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编号:10282006
mRNA差异显示技术在维生素研究中的应用
http://www.100md.com 《中华预防医学杂志》 2000年第2期
     作者:王福俤 徐琪寿 赵法伋

    单位:王福俤(200433 上海市 第二军医大学海军卫生学教研室);赵法伋(军队卫生学教研室);徐琪寿(军事医学科学院放射医学研究所)

    关键词:

    中华预防医学杂志000223 mRNA差异显示技术是1992年由Liang等[1]建立的,这种方法被称为mRNA差异显示(mRNA differential display PCR)或差异显示反转录PCR(differential display reverse transcription, DDRT-PCR)。该方法的建立与成熟为评价维生素调控细胞功能开辟了新的途径。

    1.DDRT-PCR技术基本原理:有关DDRT-PCR技术的资料很多,这里只作简单描述。高等生物细胞内约含有105个不同的基因,而对于每一个特定的细胞仅表达其中的15%,约15 000种mRNA。DDRT-PCR技术的基本原理就是合成两组引物,通过随机组合,使每个细胞中表达的15 000种mRNA均有扩增机会,并使所有mRNA通过电泳带表现出来。原则上该方法可以检测到细胞中约15 000种不同的基因表达情况。这样就给出了一个类似蛋白双向电泳的指纹图谱,基因表达的不同马上就可以知道,并因此分离到该基因。该技术的主要流程是将细胞的mRNA提取出来,用反转录酶将mRNA转变为cDNA,而后在经过多次PCR随机扩增以达到可检测水平,再通过在测序凝胶上电泳条带比较筛选出不同表达的基因,并回收这些DNA片段,经扩增后作为探针,在cDNA或基因组DNA库中扫描找到相关基因。
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    2.DDRT-PCR技术的优点:研究基因表达差异的方法有多种,主要方法有双向蛋白电泳指纹图谱和差减杂交技术。与这两种技术相比DDRT-PCR技术有许多优点。蛋白质指纹技术具有很高的灵敏度,可以很方便地区分不同的表达产物,但往往得不到足够的量来分析和克隆它们的基因;对于差减杂交技术,虽然该方法假阳性低,但技术要求高,操作繁杂,所能比较的也只能是两个对应细胞群体。而DDRT-PCR技术具有以下优点:①简单易行,DDRT-PCR技术所依靠的PCR和DNA测序凝胶电泳两种技术均已成熟;②灵敏度高,DDRT-PCR技术只需20 μg的mRNA,而差减杂交技术则至少需要200 μg的mRNA或细胞总RNA;③重复性好,90%~95%的mRNA可以被重复显示;④多能性,一次实验可比较很多个不同的种类或组别,且可进行细胞间的双向(表达或高或低)比较。多组比较在维生素研究中很多见,而差减杂交技术就不能解决这个矛盾。⑤快速,DDRT-PCR两天或更短时间可以检测到mRNA的差异,从重新扩增到Northern杂交一般只需一周的时间。而且实验从头到尾实验者都可以监测它的进行情况,而不象其他方法那样要到最后才能知道系统是否工作。
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    3.DDRT-PCR技术在维生素研究中的应用现况:Dietz和Sandel[2]对培养的小牛软骨细胞分为视黄酸处理组和非视黄酸处理组,然后利用DDRT-PCR技术克隆视黄酸抑制表达的基因,实验发现其中一个cDNA编码一种被其称为软骨源性敏感蛋白(CD-RAP)的新蛋白;White等[3]以斑马鱼(zebrafish)为动物模型,利用DDRT-PCR技术分析了外源性维生素A引起的差异表达基因。他们分离到一个编码细胞色素P450新成员的克隆(P450RAI),进一步研究提示P450RAI是在分子水平分离鉴定学的视黄酸(RA)代谢的第一个酶组分,为深入研究RA代谢奠定了基础;Reddy等[4]利用DDRT-PCR技术分析了培养的猴气管支气管细胞维生素A应答基因,发现其中一个差异表达的cDNA顺序与人体核仁素基因有90%的同源性;Fritsche等[5]通过维生素D3诱导新鲜人血单核细胞4 h后,利用DDRT-PCR分析,分离到一个cDNA片段,Northern分析发现该1.4 kb cDNA在单核细胞中低表达,当加入维生素D3时,其表达上升;Xu和Henry[6]利用DDRT-PCR技术对维生素D3缺乏与正常的鸡肾脏和小肠组织进行分析,对其中一个cDNA片段进行Northern杂交,发现其在肾脏有差异表达,并对维生素D3有下调作用。深入研究提示该cDNA编码一个包含有锚蛋白样重叠、具有组织特异性(仅表达于肾脏)、维生素D3下调的新蛋白。以上5篇文献均为利用DDRT-PCR技术研究维生素功能的报道,每篇文章都取得了一定的突破性结果,并为深入研究维生素奠定了基础。
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    4.DDRT-PCR技术在维生素研究中的适用范围:

