杜利莉,馬 鈺,柏文清,吳劉成,邵義祥*
(1.南通大學(xué)神經(jīng)再生重點實驗室,江蘇 南通 226001; 2.南通大學(xué)實驗動物中心,江蘇 南通 226001;3.南通大學(xué)杏林學(xué)院,江蘇 南通 226001)
脊髓性肌萎縮癥(spinal muscular atrophy,SMA)是由運動神經(jīng)元生存1(survival of motor neuron1,SMN1)基因遺傳缺陷引起,SMN1 基因編碼SMN 蛋白,廣泛表達于所有真核細胞,為運動神經(jīng)元存活所必需。 較低水平的蛋白質(zhì)導(dǎo)致脊髓前角運動神經(jīng)元細胞功能喪失,隨后全身骨骼肌萎縮,其他身體系統(tǒng)也可能受到影響,特別是早期發(fā)病的患者。SMA 是嬰兒死亡最常見的遺傳原因[1-2]。
SMA 的致病基因SMN1 是位于5q13 的基因,患者常因其外顯子7 和8 或僅外顯子7 同源缺失,從而導(dǎo)致不能表達有功能的全長SMN 蛋白[3]。 而人類的SMN1 基因在這個重復(fù)片段區(qū)域還存在唯一與之高度同源的SMN2 基因,兩者的關(guān)鍵不同之處在于外顯子7 第6 位核苷酸由SMN1 中的C 轉(zhuǎn)變?yōu)镾MN2 中的T,雖然沒有造成翻譯中氨基酸的改變,卻嚴重影響了該外顯子列入(exon inclusion)[4]。SMN2 的成熟轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物約90%不包含外顯子7,而沒有外顯子7 的蛋白(稱作SMNΔ7)基本沒有功能且極不穩(wěn)定[5]。 是否能夠通過增強SMN2 外顯子7 的保留來獲得全長(full-length,FL)的SMN,從而有效降低SMA 患者的臨床癥狀? 這個問題為研究者所關(guān)注,有望使SMN2 成為治療SMA 的理想靶點[6]。僅含有Smn 基因一個拷貝的小鼠,由于轉(zhuǎn)入人的SMN2 基因能夠挽救其Smn 純合子敲除的胚胎致死性并延遲至出生后10 d 左右死亡,且癥狀與人類Ⅰ型的SMA 相似[7],從而使得SMA 小鼠成為目前國際相關(guān)領(lǐng)域公認的良好模型。 故在SMA 小鼠中,通過研究SMN2 剪接來獲得全長SMN 蛋白,從而觀察SMA 小鼠的病情及壽命是否有所改善,探討脊髓性肌萎縮癥有效的臨床治療方案,是當前國際SMA 研究關(guān)注的焦點。 本實驗通過研究SMA Ⅰ型小鼠不同組織中SMN2 外顯子7 列入與相關(guān)剪接因子的表達差異,篩選與SMN2 外顯子7 列入具有密切關(guān)系的剪接因子,以期待發(fā)現(xiàn)可能參與SMA 相關(guān)基因SMN2 剪接的新調(diào)控因子,為SMA 疾病的治療提供新思路。
2 只雌性SMA Ⅲ型小鼠(基因型Smn-/-SMN22tg/2tg),1 只雄性雜合子Smn 敲除小鼠(基因型Smn+/-),6 周齡,體重18 ~22 g,用以交配繁殖。SMA Ⅰ型小鼠(基因型Smn-/-SMN22tg/0)、SMA Ⅰ型對照小鼠(基因型Smn+/-SMN22tg/0),4 d 齡,體重1~4 g,雌雄不限,各4 只,用以進行實驗。 小鼠背景品系均為SPF 級FVB 近交系小鼠,均來源于南通大學(xué)實驗動物中心[SCXK(蘇)2014-0001]并在南通大學(xué)實驗動物中心SPF 級屏障環(huán)境飼養(yǎng)繁殖。 動物實驗在南通大學(xué)實驗動物中心比較醫(yī)學(xué)實驗室進行[SYXK(蘇)2017-0046]。 實驗動物的使用堅持3R 原則,且所有動物實驗均經(jīng)南通大學(xué)實驗動物倫理管理委員會審查(倫理審批號:20180822-002)。
小鼠基因型快速鑒定試劑盒(PD101-01)、TRIzol 總RNA 抽提試劑(R401-01)、反轉(zhuǎn)錄酶試劑盒(R021-01)、2×Taq master mix(P111),SYBR Green 熒光PCR 試劑盒(Q711-02)購自南京諾唯贊生物科技公司;Veriti 96-well PCR 擴增儀購自美國Applied Biosystems 公司;MICROCL 21R 臺式冷凍離心機購自美國Thermo Fisher Scientific 公司;EPS-300 數(shù)顯穩(wěn)壓溫流電泳儀、HE-120 多功能水平電泳槽購自中國上海天能科技;Native-PAGE 垂直電泳系統(tǒng)購自美國Apogee 公司;BIO-RAD Gel Doc XR +凝膠成像分析系統(tǒng)購自美國Bio-Rad 公司;G:box Chemi XL 1.4 成像系統(tǒng)購自英國Syngene 公司;Light cycler 96 熒光定量PCR 儀購自瑞士ROCHE公司。
