仝慧慧,齊浩銘,王 辰,莫麗冬,范維佳,徐立霞,么秀華, 夏一鳴,黃慧玲*
(1. 天津醫(yī)科大學(xué),天津 300070;2. 天津市環(huán)湖醫(yī)院,天津市神經(jīng)外科研究所, 天津市腦血管與神經(jīng)變性重點實驗室,天津 300350)
牛磺酸(taurine,Tau)是一種含硫氨基酸,能調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓,防止細(xì)胞內(nèi)鈣超載,減少自由基產(chǎn)生,改善細(xì)胞膜的通透性,防止細(xì)胞腫脹變形[1-2],是嬰兒中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育期間的重要營養(yǎng)因子,有增強突觸傳遞,緩解中風(fēng)、癲癇、神經(jīng)退行性疾病癥狀等神經(jīng)保護(hù)作用[3-4]。Tau主要是由細(xì)胞膜上的牛磺酸轉(zhuǎn)運體(taurine transporter,TauT,Slc6a6,序列參考號:NC_005103.4)轉(zhuǎn)運至細(xì)胞內(nèi),以維持細(xì)胞內(nèi)Tau的高濃度,TauT是由621個氨基酸殘基組成的大小約74×103的蛋白質(zhì),包含12個跨膜螺旋區(qū)。在急性損傷發(fā)生后,細(xì)胞內(nèi)的Tau可調(diào)節(jié)腦細(xì)胞滲透壓,改善神經(jīng)元腫脹。本課題組前期實驗證實,顱腦創(chuàng)傷后,腦水含量和水通道蛋白4的表達(dá)升高,Tau可以使其下調(diào),改善神經(jīng)元損傷等[5]。
為研究Tau缺乏對機體的影響,研究人員通常選用補充TauT抑制劑如β-丙氨酸等干擾Tau吸收的方法制作動物模型,但是這種一過式的抑制牛磺酸攝入的方法,短暫且不穩(wěn)定,故急需一種更穩(wěn)定有效的方法構(gòu)建該動物模型。近幾年發(fā)展的CRISPR/Cas9技術(shù)可以敲除特定基因位點,有靶向精確度高、實驗周期短,無物種限制,且比ZFN、TALEN技術(shù)易操縱[6-8]等優(yōu)勢,得以推廣。
本研究利用CRISPR/Cas9系統(tǒng),首次建立Slc6a6基因敲除大鼠模型(TauT-/-大鼠),并進(jìn)行繁殖和鑒定,為進(jìn)一步研究Tau對大鼠神經(jīng)系統(tǒng)疾病模型的影響,提供可靠而穩(wěn)定的基因工程模型,為闡明Tau對相關(guān)疾病的治療作用等探究工作奠定基礎(chǔ)。
本實驗所需野生型大鼠均選用SPF級SD大鼠,體重240~260 g,購自北京華阜康生物科技股份有限公司[SCXK (京) 2014-0004];TauT+/-大鼠委托中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)實驗動物研究所構(gòu)建,得到F0代2只(雌雄各1只)[SCXK京2013-0002],本課題組對TauT+/-大鼠進(jìn)行飼養(yǎng)、配籠繁殖,并對純合TauT-/-大鼠進(jìn)行鑒定篩選,Slc6a6基因表達(dá)鑒定實驗所用大鼠:純合子(TauT-/-大鼠)、陰性(TauT+/+大鼠)、野生型大鼠(WT大鼠)均為2月齡SPF級雄性大鼠,每組各6只,體重240~260 g。飼養(yǎng)和繁殖均在中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院放射醫(yī)學(xué)研究所屏障環(huán)境中進(jìn)行[SYXK (津) 2014-0002],其溫度、相對濕度、換氣次數(shù)、明暗周期等均符合中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)(GB14925-2010)。本研究中涉及的全部動物實驗方案,均參考中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院放射醫(yī)學(xué)研究所實驗動物倫理委員會有關(guān)實驗動物使用的相關(guān)規(guī)定,滿足實驗動物福利要求,并遵照實驗動物使用的3R原則給予人道關(guān)懷。相關(guān)動物實驗倫理審查證明編號為:DWLL-20180916和DWLL-20180917。
