宗憲磊 陸海濱 祁佐良 李國菊 宋國棟 都樂 靳小雷 姜篤銀
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合成角質(zhì)細胞生長因子活性短肽促進表皮細胞增殖的實驗研究
宗憲磊陸海濱祁佐良李國菊宋國棟都樂靳小雷姜篤銀
【摘要】目的應(yīng)用噬菌體隨機7肽庫篩選角質(zhì)細胞生長因子(Keratinocyte growth factor,KGF)的關(guān)鍵序列,進行KGF活性短肽的調(diào)整和合成,并研究其對表皮細胞增殖的作用。方法以KGF單克隆抗體為靶,篩選噬菌體隨機7肽庫,獲得KGF的特異性序列,并進行序列調(diào)整。用免疫熒光法檢測KGF活性短肽的表皮細胞親和力。用CCK-8法檢測KGF活性短肽對表皮細胞增殖的影響。用RT-PCR法和Western-blot法檢測表皮細胞上特異性受體KGFR的表達水平。結(jié)果篩選噬菌體隨機7肽庫,獲得2個與KGF相似的特異性序列,合成獲得2個KGF活性短肽,并純化至98%純度,短肽的C端進行氨基化封閉,N端進行羅丹明激光染料標記。免疫熒光檢測結(jié)果顯示,2個KGF活性短肽均能夠與表皮細胞相結(jié)合。CCK-8檢測結(jié)果顯示,與陰性對照組相比,2個KGF活性短肽能夠促進表皮細胞增殖,并呈濃度依賴性。RT-PCR和Western-blot檢測結(jié)果顯示,2個KGF活性短肽組中表皮細胞表達KGFR增強。結(jié)論從噬菌體隨機7肽庫中篩選到2個KGF的關(guān)鍵序列,合成的2個KGF活性短肽能夠與KGFR相結(jié)合,并增強KGFR的表達,從而促進表皮細胞增殖,有望應(yīng)用于促進創(chuàng)面愈合。
【關(guān)鍵詞】噬菌體隨機7肽庫角質(zhì)細胞生長因子活性短肽表皮細胞創(chuàng)面愈合
角質(zhì)細胞生長因子(Keratinocyte growth factor,KGF)是一種上皮細胞特異性生長因子,由間質(zhì)細胞產(chǎn)生,通過旁分泌機制分泌,與上皮細胞上的特異性受體相結(jié)合,與上皮創(chuàng)面愈合關(guān)系密切[1-2]。局部應(yīng)用生長因子有助于促進創(chuàng)面愈合,但是目前應(yīng)用的生長因子產(chǎn)品存在很多缺點。近年來,寡肽和多肽的研究及應(yīng)用空前繁榮,具有重要的理論意義和應(yīng)用價值[3]。噬菌體隨機肽庫是呈現(xiàn)特定長度的各種不同外源性多肽的噬菌體集合物。在M13噬菌體PⅢ基因的一側(cè)隨機插入特定長度的外源性隨機寡核苷酸,可在噬菌體表面呈現(xiàn)出與PⅢ蛋白融合的隨機多肽,構(gòu)成完整的肽庫[4]。噬菌體隨機肽庫涵蓋性好,已廣泛應(yīng)用于抗原表位的模擬和蛋白質(zhì)工程的改造等的研究,特別是小分子活性肽的展示,可用于研制新型創(chuàng)面藥物和受體激動劑。我們前期工作中已從噬菌體隨機7肽庫中篩選獲得KGF的關(guān)鍵序列[5-7]。本研究擬進行KGF活性短肽的合成,探討其對表皮細胞的作用,為生長因子的結(jié)構(gòu)調(diào)整和生產(chǎn)方法開拓新的思路。
1.1主要試劑和儀器
噬菌體隨機7肽庫試劑盒(NEB公司,美國),KGF(Peprotech公司,美國),KGF單克隆抗體、KGFR單克隆抗體(R&D公司,美國),KGF ELISA試劑盒(Sunbio公司,上海),DispaseⅡ(Roche公司,USA),D-PBS、PBS、FBS、胰蛋白酶(Hycolone公司,美國),KM培養(yǎng)基(Gibco公司,美國),CCK-8試劑盒(同仁公司,日本),免疫熒光檢測試劑盒(博士德公司,武漢),RNA提取試劑盒、反轉(zhuǎn)錄試劑盒、熒光定量PCR試劑盒(Takara公司,日本)。
