2. 中国农业科学院北京畜牧兽医研究所, 北京 100193
2. Institute of Animal Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100193, China
白细胞分化抗原13(cluster of differentiation 13, CD13)也称为氨肽酶N(aminopeptidase N, APN),是一种金属离子依赖的蛋白酶。它也是一类单次跨膜的Ⅱ型膜结合金属糖蛋白,存在于细胞表面,占据膜蛋白总量的8%[1]。CD13相对分子量约150 ku, 大约由960~980个氨基酸残基构成。猪CD13由963个氨基酸残基组成,可被胰蛋白酶分解成2个亚基,分别为95 ku的氮端(氨基端)和50 ku的碳端(羧基端)。CD13蛋白由3部分构成:一个短的细胞质区、一个跨膜域和一个细胞外的外域[1]。CD13电子域由4个部分组成,C-末端所在的结构域Ⅳ最大,而猪的冠状病毒识别位置就位于结构域Ⅳ[2]。
CD13广泛分布于哺乳动物的多种组织及其细胞表面, 在中枢神经系统的突触膜、粒细胞、单核细胞、肾近曲小管上皮和肺细胞表面都有表达,尤其在小肠微绒毛表面高表达[1]。CD13基因也在各种癌症细胞中异常高表达[3-4],如非小细胞肺癌[5]、胰腺癌[6]、肝癌[7]等。肠道中,CD13主要功能是水解肽、酰胺等结构中的酰胺键, 催化蛋白质和肽的N-末端氨基酸切割从而释放出不同的N-中性氨基酸,特别是丙氨酸[8]。CD13介导的肽水解和活化对于调节几种生理过程尤为重要,例如控制血压平衡(血管紧张素)和细胞趋化性,调节心血管生成等[9]。研究表明,CD13可以降解细胞外基质蛋白参与肿瘤细胞的侵袭、生长;可以降解白细胞介素8,从而降低机体免疫功能;可以降解组织相容性复合物Ⅱ的黏附抗原决定簇,从而降低T细胞对肿瘤细胞表面抗原的识别能力,导致机体对肿瘤的免疫抑制或免疫耐受[10]。CD13也与肿瘤转移运动和肿瘤血管生成有关[11]。最近相关文献报道,CD13在调节精子功能和早期胚胎发育中起着重要作用[12-13]。CD13主要是Ⅰ型冠状病毒细胞结合受体,病毒通过与CD13结合后进入宿主细胞,引起宿主发生病毒感染[14]。早先报道,人冠状病毒229E[15]和猪传染性胃肠炎病毒(transmissible gastroenteritis coronavirus, TGEV)[16]细胞受体都是CD13。刘博奇等[17]将CD13表达出7段不同的重组蛋白,检测出TGEV的主要结合位置在36~153、349~591、592~963位氨基酸。李宝贤等[18]构建了表达CD13的真核系统,建立了稳定表达CD13的犬肾细胞系,并进一步明确了CD13是猪流性腹泻病毒(porcine epidemic diarrhea virus, PEDV)的结合受体,又通过免疫荧光与中和试验发现,CD13还具有介导PEDV复制的能力。
本研究利用CRISPR/Cas9技术制备CD13基因敲除的猪IPEC-J2细胞(猪空肠上皮细胞系)系,从而为在细胞水平研究CD13功能提供试验材料。
1 材料与方法 1.1 试验材料猪IPEC-J2细胞为华中农业大学何启盖老师惠赠,质粒载体为保存的pX330-GFP和pX330-RFP载体,感受态细胞为DH5α。
1.2 主要试剂Basic Primary Fibroblasts Nucleofector Kit转染试剂盒购自Lonza公司;胎牛血清(fetal bovine serum, FBS)、D-PBS、DMEM/F12、人重组表皮生长因子(recombinant human epidermal growth factor, EGF)、胰岛素转铁蛋白硒(insulin-transferrin-selenium, ITS)均购自Gibco公司;载体连接试剂盒、血液/细胞/组织基因组DNA提取试剂盒、无内毒素质粒大提试剂盒均购自天根生化科技(北京)有限公司;ANPEP Polyclonal Antibody购自ABClonal公司。
