细胞生物学杂志。2003年7月7日;162(1): 149–160.
纤维连接蛋白EDA外显子的调控剪接对皮肤伤口的正确愈合和正常寿命至关重要
,1 ,1 ,2 ,1 ,1 ,1,三和1
安德烈斯·穆罗
1意大利的里雅斯特,34012,国际遗传工程和生物技术中心
阿尼尔·K·肖汉
1意大利的里雅斯特,34012,国际遗传工程和生物技术中心
斯雷科·加乔维奇
2克罗地亚萨格勒布大学医学院克罗地亚脑研究所,克罗地亚萨格勒布10000
亚历山德拉·亚康齐
1意大利的里雅斯特,34012,国际遗传工程和生物技术中心
法比奥拉·波罗
1国际基因工程和生物技术中心,意大利的里雅斯特34012
乔治·斯坦塔
1意大利的里雅斯特,34012,国际遗传工程和生物技术中心
三意大利的里雅斯特大学临床、形态学和技术科学系,邮编34100
弗朗西斯科·巴拉勒
1意大利的里雅斯特,34012,国际遗传工程和生物技术中心
1国际基因工程和生物技术中心,意大利的里雅斯特34012
2克罗地亚萨格勒布大学医学院克罗地亚脑研究所,克罗地亚萨格勒布10000
三意大利的里雅斯特大学临床、形态学和技术科学系,邮编34100
地址:Francisco E.Baralle,International Center for Genetic Engineering and Biotechnology(ICGEB),Padriciano 99,34012 Trieste,Italy。电话:(39)040-375-7337。传真:(39)040-226555。电子邮件:ti.etseirt.begci@ellarab 收稿日期:2002年12月13日;2003年5月12日修订;2003年5月16日接受。
- 补充资料
【补充材料索引】
GUID:8CD20D43-99A2-4194-B00E-72677BB533EC
GUID:BC2B6E88-1F07-448A-AA23-ADF5757611F
摘要
纤维结合蛋白(FN)是存在于血浆和组织ECM中的多功能高分子量糖蛋白。FN初级转录物在三个区域进行选择性剪接,在人类中产生多达20种不同的主要变体。然而,FN亚型的确切作用尚不清楚。选择性剪接外显子之一是额外结构域A(EDA)或额外类型III同源性,在发育和衰老过程中受到时空调控。为了研究其体内功能,我们制作了没有EDA外显子调控剪接的小鼠。通过优化剪接位点获得组成外显子包含,而在体内CRE-loxP介导的外显子缺失后获得完全排除。完全排除或包含EDA外显子的纯合小鼠菌株是可行的,并且发育正常,这表明在胚胎发育期间,EDA外隐子的选择性剪接是不必要的。相反,FN蛋白中没有EDA外显子的小鼠表现出异常的皮肤伤口愈合,而含有EDA外隐子的小鼠则表现出所有组织中FN水平的显著下降。此外,这两种突变小鼠菌株的寿命都明显短于对照小鼠,这表明EDA剪接调控对于有效长期维持生物功能是必要的。
关键词:ECM;整合素受体;基膜;老化;CRE loxP
结果
交替剪接基因产生的蛋白质亚型的体内功能研究通常受到以下事实的限制:不同亚型以时间和空间方式共存于生物体的同一组织中。因此,具有不同形式受控表达的动物模型的可用性对这些研究至关重要。
我们之前已经报道过,FN基因小鼠EDA外显子5′和3′剪接位点的优化导致NIH3T3细胞中的组成型外显子包含(Muro等人,1998年). 这些结果加上小鼠胚胎干(ES)细胞中同源重组技术的威力,使我们能够研究由选择性剪接产生的蛋白质亚型的生物学意义(有关原理的详细描述,请参阅在线补充材料,网址:http://www.jcb.org/cgi/content/full/jcb.200212079/DC1). 此外,迄今为止,还没有关于剪接位点优化导致天然选择性剪接外显子在体内构成剪接的报道。
EDA外显子缺乏选择性剪接的小鼠菌株发育正常且可育
为了在EDA外显子中产生缺乏选择性剪接的FN等位基因,将FN基因中的野生型EDA外显子替换为具有图S1中所述的5′和3′优化剪接位点的“浮动”EDA外显子网址:www.jcb.org/cgi/content/full/jcb.200212079/DC1). 用靶向结构电穿孔129 Sv/J ES细胞后(A) 筛选G418抗性克隆,并进行Southern杂交分析。通过瞬时表达CRE重组酶进行第二步重组,以从EDA侧翼内含子中消除Neo-TK盒。PCR-扩增基因组EDA区域的Southern blot分析和测序证实了在一个FN等位基因中引入了优化的3′和5′剪接位点以及EDA外显子侧翼的loxP位点。此后,这个等位基因将被称为EDA+等位基因。杂合EDA+/重量用ES细胞获得传递EDA的雄性嵌合体+生殖系的等位基因。杂合EDA+/重量小鼠与CMV-CRE转基因小鼠交配以获得EDA-null等位基因(以下简称EDA−等位基因)。通过杂交杂合小鼠获得纯合小鼠,并通过Southern blot分析进行筛选(B) 或通过尾部DNA活检的PCR(未描述)。
