2015年4月 中国比较医学杂志 CHINESE JOURNAL OF COMPARATIVE MEDICINE April,2015 V01.25 NO.4 第25卷第4期 应用TALEN技术敲除gata4基因建立 斑马鱼先天性心脏病模型 刘 静 ,何嘉玲 ,暴 国 ,李 楠 ,王天奇 ,张长勇 ,孙德明 (1.北京协和医学院研究生院,北京100730;2.国家卫生计生委科学技术研究所,北京100081) 【摘要】 目的人工构建TALEN靶向敲除载体敲除gata4基因,建立斑马鱼先天性心脏病动物模型。方法 采用单元组装法构建靶向敲除gata4基因的载体,将其体外转录成TALEN mRNAs,通过显微注射的方式注入 单细胞期受精卵中,胚胎检测TALEN的敲除效率,再通过剪尾、酶切、测序筛选发生基因突变的斑马鱼及突变的类 型。 结果酶切、测序结果证实成功构建出正确的gata4靶向敲除载体,注入斑马鱼受精卵中,发生基因敲除的 效率为35.18%,通过剪尾、PCR、酶切检测成功地筛选出了发生基因突变的斑马鱼,测序结果显示出不同种类的 gata4基因突变。 结论成功构建gata4基因敲除的斑马鱼动物模型,为进一步研究人类gata4基因突变引起先 天性心脏病的发病机制提供了良好的动物模型。 【关键词】TALEN;gata4基因;斑马鱼;模型,动物;先天性心脏病 【中图分类号】R33 【文献标识码】A 【文章编号】1671-7856《2015)04-0001-07 doi:10.3969.j.issn.1671.7856.2015.004.001 Knockout gata4 gene and establish ment of a zebrafish model of congenital heart disease by TALEN LIU Jing‘' ,HE Jia—ling ,BAO Guo ,LI Nan ,WANG Tian—qi ,ZHANG Chang.yong ,SUN De—ming (1.Graduate School of Peking Union Medical College,Beijing 100730,China; 2.National Research Institute for Family Planning,Beijing 100081,China) 【Abstract】 0bjective To establish a gata4 gene knockout zebrafish model of congenital heart disease,and construct transcription activator—like effector nuelease(TALEN)vectors targeting gatoA gene.Method We constuctr TALEN vectors targeting zabrafish gata4 gene using unit assembly method and the in vitro—transcribed TALEN mRNAs were microinjected into one—cell stage zebrafish embryos.The efficiency of TALEN was identiifed by injected embryos,and mutations of zebrafish were screened and confirmed the different types through PCR and enzyme digestion.Results We successfully constructed correct targeting vectors by enzyme digestion and sequencing,and the gene knockout eficifency was 35.18%.We screened the mutant zebrafish and confirmed different types of gata4 gene mutations.Conclusions A gata4 knockout zebrafish model is successfully established,it can provide a good animal model for further research of congenital head diseases. 