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ISSN 0582-9879                                          ACTA BIOCHIMICA et BIOPHYSICA SINICA 2003, 35(9): 829-833                                    CN 31-1300/Q

 

XBP-1 Enhances the Transcriptional Activity of Estrogen Receptor α

DING Li-Hua1,2, YE Qi-Nong1*, ZHU Jian-Hua1, YAN Jing-Hua1, ZHONG Hong-Jun1, WANG Zong-Hua2, HUANG Cui-Fen1

( 1Beijing Institute of Biotechnology, Beijing 100850, China; 2College of Life Sciences, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China )

 

Abstract        The estrogen receptor (ERα) is a member of a large superfamily of nuclear receptors that regulates the transcription of estrogen-responsive genes. Several recent studies have demonstrated that human X-box binding protein 1 (XBP-1) mRNA expression is associated with ERα status in breast tumors. More recently, two forms of XBP-1 were identified due to their unique splicing. The two splicing variants of XBP-1 were designated XBP-1S and XBP-1U, respectively. In this study, the coding sequences of XBP-1S and XBP-1U were cloned respectively into the expression vector pcDNA3 harboring FLAG epitope, generating the recombinant plasmids pcDNA3-FLAG-XBP-1S and pcDNA3-FLAG-XBP-1U. Western blot analysis showed that both XBP-1S and XBP-1U were expressed in mammalian cells. To determine the effects of XBP-1S and XBP-1U on the transcriptional activity of ERα, MDA-MB-231 breast cancer cells were cotransfected with the expression vectors for ERα and either pcDNA3-FLAG-XBP-1S or pcDNA3-FLAG-XBP-1U. The results indicated that XBP-1S and XBP-1U enhanced ERα-mediated transcriptional activities in a hormone-independent manner. GST pull-down assay showed that both XBP-1S and XBP-1U interacted with ERα. These data suggest that XBP-1S and XBP-1U may play an important role in breast cancer growth and progression through ERα signaling.

 

Key words     estrogen receptor; X-box binding protein 1; transcriptional activity

 

XBP-1能提高雌激素受体ERα的转录活性

丁丽华1,2      叶棋浓1* 朱建华1   严景华1   钟红君1   王宗华2   黄翠芬1

（1军事医学科学院生物工程研究所， 北京 100850； 2福建农林大学生命科学学院， 福州 350002）

 

摘要      雌激素受体(ERα)是一种核受体， 调节与雌激素有关的基因转录， 在乳腺癌的发生发展过程中具有重要作用。 在乳腺癌中， 人X盒结合蛋白1(XBP-1)与ERα共表达， 并在一些乳腺肿瘤中过表达。 最近发现XBP-1有两种剪切形式， 即XBP-1S和XBP-1U， 但它们在ERα信号途径中的作用还不清楚。 分别将XBP-1S和XBP-1U编码序列克隆至带有FLAG标签的pcDNA3载体中， 构建成pcDNA3-FLAG-XBP-1S和pcDNA3-FLAG-XBP-1U重组质粒。 Western 印迹分析表明， 该两种XBP-1形式在哺乳动物细胞中都得到了表达。 XBP-1的两种剪切形式的重组质粒分别和ERα表达载体共转染乳腺癌细胞MDA-MB-231， 检测该两种剪切形式对ERα转录活性的影响。 结果表明， XBP-1S和XBP-1U以激素不依赖的形式提高ERα的转录活性。 GST沉淀实验表明， XBP-1S和XBP-1U均能与ERα结合。 这些结果提示， XBP-1S和XBP-1U可能通过影响ERα信号途径在乳腺癌的发生发展中起重要作用。

 

关键词 雌激素受体; X盒结合蛋白1（XBP-1）; 转录活性

 