1.3.1 小鼠繁殖與取材
雄性雜合子Smn 敲除小鼠和雌性SMA Ⅲ型小鼠交配,取同窩出生4 d 齡的后代,通過基因型鑒定,區(qū)分SMA Ⅰ型及對照小鼠,并分別取4 只SMAⅠ型小鼠(Smn-/-SMN22tg/0) 和4 只對照小鼠(Smn+/-SMN22tg/0)心臟、肝、脾、肺、腎、腦、脊髓、肌肉組織。
1.3.2 RT-PCR
按照TRIzol 試劑盒及反轉(zhuǎn)錄試劑盒提取總RNA 并合成cDNA,采用Cy5 標記的引物進行RTPCR,94°C 30 s,55°C 30 s,72°C 25 s,28 個循環(huán),取8 μL 擴增樣品,用2%瓊脂糖凝膠電泳檢驗擴增結(jié)果,剩余樣品用于非變性PAGE 定量分析,引物信息為:E6-F:5’-ATAATTCCCCCACCACCTCCC-3’,E8-467R:5’-TTGCCACATACGCCTCACATAC-3’。
1.3.3 非變性PAGE 及SMN2 外顯子7 列入
6%非變性PAGE 膠110 V 電壓下進行電泳,3 h后結(jié)束電泳。 G:BOX 系統(tǒng)顯影,用Image J 分析條帶灰度值, 并計算SMN2 基因外顯子7 列入(Inc%),公式如下:
1.3.4 實時熒光定量PCR
反應(yīng)體系:SYBR Green Master Mix 10 μL,上游引物1 μL,下游引物1 μL,cDNA 1 μL,補滅菌雙蒸水7 μL 至20 μL 體系,每個樣品設(shè)置3 個重復(fù)。 反應(yīng)條件:95℃預(yù)變性4 min,94℃下變性15 s,60℃下退火20 s,72℃延伸20 s 并讀取熒光值,45 次循環(huán),循環(huán)后設(shè)置55℃~90℃,每隔0.3℃讀熒光值生成熔解曲線。 所有設(shè)定保存后運行程序。 反應(yīng)完成后,選擇PCR base line subtracted 模式進行數(shù)據(jù)分析和修正。 在調(diào)整baseline cycles 和計算threshold value(閾值)后,得出cycle threshold(Ct 值),ΔΔCt法計算出樣本的相對表達量(RQ 值)。 在gene bank中查找并下載相關(guān)基因的mRNA 序列及相關(guān)信息,實時熒光定量PCR 引物采用Primer premier 5.0 軟件,嚴格按照相關(guān)原則設(shè)計。 引物信息見表1。
本實驗數(shù)據(jù)采用STATA 7.0 和GraphPad Prism 5.0 進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計學(xué)分析。 計量數(shù)據(jù)用平均數(shù)±標準差(±s)表示,組間比較采用t 檢驗,P<0.05 表示兩組間差異顯著,P<0.01 表示兩組間差異極顯著。
通過RT-PCR 和非變性PAGE 凝膠電泳分析,在出生后第4 天(P4)的SMA Ⅰ型小鼠大腦和脊髓中,SMN2 表達全長的有功能RNA 比例顯著高于其它三個非神經(jīng)組織(圖1)。 表明SMA Ⅰ型小鼠中,SMN2 mRNA 在神經(jīng)與非神經(jīng)組織中的剪接差異機制與其體內(nèi)可能差異表達剪接因子密切相關(guān)。
核內(nèi)不均一核糖核蛋白(HNRNPs)是主要存在于細胞核中的由多個蛋白組成的復(fù)合體,其主要功能是結(jié)合RNA 參與轉(zhuǎn)錄后修飾,在新合成的RNA(pre-mRNA)過程中不可缺少,是成熟mRNA 形成的重要剪接因子[8]。 如圖1 所示,本實驗檢測了出生后第4 天SMA Ⅰ型和對照小鼠的神經(jīng)與非神經(jīng)組織中HNRNP 家族中的Hnrnpk、Hnrnpl、Hnrnpll、Hnrnpu、 Hnrnpd、 Hnrnph3、 Hnrnpm、 Hnrnpf 以 及Hnrnph2 基因的mRNA 水平。 以心臟作為對照,這些剪接因子在心臟、肝及肌肉組織中表達相對較低,在脾、肺和腎中表達最高,在神經(jīng)組織即大腦和脊髓中表達相對較高。
