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分子细胞生物学。1998年5月;18(5): 2474–2485.
数字对象标识:10.1128立方米.18.5.2474
预防性维修识别码:项目经理110627
PMID:9566868

Wnt-1诱导大鼠成纤维细胞生长、胞质β-连环蛋白和Tcf/Lef转录激活

摘要

遗传证据表明,β-catenin的调节和Tcf/Lef家族转录因子的调节是Wnt信号转导途径的下游事件。然而,Wnt活性和Tcf/Lef转录激活之间的直接联系尚未建立。在本研究中,我们发现Wnt-1在培养的哺乳动物细胞系Rat-1成纤维细胞中诱导生长反应。Wnt-1诱导Rat-1成纤维细胞的血清非依赖性细胞增殖和形态学改变。稳定表达Wnt-1(Rat-1/Wnt-1)的Rat-1细胞显示出细胞溶质β-catenin的结构性上调,而膜相关β-catentin未受影响。Rat-1/Wnt-1细胞中细胞溶质β-catenin的诱导与Tcf应答转录元件的激活相关。因此,我们提供证据证明Wnt-1在哺乳动物系统中诱导Tcf/Lef转录激活。突变型β-连环蛋白(β-CatS37A)在Rat-1细胞中的表达不会导致增殖反应或胞浆β-连环蛋白水平的可检测变化。然而,β-CatS37A在Rat-1细胞中的表达导致强烈的Tcf/Lef转录激活,与Wnt-1表达细胞中的转录激活类似。这些结果表明,Wnt-1对胞浆β-catenin的诱导除Tcf/Lef转录激活外,还可能具有功能。

这个Wnt(重量)基因家族编码参与细胞生长、分化、器官发生和肿瘤发生的分泌因子(31). Wnt蛋白已被证明具有有丝分裂原(31),感应(19)和形态发生(第47页)活动。Wnt蛋白的有丝分裂功能得到以下发现的支持:重量-1促进乳腺肿瘤发生(11,47)或神经管增生(9,10). 哺乳动物细胞中Wnt-1的表达导致C57MG的形态变化和生长后影响(7)和RAC311C(39)乳腺上皮细胞系和C3H10T1/2成纤维细胞(5)表明Wnt蛋白可以诱导细胞生长和失去接触抑制。在人类中,Wnt信号级联的成分与两种结肠癌的发生有关(28)和黑色素瘤(42).

对Wnt信号转导途径的理解主要来自Wnt-1的遗传分析果蝇正交曲线,无翼的(重量(wg)) (37,40). Wnt/wg信号事件由涉及卷曲细胞表面蛋白的受体激活启动(4). 该信号抑制糖原合成酶激酶3(GSK-3)同系物zeste-white 3(zw-3)激酶的活性,导致犰狳蛋白磷酸化的变化和稳定性的增加(36). 犰狳蛋白随后被认为与果蝇Tcf(dTcf(立方英尺))家族转录因子,调节重量(wg)靶基因(48).

β-连环蛋白,哺乳动物的同源物果蝇犰狳蛋白最初被鉴定为细胞-细胞连接处的钙粘蛋白相关蛋白(24). β-连环蛋白连接膜结合的钙粘蛋白和肌动蛋白结合的α-连环蛋白,协调细胞粘附和可能的细胞迁移所必需的过程(16). 在哺乳动物细胞中,Wnt-1的表达导致β-catenin蛋白稳态水平的增加,导致β-catanin-cadherin异质复合物的形成(20,29).

β-连环蛋白还与肿瘤抑制蛋白腺瘤性息肉病大肠杆菌(APC)相关(43,45). Wnt-1表达诱导β-catenin–APC复合物的积累(33),非复合单体β-catenin(33)或胞浆β-连环蛋白(23). β-儿茶素-APC复合物已在人类癌细胞系中被鉴定(42)并参与β-catenin稳态水平的调节(18,29)而单体或细胞溶质β-catenin被认为是Wnt信号传导的关键(44).

β-连环蛋白被认为是激活哺乳动物靶基因响应Wnt信号的关键(21,25). 最近的研究为犰狳(β-catenin)和Tcf/Lef-HMG转录因子之间的相互作用提供了证据果蝇爪蟾(2,8,26,38,48). β-连环蛋白/Tcf转录复合物已在人类肿瘤细胞系中鉴定出来,并与细胞生长的放松调控有关(22,28). 此外,突变的β-catenin在NIH 3T3细胞中显示转化活性(51)Wnts对乳腺上皮C57MG细胞的转化与β-catenin的调节相关(44)进一步表明β-catenin基因是哺乳动物细胞中的潜在癌基因(35). 这些发现表明β-catenin在哺乳动物细胞Wnt-1增殖信号转导中可能发挥作用。然而,尽管Wnt-1调节β-catenin蛋白水平,但尚不清楚Wnt信号传导是否需要或足够的诱导。此外,尚不清楚Wnt-1是否调节Tcf/Lef转录活性,以及这种激活是否需要或足以在哺乳动物细胞中传递Wnt-1增殖信号。

我们报告Rat-1成纤维细胞对Wnt-1表现出增殖反应和形态学改变。Wnt-1的表达导致Rat-1细胞中细胞溶质β-catenin的结构性上调和Tcf/Lef依赖性转录的激活。然而,我们的数据表明,仅Tcf/Lef转录激活不足以在Rat-1成纤维细胞中引发Wnt-1增殖反应。

材料和方法

腺病毒表达载体。

通过cre/lox重组构建表达巨细胞病毒即刻早期启动子Wnt-1或Wnt-5A的重组腺病毒载体(17). 为此,Wnt-1HA和Wnt-5AHA cDNA(44)亚克隆到pAdlox穿梭载体中,产生pAdlox-Wnt-1HA和pAdloxWnt-5A,然后与供体病毒重组,产生Ad/Wnt-1和Ad/Wnt-5A。这些腺病毒载体包含替换E1-region基因的Wnt-HA表达盒和E3区域的2.6kb缺失().