酶標儀(Bio-Rad公司,美國),熒光定量PCR儀為Applied Biosystems 7000 Real Time PCR System,電泳儀、垂直電泳槽、半干轉(zhuǎn)膜儀(BIO-RAD公司),凝膠成像儀為TANON GIS-2008,超凈工作臺(蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司,蘇州),細胞培養(yǎng)箱(HERAEUS公司,德國)。
1.2實驗方法
1.2.1KGF關(guān)鍵片段篩選
以人KGF單克隆抗體包被96孔板,添加噬菌體隨機7肽庫孵育,TBST洗板10次,洗脫緩沖液(0.2 mol/L Glycine-HCl,pH 2.2,0.1%BSA)洗脫結(jié)合的噬菌體,中和緩沖液(1 mol/L Tris-HCl,pH 9.1)快速中和洗脫物。應(yīng)用E.coli ER2738宿主菌對洗脫物進行擴增用于下一輪篩選。同樣方法對每輪的洗脫物再行三輪篩選。對第四輪的洗脫物進行滴度測定,隨機挑選噬菌體藍斑,擴增,調(diào)整至2.0×1013pfu/mL。應(yīng)用ELISA方法和人KGF免疫測定試劑盒檢測單克隆噬菌體的結(jié)合力。挑選結(jié)合力好的噬菌體,應(yīng)用碘化物緩沖液法提取噬菌體DNA,送北京華大基因有限公司,進行染料示蹤的雙脫氧法自動測序。應(yīng)用核酸Blast系統(tǒng)檢測模擬肽DNA的相似性[5-7]。
1.2.2KGF活性短肽合成
因為篩選獲得的短肽序列只有部分堿基和KGF的序列相同。因此,參考KGF的相對應(yīng)序列調(diào)整短肽的堿基序列和氨基酸序列。送武漢明皓生物科技有限公司進行KGF活性短肽的合成,純化為98%純度,然后對短肽的C端進行氨基化封閉,對短肽的N端進行羅丹明激光染料標記。制備成凍干粉,-20℃保存。
1.2.3細胞系和培養(yǎng)方法
取新鮮正常人皮膚,修剪為厚中厚皮片,應(yīng)用DispaseⅡ4℃消化12 h,分離獲得表皮層,剪碎表皮層,應(yīng)用0.25%的胰蛋白酶37℃消化10 min,以胎牛血清中和胰蛋白酶,獲得單個表皮細胞,以KM培養(yǎng)基于37℃、5%CO2條件下進行培養(yǎng),取3~6代的表皮細胞用于離體試驗。所有培養(yǎng)基添加100 U/mL的青霉素和100 μg/mL的鏈霉素。
1.2.4細胞結(jié)合性檢測
共設(shè)2組:KGF活性短肽1組,KGF活性短肽2組。將表皮細胞種植于24孔板,每孔1×105個細胞,應(yīng)用KM培養(yǎng)基培養(yǎng)。培養(yǎng)24 h后,換液,于兩組中分別添加KGF活性短肽1(濃度為0.5 ng/mL)和KGF活性短肽2(濃度為0.5 ng/mL),繼續(xù)培養(yǎng)48 h,應(yīng)用D-PBS洗滌3次,4%多聚甲醛固定0.5 h。嚴格按照免疫熒光檢測試劑盒的操作說明進行操作。
1.2.5細胞增殖檢測
共設(shè)4組:陰性對照組,KGF陽性對照組,KGF活性短肽1實驗組和KGF活性短肽2實驗組。應(yīng)用CCK-8法定量檢測表皮細胞活細胞數(shù)量。將第3~6代表皮細胞消化,制成細胞懸液后,接種于96孔板,每孔10 000個細胞。應(yīng)用KM培養(yǎng)基進行培養(yǎng),培養(yǎng)24 h后,換液,于4組中分別添加PBS、KGF(濃度為5 ng/mL、0.5 ng/mL和0.05 ng/mL),KGF活性短肽1(濃度為5 ng/mL、0.5 ng/mL和0.05 ng/mL)和KGF活性短肽2(濃度為5 ng/mL、0.5 ng/mL和0.05 ng/mL),繼續(xù)培養(yǎng)72 h。每孔添加20 μL無菌CCK-8液,繼續(xù)避光培養(yǎng)2 h,上酶標儀檢測450 nm及630 nm的吸光度值。