雌激素受体(ERα)基因含有8个外显子， 其编码的蛋白质分A/B、C、D、E和F五个功能区， 包括AF1和AF2两个转录激活结构域。 ERα是一种配体（激素）依赖的转录因子， 配体结合到ERα的配体结合区后， 促使它和另一ERα分子形成二聚体， 该二聚体与靶基因启动子区中的雌激素反应元件（ERE）结合， 在一系列与ERα结合的共激活子和共抑制子作用下， 激活靶基因转录 ［1］。 ERα的激活引发许多生物学效应， 如细胞生长、有丝分裂、程序性死亡［2， 3］等。

人X盒结合蛋白1(X-box binding protein 1， XBP-1)与靶基因启动子序列中的X盒结合， 故称为X盒结合蛋白1。 XBP-1是一个碱性亮氨酸拉链（bzip）蛋白 ［4］， 是CREB/ATF转录因子家族中的一员。 XBP-1在成人组织中广泛存在。 在胚胎期， XBP-1主要在外分泌腺体、成骨细胞、成软骨细胞和肝脏中表达［4， 5］。 在人多骨髓瘤细胞中， XBP-1在恶性浆细胞分化中具有重要作用［6］。 10年前， 科学家们已克隆得到XBP-1［4］， 并一直认为只存在一种形式， 即XBP-1U。 最近发现， 在内质网应激时［7， 8］， XBP-1U mRNA由I型跨膜蛋白激酶/核糖核酸内切酶（type I transmembrane protein kinase/ endoribonuclease,IRE1）剪切产生另外一种形式， 即XBP-1S。 这种新的形式具有很高的转录活性， 激活哺乳动物的未折叠蛋白质应答（UPR）。 这种不规范的剪切形式在XBP-1的165位氨基酸残基处产生移码突变。 因此， XBP-1U和XBP-1S分别由260和376个氨基酸组成， N端具有相同的bzip结构域。

基因芯片和SAGE技术表明， 在乳腺癌中， ERα与XBP-1共表达［9～14］， 在一些乳腺肿瘤中， XBP-1 mRNA表达水平上升。 由于ERα在乳腺癌的发生、发展中具有重要作用， 因此研究XBP-1对ERα转录活性的影响可能为乳腺癌的治疗提供新的治疗靶标。 本实验克隆得到了XBP-1的两种剪切形式， 检测了这两种剪切形式对ERα转录活性的影响， 为进一步研究XBP-1和ERα在乳腺癌中的作用打下了基础。

 

1 材料和方法(Materials and Methods)

1.1 质粒和细胞株

pERE-LUC质粒， 为含雌激素反应元件（ERE）的荧光素酶报告基因， 由TSAI Ming-jer博士（Baylor College of Medicine）赠送。 人ERα表达载体pcDNA3-ER根据文献［15］的方法构建。 乳腺癌细胞株MDA-MB-231由LEDER Philip 和 ZHOU Fen博士（Harvard Medical School）赠送。 SV40转化的293T肾细胞由本室保存。

