毛旭娜,李 軍
(聊城大學(xué) 藥學(xué)院,山東 聊城252059)
Toll樣受體(Toll-like-receptors,TLRs)是一個重要的天然免疫受體家族,能夠感知多種病原相關(guān)的分子模式(patho-associated molecular patterns,PAMPs),如未甲基化雙鏈DNA(CpG)、單鏈RNA(ssRNA)、脂蛋白、脂多糖(LPS)和鞭毛蛋白[1]。當(dāng)TLRs特異性識別了PAMPs后,通過多種接頭分子啟動先天免疫反應(yīng),產(chǎn)生促炎細(xì)胞因子,以抵抗病原體入侵。最早發(fā)現(xiàn)的Toll樣受體是黑腹果蠅Toll-1,發(fā)現(xiàn)于1985年[2],在之后的研究中發(fā)現(xiàn)該基因及其信號通路在進(jìn)化上高度保守。髓樣分化因子88(Myeloid Differentiation Factor 88,MyD88)在TLR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中發(fā)揮重要作用[3]。TLR信號通路包括MyD88依賴和MyD88非依賴信號通路[4]。在眾多toll樣受體中,只有少數(shù)TLR(如TLR3)不參與MyD88依賴的信號通路[5]。
MyD88通常由一個死亡結(jié)構(gòu)域(Death Domian,DD)、一個中間結(jié)構(gòu)域和一個TIR(Toll/白介素-l受體)結(jié)構(gòu)域組成[3]。MyD88通過TIR結(jié)構(gòu)域與多種受體的TIR結(jié)構(gòu)域結(jié)合,對上游信號進(jìn)行轉(zhuǎn)導(dǎo);通過DD結(jié)構(gòu)域之間的相互作用招募并激活I(lǐng)L-1R相關(guān)激酶(IRAK),進(jìn)而導(dǎo)致下游免疫信號級聯(lián)放大[3]。目前的研究顯示,MyD88是多種惡性腫瘤[6]、自身免疫性疾病[7,8]和感染性疾病[8]的潛在治療靶點,在炎癥反應(yīng)和免疫細(xì)胞調(diào)控與增殖的研究中發(fā)揮著重要作用,在果蠅和文昌魚中MyD88與TLRs的直接相互作用表明,該途徑在進(jìn)化過程中功能極為保守[9]。鑒于MyD88作為NF-κB信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的關(guān)鍵接頭蛋白,在天然免疫中的重要作用,已有多個物種的MyD88基因被鑒別,如脊索動物門中的文昌魚[10]、人[11]、小鼠[11]、斑馬魚[12],節(jié)肢動物門中的大腹園蛛[13]、果蠅[14],軟體動物門中的海蝸牛、櫛孔扇貝[15]、太平洋牡蠣[16],棘皮動物門中的海星以及刺胞動物門中的水螅[17]等物種,但迄今為止,后口生物和原口生物之間的過渡類群——腕足類動物MyD88基因還未鑒別。
鴨嘴海豆芽(Lingulaanatina),俗稱海豆芽[18],外形呈殼舌形或長卵形,具大小不等兩瓣殼體,腹殼后端莖孔伸出一粗大可伸縮肉莖,借肉莖肌肉收縮挖掘泥沙,穴居于潮汐帶細(xì)砂質(zhì)或泥沙質(zhì)淺灘。海豆芽屬于的冠輪動物超門(Lophotrochozoa),腕足動物門(Brachiopod),舌形貝亞門(Linguliformea)。寒武紀(jì)的化石證據(jù)證明舌形貝亞門是最為原始的腕足動物[18],現(xiàn)存舌形貝亞門仍然保留了祖先的形態(tài)和生活方式。目前已有研究人員完成了鴨嘴海豆芽基因組測序[19]。海豆芽基因組的解析為研究免疫系統(tǒng)的起源和演化提供了新的參考。
