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Cloning
and Characterization of a Novel Cardiac-specific Kinase Gene p93 Related to
Sarcomere
MENG Xian-Min*, ZHAO Yong, WEI Ying-Jie,
CAO Hui-Qing, ZHAO Xiu-Wen, LIU Dong-Qing, SHI Na, DING Jin-Feng
( Molecular Medicine Center,
Cardiovascular Institute & Fuwai Hospital, Chinese Academy of Medical
Sciences & Peking Union Medical College, Beijing 100037, China )
Abstract Myocyte’s
contraction is regulated by signal transduction pathway composed with many
protein factors, but the definite mechanism is still uncertain. A novel
cardiac-specific kinase gene which participates in regulation of signal
transduction, p93 named, was cloned from adult heart cDNA library. p93, coding
a family member of MAPKKK, localized on 1p31.1 based on bioinformatics
analyses. Northern blot and 76-tissue array analyses determined that p93 was
merely expressed in heart, but was undetectable in other tissues.
Immunohistochemical study showed that p93 predominantly localized in the
nucleus of cardiac myocytes. In vitro kinase assay indicated that p93 was a
functional kinase capable of autophosphorylation. p93 could directly interact
with cardiac troponin I by yeast two-hybrid system assessed utilizing bait
plasmid containing p93 C-terminus (733-835
aa) and results were further confirmed by co-immunoprecipitation in vivo. Our
data suggest that p93 is a cardiac-specific kinase and may play important role
in regulation of sarcomeric contraction protein with signal transduction
pathway similar ILK.
Key
words p93 gene cloning;
cardiac-specific kinase; sarcomere; cardiac Troponin
________________________________________________
Received:
September 25, 2003 Accepted:
October 30, 2003
This
work was supported by the grants from the National Natural Science Foundation of
China (No. 30070313, No. 30270557) and the Major Programs of the Science and