1.2 细胞和细胞培养

293T 和MDA-MB-231细胞分别采用含10%胎牛血清的RPMI1640和DMEM培养基于37 ℃、5%CO2培养箱内常规培养。
1.3 抗体

抗FLAG的单克隆抗体购自Sigma公司。 辣根过氧化物酶偶联的羊抗鼠IgG购自Vector公司。
1.4 分子生物学试剂

各种分子生物学试剂分别购自NEB、Qiagen、Vector及Invitrogen等公司。
1.5 重组质粒的构建

分别构建pcDNA3-FLAG-XBP-1S和pcDNA3-FLAG-XBP-1U重组质粒。 以卵巢双杂交cDNA文库(Clontech公司产品)为模板， 以P1(5′-CGGGATCCATGGTGGTGGTGGCAG-3′)和P2(5′-CCGCTC-GAGTTAGACACTAATCAGCTGG-3′)为引物， PCR扩增XBP-1S。 以BamHI和XhoI双酶切PCR产物， 将PCR产物插入到同样双酶切的pcDNA3-FLAG载体中， 即得重组质粒pcDNA3-FLAG-XBP-1S。 为克隆XBP-1U， 首先利用重组PCR技术获得XBP-1U的全长编码区序列。 即以P3(5′-CGGGATCCATGGTGGTGGTGGCAGCCG-3′)和P4(5′-CACCTGCTGCAGAGGTGCACGTAGTCTGAGTGCTGCGGACTCAG-CAG-3′)为引物， 以pcDNA3-FLAG-XBP-1S为模板， PCR扩增XBP-1U片段1， 以P5(5′-CTACGTGCACCTCTGCAGCAGGTGCAGGCCCAGTTGTCAC-3′)和P6(5′-CCGCTCGAGTTAGTTCATTAATGGCTTCCAG-3′)为引物， 以pcDNA3-FLAG-XBP-1S为模板， PCR扩增XBP-1U片段2。 再以P3和P6为引物， 以片段1和2为模板， PCR扩增XBP-1U全长编码区序列。 PCR产物经BamHI和XhoI双酶切后连接到经同样酶切的pcDNA3-FLAG载体中， 即得到重组质粒pcDNA3-FLAG-XBP-1U。

上述克隆所用PCR扩增条件均为: 94 ℃变性1 min后， 按以下参数进行25次循环：94 ℃变性1 min， 55 ℃复性1 min， 72 ℃延伸2 min。 最后72 ℃延伸7 min。 PCR扩增所用酶为目前保真度最高的pfu DNA聚合酶。 所有重组质粒经T7和SP6通用引物测序。
1.6 哺乳动物细胞的转染

在转染前24 h， 用含100 g/L葡聚糖包裹的活性碳（DCC）处理的胎牛血清和无酚红的RPMI1640培养基将细胞接种在12孔板中(Costar公司产品)。 接种细胞密度以转染时细胞密度达90%为准。 将总量为1.0 μg DNA与80 μl RPMI1640培养基混合， 再将2.5 μl LipofectamineTM2000与80 μl RPMI1640培养基混合， 然后将上述两种溶液混合， 室温放置20 min， 加入到含有800 μl RPMI1640和10%胎牛血清的12孔板中。 转染4 h后加10 nmol/L雌激素（溶于无水乙醇中）， 对照加无水乙醇。
1.7 Western 印迹分析

293T细胞转染24 h后， 收集细胞， 加入SDS加样缓冲液， 煮沸10 min， 离心后取上清液进行SDS-PAGE， 电泳结束后转移至硝酸纤维素膜上， 用50 g/L脱脂奶粉4 ℃封闭过夜， 然后用50 g/L脱脂奶粉稀释的抗FLAG单克隆抗体室温轻摇1 h， TBST洗膜3次， 每次7 min， 加入用50 g/L脱脂奶粉稀释的辣根过氧化物酶偶联的羊抗鼠IgG， 室温轻摇1 h， TBST洗膜3次， 每次7 min， 用鲁米诺（luminol）和过氧化物（peroxide）(Pierce公司)各1 ml混匀,加到硝酸纤维素膜上反应5 min， 压片显影。
1.8 荧光素酶和β-半乳糖苷酶活性测定

荧光素酶活性测定基本按Promega公司说明书进行。 雌激素或无水乙醇处理转染细胞24 h后， 吸掉培养基， 用PBS洗1次， 加入160 μl 裂解缓冲液， 室温轻摇15 min， 刮下细胞， 收集到1.5 ml离心管中， 震荡5 min， 4 ℃， 12 000 r/min离心3 min， 收集上清液， 取10 μl用荧光计测量荧光素酶活性。
用ONPG测β-半乳糖苷酶活性。 上述50 μl上清液与450 μl Z缓冲液/β-巯基乙醇溶液混合， 加入100 μl ONPG， 30 ℃温育， 直到出现浅黄色为止， 加入250 μl浓度为1 mol/L Na2CO3终止颜色反应， 在波长420 nm下测定样品A值。
1.9 ERα转录活性的测定