Cas9 mRNA合成試劑盒T7 Ultra kit (美國Ambion公司,AM1345)、sgRNA的體外轉(zhuǎn)錄試劑盒MEGA shortscript Kit (美國Ambion公司,AM1345)、EasyPure Genomic DNA kit(北京全式金生物技術(shù)有限公司,EE101-12)、Genstar 2× Taq PCR StarMix with Loading Dye(深圳輝諾生物科技有限公司,A112-10)、RNA simple Total RNA kit、RT-PCR kit(天根生化科技(北京)有限公司,DP419、KR118、FP205),DAB顯色劑(美國Sigma公司,D8001),TauT抗體(E-10)(美國Santa Cruz Biotechnology公司,sc-166640),IgG抗體-Fab段-HRP多聚體(德國Leica公司,通用型),兔抗小鼠辣根過氧化物酶標(biāo)記二抗、β-actin二抗(北京中杉金橋生物技術(shù)有限公司,bs-10966R、ZB2301),β-actin一抗(北京博奧森生物科技有限公司,bs-0061R)。顯微注射儀(日本尼康公司,TE2000U)、凝膠成像系統(tǒng)(英國Syngene公司,Gene Genius)、ABI一代測序儀(美國ABI公司,3500)、低溫高速離心機(美國Beckman公司,J2-21)、Mini-PROTEAN Tetra Cell電泳系統(tǒng)、Mini Trans-Blot Cell型轉(zhuǎn)膜系統(tǒng)(美國Bio-Rad公司,1658033、1703930)、熒光定量PCR儀(瑞士Roche 公司,LC480)、徠卡全自動免疫組化儀(德國Leica公司,BOND-Ⅲ),顯微鏡(日本Olympus公司,BX3-CBH)。
1.3.1 TauT-/-大鼠的構(gòu)建和繁殖
TauT-/-大鼠模型,是采用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù),針對TauT基因第5外顯子,選擇2個不同sgRNA的作用靶點,合成兩對寡聚核苷酸鏈(Rat-Slc6a6-gRNA1-up:TAGGCCCCTTTGTCCCACAGAC和Rat-Slc6a6-gRNA1-down:AAACGTCTGTGGGACA AAGGGG;Rat-Slc6a6-gRNA2-up:TAGGGACAGACC CTGTCTCTGG和Rat-Slc6a6-gRNA2-down:AAACCC AGAGACAGGGTCTGTC),經(jīng)退火,連入BsaI酶切回收的pUC57-sgRNA表達(dá)載體,同時構(gòu)建Cas9表達(dá)載體(pST1374-NLS-flag-linker-Cas9,Addgene ID: 44758)。經(jīng)測序驗證構(gòu)建的載體序列無誤后,分別由DraⅠ、AgeⅠ酶切、抽提純化,經(jīng)體外轉(zhuǎn)錄獲得Cas9 mRNA和sgRNA,將其混合,調(diào)整濃度Cas9 mRNA(20 ng/μL) 和sgRNA(10 ng/μL)后,通過顯微注射法注射到SD大鼠受精卵的雄性胞核和細(xì)胞質(zhì)中,再植入假孕大鼠體內(nèi),繁殖得到 founder 大鼠(F0 代)。
將F0代陽性大鼠與野生型SD大鼠合籠,得到F1代雜合子(TauT+/-大鼠),再選擇F1代TauT+/-大鼠與野生型SD大鼠合籠以擴充體系,得到TauT+/-F2代大鼠,F(xiàn)2代TauT+/-大鼠自交后,得到TauT+/+,TauT+/-和Tau-/-三種F3代基因型大鼠。
1.3.2 基因組提取、擴增和測序
利用CRISPR/Cas9系統(tǒng),將包括Slc6a6基因第五外顯子的共約390 bp的片段靶向敲除,通過基因型鑒定,分析新生大鼠的基因分型。將出生10-12 d左右的大鼠,采用剪趾法編號,并提取大鼠基因組DNA,經(jīng)PCR 擴增靶序列,鑒定所用上游引物:5’-TCATTGTCCTGTCCCCACTTCTT-3’,下游引物:5’-TCCTCATCTGACAGTTAAAGAATCTAAGG-3’。PCR的體系和條件參見Genstar試劑盒說明書。結(jié)果判斷依據(jù):陰性TauT+/+是一條帶:702 bp,雜合子TauT+/-含有兩條帶,分別為702 bp和312 bp,純合子TauT-/-是一條帶:312 bp。