Technique of Beijing (No. H020220020310)
*
Corresponding author: Tel, 86-10-68314466-8069; e-mail, [email protected]
心肌特异表达的肌小节相关激酶基因p93的克隆与鉴定
孟宪敏* 赵勇 魏英杰 曹慧青 赵秀文 刘冬青 时娜 丁金凤
( 中国医学科学院中国协和医科大学阜外心血管病医院分子医学中心, 北京
100037 )
摘要 心肌收缩受到由蛋白质因子构成的信号转导通路的调控, 但确切机制尚未完全明了。
从人心脏cDNA文库中克隆到心肌特异表达的可能参与信号转导调控的新基因, 命名为p93基因。 该基因定位于 1p31.1, 属于MAPKKKs家族的相近亚家族。 Northern 印迹及含76种组织的点杂交显示了p93仅在心肌组织中表达;免疫组化表明它主要定位于成人与胎儿的心肌细胞核, 胞液次之;体外激酶活性实验证明野生型p93是一个可以进行自我磷酸化的功能性激酶分子; 以该基因C端为诱饵质粒的酵母双杂交筛选表明, p93主要与心肌肌钙蛋白I(cTnI)等与收缩有关的肌小节蛋白发生相互作用, 并以免疫共沉淀实验得到了验证。 推测p93可能通过激酶信号转导通路的方式参与对肌小节收缩蛋白的调节。
关键词 p93基因克隆; 心肌特异激酶; 肌小节;
心肌肌钙蛋白I
肌小节作为心肌收缩的基本结构单位, 在各种心血管病的发病机制中有着重要的作用[1,2]。
研究表明机体存在一种对肌小节致病信号的共同调节通路[3], 因此, 寻找、 鉴定这一共同通路的信号转导分子无疑将有助于阐明各种与肌小节相关疾病的发病机制。
本研究在构建正常成人主动脉和心脏cDNA文库并进行大规模ESTs测序的基础上[4,5], 发现了一个心肌特异表达的、可能与细胞骨架调节信号转导通路相关的新激酶基因。 因为这个基因表达产物分子量为93 kD, 将其命名为p93。
以p93的C和N末端为诱饵, 运用酵母双杂交筛选预转化的人心脏cDNA文库, 结果发现p93能与心肌肌钙蛋白I(cardiac troponin I, cTnI)、心肌肌动蛋白(α-actin)等一系列肌小节收缩调节蛋白发生相互作用。
提示p93作为一个心肌特异的激酶, 可能通过一种尚不十分肯定的信号转导通路参与了对肌小节收缩蛋白的调控, 这为探讨结构性心脏病(主要指家族性肥厚性心肌病和扩张性心肌病)的发病机制提供了新的重要线索。
1 材料和方法(Materials
and Methods)
1.1 试剂
各种限制性内切酶、
T4连接酶、 逆转录酶、
PfuTurboTM DNA聚合酶等均为 Promega或Gibco BRL产品。 原核载体pGEX-5X-1购自Amersham
Pharmacia公司; 真核表达载体pcDNA4购自Invitrogen公司; pcDNA6-FLAG为中国医学科学院缪时英教授惠赠; pSecTag为北京大学医学部汤健教授惠赠; 酵母质粒pGBKT7为本院生化研究室姜立群博士惠赠。
随机引物试剂盒购自Promega公司, 转染试剂LipofectAMINE购自Gibco BRL公司,
不含EDTA的完全性蛋白酶抑制剂混合物(complete, mini, EDTA-free protease
inhibitor cocktail tablets)购自Roche公司, 6×His
ProBondTM resin蛋白质纯化试剂盒购自Invitrogen公司, 8种成人组织的Northern
印迹杂交膜MTNTM和76种组织的点阵杂交膜MTETM、
酵母预转化人心脏cDNA文库购自Clontech公司,
免疫组化试剂抗体稀释液及PictureTM工作液购自美国Zymed公司。 抗FLAG单克隆抗体、 抗Xpress单克隆抗体和ECL
Plus蛋白质检测试剂盒分别购自Sigma、 Invitrogen 和Amersham Pharmacia公司。
1.2 文库的构建和测定方法
正常成人心脏cDNA文库的构建、 EST(expressed
sequence tag)序列测定、 将含有新表达序列标签克隆的文库ZAP 噬菌体环化成pBK-CMV质粒和全序列测定见参考文献[5] 。
1.3 生物信息学分析
采用美国国立生物技术信息中心(NCBI)BLAST软件进行EST测序结果的同源性比较,
GenBank数据库(Release 129.0)进行核酸分析, 从中确定p93基因cDNA全长为3019
