Front Bioeng生物技术公司。2020; 8: 42.
兔体内缺乏Calponin 2提示在选择动物模型时应谨慎
,1 ,2,*和1,*
Olesya Plazyo公司
1美国密歇根州底特律韦恩州立大学医学院生理学系
郝伟龙
2美国密歇根州底特律市韦恩州立大学生物科学系
金建平
1美国密歇根州底特律韦恩州立大学医学院生理学系
1美国密歇根州底特律韦恩州立大学医学院生理学系
2美国密歇根州底特律市韦恩州立大学生物科学系
编辑:美国南卡罗来纳大学罗伯特·弗里德曼
审核:美国康奈尔大学Duo Xu;岳俊杰,中国生物技术研究所(CAAS);贾刘,上海理工大学,中国
这篇文章被提交给生物工程和生物技术前沿杂志的生物信息学和计算生物学部分
2019年10月5日收到;2020年1月21日验收。
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本文包含了本研究生成的所有数据集/补充材料.
摘要
尽管CRISPR/CAS9技术的快速发展使得非啮齿动物物种能够容易地进行定点基因组编辑,但一个新的挑战是选择最合适的物种来生成用于人类生物学和疾病研究的动物模型。改进CRISPR/CAS9方法,以便更有效、更精确地编辑兔子基因组,以复制人类疾病,是生物医学研究的一个活跃领域。虽然兔子与人类的关系比老鼠更密切(基于DNA序列分析),但我们的全基因组蛋白质数据库搜索显示,兔子比老鼠缺少更多的人类蛋白质序列。所以,在兔子身上精确复制人类疾病需要进一步考虑,特别是在涉及缺失蛋白质基本功能的研究中。例如,兔子缺乏钙调素2,钙调素是一种与肌动蛋白相关的细胞骨架蛋白,在炎症性关节炎、动脉粥样硬化和钙化性主动脉瓣疾病的发病机制中起重要作用。使用兔子作为人类生物医学研究模型的理由是,兔子的体型更大,与人类的系统发育距离更近(基于保守基因的序列相似性),但这可能会产生误导。我们的研究结果考虑了全基因组蛋白质分析和实际蛋白质表达,警告科学界在投资基因工程之前,在选择动物模型研究人类生物学的特定方面时,要考虑整体保护以及特定蛋白质的保护。
关键词:CRISPR/Cas9基因编辑,兔子,比较基因组学,蛋白质分析,钙调素2
结果
考虑到这三种钙调素亚型在过去研究的所有脊椎动物物种中都是保守的,令人惊讶的是,我们的初步检查未能在所有已知在人类和小鼠中表达钙调素2的兔子组织中检测到钙调素-2蛋白。使用以前特征化的特异性单克隆抗体(侯赛因等人,2006年),我们通过Western blot评估了气管、肺、小肠、大肠、脾脏、膀胱、子宫、主动脉、心脏、大脑、肾脏、肝脏和胰腺总蛋白提取物中所有calponin亚型的表达。证明在兔子体内只检测到calponin1和calponin 3,而没有发现细胞运动调节因子calponin-2。我们通过使用几种抗钙蛋白酶2的单克隆和多克隆抗体进行多重免疫学检查来验证结果,这些抗体具有确认的跨物种反应性(Jin等人,1996年)(数据未显示)。
兔子体内没有Calponin 2。对兔组织裂解物进行SDS-PAGE(顶面板)和免疫印迹,使用针对钙蛋白1(CP1)的单克隆抗体(mAbs)(Jin等人,1996年),钙调素2(2B8/CP21)(侯赛因等人,2006年)、calponin 3(1A4针对克隆cDNA表达的小鼠calponin3)或SM22alpha/transgelin(3F6)(Liu等人,2017年)(下部面板)。虽然钙调素1和钙调素2在用于Western blotting的SDS-gel中具有相似的流动性,但钙调素3和SM22alpha很容易通过分子量与钙调素-1和钙调素2区分开来。小鼠胃和膀胱作为阳性对照。如前所示,在小鼠和人类的特定组织类型中检测到了calponin 1、calponin3和SM22alpha的表达,而如mAb 2B8/CP21杂交所示,兔组织中完全没有calponin-2。MHC,肌球蛋白重链。
然后,我们搜索了Ensembl和NCBI序列数据库,没有发现兔钙粘蛋白1和钙粘蛋白2的条目,证实了最初通过Western blot观察到的钙粘蛋白2中的缺失。然而,使用Western blotting在兔子平滑肌中检测到calponin 1蛋白的显著水平(). 要验证初始搜索结果,humanCNN1型,CNN2公司、和CNN3号机组异构体被用作BLAST对小鼠和兔蛋白质数据库的查询序列。为了研究小鼠和兔子中calponin基因的存在,我们用BLASTP收集蛋白质E类-值小于10–30.使用肌肉校准蛋白质序列(埃德加,2004年). 使用PhyML构建了最大似然树(Guindon等人,2010年). 结果只发现了一种钙调素(CNN3号机组)用人类进行的TBLASTN搜索进一步证实了这一点CNN1型,CNN2公司、和CN3型作为查询序列,它们都匹配相同的基因组区域和CNN3号机组具有最高的相似性。因此,表面上功能性的CNN1型使用普通序列数据库搜索无法检测到兔子中的基因,这证明了直接检测蛋白质水平的临界值(). 我们还在以下位置执行了HMMER搜索https://www.ebi.ac.uk/Tools/hmmer/search/phmmer(Potter等人,2018). 当人类进行查询搜索时CNN2公司蛋白质,那么HMMER在兔子中的最高命中率是calponin 3,其次是transgelin。这些HMMER结果证实了BLASTP结果。
