OGG1與Smad7蛋白相互作用的具體區(qū)域鑒定

方耀威,許志亮,王亞紅,高勝蘭,吳 鏗,劉 剛*

(1廣東醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院臨床研究中心,湛江 524000;2廣東醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院心內(nèi)科;*通訊作者,E-mail:gangliu11@gdmc.edu.cn)

肺纖維化是一種預(yù)后極差的慢性肺部疾病,其發(fā)病機(jī)制尚未清楚。近年來(lái),肺纖維化的發(fā)病率和病死率也逐漸升高。雖然已上市的吡非尼酮和尼達(dá)尼布能延緩肺纖維化的進(jìn)程,但作用有限,因此仍迫切需要更有效的藥物來(lái)滿足臨床的治療[1]。

轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子1(transforming growth factor-beta 1,TGF-β1)具有促進(jìn)組織纖維化的重要功能[2],TGF-β1通過(guò)激活Smad依賴(lài)性和非依賴(lài)性途徑發(fā)揮其生物學(xué)活性[3]。其中,Smad2和Smad3是促進(jìn)TGF-β1介導(dǎo)的組織纖維化的兩個(gè)主要下游調(diào)節(jié)因子,而Smad7作為T(mén)GF-β1/Smad通路的負(fù)反饋調(diào)節(jié)因子,阻斷了TGF-β1介導(dǎo)的促纖維化信號(hào)[4]。

8-氧鳥(niǎo)嘌呤DNA糖化酶1(8-oxoguanine DNA glycosylase-1,OGG1)是一種DNA修復(fù)酶,在氧化應(yīng)激的情況下,它通過(guò)與DNA鏈上的8-oxoG結(jié)合從而啟動(dòng)堿基切除修復(fù)(BER)過(guò)程[5]。本課題組前期研究[6]發(fā)現(xiàn),OGG1在博來(lái)霉素誘導(dǎo)的小鼠肺組織中表達(dá)上調(diào),對(duì)小鼠肺部組織進(jìn)行病理切片后,蘇木素-伊紅(HE)染色發(fā)現(xiàn)肺泡結(jié)構(gòu)紊亂并有實(shí)變,Masson染色觀察發(fā)現(xiàn)肺泡間隙有大量藍(lán)色膠原沉積,而敲除OGG1能緩解博來(lái)霉素誘導(dǎo)的小鼠肺纖維化,通過(guò)進(jìn)一步探討OGG1影響肺纖維化的機(jī)制,證實(shí)了OGG1與Smad7存在相互作用,但其相互作用的具體區(qū)域不明。本實(shí)驗(yàn)在前期研究的基礎(chǔ)上,通過(guò)原核表達(dá)系統(tǒng)獲得OGG1和Smad7不同截段體蛋白,并在體外進(jìn)行pull-down檢測(cè),進(jìn)而發(fā)現(xiàn)OGG1與Smad7相互作用的具體區(qū)域。

1 材料與方法

1.1 儀器

蛋白電泳槽(貨號(hào):1658000)、半干轉(zhuǎn)印系統(tǒng)轉(zhuǎn)印槽(貨號(hào):1703849)以及化學(xué)成像系統(tǒng)(貨號(hào):17001395)均購(gòu)于美國(guó)Bio-Rad公司、脫色搖床(貨號(hào):G004408-0001,中國(guó)生工)、試管旋轉(zhuǎn)搖床(貨號(hào):E0039,中國(guó)碧云天)、小型磁力架(貨號(hào):B518800,中國(guó)生工)。

