張 倩,陳濤琳,余 靂,黃明敏,譚擁軍
(湖南大學(xué)生物學(xué)院,長沙 410082)
乳腺癌是女性最常見的惡性腫瘤之一,按病理類型可分為浸潤性導(dǎo)管癌和非浸潤性導(dǎo)管癌。乳腺癌患者的治療成功率較低,腫瘤復(fù)發(fā)風(fēng)險高,因而其預(yù)后較差,導(dǎo)致的死亡率也高。許多蛋白質(zhì)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶(protein arginine methyltransferases,PRMTs)的表達(dá)水平和酶活性都在乳腺癌的發(fā)病過程中起著重要作用,調(diào)控著許多與乳腺癌的發(fā)生、發(fā)展有關(guān)的細(xì)胞通路。
共激活因子相關(guān)的精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶1(coactivator associated arginine methyltransferase 1,CARM1),又稱為蛋白質(zhì)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶4(protein arginine N-methyltransferase 4,PRMT4),屬于蛋白質(zhì)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶家族[1]。作為 I型蛋白質(zhì)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶,CARM1能夠催化蛋白底物上的精氨酸,形成不對稱二甲基精氨酸[2]。CARM1可以通過多種機制激活轉(zhuǎn)錄,包括組蛋白H3甲基化[3]、輔助活化因子CBP/P300的甲基化[4]、染色質(zhì)重構(gòu)蛋白的招募[5]等,是哺乳動物體內(nèi)不可或缺的一種酶[6]。已有研究顯示,CARM1在結(jié)直腸癌[7]、肺癌[8]、乳腺癌[9]等多種癌癥中異常表達(dá),且與腫瘤發(fā)生、發(fā)展及不良預(yù)后相關(guān)[10]。近年來,CARM1在乳腺癌發(fā)生發(fā)展中的作用被廣泛研究。Morettin等[9]發(fā)現(xiàn)CARM1可以被蛋白激酶A(protein kinase A,PKA)磷酸化,作為雌激素受體α(estrogen receptor alpha,ERα)介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄激活的共激活因子。此外,Peng等[11]發(fā)現(xiàn)CARM1可與ER結(jié)合到染色質(zhì)增強子區(qū)域,通過對底物蛋白高度甲基化來調(diào)控ER靶基因的轉(zhuǎn)錄,并促進(jìn)乳腺癌MCF-7細(xì)胞的增殖、遷移和腫瘤發(fā)生。但CARM1在不同分型乳腺癌進(jìn)展中的分子機制還尚未完全闡明。
四環(huán)素表達(dá)調(diào)控系統(tǒng)由Gossen等[12-13]建立,由轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子、四環(huán)素反應(yīng)性啟動子和四環(huán)素類抗生素三部分組成,包括tet-on基因調(diào)控系統(tǒng)和tetoff基因調(diào)控系統(tǒng),具有高倍數(shù)誘導(dǎo)基因、可調(diào)控基因“開/關(guān)”等特點,是目前研究較多的基因表達(dá)系統(tǒng)之一。已有報道表明,經(jīng)過不斷改進(jìn),四環(huán)素表達(dá)調(diào)控系統(tǒng)的應(yīng)用已不僅僅局限于癌細(xì)胞系和轉(zhuǎn)基因動物,還可以應(yīng)用于原代細(xì)胞,其應(yīng)用范圍變得更加廣闊[14]。同時,該系統(tǒng)也為基因的表達(dá)與調(diào)控、基因的生物學(xué)作用研究提供了有效的研究方法。
本研究通過四環(huán)素操縱子系統(tǒng)構(gòu)建可誘導(dǎo)表達(dá)CARM1的乳腺癌細(xì)胞株,為探索CARM1在乳腺癌中的生物學(xué)功能以及在乳腺癌發(fā)生發(fā)展中的相關(guān)機制提供參考。