为了全面了解这一意外发现,我们还对所有人类蛋白基因与小鼠和兔子基因组进行了系统BLASTP同源性搜索E类-值<10–5。BLASTP搜索显示兔子蛋白质组中缺少843个不同的人类蛋白质编码基因()其中许多对免疫调节、细胞周期进展、线粒体能量学、转录/染色质重塑、脂质代谢、内质网/内体运输、钙信号、神经肽和精子发生等基本功能至关重要(补充表S1). 此外,基因本体(GO)分析在兔子基因组中检测到157个人类基因缺失(补充图S1).
表1
| 人类蛋白质序列 | %人类序列 | 人类蛋白质亚型 | %人类同种型 | 人类蛋白质名称 | %人类蛋白质名称 |
兔子缺席 | 2,146 | 1.89% | 1,475 | 2.09% | 843 | 4.23% |
鼠标中不存在 | 1,454 | 1.28% | 1,019 | 1.44% | 652 | 3.27% |
%小鼠不存在/兔子不存在 | 67.8% | | 69.1% | | 77.3% | |
兔子独有 | 284 | 0.25% | 211 | 0.30% | 83 | 0.42% |
鼠标独有 | 978 | 0.86% | 667 | 0.94% | 274 | 1.38% |
%兔子独有/老鼠独有 | 29.0% | | 31.6% | | 30.3% | |
小鼠被广泛用于开发用于人类疾病研究的转基因模型。尽管人们一直批评使用老鼠复制人体生理和疾病是不合理的(《自然医学》编辑,2013年)对人类和小鼠基因组进行的相同比较发现,在小鼠中缺少明显较少数量(652)的不同人类蛋白编码基因(). 兔子和老鼠都属于啮齿动物根据保守基因的序列相似性,与分支长度比兔子长的小鼠谱系分支(Murphy等人,2001年). 然而,序列比对分类方法可能会产生误导,因为全基因组蛋白质分析似乎更具信息性。虽然根据DNA序列的相似性,兔子被认为比老鼠更接近人类,但事实上,老鼠的蛋白质编码基因与人类相比更相似,这引起了人们的关注。为了定量评估这一潜在的高影响发现,基因组比较结果如下证明数据库中独特的人类蛋白质序列、蛋白质亚型或总蛋白质条目的比例在兔子中的缺失比在小鼠中的缺失多30%左右。
讨论
脊椎动物中进化出三种同源的calponin亚型基因(刘和金,2016a). 我们发现CNN2公司兔子的基因()呼吁在钙调素或肌动蛋白调节相关研究中使用兔子模型时要谨慎。While期间CNN1型平滑肌收缩功能(Yamamura等人,2007年)以及CNN3号机组是一种功能不明确的亚型(刘和金,2016a),钙调素2在许多细胞运动相关功能中发挥作用。小鼠骨髓免疫细胞中钙蛋白酶2的缺失已被证明可以调节炎症反应(Plazyo等人,2019年)例如减轻炎症性关节炎(Huang等人,2016年)动脉粥样硬化的发病机制(Liu和Jin,2016年b).CNN2公司敲除小鼠也可减少肌成纤维细胞分化和钙化性主动脉瓣疾病的发生(Plazyo等人,2018年)减缓血栓形成时血小板的粘附(Hines等人,2014年). 在转移癌细胞中发现calponin 2表达降低(Moazzem Hossain等人,2014年). 因此,缺乏CNN2公司预计在兔子体内具有多种病理生理效应。本文报告的数据旨在及时告知研究界一项重要的预防措施,以避免构建可能对许多研究领域无效的转基因兔模型。
三种钙调素亚型在不同的细胞和组织类型中有不同的表达()反映特定功能。如果在同一细胞中共同表达,钙调素亚型可能具有互补功能(Feng等人,2019年). Calponins也与transgelin具有高度的序列相似性(TAGLN公司),也称为SM22alpha(Morgan和Gangopadhyay,2001年). 系统发育分析表明TAGLN公司显然与钙蛋白酶基因家族有关(). 在兔子的基因组搜索中,每个人钙蛋白的第二个最佳BLAST命中是一个转基因同源物。虽然SM22alpha比calponins 1、2和3短得多,但它包含calponin的保守核心结构(). 成纤维细胞中SM22alpha的机制调节也类似于calponin 2(Liu等人,2017年),表明可能存在功能重叠。因此CNN2公司在兔平滑肌和肌成纤维细胞中,钙调素1和/或SM22alpha可以部分补偿生物学(Liu等人,2017年;Feng等人,2019年).