FN基因EDA外显子缺乏调控剪接的小鼠菌株的生成策略。(A) 野生型FN等位基因、靶向载体、靶向等位基因,EDA-floxed等位基因和EDA-null等位基因的部分图谱。外显子、Neo-TK和DTA分别显示为灰色、白色和虚线框。EDA外显子和“loxP”位点分别用黑色正方形和白色三角形表示。N和H分别表示NcoI和HindIII位点。用CRE重组酶表达质粒和EDA瞬时转染重组ES细胞+/重量用杂合细胞进行囊胚显微注射。EDA公司+/重量小鼠与表达CRE的转基因小鼠株交配以获得EDA−/重量老鼠。星号表示NdeI站点。4.0-kb、2.7-kb和2.0-kb的DNA片段(EDA重量、EDA+和EDA−用HindIII消化后获得的等位基因,以及用内部探针进行的Southern blot杂交。(B) 不同小鼠基因型的Southern blot筛选。EDA公司重量、EDA+、和EDA−显示了条带。(C) EDA总RNA的RT-PCR分析重量/重量、EDA+/+和EDA−/−从肝脏、大脑和肾脏显示。EDA公司+和EDA−显示了条带(分别为805bp和535bp)。
纯合EDA+/+和EDA−/−出生后的小鼠与野生型或杂合子同窝小鼠相比没有明显的发育异常;他们成年了,可以生育。此外,在纯合EDA的器官中未检测到差异+/+和EDA−/−通过大体组织学和病理学分析对小鼠进行研究(未发表数据)。突变的等位基因以预期的孟德尔频率分离,新生小鼠的产仔数和存活率(在断奶前测量)与EDA相似重量/重量动物。无论是在胚胎的形状上,还是在定时交配产生的胚胎体节的数量上,都没有观察到任何差异。详细数据显示在在线补充材料部分。
EDA公司+/+小鼠缺乏EDA外显子的选择性剪接
FN mRNA中包含EDA外显子受到严格的组织特异性调控。最引人注目的例子是肝脏,其中pFN被合成,EDA外显子在成人的mRNA中被完全排除(Tamkun和Hynes,1983年;Kornblihtt等人,1984年).
放射性RT-PCR用于分析所有三种基因型的大部分组织和器官(EDA重量/重量、EDA+/+和EDA−/−). 肝、脑和肾等代表性组织中EDA剪接模式的示例如所示C.这些结果通过相同样品的核糖核酸酶保护分析得到证实(图S2可在网址:www.jcb.org/cgi/content/full/jcb.200212079/DC1). 我们发现EDA+EDA样本中从未出现过形式−/−老鼠和EDA+EDA产品+/+所有组织中都有小鼠。对FN mRNAs的RNase保护和RT-PCR分析表明,EDA的所有组织中都含有99–100%的EDA外显子+/+小鼠,而属于EDA的所有组织都有100%的EDA外显子排除−/−老鼠。这证实了基因改造的基本原理在实际体内情况下得到了成功实现。
小鼠胚胎成纤维细胞(MEF)中EDA外显子缺乏调控剪接的正常FN-ECM形成
接下来,我们检测了由EDA制备的MEF中FN mRNA、蛋白质亚型和ECM形成的表达重量/重量、EDA+/+和EDA−/−动物。RT-PCR分析证实了EDA外显子在EDA中的组成性嵌合+/+以及它在EDA中的缺失−/−MEF公司(A) ●●●●。用多克隆抗FN抗体和单克隆抗EDA抗体对蛋白质提取物进行Western blot分析,结果显示两种EDA的蛋白质水平均正常+/+和EDA−/−MEF公司(B) ●●●●。抗EDA抗体检测到EDA+仅EDA中的FN亚型+/+和EDA重量/重量MEF公司(C) ●●●●。
EDA的调节拼接对于ECM的形成是必不可少的。(A) EDA制备MEF总RNA的RT-PCR分析重量/重量、EDA+/+和EDA−/−胚胎(受精后13.5天)。(B和C)分别用抗FN和抗EDA抗体对上述MEF(B和C分别为20和100μg)制备的蛋白质提取物进行Western blot分析。考马斯蓝染色显示等负荷。(D) EDA编制的MEF重量/重量、EDA+/+、和EDA−/−胚胎(13.5d p.c.)被电镀、固定,并与抗EDA抗体(左柱)或抗总FN抗体(中柱)孵育。合并后的图像显示在右列中。
共焦显微镜免疫荧光分析显示EDA中存在正常的FN-ECM+/+和EDA−/−MEF与EDA比较重量/重量MEF公司(D) ●●●●。用抗EDA抗体获得的信号与用抗FN抗体观察到的信号共定位。
EDA外显子调控剪接的消融导致EDA中FN水平下降+/+与FN mRNA和整合素水平的变化无关的小鼠