bp, 编码835个氨基酸, 该序列已被GenBank数据库收录, 登录号为AF116826。
通过查询SWISS-PROT(Release 39.22)、 TrEMBL(Release 17.0)和OMIM作进一步分析。 氨基酸序列多重排列采用Clustal X软件。 种系发生分析采用PHYLIP(version 3.57c)软件。 结构域分析采用瑞士专家蛋白质分析系统(ExPASy)的PROSITE数据库(Release
17.0)和EMBL的SMART软件(version
3.3)。 基因染色体定位通过查询UniGene获得。 PCR引物设计采用Informax
Inc.的Vector NTITM Suite软件包。 种系发生分析采用PHYLIP (phylogeny inference
package, version 3.57c)软件包中的最大节约方法。
1.4 p93基因的组织表达谱分析
提取8个月流产的正常胎儿心脏、 骨骼肌、 肾、
肝、 肺、 脑6种组织的总RNA,
经甲醛变性胶电泳、 转膜,
用经 PCR得到的p93读码框序列为探针,
以随机引物试剂盒标记, 按常规方法进行Northern 印迹。 对购买的8种成人组织杂交膜的Northern
印迹, 按说明书进行操作。 为确认p93的组织特异性分布, 又用含76种组织的杂交膜MTETM进行了多组织点阵分布分析。
1.5 多克隆抗体的制备及鉴定
为进行原核表达,
以环化的含有p93的文库pBK-CMV质粒为模板,
将p93全编码框克隆入原核表达载体pGEX-5X-1。 经测序验证读码框正确无误后, 将构建子pGEX-5X-1/p93导入大肠杆菌BL21中,
其表达的蛋白质用于检测核酸免疫法制备的多克隆抗体的效价及特异性。
用BamHI和EcoRI双酶切将p93编码框从载体pGEX-5X-1中切出。 将该编码框直接亚克隆至真核表达载体pSecTag, 构建成pSecTag/p93。 采用碱裂解法大量提取质粒约3 mg, 经PEG纯化。 在电针介导下直接将质粒注射入家兔腿部肌肉, 每次间隔约两周, 共免疫三次。 经Western 印迹验证显示,
免疫后的家兔血清中出现与93 kD相对应的免疫条带, 而免疫前的血清中无相应条带。
将该抗体用于免疫组化分析。
1.6 免疫组化
取8个月流产胎儿及猝死的正常成人心肌组织, 按常规法制备石蜡切片。 置切片于3%
H2O2中10 min, 灭活内源性过氧化物酶。 采用双暴露法进行抗原修复,
切片先用柠檬酸修复液(pH 8.0)于微波炉煮3 min, 降至室温后,
再用0.1% 胰蛋白酶消化30 min。 10%血清封闭。 以二步法进行抗体标记,
用抗体稀释液以1∶20稀释p93多抗, 覆盖切片,
4 ℃培育过夜后直接加二抗、 三抗混合的PictureTM工作液, 室温培育1
h, 行DAB染色8~10
min。 以苏木素浅染细胞核,
脱水, 封片。
1.7 蛋白激酶活性的体外分析
先以BamHI和EcoRI双酶切将p93编码框从载体pGEX-5X-1中切出,
亚克隆至带有6×His和
XpressTM表位标签的真核表达载体pcDNA4中(以pcDNA4/p93表示)。 然后进行p93的点突变及其载体构建。
p93具有典型的激酶结构域, 该结构域位于1437~2226
bp, 氨基酸残基463~725位,
其中464~473 aa处为蛋白激酶ATP结合位点。 为检测其激酶活性, 采用重叠延伸点突变PCR法[6]
, 对位于1520 bp处的核苷酸A点突变为G,
从而使原来编码赖氨酸(lysine,K)的三联密码子AAA突变为编码精氨酸(arginine,R)的AGA (K490→R)。
将突变后的p93亚克隆至pcDNA4载体(以pcDNA4/
p93mut表示)。
分别将空载体pcDNA4、 pcDNA4/p93和pcDNA4/p93mut以LipofectAMINE试剂瞬时转染COS-7细胞,
2~3天后, 用胰酶消化,
离心, 收集细胞。 每106~107个细胞用1
mL冰预冷的1×结合细胞缓冲液(0.5 mol/L NaCl, 20 mmol/L Tris-HCl, pH
7.9、 5 mmol/L 咪唑)漂洗两次, 再溶于1
mL裂解液(0.5 mol/L NaCl、 20 mmol/L Tris-HCl、 pH 7.9、
5 mmol/L 咪唑、 10%甘油、 1%Triton X-100, 不含EDTA的完全性蛋白酶抑制剂混合物一片、 1 mmol/L PMSF、