逆转录病毒表达载体。

利用哺乳动物逆转录病毒表达载体pZNCX和pQNCX构建并表达全长小鼠重量-1,小鼠Wnt-5A型、和人类β-连环蛋白(S37A系列). cDNA在pZNCX和pQNCX中的表达由内部巨细胞病毒增强子/启动子驱动(未发表的观察结果)。Wnt-5A型cDNA由安德鲁·麦克马洪(哈佛大学)慷慨提供。突变体β-连环蛋白(S37A系列)cDNA由乔治敦大学的Steven Byers慷慨提供。所有的cDNA都经过修饰,在3′端编码血凝素(HA)表位标签。

细胞培养。

Rat-1成纤维细胞(13)和BOSC 23包装单元(34)在37°C,8%CO的条件下,在Dulbecco改良的Eagle's培养基(DMEM)中保存,补充10%胎牛血清和青霉素-链霉素2湿度为90%。为了测量汇合处以外的生长情况,将Rat-1细胞接种在大约75%的汇合处,并在有血清存在的情况下过夜实现汇合。第二天,通过用磷酸盐缓冲盐水(PBS)冲洗细胞单层一次和用DMEM冲洗细胞单层一次来去除血清。然后在DMEM中培养细胞。在去除血清后的几个时间点,通过胰蛋白酶分解细胞,并在台盼蓝染色后计数活细胞。为了观察细胞在灌注后的生长,用冷甲醇-丙酮(1:1)固定细胞单层,用Giemsa核染色,并拍照。为了测量血清非依赖性细胞增殖,将Rat-1细胞接种在含有血清的约15%汇合处。第二天,取下血清,并在取下血清后的几个时间点获得活细胞数,如上所述。

腺病毒感染。

将Rat-1成纤维细胞接种在80%的汇合处,然后模拟感染或感染各种感染多重性(MOI)的重组腺病毒。感染前,用DMEM冲洗细胞。感染是用含病毒接种物在DMEM中进行的,DMEM是将2%胎牛血清添加到细胞中,在37°C下接种1小时。然后将细胞保存在含有2%胎牛血清的DMEM中。

瞬时转染和逆转录病毒感染。

通过磷酸钙转染逆转录病毒构建物到BOSC包装细胞中生成重组逆转录病毒(34). 一天后,用丝裂霉素C(10μg/ml;Sigma)处理BOSC细胞4 h。处理后24 h,将转染的BOSC细胞胰蛋白酶化,并接种目标Rat-1成纤维细胞进行共培养。48小时后,用每毫升含有500μg Geneticin(G418;Gibco)的培养基培养细胞。将耐药菌落合并为多克隆、稳定的细胞系,保存在每毫升含有250μg Genenticin的培养基中。

蛋白质印迹分析。

通过细胞裂解物的Western blot分析评估Wnt-1、Wnt-5A和β-catenin(S37A)蛋白的表达。简单地说,用冷PBS清洗细胞两次,造粒,并在裂解缓冲液(50 mM Tris[pH8],150 mM NaCl,1%Triton X-100,每毫升10μg抑肽酶,0.5 mM苯甲基磺酰基氟化物,每毫升2μg亮氨酸蛋白酶,每毫升两μg胃蛋白酶抑制素)中再次悬浮在冰上30分钟。然后以10000 rpm(8000×)在4°C下保持10分钟。用Bio-Rad蛋白质测定染料测定蛋白质浓度。用十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)(10%聚丙烯酰胺)分离细胞蛋白(50μg)并转移到硝化纤维过滤器上。

用含有1%牛血清白蛋白(BSA)(组分V)的TBST(10 mM Tris[pH8],150 mM NaCl,0.2%吐温20)封闭过滤器,并用抗HA单克隆抗体12CA5(Berkeley antibody Co.)在室温下以1:50的稀释度在TBST–1%BSA中孵育2小时,进行免疫印迹以检测蛋白质表达。在室温下用TBST清洗斑点25分钟,在室温下以1:5000的稀释度暴露于二级抗体(辣根过氧化物酶结合羊抗鼠免疫球蛋白G[Amersham])45分钟,并在室温下使用TBST清洗。用增强化学发光检测试剂(Amersham)和X射线胶片曝光观察蛋白质表达。

细胞分离和β-连环蛋白分析。

如前所述,通过分离细胞裂解物制备的细胞溶质和膜池中的β-连环蛋白水平进行评估(第14页,44). 简单地说,用冷PBS洗涤细胞两次,并将其收集在生理缓冲液(PB)中(10 mM Tris[pH 7.4],140 mM NaCl,5 mM EDTA,2 mM二硫苏糖醇,1 mM苯甲基磺酰氟,1μg/ml抑肽酶,2μg/ml亮肽,2μg/ml胃蛋白酶抑制素)(500μl/100-mM融合皿)。细胞在PB中通过Dounce均质器进行30次均质,用微型离心机以3000 rpm(500×)温度为4°C。以30000 rpm(100000×)在4°C下保持90分钟。上清液被指定为胞质级分,将颗粒重悬于含有0.1%十二烷基硫酸钠的PB中(每100 mm汇合培养皿150μl),并指定为膜级分。用Bio-Rad蛋白质测定染料测定各个组分中的蛋白质浓度。β-连环蛋白通过在SDS–10%聚丙烯酰胺凝胶上分离30μg细胞溶质蛋白或15μg膜蛋白进行分析,并通过Western blot分析使用抗β-连环素单克隆抗体(Transduction Laboratories)在室温下在TBST–1%BSA中1:5000稀释2 h进行分析。用增强化学发光检测试剂(Amersham)和X射线胶片曝光观察蛋白质表达。

Tcf荧光素酶测定。

pTOPFLASH和pFOPFLASH-Tcf荧光素酶报告体由Hans Clevers(荷兰乌得勒支大学医院)慷慨提供(22). 宾夕法尼亚州立大学Andrew Henderson慷慨提供了一种pSV Luc萤光素酶报告子构建体,其中猴病毒40早期启动子用于组成性驱动萤光素酶基因的表达。通过磷酸钙转染方法将4μg报告体样本导入细胞(34). 转染两天后,收集细胞并将其重新悬浮在裂解缓冲液中(5%Triton,125 mM Gly-Gly[PH7.8],75 mM MgSO4,20 mM EGTA(pH 7.8),10 mM二硫苏糖醇)。粗裂解物通过脉冲微离心进行澄清。使用荧光素底物(Sigma)评估上清液的荧光素酶活性。通过三次转染获得测量值并取平均值。