表1 引物序列Table 1 Primer sequences
富含絲氨酸和精氨酸剪接因子(serine/argininerich splicing factor,SRSF),常被簡稱為SR 蛋白,是一種涉及RNA 剪接的保守蛋白家族[9]。 如圖3 所示,本實驗檢測了SR 家族中的Srsf10、Srsf1、Srpk1、Srsf3、Srsf6、Srsf2、Srsf4、Srsf5、Srsf7 以及Srsf9 基因在出生后第4 天的SMA Ⅰ型和對照小鼠神經(jīng)與非神經(jīng)組織中的mRNA 水平。 以心臟作為對照,這些剪接因子基因在心臟、肝及肌肉中表達相對較低,在脾、肺和腎中表達最高,在神經(jīng)組織即大腦和脊髓中表達相對較高。
神經(jīng)腫瘤腹側(cè)抗原(neuro-oncological ventral antigen,NOVA)家族,有NOVA1 和NOVA2 兩個成員,其作為神經(jīng)元特異性剪接因子,在運動神經(jīng)元中表達豐富[10]。 本實驗檢測了NOVA 家族中的Nova1 和Nova2 基因在出生后第4 天的SMA Ⅰ型和對照小鼠神經(jīng)與非神經(jīng)組織中的mRNA 水平。 以心臟作為對照,這些剪接因子基因在心臟、肝、脾、腎及肌肉中表達相對較低,在大腦和脊髓中表達最高,在肺中表達相對較高(見圖4)。
通過比較HNRNP 剪接因子在出生后第4 天的SMA Ⅰ型和對照小鼠中的mRNA 差異水平,如圖5可知,與對照小鼠相比,HNRNP 家族不同基因分別在SMA Ⅰ型小鼠不同組織中均有顯著性差異。 其中,與對照小鼠相比,Hnrnph2 在SMA Ⅰ型小鼠脊髓中顯著下調(diào)。
通過比較SR 剪接因子基因在出生后第4 天的SMA Ⅰ型和對照小鼠中的mRNA 差異水平,如圖6可知,SMA Ⅰ型小鼠中,SR 家族不同基因分別在不同組織中與對照小鼠比較,均有顯著性差異,其中,與對照小鼠相比,Srsf7 和Srsf9 在SMA Ⅰ型小鼠脊髓中顯著上調(diào),Srsf4 和Srsf10 在大腦中顯著下調(diào)。
通過比較NOVA 剪接因子基因在出生后第4天的SMA Ⅰ型和對照小鼠中的mRNA 差異水平,如圖7 可知,Nova1 和Nova2 基因分別在SMA 小鼠的不同組織中和對照小鼠比較,有顯著性差異。 其中,與對照小鼠相比,在SMA Ⅰ型小鼠中,Nova2 在脊髓中顯著上調(diào)。
脊髓性肌萎縮癥是由于SMN1 基因功能喪失而引起的一種神經(jīng)退行性疾病,表現(xiàn)為脊髓α 運動神經(jīng)元壞死,導(dǎo)致進行性肌肉萎縮、癱瘓甚至死亡[11]。而與SMN1 序列主要有10 個堿基差異的高度同源的SMN2 基因,由于其可被調(diào)控的特殊選擇性剪接即外顯子7 跳躍模式,并能翻譯出全長的SMN 蛋白,使得其成為治療SMA 疾病的“靶基因”[12]。 盡管已經(jīng)研發(fā)出有效治療SMA 的藥物并獲批上市[13],但在病變累及多系統(tǒng)[14]的SMA 中,其僅針對特定組織且不能起到徹底治愈的效果,同時關(guān)于SMN2 外顯子7 列入是否具有組織間差異及其是否是導(dǎo)致SMA 多系統(tǒng)病變的原因等相關(guān)問題是未知的。
圖1 SMN2 外顯子7 在第4 天SMA Ⅰ型小鼠大腦和脊髓的列入比顯著高于肝、腎和肌肉組織Note. A, Non-denaturing PAGE electrophoresis showing the inclusion ratio of SMN2 exon 7 in central and peripheral tissues. B,Bar chart showing the inclusion ratio of SMN2 exon 7 based on gray level statistics. Compared with the liver,*P <0.05,**P <0.01.Figure 1 The inclusion ratio of SMN2 exon 7 in brain and spinal cord tissues was significantly higher than that in liver, kidney, and muscle tissue from SMA type I mice at postnatal day 4
