维普资讯 http://www.cqvip.com 食品与药品 Food and Drug 2007年第9卷第09A期 45 报告基因的应用研究进展 张敏,任慧霞 (山东大学药学院生化与生物技术药物研究所,山东 济南250012) 摘 要:目前报告基因作为一种有效技术已在农学、生物医学、生命科学和环境科学等领域起着重要的作用。现 以荧光素酶和绿色荧光蛋白为例,综述报告基因的新近应用研究进展。 关键词:报告基因;荧光素酶;绿色荧光蛋白 中图分类号:R962 文献标识码:A 文章编号:1672—979x(2007)09.0045.04 Progress in Application of Report Gene ZHANG Min,REN Hui—xia (Institute ofBiochemical and Biotechnological Drug,Shandong University,Jinan 250012,China) Abstract:As an effective technology,report gene has been applied extensively in the fields of agronomy, biomedicine,life sciences,environment,etc.The paper summarizes the recent progress in application of report gene by taking luciferase and green fluorescent protein as examples. Key words:report gene;luciferase;green fluorescent protein 报告基因(report gene)是指一组编码易被检 luciferase,FL)以及以海星、发光鱼、发光甲虫 测的蛋白质或酶的基因,将其与目的基因融合表达 等为来源的荧光素酶,目前研究最广泛并且成为商品 后,可通过报告基因产物的表达来“报告”目的基 酶的是BL和FL。BL是由2个多肽亚基组成的异源二 因的表达调控。这项技术灵敏度高、检测简便可 聚体,相对分子质量约为79×10。,在还原性黄素 靠、适于大规模生产,因而在监测细胞信号转导, (FMNH,)、八碳以上长链脂肪醛(RCH0)和氧 基因表达和药物筛选等方面得到广泛应用。一般的 分子(0,)存在时,发射出蓝绿光(450—490 nm)。 报告基因需要满足以下几个条件:(1)基因被克隆 FL由单一的多肽链组成,相对分子质量为(60~64) 并且已知全序列;(2)宿主不存在报告基因产物或 ×10。,在Mg 、ATP、O.存在时催化D一荧光素 者不存在类似的内源性物质;(3)表达产物易被检 (D—Luciferin)氧化脱羧发光(550~580 nm)[2]。 测;(4)报告分子的分析结果应具有很宽的线形 由于luc的检测方法简便,灵敏度高,因而成为目前 围,以便分析启动子活性的幅度变化…;(5)报告 应用最广泛的报告基因之一。 基因在细胞或动物内表达对其正常的生理作用或活性 1.1 基因表达研究 没有影响。现主要以目前应用最广泛的报告基因荧 应用研究进展。 目前检 ̄lJluc的灵敏度可达到10~19 mol且价格 桂予等 用luc作报告基因,研究肝细胞核因子1 C【 光素酶和绿色荧光蛋白为例,综述报告基因的新近 相对较低,是基因表达研究中首选的报告基因。娄 1 荧光素酶(1uciferase,luc) (HNF1 C【)对人胆汁酸受体(FXR)转录激活的 luc是能催化荧光素或者脂肪醛氧化发光的一类 作用机制,发现HNF1 C【与FXR启动子区域.65到. 酶的总称。根据来源不同主要分为细菌荧光素酶 48的反向半位点结合,发挥反式激活作用,从而调 (bacterial luciferase,BL)、萤火虫荧光素酶(firefly 控FXR基因表达。徐春娥等 将获得的IFN一 启动 收稿日期:2007—03—09 作者简介:张敏(1984一),女,江西萍乡人,硕士研究生 通讯作者:任慧霞(1950一),女,副教授,研究方向为多肽及多糖类药物 E—mail:renhuixia@sdu.edu.cn 维普资讯 http://www.cqvip.com 46 食品与药品 Food and Drug 2007年第9卷第09A期 子基因连入pGL3.Enhancer载体,用luc作报告基因 控方式。由于研究有巨大的潜力,Science杂志将其 构建了质粒IP一21,将IP一21瞬转入稳定表达有SARS— 评为2001年的10大科学进展之一,并名列2002年10 CoV非结构蛋白3a和7a的CHO细胞,观察3a和7a 大科学进展之首。与此同时用luc作报告基因研究 对干扰素诱生途径的影响。结果显示,3a和7a蛋 RNAi也迅速成为研究热点。尹志华等n 用GFP和luc 白增强了荧光素酶的表达,说明3a和7a能有效激活 作报告基因,通过体外转录合成短干扰RNA(small IFN一 的启动子部分。 