结果

Wnt-1过度表达改变Rat-1成纤维细胞的形态和生长。

我们着手鉴定Wnt反应培养的哺乳动物细胞系。我们通过使用含有HA-epitope标记小鼠的重组腺病毒表达载体(Ad)在几个已建立的人类和大鼠细胞系中表达Wnt-1重量-1cDNA(Ad/Wnt-1)(数据未显示)。Rat-1成纤维细胞(13)对Wnt-1的反应是形态和生长发生变化。我们随后描述了这些细胞对Wnt-1的生物和生化反应。

异位表达Wnt(重量)基因是通过两种不同的基因表达系统完成的:腺病毒和逆转录病毒表达载体。腺病毒载体Ad/Wnt-1感染Rat-1细胞。用抗HA抗体(12CA5)对细胞裂解液进行Western blot分析,检测Wnt-1蛋白。在Ad感染后24小时,在Ad/Wnt-1感染的细胞中检测到Wnt-1蛋白(图。(图1A,1A、 但在模拟感染细胞(车道1)或感染表达lacZ公司基因(Ad/LacZ)(车道7)。在Ad感染后,Wnt-1的表达持续了5天(2到6道)。

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Wnt-1表达改变Rat-1成纤维细胞的形态和生长。(A) 重组腺病毒表达载体在Rat-1成纤维细胞中瞬时表达Wnt-1蛋白。细胞裂解物的Western blot分析显示,在感染Ad/Wnt-1(第2至6道)(MOI=5)后的多天(第1至5天),Wnt-1蛋白在细胞中表达,但在对照组Ad/LacZ(Z)(MOI=5)(第7道)或模拟感染(M)(第1道)后,Wnt-1。用抗HA抗体(anti-HA)检测Wnt-1。(B) Wnt-1和Wnt-5A蛋白在Rat-1稳定细胞系、Rat-1/Wnt-1和Rat-1/Wnt-5A中的稳定表达。细胞裂解物的蛋白质印迹分析显示,与对照细胞(泳道1)相比,Wnt-1(泳道2)和Wnt-5A(泳道3)蛋白表达。用抗HA抗体检测Wnt-1和Wnt-5A蛋白。(C) Wnt-1改变Rat-1成纤维细胞的形态和生长。多克隆Rat-1/Wnt-1和Rat-1/Wnt-5A稳定细胞系的相控显微镜显示,与Rat-1/Wint-5A细胞相比,Rat-1/Wnt-1细胞具有细长、不可折射的形态,并密集地包裹在心形束中。

稳定的Rat-1细胞系表达Wnt(重量)用逆转录病毒载体建立基因,驱动HA表位标记的表达Wnt(重量)cDNA。我们生成了重量-1-表达细胞系和仅表达载体(对照)或小鼠的细胞系Wnt-5A型(额定值-1/Wnt-5A)。Wnt函数的先前研究爪蟾和乳腺上皮C57MG细胞表明Wnt-1和Wnt-5A在Wnt蛋白家族成员中属于不同的功能类别(44,46,52). 我们比较了Rat-1细胞中Wnt-1和Wnt-5A的活性。细胞裂解物的Western blot分析显示,稳定的Rat-1/Wnt-1和Rat-1/Wnt-5A细胞表达外源表达Wnt蛋白的糖基化亚型,分子量范围为36至45 kDa(图。(图1B)。1B) ●●●●。比率-1/Wnt-1(图。(图1B,1B、 通道2)和Rat-1/Wnt-5A(通道3)细胞均表达各自的外源性Wnt蛋白,而对照细胞未表达外源性蛋白(通道1)。

Rat-1/Wnt-1稳定细胞系表现出形态学变化。在Ad/Wnt-1感染的Rat-1成纤维细胞中观察到对Wnt-1表达的类似反应(数据未显示)。图1C1C显示Rat-1/Wnt-1细胞采用细长且不可折射的外观,与对照Rat-1/Wnt-5A细胞不同。Wnt-1细胞以单层的形式生长得更为密集,形成沿统一方向排列的线状束。Rat-1/Wnt-5A表现出与未感染Rat-1细胞相同的形态和生长特征,保持立方形态。在随后的分析中,我们将Rat-1/Wnt-5A作为对照细胞系,因为我们没有观察到对Wnt-5A表达的可检测的生物变化。

Wnt-1影响后诱导细胞生长。

在Rat-1成纤维细胞中观察到的生长特性之一是,它们需要接触抑制和血清耗竭才能生长停滞。为了检测Wnt-1是否能够克服Rat-1细胞中的这些生长抑制信号,我们分析了Wnt-1诱导流畅后生长的能力。在无血清条件下分析生长后通量,并通过活细胞计数进行测量。在没有血清的情况下,Rat-1/Wnt-1细胞在感染后继续增殖,而对照Rat-1/Wnt-5A细胞仍然生长受阻(图。(图2A)。2A) ●●●●。在注入后9天,Rat-1/Wnt-1细胞在无血清条件下继续增殖。与对照Rat-1/Wnt-5A细胞相比,相对细胞数量增加了三倍,这反映了对Wnt-1表达的反应(图。(图2A)。2A) ●●●●。

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Wnt-1诱导静止的Rat-1成纤维细胞增殖。Rat-1/Wnt-1(∗)和对照Rat-1/Wnt-5A(б)细胞培养至融合,去除血清,并监测融合后的生长。(A) 在灌注后数天,用胰蛋白酶消化活细胞,并用台盼蓝排除法进行计数。相对细胞数百分比计算为取血清后1天记录的相对细胞数的百分比。对一式三份样品进行计数并取平均值。(B) 灌注6天后,固定细胞单层,用Giemsa核染色并拍照。钢筋,4.75 mm。

增殖的Rat-1/Wnt-1细胞紧密堆积在一起,形成单层细胞密集簇。在对细胞单层进行Giemsa染色后,这些簇是明显的(图。(图2B)。2B) ●●●●。在类似条件下,Rat-1/Wnt-5A在汇合处保持生长停滞,如细胞单层的均匀Giemsa染色所示(图。(图22B) ●●●●。