1.3 猪CD13基因双gRNA的设计选定猪CD13基因(GenBank登录号:NC_010449.5)第2外显子起始密码子ATG之后的区域作为打靶区域,利用麻省理工学院张峰实验室开发的网站(http://crispr.mit.edu)对打靶区域进行评分,从候选序列中选择2个合适的向导RNA(guide RNA, gRNA),分别命名为g3、g5。
1.4 猪CD13基因编辑载体构建将g3连接到pX330-GFP载体上命名为pX330-GFP-g3;将g5连接到pX330-RFP载体上命名为pX330-RFP-g5。根据g3、g5序列合成互补配对的寡聚核苷酸合成寡核苷酸:CD13-g3-gRNA-F:AAACACCGTACCTCACTCCCAACGCGGA,CD13-g3-gRNA-R:CTCTAAAACTCCGCGTTGGGAGTGAGGTA;CD13- g5-gRNA-F:AAACACCGGGGGGAACTTGCCGAC-GACC,CD13-g5-gRNA-R:CTCTAAAACGGTCGT-CGGCAAGTTCCCCC。
载体构建步骤:1)将每对寡核苷酸稀释至10 μmol·L-1后,各取10 μL分别98 ℃反应10 min,在自然冷却至室温的条件下进行退火;2)将实验室制备的线性化载体pX330-GFP和pX330-RFP分别与1对退火的寡核苷酸16 ℃连接1 h,随后转化DH5α感受态细胞,涂布于含氨苄的LB平板进行生长,挑取单菌落扩大培养并测序,测序引物为U6-FWD;3)将序列正确的菌落进行扩大培养,用去内毒素大提质粒试剂盒提取pX330-GFP-g3和pX330-RFP-g5质粒,所提质粒纯化后用于细胞转染。
1.5 猪IPEC-J2细胞的培养与转染转染前复苏IPEC-J2细胞于10 cm细胞培养皿中,用含有10% FBS、5 ng·mL-1 EGF、1%的ITS、1%双抗的DMEM/F12培养基培养,当细胞达到80%左右汇合度时即可进行转染。步骤按照Basic Primary Fibroblasts Nucleofector Kit(Lonza)试剂盒说明书进行操作,转染后48 h于倒置荧光显微镜下观察细胞发光情况。
1.6 流式细胞术分选双荧光标记的阳性细胞将转染48 h后的细胞用D-PBS漂洗,0.25%胰酶-EDTA溶液消化2 min,并用含20% FBS的DMEM/F12培养基中和。随后,以未转染的IPEC-J2细胞作为空白对照,使用流式细胞术对转染细胞进行双荧光筛选。取同时被激发红绿双荧光且强度最高的细胞打入含有培养基的96孔细胞培养板中,每孔1个细胞。
分别提取未转染细胞、转染后48 h的细胞和流式分选后混池细胞的基因组DNA进行PCR扩增,观察片段敲除效果。具体使用的引物和PCR扩增条件:根据g3、g5在基因组上的位置,在它们两侧分别设计引物,上下游引物分别为CD13-F: 5′-CTCCCTTCTCACCCTCACC-3′, CD13-R: 5′-AAGGTCCCGAATCCAAGC-3′。PCR反应体系:EX Taq 10 μL,CD13-F 0.5 μL,CD13-R 0.5 μL,DNA 2 μL,ddH2O 7 μL,共20 μL。扩增条件:95 ℃预变性5 min;95 ℃变性30 s,65 ℃退火30 s,72 ℃延伸1 min,共34个循环;72 ℃ 10 min。扩增产物用2%琼脂糖凝胶电泳分离检测,凝胶成像系统拍照。
1.7 单克隆细胞的培养及基因型鉴定将分选后细胞置于37 ℃、5% CO2的细胞培养箱中培养,每2 d更换1次培养基。然后将细胞转入48孔培养板中进行培养,并从每孔取少量细胞进行基因组DNA提取和PCR扩增(引物、条件同“1.6”),同时将PCR产物送北京天一辉远生物科技有限公司测序。
1.8 Western blot检测细胞中CD13蛋白的表达水平取野生型细胞和敲除型细胞分别培养,待细胞长满后,置于蛋白裂解液中,裂解细胞,冰上孵育30 min。将蛋白样品与蛋白变性buffer混匀,99 ℃变性10 min。分别取对照组5 μL、试验组10 μL样品用10% Western blot电泳胶进行电泳分离,蛋白质经电泳分离后用200 mA 2 h转移到硝酸纤维素膜上。取出硝酸纤维素膜,放置于TBST配制的5%脱脂奶粉溶液中,室温封闭2 h。用TBST洗去膜上面的多余奶粉后放入由TBST配制的1:1 000稀释一抗中,放入摇床上4 ℃过夜,TBST洗膜3次,每次10 min。用1:2 000稀释的二抗与膜在室温下孵育40 min,TBST洗膜3次,每次洗膜10 min,化学发光仪显色拍照,β-actin为内参蛋白。