提取F1代TauT+/-、F3代TauT+/+和TauT-/-的基因組,經(jīng)PCR擴增,由上海生物工程公司測序后,再與F0代比對,以確定 CRISPR/Cas9 介導(dǎo)的基因敲除情況。
1.3.3 Real-time PCR檢測TauT-/-和TauT+/+大鼠腦組織中Slc6a6的表達(dá)
選取TauT-/-、野生型(WT)和TauT+/+大鼠雄性各6只,提取大腦組織總RNA,反轉(zhuǎn)錄后,real-time PCR檢測Slc6a6 mRNA表達(dá)。Slc6a6基因引物序列:上游5’-GAGGTCATCATAGGCCAGTAC-3’;下游5’-GTACACATTCAGGAGGGACAC-3’,擴增產(chǎn)物為120 bp。以GAPDH為內(nèi)參:上游5’-AACTCCCATT CTTCCACC-3’;下游5’-ACCACCCTGTTGCTGTAG-3’。擴增產(chǎn)物為100 bp。PCR反應(yīng)體系:10 μL的2× SYBR Green Mix,上下游引物(10 μmol/L)各1 μL,1 μL的cDNA,補充ddH2O至20 μL。PCR反應(yīng)條件:95℃預(yù)變性5 min,94℃變性15 s,60℃退火15 s,72℃延伸15 s,40個循環(huán),最后72℃延伸5 min。TauT、GAPDH的退火溫度分別是60℃和55℃。樣本目的基因的相對表達(dá)量計算公式為:相對表達(dá)量=2-△△Ct[△Ct=Ct1-Ct2;Ct1:樣品目的基因的臨界循環(huán)數(shù);Ct2:樣品管家基因的臨界循環(huán)數(shù)。△△Ct=每組△Ct值-(對照組△Ct的平均值)]。
1.3.4 Western blot技術(shù)檢測TauT-/-和TauT+/+大腦組織中TauT蛋白表達(dá)
選取TauT-/-和TauT+/+大鼠雄性各6只,麻醉處死,提取大腦組織,勻漿后,提取并測定總蛋白濃度,等質(zhì)量上樣,進(jìn)行SDS-PAGE電泳,70 V,40 min,120 V,90 min。300 mA濕轉(zhuǎn)120 min,5%脫脂奶粉封閉2 h,加入Santa Cruz TauT一抗(1∶200)、β-actin一抗(1∶1000),4℃孵育過夜,次日洗膜,孵HRP標(biāo)記的二抗(1∶1000)常溫孵育2 h,洗膜3次。加入顯影劑,于成像系統(tǒng)進(jìn)行圖像采集。樣本中目的蛋白的相對表達(dá)量是目的蛋白條帶與內(nèi)參β-actin 蛋白條帶灰度值的比值。
1.3.5 免疫組化檢測TauT-/-和TauT+/+大腦組織TauT蛋白的表達(dá)
心臟灌注TauT-/-和TauT+/+大鼠后,取腦組織,放入10%中性福爾馬林溶液,固定24 h之后,脫水,包埋制成蠟塊,4 μm切片,68℃烤箱烤片,再利用Leica BOND-Ⅲ全自動免疫組化儀進(jìn)行常規(guī)染色程序:脫蠟、水化、封閉、孵育TauT一抗 (1∶100)、沖洗、孵育二抗、沖洗、DAB染色、蘇木精復(fù)染,脫水透明、封片,光學(xué)顯微鏡下觀察,圖像采集、分析結(jié)果。

利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)進(jìn)行目的基因敲除,使Slc6a6基因發(fā)生移碼突變,并提前產(chǎn)生了終止密碼子,使翻譯提前終止,造成蛋白功能障礙(圖1)。
歷時約15個月, F1和F2代共繁育出23窩,F(xiàn)1~F3代總計184只,F(xiàn)3代出現(xiàn)純合子,該代純合率約為20.59%。F3代TauT+/+:TauT+/-:TauT-/-的比例約為1∶2.57∶1.28,近似滿足孟德爾遺傳定律。繁殖過程中,成年鼠死亡14只,死亡率約為7.61%。F1~F3代大鼠繁殖情況見表1,多組F2代TauT+/-大鼠自交情況統(tǒng)計見表2。