接下来,我们研究了FN天然选择性剪接模式的改变是否对其他细胞蛋白或FN本身产生了一些影响。因此,从3月龄小鼠不同基因型的不同组织中提取蛋白质,并用SDS-PAGE进行分析。至少在5–17%梯度凝胶考马斯蓝染色的敏感性水平上没有观察到明显差异(未公布的数据)。另一方面,使用抗FN多克隆抗体进行的Western blot分析显示,EDA分析的大多数组织中FN水平显著降低+/+老鼠(A) ●●●●。EDA中的这种下降也很明显+/重量和EDA+/−小鼠,均携带一种EDA+等位基因。考马斯蓝染色和同一膜与抗β-微管蛋白单克隆抗体孵育证明,观察到的差异并不是由于凝胶的蛋白质负荷不同所致(B) ●●●●。从EDA制备的血浆和血清样本中也观察到FN含量显著下降+/+与EDA中的动物进行比较重量/重量老鼠(C) ●●●●。使用抗EDA抗体的Western blot证实EDA中存在含EDA的FN+/+血浆及其在EDA中的完全缺失−/−样品(C) ●●●●。
EDA组织中FN水平的降低
+/+
小鼠与整合素水平的降低无关。(A和B)所有基因型(EDA)大脑、心脏、肺和肝脏总蛋白提取物(50μg)的Western blot分析重量/重量、EDA+/+、EDA−/−、EDA+/−、EDA−/重量和EDA+/重量)使用抗FN多克隆抗体(A)和剥离膜后的抗β-微管蛋白单克隆抗体来验证蛋白质载量的微小误差(B)。请注意,EDA的迁移+FN比EDA稍慢−FN公司。相同蛋白提取物的5-17%梯度凝胶考马斯兰染色未显示其他蛋白的变化。(C) EDA血浆和血清蛋白样本+/+、EDA−/−和EDA重量/重量对小鼠(20μg)进行考马斯蓝染色(左),用类似凝胶进行印迹,并与抗FN抗体孵育(中)。对于抗EDA抗体(右),加载100μg蛋白质提取物。α的(D和E)Western blot分析9-和β1-抗α抗体在不同组织(肝、脑和皮肤)中的整合素水平9和-β1兔多克隆抗体。使用抗β-微管蛋白单克隆抗体验证蛋白质负荷的微小误差。
分析在不同组织中观察到的FN水平差异是否与特定EDA受体α水平的变化有关是很重要的9β1-整合素(廖等,2002). 我们在α9-和β1-EDA中的整合素水平重量/重量、EDA+/+和EDA−/−小鼠肝脏和大脑的Western blot分析(D) ●●●●。然而,在突变小鼠中,整合素受体的定位模式或其信号传导是否受到影响仍有待观察。
另一方面,确定EDA中观察到的FN蛋白水平是否下降+/+小鼠与mRNA水平下降相关,我们对从3月龄雄性小鼠FN水平下降较高的组织(大脑和心脏)中分离的总RNA进行了Northern blot分析。在EDA脑和心脏的RNA样本中未观察到显著变化+/+鼠标(图S3位于http://www.jcb.org/cgi/content/full/jcb.200212079/DC1).
胚胎和青春期前EDA+/+小鼠FN水平正常
为了确定FN减少的机制是否受到发育调控,我们对不同年龄段小鼠的样品进行了Western blot分析。FN水平在胚胎发育期间没有下降。大多数组织在出生后开始出现,在2个月大的小鼠中达到稳定状态(). 在某些组织中,EDA中的FN水平+/+小鼠为EDA中发现量的约10–20%重量/重量小鼠(心脏、血液、大脑、肾脏和膈肌),而肝脏EDA中FN水平下降较小+/+小鼠,达到EDA中含量的60-70%重量/重量老鼠。
FN在不同年龄段不同组织中的表达。(A) 从EDA中制备肝、心、肺和脑的蛋白质提取物重量/重量、EDA+/+和EDA−/−不同年龄的小鼠(13.5 d p.c.、1、3和14个月龄),并使用抗FN抗体进行Western blot分析。(B) 直方图表示EDA中FN的相对含量+/+小鼠相对于EDA中的小鼠重量/重量每个组织和每个时间点的小鼠(视为100%)。
为了确定FN降解机制的改变,我们进行了明胶酶谱,并在血浆和其他组织(大脑和心脏)中观察到基质金属蛋白酶(MMPs)水平的变化,MMPs是已知降解FN的酶(Sternlicht和Werb,2001年). 此外,与组织提取物孵育的FN体外翻译重组片段(含或不含EDA外显子)的降解没有差异(未公布的数据)。使用多克隆抗FN抗体对组织提取物进行Western blot分析,未发现EDA存在额外的条带或任何较小的降解产物+/+组织,不含6%或12%的SDS-PAGE凝胶(未公布数据)。此外,我们无法在体外重现培养成年小鼠(来自2、4和6月龄动物的心脏成纤维细胞)的FN水平的降低,因为EDA的细胞提取物+/+小鼠显示出与EDA相似的FN水平重量/重量成纤维细胞(未发表数据)。
这些实验表明EDA中FN蛋白水平的显著降低+/+小鼠出生后出现。FN的减少与每个组织中的mRNA水平或可检测的EDA无关+-依赖性降解,表明替代机制应负责EDA中组织FN的减少+/+动物。
EDA-null小鼠皮肤伤口愈合异常