1.2 試劑

Protein G免疫磁珠(貨號(hào):D110561,中國(guó)生工)、甲醇(貨號(hào):A601617,中國(guó)生工)、30%丙烯酰胺(貨號(hào):1610157,美國(guó)Bio-Rad公司)、APS(貨號(hào):A3678,美國(guó)Sigma公司)、Tris base(貨號(hào):V900483,美國(guó)Sigma公司)、TEMED(貨號(hào):T7024,美國(guó)Sigma公司)、10% SDS(貨號(hào):151-21-3,美國(guó)Sigma公司)、BCA蛋白濃度測(cè)定試劑盒(貨號(hào):P0012,中國(guó)碧云天公司)、5xLoading Buffer(貨號(hào):C506032-0005,中國(guó)生工)、蛋白預(yù)染Marker(貨號(hào):26620,美國(guó)ThermoFisher公司)、PVDF膜(貨號(hào):ISEQ00010,美國(guó)Sigma公司)、Tween 20(貨號(hào):ST828-500ml,中國(guó)碧云天公司)、兔抗GST-Tag多克隆抗體(貨號(hào):D110271-0100,中國(guó)生工)、小鼠抗S-Tag單克隆抗體(貨號(hào):D191105-0100,中國(guó)生工)、辣根過(guò)氧化物酶標(biāo)記山羊抗小鼠IgG(H+L)(貨號(hào):A0216,中國(guó)碧云天公司)、辣根過(guò)氧化物酶標(biāo)記山羊抗兔IgG(H+L)(貨號(hào):A0208,中國(guó)碧云天公司)、發(fā)光液A+B(貨號(hào):34577,美國(guó)ThermoFisher公司)。

1.3 Pull-down實(shí)驗(yàn)

按照實(shí)驗(yàn)需求設(shè)置3種不同的分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn),谷胱苷肽羧基轉(zhuǎn)移酶(glutathione-S-transferase,GST)和S標(biāo)簽肽(S tag peptide,S-tag)為標(biāo)簽蛋白,與被檢測(cè)目的蛋白如OGG1和Smad7,及它們各自截?cái)囿w蛋白結(jié)合成為融合蛋白,各種融合蛋白已提前制備完畢。

分組一:為檢測(cè)OGG1與Smad7存在相互作用,設(shè)置GST標(biāo)簽蛋白對(duì)照組、GST+S-tag-Smad7組、GST-OGG1組以及GST-OGG1+S-tag-Smad7組,每組的蛋白量為50 μg,并用1 ml反應(yīng)液與每組蛋白混合,反應(yīng)液的具體成分為20 mmol/L Tris鹽酸鹽(Tris-HCl)、100 mmol/L氯化鈉(NaCl)、50 mmol/L氯化鉀(KCl)、0.5 mmol/L乙二胺四乙酸(EDTA)、1 mmol/L氯化鎂(MgCl2)和5%(V/V)甘油(glycerol),在4 ℃中用試管旋轉(zhuǎn)搖床孵育12 h,使GST-OGG1融合蛋白與S-tag-Smad7充分結(jié)合,提前留取40 μl反應(yīng)液作為輸入對(duì)照組(Input,IP),加入5×Loading Buffer混勻后沸水加熱5 min制備樣品。在剩下的10 μl反應(yīng)液中加入GST抗體1 μg,室溫孵育1 h,再加入50 μl protein G磁珠室溫孵育15 min,使用小型磁力架吸附附有結(jié)合蛋白的磁珠,使用PBS-T在4 ℃下洗滌5次,每次10 min,去除上清后,使用40 μl洗脫液(pH=2.8,0.2 mol/L glycerol)室溫洗脫3 min,此時(shí)磁珠與蛋白發(fā)生解離,再用磁力架子吸附磁珠,上清液即為純化后的每組融合蛋白(IP:GST),如果OGG1和Smad7融合蛋白之間有結(jié)合,則蛋白在洗脫過(guò)程中不容易解離,用BCA蛋白濃度測(cè)定試劑盒進(jìn)行蛋白定量,取上清液加入5×Loading Buffer混勻后沸水加熱5 min制備樣品。

分組二:為了檢測(cè)不同的OGG1截段體與Samd7的相互作用,將GST-OGG1+S-tag-Smad7融合蛋白混合后作為對(duì)照組、GST-OGG1(1-242 aa)+S-tag-Smad7、GST-OGG1(1-138 aa)+S-tag-Smad7、GST-OGG1(1-63 aa)+S-tag-Smad7和GST-OGG1(34-346 aa)+S-tag-Smad7作為實(shí)驗(yàn)組,每組的蛋白量為50 μg,加入反應(yīng)液4℃孵育12 h使蛋白充分結(jié)合,每組取40 μl反應(yīng)液作為Input對(duì)照組,制樣。在剩下10 μl反應(yīng)液中每組加入S-Tag抗體1 μg(IP:S-tag),室溫孵育1 h,其余的磁珠純化與蛋白制樣步驟同分組一。