F0代TauT+/-大鼠與野生SD大鼠雜交,得到F1 代TauT+/-和TauT+/+大鼠,F(xiàn)1 代TauT+/-與野生大鼠雜交繼續(xù)擴充體系,F(xiàn)2后代TauT+/-自交,F(xiàn)3代出現(xiàn)TauT-/-大鼠。基因型鑒定結(jié)果如圖2: TauT-/-:一條帶,312 bp;TauT+/-:兩條帶,為702 bp和312 bp。TauT+/+/ WT:一條帶,702 bp。
測序比對結(jié)果顯示, TauT-/-或TauT+/-(包含的缺失鏈)的基因缺失位點,如圖3A。TauT-/-和TauT+/+大鼠序列比對和靶點敲除情況,如圖3B、3C。TauT+/+基因型大鼠和TauT-/-基因型大鼠序列相差約390 bp,缺失靶點上下游序列對應(yīng)一致。
由基因型鑒定和測序結(jié)果可知:包含TauT-/-大鼠的第5外顯子的390 bp堿基被敲除,并發(fā)生重組修復(fù)。

圖1 利用CRISPR/Cas9技術(shù)敲除Slc6a6第五外顯子的示意圖Figure 1 Schematic diagram of the knockout of the fifth exon of Slc6a6 by CRISPR/Cas9 technology

表1 F1~F3代大鼠繁殖情況

表2 F2代不同種群大鼠的繁育結(jié)果

注:M:DNA分子量標(biāo)記;2#F1:TauT+/-;C:空白對照;N:WT;孔道3、5、7:TauT-/-大鼠;孔道2、6:TauT+/+大鼠;孔道1、4:TauT+/-大鼠。圖2 部分大鼠基因型PCR鑒定結(jié)果Note. M, DNA molecular weight marker; 2#F1, TauT+/-; C, Blank control; N, Wild type; Lanes 3, 5, and 7: TauT-/- rat; Lanes 2 and 6: TauT+/+ rat; Lanes 1 and 4: TauT+/- rat.Figure 2 Results of genotype identification of the rats by PCR
TauT-/-大鼠和同窩TauT+/+大鼠腦組織Slc6a6 mRNA表達(dá)結(jié)果顯示:TauT-/-大鼠腦組織Slc6a6 mRNA幾乎不表達(dá)(如圖4C)。

注:A:TauT-/-大鼠測序結(jié)果,在“TTTG”堿基中間敲除了約390 bp;B: TauT-/-和TauT+/+大鼠序列比對結(jié)果,TauT-/-缺失390 bp;C:TauT+/+和TauT-/-大鼠堿基序列對比,矩形框區(qū)域為包含TauT第5外顯子的靶序列,劃線部分為Cas9核酸酶切割目的序列后重組修復(fù)隨機添加的序列。圖3 目的基因測序比對結(jié)果Note. A, The results of TauT-/- rat sequencing that have about 390 bp bases knocked out in the middle of “TTTG”. B, The results of TauT-/- and TauT+/+ rat sequence alignment: TauT-/- was missing about 390 bp. C, Base sequence comparison between TauT+/+ and TauT-/- rats: the rectangular box region is the target sequence containing the Tau5 exon 5 after Cas9 nuclease cleaves the sequence of interest. The underlined portion is the recombinantly added sequence.Figure 3 Results of target gene sequencing comparisons
蛋白免疫印跡實驗結(jié)果表明,TauT-/-組大鼠大腦中TauT蛋白表達(dá)量與TauT+/+組大鼠相比,顯著降低(如圖4A、4B)。