野生型动物皮肤中的FN不含EDA外显子。然而,FN-EDA+form被认为积极参与再上皮化过程(Clark等人,1983年;ffrench-Constant等人,1989年). 为了探讨EDA外显子在伤口愈合过程中的作用,我们在EDA中进行了全层皮肤切除伤重量/重量、EDA−/−和EDA+/+老鼠。在伤后1、3、5、7、10和14天分析伤口愈合过程。在再上皮化早期(第1天和第3天),全层伤口组织的苏木精-伊红染色显示再上皮化和新生血管化没有任何差异(未公布的数据)。在晚期(第5天和第7天),EDA之间的肉芽组织的再上皮化和形成无法区分+/+和EDA重量/重量老鼠(和)然而,在EDA中观察到异常愈合过程−/−老鼠。事实上,在第5天,新形成的表皮完全覆盖了EDA中的伤口区域−/−但新表皮和肉芽组织之间的边界没有像对照组或EDA中那样清晰界定+/+老鼠。此外,EDA的肉芽组织−/−伤口显示,表皮和皮肤肉芽肿反应界面下的致密细胞较少,有水肿样区域(,底部)。
全层皮肤损伤后5天观察到再上皮化。对照组全层皮肤伤口(EDA重量/重量,n个=6)和突变小鼠(EDA+/+和EDA−/−,n个分别为6和7)小鼠在受伤后第5天进行苏木精-伊红染色分析。显示了具有代表性的部分。黑色箭头表示伤口边缘。显示上皮、肉芽组织、真皮、新形成的上皮和焦痂(分别为“e”、“g”、“d”、“re”和“sc”)。顶部面板中的虚线矩形表示底部面板中显示的放大区域。实验重复了两次,结果相似。EDA中观察到水肿肉芽组织−/−伤口。
EDA公司
−
/
−
伤后第7天皮肤伤口愈合异常,BrdU阳性细胞增多。(A) 对照组全层皮肤伤口(EDA重量/重量,n个=8)和突变小鼠(EDA+/+和EDA−/−,n个分别为8和9)小鼠在受伤后第7天进行分析。显示了具有代表性的部分。黑色箭头表示伤口边缘。缩写如所述EDA中观察到的溃疡上皮−/−伤口标记为“ue”。实验重复三次,结果相似。在受伤后第7天,对三个独立实验(每个实验中每个基因型八只小鼠)的伤口切片进行显微镜评分,以确定是否存在溃疡过程。EDA溃疡创面的比例−/−小鼠与EDA小鼠的差异具有统计学意义重量/重量和EDA+/+小鼠(EDA为63%和22%−/−和EDA重量/重量分别为;EDA的P<0.0002−/−与EDA对比重量/重量Fisher精确检验和χ2测试)。EDA之间没有差异重量/重量和EDA+/+分数)。(B) BrdU标记显示EDA中复制细胞数量增加−/−伤口。用抗BrdU单克隆抗体孵育A中相同伤口的连续切片。几个显微镜视野的计数显示,EDA中新形成的表皮下区域有至少10倍多的BrdU阳性核−/−与EDA相比,伤口重量/重量或EDA+/+伤口。显示了一个具有代表性的字段。在EDA中观察到50多个阳性细胞核−/−伤口(右下角),而在EDA病例中观察到少于五个阳性细胞核重量/重量或EDA+/+样本(分别位于左下角和中间)。BrdU标记的细胞核用白色三角形表示。黑色箭头表示伤口边缘。
第7天,EDA−/−伤口与EDA的伤口明显不同重量/重量和EDA+/+老鼠(A、 底部)。事实上,EDA−/−伤口在新形成的表皮区域出现溃疡,导致再上皮化延迟。通过对水肿样和溃疡性区域的显微镜分析,检测到炎症细胞(如多形核白细胞和巨噬细胞)的浸润,并且通过体内BrdU标记,在这些区域观察到较高的细胞增殖活性(B、 右下角)。相反,EDA和重量/重量也不是EDA+/+伤口在新形成的表皮区域下方区域出现大量BrdU阳性细胞(B、 左下方和中间)。EDA中基底层的状态−/−皮肤与EDA相似重量/重量如使用兔多克隆抗层粘连蛋白抗体对同一切片中的层粘连蛋白质进行Azan-Mallory染色和特异染色所示。分别通过创伤切片的TUNEL和caspase-3分析进行细胞死亡和凋亡特异性分析,结果表明不同基因型之间的阳性细胞数量没有显著差异(图S4可在http://www.jcb.org/cgi/content/full/jcb.200212079/DC1). 对三个独立实验(每个实验中每个基因型8只3个月大的小鼠)的皮肤愈合过程进行评分,以确定伤口是否存在溃疡,结果表明EDA−/−小鼠的发育频率是EDA的2.9倍重量/重量小鼠(EDA的63%−/−EDA的22%重量/重量经Fisher精确检验和χ检验,P<0.00022试验)伤后第7天。
数量有限的11个月大的小鼠(5只EDA重量/重量和六个EDA−/−接受相同伤口愈合方案的小鼠在EDA中显示出更高的伤口溃疡发生率−/−小鼠(83.3%对20%,EDA−/−和EDA重量/重量;分别是。通过Fisher精确检验和χ检验,P≤0.012测试)。
确定整合素α9β1我们对未经处理的皮肤样本进行了Western blot分析,并观察到类似的整合素α水平9β1在所有三种基因型中(E) ●●●●。
FN mRNA中EDA外显子的组成性排除或包含缩短了寿命