圖2 HNRNP 剪接因子基因家族在出生后第4 天的SMA Ⅰ型和對照小鼠的心臟、肝、脾、肺、腎、肌肉、大腦和脊髓中的mRNA 水平Note. A, B, and C, QPCR analysis results of Hnrnpk, Hnrnpl, Hnrnpll, Hnrnpu, Hnrnpd, Hnrnph3, Hnrnpm, Hnrnpf, and Hnrnph2 gene expression in different tissues from SMA type I control mice at postnatal day 4. D, E, and F, QPCR analysis results of Hnrnpk, Hnrnpl, Hnrnpll,Hnrnpu, Hnrnpd, Hnrnph3, Hnrnpm, Hnrnpf, and Hnrnph2 gene expression in different tissues from SMA type I mice at postnatal day 4. Compared with the heart,*P <0.05,**P <0.01.The mRNA level of the control group was 1.Figure 2 mRNA expression levels of HNRNPs in the heart, liver, spleen, lung, kidney, muscle, brain,and spinal cord of type I and control SMA mice at postnatal day 4
圖3 SR 剪接因子基因家族在出生后第4 天的SMA Ⅰ型和對照小鼠的心、肝、脾、肺、腎、肌肉、大腦和脊髓中的mRNA 水平Note. A, B, C, and D, QPCR analysis results of Srsf10, Srsf1, Srpk1, Srsf3, Srsf6, Srsf2, Srsf4, Srsf5, Srsf7, and Srsf9 gene expression in different tissues from SMA type I control mice at postnatal day 4. E, F, G, and H, QPCR analysis results of Srsf10, Srsf1, Srpk1, Srsf3, Srsf6,Srsf2, Srsf4, Srsf5, Srsf7, and Srsf9 gene expression in different tissues from SMA type I mice at postnatal day 4. Compared with the heart,*P <0.05,**P <0.01.The mRNA level of the control group was 1.Figure 3 mRNA expression levels of SRs in the heart, liver, spleen, lung, kidney, muscle, brain,and spinal cord from type I and control SMA mice at postnatal day 4
圖4 NOVA 剪接因子基因家族在出生后第4 天的SMAⅠ型和對照小鼠的心臟、肝、脾、肺、腎、肌肉、大腦和脊髓中的mRNA 水平Note. A, QPCR analysis results of Nova1 and Nova2 gene expression in different tissues from SMA type I control mice at postnatal day 4. B, QPCR analysis results of Nova1 and Nova2 gene expression in different tissues from SMA type I mice at postnatal day 4. Compared with the heart,*P <0.05,**P <0.01.The mRNA level of the control group was 1.Figure 4 mRNA expression levels of NOVAs in the heart, liver, spleen, lung, kidney, muscle, brain,and spinal cord from type I and control SMA mice at postnatal day 4