觀察TauT-/-大鼠和TauT+/+大鼠兩組皮層和海馬區(qū)TauT蛋白表達(dá)的情況。如圖5可見,TauT-/-大鼠的海馬和皮層區(qū)細(xì)胞膜上基本無TauT蛋白表達(dá),而TauT+/+鼠的海馬和皮層區(qū)細(xì)胞膜上有TauT蛋白表達(dá),表明Slc6a6基因的敲除導(dǎo)致TauT-/-大鼠腦組織TauT蛋白基本不表達(dá)。
在研究人類中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病方面,大鼠與人更為接近,在生理、行為、代謝方面比小鼠更有優(yōu)勢[9]。大鼠廣泛被用于:獎勵和懲罰實驗、神經(jīng)官能癥等高級神經(jīng)活動的研究。由于構(gòu)建和繁殖基因敲除大鼠比小鼠困難,2010年才建立了第一個基于胚胎干細(xì)胞的p53基因敲除大鼠模型。據(jù)報道[10-12]:自2003年CRISPR/Cas9系統(tǒng)發(fā)明以來,已有超過30種不同的轉(zhuǎn)基因大鼠實驗?zāi)P捅挥糜谏窠?jīng)科學(xué)、內(nèi)分泌學(xué)和癌癥等領(lǐng)域。目前,僅有關(guān)于TauT-/-小鼠模型的研究,對于Slc6a6基因敲除的大鼠模型及其有關(guān)的病理生理研究尚無文獻(xiàn)報道。

注:A: TauT-/-組與TauT+/+組TauT蛋白表達(dá)情況(n=6);B:TauT-/-組與TauT+/+組TauT蛋白表達(dá)相對定量分析,*** P < 0.001(n=6);C:TauT+/+組、WT組分別與TauT-/-組Slc6a6 mRNA表達(dá)相對定量分析比較,*** P< 0.001(n=6)。圖4 不同基因型大鼠腦組織TauT蛋白和Slc6a6 mRNA表達(dá)的情況Note. A, TauT protein expression in the TauT-/- and TauT+/+ groups (n=6). B, Relative quantitative analysis of TauT protein expression in the TauT-/- and TauT+/+ groups.***P< 0.001 (n=6). C, Slc6a6 mRNA expression in the TauT+/+ and WT groups was compared with the TauT-/- group.***P< 0.001 (n=6).Figure 4 Expression of Slc6a6 mRNA and TauT protein in the brains of different genotypes of rats

注:A、B、C:TauT+/+大鼠海馬(分別為× 40、× 100、× 200);D、E、F:TauT-/-大鼠海馬(分別為× 40、× 100、× 200);G、H、I:TauT+/+大鼠皮層(分別為× 40、× 100、× 200);J、K、L:TauT-/-大鼠皮層(分別為× 40、× 100、× 200)。箭頭所示為TauT表達(dá)位置舉例。標(biāo)尺=20 μm。圖5 TauT-/-與TauT+/+鼠腦部皮層和海馬區(qū)附近的免疫組化結(jié)果比較Note. A, B, and C, the TauT+/+ rat hippocampus (× 40, × 100, and × 200, respectively). D, E, and F, the TauT-/- rat hippocampus (× 40, × 100, × 200, respectively). G, H, and I, the TauT+/+ rat cortex (× 40, × 100, × 200, respectively). J, K, and L, the TauT-/- rat cortex (× 40, × 100, × 200, respectively). The arrows show examples of TauT expression positions.Bars=20 μm.Figure 5 Comparison of immunohistochemistry results between TauT, TauT-/- and TauT+/+ rat brain, cortex, and hippocampus