【Key words】TALEN;gata4 gene;Zebraifsh;Model,animal;Congenital heatr disease 【基金项目]级公益性科研院所基本科研业务专项资金项目・优秀青年科技人才创业基金项目(编号:2012GJSSJKC02);国家十二五科 技支撑计划计划生育技术安全性评价标准化实验动物培育关键性共享技术研究项目(编号:2012BA131B06)。 [作者简介】刘静(1988一),女,硕士研究生,研究方向:动物学。Email:864913436@qq.com。 [通讯作者】孙德明(1958一),男,研究员,博士,研究方向:比较生殖医学。Email:sundemingnet@163.corn。 2 中国比较医学杂志2015年4月第25卷第4期Chin J Comp Med,April 2015,Vo1 25.No.4 先天性心脏病(congenital heart disease,CHD) 用的近交系品种 。 1.2 质粒 是由于胚胎发育过程中心脏、血管发育异常而导致 心脏、血管在形态、结构 功能和代谢方面发生异常 的一大类疾病,是人类极为普遍和具有破坏性的出 TALE基本单元模块载体质粒及pCS2一Fok I表 达载体质粒:均为氨苄青霉素(Amp)抗性,而表达 载体质粒需成对使用(pCS2-PEAS系列和pCS2一 生缺陷,发病率约占活产婴儿的0.8% ,严重危害 胎儿、新生儿、婴幼儿及儿童健康。目前认为该病 PERR系列配对),由本实验室保存。质粒由北京大 学生命科学院细胞增殖与分化实验室构建并 馈赠 。 1.3 引物 的病因包括环境和遗传两个主要因素,约120种单 基因被鉴定与先天性心脏病的发生有关。作为一 种多因素疾病,其病因和发病机制尚未完全阐明。 因此通过反向遗传学手段,建立先天性心脏病的基 实验过程中需要使用的引物见表1,包括扩增 因敲除动物模型,探索该病的致病机制具有重要意 义。斑马鱼的基因组与人类基因组相似度达87%, gata4基因和构建和检测TALEN载体时所需的引 物。引物由北京诺塞基因组研究中心有限公司 合成。 1.4主要试剂 结构上具有与人类相似的心房、心室、心脏瓣膜结 构以及心脏传导系统 ,且斑马鱼体积小、易于饲 养、胚胎透明易于观察、体外受精、产卵能力强、有 利于进行遗传操作,是构建先天性心脏病的理想动 物模型。 ‘ Takara性内切酶:Spe I、Nhe l、Hind llI、Sac II、Hae II。 试剂盒:质粒小提试剂盒、普通琼脂糖凝胶 DNA回收试剂盒、普通DNA产物纯化试剂盒、DNA 基因敲除技术的传统方法是基于胚胎干细胞 技术和同源重组技术,但是这种方法效率极低、过 程繁琐,且对于像斑马鱼这种无法建立胚胎干细胞 系的物种无法实施 。TALEN(transcription 连接试剂盒、T载体试剂盒、SP6 mMESSAGE mMACHINE Kit、2×Taq Master Mix(不含染料)、碱 性磷酸酶(CIAP)、50 mM NaOH、1 M Tris—HC1(pH 8.0)、70%乙醇、超纯水(双蒸水,18 MI2) 2 方法 activator.1ike effe:ctor nuclease)技术是类转录激活因 子效应物核酸酶介导的靶向修饰技术,通过组装蛋 白模块识别靶序列,每两个氨基酸即可识别一个碱 基,实现了对基因组的任意编辑,是先进的基因编 辑技术。目前缺乏TALEN技术用于斑马鱼研究先 天性心脏病的相关基因的功能。 2.1斑马鱼饲养与繁殖 野生型斑马鱼饲养于自动水循环系统中,温度 稳定在28.5±0.5℃,pH 7.2~7.5,每日固定光照 时间14 h ,喂食新鲜孵化的丰年虾。刚刚孵化的 斑马鱼不需喂食,第5天后开始喂食草履虫,两周后 锌指转录因子4(gata4)是gata转录因子家族的 一员,具有与特定DNA结合的锌指结构域,在进化过 程中高度保守,同时在心脏发育过程中起重要作用。 研究表明,gata4与其他的转录因子一起心肌中 一开始喂食丰年虾,3个月左右可性成熟。繁殖时,交 配前一晚放入配鱼缸内,雌鱼与雄鱼之间用挡板隔 些特异基因的表达,对心肌细胞的形成以及心前细 开;第二天早上,将中间的挡板抽出,可观察到追尾 现象,大约30 min后可以开始收集斑马鱼受精卵。 2.2 TALEN敲除载体的构建 胞的迁移和分化、心瓣膜及间隔发育等具有重要作 用。gata4基因突变会导致动物和人出现心脏发育异 常,形态学上以瓣膜缺损为主要表现 。