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编号:10215622
抗肿瘤多药抗性核酶转录质粒的构建及其体外切割研究
http://www.100md.com 《第一军医大学学报》 2000年第4期
     作者:袁亚维 张积仁

    单位:袁亚维(第一军医大学珠江医院肿瘤中心,广东 广州 510282);张积仁(第一军医大学珠江医院肿瘤中心,广东 广州 510282)

    关键词:mdr1基因;核酶;体外切割

    第一军医大学学报000412 摘要:目的 探讨体外核酶对肿瘤多药抗性相关基因mdr1靶RNA分子的切割作用及其影响因素。方法 利用计算机软件设计能特异切割mdr1 mRNA的锤头状核酶(ribozyme),并构建抗mdr1-ribozyme和靶分子的体外转录质粒,进行体外切割实验。结果 发现抗mdr1-ribozyme能较好地切割mdr1 mRNA。 结论 抗肿瘤多药抗性核酶的体外研究为其体内应用提供了参考,ribozyme有可能成为逆转肿瘤多药抗性的新药物。

    中图分类号:Q527; R730.1 文献标识码:A
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    文章编号:1000-2588(2000)04-0349-03

    The construction of a plasmid transcribing anti-mdr1 ribozyme and its cleaving reaction in vitro

    YUAN Ya-wei,ZHANG Ji-ren

    (Department of Oncology, Zhujiang Hospital, First Military Medical University, Guangzhou 510282, China)

    Abstract: Objective To study the in vitro cleavage of mdr1 target RNA by ribozyme and its influencing factors. Methods By using the computer software we designed a specific hammerhead ribozyme possessing catalytic activity that cleaves the mdr1 mRNA. A RNA-trimming plasmid pRG5mR3 and a target RNA trascribing plasmid pSABl were constructed, and a specific ribozyme cleaving reaction to target RNA was analysed. Results It was found that anti-mdr1-ribozyme is able to cleave a transcribed mdr1 mRNA fragment under physiological conditions. Conclusion The ribozyme may be targeted to inhibit the expression of the mdr1 gene in vivo, and may potentially offer a help in the strategy of cancer treatment.
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    Key words:mdr1 gene; ribozyme; cleaving reaction

    本实验以锤头结构为模型,利用计算机软件人工设计能特异地切割肿瘤多药抗性相关基因mdr1 mRNA的核酶分子,并分别构建其体外转录质粒和含240 bp的mdr1靶DNA分子的体外转录质粒,旨在探讨体外核酶对mdr1靶RNA分子的切割作用及其影响因素,为将核酶发展成为一种逆转肿瘤多药抗性的药物奠定基础。

    1 材料与方法

    1.1 质粒

    pTZ18R、pTZ19R购自Pharmacia公司;pRG523由中国科学院上海生化所陆长德教授构建并惠赠;PI-4/HaeⅢ由德国T.Hoof教授惠赠;pBLUESCRIPT购自GIBCO公司。

    1.2 试剂
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    各种限制性内切酶、T4 DNA连接酶、T4多核苷酸激酶、Klenow酶、T7 RNA聚合酶、Taq DNA聚合酶等均为Promega公司产品;同位素化合物[α-32 P]UTP(111 000 GBq/mmol)购自Amersham公司。

    1.3 核酶的设计及其基因合成

    采用计算机软件,根据

    采用计算机软件,根据Symons[1]的锤头结构模型设计核酶,并在ABI公司391-EP型核酸合成仪上用亚磷酰胺三酯固相法合成相应基因。

    1.4 扩增目的基因

    根据Gottesmen等[2]测定的mdr1基因序列,设计两条引物,应用PCR方法扩增目的基因。
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    1.5 RNA的体外转录

    转录质粒用合适的限制性内切酶酶切,使之线性化,在体外转录反应体系中[5x转录缓冲液4 μl;100 mmol/L DTT 2 μl; RNasin (20 U/μl) 0.5 μl;ATP、GTP、CTP(各2.5 mmol/L) 4 μl;500 μmol/L UTP 0~2 μl;模板DNA(0.2~1.0 μg/μl) 1μl; 〔α-32 P〕UTP(370 kBq/μl) 2 μl;T7 RNA聚合酶(40 U/μl) 0.5 μl;RNase-Free ddH2O至终体积20 μl],37 ℃水浴60~90 min。