人类(H)、小鼠(M)和兔子(R)的calponin和transgelin同源物的最大似然系统发育。小鼠蛋白质为蓝色,而兔蛋白质为红色。括号中显示了三种人类钙蛋白亚型的主要条目。这些分支由bootstrap值支持,其中显示的值大于80%。
这与兔子在没有CNN2型基因,缺失CNN2公司不会导致小鼠死亡(Huang等人,2008年). 兔钙调素2的缺失提出了一种天然钙调素2-null模型,可用于研究钙调素1和3在多种细胞类型的肌动蛋白介导的细胞过程中的代偿功能。同时,比较基因组分析可以揭示其他缺失的人类基因,这些基因对于人类疾病特定机制的研究至关重要,以指导兔和其他动物模型的靶向人性化,例如通过使用日益强大的CRISPR/Cas9技术。
比较基因组学数据进一步表明,与兔子相比,老鼠实际上缺少更少的人类蛋白质编码基因(). 虽然长期以来,小鼠一直被简单地视为一种方便的动物模型,具有住房成本低、繁殖周期相对较短、产仔数大、易于遗传操作等优点,由于其在全基因组蛋白质谱上与人类具有更高的相似性,现在应该重新评估其是否是比兔子更可取的选择(补充表S1). 与兔子蛋白质组与人类蛋白质组的实质性差异一致,许多研究暗示了兔子与人类之间分子、细胞和生理机制的差异。
基因组编辑的改进,例如点突变的产生(Liu等人,2018年)当然,这将有助于制作用于研究的兔子模型,但必须采取预防措施,以彻底考虑其对人类条件的精确表示。我们评估涉及钙调素介导机制的人类生物学和疾病动物模型的示例表明,当选择动物模型来研究人类的特定生理机制或疾病时,对大型动物的直觉偏好可能并不总是转化为更紧密的遗传背景,这决定了与研究目标的相关性,特别是在综合病理生理学和转化研究中。
最后,值得指出的是,由于人类和各种脊椎动物之间全基因组蛋白质谱的差异肯定会影响单个蛋白质的功能体内在发育过程中,人们必须考虑这些差异,以了解在人类疾病的特定动物模型中进行的特定基因改造的复杂表型。为了实现这一目标,有必要通过敏感的同源搜索分析可靠地检测基因组中缺失的基因。在本研究中,我们应用了多种同源性搜索方法以及蛋白质水平确认,以可靠地证明缺乏功能性Cnn2号机组这种两级方法——蛋白质表达测试和基因组搜索分析的结合——为我们更好地理解动物模型及其在生物医学研究中的应用提供了力量。
数据可用性声明
本文包含了本研究生成的所有数据集/补充材料.
道德声明
这项动物研究得到了韦恩州立大学的审查和批准。
作者贡献
OP进行了实验,分析了数据,起草了手稿,并批准了提交的手稿版本。WH设计并开展了生物信息学研究,分析了数据,起草了手稿,并批准了提交的手稿版本。J-PJ设计了研究,分析了数据,起草了手稿,并批准了提交的手稿版本。
利益冲突
作者声明,该研究是在没有任何可能被解释为潜在利益冲突的商业或金融关系的情况下进行的。
脚注
基金。这项工作得到了美国国立卫生研究院(HL133162、HL127691和HL138007)对J-PJ的资助,以及美国国家科学基金会(ISO1838291)和韦恩州立大学(URG2018)对WH的资助。
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