本研究成功克隆鴨嘴海豆芽MyD88基因(后均稱laMyD88)全長序列,并成功構(gòu)建表達(dá)載體進(jìn)行定位及功能分析,同時進(jìn)行革蘭氏陽性菌(金黃色葡萄球菌)和革蘭氏陰性菌(鰻弧菌)細(xì)菌挑戰(zhàn)實驗,利用實時熒光定量PCR技術(shù)進(jìn)行半定量分析,發(fā)現(xiàn)在被細(xì)菌挑戰(zhàn)后,laMyD88基因表達(dá)水平發(fā)生了變化,說明laMyD88參與鴨嘴海豆芽的天然免疫調(diào)控過程。我們的研究對于研究MyD88基因的系統(tǒng)進(jìn)化具有重要意義。
鴨嘴海豆芽采自中國日照劉家灣海灘,選取長度約為40 mm,寬度約為20 mm的成年海豆芽,用于分離組織以及進(jìn)行細(xì)菌挑戰(zhàn)實驗。
細(xì)菌挑戰(zhàn)實驗所用的菌株為金黃色葡萄球菌(革蘭氏陽性菌)和鰻弧菌(革蘭氏陰性菌)[20];克隆載體轉(zhuǎn)化所用感受態(tài)菌株為Transl-T1 Phage Resistant Chemically Competent Cell,表達(dá)載體所用感受態(tài)菌株為大腸桿菌DH5α。實驗所用細(xì)胞為人胚腎HEK293T細(xì)胞系和HeLa細(xì)胞系。
克隆載體構(gòu)建試劑盒pEAZY-Blunt Zero Cloning Kit,載體為pEAZY-Blunt Zero Cloning Vector,(Transgen,北京全式金生物技術(shù)有限公司產(chǎn)品)。表達(dá)載體構(gòu)建所用的質(zhì)粒為pDesRed2-N1、pcDNA3.1來自中山大學(xué)醫(yī)藥分子生物學(xué)實驗室,熒光素酶報告基因質(zhì)粒pNF-κB-Luc和pRL購自Promega公司。
表1 實驗所用主要試劑
通過NCBI數(shù)據(jù)庫獲得牡蠣MyD88氨基酸序列,在海豆芽轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫 (https://marinegenomics.oist.jp/lingula/gallery)進(jìn)行序列比對,獲得該數(shù)據(jù)庫中預(yù)測laMyD88基因的cDNA序列。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域使用SMART(https://smart.embl.de/)進(jìn)行分析。
根據(jù)基因組預(yù)測的laMyD88基因的3′和5′UTR區(qū)序列設(shè)計引物,擴增laMyD88基因全長CDS。在上下游引物前加入XhoI、KpnI酶切位點,設(shè)計構(gòu)建表達(dá)載體引物[21]。根據(jù)鴨嘴海豆芽的轉(zhuǎn)錄組序列和基因組序列,設(shè)計內(nèi)參基因及l(fā)aMyD88基因的qPCR引物,所有引物(表2)均由蘇州金唯智生物科技有限公司合成。
參照RNAiso(Takara,日本)試劑說明書進(jìn)行總RNA提取。約25 mg的鴨嘴海豆芽組織經(jīng)液氮研磨后加入到1 mL RNAiso試劑中劇烈搖晃15 s,靜置后離心,取上清至新的離心管中加入氯仿,劇烈搖晃15 s,靜置后離心,取上層水相至新的離心管中,加入等體積氯仿,劇烈搖晃15 s后靜置,離心后取上層水相至新的離心管中,加入等水相體積異丙醇,輕柔顛倒混勻,-20 ℃靜置1 h,離心,預(yù)冷乙醇輕柔洗滌沉淀。離心后去上清,待沉淀完全干燥至透明狀后,加入DEPC水溶解,用紫外分光光度計測量OD值,并用1.0%瓊脂糖凝膠電泳檢測RNA純度及濃度。RNA提取后及時逆轉(zhuǎn)錄,構(gòu)建cDNA文庫備用,剩余RNA保存在-80 ℃,盡量避免反復(fù)凍融。
表2 實驗所用引物
以鴨嘴海豆芽cDNA為模板,利用擴增引物,進(jìn)行l(wèi)aMyD88基因的全長序列擴增,擴增產(chǎn)物經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳檢測,挑選大小符合的條帶用膠回收試劑盒進(jìn)行純化后備用,進(jìn)行克隆載體與表達(dá)載體的構(gòu)建。
