論大小為956bp,與目的條帶大小相符的克隆即為陽(yáng)性克隆。圖1C為菌落PCR篩選PRP.Ex2d-EF1A>EEGFP,產(chǎn)物條帶理論大小為720bp,與目的條帶大小相符的克隆即為陽(yáng)性克隆,說(shuō)明載體構(gòu)建成功??蓪⑻崛〉降腄NA用于顯微注射。
圖1 A PCR鑒定attB1-EGFP-attB2凝膠電泳分析結(jié)果。圖1B PCR鑒定pDown-eEGFP凝膠電泳分析結(jié)果。圖1C PCR鑒定PRP.Ex2d-EF1A>EEGFP凝膠分析結(jié)果Fig.1AThe electrophoresis analysis of attB1-EGFP-attB2.Fig.1BThe electrophoresis analysis of pDown-eEGFP.Fig.1CThe electrophoresis analysis of PRP.Ex2d-EF1A>EEGFP.
轉(zhuǎn)基因小鼠共制作成功4只,兩雌兩雄。
圖2為傳代轉(zhuǎn)基因小鼠鑒定瓊脂糖凝膠電泳結(jié)果圖,PCR擴(kuò)增產(chǎn)物條帶為440bp。此圖中Mark-er為DL500,最亮處為200bp,可見(jiàn)400bp與500bp間有相應(yīng)條帶出現(xiàn)。如圖所示,紫外照射發(fā)出綠色熒光的小鼠PCR檢測(cè)全部為陽(yáng)性。
。
圖2 PCR鑒定轉(zhuǎn)基因陽(yáng)性小鼠凝膠電泳分析結(jié)果。Fig.2The electrophoresis analysis of transgene positive mice.
將EGFP轉(zhuǎn)基因新生小鼠直接放于紫外下照射,可發(fā)現(xiàn)陽(yáng)性小鼠皮膚會(huì)發(fā)出綠色熒光,而陰性小鼠不發(fā)熒光顯黑色。成年小鼠毛發(fā)無(wú)活細(xì)胞不分泌蛋白不發(fā)熒光,耳、爪、尾等裸露皮膚的部位有綠色熒光。
圖3 A 新生小鼠陰性與陽(yáng)性在紫外燈下的對(duì)比。圖3B 成年陽(yáng)性小鼠與陰性小鼠在紫外下的對(duì)比。Fig.3AComparison of negative and positive new born mouse by ultraviolet lightFig.3BComparison of negative and positive adult mouse by ultraviolet light
由熒光照片觀察可知,EGFP轉(zhuǎn)基因小鼠的各組織切片中細(xì)胞所在部位在藍(lán)色激發(fā)光下均可觀察到綠色熒光,不同細(xì)胞之間熒光強(qiáng)度會(huì)有不同,結(jié)締組織等不分泌蛋白部位不發(fā)光。說(shuō)明固定包埋等常規(guī)處理后不會(huì)影響熒光的發(fā)生。
圖4 A肺組織熒光照片100×圖4B肝臟組織熒光照片100×圖4C腦組織熒光照片100×圖4D脾臟組織熒光照片100×圖4E腎臟組織熒光照片100×圖4F心肌組織熒光照片400×圖4G骨骼肌熒光照片400×圖4H脊髓組織熒光照片100×Fig.4AFluorescent photographs of lung 100×Fig.4BFluorescent photographs of kidney 100×Fig.4CFluorescent photographs of brain 100×Fig.4DFluorescent photographs of spleen 100×Fig.4EFluorescent photographs of liver 100×Fig.4FFluorescent photographs of myocardial 400×Fig.4GFluorescent photographs of Skeletal Muscle 400×Fig.4HFluorescent photographs of spinal cord 100×