乳腺癌MDA-MB-231細(xì)胞、HEK293T細(xì)胞儲存于湖南大學(xué)生物學(xué)院分子腫瘤學(xué)實驗室;感受態(tài)DH5α、金牌Mix酶購自北京擎科新業(yè)生物技術(shù)有限公司;慢病毒載體pVSVG、Δ8.91均來自于上海生博醫(yī)學(xué)生物工程科技有限公司;pLVX-TetOne-Puro載體購自優(yōu)寶生物科技有限公司;AgeI、EcoRI限制性內(nèi)切酶購自美國Thermo Scientific公司;Dulbecco改良Eagle培養(yǎng)基(Dulbecco’s modified Eagle medium,DMEM)以及胎牛血清(fetal bovine serum,F(xiàn)BS)購自GIBCO公司;嘌呤霉素(puromycin)、多西環(huán)素(doxycycline,DOX)購自生工生物工程(上海)股份有限公司;β-actin、CARM1抗體購自Cell Signaling Technology公司;BeyoClickTMEdU-488細(xì)胞增殖檢測試劑盒購于上海碧云天生物技術(shù)有限公司。
1.2.1 細(xì)胞培養(yǎng)
MDA-MB-231細(xì)胞與HEK293T細(xì)胞所用的培養(yǎng)基均為含10% FBS的DMEM完全培養(yǎng)基。細(xì)胞培養(yǎng)箱條件設(shè)置為37℃、5% CO2濃度、90%相對濕度。當(dāng)HEK293T細(xì)胞密度達(dá)到80%進(jìn)行轉(zhuǎn)染;當(dāng)MDA-MB-231細(xì)胞密度達(dá)到70%進(jìn)行慢病毒感染后獲得可由DOX誘導(dǎo)CARM1過表達(dá)的MDAMB-231細(xì)胞株(即231-pCARM1細(xì)胞)。在后續(xù)試驗中,用含10% FBS的DMEM完全培養(yǎng)基進(jìn)行培養(yǎng)的細(xì)胞為對照組(即CARM1正常表達(dá)細(xì)胞),用含1 μg/mL DOX、10% FBS的DMEM完全培養(yǎng)基進(jìn)行培養(yǎng)的細(xì)胞為試驗組(即CARM1過表達(dá)細(xì)胞)。
1.2.2 pLVX -TetOne-CARM1-Puro慢病毒載體的構(gòu)建
以質(zhì)粒pcDNA3.1-CARM1為模板,使用5′引物(CCGGACCGGTATGGCAGCGGCGGCGGCGGC)和3′引物(CCGGGAATTCCTAGCTCCCGTAGTGCATGGT)通過PCR進(jìn)行擴(kuò)增,1%瓊脂糖凝膠電泳鑒定及膠回收,得到CARM1片段,再使用AgeI、EcoRI限制性內(nèi)切酶酶切CARM1片段,放置于37℃水浴鍋反應(yīng)1 h,金屬加熱器85℃ 15 min使酶失活,4℃保存。載體使用AgeI、EcoRI限制性內(nèi)切酶于37℃反應(yīng)1 h,1%瓊脂糖凝膠電泳鑒定及膠回收,得到酶切后pLVX-TetOne-Puro載體。將酶切后純化回收的載體和CARM1片段于22℃水浴鍋中過夜連接,反應(yīng)體系為1 μL pLVX-TetOne-Puro、4 μLCARM1片斷、1 μL T4 DNA連接酶、2 μL T4 ligase buffer、12 μL ddH2O。取5 μL連接產(chǎn)物加入到50 μL DH5α感受態(tài)大腸桿菌中,置于冰上放置30 min,42℃熱激45 s,加入300 μL LB培養(yǎng)基,放入搖床,37℃、220 r/min活化細(xì)菌1 h,用移液槍吸取適量菌液進(jìn)行涂板(含有氨芐青霉素的LB固體培養(yǎng)板),在37℃的細(xì)菌培養(yǎng)箱中正置30 min后倒置培養(yǎng)12~16 h。
1.2.3 pLVX-TetOne-CARM1-Puro慢病毒載體的鑒定
于LB固體培養(yǎng)板上挑取單菌落進(jìn)行菌落PCR鑒定,用1%瓊脂糖凝膠電泳鑒定PCR產(chǎn)物,選取陽性克隆送至北京擎科新業(yè)生物技術(shù)有限公司進(jìn)行測序鑒定。
1.2.4 慢病毒的包裝和感染