    (1)明确维生素直接调控的特殊基因:DDRT-PCR技术在维生素研究中一个重要作用就是明确维生素直接调控的基因。维生素作为一种调控因素或调控物,可通过激素、细胞因子和生长因子——第二信使或细胞信号转导系统与特定的转录因子相互作用激活基因表达。已有大量研究资料证实维生素对基因表达具有调控作用,如Schweingruber等[7]通过Northern检测发现thi3基因的转录表达对硫胺素非常敏感;维生素B6参与类固醇调控基因的表达[8];维生素A影响肝脏PEPCK基因表达[9]等。作者认为,以往的研究存在一定的局限性。一项实验研究(维生素“x”与基因“x′”)的设计,往往建立在已有的理论基础上进行推论,认为在“x与x′”间可能存在某种联系,然后进行实验检测,这样对阐明一个维生素与基因表达调控的关系带来很大的盲目性,必然会大大阻抑该领域的研究进程。而DDRT-PCR技术的特点就是首先将这些与某种维生素相关的具有表达差异的基因即维生素可能直接调控的基因尽显于实验者的眼前,然后研究者就可有的放矢地对这些特殊基因进行深入研究,这无疑使科学研究的目的和方向就十分明确了。
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    (2)阐明维生素缺乏病的分子基础:人类生存过程中,大多数维生素在机体中都会发生缺乏现象,严重缺乏时则会出现一定的缺乏病或症状,如维生素A缺乏引起夜盲症、维生素D缺乏可促发佝偻病等等。当然现在维生素严重缺乏的现象很少发生,但是阐明这些缺乏病发生发展的分子机制对明确维生素的生理功能具有重要意义。有些维生素的缺乏病症状要遍及全身多个系统,其发病机理一直是困扰科研工作者的难题。DDRT-PCR技术对研究这些问题有许多优势,它可通过维生素缺乏模型与正常动物特定组织中mRNA进行比较,对表达具有差异的cDNA条带克隆测序,并查国际基因库。至此,在这些维生素缺乏模型中表达有差异的基因就摆在实验者面前。然后就可对这些基因在维生素缺乏引发疾病发生发展中的功能进行深入研究,从而揭示维生素缺乏病的分子机制。

    (3)寻找维生素功效的敏感指标:人体中维生素的状况往往是通过检测血液(血清)或尿液中一些生化成分来判定的。如通过血浆维生素A、1,25-(OH)2D3、维生素E、磷酸吡哆醛、红细胞羟乙醛酶活力及核黄素的检测以分别反映机体维生素A、维生素D、维生素B6、维生素B1和维生素B2状况;检测尿中硫胺素、核黄素和吡哆酸以分别反映机体维生素B1、维生素B2和维生素B6。很可惜,这些指标中几乎没一个能够特异而灵敏地反映机体内某种维生素状况,寻找特异而敏感的指标仍然是维生素研究重点内容之一。DDRT-PCR技术为寻找既特异又灵敏的指标带来了希望。通过对正常和某种维生素缺乏的动物组织(血浆或尿液)进行DDRT-PCR技术检测,克隆分析差异表达基因,从中筛选出敏感而特异变化的基因或蛋白作为指标,这会成为维生素研究的一个重要里程碑。
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    (4)发现维生素相关新基因:DDRT-PCR技术的特点之一就是猎取新基因,在维生素研究中也不例外。传统研究发现一种营养相关蛋白(或基因)往往要经过几年或数十年的艰辛研究,硒蛋白P(Se-P)就是一个很好的例证[10],该蛋白从发现(1972)、纯化(1987)到克隆(1991)花费了近20年的时间。而DDRT-PCR技术发现一种新基因(或蛋白)所用的人力物力及时间都明显减少,这种减少的程度简直令人难以置信。如Dietz和Sandel等[2]利用DDRT-PCR技术克隆到视黄酸抑制表达的基因,该基因编码被称为软骨源性敏感蛋白(CD-RAP)的新蛋白; Xu和Henry[6]利用DDRT-PCR技术对维生素D3缺乏与正常的鸡的肾脏和小肠组织进行分析,克隆到一个包含有锚蛋白样重叠、具有组织特异性(仅表达于肾脏)、维生素D3下调的新蛋白。DDRT-PCR技术将成为寻找维生素相关新基因的有利手段。