圖4A為肺組織熒光照片??梢?jiàn)有大量肺泡,氣管壁細(xì)胞發(fā)出較強(qiáng)熒光。圖4B為肝臟組織熒光照片,可見(jiàn)肝組織呈條索狀。圖4C為腦組織熒光照片,可見(jiàn)較為明顯的3層結(jié)構(gòu)。圖4D為脾臟組織熒光照片。圖4E為腎臟組織熒光照片??梢?jiàn)近端小管、遠(yuǎn)端小管、集合管,并可見(jiàn)腎小球。圖4F為心臟組織熒光照片。圖4G為骨骼肌橫切面熒光照片。圖4H為脊髓橫切面熒光照片,看見(jiàn)白質(zhì)與灰質(zhì)發(fā)出不同強(qiáng)度熒光,有較為明顯的界限。在灰質(zhì)中可觀察到較亮的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元。
轉(zhuǎn)基因小鼠生長(zhǎng)狀態(tài)穩(wěn)定,和野生型小鼠無(wú)明顯行為學(xué)區(qū)別。經(jīng)過(guò)兩年的繁殖,現(xiàn)已有400余只小鼠,其中陽(yáng)性有274只。繁殖過(guò)程中發(fā)現(xiàn)4代后小鼠已有一窩全部都為陽(yáng)性的現(xiàn)象,目前新生小鼠陽(yáng)性率已經(jīng)大于80%。轉(zhuǎn)基因小鼠飼養(yǎng)在隔離環(huán)境下,經(jīng)微生物與寄生蟲(chóng)檢測(cè)符合清潔級(jí)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物要求。
圖5 A為1號(hào)雌鼠所繁殖后代的家系譜圖。圖5B為3號(hào)雌鼠家系譜圖。Fig.5APedigree trees of transgenic mouse.5BPedigree trees of No3transgenic mouse
如表所示,可見(jiàn)轉(zhuǎn)基因小鼠與野生型小鼠相比,體重之間與身長(zhǎng)之間的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,可以說(shuō)明轉(zhuǎn)基因小鼠基本生理數(shù)據(jù)與野生型小鼠無(wú)明顯差異,EGFP基因不會(huì)干擾小鼠的正常生長(zhǎng)。
表1 EGFP小鼠與野生型小鼠身長(zhǎng)體重的對(duì)比Table 1 Comparison of length and weight in EGFP mouse and wild mouse
所培養(yǎng)細(xì)胞使用神經(jīng)干細(xì)胞標(biāo)記蛋白Nestin免疫組織細(xì)胞染色,圖6A可以發(fā)現(xiàn)視野中細(xì)胞球呈綠色熒光,說(shuō)明所培養(yǎng)出的細(xì)胞球呈Nestin抗原陽(yáng)性,即為神經(jīng)干細(xì)胞。圖6B為Hochest對(duì)細(xì)胞核的染色,藍(lán)色熒光部位說(shuō)明有細(xì)胞核的存在。
將培養(yǎng)的3代神經(jīng)干細(xì)胞涂于載玻片上置于熒光顯微鏡下觀察,可見(jiàn)視野內(nèi)神經(jīng)干細(xì)胞散在分布,由于未貼壁,細(xì)胞呈較為規(guī)則的圓形。所見(jiàn)細(xì)胞在激發(fā)光下均發(fā)出綠色熒光,其中大塊綠色為神經(jīng)干細(xì)胞球。
圖6 A 神經(jīng)干細(xì)胞的Nestin鑒定細(xì)胞漿呈陽(yáng)性40×。圖6B 神經(jīng)干細(xì)胞細(xì)胞核的Hochest染色40×。Fig.6AFluorescent images of NSCs was showed the cytoplasm immunopositive for Nestin 40×.Fig.6BFluorescent images of NSCs was showed the nucleus immunopositive for Hochest40×.