1.2.6定量PCR檢測
共設(shè)4組:陰性對照組,KGF陽性對照組,KGF活性短肽1實驗組和KGF活性短肽2實驗組,藥物濃度參照細胞增殖檢測結(jié)果。制備表皮細胞懸液,接種于6孔板,每孔5×105個細胞,應(yīng)用KM培養(yǎng)基進行培養(yǎng),培養(yǎng)24 h后,換液,于4組中分別添加PBS、KGF(濃度0.5 ng/mL)以及KGF活性短肽1(濃度0.5 ng/mL)和KGF活性短肽2(濃度0.5 ng/mL),繼續(xù)培養(yǎng)72 h,以0.25%胰蛋白酶消化,制備成單細胞懸液,對KGFR進行定量PCR檢測。β-actin引物:上游序列5′-TGACGTGGACATCCGCAAAG-3′,下游序列5′-CTGGAAGGTGGACAGCGAGG-3′(204 bp)。KGFR引物:上游序列5′-CGTTTCATCTGCCTGGTCGT-3′,下游序列5′-GCATCTTTCAACAGGCAGCG-3′(186 bp)。
首先抽提總RNA,隨后進行逆轉(zhuǎn)錄反應(yīng),RNA總量為2 μg,反應(yīng)總體積為20 μL體系。在65℃水浴處理5 min,室溫放置10 min,高速離心5 sec。隨后按下列順序在1.5 mL離心管中加入下列反應(yīng)物(總體積為20 μL):RNA酶抑制劑(50 U/μL)0.5 μL,5× buffer(Promega)4 μL,dNTP MIX(10 mM/each)2 μL,DTT 2 μL,M-MLV(200 U/μL)1 U/μL。水浴37℃下反應(yīng)1 h,90℃處理5~10 min,冰浴5 min,高速離心5 sec。隨后進行熒光定量PCR,為20 μL體系,置入定量PCR儀反應(yīng)。
1.2.7Western-blot檢測
實驗分組和處理方法同RT-PCR。每孔添加PBS溶液200 μL,同時加入適當濃度的蛋白抑制劑PMSF,冰上超聲波處理至組織完全分散,離心,然后測定蛋白含量。將樣品稀釋至相同總蛋含量,取150 μL樣品加入5×SDS上樣buffer 20 μL,95℃處理10 min。每上樣孔加樣30 μL。
進行SDS-PAGE電泳,等待跑出分離膠,將膠放入100 mL陰極buffer,平衡15 min,測量膠的大小,剪同樣大小的一片PVDF膜,用甲醛(100%)浸泡15 sec,再用雙蒸水浸泡2 min,取出,用陽極bufferⅡ平衡10 min。以半干法轉(zhuǎn)膜:按照順序放置膠、膜和濾紙,插上電源,1.2 mA/cm2轉(zhuǎn)膜1 h,將膜、膠及濾紙小心剝離,將膜放入甲醛中浸泡10 sec,取出置于濾紙上,蒸干濾紙。用麗春紅溶液檢測轉(zhuǎn)膜效率,用去離子水洗去麗春紅,將膜置于KGFR單克隆抗體(1∶200,用封閉液稀釋)中4℃過夜;用TTBS洗滌3次,每次輕搖10 min;在二抗(1∶2 000,用封閉液稀釋)中孵育1 h;用TTBS洗滌3次,每次輕搖10 min;用DBA溶液顯色;水洗膜終止反應(yīng);膜用TANON GIS-2008凝膠成像儀拍照并用天能GIS凝膠圖像處理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析,采用平均密度×凈面積進行比較(即各組蛋白電泳條帶平均密度×凈面積/各自對應(yīng)β-actin蛋白電泳條帶平均密度×凈面積所得比值)。
1.3統(tǒng)計分析
所有結(jié)果以(x±s)表示。應(yīng)用SPSS 17.0進行單因素方差分析法(one-way analysis of variance,ANOVA)和Dunnet's檢測,分析各組間的差異顯著性。P<0.05時,認為差異具有統(tǒng)計學意義。
2.1KGF關(guān)鍵片段篩選