    2 结果

    2.1 核酶基因片断和引物

    分别合成了两条核酶基因片断,为了便于克隆组装,一条基因片断中引入了SalⅠ和HindⅢ切点;另一条基因片断中引入了XbaⅠ和AatⅡ切点(如下)。
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    Rz1:5’TCGACGTGCTTGTCCACTGAGAGTCCGTGAGGACGAAACAACATTTTA 3’

    SalⅠ

    Rz1’:5’AGCTTAAAATGTTGTTTCGTCCTCACGGACTCATCAGTGGACAAGCACG 3’

    HindⅢ

    Rz2:5’CTAGGTGCTTGTCCACTGATGAGTCCGTGGGGACGAAACAACATTTTGACGT 3’

    XbaⅠ AatⅡ

    Rz2’:5’ CAAAATGTTGTTTCGTCCTCACGGACTCATCAGTGGACAAGCAC 3’

, http://www.100md.com     为提高目的基因的克隆效率及方便组装,在引物的5’端设计了一些限制性酶切位点,其核苷酸序列如下:

    引物(P1):5’GAAGAATTCGCAATTGTACCCATCATTGC 3’

    EcoRⅠ

    引物(P2):5’ GAAGGATCCCCTGCAAACTCTGAGCAT 3’

    BamHⅠ

    Ribozyme的二级结构如图1。

    

    图 1 核酶二级结构
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    Fig.1 Secondary structure of ribozyme

    2.2 抗mdr1核酶自剪切质粒pRG523/mR和底物基因片段转录质粒pSAB I的构建

    体外合成的两单链DNA Rz2和Rz2’末端磷酸化后,经变性、复性后,克隆到带5’和3’自身修剪功能的质粒pRG523[3]的XbaⅠ、AatⅡ限制性酶切的大片段上。阳性克隆命名为pRG523/mR,不能被XbaⅠ、XhoⅠ和KpnⅠ酶切。

    以质粒PI-4/HaeⅢ DNA为模板,合成的寡核苷酸片段P1、P2为引物,用PCR方法扩增底物基因片段。扩增产物经1.5%琼脂糖凝胶电泳分析,其长度为200 bp。样品用酚/氯仿抽提,取水相乙醇沉淀,DNA溶于20 μl TE中。将mdr1片段用EcoRⅠ和BamHⅠ酶切后,再克隆到转录质粒pBLUESCRIPTⅡ上。阳性质粒命名为pSAB I,以EcoRⅠ、BamHⅠ双酶可切出200 bp左右的片段。
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    2.3 核酶和底物片段RNA的体外转录

    将pRG523/mR经EcoRⅠ线性化、pSAB I经BamHⅠ线性化后,在T7RNA pol和[α-32P]UTR参与下离体转录,通过聚丙烯酰胺凝胶(含7 mol/L尿素)、割胶、浸泡、沉淀,得到60 nt的ribozyme和240 nt的靶RNA(图2),测定它们的放射性计数。

    图2 pRG523/mR和 pSAB I体外转录结果

    Fig.2 Transcription of pRG523/mR and pSABI in vitro

    1.pRG523/mR; 2.pSAB I

    63 nt:5’-cis-Rz;50 nt:3’-cis-Rz;60 nt:Trans-Rz;
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    240 nt: Target RNA;Rz: Ribozyme

    2.4 抗mdr1核酶的体外切割作用

    取制备的核酶0.8 pmol和靶RNA 0.2 pmol,在不同温度下(10~60 ℃)水浴保温90 min或37 ℃保温不同的时间。结果(图3~5)表明,体外转录制备的核酶具有特异的催化切割mdr1RNA活性。在0~40 ℃时,核酶的活性随着反应温度的提高而提高;在40 ℃以上,其活性则逐渐降低。核酶的反应活性随着时间的增加而增加,但时间达到100 min 时,其活性则增加不明显。

    图3 抗mdr1核酶体外切割

    Fig.3 Cleavage of mdr1 mRNA by ribozyme
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    240 nt:mdr1 target RNA nucleotide; 137 nt、103 nt:Fragments cleaved by Rz;

    63 nt:5’-cis-Rz; 50 nt:3’-cis-Rz; 60 nt:trans-Rz

    图4 温度对核酶活性的影响

    Fig.4 Effect of temperature on ribozyme activity

    图5 反应时间对核酶活性的影响

    Fig.5 Effect of reaction time on ribozyme activity
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    3 讨论