Wnt-1诱导血清非依赖性细胞增殖。

为了测试Wnt-1是否足以代替促有丝分裂血清成分支持细胞生长,我们分析了无血清条件下Rat-1稳定细胞系的生长。野生型Rat-1、Rat-1/Wnt-5A或Rat-1/Wnt-1成纤维细胞稀疏接种于无血清培养基中(<15%融合),并通过计数血清去除后多天的活细胞来测量细胞增殖。野生型Rat-1细胞仍然存活,生长非常缓慢,在无血清培养17天后生长逐渐减弱(图。(图3A)。A) ●●●●。Wnt-1的过度表达显著增加了无血清培养基中Rat-1成纤维细胞的生长(图。(图3A)。A) ●●●●。与对照细胞相比,Rat-1/Wnt-1细胞的细胞数量增加了2.5倍。对照组Wnt-5A表达细胞在培养3周后未达到融合(图。(图3B)B) 而Rat-1/Wnt-1细胞在培养1周后达到融合,并在融合后继续增殖(图。(图3B)。B) ●●●●。培养24天后,Rat-1/Wnt-1细胞的细胞总数增加了9倍。

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Wnt-1诱导Rat-1成纤维细胞的血清非依赖性生长。野生型Rat-1(□)、Rat-1/Wnt-1(∗)和对照Rat-1/Wnt-5A(б)细胞以低密度(<15%合流)接种,去除血清,并监测其非血清依赖性生长。(A) 在取下血清后数天,对细胞进行胰蛋白酶消化,并对活细胞进行计数。相对细胞数百分比是相对于血清清除后1天记录的细胞数计算的。对三份样品进行计数和平均。(B) 在取下血清后的多天(第1、8和17天),拍摄Rat-1/Wnt-1和Rat-1/Wnt-5A细胞的照片,并监测其血清非依赖性生长。

Wnt-1诱导Rat-1成纤维细胞中β-连环蛋白的胞浆积累。

以前有报道称Wnt-1的表达导致β-catenin稳态水平的增加(20,33,44). 还假设细胞液中β-catenin的积累负责Wnt-1下游信号传导(35). 在确定Wnt-1影响Rat-1成纤维细胞的生长和形态特性后,我们研究了Wnt-1对Rat-1细胞中β-catenin蛋白水平的影响。为了研究β-连环蛋白对Wnt-1反应的变化,我们评估了Rat-1细胞裂解物的总裂解物以及细胞溶质和膜部分中的β-连环素蛋白水平。蛋白质组分的Western blot分析显示,与对照细胞相比,Wnt-1表达细胞的胞浆β-catenin水平显著增加(图。(图4B,4B、 车道2)。野生型Rat-1和对照Rat-1/Wnt-5A细胞的胞浆β-连环蛋白水平几乎检测不到(图。(图4B,4B、 车道1和3)。β-连环蛋白水平在总裂解物中保持不变(图。(图4A)4A) 和膜组分(图。(图4C,4C、 通道1至3)。Rat-1细胞系的免疫荧光分析显示出一种主要的膜信号,并且在对Wnt-1表达的反应中,β-catenin的细胞定位没有改变(数据未显示)。

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Wnt-1诱导Rat-1成纤维细胞中β-连环蛋白的胞浆积累。Western blot分析野生型Rat-1(空白)、Rat-1/Wnt-1(W1)和Rat-1/Wnt-5A(W5A)细胞的普通(A)、细胞溶质(B)和膜(C)蛋白部分的稳态β-catenin蛋白水平。细胞未感染或感染Ad/Wnt-1或对照Ad/LacZ(MOI=5)。按照材料和方法中的描述,制备并分离细胞提取物。蛋白质组分用SDS-PAGE(10%聚丙烯酰胺)分离,转移到硝酸纤维素上,并用抗β-连环蛋白抗体(抗β-Cat)进行Western blot分析。

研究爪蟾表明Wnt-5A可以干扰Wnt-1信号(46). 为了研究Rat-1细胞中的这种相互作用,我们通过Ad/Wnt-1感染将Wnt-1引入Rat-1/Wnt-5A细胞,并测量细胞溶质β-catenin水平的变化。野生型Rat-1细胞和Rat-1/Wnt-5A细胞对Wnt-1表现出同等的反应性,导致Ad/Wnt-1感染2天后细胞液中β-catenin蛋白的急性诱导(图。(图4B,4B、 车道4和6)。Ad/Wnt-1在对照组(第4车道)或Rat-1/Wnt-5A(第6车道)细胞中诱导的β-catenin水平与Rat-1/Wnt-1稳定细胞系(第2车道)中观察到的水平相当。这些结果表明,Rat-1/Wnt-5A细胞系在选择后对Wnt-1的反应性没有改变,Wnt-5A的表达不会干扰Wnt-1活性。Rat-1/Wnt-1细胞的Ad/Wnt-1感染并没有进一步增加细胞溶质β-catenin水平(第5通道)。控制性Ad/LacZ感染对三种细胞系中的任何一种β-catenin水平均无影响(图。(图4B,4B、 车道7至9)。

为了进一步研究Wnt-5A和Wnt-1之间的潜在相互作用,我们构建了表达Wnt-5AHA、Ad/Wnt-5A的腺病毒表达结构。用Ad/Wnt-5A感染Rat-1细胞不会导致细胞出现可检测到的形态或增殖变化(数据未显示)。感染后2天细胞裂解物的Western blot分析表明,感染Ad/Wnt-5A的细胞中存在Wnt-5A蛋白(图。(图5A,5A、 车道2至4)。在感染Ad/Wnt-1的细胞中检测到Wnt-1蛋白(第6道)。在模拟感染细胞(1区)或感染对照腺病毒Ad/LacZ的细胞(5区)中未检测到Wnt蛋白。通过增加Ad/Wnt-5A的MOI,在Rat-1细胞中检测到Wnt-5A蛋白表达的逐步适度增加。