对大鼠进行的体内研究表明EDA显著降低+/EDA公司−出生后的比率,与动物年龄相关的某些组织中的比率进一步逐渐降低(Magnuson等人,1991年;Pagani等人,1991年). 我们解决了如果在EDA中+/+和EDA−/−没有EDA剪接调控的小鼠,EDA外显子的存在或缺失可能会影响其寿命。为此,我们对139只小鼠(EDA)进行了长期实验重量/重量,n个= 39; EDA公司+/+,n个= 47; 和EDA−/−
n个=53)在整个实验过程中分别关在笼子里,记录动物死亡时间。数据的Kaplan-Meier图形表示如所示可以看出,所有基因型的15个月大的小鼠在存活率上没有任何差异。然而,从那时起,EDA的存活率下降+/+和EDA−/−老鼠。30个月时,只有7个和8个EDA+/+和EDA−/−小鼠存活(存活率分别为10%和12.5%),而21EDA重量/重量小鼠存活(53.8%)。对数秩检验统计分析表明,EDA和+/+和EDA−/−与EDA相比,小鼠寿命曲线具有统计学意义重量/重量P≤0.0005的小鼠。尸检外部检查显示,20–25%的EDA−/−小鼠中背部皮肤有不同程度的皮肤增生和自发溃疡。如果是EDA重量/重量和EDA+/+<5%的小鼠有任何类型的皮肤损伤。对所有三种基因型的自然死亡小鼠进行尸检。肝肿瘤、肠梗阻、前列腺坏死和肺水肿是最常见的特征,但这三种基因型之间的内脏器官病理学没有显著差异。
EDA外显子缺乏选择性剪接会缩短突变小鼠的寿命。两个EDA+/+和EDA−/−在30个月的分析期间,小鼠的寿命缩短。图中显示了39、45和53 EDA生存率与时间的Kaplan-Meier表示重量/重量,埃达+/+和EDA−/−在整个研究过程中,分别将小鼠关在单独的笼子里。使用对数秩检验和EDA分析结果+/+和EDA−/−与EDA相比,曲线具有统计学意义重量/重量小鼠(用星号表示,P≤0.0005)。
讨论
R.Hynes的小组首次证明了FN在体内的重要性,他们发现FN-null小鼠在胚胎发育过程中死亡(George等人,1993年). 早期胚胎致死性使得在体内模型中研究FN的生物学功能变得困难。因此,研究FN功能的最佳方法之一是对基因进行选择性修饰。沿着这条线,Sakai等人(2001)描述了一种缺乏pFN的小鼠模型,该模型显示短暂局灶性脑缺血后神经元凋亡增加,梗死面积增大。为了阐明EDB外显子的作用,还产生了缺乏该外显子小鼠,但在体内没有出现明显异常(福田等人,2002年).
我们通过构建不能进行EDA外显子选择性剪接的小鼠菌株,研究了EDA外隐子在体内的作用。EDA公司+/+在所有组织中显示EDA外显子组成性表达的菌株是在不改变编码序列和基因结构的情况下获得的。这种新的方法避免了以前尝试生产FN基因中EDB外显子无选择性剪接的动物时遇到的困难,在这种动物中,通过在内含子内引入选择盒来修改基因结构,从而产生FN-null等位基因(Georges-Labousse等人,1996年). 最近在其他基因中也观察到类似的现象(Lewandoski,2001年). 在我们的突变小鼠中没有观察到这些负面影响,这表明在侧翼内含子中插入loxP位点并没有改变正常的前mRNA转录和处理。
此外,我们在所分析的纯合突变小鼠(EDA)中未观察到明显的胚胎死亡率或畸形+/+和EDA−/−动物),表明EDA外显子的选择性剪接调控对发育过程不是必需的,或者可以由其他基因产物进行补偿。EDA无明显发育异常+/+和EDA−/−小鼠表明,通过使用重组FN片段(Introduction)获得的EDA外显子的信息和假定作用不能自动扩展到更复杂的机制正在发挥作用的体内功能。
EDA公司+/+小鼠所有组织中FN水平降低
成人EDA中FN水平下降的观察+/+小鼠,但胚胎和非常年轻的小鼠(<1个月龄)表明,FN水平的不同控制机制在青春期前后起作用。这种下降可能是由于以下解释之一或两者的组合:(1)FN mRNA水平下降;(2) FN分泌率下降;或(3)FN的细胞外降解增加。
已经进行了一系列实验,以测试哪些机制(如果有)在EDA中起作用+/+老鼠。Northern印迹实验表明,mRNA水平与FN蛋白水平没有直接关系(和和图S3)。蛋白酶水平与EDA相似重量/重量,EDA中未发现其他FN降解产物+/+组织提取物,我们无法看到来自EDA成人器官的体外培养细胞中FN水平的降低+/+老鼠。未能确定低FN-EDA的确切原因+水平表明一种非典型机制可能正在起作用。一种可能性是,一种特定的细胞内运输机制能够调节EDA的水平+FN在成年动物中形成。这一机制被认为是气道上皮细胞中FN形式的极化分泌(Wang等人,1991年). 值得注意的是Schwarzbauer等人(1989)已表明IIICS-0/IIICS-0二聚体未分泌。EDA也可能存在类似的分泌机制控制+亚单位。