圖5 HNRNP 剪接因子基因家族在出生后第4 天的SMA Ⅰ型和對照小鼠心臟、肝、脾、肺、腎、肌肉、大腦和脊髓中的mRNA 水平差異化比較Note. A, QPCR analysis results of the differences in Hnrnpk, Hnrnpl, Hnrnpll, Hnrnpu, and Hnrnpd gene expression in different tissues. B, QPCR analysis results of the difference between Hnrnph3, Hnrnpm, Hnrnpf, and Hnrnph2 gene expression in different tissues. Compared with the corresponding organization in control mice,*P <0.05,**P <0.01.The mRNA level of the control group was 1.Figure 5 Comparison of differences in HNRNP mRNA levels in the heart, liver, spleen, lung, kidney, muscle,brain, and spinal cord from type I and control SMA mice at postnatal day 4
圖6 SR 剪接因子基因家族在出生后第4 天的SMA Ⅰ型和對照小鼠心臟、肝、脾、肺、腎、肌肉、大腦和脊髓中的mRNA 水平差異化比較Note. A, QPCR analysis results of the differences in Srsf10, Srsf1, Srpk1, Srsf3, and Srsf6 gene expression in different tissues. B, QPCR analysis results of the differences in Srsf2,Srsf4, Srsf5,Srsf7,and Srsf9 gene expression in different tissues. Compared with the corresponding organization in control mice,*P <0.05,**P <0.01.The mRNA level of the control group was 1.Figure 6 Comparison of differences in SRs mRNA levels in the heart, liver, spleen, lung, kidney,muscle, brain, and spinal cord from type I and control SMA mice at postnatal day 4
本研究發(fā)現(xiàn),在SMA Ⅰ型小鼠中,SMN2 外顯子7 的列入具有組織間差異,且在神經(jīng)組織中的列入顯著高于非神經(jīng)組織。 而外顯子是否列入是由剪接因子所調(diào)控的選擇性剪接來決定的,因此,有必要篩選在神經(jīng)組織與非神經(jīng)組織存在的差異表達剪接因子,尋找促進SMN2 外顯子7 在神經(jīng)組織中列入的剪接因子,為SMA 疾病提供新的治療方法。 而本實驗重點檢測了SMA Ⅰ型小鼠8 個組織中HNRNP、SR 及NOVA 三類經(jīng)典剪接因子的mRNA 水平,發(fā)現(xiàn)這21 個剪接因子的mRNA 水平均具有組織間差異,其中HNRNP 家族9 個成員及SR家族10 個成員均在非神經(jīng)組織中表達最高,而NOVA 家族2 個成員均在神經(jīng)組織大腦及脊髓中表達最高,與SMN2 外顯子7 在神經(jīng)組織中高列入呈正相關(guān)。
而在SMA Ⅰ型對照小鼠中,我們發(fā)現(xiàn)剪接因子表達與SMA Ⅰ型小鼠中檢測到的表達變化相似,表明無論是在SMA Ⅰ型還是對照小鼠中,這些剪接因子基因水平表達均具有組織間差異,尤其是NOVA家族成員均在神經(jīng)組織中高表達,再次證明了NOVA 是神經(jīng)特異性表達的剪接因子[15]。 進一步對剪接因子的表達差異進行研究,發(fā)現(xiàn)與對照小鼠相比,SMA Ⅰ型小鼠脊髓組織中,Srsf7、Srsf9 及Nova2 顯著上調(diào),與SMN2 外顯子7 在脊髓中高列入呈正相關(guān),SRSF7、SRSF9 及NOVA2 極有可能參與SMN2 的剪接調(diào)控。 而在其它特定組織中,某些剪接因子顯著變化,如心臟組織中HNRNPH3、SRSF3 顯著下調(diào),可能是引起SMA 疾病多系統(tǒng)病變的原因之一。