1.2 蛋白质间相互作用研究 interference,siRNA)和构建表达短发夹RNA (small hairpin,shRNA)的质粒载体2种方法,检 作为一种酶性报告基因,luc对标记对象和宿主 测鼻咽癌细胞系的RNAi作用,获得了理想的效果。没有损害。特别是可视化检测技术的发展使空间定 位观察成为可能,为研究蛋白质的磷酸化、空问表 达及蛋白质间的相互作用提供了新的途径。北京大 学精神卫生研究所利用嵌合酵母活性转录因子(Gal4)一 单纯疱疹病毒蛋白(VPl6).上游激活序列(uAs)和双 荧光素酶报告基因系统,建立了检测y一分泌酶切割 阿尔茨海默症(Alzheimer’S disease,AD)中 一 淀粉样蛋白(amyloid 一protein,A p)活性的方法, 有效可靠,灵敏度高 】。 1.3 毒性物质检测研究 传统的利用luc检测毒性物质的原理是毒性物质 可能会抑制发光菌发光,根据发光强度的变化判断 抑制物毒性作用的大小。但此种方法应用范围较 窄,实际操作受限。随着分子生物学技术的发展, 人们开始利用基因工程技术将luc报告基因插入某些 特异性敏感的基因序列中,构建会发光的生物传感 器检测环境中的毒性物质。目前美国Xenobiotic Detection System Intermational公司利用FL作报告 基因开发出一种转基因细胞,用于测定样品中二恶 英的总毒性当量(total toxiC eqUivalencie s, TEQ)。研究表明,二恶英类化合物(dioxin21ike chemicals,DLCs或DXNs)产生毒性作用必须与 机体细胞核内的二恶英反应增强子结合。根据这一 原理,将FL融合入哺乳动物细胞的细胞色素P450基 因(CYPlA1)作为报告基因,再转染入H4 1IE大 白鼠肝癌细胞系表达。当外源性DXNs污染物透过细 胞膜特异性地与染色体上二恶英应答区域结合,激 活细胞色素P450基因和FL基因合成荧光素,此时的 荧光强度与DXNs物质的量成正比,就可根据系统的 荧光强度分析DXNs的TEQ L 。 1.4 RNA干扰研究 RNA干扰(RNA interference,RNAi)是指 在进化过程中高度保守的,由双链RNA(double. stranded RNA,dsRNA)诱发,同源mRNA高效 特异性降解的现象,是一种典型的转录后基因表达调 何国平等【81将外源报告基因GFP和luc的表达载体与 shRNA的质粒共转染HEK293H细胞后,观察shRNA 对报告基因的抑制作用,研究在RNAi技术抑制外源 报告基因过程中的剂量和时间效应。发现在一定剂量 范围内,RNAi载体抑制效应与干扰载体剂量大小相 关,但当剂量加大到足以抑制外源基因表达时,抑 制效应将维持在“平台期”。这为今后RNAi技术的 应用研究提供了有价值的理论参考依据。 2绿色荧光蛋白(green flourscent protein,GFP) GFP是一种由238个氨基酸组成的单体蛋白质, 相对分子质量为27×l0 。它具有分子小,荧光稳 定,检测方便,而且对活细胞无伤害等优点,成为 众多报告基因中的后起之秀,被称为“活细胞的分 子探针”。 2.1转基因研究 目前所有的研究结果表明,GFP对目的基因的 功能无影响,大量表达对细胞也无毒性,细胞仍能 连续传代培养,GFP无论是作为瞬时表达还是长久 表达的标记物都是安全的。而且通过GFP的荧光强 弱反映表达产物的表达量,易检测,灵敏度高。 David等【9]将GFP/p牛乳糖(1acZ)报告基因融入 支架中再进入到线虫C.elegans热休克蛋白(heat— shock proteins,hsp)l6基因,使此报告基因的 表达在hsp l6启动子的转录控制下。目前已将表达 hsp l 6-GFP—lacZ融合蛋白的C.elegans用于环境检 测。Zhang等 】将携带GFP表达构件的拟人免疫缺 陷病毒注射人鼠受精卵细胞,然后移植入代孕母体 的输卵管,获得了GFP转基因幼鼠。经过PCR扩增, 荧光显微镜和流式细胞仪分析,发现转基因整合率 达到40%。实时PCR分析表明,整合GFP构件的拷 贝数量约为40。原位荧光杂交分析表明,整合形式 是随机的,但可遗传。这种多整合位点和多表达水 平的转基因鼠成为实践和研究中的有效工具。Zhang 等_l 利用未分化的体细胞核移植技术制成了表达GFP 的猪克隆转基因胚胎。 维普资讯 http://www.cqvip.com 食品与药品 2.2细胞定位研究 Food and Drug 2007年第9卷第O9A期 47 IL3)mRNA存在失稳的多Au元件(Au-riCh ement,ARE),因而是固有易变的。Benjamin等 与传统的定位方法相比,GFP荧光反应不需要 el外加底物和任何辅助因子,也就不存在这些物质难 【I8 以GFP作报告基因将其融入全长IL3 3 UTR不翻 于进入细胞的问题。这种非破坏性的检测方法对实 译区构建了一个灵敏的报告系统,研究IL3 mRNA的 验本身极为有利。李铁等[】 在哺乳动物细胞中表达 退火和失稳。