    多药抗药性(Multi-drug resistance,MDR)是指肿瘤细胞接触了一种药物以后,不仅对该药产生耐药性,而且对其它结构和作用机制不同的药物也产生耐药性。逆转多药抗性是临床急待解决的问题。已发现一些药物如钙拮抗剂、三氟拉嗪、环孢菌素A、异博定、吩噻嗪等在体外能有效地逆转MDR,其中异博定和环孢菌素A已被应用于临床。不过这些药物有较大的毒副作用,从而限制了它们的临床应用[4、5]。随着分子生物学技术的发展,已证实人mdr1基因是肿瘤多药抗性的相关基因,它的表达产物可将亲脂类药物排出细胞外,从而导致耐药表型产生[6],因此人工调控mdr1基因表达是逆转MDR的重要策略。

    核酶是具有催化功能的RNA分子,它可以有效地、序列特异地切割RNA分子。自从1981年Cech[7]第一次发现RNA这种特性以来,相继发现了多种能催化分子间反应的核酶,如锤头结构(Hammerhead structure)、发卡结构(Hairpin structure)、丁型肝炎病毒的斧头结构(Axehead structure)和链孢霉线粒体VSRNA核酶。其中锤头结构核酶是Symons等[8]比较了一些病毒、拟病毒和卫星病毒RNA自我剪切规律后提出的二级结构模型,它由13个保守核苷酸残基和三个螺旋区构成。它的自我剪切活性依赖于结构和构象的完整性。由于锤头结构是上述各种已知核酶中最小的核酶,易于按照需要设计和合成,通过序列特异性地切割靶RNA,达到阻断基因表达,因而近年来得到广泛的利用[9、10]
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    本实验以锤头结构为模型,利用计算机人工设计能特异地切割mdr1 mRNA的核酶分子,在体外切割实验中证实了它具有较高的切割效益。结果还表明,适合核酶切割反应的最佳条件与体内环境基本一致,这为核酶成为逆转肿瘤细胞MDR的新型而有效的工具提供了有力依据,但核酶的体内应用还有许多问题并没有解决,有待于进一步深入研究。

    基金项目:国家自然科学基金资助项目(39300159)

    作者简介:袁亚维(1966-),女,湖南邵阳人,1997年毕业于第一军医大学,博士, 副主任医师,副教授,电话:85142868

    参考文献:

    [1] Jeffries AC, Symons RH. Actalytic 13-mer ribozyme[J]. Nucleic Acid Res, 1989, 17(4):137-7.
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    [2] Akiyama SI, FojoA A, Gottesman MM. Isolation and genetic characterization of human KB cell lines resistant to multiple drugs[J]. Somat Cell Genet, 1985, 11(4):117-26.

    [3] He YK, Lu CD, Qi GR. In vitro cleavage of HPV16E6 and E7 RNA fragment by synthetic ribozymes and transcribed ribozymes from RNA-trimming plasmids[J]. FEBS, 1993, 322(1):21-4.

    [4] Hegewish-Becker S. Mdr1 reversal: criteria for clinical trials designed to overcome the multidrug resistance phenotype[J]. Leukemia, 1996, 10(Suppl 3):s32-8.
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    [5] Eckhardt S. Present research trends in cancer chemotherapy[J]. Acta Med Hung, 1994, 50(3-4):133-40.

    [6] Gottesman MM. Genetic analysis of the multidrug transporter[J]. Annu Res Genet, 1995, 29(2):607-12.

    [7] Cech TR, Zang AJ, Grabowski PJ. In vitro splicing of the rebosomal RNA precursor of tetrahymena: involvement of a guanosine nucleotide in the excision of the intervening sequence cell[J]. Cell, 1981, 27(3):487-96.
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    [8] Symons RH. Self-cleavage of RNA in the replication of small pathogens of plants and animals[J]. TIBS, 1989, 14(11):445-50.

    [9] Dropulic B, Elkins DA, Rossi JJ, et al. Ribozyme: use as anti-HIV therapeutic molecules[J]. Antisense Res Dev, 1993, 3(1):87-94.

    [10]Efrat S, Leiser M, Wu YJ. Ribozyme-mediated attenuation of pancreatic beta-cell glucokinase expression in transgenic mice results in impaired glucose-induced insulin secretion[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 1994, 91(6):2051-5.

    收稿日期:1999-10-21, 百拇医药