分組三:為了檢測(cè)OGG1(34-346 aa)與不同的Smad7截段體間的相互作用,將S-tag-Smad7+GST-OGG1(34-346 aa)融合蛋白混合后作為對(duì)照組、S-tag-Smad7(1-308 aa)+GST-OGG1(34-346 aa)、S-tag-Smad7(1-240 aa)+GST-OGG1(34-346 aa)和S-tag-Smad7(1-128 aa)+GST-OGG1(34-346 aa)作為實(shí)驗(yàn)組,每組的蛋白量為50 μg,加入反應(yīng)液4 ℃孵育12 h使蛋白充分結(jié)合,每組取40 μl反應(yīng)液作為Input對(duì)照組,制樣。在剩下10 μl反應(yīng)液每組加入GST抗體1 μg(IP:GST),室溫孵育1 h,其余的磁珠純化與蛋白制樣步驟同分組一。

1.4 Western blot實(shí)驗(yàn)檢測(cè)GST標(biāo)簽蛋白和S-tag標(biāo)簽蛋白表達(dá)

制備10%SDS-PAGE膠,取20 μl已經(jīng)制備好的蛋白樣本加入各孔,以80 V使蛋白下降至分離膠,然后轉(zhuǎn)為110 V繼續(xù)電泳,使蛋白跑到底以后,通過(guò)預(yù)染的Marker對(duì)膠塊進(jìn)行修正切小。按照順序?qū)V紙、膠塊、膜、濾紙平鋪在半干轉(zhuǎn)儀上,鋪膜上去以后用玻璃棒輕輕滾動(dòng),趕走氣泡,然后夾成“三文治”狀。套上轉(zhuǎn)膜蓋板,以23 V進(jìn)行半干轉(zhuǎn),總長(zhǎng)為40 min。將半干轉(zhuǎn)后的膜用TBST進(jìn)行漂洗后,以TBST配制的5%的脫脂牛奶進(jìn)行常溫封閉,封閉時(shí)間為2 h。TBST漂洗3次,每次5 min,隨后根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求孵育兔抗GST-Tag抗體(稀釋比1 ∶1 000)或小鼠抗S-Tag抗體(稀釋比1 ∶1 000)抗體,根據(jù)膜的大小適量調(diào)整孵育抗體的量,4 ℃孵育18 h,去除一抗后,TBST漂洗3次,每次5 min,然后使用辣根過(guò)氧化物酶標(biāo)記山羊抗兔/小鼠IgG(H+L)(稀釋比1 ∶5 000)抗體常溫孵育1 h,去除二抗后,TBST漂洗5次,每次5 min。加入發(fā)光液A+B后用化學(xué)成像系統(tǒng)機(jī)器進(jìn)行顯影。

2 結(jié)果

2.1 OGG1與Smad7體外相互作用

將GST-OGG1與S-tag-Smad7在反應(yīng)液共孵育處理后,預(yù)留一部分反應(yīng)液將作為輸入對(duì)照組,在未進(jìn)行pull-down實(shí)驗(yàn)前,進(jìn)行免疫印跡檢測(cè)GST或S-tag標(biāo)簽蛋白,結(jié)果發(fā)現(xiàn)GST標(biāo)簽約在25 kD,S-tag-Smad7標(biāo)簽約在58 kD,GST-OGG1標(biāo)簽約在66 kD,GST-OGG1+S-tag-Smad7標(biāo)簽分別約在66 kD和58 kD(見(jiàn)圖1)。剩下的一部分反應(yīng)液加入GST抗體蛋白與其融合蛋白充分結(jié)合后,磁珠純化后免疫印跡檢測(cè)S-tag標(biāo)簽蛋白,發(fā)現(xiàn)單獨(dú)的GST標(biāo)簽組、GST+S-tag-Smad7和GST-OGG1組均未發(fā)現(xiàn)相互作用,在GST-OGG1+S-tag-Smad7組則發(fā)現(xiàn)在58 kD處發(fā)生相互作用(見(jiàn)圖1)。

Input:輸入組;IB:免疫印跡;IP:免疫沉淀圖1 OGG1和Smad7體外pull-down實(shí)驗(yàn)分析Figure 1 Interaction between OGG1 and Smad7 by pull-down assay

2.2 OGG1截段體與Smad7體外相互作用

OGG1各截段體氨基酸分區(qū):66 kD(1-346 aa),57 kD(1-242 aa),43 kD(1-138 aa),35 kD(1-63 aa),62 kD(34-346 aa)(見(jiàn)圖2)。