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Wnt-5A的共表达并不影响Wnt-1对Rat-1成纤维细胞胞浆β-catenin的诱导作用。(A) Ad/Wnt-5A增加MOI时Rat-1细胞中Wnt-5A蛋白的表达。显示了在MOI为5、10或20或Ad/Wnt-1(W1)(MOI=5)或Ad/LacZ(Z)(MOI=5)时感染Ad/Wnt-5A后2天或模拟感染(M)后细胞裂解物的Western blot分析。用抗HA抗体检测Wnt-1和Wnt-5A蛋白。(B) Wnt-5A的共表达并不干扰Wnt-1对Rat-1成纤维细胞胞浆β-catenin的诱导作用。显示了模拟感染(M)、感染Ad/Wnt-1(W1)、Ad/LacZ(Z)或Ad/Wnt-5A(5A)、与Ad/Wnt1(MOI=5)和Ad/Wnt-5 A(MOI=5、10或20)共感染或与Ad/Wnt-1(W2)(MOI=20)共感染后Rat-1细胞稳态胞浆β-catenin蛋白水平的Western blot分析。制备细胞提取物,进行分级,并用抗β-连环蛋白抗体(anti-β-Cat)进行蛋白质印迹分析。

为了研究Wnt-5A对Wnt-1活性的潜在调节作用,我们通过与Ad/Wnt-5A和Ad/Wnt-1共感染将Wnt-5A和Wnt-1引入Rat-1细胞,并在共感染后2天检测细胞裂解物胞浆部分的β-catenin水平。在感染Ad/Wnt-1后,Rat-1细胞的胞浆β-catenin水平显著增加(图。(图5B,5B、 车道2;参见图。图4B)。4B) ●●●●。感染Ad/Wnt-5A的细胞显示出几乎无法检测到的细胞溶质β-连环蛋白水平(图。(图5B,5B、 通道4),以及模拟感染细胞和感染对照的细胞Ad/LacZ(通道1和3)。将Rat-1细胞与Ad/Wnt-1和Ad/Wnt-5A联合感染,使MOI增加5、10和20,导致Wnt-1诱导的细胞溶质β-catenin水平没有变化(第5至7道)。与Ad/Wnt-1和Ad/LacZ联合感染对Wnt-1诱导β-catenin也没有影响。这些结果表明,Wnt-5A与腺病毒载体共表达并不干扰Wnt-1对Rat-1成纤维细胞β-catenin的诱导。

Wnt-1诱导Rat-1成纤维细胞的Tcf/Lef转录激活。

目前的模型表明,细胞溶质β-连环蛋白与下游效应器相互作用,转位到细胞核,并激活靶基因。一类潜在效应物是Tcf/Lef HMG转录因子(30,35). 我们假设Wnt-1可能通过激活Tcf/Lef转录因子Wnt(重量)Rat-1成纤维细胞的信号转导途径。为了解决这个假设,我们在Tcf荧光素酶报告分析中分析了Wnt-1对Rat-1成纤维细胞Tcf/Lef转录活性的影响(22).

这些实验中使用的Tcf荧光素酶报告子结构pTOPFLASH包含三个最佳的Tcf结合元件,它们串联放置在最小c-福斯驱动荧光素酶基因表达的启动子(22). 对照Tcf报告基因pFOPFLASH在结合元件中含有关键的核苷酸替换,从而破坏Tcf结合。我们观察到,将Wnt-1表达载体和pTOPFLASH-Tcf报告子共同转染到Rat-1成纤维细胞中,转染2天后产生了较强的荧光素酶活性(图。(图6A)。6A) ●●●●。背景荧光素酶活性在pTOPFLASH和alacZ公司-含有质粒(图。(图6A)。6A) ●●●●。Wnt-1诱导的pTOPFLASH报告子的激活量是对照pFOPFLASH-报告子的三倍。随着Wnt-1质粒(0.5、1或5μg)数量的增加,转染并未导致pTOPFLASH报告子的激活增加(图。(图6A)。6A) ●●●●。

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Wnt-1诱导Rat-1成纤维细胞的Tcf/Lef依赖性转录。(A) Wnt-1的瞬时表达诱导Tcf/Lef依赖性转录。野生型(pTOPFLASH)或突变型(pFOPFLASH)Tcf报告子构建物(4μg)被联合转染到Rat-1成纤维细胞中,Wnt-1或lacZ公司cDNA。(B) Rat-1/Wnt-1细胞中Wnt-1的稳定表达诱导组成性Tcf/Lef转录激活。将野生型Tcf(pTOP)或突变体Tcf(p FOP)报告体构建物(4μg)转染到Rat-1/Wnt-1或Rat-1/Wnt-5A稳定细胞系。转染后2天测定荧光素酶活性。对三份样品进行计数和平均。

接下来,我们研究了在稳定的Rat-1细胞系中是否存在组成型Tcf/Lef转录活性。用pTOPFLASH或对照pFOPFLASH-报告基因转染Rat-1/Wnt-1和Rat-1/Wnt-5A细胞,2天后测定荧光素酶活性。图6B6B说明Rat-1/Wnt-1细胞显示出三倍于对照Rat-1/Wnt-5A细胞的组成性Tcf-依赖荧光素酶活性。当用突变的Tcf报告基因pFOPFLASH转染Rat-1/Wnt-1和Rat-1/Wnt-5A细胞时,显示出类似的背景荧光素酶活性(图。(图6B)。6B) ●●●●。使用猴病毒40早期启动子表达荧光素酶的构成型报告子(pSV2-Luc)进行对照转染,证明转染效率在所有稳定细胞系中都是可比的(数据未显示)。

突变的β-连环蛋白(S37A)不会在胞质溶胶中积累。

据推测,β-catenin的细胞溶质积累是驱动活性β-catentin/Tcf转录复合物形成的关键事件。因此,胞浆β-catenin的积累将是Wnt-1信号传导的速率限制步骤。野生型细胞溶质β-catenin通常不稳定,在缺乏Wnt-1信号的情况下迅速降解(1). 在残基37(S37A)处发生丝氨酸到丙氨酸突变的突变β-连环蛋白被认为比野生型β-连环素更稳定,因此更活跃(42).