通過對噬菌體隨機7肽庫篩選,獲得KGF特異性的噬菌體模擬肽,對80個噬菌體DNA樣本進行測序,獲得26個特異性的堿基序列,其中有2個序列與人KGF的基因序列相似,并可從人KGF基因序列中尋找到這2個特異片段的位置[5-7](表1)。

表1 KGF活性短肽的序列篩選和設(shè)計Table 1The selection and design of KGF bioactive peptides
2.2KGF活性短肽合成及序列調(diào)整
通過與KGF相對應(yīng)的序列進行比較分析,將21個堿基修改成和KGF的相對應(yīng)序列完全一致,完成KGF活性短肽的合成,并純化為98%純度,對KGF活性短肽的C端進行氨基化封閉,增強短肽的穩(wěn)定性,對短肽的N端進行羅丹明激光染料標記,用于鑒定活性短肽能否與表皮細胞上的特異性受體相結(jié)合。制備成凍干粉,-20℃保存?zhèn)溆茫ū?)。
2.3細胞結(jié)合性檢測
應(yīng)用2種KGF活性短肽對培養(yǎng)的表皮細胞進行干預(yù),因為KGF活性短肽以羅丹明激光染料進行了標記,免疫熒光檢測的結(jié)果顯示兩組的表皮細胞均能夠染色,表明2種KGF活性短肽能夠與表皮細胞上的特異性受體KGFR相結(jié)合(圖1)。

圖1 KGF活性短肽的免疫熒光測定(200×)Fig.1The immunofluorescence assay of KGF bioactive peptides(200×)
2.4細胞增殖檢測
細胞增殖檢測結(jié)果顯示,在陰性對照組和KGF陽性對照組、KGF活性短肽1組和KGF活性短肽2組間,均存在顯著差異(P<0.05),并呈劑量依賴性,KGF和2種KGF活性短肽均能夠促進表皮細胞增殖(圖2)。

圖2 KGF活性短肽對表皮細胞增殖活性的影響Fig.2KGF bioactive peptides on promoting epidermal cell proliferation

圖3 Real-time PCR檢測各組KGFR的表達Fig.3The real-time PCR analysis of the KGFR expression of all groups
2.5定量PCR檢測
PCR檢測KGFR表達的結(jié)果顯示,KGF活性短肽1組最高,陰性對照組最低,KGF陽性對照組和KGF活性短肽2組略高于陰性對照組。陰性對照組與其他3組間均有顯著差異(P<0.05)(圖3)。
2.6Western-blot檢測
Western-blot檢測顯示,KGF陽性對照組、KGF活性短肽1組和KGF活性短肽2組的比值均明顯高于陰性對照組(圖4)。

圖5 Western-blot比值結(jié)果Fig.5The ratio results of Western-blot analysis
創(chuàng)面愈合過程包括細胞、細胞外基質(zhì)和可溶性分子間復雜的相互作用,生長因子是創(chuàng)面愈合必不可少的因素。KGF是目前已知的與皮膚創(chuàng)傷愈合密切相關(guān)的細胞因子,能夠與表皮細胞上的KGFR相結(jié)合,在表皮損傷修復過程中大量表達,促進表皮細胞增殖和遷移,促進表皮細胞從傷口邊緣移行到基質(zhì),加速再上皮化[1-2]。Koria等[8]組裝了一種融合蛋白,包括彈力蛋白類似肽和KGF,保持了KGF和彈力蛋白的特征,能夠增強角質(zhì)化細胞和成纖維細胞的增殖,促進糖尿病大鼠的全層皮膚缺損創(chuàng)面的再上皮化和肉芽生長。Peng等[9]應(yīng)用KGF基因敲除小鼠研究KGF對創(chuàng)面愈合的作用,結(jié)果表明角質(zhì)化細胞增殖,血管發(fā)生減少,VEGF mRNA水平降低,提示KGF可能通過調(diào)整VEGF的表達促進創(chuàng)面愈合過程中的血管化。KGF應(yīng)用于腐蝕性食管損傷,能夠降低纖維化水平,改善病理組織學損傷[10]。