利用pEAZY-Blunt Zero Cloning 試劑盒,將純化的PCR產(chǎn)物與pEAZY-Blunt Zero Cloning Vector連接,并轉(zhuǎn)化至Transl-T1 Phage Resistant Chemically Competent Cell感受態(tài)細(xì)胞中,培養(yǎng)后涂在含有氨芐抗性的瓊脂平板上,該質(zhì)粒含有自殺基因,不需要藍(lán)白斑篩選,所有長出的菌斑均為含有目的基因的菌落。挑取10個單菌落,擴大培養(yǎng)進(jìn)行質(zhì)粒小提,進(jìn)行菌落PCR進(jìn)行初步驗證,并將擴增片段大小與目的基因相同的質(zhì)粒由蘇州金唯智生物科技有限公司進(jìn)行測序,用seqman軟件拼接測序結(jié)果,用ClustalX軟件比對。
用限制性內(nèi)切酶Xho I、Kpn I分別酶切PCR產(chǎn)物及pDesRed2-N1、pcDNA3.1質(zhì)粒,連接后轉(zhuǎn)化至大腸桿菌感受態(tài)細(xì)胞中進(jìn)行擴大培養(yǎng),待菌濃度合適后提取質(zhì)粒,并命名為RFP-MyD88、pc3.1-MyD88,單酶切后經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳檢測,挑取片段大小正確的質(zhì)粒,進(jìn)行測序鑒定。
HEK293T、HeLa細(xì)胞在添加10% FCS(Gibco)和抗生素的DMEM培養(yǎng)基中,5%CO2,37 ℃培養(yǎng)。革蘭氏陰性鰻弧菌和革蘭氏陽性金黃色葡萄球菌,37 ℃過夜培養(yǎng)。離心收集細(xì)菌,PBS洗滌2次,重懸后計數(shù),濃度調(diào)至5×106C/mL。
實時定量PCR(qPCR)在以下條件下進(jìn)行:98 ℃、3 min,98 ℃、10 s,50 ℃、5 s,72 ℃、3 min,運行40個循環(huán)。用SYBR Green I Master Mix在LightCycle 480Ⅱ Real-time PCR系統(tǒng)中進(jìn)行qPCR。檢測laMyD88和鴨嘴海豆芽β-肌動蛋白的Ct值。應(yīng)用比較Ct值法(2-ΔΔCt)進(jìn)行相對定量,ΔΔCt=處理組(目的基因Ct-內(nèi)參Ct)-未處理組(Ct靶基因-Ct內(nèi)參)。
2.7.1laMyD88在不同組織的分布差異。利用RNAiso從血液、消化腺、消化道、性腺、觸手圍、肉莖、肌肉、外套膜8個組織或器官中提取總RNA,構(gòu)建cDNA文庫。
2.7.2 細(xì)菌挑戰(zhàn)實驗。對鴨嘴海豆芽進(jìn)行體腔注射,分別于注射后1、4、12、36 h采集不同時間點的實驗動物,提取鴨嘴海豆芽總RNA,構(gòu)建cDNA文庫。
細(xì)胞在孔板培養(yǎng)24 h后,根據(jù)產(chǎn)品說明書,用lipofectine2000 (Invitrogen公司) 轉(zhuǎn)染細(xì)胞。RFP-MyD88在HeLa細(xì)胞中表達(dá),進(jìn)行亞細(xì)胞定位研究,轉(zhuǎn)染24 h后,PBS清洗蓋層Hela細(xì)胞2次,4%多聚甲醛固定,激光掃描共聚焦顯微鏡共聚焦成像;將構(gòu)建好的pc3.1-MyD88和空載體pcDNA3.1分別與報告基因質(zhì)粒pNF-κB-Luc和海腎熒光素酶對照質(zhì)粒pRL共轉(zhuǎn)染到HEK293T細(xì)胞中,對照產(chǎn)品說明書進(jìn)行雙報告基因?qū)嶒?。根?jù)公式計算樣品住(sample)相對于對照組(control)報告基因活性的上調(diào)倍數(shù):ΔFA=(F/R)sample/(F/R)control,F(xiàn)為報告質(zhì)粒firefly熒光素酶讀數(shù)值,R為內(nèi)參質(zhì)粒Renilla熒光素酶讀數(shù)值。