MDA-MB-231细胞转染4 h后， 加10 nmol/L雌激素（溶于无水乙醇中）， 对照加无水乙醇。 24 h后,利用荧光素酶测定ERα转录活性。 每一转染实验中， 同时转染荧光素酶报告基因ERE-LUC(0.2 μg)﹑表达β-半乳糖苷酶的质粒(0.1 μg)、ERα表达载体和XBP-1两种不同剪切形式的重组质粒。 β-半乳糖苷酶报告基因用于校正细胞转染效率。 转录激活活性为细胞转染效率校正后的荧光素酶活性。
1.10 GST-ERα融合蛋白在大肠杆菌中的表达

将表达谷胱甘肽S转移酶-ERα（GST-ERα）融合蛋白的重组质粒pGST-ERα (由本室保存)和表达GST的空载体pGEX-KG（Pharmacia公司）转化到大肠杆菌DH5α中。 转化子37 ℃振荡过夜,再按2 %的接种量转接， 30 ℃培养6 h后， 加入IPTG至终浓度为0.1 mmol/L， 20 ℃继续诱导培养过夜。 收集上述诱导菌， 基本按Pharmacia公司说明书进行， 利用谷胱甘肽可结合GST的特点， 用谷胱甘肽-Sepharose 4B小颗粒纯化GST融合蛋白。 即按10∶1的比例加入细胞裂解液， 超声破碎， 离心收集上清液， 加入适量谷胱甘肽-Sepharose 4B小颗粒， 结合3 h。 再收集谷胱甘肽-Sepharose 4B小颗粒， 充分洗脱未结合蛋白质后， 即得到结合有GST-ERα融合蛋白或GST蛋白的谷胱甘肽-Sepharose 4B小颗粒。
1.11 GST沉淀（pull-down）实验

按Promega公司说明书进行体外翻译。 取40 μl TnT T7 Quick master Mix， 2 μl ［35S］-甲硫氨酸, 2 μg pcDNA3-FLAG-XBP-1S和pcDNA3-FLAG-XBP-1U重组质粒， 加水至总体积50 μl， 混合后30 ℃水浴1 h， 得到35S标记蛋白质XBP-1S和XBP-1U。 在0.5 ml结合缓冲液（50 mmol/L Tris-HCl pH 7.5, 150 mmol/L NaCl, 1 mmol/L EDTA, 0.3 mmol/L DTT, 0.1% NP-40及蛋白酶抑制剂）中加入上述同位素标记蛋白质和10 μl 结合有GST-ERα融合蛋白或GST蛋白的Sepharose 4B小颗粒在4 ℃下反应过夜。 用上述结合缓冲液洗涤小颗粒4次， 每次30 min。 用15 μl SDS加样缓冲液煮沸洗涤后的小颗粒进行SDS-PAGE， 放射自显影检测与ERα结合的蛋白质。
1.12 统计学分析

用双尾t检验计算P值。

 

2 结果(Results)

2.1XBP-1两种剪切形式重组质粒的构建

为了构建XBP-1表达载体， 分别将XBP-1S和XBP-1U全长编码区序列克隆到带有FLAG标签的pcDNA3载体中。 按材料和方法中所述构建XBP-1两种剪切形式的重组质粒pcDNA3-FLAG-XBP-1S和pcDNA3-FLAG-XBP-1U。 经BamHI和XhoI酶切鉴定， 分别得到约1100 bp和780 bp的外源DNA插入片段(图1)， 而空载体pcDNA3-FLAG经同样酶切后无插入片段， 说明克隆成功。 重组质粒经序列测定证明， XBP-1S和XBP-1U编码区序列完全正确（数据略）。

 

Fig.1 Restriction analysis of recombinant plasmids

All of the recombinant plasmids were digested with BamHI and XhoI. M, DNA marker; 1, pcDNA3-FLAG; 2, pcDNA3-FLAG-XBP-1S； 3, pcDNA-FLAG-XBP-1U.