圖7 三代神經(jīng)干細(xì)胞熒光照片40×。Fig.7 Fluorescent photographs of three generation neural stem cells 40×
圖7 A為第一代的神經(jīng)干細(xì)胞,鏡下觀察可見(jiàn)細(xì)胞較為分散,單個(gè)細(xì)胞體積較小,神經(jīng)球數(shù)目不多。圖7B為第二代體外培養(yǎng)的神經(jīng)干細(xì)胞,可見(jiàn)細(xì)胞體積增大,并有較小的神經(jīng)球產(chǎn)生。圖7C為第三代細(xì)胞,可見(jiàn)有大量神經(jīng)球產(chǎn)生。觀察三代神經(jīng)干細(xì)胞的熒光照片,發(fā)現(xiàn)熒光強(qiáng)度無(wú)明顯變化,不會(huì)因體外培養(yǎng)傳代而衰減。
細(xì)胞標(biāo)記是細(xì)胞生物實(shí)驗(yàn)中常用的方法之一,是為了追蹤多細(xì)胞系統(tǒng)中某種特定細(xì)胞的作用和行為,使用前將該特定細(xì)胞通過(guò)特殊手段處理,觀察時(shí)使用一定方法處理可以與未標(biāo)記細(xì)胞區(qū)分。實(shí)驗(yàn)室目前將細(xì)胞標(biāo)記多用于細(xì)胞移植治療[8-9],可監(jiān)測(cè)其在體內(nèi)的生長(zhǎng)狀態(tài),增殖分化情況等。
EGFP標(biāo)記是目前實(shí)驗(yàn)室中最為常用的一種活體細(xì)胞標(biāo)記手段,而且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,多聚甲醛固定及石蠟包埋處理后不會(huì)影響熒光的檢測(cè)??梢栽谒{(lán)色激發(fā)光下不做任何處理直接觀察,不會(huì)影響細(xì)胞的完整性和活性,觀察后可繼續(xù)培養(yǎng)細(xì)胞。因此是一種理想的細(xì)胞標(biāo)記物。但熒光蛋白標(biāo)記法操作復(fù)雜,過(guò)程繁瑣,病毒載體構(gòu)建困難,對(duì)實(shí)驗(yàn)人員要求較高,不利于實(shí)驗(yàn)過(guò)程的順利進(jìn)行。由于EGFP本身是從動(dòng)物體內(nèi)提取的一種蛋白,對(duì)細(xì)胞及生物體毒性弱,這就為EGFP轉(zhuǎn)基因動(dòng)物提供了基礎(chǔ)。c57是實(shí)驗(yàn)室中常用的一種近交系實(shí)驗(yàn)小鼠,細(xì)胞培養(yǎng)時(shí)的取材及多種動(dòng)物實(shí)驗(yàn)均會(huì)用到該品系,因此我們構(gòu)建了c57EGFP轉(zhuǎn)基因小鼠。當(dāng)需要某種細(xì)胞時(shí),可直接從轉(zhuǎn)基因小鼠提取,提取及培養(yǎng)方法與普通細(xì)胞一致,不需任何額外操作,即可獲得已標(biāo)記EGFP的細(xì)胞,省去了細(xì)胞培養(yǎng)后標(biāo)記的復(fù)雜操作,同時(shí)降低了轉(zhuǎn)染試劑對(duì)細(xì)胞的額外影響,并保證了轉(zhuǎn)染效率。
根據(jù)文獻(xiàn)其他實(shí)驗(yàn)室也有EGFP小鼠的制作,但未見(jiàn)建系的報(bào)道[10]。近交系小鼠擁有純正的譜系,是實(shí)驗(yàn)動(dòng)物標(biāo)準(zhǔn)化的一部分,并具有遺傳基因位點(diǎn)純合型、遺傳組成的同源性、長(zhǎng)期遺傳的穩(wěn)定性、遺傳特征的穩(wěn)定性、表型一致性、背景資料清楚等特點(diǎn),不同國(guó)家和實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家可重復(fù)和驗(yàn)證以取得的數(shù)據(jù),提高了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可比性。轉(zhuǎn)基因小鼠制作過(guò)程中產(chǎn)生的第一代子鼠為嵌合體小鼠,在繁殖過(guò)程中會(huì)有野生型小鼠出生,因此我們將陽(yáng)性小鼠互交,希望可以培育出EGFP的近交系轉(zhuǎn)基因小鼠,完善轉(zhuǎn)基因動(dòng)物建設(shè)平臺(tái)。在此過(guò)程中,我們希望通過(guò)對(duì)多代數(shù)進(jìn)行觀察,確定轉(zhuǎn)入EGFP后對(duì)生物的后續(xù)影響。