    (5)DDRT-PCR技术在维生素研究中的应用前景:传统维生素的研究多数限于维生素功效的观察,但对揭示其分子机理显得较为乏术。因为所检测的维生素与某已知基因并不一定具有联系或直接联系。而DDRT-PCR技术将维生素所有相关基因都摆在实验者的眼前,这些基因中既可能有已知的基因也可能发现一些新基因。该技术的应用对阐明维生素的营养学功能及机理具有重大意义。DDRT-PCR技术有着许多其他方法无可比拟的优点,这在其他许多学科,当然也包括维生素研究中的应用已充分显示其优越性。同样该方法存在许多缺点。目前该项技术已被用于评价生长因子对细胞的效应,甚至将其用于研究细胞分化、成熟及衰老过程的分子机制,并利用该方法克隆到一些具有重要价值的未知基因[11-14]。维生素研究中如上所述亦取得了许多可喜的成绩。维生素对基因表达具有调控作用,DDRT-PCR技术的应用将会使寻找维生素直接调控基因这一繁重的科研任务在较短的时间内完成,它为我们指引了一条深入研究维生素功能分子机制的捷径。该技术的应用亦必将为维生素研究开辟一片崭新的天地。当然DDRT-PCR技术在维生素研究中的应用并不仅仅限于以上所述几点,作者相信其在维生素研究领域有着广泛地应用前景。
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    以上的研究资料说明DDRT-PCR技术在维生素研究中的重要地位。现在我们已经拥有一项解决基因调节关键问题的新技术,该技术的广泛应用将为维生素研究带来巨大飞跃。DDRT-PCR技术不只是对特殊维生素功能的验证者,而应是一个预测者或指导者。国外同行已捷足先登,并充分展示了DDRT-PCR技术的巨大潜力。目前国内还未见同类研究,我国学者有必要在这方面进行一些尝试,这为提高我国维生素研究的整体水平将具有重大意义。

    参考文献

    [1]Liang P, Pardee AB. Differential display of eukarotic messenger RNA by means of the polymerase chain reastion. Science, 1992, 257:967-971.

    [2]Dietz UH, Sandel LJ. Cloning of a retinoic acid-sensitive mRNA expressd in carilage and during chondrogensis. J Biol Chem, 1996, 271:3311-3316.
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    [3]White JA, Guo YD, Baetz K, et al. Identification of the retinoic acid-inducible all-trans-retinoic acid 4-hydroxylase. J Biol Chem, 1996, 271:29922-29927.

    [4]Reddy PM, An G, Di YP, et al. Isolation and characterization of nucleolin gene as one of the vitamin A-responsive genes in airway epithelium by a palindromic primer-based mRNA differential display method. Am J Respir Cell Mol Biol, 1996, 15: 398-403.

    [5]Fritsche J, Rehli M, Krause SW, et al. Molecular cloning of a 1alpha, 25-dihydroxyvitamin D3-inducible transcript (DDVit 1) in human blood monocytes. Biochem Biophys Res Commun, 1997, 235: 407-412.
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    [6]Xu J, Henry HL. Tissue-specific regulation by vitamin D3 of a novel protein containing ankyrin-like repeats. Mol Cell Endocrinol, 1997, 126:101-107.

    [7]Schweingruber AM, Dlugonski J, Edenharter E, et al. Thiamine in Schizo-saccaromyces pombe: dephosphorylation, intracellular pool, biosynthesis and transport. Curr Genet, 1991, 19:249-254.

    [8]Allgood VE, Cidlowski JA. Vitamin B6 modulates transcriptional activation by multiple members of the steroid hormone receptor superfamily. J Biol Chem, 1992, 267: 3819-3824.
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    [9]Shin DJ, McGrane MM. Vitamin A regulates genes involved in hepatic gluconeogenesis in mice: phosphoenolpyruvate carboxykinase, fructose-1, 6-bisphosphatase and 6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2, 6-bisphosphatase. J Nutr, 1997, 127: 1274-1278.

    [10]Burk RF ,Hill KE. Selenoprotein P. a selenium-rich extracellular glycoprotein. J Nutr, 1994, 124:1891-1897.

    [11]Rohde M, Warthoe P, Gletting T, et al. The retinoblastoma protein modulates expression of genes codeing for diverse classes of proteins including components of the extracellular matrix. Oncogene, 1996, 12:2393-2401.
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    [12]Shima DT, Saunders KB, Gougos A, et al. Alterationa in gene expression associated with changes in the state of endothelial differentiation. Differentiation, 1995, 58:217-226.

    [13]Welsh J, Rampina N, McClelland M, et al. Nuleic acid fingerprinting by PCR-based methods:applications to problems in aging and mutagensis. Mutation Res, 1995, 338:215-229.

    [14]Linskens MH, Feng J, Andrew WH, et al. Cataloging altered gene expression in young and senescent cells using enhanced differential display. Nucleic Acid Res, 1995, 23:3244-3251.

    收稿日期:1998-08-18, 百拇医药