局部應(yīng)用生長因子有助于促進創(chuàng)面愈合,但是目前應(yīng)用的生長因子產(chǎn)品存在很多缺點,包括:①需要應(yīng)用動物載體進行生產(chǎn),存在倫理學和疾病傳播等問題,且產(chǎn)量較低,生產(chǎn)成本較高;②分子量大,結(jié)構(gòu)復雜,作用多樣化,難以控制,至今生長因子的體內(nèi)應(yīng)用未獲國家批準通過;③穩(wěn)定性差,易受到創(chuàng)面局部微環(huán)境的影響,易降解失活,生物半衰期短,作用時間短,需大劑量反復應(yīng)用才能達到預(yù)期的治療效果,加重了創(chuàng)面損傷和患者的經(jīng)濟負擔。這些因素限制了生長因子的廣泛應(yīng)用。目前,寡肽和多肽的研究及應(yīng)用空前繁榮,合成的肽相對于天然蛋白,具有很多優(yōu)點。包括:①分子量小,作用單一,并可進行結(jié)構(gòu)調(diào)整,增強短肽的穩(wěn)定性和性能;②可以直接進行大量合成制備,生產(chǎn)成本較低;③不需要借助動物載體進行生產(chǎn),避免了倫理學問題和疾病傳播,具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值[3]。
我們的前期研究已從噬菌體隨機7肽庫中篩選獲得KGF的關(guān)鍵序列[5-7]。因為獲得的序列結(jié)構(gòu)只有部分堿基和氨基酸與KGF中的相應(yīng)序列相同,所以對短肽的結(jié)構(gòu)進行了調(diào)整,將21個堿基修改成和KGF的相對應(yīng)序列完全一致。為了增強KGF活性短肽的穩(wěn)定性,對短肽的C端進行氨基化封閉。為了鑒定KGF活性短肽能否與表皮細胞上的特異性受體KGFR相結(jié)合,對短肽的N端進行了羅丹明激光染料標記。免疫熒光檢測結(jié)果顯示表皮細胞能夠染色,表明KGF活性短肽具備了KGF的關(guān)鍵結(jié)構(gòu),能夠與表皮細胞上的特異性受體KGFR相結(jié)合。在此基礎(chǔ)上,進行了表皮細胞增殖檢測,CCK-8檢測結(jié)果顯示,KGF和2種KGF活性短肽能夠促進表皮細胞增殖,并呈劑量依賴性,說明KGF活性短肽能夠形成KGF的關(guān)鍵空間構(gòu)象,與其特異性受體KGFR相結(jié)合,從而起到類似于KGF的作用。在后期的試驗中,可能還需要對短肽序列進行延長或改變個別氨基酸,需要對短肽的N端進行乙酰化封閉,進一步增強短肽的穩(wěn)定性。
KGF及其受體KGFR在上皮再生過程中具有關(guān)鍵作用,KGFR特異性表達于上皮細胞的表面,KGF與KGFR相結(jié)合,誘導靶細胞的遷移活力[11]。本實驗中,應(yīng)用RT-PCR和Western-blot檢測KGFR的表達水平,結(jié)果顯示相對于陰性對照組,KGF陽性對照組、KGF活性短肽1組和KGF活性短肽2組中表皮細胞表達KGFR增高,提示KGF通過提高KGFR的表達水平發(fā)揮促進表皮細胞增殖的正反饋反應(yīng)。
綜上所述,合成的KGF活性短肽能夠與KGFR相結(jié)合,并增強KGFR的表達,從而促進表皮細胞增殖,有望應(yīng)用于促進創(chuàng)面愈合。
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The Experiment of Keratinocyte Growth Factor Bioactive Peptides'Synthesis and Promoting Epidermal Cell Proliferation
ZONG Xianlei1,LU Haibin1,QI Zuoliang1,LI Guoju2,SONG Guodong1,DU Le1,JIN Xiaolei1,JIANG Duyin3.