为了检测β-连环蛋白的活性,我们在Rat-1成纤维细胞中表达了β-连环素(S37A)。使用表达HA-epitope标记的β-catenin(S37A)的重组逆转录病毒,我们生成了多克隆Rat-1稳定细胞系Rat-1/β-CatS37A。用抗HA抗体对全细胞裂解物进行Western blot分析,显示Rat-1/β-CatS37A细胞中β-catenin(S37A)蛋白的表达。图7A7A(通道2)显示Rat-1/β-CatS37A细胞的全细胞裂解物中的HA标记的β-catenin(S37A)蛋白,迁移速度约为92kDa。在模拟感染细胞中未检测到外源蛋白(图。(图7A,7A、 车道1)。同时,用抗β-连环蛋白抗体进行的Western blot分析显示,外源性β-连环素(S37A)蛋白(第4道)的迁移率略高于内源性β-连蛋白(第3道)。观察到的β-catenin(S37A)电泳迁移率的变化可能是由于HA表位标签引起的。

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突变的β-连环蛋白(S37A)不会在胞浆中积聚。(A) Rat-1/β-CatS37A稳定细胞系中β-catenin(S37A)的Western blot分析。用SDS-PAGE分离细胞裂解产物(1、2道用10%聚丙烯酰胺,3、4道用7.5%聚丙烯酰胺)并转移到硝化纤维素中,用抗HA抗体(2道)或抗β-连环蛋白(4道)进行Western blot分析检测β-连环素(S37A)。通道1显示在对照细胞中未检测到外源蛋白。泳道3显示β-连环蛋白在Rat-1细胞中的内源性表达。外源性β-连环蛋白(S37A)蛋白质由第4条车道上的箭头指示。(B) Western blot分析Rat-1/Wnt-1(W1)、Rat-1/Wnt-5A(W5A)和Rat-1/β-CatS37A(S37A)稳定细胞系中的细胞溶质β-catenin蛋白水平。细胞未感染或感染Ad/Wnt-1(MOI=5)或对照组,Ad/LacZ(MOI=5)细胞溶胶蛋白组分用SDS-PAGE(10%聚丙烯酰胺)分离,转移到硝化纤维素中,并用抗β-连环蛋白抗体(抗β-Cat)进行Western blot分析。

接下来,我们分析了Rat-1/β-CatS37A细胞胞质部分中β-catenin(S37A)蛋白的水平。通过细胞分馏和用抗β-连环蛋白抗体进行的Western blot分析,我们观察到细胞溶质部分中β-连环素(S37A)蛋白很少积累(图。(图7B,7B、 通道3)与Wnt-1表达细胞(通道1)相比。与Rat-1/Wnt-5A细胞一样,Rat-1/β-CatS37A细胞的胞浆β-catenin水平较低(第2和第3通道)。然而,这两种细胞系均对Wnt-1表现出急性反应性,表现为Ad/Wnt-1感染后2天,β-catenin蛋白在胞浆中大量积累(第5和第6通道)。Ad/LacZ控制感染对任何细胞系(第7至9道)中的β-catenin水平均无影响。Ad/Wnt-1感染后Rat-1/β-CatS37A细胞中β-catenin的细胞溶质池主要由内源性β-catening组成。异位表达的β-连环蛋白(S37A)被检测为一种较慢的迁移形式,对Wnt-1信号表现出很少或没有反应性,并且在Ad/Wnt-1感染后不会在胞质溶胶中积累(数据未显示)(见讨论)。

β-连环蛋白S37A不影响Rat-1成纤维细胞的生长。

接下来,我们对无血清条件下Rat-1/β-CatS37A细胞的生长进行了表征。稀疏播种时,Rat-1/β-CatS37A细胞增殖速度与野生型Rat-1细胞相似(图。(图8A)8A) 在没有血清的情况下没有达到融合(图。(图8B)。8B) ●●●●。Rat-1/β-CatS37A细胞的增殖速度明显低于Rat-1/Wnt-1细胞(对比图。图3AA和图。图8A)。8A) ●●●●。Rat-1/β-CatS37A细胞保留了野生型Rat-1成纤维细胞的形态和生长特性(图。(图8B)。8B) ●●●●。此外,如Rat-1/Wnt-1细胞所示,Rat-1/β-CatS37A细胞在无血清培养基中受影响后未能生长(数据未显示)。我们还从Rat-1/β-CatS37A细胞系中产生并分析了八个克隆系。尽管β-catenin(S37A)的表达水平存在克隆差异,但通过Western blotting测定,Rat-1/β-CatS37A的多克隆系和克隆系之间的生长和形态几乎没有明显差异(数据未显示)。

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突变β-连环蛋白(S37A)的表达不会改变Rat-1细胞的形态或生长特性。Rat-1/β-CatS37A()和野生型Rat-1(□)细胞以低密度(<15%合流)接种,去除血清,并监测其血清非依赖性生长。(A) 在取下血清后数天,对细胞进行胰蛋白酶消化,并对活细胞进行计数。相对细胞数百分比计算为取血清后1天记录的相对细胞数的百分比。样品计数为一式三份。(B) 去除血清后,在图中所示的日期拍摄野生型Rat-1和Rat-1/β-CatS37A细胞。

β-连环蛋白(S37A)诱导Tcf/Lef转录激活。

β-连环蛋白突变与肿瘤细胞系中组成性Tcf转录激活有关(28). 我们检测了β-连环蛋白(S37A)的异位表达是否导致Rat-1成纤维细胞中Tcf/Lef依赖性转录的激活。用Tcf荧光素酶报告基因构建物和β-连环蛋白(S37A)表达质粒共同转染Rat-1成纤维细胞。转染后2天测定荧光素酶活性。通过与pTOPFLASH报告子共转染越来越多的β-连环蛋白(S37A)cDNA,检测到荧光素酶活性的剂量依赖性增加,其活性高达pFOPFLASH-对照报告子的五倍(图。(图9A)。9A) ●●●●。控制pTOPFLASH报告子的转染lacZ公司质粒显示背景荧光素酶活性(图。(图9A)。9A) ●●●●。