 

2.2 XBP-1两种剪切形式在哺乳动物细胞中的表达

如材料和方法中所述， 空载体、pcDNA3-FLAG-XBP-1S和pcDNA3-FLAG-XBP-1U重组质粒分别转染293T细胞， 收集细胞总蛋白质进行SDS-PAGE， 用FLAG抗体进行Western 印迹分析。 结果表明（图2）， pcDNA3-FLAG-XBP-1S在真核细胞中表达了分子量约50 kD的蛋白质， pcDNA3-FLAG-XBP-1U表达了分子量约35 kD的蛋白质， 而空载体无蛋白质条带， 与预期结果相同。

 

Fig.2 Western blotting showing XBP-1S and XBP-1U protein levels in 293T cells

Whole-cell extracts were prepared, and equivalent amounts of each extract were probed with anti-FLAG antibody.1, 293T cells were transfected with 0.5 μg pcDNA3; 2, 293T cells were transfected with 0.5 μg expression vector XBP-1S; 3, 293T cells were transfected with 0.5 μg expression vector XBP-1U.

 

Fig.3 XBP-1S and XBP-1U enhance ERα -mediated transcription activation in MDA-MB-231 cells

Cells were cotransfected with 0.2 μg of ERE-LUC, 50 ng of the expression plasmid for ERα, 0.1 μg β-gal expression vector and 0.5 μg expression vectors for either XBP-1S or XBP-1U as indicated. Cells were then treated with control vehicle (0.1% ethanol) or 10 nmol/L 17β-estradiol (E2) for 24 h before luciferase assay. The LUC activity obtained on transfection of ERE-LUC and ERα without exogenous XBP-1S and XBP-1U in the absence of E2 was set as 1. Results are expressed as ± s for three independent experiments.

 

2.3 转录活性的测定

利用ERα能与ERE一致序列结合的特点， 选用含雌激素反应元件的荧光素酶（ERE-LUC）作为报告基因， 通过检测荧光素酶活性测定ERα的转录激活功能。 如图3所示， 在乳腺癌细胞MDA-MB-231中， 与空载体比较， 在不存在雌激素情况下， 转染pcDNA3-FLAG-XBP-1S和 pcDNA3-FLAG-XBP-1U细胞的ERE-LUC活性分别约为转染空载体时的3.0倍（P<0.05）和1.5倍（P<0.05）。 在雌激素E2诱导下， pcDNA3-FLAG-XBP-1S和 pcDNA3-FLAG-XBP-1U使ERE-LUC活性分别增加到约11倍和6倍， 而空载体pcDNA3-FLAG在同样条件下的ERE-LUC活性只为5.2倍（P<0.05）。 因此， 不管有无激素存在， XBP-1S和XBP-1U均能使ERα的活性提高。
2.4 ERα分别与XBP-1S和XBP-1U的相互作用

利用体外转录和翻译偶联的方法， XBP-1S和XBP-1U得到了成功翻译和35S标记（图4， input）。 将GST-ERα纯化蛋白或GST分别与XBP-1S和XBP-1U混合后进行GST沉淀（pull-down）实验。 结果表明（图4）， XBP-1S和XBP-1U均能与GST-ERα结合， 而阴性对照GST不能结合XBP-1S和XBP-1U， 说明XBP-1S和XBP-1U能特异结合ERα。

Fig.4 Interaction of XBP-1S and XBP-1U with ERα in vitro

GST pull-down assay was performed as described under “Materials and Methods”. Full-length GST-ERα fusion proteins, immobilized on beads, were mixed with in vitro translation reaction mixtures of XBP-1S or XBP-1U as indicated. The bound proteins were subjected to SDS-polyacrylamide gel electrophoresis followed by autoradiography. 1, 10% input; 2, GST; 3, GST-ERα; 4, 10% input; 5, GST; 6, GST-ERα.

 

3 讨论(Discussion)

基因芯片和SAGE技术表明， 在乳腺癌中， XBP-1与ERα共表达［9～14］， 在一些乳腺肿瘤中过度表达［16］， 但XBP-1在ERα信号途径中的作用还不清楚。 我们发现， XBP-1能提高ERα的转录活性。

ERα调节靶基因的表达需要配体的结合、磷酸化、共辅助因子的相互作用［17～20］。 已经发现ERα与许多共辅助因子相互作用， 包括共激活子和共