圖2 OGG1各截段體分區(qū)Figure 2 Partition of truncated OGG1

將GST-OGG1不同截段體1-346 aa、1-242 aa、1-138 aa、1-63 aa和34-346 aa,與S-tag-Smad7在反應(yīng)液共孵育處理后,將其反應(yīng)液與洗脫液分別進(jìn)行Western blot,結(jié)果發(fā)現(xiàn)OGG1(1-346 aa)和Smad7約在66 kD處有相互作用,OGG1(34-346 aa)與Smad7約在62 kD處有相互作用,1-242 aa、1-138 aa、1-63 aa均未與Smad7發(fā)生相互作用(見(jiàn)圖3)。

2.3 Smad7截段體與OGG1體外相互作用

Smad7各截段體氨基酸分區(qū):58 kD(1-428 aa),46 kD(1-308 aa),38 kD(1-240 aa),25 kD(1-128 aa)(見(jiàn)圖4)。

圖4 Smad7各截段體分區(qū)Figure 4 Partition of truncated Smad7

將S-tag-Smad7不同截段體1-428 aa、1-308 aa、1-240 aa和1-128 aa分別與GST-OGG1(34-346 aa)在反應(yīng)液共孵育處理后,將其反應(yīng)液與洗脫液分別進(jìn)行Western blot,結(jié)果發(fā)現(xiàn)1-428 aa、1-308 aa、1-240 aa都可以與GST-OGG1(34-346 aa)相互作用,它們分別的相互作用位置約為58 kD、46 kD和38 kD,但1-128 aa并不與GST-OGG1(34-346 aa)發(fā)生相互作用(見(jiàn)圖5)。

1.GST-OGG1(1-346 aa)+S-tag-Smad7;2.GST-OGG1(1-242 aa)+S-tag-Smad7;3.GST-OGG1(1-138 aa)+S-tag-Smad7;4.GST-OGG1(1-63 aa)+S-tag-Smad7;5.GST-OGG1(34-346 aa)+S-tag-Smad7圖3 不同OGG1截段體和Smad7體外pull-down實(shí)驗(yàn)分析Figure 3 Interaction between different truncated OGG1 and Smad7 by pull-down assay

1.S-tag-Smad7(1-428 aa)+GST-OGG1(34-346 aa);2.S-tag-Smad7(1-308 aa)+GST-OGG1(34-346 aa);3.S-tag-Smad7(1-240 aa)+GST-OGG1(34-346 aa);4.S-tag-Smad7(1-128 aa)+GST-OGG1(34-346 aa)圖5 不同Smad7截段體和OGG1(34-346 aa)體外pull-down實(shí)驗(yàn)分析Figure 5 Interaction between different truncated Smad7 and OGG1(34-346 aa) by pull-down assay

3 討論

有研究表明,OGG1能防止石棉誘導(dǎo)的線粒體氧化應(yīng)激所導(dǎo)致的肺泡上皮細(xì)胞(AEC)凋亡,改善石棉引起的小鼠肺纖維化[7]。同時(shí),OGG1通過(guò)調(diào)節(jié)NF-κB信號(hào)通路,促進(jìn)肺泡2型上皮細(xì)胞(AEC2)的增殖和自我更新,從而緩解小鼠肺纖維化進(jìn)程[8]。本項(xiàng)目的前期研究結(jié)果表明,OGG1分別促進(jìn)了肺泡上皮細(xì)胞和肺成纖維細(xì)胞的轉(zhuǎn)分化和激活過(guò)程,并且OGG1的缺失能夠顯著緩解博來(lái)霉素誘導(dǎo)的小鼠肺纖維化程度[6]。由此可見(jiàn),OGG1參與調(diào)控肺纖維化的進(jìn)程,但其具體作用機(jī)制尚不明確。