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突变的β-catenin(S37A)激活Tcf/Lef依赖性转录。(A) β-catenin(S37A)(β-CatS37A,β-catenin)的瞬时表达诱导Tcf/Lef依赖性转录。将野生型(pTOPFLASH)或突变型(pFOPFLASH)Tcf报告构建体(4μg)与越来越多的β-CatS37A或对照共转染到Rat-1成纤维细胞中lacZ公司cDNA。(B) β-CatS37A在Rat-1/β-CatS17A细胞中的稳定表达可诱导Tcf/Lef转录激活。将野生型Tcf(pTOP)或突变体Tcf(p FOP)报告体构建物(4μg)转染到Rat-1/β-CatS37A、Rat-1/Wnt-1或Rat-1/Wnt-5A稳定细胞系。转染后2天测定荧光素酶活性。对一式三份样品进行计数并取平均值。

接下来,我们研究Rat-1/β-CatS37A稳定细胞系是否表现出组成性Tcf/Lef转录活性。我们通过瞬时转染将pTOPFLASH或pFOPFLASH-报告子导入Rat-1稳定细胞系,并在2天后测量荧光素酶活性。Rat-1/β-CatS37A细胞显示出强大的Tcf/Lef转录活性。图9B9B表明,当转染pTOPFLASH-Tcf报告基因时,Rat-1/β-CatS37A和Rat-1/Wnt-1细胞的荧光素酶活性水平相当。对于这两种细胞系,在转染对照pFOPFLASH报告基因的细胞中未检测到显著的荧光素酶活性。对照Wnt-5A细胞在转染两种Tcf报告体构建物时均未表现出明显的荧光素酶活性(图。(图9B)。9B) ●●●●。我们得出结论,突变型β-catenin(S37A)的表达激活Rat-1细胞中的Tcf/Lef依赖性转录。Rat-1成纤维细胞中Wnt-1或β-catenin(S37A)的稳定表达导致组成性Tcf/Lef转录激活。

讨论

在本研究中,我们将Rat-1成纤维细胞鉴定为Wnt-1反应性细胞系。Wnt-1在无血清的情况下支持Rat-1细胞的生长,并刺激其生长。我们使用Rat-1细胞来表征Wnt信号事件,并将这些事件与Rat-1细胞对Wnt-1的生物反应联系起来。我们的数据表明,Wnt信号转导通路的激活导致细胞液中β-catenin的诱导和Rat-1成纤维细胞中Tcf/Lef的转录激活。

我们认为Rat-1成纤维细胞对Wnt-1的生物表型是由于β-catenin(一种关键的Wnt信号转导中间产物)水平和/或活性增加的结果。研究爪蟾提供了证据表明β-catenin的过度表达可以模拟Wnt活性(14,15). 检测Rat-1成纤维细胞对Wnt-1的反应中的β-连环蛋白水平,发现β-连环素在细胞溶质细胞部分有急性积聚。相反,在这些细胞的膜组分中观察到β-连环蛋白水平几乎没有变化,表明Wnt-1对胞浆β-连环素有选择性调节。由于膜池包含Rat-1成纤维细胞中的大多数β-连环蛋白,因此Wnt-1没有显著改变细胞总β-连环蛋白。先前的研究表明,Wnt-1可以稳定乳腺上皮细胞中β-连环蛋白作为单体和与钙粘蛋白或APC的复合物(33). 我们的研究表明,Wnt-1诱导细胞液中β-连环蛋白的特异性积累,并与其他已建立的细胞系中的β-连环素分析一致(23). 我们还发现β-catenin水平没有随着Wnt-5A的表达而改变,这与之前关于Wnt-1和Wnt-5A不同活性的报道一致(12,32,52). 我们没有发现证据表明Wnt-5A的表达可以干扰Rat-1成纤维细胞中Wnt-1的信号传导,而对Wnt-5A在Rat-1细胞中的活性的研究则相反爪蟾(46). 可以推测,Wnt-5A和Wnt-1之间的相互作用在哺乳动物组织培养细胞系和爪蟾胚胎。还可能需要Wnt-5A相对于Wnt-1表达的显著过度表达才能对Wnt-1活性表现出抑制作用。

细胞溶质β-catenin的一个拟议功能是与Tcf/Lef家族转录因子相互作用,激活下游Wnt靶基因。Tcf/Lef功能在淋巴细胞发育和诱导上皮-间充质细胞相互作用中至关重要(49,50). 最近的研究结果爪蟾果蝇表明Tcf/Lef转录激活是Wnt/无翼信号转导途径的一部分(8,26,38,48). 然而,没有证据表明哺乳动物细胞中Wnt信号和Tcf/Lef转录之间存在直接联系。为了解决这个问题,我们检测了Wnt-1对Rat-1成纤维细胞中Tcf/Lef转录活性的诱导作用。在瞬时和稳定系统中,我们观察到Wnt-1表达导致Tcf/Lef转录元件的强烈激活。观察到的Wnt-1诱导Tcf/Lef转录活性与Wnt-1在Rat-1细胞中诱导β-catenin特异相关。我们对Rat-1成纤维细胞的研究结果与当前的遗传模型一致(30),指出Wnt信号、β-catenin诱导和Tcf/Lef转录激活之间的联系。

Rat-1成纤维细胞对Wnt-1信号的反应的生物学表型表明Wnt-1存在促有丝分裂活性。哺乳动物细胞中Wnt-1的活性此前已通过乳腺上皮细胞中Wnt-1的异位表达进行了检测(7,39)或小鼠成纤维细胞(5). 与之前的发现类似,我们观察到Wnt-1的异位表达足以诱导静止的Rat-1成纤维细胞的生长后反应。与之前的研究相比,Wnt-1不足以支持低血清中的细胞生长(5),我们发现Wnt-1促进Rat-1成纤维细胞的血清非依赖性生长。Wnt-1增加Rat-1细胞数量的机制尚不清楚。Wnt-1可能作为有丝分裂原支持细胞生长,这表明Wnt-1表达的细胞表现出显著的生长后效应。然而,在缺乏血清的条件下,它可以作为细胞存活因子,从而增加活细胞的数量。Wnt-5A对Rat-1成纤维细胞没有类似的生物学效应,这表明观察到的表型是由于Wnt-1特异性活性,而不是pan-Wnt活性;因此,Wnt-5A在我们的实验中可以作为适当的阴性对照。

