Caenorhabditis elegans 中四种组蛋白去乙酰化酶基因的初步研究

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秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans,C.elegans)作为发育生物学的模式生物,广泛用于神经系统和药物筛选方面的研究。秀丽隐杆线虫与人类和寄生虫的很多基因存在同源性,利用它的这一生物特点,可以建立与人类疾病相关基因的研究模型,研究相应的信号通路,发现新的具有重要生物功能的潜在药物靶标。  组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylases,HDACs)催化组蛋白的去乙酰化,可抑制基因的转录。在哺乳动物中发现了4类HDACs,它们参与了癌症相关基因的转录表达、细胞增殖以及细胞凋亡等过程。在C.elegans中,hda-1和hda-2属于HDACsⅠ类,它们与神经衰退有关;sir-2.1属于HDACsⅢ类,参与了细胞凋亡的调控。但是HDACsⅠ类中的hda-2和hda-3及HDACsⅡ类中的hda-10和hda-11在C.elegans中相关功能和基因定位的报道还比较少。  为了研究C.elegans hda-2、hda-3、hda-10和hda-11基因的功能,我们克隆了C.elegans的hda-2、hda-3、hda-10和hda-11基因,并进行了表达鉴定。首先提取C.elegans mRNA,反转录获得cDNA的第一条链,PCR扩增得到cDNA片段大小分别为1524 bp(hda-2)、1398 bp(hda-3)、1554 bp(hda-10)和1005bp(hda-11)。然后构建pET-32a表达载体,经测序验证后,转化至BL21(DE3)中诱导表达,得到重组蛋白的分子量大小分别为75.1 kDa(HDA-2)、70.7 kDa(HDA-3)、76.1 kDa(HDA-10)、55.3 kDa(HDA-11),用纯化后的重组蛋白免疫小鼠获得相应的抗血清。  通过Real-Time PCR研究了hda-2、hda-3、hda-10和hda-11在C.elegans的N2、daf-2(e1370)和daf-16(e1038)三种虫株中mRNA水平的表达情况,结果显示:hda-2基因在daf-2(e1370)突变体中的表达量明显高于N2和daf-16(e1038)突变体,hda-3和hda-10基因在N2中的表达量明显低于daf-2(e1370)和daf-16(e1038)突变体;hda-11基因在N2中的表达量明显高于daf-2(e1370)和daf-16(e1038)突变体虫株。通过Western blot分析了HDA-2、HDA-3和HDA-11在三种虫株间的蛋白表达情况,结果与Real-Time PCR实验结果总体上是一致的,只是HDA-10蛋白在daf-16(e1038)中的表达明显降低。  为了探讨这些基因对N2虫株的产卵及C.elegans的N2、daf-2(e1370)和daf-16(e1038)三种虫株的寿命影响,构建了L4440干扰载体,经测序验证后,转化至HT115中制成干扰菌喂食这三种虫株对上述基因进行RNAi实验。结果显示:干扰hda-2和hda-3的表达后,N2虫株产卵量均减少;hda-10和hda-11的沉默使N2产卵量减少但孵化情况受影响较小。干扰hda-2和hda-3的表达后,daf-2(e1370)和daf-16(e1038)虫株的寿命均明显缩短,分别使N2虫株寿命增加9.987%和25.87%;此外hda-10和hda-11的沉默均使C.elegans的三种虫株寿命缩短,其中hda-11沉默后寿命减少极显著。  DAF-2和DAF-16是C.elegans中调控寿命信号通路的重要因子,为探究这四种Hdacs对寿命的影响是否与它们有关,我们用Western blot检测了DAF-2和DAF-16蛋白在四种Hdacs基因RNAi前后的表达变化情况,结果显示:hda-2被干扰后,三种虫株的DAF-2和DAF-16蛋白表达无明显变化;hda-3被干扰后,N2和daf-16(e1038)突变株中DAF-2蛋白表达量略少;hda-10被干扰后,daf-16(e1038)突变株中DAF-2蛋白表达量略低于对照组,其余均无明显变化;干扰hda-11后,N2和daf-2(e1370)突变株中DAF-16蛋白表达量稍有下降。  免疫荧光定位研究发现HDA-2、HDA-3、HDA-10和HDA-11四种蛋白在C.elegans的胚胎、幼虫及成虫中均有表达。HDA-2和HDA-3蛋白从C.elegans胚胎中后期开始在细胞核表达,成虫期各组织分布广泛,且在肠道和生殖腺高表达。HDA-10和HDA-11蛋白从C.elegans胚胎早期开始在细胞质表达。HDA-10蛋白从胚胎晚期开始在神经环处表达,成虫期肠道、生殖腺及尾部的细胞质也有分布。HDA-11蛋白在食道、食道球、皮层细胞、肠道和生殖腺的细胞质表达,但生殖腺处表达量少。  综上所述,在daf-2(e1370)和daf-16(e1038)突变体中,hda-2、hda-3和hda-10的mRNA水平表达量上调,且hda-2、hda-3和hda-10 RNAi后两种突变体寿命均缩短,故初步判断HDA-2、HDA-3和HDA-10与daf-2(e1370)和daf-16(e1038)突变体寿命相关。hda-11 RNAi后,DAF-16表达量下降,且C.elegans的N2、daf-2(e1370)和daf-16(e1038)三种虫株寿命减少,说明hda-11可能通过调控daf-16的表达进而影响虫株的寿命。HDA-2、HDA-3、HDA-10和HDA-11均在生殖腺有表达且RNAi后N2产卵量下降,推测这四种蛋白参与了C.elegans的生殖发育过程。
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