2 结果 2.1 猪CD13基因的gRNA设计在猪CD13基因第2外显子设计2个gRNAs,分别命名为g3、g5(图 1)。2个gRNAs选用的前间区序列邻近基序(protospacer adjacent motif, PAM)均为TGG。2个gRNAs序列如表 1所示。
为了便于对阳性细胞基因型进行检测,将构建好的pX330-GFP-g3和pX330-RFP-g5质粒共转染IPEC-J2细胞,48 h后荧光显微镜下观察细胞发光情况,结果显示部分细胞能够表达GFP蛋白(图 2)。
同时转染pX330-GFP-g3和pX330-RFP-g5质粒的IPEC-J2细胞,经流式细胞术分选后,取总细胞量2.13%的阳性细胞进行单细胞分离培养和混池细胞PCR检测(图 3)。
对未转染细胞、转后48 h的细胞和流式分选后混池细胞进行PCR扩增,观察PCR扩增结果。未转染细胞只在700 bp处有一条带;转后48 h的细胞和流式分选后混池细胞在700和428 bp处各有1条条带,说明同时转染双gRNA后,CD13发生片段敲除。经灰度值统计显示,富集前和富集后的片段敲除效率分别为11.6%和21.7%(图 4)。
本试验共获得20株单克隆细胞。提取20株细胞的基因组DNA并进行PCR扩增,PCR产物用2%琼脂糖凝胶电泳检测。电泳结果显示,13株细胞没有发生片段缺失,条带大小为700 bp;7株细胞发生片段缺失,其中1株为单等位基因片段缺失,6株细胞为CD13双等位基因片段缺失(图 5)。为了获得野生型和纯合片段敲除细胞系,如图 5所示,选择15株细胞(5株为双等位基因片段缺失细胞:泳道4、6、13、16、18;10株为未发生片段缺失细胞:泳道1、2、8、10、11、12、15、17、19、20)的PCR产物进行测序,测序结果表明,10株未发生片段缺失的细胞都为野生型,5株双等位基因片段缺失(图 6)的细胞中有3株(泳道4、13、16)为纯合缺失272 bp,2株(泳道6、18)为杂合片段缺失(其中1条链缺失272 bp,另1条链缺失270 bp)。综上,20株细胞中1株是单等位基因片段缺失细胞,3株是双等位基因杂合片段缺失细胞,3株是双等位基因纯合片段缺失细胞。
选择野生型细胞系和纯合敲除型细胞系在蛋白水平上检测CD13表达情况。Western blot结果显示,野生型细胞中CD13蛋白表达量较高,而双等位基因纯合敲除型细胞中几乎检测不到CD13的表达,表明对CD13基因进行了成功敲除(图 7)。
CRISPR是原核生物抵御病毒或外源质粒入侵的获得性免疫系统,CRISPR/Cas9由gRNA通过碱基互补配对识别靶DNA序列,引导Cas9蛋白特异性切割,实现基因组特定DNA片段的敲除、敲入或替换。CRISPR/Cas9技术与锌指核酸酶技术(zinc finger nuclease, ZFN)和转录激活因子样效用物核酸酶技术(transcription activator-like effector nuclease, TALEN)相比,具有操作简单、成本低、效率高和适用范围广等优点,现已广泛应用于小鼠[19-21]、大鼠[22]、鸡[23]、猪[24-26]、牛[27]、羊[28]、猴子[29]、斑马鱼[30]、果蝇[31]、线虫[32]等动物的基因组定点修饰。
猪在我国养殖范围广泛,其不仅是重要的农业经济动物,也是生物学、医学和分子遗传学基础研究中的重要模式生物。因此,对猪基因组进行精准的编辑修饰,生产基因编辑猪,对畜牧生产、医学、生物医药等领域都具有重要价值。在畜牧生产领域已经利用CRISPR/Cas9技术获得无外源标记的高瘦肉率的MSTN基因编辑猪[33]和低背膘厚的IGF2基因编辑猪[34]。密苏里大学Prather团队制备了CD163基因敲除猪,细胞水平和个体水平攻毒试验发现其具有同时抵抗1型和2型PRRSV的能力[35]。本实验室也制备了无外源标记的CD163双等位基因编辑猪[36]。