然而,在胚胎和成年动物培养的成纤维细胞以及小鼠发育的早期阶段,这些作用都不明显。事实上,FN数量的减少只有在2-3个月大的时候才明显,这是在性发育之后。或者,在成年动物中下调MMPs的特定组织抑制剂将导致特定MMPs活性增加,这是直接明胶酶谱分析无法检测到的细微变化。
EDA皮肤伤口愈合异常−/−老鼠
最初,在受伤后3天,三种基因型(EDA)之间的愈合过程没有差异重量/重量、EDA−/−和EDA+/+). 这似乎与受伤后第一天沉积的FN主要来自血浆的事实一致(Clark等人,1983年;ffrench-Constant等人,1989年). 结果表明,cFN的存在有助于伤口的正常愈合(ffrench-Constant等人,1989年;Sakai等人,2001年). 事实上,在缺乏pFN的小鼠中,伤口愈合正常(Sakai等人,2001年). cFN在创伤后3d原位生成(Clark等人,1983年;ffrench-Constant等人,1989年;Sakai等人,2001年)pFN-null小鼠损伤后立即在伤口表面沉积一薄层cFN(Sakai等人,2001年). 观察到表皮下伤口底部和边缘的细胞表达cFN,并且cFN的存在先于最终覆盖伤口的上皮细胞的迁移(ffrench-Constant等人,1989年). 先前的研究也表明,FN出现在迁移表皮下的临时基质中,与迁移表皮细胞上FN受体的表达相协调(克拉克等人,1982年,1983;格林奈尔,1984年). 这些数据与我们的结果完全相关,表明在这段时间后,尽管肉芽组织和新生血管形成,我们观察到EDA中异常的上皮化−/−老鼠。EDA的肉芽组织−/−伤口显示出溃疡形成之前出现的水肿区域。随后的表皮溃疡伴随着增殖刺激,多形核白细胞和巨噬细胞涌入,伤口愈合延迟。这些现象的可能原因可能与基底层的缺陷、整合素受体水平的变化和/或皮肤角质形成细胞、成纤维细胞或免疫系统的缺陷有关。EDA中基底层看起来相似−/−小鼠与EDA的比较重量/重量小鼠通过Azan-Mallory染色和层粘连蛋白的特异性免疫染色。然而,我们不能排除基底层中存在的另一种特殊蛋白质的微小差异。此外,α水平相似9β1整合素,EDA受体之一(廖等,2002)在三种基因型的皮肤中观察到。初步尝试定义EDA之间的差异重量/重量和EDA−/−免疫系统细胞的基因型(T/B淋巴细胞比率和迟发型超敏反应)和成纤维细胞的特征(体外细胞迁移、细胞粘附和复制时间)没有显示出显著差异。然而,在突变小鼠中,整合素受体的定位模式或其信号传导是否受到影响仍有待观察。
EDA中溃疡的增加−/−伤口可能是伤口闭合期间小鼠皮肤细胞死亡率较高的结果。EDA之间阳性细胞的数量似乎并非如此重量/重量、EDA−/−和EDA+/+TUNEL和caspase-3分析显示,无溃疡区域肉芽组织中的伤口相似。
基于这些考虑和结果中描述的数据,我们得出结论,含有EDA片段的FN在肉芽组织的组织中起着重要作用,可能在表皮细胞迁移中起着关键作用,无论是直接还是通过与其他ECM成分的相互作用。
EDA公司+/+和EDA−/−小鼠品种寿命较短
研究表明,缺乏含有SH2的肌醇-5磷酸酶、溶酶体酸脂肪酶和DNA拓扑异构酶IIIβ对胚胎发育没有影响,但会缩短动物的寿命(Helgason等人,1998年;Du等人,2001年;关和王,2001). 寿命缩短可能是由于生物过程的变化,这需要在衰老过程中存在所研究的蛋白质。
就FN小鼠而言,我们表明EDA外显子缺乏调控会影响突变动物的寿命。在正常动物中,EDA发生了巨大变化+/EDA公司−出生后观察到这一比率,随着动物年龄的增长,组织中EDA内含物逐渐减少(Magnuson等人,1991年;Pagani等人,1991年). FN的选择性剪接在细胞外(法国常数,1995年;Kornblihtt等人,1996年;Boyle等人,2000年)和分子水平(Mardon等人,1987年;Lavigueur等人,1993年;Caputi等人,1994年;Muro等人,1999年). 突变型EDA+/+和EDA−/−小鼠对EDA外显子的剪接没有调节。一些生物过程可能需要特定的EDA+/EDA公司−由于EDA剪接缺乏调控,FN的比率发生改变。事实上,这是在EDA皮肤伤口愈合的具体案例中显示的−/−老鼠。此外,老年小鼠的低治愈率加剧。以类似的方式,其他维护和组织修复机制可能会受到影响,并且累积的低效率可能会导致突变动物的寿命缩短。在EDA的具体情况下+/+由于大多数器官中FN水平的急剧下降,尚不清楚EDA是否会缩短小鼠的寿命+/+小鼠是由于FN数量和/或质量的改变。尽管c129和C57BL/6的寿命没有显著差异(Smith等人,1973年;古德里克,1975年;Kunster和Leuenberger,1975年),我们不能正式排除FN EDA基因座(EDA基因为C57BL/6)的染色体背景差异重量/重量和c129,有一个或两个用于EDA的loxP站点−/−和EDA+/+)可能是导致观察到的寿命差异的原因。