將pLVX-TetOne-CARM1-Puro(12 μg)與慢病毒包裝質(zhì)粒 pVSVG(6 μg)、Δ8.91(9 μg) 共轉(zhuǎn)染HEK293T細(xì)胞,48 h后收集慢病毒上清;1 000 r/min離心5 min,取上清,用0.45 μm的過濾頭過濾,去除細(xì)胞碎片,獲得慢病毒溶液,分裝于1.5 mL EP管中,-80℃保存。選取生長狀態(tài)良好的乳腺癌MDAMB-231細(xì)胞,待密度至70%左右,將病毒與完全培養(yǎng)基按體積比為1∶1的比例混合均勻,加入培養(yǎng)皿中進(jìn)行病毒感染;48 h后更換新鮮培養(yǎng)基,同時加入嘌呤霉素(1 μg/mL)進(jìn)行篩選,持續(xù)7 d,將篩選得到的細(xì)胞進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng),得到受四環(huán)素誘導(dǎo)過表達(dá)CARM1的乳腺癌MDA-MB-231細(xì)胞株。
1.2.5 蛋白提取與蛋白質(zhì)免疫印跡(Western blot)
細(xì)胞用預(yù)冷的磷酸緩沖鹽溶液(phosphate buffer saline,PBS)洗3次,蛋白酶抑制劑與細(xì)胞裂解液按體積比為1∶100的比例加入培養(yǎng)皿;輕微搖晃均勻,冰上放置20 min,收集至1.5 mL EP管中,4℃下13 000 r/min離心10 min,收集上清,即為總蛋白。二喹啉甲酸試驗法(bicinchoninic acid assay,BCA)測定蛋白濃度。每孔上樣量為40 μg總蛋白質(zhì),進(jìn)行聚丙烯酰胺凝膠電泳(polyacrylamide gel electrophoresis,SDS-PAGE);轉(zhuǎn)印至聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)膜;以含有Tween20的Tris緩沖鹽溶液(Tris-buffered saline and Tween 20,TBST)配制5%的脫脂牛奶封閉液進(jìn)行封閉,室溫封閉1 h;4℃孵育一抗2 h,TBST洗5次,每次5 min;4℃孵育二抗2 h,TBST洗5次,每次5 min;顯影。
1.2.6 RNA提取與實時熒光定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(RT-PCR)
細(xì)胞用預(yù)冷的PBS洗3次,加入Triton裂解細(xì)胞,提取細(xì)胞中的總RNA。每個樣品取1 μg RNA進(jìn)行逆轉(zhuǎn)錄反應(yīng)以獲得細(xì)胞基因組cDNA。以cDNA為模板,加入DNA合成原料和引物進(jìn)行RT-PCR。分別對CARM1cDNA以及3-磷酸甘油醛脫氫酶(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, GAPDH)的cDNA(內(nèi)參)進(jìn)行擴(kuò)增,通過檢測不同反應(yīng)體系中CARM1cDNA的熒光強度與GAPDHcDNA 的熒光強度的比值以計算不同樣品中CARM1mRNA的相對含量。試驗中使用的引物對如下:
CARM1-F:GCCATCCTGCAAAACCACA;
CARM1-R:CGGCAAAAAACGACAGGATC。
GAPDH-F:CCATGTTCGTCATGGGTGTGAACCA;
GAPDH-R:GCCAGTAGAGGCAGGGATGATGTTC。
RT-PCR所使用的程序如下。1)預(yù)熱:95℃2 min;2)變性:95℃ 15 s;3)退火:55℃ 15 s;4)延伸 :68℃ 20 s;5)重復(fù)步驟2~4,循環(huán)40次。
1.2.7 細(xì)胞增殖檢測
待細(xì)胞密度至90%以上,加入1 mL 20 μmol/L胸腺嘧啶脫氧核苷類似物(5-ethynyl-2′-deoxyuridine,EdU)溶液孵育2 h;去除培養(yǎng)基,加入1 mL 4%多聚甲醛固定15 min;去除多聚甲醛,加入1 mL PBS洗3 min,重復(fù)3遍;去除PBS,加入1 mL含0.3% Triton-100的PBS,孵育15 min;再加入1 mL PBS洗3 min,重復(fù)3遍;去除PBS,加入0.5 mL Click反應(yīng)液,避光孵育30 min;加入1 mL PBS洗3 min,重復(fù)3遍;加入含4′,6-二脒基-2-苯基吲哚(4′,6-diamidi-no-2-phenylindole,DAPI)的抗熒光淬滅封片液,室溫避光孵育15 min。置于熒光顯微鏡下觀察并拍照。
1.2.8 細(xì)胞周期檢測