Zhu等[37]利用CRISPR/Cas9技术设计了2个gRNAs靶向作用于IPI-2I细胞(猪回肠上皮细胞系)中CD13基因的第1外显子区域,并构建到pMID18-T质粒载体,利用脂质体转染到IPI-2I细胞并进行药物筛选获得IPI-2I细胞的CD13基因敲除单克隆细胞,并进行测序和Western blot验证,系统地建立了CD13基因敲除的IPI-2I细胞系。使用TGEV和猪德尔塔病毒(porcine deltacoronavirus, PDCoV)对CD13敲除细胞进行攻毒试验,结果表明,CD13基因敲除后的IPI-2I细胞对PDCoV的感染具有抑制作用(差异不显著);研究表明,CD13影响PDCoV病毒进入的早期,不影响IPI-2I细胞中的病毒组装和释放;对于TGEV病毒的感染则可完全阻止[37]。Whitworth等[38]利用CRISPR/Cas9技术在CD13基因第2外显子设计了6个gRNAs,并分别构建到pX330载体,电转染到猪成纤维细胞后挑取单克隆,以检测基因编辑效率。选用效率高的2号gRNA和没有编辑效果的3号gRNA,以及Cas9 mRNA共同注射到受精卵细胞质中,培养5 d后转移到代孕猪中进行妊娠,获得12头猪,其中9头猪发生基因编辑。使用PEDV和TGEV对F1代猪进行攻毒,结果表明,CD13基因敲除能完全阻止TGEV的感染,而不能阻止PEDV的感染。Li等[39]采用CRISPR/Cas9技术敲除人肝癌细胞的CD13基因和猪睾丸细胞的CD13基因,敲除后的细胞仍会感染PEDV。Nam和Lee[40]及Shirato等[41]的研究表明,在猪肾和睾丸细胞中过表达猪CD13基因略微增加了PEDV的感染力,表明猪CD13具有促进PEDV复制的作用。Ji等[42]利用siRNA技术敲降IPEC-J2细胞中CD13的表达,PEDV的感染量没有改变,TGEV的感染量下降。Kamau等[43]报道,PEDV可以识别猪的APN,其作用位点位于APN蛋白的第7结构域。以上结果表明,CD13是TGEV的受体,但作为PDCoV、PEDV的受体存在争议。
本研究在猪CD13基因第2外显子设计2个gRNAs并分别构建载体,电转染IPEC-J2细胞48 h后,通过流式细胞术分选具有双荧光标记的细胞,富集后片段敲除效率为富集前的1.87倍,表明通过富集的方法可以提高筛选效率。通过对单克隆细胞进行PCR扩增、测序,CD13基因发生片段缺失细胞株数占总单克隆细胞株数的35%,CD13双等位基因敲除细胞株数占总单克隆细胞株数的30%,双等位纯合片段敲除细胞株数占总单克隆细胞株数的15%;在发生片段缺失的7株细胞中,6株为双等位基因敲除细胞株(占比为85.7%),其中3株为双等位基因纯合缺失(占比为42.9%)。这些数据说明,本试验设计的gRNA对CD13基因实现了高效的编辑。通过对双等位基因纯合片段敲除型细胞进行Western blot检测,显示双等位基因纯合片段敲除型细胞几乎检测不到CD13蛋白,说明CD13基因被成功敲除,本研究成功获得了CD13基因敲除的IPEC-J2细胞。IPEC-J2细胞系是非转化、非致瘤性小肠细胞系,能分泌粘蛋白,产生细胞因子和趋化因子,具有与原始肠道组织相似的Toll样受体,保留了较好的上皮特性和迁移能力,是一种优良的研究肠道病原微生物的模型[44-45]。本试验将CRISPR/Cas9基因编辑技术和流式细胞术相结合,高效地获得了CD13基因纯合敲除的IPEC-J2细胞系。下一步计划使用PEDV、TGEV、PDCoV等对本试验所获得的CD13基因敲除的细胞进行攻毒试验,研究CD13与这些病原的相互作用机制。
4 结论本研究利用CRISPR/Cas9基因编辑技术成功制备出猪CD13双等位基因敲除的IPEC-J2细胞系,为研究CD13基因与猪肠道致病微生物的相互作用储备了试验材料。
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