本課題組委托中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)實驗動物研究所,經(jīng)專業(yè)技術(shù)人員精心設(shè)計,選擇了具有較低脫靶概率的靶點,利用CRISPR/Cas9技術(shù),基于Slc6a6的第5外顯子,構(gòu)建了TauT+/-大鼠模型。我們后續(xù)對TauT+/-大鼠進(jìn)行飼養(yǎng)、配籠繁殖、鑒定篩選出TauT-/-大鼠,該模型大鼠Slc6a6基因的第5外顯子被敲除,產(chǎn)生移碼突變,翻譯提前終止。基因型鑒定結(jié)果顯示:F3代的TauT-/-大鼠的電泳結(jié)果與最初引進(jìn)的TauT+/-大鼠電泳結(jié)果中的短鏈大小一致;同時,測序結(jié)果證實:TauT-/-大鼠的第5外顯子成功被敲除。F3代TauT-/-缺失的片段和F0代雜合子的短鏈缺失片段一致。從繁殖情況來看,TauT-/-大鼠出生后,能夠存活,為基因和蛋白水平的鑒定實驗提供了條件。F3代的TauT+/+:TauT+/-:TauT-/-三種基因型大鼠的比例約為1∶2∶1,符合孟德爾遺傳定律,因此該TauT-/-大鼠不具有胚胎致死性。初步統(tǒng)計,性別相同、月齡相近的TauT-/-大鼠比TauT+/+大鼠的體重低,這與Heller-Stilb等[13]發(fā)現(xiàn)TauT-/-小鼠的體重比野生小鼠低的結(jié)果一致。同期,觀察到少量TauT-/-大鼠有性情稍暴躁、行動稍遲緩等現(xiàn)象,對此我們會繼續(xù)保持關(guān)注。Ito等[13-14]通過同源重組技術(shù)敲除胚胎干細(xì)胞中TauT的第1或2-5個外顯子,構(gòu)建了TauT-/-小鼠,也發(fā)現(xiàn)TauT-/-模型小鼠體重降低,同時,心臟功能異常,運動能力降低[15-16]。Rikimaru等[17]也證明了TauT-/-大鼠線粒體的整體功能不如TauT+/+大鼠,關(guān)于TauT-/-大鼠線粒體功能受損情況,我們后期也將開展相關(guān)實驗研究。
本研究中RT-PCR實驗結(jié)果顯示:TauT-/-大鼠腦部Slc6a6 mRNA幾乎不表達(dá),基因測序也顯示TauT第5外顯子完全敲除,其TauT蛋白表達(dá)量顯著低于TauT+/+大鼠,免疫組化結(jié)果顯示TauT-/-大鼠皮層和海馬區(qū)附近幾乎沒有TauT蛋白表達(dá),表明Slc6a6基因敲除大鼠模型構(gòu)建成功。同時,海馬齒狀回區(qū)域細(xì)胞體積有收縮的現(xiàn)象,這可能與文獻(xiàn)所報道Tau可誘導(dǎo)小鼠海馬和紋狀體突觸傳遞增強有關(guān)[18]。.但本實驗中, TauT-/-組大鼠Western blot結(jié)果仍顯示有少量蛋白表達(dá)。推測產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是不同抗原和抗體存在一定的交叉反應(yīng)(非目的蛋白可能含有能與目的蛋白抗體結(jié)合的抗原表位):(1)用CRISPR/Cas9系統(tǒng)敲除了第5外顯子后,發(fā)生移碼突變,提前產(chǎn)生終止密碼子,造成翻譯提前終止,形成無功能的肽鏈或蛋白,相應(yīng)的肽鏈或蛋白可能會與原有完整蛋白的抗體產(chǎn)生非特異性結(jié)合;(2)理論上,敲除某個外顯子堿基序列后,剩余核酸序列若含有ATG等起始密碼子,其后的編碼序列還會翻譯出一段氨基酸序列,但這段序列不具備原有蛋白質(zhì)的功能[19-21]。無論是利用傳統(tǒng)的ES細(xì)胞打靶還是利用近些年發(fā)展起來的基因編輯手段,除非個別比較小的基因會選擇全基因敲除,大部分情況下,都是選擇上游的外顯子或特定的功能區(qū)域外顯子敲除,造成移碼突變或者是特定功能區(qū)喪失,用于研究基因缺失和功能的關(guān)系。
綜上,本研究應(yīng)用CRISPR/Cas9系統(tǒng)定向敲除大鼠Slc6a6基因第5外顯子,成功構(gòu)建TauT-/-大鼠模型并穩(wěn)定遺傳,為探究牛磺酸預(yù)防和治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病的相關(guān)機制研究,提供良好的大鼠模型。