本次實(shí)驗(yàn)證實(shí)了OGG1全長(zhǎng)蛋白與Smad7全長(zhǎng)蛋白存在相互作用(見(jiàn)圖1),為了進(jìn)一步驗(yàn)證OGG1全長(zhǎng)與Smad7全長(zhǎng)發(fā)生相互作用的具體區(qū)域,我們構(gòu)建了OGG1的5段截段體(見(jiàn)圖2),實(shí)驗(yàn)證實(shí),OGG1的1-242 aa區(qū)間截段體與Smad7全長(zhǎng)無(wú)相互作用,而34-346 aa和1-346 aa截段體與Smad7全長(zhǎng)存在有相互作用(見(jiàn)圖3),提示OGG1的242-346 aa區(qū)域與Smad7全長(zhǎng)存在相互作用。研究發(fā)現(xiàn),OGG1的半胱氨酸殘基在氧化應(yīng)激下起不同的功能性作用,按其功能作用可分為四類(lèi):糖基化酶活性位點(diǎn)(C146和C255);裂解酶活性位點(diǎn)(C140S,C163,C241和C253);結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性位點(diǎn)(C253)和未知功能位點(diǎn)(C28和C75)。其中當(dāng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性位點(diǎn)(C253)突變?yōu)榱涟彼峄蛘弋惲涟彼釙r(shí),會(huì)嚴(yán)重降低OGG1的催化活性,其次,糖基化酶活性位點(diǎn)C255突變比C146突變更加影響OGG1的糖基化酶活性[9,10]。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),OGG1的242-346 aa區(qū)域與Smad7全長(zhǎng)存在相互作用,且該區(qū)域包含有C253和C255位點(diǎn),提示該位點(diǎn)除維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定活性和糖基化酶活性外,還可以通過(guò)與Smad7發(fā)生相互作用,從而發(fā)揮新的病理生理功能,但其具體作用機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。

已知OGG1(242-346 aa)與Smad7全長(zhǎng)發(fā)生相互作用,但Smad7與OGG1相互作用區(qū)域仍未知,因此,我們進(jìn)一步構(gòu)建Smad7的4段截段體(見(jiàn)圖4),結(jié)果發(fā)現(xiàn),除了1-128 aa不與GST-OGG1(34-346 aa)相互作用外,其他區(qū)域都與其有相互作用(見(jiàn)圖5),側(cè)面提示Smad7(128-240 aa)與OGG1(242-346 aa)存在相互作用。研究表明,Smad蛋白是TGF-β/Smad信號(hào)通路中的關(guān)鍵蛋白,在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中已經(jīng)鑒定出8種Smad蛋白,并將其分類(lèi)為3種亞家族:受體調(diào)控的Smads(R-Smads:Smad1、Smad2、Smad3、Smad5、Smad8)、伴侶Smads(Co-Smad:Smad4)和抑制性Smads(I-Smads:Smad6和Smad7)[11,12]。Smad7是TGF-β/Smad信號(hào)的負(fù)性調(diào)控因子,它通過(guò)與TGF-β的I型受體(TβRI)結(jié)合,從而抑制TGF-β信號(hào)通路;其次,它還能通過(guò)其MH2結(jié)構(gòu)域阻斷Smad2/3的激活[13]。另外,TGF-β通過(guò)結(jié)合它的Ⅱ型受體(TβRⅡ),并磷酸化激活TβRI,此時(shí),TβRI進(jìn)一步磷酸化激活Smad2/3[13]。本研究結(jié)果初步證實(shí),OGG1截段體(242-346 aa)與Smad7截段體(128-240 aa)間存在相互作用,因此提示OGG1可能通過(guò)與Smad7的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)域結(jié)合,從而削弱Smad7與Smad2/3的相互競(jìng)爭(zhēng)作用,同時(shí)阻斷Smad7與TβRI結(jié)合,進(jìn)而激活TGF-β/Smad2/3信號(hào)通路,發(fā)揮促進(jìn)肺纖維化的作用。

本課題組前期研究發(fā)現(xiàn),過(guò)表達(dá)OGG1,Smad2/3總蛋白及其磷酸化形式均表達(dá)上調(diào),且Smad7表達(dá)也上調(diào),同時(shí)通過(guò)細(xì)胞免疫共沉淀實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn),OGG1與Smad7之間存在相互作用[6]。本研究首次發(fā)現(xiàn),OGG1的242-346 aa區(qū)域與Smad7的128-240 aa區(qū)域存在相互作用,提示OGG1可能通過(guò)與Smad7結(jié)合,從而削弱Smad7對(duì)Smad2/3的抑制作用。因此,參與激活Smad2/3介導(dǎo)的促纖維化信號(hào),加速肺纖維化進(jìn)程,本研究結(jié)果進(jìn)一步完善了OGG1促肺纖維化進(jìn)程的作用機(jī)制。