这个报告系统用来筛选和识别稳定 了PS1/GFP融合蛋白,以GFP绿色荧光作为PS1亚 ARE.mRNA的化合物。细胞定位的信号,初步获得PS1全长蛋白质在细胞中 3展望 定位的部分信息。鲁文果等 用GFP标记小鼠胚胎 报告基因作为一种有效的技术手段目前已在农 干细胞(mESCs),研究它在脑出血大鼠脑内的存 活与分化,初步得出小鼠胚胎干细胞有向神经细胞 分化能力的结论。 卫星细胞在成体内主要参与成熟骨骼肌的修复。 Day等 用nestin增强子和GFP构建了nestin-GFP 报告基因,发现GFP表达受小鼠卫星细胞nestin基 因调节,而且随着卫星细胞的激活,nestin.GFP表 达量降低,因而能用nestin.GFP的表达来报告静止 的骨骼肌卫星细胞的静止状态。为了研究星状毛囊 滤胞增殖过度细胞(folliculo.stellate cells,FS cells) 的功能和来源,Itakura等¨ 制成了表达在S.100 p 蛋白基因启动子控制下GFP的转基因鼠,因而能在 活体内检测Fs细胞,成为研究Fs细胞的优良模型。 2.3药物筛选研究 利用GFP作为报告分子,很容易从众多化合物 中筛选与信号分子功能相似的化合物,使药物筛选 过程简单方便、可信度高。NagY等¨ 介绍了Ah (ary hydrocarbon)受体激动剂的成像。Ah受体 是一个配基依赖的转录E.GFP因子,介导多环和芳香 卤化类的有机化合物如二恶英的生物学作用和毒性作 用。用一个包含完整Ah受体应答E.GFP报告基因的 HepG2细胞系,可筛选此受体的激动剂。目前还有 报道,将GFP与其它荧光蛋白形成荧光共振用于荧 光共振能量转移(fluorescence resonance energy transfer,FRET)实验。FRET是指激发态的荧光 分子通过偶极作用把激发态能量转移给吸收分子的现 象,能够描述荧光供体蛋白和荧光受体蛋白之间非 辐射的能量转移。FRET是观察生物大分子的新技 术,可跟踪结构变化、分子解离程度及生物大分子 之间的距离,对其相应的生物学功能进行定性、定 量检测。随着使用材料、技术和方法的不断改进, 近年FRET已用于药物筛选。Bevan等¨ 报道了用 GFP的FRET实验描述 .氨基丁酸GABA-B受体的 2个亚单位的相互作用,通过此模型能筛选相应受体 的调节剂。由于白细胞间介素一3(Interleukin-3, 学、生物医学、生命科学和环境保护等领域发挥重 要作用,它是目的物定位、表达、转移的风向标。 随着技术的发展和研究的深入,报告基因种类的增 多及检测方法的不断完善,在今后的研究中必将发挥 更广泛的作用。 参考文献 [1】薛丽香,童坦君,张宗玉.报告基因的选择及其研究趋向 [J】.生理科学进展,2002,33(4):364—366. 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Key words:inflammation cytokine;benign prostatic hyperplasia;prostaglandin;cycl00xygenase;polyunsaturated fatty acid 良陛前列腺增生症(benign prostatic hyperplasia, 因子学说、上皮一间质细胞相互作用学说、细胞凋亡 BPH)是导致老年男性下尿路症状(1ower urinary 与基因调控学说。然而,作为一种多病因疾病,以 tract symptoms,LUTS)的主要原因之一…。目前 上任何一种学说都不可能独立解释BPH的发病机制。 有关BPH的发病机制主要有激素一内分泌学说、生长 尽管前列腺增生机制仍未解释清楚,但慢性炎症可能 收稿日期:2007—04—02 作者简介:刘连亮(1983一),男,硕士研究生,研究方向为细胞免疫 通讯作者:耿越,男,教授,Tel:053 l一86180196 E—mail:gengy@sdnu.edu.ca [12] 李铁,李佳慧,宁丽峰,等.PS1/GFP融合蛋白对Ps1的 astrocytes[J].E dDcr DzDg),,2007,148(4):1518—1523. [16】Nagy S J,Liu G,Lam K S,et a1.Identification of novel Ah receptor agonists using a high--throughput green fluores ’ 亚细胞定位的初步研究….中国生物工程杂志,2006,26 (6):17—22. [13] 鲁文果,王东,陈红,等.GFP+小鼠胚胎干细胞移植入脑 cent rotein—based recombinant cell bioassay[J]. Biochemistry,2002,4 1:96 1. 出血大鼠脑内后存活与分化的研究[J].中国康复,2006, 21(4):219—212. 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