总之,我们在FN基因的EDA外显子上生成了缺乏调控剪接的小鼠。令人惊讶的是,这两种小鼠菌株都表明EDA外显子的选择性剪接在胚胎发育期间是不必要的,但对于正常寿命来说是必要的。此外,不能将EDA外显子掺入FN蛋白的小鼠表现出异常的皮肤伤口愈合。另一方面,具有EDA外显子组成内含物的小鼠在所有组织中的FN水平显著降低。
本文的结果之所以重要,有三个原因:首先,我们提出了一种研究蛋白质亚型功能的新方法;其次,我们补充了关于FN亚型功能的有价值信息;第三,我们发现剪接调控的变化是导致人类病理学中可能存在但未检测到的表型细微变化的原因。
材料和方法
老鼠
C57BL/6小鼠在国际遗传工程和生物技术中心动物饲养室繁殖或从意大利哈兰购买。所有小鼠均被安置在25°C的房间内,进行12小时的光/暗循环。老鼠被随意喂食标准食物和水。在所有实验中,小鼠均为雄性,年龄相匹配,但在同时使用雄性和雌性的衰老实验中除外。通过上颌内动脉穿刺抽血。
纯合EDA突变小鼠的产生
小鼠基因组EDA区域的克隆和靶向结构。
从129/SvλDashII文库中分离出包含小鼠FN基因EDA外显子区域的13-kbp基因组克隆(西雅图弗雷德·哈钦森癌症研究中心G.Friedrich赠送)。该片段的外显子-内含子结构和限制性内切酶图谱通过限制性内切酶图谱确定,然后使用单个外显子作为探针进行Southern blot分析,这些外显子是从人类FN cDNA中扩增出来的。如前所述,EDA外显子的5′和3′剪接位点均通过PCR-定向突变进行修饰(Muro等人,1998年). 简言之,5′剪接位点突变为5′共识(5′CAGgtaagt3′),3′剪接部位被载脂蛋白AI基因组成性剪接第二外显子的剪接位点所取代,与3′共识完全匹配(见在线补充材料)。
我们的靶向结构由11.5 kbp的小鼠基因组DNA组成。新霉素(Neo)和白喉毒素(DTA)基因分别用作第一轮重组的阳性和阴性选择标记。靶向结构中包含三个loxP位点,位于新胸腺嘧啶核苷激酶(TK)盒和EDA外显子的侧翼。
将靶向构建物电穿孔到ES细胞中,使用5′外探针通过NcoI–NdeI消化DNA的Southern blot杂交对350个G418抗性克隆进行基因分型(A) ●●●●。获得了八个重组克隆,其中三个通过瞬时表达CRE重组酶(通过瞬时转染pBS185质粒;由密苏里州堪萨斯城Stowers医学研究所的B.Sauer馈赠)进行第二步重组,并在gancyclovir存在下进行选择。选择并扩增了两个具有删除的Neo-TK盒和loxP侧翼EDA的重组克隆。对两个重组克隆的PCR-扩增基因组EDA区域进行了更详细的Southern blot分析和测序,以确认在一个FN等位基因中引入了优化的3′和5′剪接位点以及EDA外显子侧翼的loxP位点。为了获得嵌合体,使用了这两个克隆。通过微量注射C57BL/6胚泡获得的雄性嵌合体与C57BL-6雌性进行交配,以产生杂合动物(F1小鼠)。
对F1代后代进行FN基因中修改的EDA外显子的传递分析。使用EDA+1内部探针,通过Southern blot对来自agouti子代尾部活检的HindIII-digested DNA进行基因分型(). F1杂合子代与C57BL/6小鼠交配获得F2代,然后再相互交配产生EDA+/+小鼠(将修饰的EDA外显子包含在两个FN等位基因中)。一层EDA+/重量小鼠与CRE重组转基因小鼠交配(在C57BL/6背景下)以获得EDA−/重量随后交配以获得EDA的后代(F2)−/−动物。
成年小鼠和胚胎组织RNA的制备
用硫氰酸胍法从不同组织中制备总细胞RNA(Chomczynski和Sacchi,1987年),通过在260和280 nm处测量吸光度进行定量,并通过在1%琼脂糖-甲醛凝胶上运行样品来确认RNA完整性。对于胚胎RNA样本,在立体显微镜(SMZ-10型;尼康)下解剖胚胎,并从5到6个胚胎(13.5天/年)中收集组织。根据制造商的说明,使用RNAZOL TM B(Biotecx实验室)制备RNA。
Northern印迹和放射性RT-PCR的mRNA分析
将10–20μg来自不同组织的总RNA变性并在1.2%琼脂糖-甲醛凝胶上运行,将其印在尼龙膜上(Hybond-N;Amersham Biosciences),并用亚甲基蓝溶液染色以验证转移的效率。膜在ExpressHyb中预混合TM(TM)杂交溶液(CLONTECH Laboratories,Inc.)并与放射性标记探针杂交。使用BIOMAX MS胶片(Kodak)将其暴露过夜,并使用荧光成像仪(Canberra Packard)对放射性信号进行定量。按照在线补充材料的材料和方法部分所述分析FN cDNA。