所有數(shù)據(jù)均采用均數(shù)和±SD。顯著性分析采用One-way ANOVA檢驗。柱上的星號(*)表示試驗數(shù)據(jù)與對照數(shù)據(jù)的顯著差異(*,p<0.05;**,p<0.01;***,p<0.001;****,p<0.000 1)。
利用所設(shè)計的克隆引物laMyD88-F及l(fā)aMyD88-R,進(jìn)行PCR擴增反應(yīng),對PCR產(chǎn)物進(jìn)行凝膠電泳檢測,發(fā)現(xiàn)擴增片段大小與預(yù)測片段一致,約為1 700 bp。測序分析表明,所獲得克隆片段全長cDNA為1 695 bp,ORF為1 320 bp,編碼439個氨基酸,如圖1(a)所示。我們將所獲得序列在NCBI genbank數(shù)據(jù)庫中,利用BLASTX比對,結(jié)果顯示,所獲得序列與hsMyD88 (Homosapiens)、musMyD88(Musmusculus)、sjMyD88(Stichopusjaponicus)、bbtMyD88(Branchiostomabelcheri)同源,圖1(a)表明我們成功克隆了鴨嘴海豆芽MyD88全長蛋白質(zhì)編碼區(qū)CDS(Coding sequence)。
應(yīng)用SMART數(shù)據(jù)庫 (http://smart.embl.de/)對laMyD88的蛋白結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測,laMyD88 蛋白序列第18~117 位氨基酸為死亡域 (DD),第172~306個氨基酸為TIR結(jié)構(gòu)域,DD和TIRs的存在對其功能至關(guān)重要,結(jié)果如圖1(a)所示。比較laMyD88與人、小鼠、斑馬魚、文昌魚、刺參、果蠅、大腹園蛛、太平洋牡蠣、九孔螺、鹿角杯形珊瑚(Pocilloporadamicornis)等物種的已報道MyD88蛋白序列發(fā)現(xiàn),后口動物MyD88只編碼DD和TIR結(jié)構(gòu)域以及一個中間結(jié)構(gòu)域。而包括laMyD88在內(nèi)的原口動物MyD88在蛋白序列的羧基端還編碼了一段低復(fù)雜度區(qū)域,鹿角杯形珊瑚MyD88由三個DD+TIR的重復(fù)序列構(gòu)成,結(jié)果如圖1(b,c)所示。使用MEGA7軟件的Neighbor-Joining算法以上述物種的MyD88基因的DD和TIR結(jié)構(gòu)域分別構(gòu)建進(jìn)化樹,結(jié)果如圖1(d,e)所示。以DD構(gòu)建的進(jìn)化樹表明,laMyD88與刺胞動物MyD88作為外群存在。以TIR構(gòu)建的進(jìn)化樹表明,laMyD88與同屬冠輪動物的軟體動物MyD88 TIR結(jié)構(gòu)域與后口動物親緣關(guān)系更近。
采用qPCR方法檢測laMyD88在鴨嘴海豆芽8個器官或組織中的特異性表達(dá)。如圖2(a)所示,我們收集了8個器官或組織,包括血液(blood)、消化腺(digestive cecum)、消化道(gut)、性腺(gonad)、觸手圍(lophophore)、肉莖(pedicle)、肌肉(muscle)、外套膜(mantal)來研究不同器官或組織的差異。結(jié)果表明,laMyD88在不同器官或組織中的表達(dá)存在明顯差異,與其他組織或器官相比,laMyD88在消化腺和消化道中表達(dá)量較高;其在肉莖和肌肉中的表達(dá)極低。