通過(guò)我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,EGFP轉(zhuǎn)基因小鼠的各組織在多聚甲醛固定及石蠟包埋處理后,均可觀察到所有細(xì)胞發(fā)出綠色熒光。說(shuō)明轉(zhuǎn)基因小鼠常見(jiàn)組織細(xì)胞可在藍(lán)色激發(fā)光下發(fā)出綠色熒光,并且不受常規(guī)處理的干擾。但在觀察中發(fā)現(xiàn)細(xì)胞熒光強(qiáng)度會(huì)有不同,我們認(rèn)為熒光強(qiáng)度與細(xì)胞分泌蛋白的強(qiáng)度有關(guān),下一步將會(huì)對(duì)不同組織的熒光蛋白做定量檢測(cè),分析產(chǎn)生的原因。因此,現(xiàn)已可將EGFP轉(zhuǎn)基因小鼠作為實(shí)驗(yàn)室中所使用的一種工具鼠,用于細(xì)胞移植和細(xì)胞共培養(yǎng)等需要細(xì)胞標(biāo)記的實(shí)驗(yàn)。
脊髓損傷是脊柱損傷的嚴(yán)重并發(fā)癥,造成損傷平面以下感覺(jué)、運(yùn)動(dòng)功能的喪失,不僅給病人帶來(lái)極大的痛苦,也給社會(huì)和家庭帶來(lái)沉重的負(fù)擔(dān),其治療一直是困擾人們的難題。目前的多項(xiàng)研究已經(jīng)證實(shí)神經(jīng)干細(xì)胞的移植為脊髓損傷的治療提供了新的途徑,已經(jīng)成為目前研究脊髓損傷修復(fù)的一個(gè)熱點(diǎn)。Cusimano M的研究表明,神經(jīng)干細(xì)胞的注射治療可以改變脊髓損傷后的微環(huán)境,可以修復(fù)損傷的軸突或使其再生[11]。移植入損傷部位的神經(jīng)干細(xì)胞可以分化為神經(jīng)元、少突膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞,連接損傷部位脊髓并重建神經(jīng)傳導(dǎo)通路,部分恢復(fù)損傷平面以下的運(yùn)動(dòng)及感覺(jué)功能[12,13]。本課題組之前的研究已經(jīng)證實(shí)神經(jīng)干細(xì)胞在脊髓損傷后具有修復(fù)作用,與對(duì)照組相比,神經(jīng)干細(xì)胞注射組BBB評(píng)分更高,組織切片也說(shuō)明細(xì)胞有更多的分裂分化[14],但其在治療過(guò)程中所產(chǎn)生作用的具體機(jī)制尚不清楚。因此需要了解神經(jīng)干細(xì)胞注射入脊髓損傷部位后的生存狀態(tài),是自體分化為運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元,還是誘導(dǎo)體內(nèi)細(xì)胞的自我分化。我們的研究已經(jīng)證實(shí),EGFP小鼠所培養(yǎng)的神經(jīng)干細(xì)胞在體外多次傳代后仍可在激發(fā)光下發(fā)出綠色熒光。因此,在后續(xù)的研究中,我們將從轉(zhuǎn)基因小鼠的脊髓中培養(yǎng)獲得的神經(jīng)干細(xì)胞注射入脊髓損傷模型小鼠損傷部位后,在時(shí)間節(jié)點(diǎn)處死模型小鼠,常規(guī)處理后在熒光顯微鏡下觀察注射細(xì)胞在小鼠體內(nèi)的生存情況,并通過(guò)免疫組織化學(xué)確定注射細(xì)胞所處狀態(tài)及分化情況,分析神經(jīng)干細(xì)胞在體內(nèi)發(fā)揮的作用,為神經(jīng)干細(xì)胞在脊髓損傷修復(fù)中提供更加直觀的理論依據(jù)。
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