目前尚无较 好的动物模型适用于机制研究,因此本研究采用 TALEN技术对斑马鱼的gata4基因进行敲除,建立斑 2.2.1斑马鱼gata4基因的提取与靶点选择:采川 简易DNA提取法提取斑马鱼鱼尾或胚胎的基因组 DNA。过程如下:将鱼尾或胚胎(2O条鱼尾或20个 胚胎)吸到PCR管中,每管加入20 L 50 mM NaOH 溶液;使用PCR仪加热裂解,程序:95oC 10 min,4 10 min,取出后vortex振荡均匀,重复一次;加人 马鱼先天性心脏病动物模型,为先天性心脏病的遗传 基础研究提供重要的动物模型。 1 材料 1.1实验动物 2 L体积1 M Tris(pH 8.0)混匀即为提取的基因 组DNA。 本实验选取AB系野生型斑马鱼,为实验室常 斑马鱼gata4基因定位于第20号染色体上,结 中国比较医学杂志2015年4月第25卷第4期Chin J Comp Med,April 2015,Vo1.25.No.4 7 载体采用的是单元组装法,是北京大学细胞增殖与 随机的NHEJ修复,这符合文献中的报道 。胚胎 及鱼尾基因组PCR、酶切、测序分析均证明了 TALEN在斑马鱼体内发挥了作用,实现了对斑马鱼 gata4基因结构的改变。这说明本研究中针对gata4 分化教育部重点实验室建立的一种合成TALE重复 单元的方法 ,这种方法简单、技术难度低、精确度 高、保真性好、成本较低、便于操作。但是,与最新 的CRISPER/Cas9技术相比,构建载体的过程繁琐、 基因第一外显子构建的TALEN敲除载体是可行的 且构建出了gata4基因敲除的斑马鱼动物模型。本 费时、费力。今后构建其他基因敲除动物模型时, 可以考虑使用CRISPER/Cas9技术。 有研究表明,先天性心脏病的发生与gata4基 因突变有关¨ 。目前尚无较好的动物模型用于先 研究只是初步构建出了针对gata4基因第一外显子 的靶向敲除载体,并确认了其在体内的活性及造成 的基因敲除效果,并筛选出了19条含有突变的斑马 天性心脏病的机制研究。相比于其他动物,斑马鱼 有着独特的优势:斑马鱼发育早期可以不完全依赖 于有功能的心血管系统,甚至在最为严重的心血管 系统缺失情况下,仍能通过对氧的被动运输能短时 间存活¨ ,这一特点为研究者获得发育早期胚胎突 变体,观察心脏发育相关基因缺陷型胚胎,研究心 血管发育严重缺陷的活体提供可能;斑马鱼胚胎透 明,可以动态地观察到整个心脏发育过程及血液循 环情况,使得斑马鱼成为先天性心脏病研究的理想 动物模型。 本研究发现,基因敲除的效率随着TALEN mRNAs的注射浓度的增加而升高。当TALEN mRNAs的注射浓度为200 pg/nL时,胚胎基因组电 泳图中并没有发现明显的未切开条带,推测原因可 能是mRNAs的浓度太低,细胞内存在大量降解外源 mRNA的核酸酶,注射的TALEN mRNAs进入细胞 后还没有来得及发挥识别、切断基因组DNA的作用 就被细胞内的RNA核酶降解了;当注射浓度为300 pg/nL时,胚胎基因组鉴定发现明显的未切开条带 并对其进行测序分析后,证实了TALEN mRNAs确 实发挥了作用,改变了gata4基因的序列,发生基因 敲除的效率为32.65%;当注射浓度为400 pg/nL 时,24 dpf后发现注射后的胚胎大部分死亡,少数存 活的胚胎出现发育畸形、甚至不能脱膜孵化成幼 鱼,孵化率较低,推测原因可能是注射mRNAs的浓 度越高,发挥敲除作用的效率越高,对细胞的毒性 就越高,使胚胎无法存活。所以在注射时应该提高 TALEN突变效率的同时兼顾胚胎的存活率。筛选 斑马鱼TALEN突变体时,总共剪取54条注射过的 斑马鱼,其中gata4基因发生改变的斑马鱼有19 条,敲除效率为35.18%,这与注射后胚胎检测 TALEN的效率大致相同。对发生基因敲除的斑马 鱼gata4基因进行测序分析,发现TALEN敲除后产 生了不同的基因型,说明细胞DNA损伤后采用的是 鱼,但是还需要大量的外交、内交来筛选含有靶点 突变的纯合子斑马鱼、对不同突变基因型的斑马鱼 进行表型分析、gata4基因标志物检测、病理切片检 查等。本研究中构建出的gata4基因敲除斑马鱼模 型可以用于先天性心脏病的发病机制研究、进一步 为疾病的治疗奠定基础。[ [ [ [ [ l 2 3 4 5 参考文献:] ] ] 】 ] Pierpont ME,Craig T,Basson D,et a1.Genetic basis for congenital heart defects:Current knowledge. 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