待細(xì)胞長滿后,用PBS洗3遍,再用0.25%的胰酶消化,收集細(xì)胞于1.5 mL EP管中,4℃下1 000 r/min離心5 min;再用 PBS洗3遍,4℃下1 000 r/min離心5 min,去上清,加入500 μL 70%乙醇,吹打均勻,-20℃放置過夜;4℃下1 000 r/min離心5 min,去上清,加入適量PBS,進(jìn)行碘化丙啶(propidium iodide,PI)染色,PI與PBS體積比為1∶100,室溫避光孵育30 min;將細(xì)胞用300目篩網(wǎng)過濾至1.5 mL EP管內(nèi),上機檢測,所得數(shù)據(jù)使用軟件Flowjo V10進(jìn)行分析。
1.2.9 細(xì)胞劃痕試驗
將細(xì)胞接種于6孔細(xì)胞培養(yǎng)板中,確保細(xì)胞密度在60%以上;待細(xì)胞長滿后,去除培養(yǎng)基,用200 μL無菌槍頭劃3條平行的劃痕,用PBS洗2遍。對照組加入2 mL新鮮培養(yǎng)基,試驗組加入2 mL含1 μg/mL DOX的培養(yǎng)基進(jìn)行培養(yǎng),每隔24 h進(jìn)行拍照。
1.2.10 平板克隆試驗
將細(xì)胞接種于6孔細(xì)胞培養(yǎng)板中,每孔細(xì)胞數(shù)為400個左右,加入1 mL新鮮培養(yǎng)基,待細(xì)胞完全貼壁后更換為2 mL新鮮培養(yǎng)基,之后觀察細(xì)胞狀態(tài),每2 d更換1次培養(yǎng)基;14 d后吸去培養(yǎng)基,PBS洗3遍,每孔加入1 mL 0.1%結(jié)晶紫溶液染色30 min,再用PBS洗5遍。
1.2.11 UALCAN在線網(wǎng)站分析
UALCAN(http://ualcan.path.uab.edu)是一個TCGA數(shù)據(jù)庫在線分析網(wǎng)站,簡單易操作。點擊TCGA Analysis,輸入目的基因CARM1(PRMT4),選擇不同類型的癌癥進(jìn)行相關(guān)分析。
利用UALCAN網(wǎng)站分析了CARM1與不同類型的癌癥之間的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)在結(jié)直腸癌(n=327)、肺癌(n=574)、乳腺癌(n=1 211)等癌癥中均存在CARM1表達(dá)異常(圖1)。這與之前的研究也是相一致的[7-9],進(jìn)一步表明了CARM1與癌癥之間的強相關(guān)性。
圖1 在線網(wǎng)站分析CARM1與各種癌癥的相關(guān)性Fig. 1 Analysis of the correlation between CARM1 and various cancers via an online website
為了探索CARM1在癌癥中的生物學(xué)效應(yīng),我們制備了pLVX-TetOne-CARM1-Puro慢病毒質(zhì)粒。首先,通過PCR擴(kuò)增得到CARM1片段,條帶長度預(yù)計為1 800 bp左右。從圖2a中可以看到其條帶位置正確。用AgeI、EcoRI限制性內(nèi)切酶雙酶切載體(圖2b),之后進(jìn)行連接過夜、轉(zhuǎn)化、挑取單克隆進(jìn)行菌落PCR鑒定(圖2c)。質(zhì)粒圖譜如圖2d所示。選取狀態(tài)良好的HEK293T細(xì)胞,待細(xì)胞密度至70%~80%時進(jìn)行轉(zhuǎn)染,48 h后收取病毒上清,離心后過濾,-80℃下分裝保存。
圖2 pLVX-Tetone-CARM1-Puro質(zhì)粒構(gòu)建Fig. 2 pLVX-Tetone-CARM1-Puro plasmid construction
為了驗證CARM1對乳腺癌的發(fā)生、發(fā)展起著什么樣的作用,本文檢驗了乳腺癌MDA-MB-231細(xì)胞和MCF-7細(xì)胞中CARM1的表達(dá)量。結(jié)果如圖3a所示,MDA-MB-231細(xì)胞中CARM1的表達(dá)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于MCF-7細(xì)胞,因此,我們選擇MDAMB-231細(xì)胞作為細(xì)胞模型。通過病毒感染、嘌呤霉素(1 μg/mL)篩選獲得四環(huán)素誘導(dǎo)過表達(dá)CARM1乳腺癌MDA-MB-231細(xì)胞株(圖3b)。提取蛋白和RNA進(jìn)行Western blot檢測和RT-PCR分析,結(jié)果如圖3c和3d所示。與對照組相比,試驗組CARM1的表達(dá)量在蛋白水平和RNA水平都有明顯上升,說明誘導(dǎo)過表達(dá)CARM1的乳腺癌MDA-MB-231細(xì)胞株構(gòu)建成功。