在細(xì)菌挑戰(zhàn)實驗中,注射革蘭氏陽性金黃色葡萄球菌(S.aureus)和革蘭氏陰性鰻弧菌(V.anguillarum)后,laMyD88基因的轉(zhuǎn)錄本均發(fā)生了顯著變化,結(jié)果如圖2(b,c)。注射革蘭氏陽性金黃色葡萄球菌后,laMyD88的相對表達(dá)量在1 h內(nèi)升高,然后降低。在接下來的10 h中,出現(xiàn)了波動,在12 h,表達(dá)水平達(dá)到了頂峰,然后從第12 h開始下調(diào)。革蘭氏陰性鰻弧菌與革蘭氏陽性金黃色葡萄球菌的表達(dá)略有不同。1 h,laMyD88的相對表達(dá)量降低,7 h后逐漸升高。在8 h,表達(dá)水平上升到最高,然后下降。注射革蘭氏陽性菌金黃色葡萄球菌和革蘭氏陰性菌鰻弧菌36 h相對表達(dá)量均高于對照。
注:(a) laMyD88核酸和氨基酸序列;(b) 不同物種MyD88的蛋白序列比對; (c)鴨嘴海豆芽laMyD88與人hsMyD88、大腹園蛛avMyD88、文昌魚bbtMyD88和刺參sjMyD88的結(jié)構(gòu)域比較。(d) MyD88基因DD結(jié)構(gòu)域系統(tǒng)發(fā)育樹;(e)MyD88基因TIR結(jié)構(gòu)域系統(tǒng)發(fā)育樹。物種中英文名稱比對:人(Homo sapiens,hsMyD88)、小鼠(Mus musculus,MmuMyD88)、斑馬魚(Danio rerio,DrMyD88)、文昌魚(Branchiostoma belcheri,BbtMyD88)、刺參(Stichopus japonicus,SjMyD88)、果蠅(Drosophilid,DroMyD88)、大腹園蛛(Araneus ventricosus,ArMyD88)、太平洋牡蠣(Crassostrea gigas,CgMyD88)、九孔螺(Haliotis diversicolor,HdMyD88)、鴨嘴海豆芽(lingula anatina,laMyD88)、鹿角杯形珊瑚(Pocillopora damicornis,PdMyD88)。
將表達(dá)RFP-MyD88融合蛋白的質(zhì)粒轉(zhuǎn)染Hela細(xì)胞,利用激光掃描共聚焦顯微鏡檢測laMyD88蛋白的表達(dá)情況,結(jié)果如圖3(a)所示,紅色熒光點在細(xì)胞質(zhì)中,與文獻(xiàn)報道的文昌魚bbtMyD88基因在細(xì)胞中的表達(dá)一致[22]。經(jīng)查閱文獻(xiàn),發(fā)現(xiàn)各物種MyD88基因均位于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)核小體中。
為了驗證laMyD88是否能夠激活NF-κB信號通路,參與天然免疫應(yīng)答。我們將laMyD88的ORF重組到pcDNA3.1質(zhì)粒中。熒光素酶雙報告基因分析表明,laMyD88過表達(dá)能顯著提高熒光素酶的表達(dá),且具有轉(zhuǎn)染劑量依賴效應(yīng),圖3(b)。
圖2 (a) laMyD88的組織或器官分布;(b)金黃色葡萄球菌刺激后laMyD88在0、1、4、12、36 h的qPCR分析;(c)鰻弧菌刺激后laMyD88在0、1、4、12、36 h的qPCR分析(*,p<0.05;**,p<0.01;***,p<0.001;****,p<0.000 1)。
20世紀(jì)80年代以前,腕足動物門因為具有輻射卵裂和腸體腔等胚胎發(fā)育特征而被歸于后口動物[23],現(xiàn)代分子生物學(xué)將腕足動物劃歸于原口動物[24]。盡管腕足動物在冠輪動物門的準(zhǔn)確系統(tǒng)發(fā)育位置仍然不能確定,但海豆芽為代表的腕足動物在系統(tǒng)進(jìn)化相關(guān)研究中具有重要地位。