1 Plastic Surgery Hospital,Chinese Academy Medical Sciences,Beijing 100144,China;2 Department of Radiology,School of stomatology,Shandong University,Jinan 250012,China;3 Department of Plastic and Burn Surgery,Department of Emergency,the Second Hospital of Shandong University,Institute of Tissue Engineering of Shandong University,Jinan 250033,China.Corresponding author:JIN Xiaolei(E-mail:jinyuyizxyy@126.com);JIANG Duyin(E-mail:jdybs2@vip.163.com).
【Abstract】ObjectiveTo isolate sequences from a phage display 7-mer peptide library,synthesize keratinocyte growth factor(KGF)bioactive peptide from the isolated sequences and to evaluate the effects of KGF bioactive peptide on epidermal cell proliferation.MethodsUsing monoclonal anti-human KGF antibody as the target,a phage display 7-mer peptide library was screened and target sequences were isolated.The sequences were then modified to generate KGF bioactive peptides.Immunofluorescence assay was performed to evaluate the binding activity of KGF peptides on epidermal cells. CCK-8 was used to detect the effects of KGF bioactive peptide on epidermal cell proliferation.RT-PCT and Western-blot were used to detect the expression of KGF receptor of epithelial cells.ResultsTwo peptides similar to KGF was isolated from a phage display 7-mer peptide library and then modified to generate two KGF bioactive peptides.KGF bioactive peptides were then purified to reach a purity of 98%.The C terminal of KGF bioactive peptides was closed,and the N terminal was labeled with rhodamine dye laser.KGF bioactive peptides were able to combine with the epidermal cells showed by Immunofluorescence assay.CCK-8 test results showed that compared with the control group,the two KGF bioactive peptides promoted epidermal cell proliferation in a dose-dependent manner.RT-PCR and Western-blot test results showedbook=2,ebook=7two KGF bioactive peptidegroup enhanced the expression of KGFR on epidermal cells.ConclusionKGF bioactive peptides can be synthesized based on sequences screened from phage display peptide library.KGF bioactive peptides are capable of combining with KFGR,enhancing the expression KGFR,and thereby promoting the proliferation of epidermal cells.The results are expected to help promoting wound healing.
【Key words】Phage display 7-mer peptide library;Keratinocyte growth factor;Bioactive peptide;Epidermis cell; Wound healing
收稿日期:(2015年12月7日;修回日期:2016年1月14日)
通信作者:靳小雷(E-mail:jinyuyizxyy@126.com);姜篤銀(E-mail:jdybs2@vip.163.com)。
基金項目:國家自然科學基金項目(30670571,81201467);山東省自然科學基金項目(ZR2011HM027)。
doi:10.3969/j.issn.1673-0364.2016.01.001
【中圖分類號】Q813.1+1
【文獻標識碼】A
【文章編號】1673-0364(2016)01-0001-05
作者單位:100144北京市中國醫(yī)學科學院北京協(xié)和醫(yī)學院整形外科醫(yī)院(宗憲磊,陸海濱,祁佐良,宋國棟,都樂,靳小雷);250014山東省濟南市山東大學口腔醫(yī)學院放射科(李國菊);250033山東省濟南市山東大學第二醫(yī)院美容整形燒傷外科、急診科,山東大學組織工程研究所(姜篤銀)。