圖7 NOVA 剪接因子基因家族在SMA Ⅰ型和對照小鼠出生后第4 天心、肝、脾、肺、腎、肌肉、大腦和脊髓中的mRNA 水平差異化比較Note. QPCR analysis results of the differences in Nova1 and Nova2 gene expression in different tissues. Compared with the corresponding organization in control mice,*P <0.05,**P <0.01.The mRNA level of the control group was 1.Figure 7 Comparison of differences in NOVAs mRNA levels in the heart, liver, spleen, lung, kidney,muscle, brain, and spinal cord from type I and control SMA mice at postnatal day 4
導(dǎo)致SMA 疾病的最直接原因是運動神經(jīng)元存活蛋白(SMN)合成減少,功能喪失。 而SMN 是一種以其在SMN-Gemin 多蛋白復(fù)合物中的管家作用而聞名的蛋白,其參與了小核蛋白(SnRNP) 的組裝[16],調(diào)控前體mRNA 剪接,同時還參與機體多種生理功能,包括應(yīng)激反應(yīng)、軸突運輸、細胞骨架動力學(xué)、線粒體和生物能量途徑以及泛素途徑等[17]。Groen EJN 等[18]在嚴重型SMA 小鼠模型中發(fā)現(xiàn)SMN 蛋白的表達具有組織間差異,且在神經(jīng)組織中表達最高,與本實驗中SMN2 外顯子7 列入的組織間差異相一致,SMN 可能是調(diào)控SMN2 外顯子7 組織特異性列入的因子之一。 與此同時,HNRNP 家族成員HNRNPR,已被證明能夠與SMN 蛋白在運動神經(jīng)元中直接相互作用[19]。 同時,由RNA 識別基序(RRM)區(qū)和由絲氨酸和精氨酸的重復(fù)序列組成的RS 區(qū)兩個結(jié)構(gòu)域組成[8]的SR 蛋白,已發(fā)現(xiàn)其在不同組織中差異表達[20],且能夠調(diào)控SMN 蛋白的表達[21]。 而本實驗在研究時,發(fā)現(xiàn)Hnrnph2 顯著下調(diào),Srsf7、Srsf9 及Nova2 表達顯著上調(diào),這可能是因為受到SMN 蛋白的調(diào)控,從而表達發(fā)生上調(diào)或下調(diào)。
除此之外,神經(jīng)特異性表達的剪接因子NOVA1或NOVA2 與多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病有密切關(guān)系[22],本研究發(fā)現(xiàn)SMA 小鼠中Nova1 及Nova2 表達與SMA相關(guān)基因SMN2 外顯子7 列入呈正相關(guān),表明NOVA 家族與SMA 疾病之間存在著某種聯(lián)系。 同時,NOVA 與HNRNPK、MER1 等蛋白均具有KH 結(jié)構(gòu)域[23],且具有調(diào)控剪接的作用,而其調(diào)控剪接的作用是與靶mRNA YCAY[24-25]元件結(jié)合來實現(xiàn)的,通過序列分析,發(fā)現(xiàn)在SMN2 外顯子7 內(nèi)有該序列,提示NOVA1 或NOVA2 可能結(jié)合該序列直接調(diào)控SMA 相關(guān)基因SMN2 剪接。 而有關(guān)SRSF7/9 和NOVA 剪接因子對SMN2 外顯子7 列入的具體調(diào)控機制有待深入研究。
綜上所述, SMA Ⅰ型小鼠中,SMN2 外顯子7列入及相關(guān)剪接因子的表達變化具有組織間差異,且神經(jīng)組織中,Srsf7/9 和Nova1/2 高表達與SMN2外顯子7 列入顯著提高呈正相關(guān),剪接因子SRSF7/9 及NOVA1/2 可能參與SMN2 基因的剪接調(diào)控。