本文成功克隆了鴨嘴海豆芽MyD88基因,命名為laMyD88,通過對laMyD88蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域分析顯示,laMyD88由氨基端的死亡結(jié)構(gòu)域,羧基中間的TIR結(jié)構(gòu)域以及羧基端的一段低復(fù)雜度區(qū)域構(gòu)成,該結(jié)構(gòu)特點在原口動物高度保守。而后口動物MyD88只編碼DD和TIR結(jié)構(gòu)域以及一個中間結(jié)構(gòu)域,這說明MyD88基因在原口動物進(jìn)化過程中的保守性。以DD結(jié)構(gòu)域進(jìn)行進(jìn)化分析表明,海豆芽與其他原口和后口動物物種相比保留了較為原始的祖先特征,而以TIR構(gòu)建的進(jìn)化樹表明,海豆芽與后口動物親緣關(guān)系更近,而蛻皮動物則保留了較為原始的祖先特征。以上結(jié)果既符合現(xiàn)代分子生物學(xué)對腕足動物的系統(tǒng)分類,為確定腕足動物的系統(tǒng)進(jìn)化地位提供了新的證據(jù)。
圖3 (a)laMyD88在HeLa細(xì)胞中成功表達(dá)及l(fā)aMyD88免疫熒光情況;(b)HEK293細(xì)胞過表達(dá)laMyD88后熒光素酶報告基因pNF-κB-Luc的相對熒光素酶活性
對于laMyD88在鴨嘴海豆芽組織中的表達(dá)情況研究發(fā)現(xiàn),鴨嘴海豆芽消化腺和消化道的表達(dá)量最高,這與其他物種中的研究基本一致。眾所周知,腕足動物僅存在先天免疫,而作為濾食性動物在富含微生物的泥土中生活,受環(huán)境的脅迫,消化腺和腸道是免疫系統(tǒng)中重要的器官,因此其表達(dá)量較高;查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn),軟體動物的血細(xì)胞在先天免疫中有著至關(guān)重要的作用[25],而本研究中鴨嘴海豆芽的血細(xì)胞表達(dá)量較低,我們推測laMyD88在鴨嘴海豆芽應(yīng)激狀態(tài)下進(jìn)行大量表達(dá)。肉莖主要是肌肉組織,為鴨嘴海豆芽的運動提供動力以及便于固著在泥中,表達(dá)量較低;觸手圍主要用于過濾礫石等雜質(zhì),處于脅迫環(huán)境中,在鴨嘴海豆芽中的表達(dá)量高于肌肉。
雙熒光素酶報告基因檢測結(jié)果顯示,pc3.1-MyD88可激活熒光素酶報告基因pNF-κB-Luc的相對熒光素酶活性,說明laMyD88參與NF-κB信號通路,與后口動物相似[9,26]。無脊椎動物中NF-κB信號通路是重要的應(yīng)激免疫通路[27],同時結(jié)合laMyD88經(jīng)革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌刺激后的表達(dá)情況,表明laMyD88依賴的NF-κB信號通路在鴨嘴海豆芽的先天免疫中發(fā)揮重要作用。
本實驗成功構(gòu)建laMyD88的表達(dá)載體,但對laMyD88基因功能的研究還不夠深入。TLR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑在天然免疫抗病毒、細(xì)菌及真菌過程中發(fā)揮著重要作用,而MyD88作為TLR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中一個重要的接頭蛋白,其在鴨嘴海豆芽免疫應(yīng)答過程中可能起著更為關(guān)鍵作用。通過研究laMyD88基因的功能,進(jìn)一步闡述MyD88在鴨嘴海豆芽免疫應(yīng)答中的調(diào)控機制,進(jìn)而有可能為人體中免疫應(yīng)答的調(diào)控提供新的補充,為多種自身免疫病、感染性疾病以及惡性腫瘤等疾病的治療提供新的見解。