Rat-1成纤维细胞对Wnt-1的生长反应与β-catenin诱导和Tcf/Lef转录激活相关。为了探讨β-catenin的作用,我们构建了表达突变β-catentin(S37A)的Rat-1稳定细胞系。β-catenin(S37A)丝氨酸37的突变最初在黑色素瘤细胞系中发现(22,28,42). S37A可能干扰β-连环蛋白的GSK-3β磷酸化,并可能导致细胞溶质β-连环素的稳定(41). 然而,我们发现突变体β-连环蛋白(S37A)在Rat-1成纤维细胞的胞浆中没有积累。对这一发现的一种解释是,备用GSK-3β磷酸化位点保持活性,并导致β-连环蛋白(S37A)快速降解。或者,β-catenin(S37A)可能需要Wnt-1信号的额外修饰才能在胞浆中积聚。有趣的是,β-连环蛋白(S37A)对Wnt-1信号相对不敏感,显示Ad/Wnt-1感染后细胞液中很少积聚(数据未显示)。因此,丝氨酸37可能是Wnt-1信号对β-catenin进行额外修饰以在胞浆中积累所必需的。

然而,在缺乏Wnt-1信号的情况下,β-连环蛋白(S37A)的表达导致Rat-1细胞中具有强的组成型Tcf/Lef转录活性。β-catenin(S37A)表达细胞的活化程度与Wnt-1表达细胞的激活程度相当。增加β-catenin表达质粒的引入导致转录激活增加,而增加Wnt-1的引入并没有导致激活增加。我们的数据表明,β-catenin是Wnt-1诱导Tcf/Lef转录激活的一种速率调节中间产物。

最近在结肠癌细胞系中发现了组成性Tcf/Lef转录活性(22,28). β-catenin突变或APC抑癌基因突变与这些细胞系中β-caterin/Tcf复合物的组成性Tcf/Lef转录活性相关。总之,这些发现表明,β-catenin或APC的放松调控可以导致组成性β-catentin/Tcf转录激活,这可能直接促进肿瘤的发生。对我们研究结果的一种解释是Wnt-1诱导β-catenin和组成性Tcf/Lef转录活性,导致Rat-1成纤维细胞的增殖反应。

有趣的是,我们发现诱导Tcf/Lef转录活性不足以代替Wnt-1改变细胞生长和形态。虽然Rat-1/Wnt-1和Rat-1/β-CatS37A细胞的Tcf/Lef转录激活水平相当,但这些细胞系没有表现出类似的生物学表型。对这些数据的一种解释是,β-catenin中的S37A突变导致异常转录活性,与β-catentin的其他潜在信号功能无关。对Rat-1/β-CatS37A细胞裂解物的核组分进行的Western blot分析显示,β-catenin(S37A)在细胞核中有一些定位(数据未显示)。因此,β-连环蛋白(S37A)可能会易位到细胞核中,并具有增加的转录活性。对这些数据的另一种解释是,Tcf/Lef转录可能是Wnt-1信号转导途径中的许多下游事件之一,仅Tcf/Lef转录激活不足以引起Rat-1成纤维细胞代替Wnt-1的增殖效应。然而,我们也认识到,由报告人测量的Tcf/Lef转录活性(22)可能是饱和的,可能不代表内源性基因激活。

除了Tcf/Lef转录激活外,β-catenin对Wnt-1的反应在细胞内积累可能具有额外的生长抑制功能。β-连环蛋白(S37A)在转录激活中起作用,但不会在胞浆中积累或促进生长。我们提出,β-连环蛋白的积累可能激活Tcf依赖性转录,但也可能是在胞质溶胶中传递Wnt-1生长信号所必需的。β-catenin水平的轻微变化可能足以形成功能性β-caterin/Tcf复合物,激活转录。然而,通过与其他细胞溶质蛋白的相互作用,Wnt-1生长信号可能需要大量细胞溶质β-连环蛋白的积累。考虑到β-catenin在细胞粘附中的功能,正如其他环境中报道的那样,Rat-1细胞中Wnt-1的表达也可能调节细胞粘附中β-catentin的功能(6,20,27). 因此,粘附性能的变化可能会改变细胞形态和生长,从而引发Wnt-1生长效应。在另一种模型中,Wnt-1信号转导途径可能在β-catenin上游的一点分叉。因此,β-catenin上游的次级信号可能有助于Rat-1成纤维细胞中Wnt-1的增殖效应。目前正在进行实验,以进一步解决对Wnt-1生长信号至关重要的潜在信号事件。

致谢

我们感谢尤金·马坎托尼奥(Eugene Marcantonio)、弗兰克·科斯坦蒂尼(Frank Costantini)、鲁迪·格罗斯谢尔德(Rudy Grosschedl)和马丁·朱利叶斯(Martin Julius)对手稿的讨论和批判性阅读,感谢马丁·尤利叶斯和严庆友(Qingyou Yan)构建逆转录病毒。汉斯·克利夫斯(Hans Clevers)慷慨提供了pTOPFLASH和pFOPFLASH-报告构建物,史蒂文·拜尔斯(Steven Byers)慷慨提供β-catenin(S37A)cDNA,里卡多·达拉·菲娃(Riccardo Dalla-Favera)慷慨提供Rat-1成纤维细胞。

这项工作得到了美国陆军医学研究与材料司令部(USAMRMC)根据DAMD17-94-J-4069、美国癌症学会(ACS DB-81)和玛丽莲·博克迈尔·斯佩里基金会(Marilyn Bokemeier Sperry Fund)的资助,以及美国国立卫生研究院(T32 CA09503)为C.S.Y.提供的10月前奖学金的支持。

附录证明

自提交本文以来,其他研究小组已经报告Wnt-1可以诱导Tcf报告基因转录(V.Korinek、N.Barker、K.Willert、M.Molenaar、J.Roose、G.Wagenaar、M.Markman、W.Lamers、O.Destree和H.Clevers,Mol.Cell.Biol)。18:1248–12561998)或β-catenin–LEF-1复合物(E.Porfiri、B.Rubinfeld、I.Albert、K.Hovanes、M.Waterman和P.Polakis,癌基因15:2833–2839, 1997).

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文章来自分子和细胞生物学由以下人员提供泰勒和弗朗西斯