蛋白质提取物的制备
手术切除成年小鼠组织,在裂解缓冲液中均质(150 mM NaCl、50 mM Tris-HCl、pH 8、1%wt/vol NP-40和2×完整蛋白酶抑制剂混合物[Boehringer]与聚四氟乙烯[Ultra-Turrax T8;Boehring er]),并在使用Bradford分析法(蛋白质分析试剂盒;生物实验室)。
对于胚胎,在立体显微镜的帮助下,每个基因型5到6个胚胎的组织被手术切除并合并。通过在150μl裂解缓冲液中超声处理制备蛋白质提取物。
蛋白质印迹分析
50μg蛋白质提取物在6%、12%和5-17%的SDS-PAGE凝胶梯度上进行。蛋白质被印在硝化纤维素膜上,与第一抗体和第二抗体孵育,并使用ECL系统(Amersham Biosciences)进行反应。使用了以下主要抗体:抗人FN山羊多克隆抗体(Sigma-Aldrich)、抗人EDA小鼠mAb 3E2(Sigma Aldrich9-整合素兔多克隆(加利福尼亚州旧金山市旧金山大学D.Sheppard赠送)、抗β1-整合素兔子多克隆(圣克鲁斯生物技术公司)和抗β-微管蛋白单抗E7(衣阿华大学发育研究杂交瘤库)抗体。使用Versa-Doc分析仪(Bio-Read Laboratories)和Quantity One软件(第4版;Bio-Rad Laboratory)进行密度分析。
MEF的免疫荧光研究
来自EDA的胚胎成纤维细胞(13.5天)重量/重量、EDA+/+和EDA−/−小鼠在盖玻片上培养24小时。细胞用4%vol/vol PFA清洗并固定在PBS中,用0.5%vol/vol-Triton X-100渗透到PBS中并封闭。细胞与抗人FN山羊多克隆抗体孵育,与山羊正常血清或mAb 3E2平行孵育;分别与荧光标记的兔抗羊IgG(DakoCytomation)或罗丹明标记的兔鼠IgG孵育。用荧光抗体直接孵育的细胞进行阴性对照。使用共焦激光扫描显微镜(Axiovert 100 M型;卡尔蔡司显微成像公司)进行免疫荧光分析。
伤口愈合
伤口和伤口闭合测量。
在2–3个月大的雄性小鼠上进行了全厚皮肤创伤(n个=每个基因型12个)。研究者和观察者对基因型一无所知。简言之,将之前用阿维汀麻醉过的动物剃毛,用70%乙醇擦洗,通过切除皮肤和肉脂肪瘤在其背部形成两个圆形的全厚切除伤口(直径5 mm,间距10 mm)。这些老鼠被单独饲养。为了进行宏观分析,每天对小鼠进行监测,并在每个时间点(0、3、5、7、10和14天)对伤口进行拍照和测量,以分析愈合过程。
伤口组织的制备、分析和组织学。
对于伤口组织学,在每个时间点(1、3、5、7、10和14天)处死每个基因型的6只3个月大的雄性小鼠,并通过完全切除包括3 mm上皮边缘的伤口来获取伤口。立即将伤口固定在含有0.02%NP-40的PBS中的2%甲醛中,在4°C下固定3小时。将伤口置于PBS中的2%甲醛中,在寒冷中放置过夜,并石蜡包埋。用苏木精-伊红染色并用光学显微镜分析伤口中部3-5mm的切片。在第7天对每种基因型8只小鼠的三个独立实验中的伤口组织进行分析,结果相似。对于伤口的基底层免疫组织化学,我们使用制造商描述的Biogenex的多克隆抗层粘连蛋白抗体。
BrdU公司。
为了分析伤口中的细胞增殖情况,在动物被杀前2 h腹腔注射核苷类似物BrdU(250 mg/kg体重)(每个基因型8只动物,受伤后第7天)。样品的制备如前一段所述。使用制造商描述的与碱性磷酸酶结合的抗BrdU单克隆抗体(BrdU标记和检测试剂盒II;罗氏试剂盒),将i.p.注射的BrdU并入复制细胞的DNA中进行分析。每个基因型的6只11月龄雄性小鼠也进行了第7天BrdU标记时间点的研究。代表性数据如图所示。
统计方法
使用2.0版GraphPad PRISM软件包进行数据分析。以平均值作为中心趋势的度量,以标准误差作为离散度的度量,对数据进行汇总。使用χ评估野生型和突变型小鼠之间的比例差异2Fisher Exact测试。p值0.05被选为统计显著性极限。使用对数秩检验统计分析来评估生存曲线。
致谢
我们感谢Pierre Chambon博士(法国斯特拉斯堡生物研究所)提供CRE转基因小鼠;G.福克纳批判性阅读手稿;Giancarlo Lunazzi和Mauro Sturnega负责动物护理。
笔记
A.F.Muro和A.K.Chauhan对这项工作做出了同等贡献。
本文的在线版本包括补充材料。
脚注
*本文中使用的缩写:IIICS,III型同源连接段;EDA,域外A;EDB,域外B;ES,胚胎干;cFN,细胞FN;纤维连接蛋白;MEF,小鼠胚胎成纤维细胞;基质金属蛋白酶;p.c.,性腺后;pFN、血浆FN。
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