圖3 誘導(dǎo)表達(dá)CARM1乳腺癌MDA-MB-231細(xì)胞的驗證Fig. 3 Verification of induced expression of CARM1 in MDA-MB-231 cell
在細(xì)胞鋪滿整個培養(yǎng)皿時進(jìn)行細(xì)胞劃痕試驗,在0、24 h拍照記錄。結(jié)果發(fā)現(xiàn):與未誘導(dǎo)的細(xì)胞相比較(圖4a1、4a2),加入DOX誘導(dǎo)24 h后的231-pCARM1細(xì)胞(圖4a3、4a4)遷移能力更強;使用結(jié)晶紫染色來觀察細(xì)胞克隆形成,發(fā)現(xiàn)與未誘導(dǎo)的細(xì)胞相比較,加入DOX誘導(dǎo)的細(xì)胞克隆形成能力更強(圖4b);使用EdU-488細(xì)胞增殖試劑盒檢測細(xì)胞增殖,發(fā)現(xiàn)與未誘導(dǎo)的細(xì)胞相比較,誘導(dǎo)后的細(xì)胞增殖能力更強(圖4c);利用流式細(xì)胞儀檢測細(xì)胞周期變化,發(fā)現(xiàn)與未誘導(dǎo)的細(xì)胞相比較,誘導(dǎo)后的細(xì)胞G1期細(xì)胞比率減少,S期和G2/M期的細(xì)胞比率增加,過表達(dá)CARM1能夠促進(jìn)細(xì)胞周期的進(jìn)程(圖4d)。這些結(jié)果表明,誘導(dǎo)過表達(dá)CARM1對乳腺癌MDA-MB-231細(xì)胞的增殖、克隆形成、遷移有一定的促進(jìn)作用。
圖4 過表達(dá)CARM1促進(jìn)了乳腺癌的遷移、克隆形成以及增殖Fig. 4 Overexpression of CARM1 promotes migration, clonal formation and proliferation of breast cancer
乳腺癌是一種高度異質(zhì)性的疾病,70%~80%未發(fā)生轉(zhuǎn)移的早期乳腺癌患者能夠得到治愈,而臨床上對于絕大多數(shù)已發(fā)生轉(zhuǎn)移的晚期乳腺癌患者則缺乏有效的治療手段[15]。2018全球癌癥報告顯示,乳腺癌在全球女性癌癥中的發(fā)病率和死亡率位居首位,且發(fā)病率仍在上升[16]。
PRMTs涉及許多細(xì)胞過程,包括轉(zhuǎn)錄、DNA修復(fù)、RNA代謝、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用等[17]。CARM1催化精氨酸的甲基化修飾是一種翻譯后修飾,不論是在正常生理過程還是疾病中都發(fā)揮著不可忽視的作用。Shishkova等[6]發(fā)現(xiàn)了130多個CARM1的甲基化底物蛋白,且大多與癌癥相關(guān)。例如,中介體復(fù)合物亞基12(mediator complex subunit 12,MED12)在人類各種癌癥中頻繁發(fā)生突變,與轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)相關(guān),而CARM1可甲基化MED12,并與其表達(dá)呈現(xiàn)正相關(guān)性,二者高表達(dá)能夠顯著提高乳腺癌患者的總生存率和無病生存率[18]。另有研究證實,CARM1也可以甲基化組蛋白H3第17位的精氨酸,上調(diào)轉(zhuǎn)錄因子E2F1(E2F transcription factor 1,E2F1)的表達(dá),進(jìn)而促進(jìn)腫瘤的生長與增殖[19]。與此一致的是CARM1過表達(dá)增加了細(xì)胞周期蛋白E1(cyclin E1,CCNE1)的表達(dá)水平,促進(jìn)了腫瘤的發(fā)生[20]。這些證據(jù)表明,CARM1的表達(dá)水平過高能夠促進(jìn)腫瘤的發(fā)生與發(fā)展。
以上試驗結(jié)果表明,CARM1在乳腺癌細(xì)胞的增殖、遷移等過程中發(fā)揮著相當(dāng)重要的作用,并可能借此參與乳腺癌的發(fā)生、發(fā)展以及轉(zhuǎn)移。然而,細(xì)胞水平的研究可能無法準(zhǔn)確反映在人體內(nèi)CARM1與乳腺癌之間的聯(lián)系。因此,在后續(xù)的研究過程中,本課題組將在個體水平上更深入地研究CARM1與乳腺癌發(fā)病機制之間的聯(lián)系,以期為乳腺癌的臨床干預(yù)提供新的治療靶點。