5 mmol/L β–巯基乙醇)。 将裂解的细胞液4 ℃放置30 min后离心
(10 000 g×30 min), 弃细胞破碎物, 取上清液。 利用pcDNA4载体的6×His表位标签,
以50%的ProBondTM resin悬液对上清液进行洗脱, 得到纯化的蛋白质。
体外激酶活性分析的实验设计基于蛋白质磷酸化理论: 具有激酶活性的蛋白质,
可将ATP分子上的一个磷酸根转移到其本身, 实现自我磷酸化。 用同位素将ATP的γ位磷酸根标记,
磷酸化后的蛋白质再进行抗Xpress抗体印迹, 经放射自显影后便可在其相应位置出现条带。
为进行蛋白激酶活性分析, 在30 μL体系中将纯化的蛋白质与激酶缓冲液(20 mmol/L Tris-HCl, pH 7.0、 10 mmol/L MnCl2、 10 mmol/L MgCl2、 2 mmol/L NaF、 1 mmol/L Na3VO4、 1~2
mmol/L DTT、 10 μCi [γ-32p]ATP
)于30 ℃培育30 min进行反应。 将反应样品煮沸变性, 6% SDS-PAGE电泳。 蛋白质转移至NC膜, 以XpressTM表位标签的单克隆抗体进行Western 印迹和放射自显影。
同时进行p93及其突变体的蛋白质表达检测, 将纯化的各组蛋白质进行SDS-PAGE电泳, 同样用抗Xpress抗体进行Western 印迹。
1.8 酵母双杂交筛选
以p93的C端(716~833 aa)为诱饵,
构建诱饵质粒pGBKT7-Ser, 运用基于Gal4转录激活因子的酵母双杂交系统, 筛选预转化的人心脏cDNA文库, 所得的阳性克隆经酶切、
归类、 酵母体内再验证后,
最后测序及序列分析。 筛选操作按厂商说明书进行。
1.9 免疫共沉淀
将经酵母双杂交筛选得到的cTnI基因的完全编码框克隆入带有FLAG表位标签的真核表达载体
pcDNA6中, 构建成pcDNA6/cTnI。 分别将pcDNA6空载体与pcDNA4/p93和 pcDNA6/cTnI与pcDNA4/p93用LipofectAMINE试剂共转染293细胞。 培养3天,
收集细胞。 用冰预冷的PBS洗涤细胞团块两次后, 加改良的RIPA缓冲液(1% NP40、
0.25% DOC、 2 mmol/L EGTA、 1 mmol/L EDTA、 150 mmol/L NaCl、 50 mmol/L Tris-HCl, pH 7.5)裂解细胞, 4 ℃轻摇30
min后离心(12 000 g×30 min),
收集上清液。 向收集的上清液中加入200
μL不相干的杂交瘤组织培养上清液封闭无关结合位点, 4 ℃放置1 h后进行免疫共沉淀反应。
先加入2~5 μg的抗FLAG单克隆抗体,
以结合pcDNA6/cTnI载体上的FLAG表位标签蛋白质,
4 ℃轻摇1 h。
再加50 μL 的Protein
G-Agarose以结合IgG, 4 ℃轻摇4~6
h或过夜。 若p93可以和cTnI发生相互作用,
将通过抗FLAG抗体及Protein G-Agarose形成免疫复合物。 离心, 沉淀并弃上清液。 加改良的RIPA缓冲液洗涤沉淀的免疫复合物3次,
每次15 min, 用25 μL的2×SDS上样缓冲液中悬浮沉淀。
加热变性5 min, 离心除去Protein G-Agarose, 取10~15
μL上清液进行SDS-PAGE电泳后,
将蛋白质转移至PVDF膜, 以抗Xpress单抗进行Western 印迹杂交,
最后经ECL化学发光检测。 同时以裂解的细胞液为对照, 同样以抗Xpress抗体进行Western
印迹。
2 结果(Results)
2.1 p93属ILK家族的远源成员
p93的mRNA全长约3.4 kb, 编码一包含835个氨基酸残基的蛋白激酶。 数据库查询发现它由3个结构域组成, 其N端有7个锚蛋白重复(ankyrin
repeat), 中间近C端有一激酶结构域,
该激酶结构域兼有酪氨酸蛋白激酶和丝氨酸/苏氨酸激酶特征, C末端有1个富含丝氨酸(Ser-rich)的结构域。 同源性分析发现, p93与整合素连接激酶(Integrin-linked
Kinase, ILK)有较高相似性及相似的结构域, 但p93 较ILK多4个锚蛋白重复区和C端的富含丝氨酸结构域(图1)[7], 推断p93属ILK家族的远源成员。 染色体定位分析提示: p93基因位于1号染色体短臂3区(1pter-1p31.2), 而家系研究证明1p31-1p21恰为造成心脏房室间隔缺损的区域。
