中国当代儿科杂志  2014, Vol. 16 Issue (1): 418-423   PDF    
组蛋白乙酰化酶对心脏发育核心转录因子Mef2c的动态调控作用
彭昌, 张维华, 潘博, 高文群, 田杰     
重庆医科大学附属儿童医院心脏内科, 重庆 400014
摘要目的 观察心脏发育过程中组蛋白乙酰化酶P300、PCAF、SRC1对心脏发育核心转录因子Mef2c的动态修饰作用,为明确先天性心脏病的发生机制奠定基础。方法 选取胎龄14.5 d和16.5 d胎鼠及生后0.5 d和7 d小鼠的正常心脏组织,采用染色质免疫共沉淀技术,运用抗P300、PCAF、SRC1、乙酰化组蛋白(ac-H3)抗体免疫沉淀与其相结合的DNA,Real-Time-PCR扩增抗体所富集的DNA,观察小鼠心脏发育过程中Mef2c启动子区域组蛋白乙酰化酶的动态修饰及ac-H3水平;同时运用Real-Time-PCR检测Mef2c mRNA表达量。结果 小鼠心脏发育过程中P300、PCAF、SRC1均参与Mef2c启动子区域的乙酰化修饰,其结合水平在心脏发育的不同阶段差异均有统计学意义(均P<0.01)。Mef2c启动子区域组蛋白H3乙酰化水平及Mef2c基因mRNA表达水平在心脏发育的不同阶段差异均有统计学意义(均P<0.01)。ac-H3、Mef2c mRNA及3种组蛋白乙酰化酶表达水平均具有一定时序性,即在胎龄14.5 d时,上述指标水平均明显高于其他时间点(均P<0.01),且随心脏的发育成熟表达水平均逐渐降低,至出生后均维持在低表达水平。结论 小鼠心脏发育过程中Mef2c基因呈现动态表达,提示Mef2c基因在心脏发育中具有重要作用;同时Mef2c启动子区域乙酰化水平的变化受组蛋白乙酰化酶P300、PCAF、SRC1的动态调控。
关键词组蛋白乙酰化酶     心脏发育     转录因子     动态调控     小鼠    
Temporal regulation of transcription factor Mef2c by histone acetylases during cardiogenesis
PENG Chang, ZHANG Wei-Hua, PAN Bo, GAO Wen-Qun, TIAN Jie     
Department of Cardiology, Children's Hospital of Chongqing Medical University, Chongqing 400014, China
Abstract: Objective To observe the temporal modification of transcription factor Mef2c by histone acetylases (HATs) P300, PCAF, and SRC1 during cardiogenesis and to provide a basis for investigating the pathogenesis of congenital heart disease. Methods The normal heart tissues from embryonic mice (embryonic days 14.5 and 16.5) and neonatal mice (postnatal days 0.5 and 7) were collected. The binding of P300, PCAF, and SRC1 to Mef2c gene and level of histone H3 acetylation in the promoter region of Mef2c were evaluated by chromatin immunoprecipitation assays. Meanwhile, real-time PCR was used to measure the mRNA expression of Mef2c. Results P300, PCAF, SRC1 were involved in histone acetylation in the promoter region of Mef2c during cardiogenesis in mice, and binding of P300, PCAF, and SRC1 to the promoter of Mef2c varied significantly in different stages of cardiogenesis (P<0.01). The level of histone H3 acetylation and mRNA expression of Mef2c in the promoter region of Mef2c also varied significantly in different stages of cardiac development (P<0.01). The levels of acetylated H3, Mef2c mRNA, and HATs (P300, PCAF, SRC1) changed over time. They were highest on embryonic day 14.5 (P<0.01), decreased gradually with cardiac development, and were maintained at low levels after birth. Conclusions The mRNA expression of Mef2c varies during cardiogenesis in mice, which indicates that Mef2c plays an important role in the process of cardiac development. Meanwhile, histone acetylation in the promoter region of Mef2c is regulated temporally by HATs P300, PCAF, and SRC1.
Key words: Histone acetylase     Cardiac development     Transcription factor     Temporal regulation     Mice    

据相关报道,胎儿心脏畸形的发生率为 4‰ ~10‰,且还在逐年升高,占人类出生缺陷病 例总数的 1/3 左右,先天性心脏病(以下简称先心 病)是我国出生缺陷中最常见的疾病,已成为严 重影响公共卫生、人口健康的重大社会问题[1, 2]。 但先心病病因复杂,受到遗传和环境的双重影响, 任何微小的变化均会导致该病的发生,目前人类 仍无法从根本上解决这一世界性的难题。要明确 该病是如何发生的,首先需要了解正常心脏发育 的整个过程,明确心脏发育在不同的阶段及不同 的部位都受哪些因素的调控,这样才能更好的为 防治先心病提供充实的科学依据和干预措施。大 量研究表明,Mef2c 核心转录因子在心脏发育中参 与了多种心脏发育基因及蛋白的调控,与心脏发 育密切相关[3, 4, 5]。因此,本研究通过探讨心脏发育 相关核心转录因子 Mef2c 在心脏发育的几个关键 时间点表达水平的变化,同时探讨组蛋白乙酰化 酶 P300、PCAF、SRC1 对 Mef2c 的调控作用,为 下一步明确先心病的病因提供新的理论基础。 1 材料与方法 1.1 实验动物及分组

选择健康成熟 SPF 级昆明小鼠(由重庆医科 大学动物中心提供),按雌︰雄 = 2 : 1 比例合笼交 配,次日清晨发现有阴栓的雌鼠,将胎龄(E)计 为 0.5 d,孕鼠分笼饲养,自由饮水进食,并计算 妊娠天数。依据 E 和出生后日龄(P)将所有子代 昆明小鼠随机分为胚胎期 2 组(E14.5 组、E16.5 组) 和新生期 2 组(P0.5 组、P7 组)。 1.2 标本制备

分别取孕期 E14.5 和 E16.5 的孕鼠,二氧化碳 麻醉处死,75% 酒精消毒皮肤并剖腹,找到含有 胚胎的串珠状子宫,轻柔地将胚胎从子宫分离出 来,放入装有预冷 PBS 缓冲液的培养皿中冲洗, 在解剖显微镜下小心剖开胎鼠的胸腔,分离心脏; E14.5 组取 60 只胎鼠,每 20 只胎鼠心脏作为一个 检测标本,E16.5 组取 45 只胎鼠,每 15 只胎鼠心 脏作为一个检测标本。P0.5 组取 30 只新生鼠,每 10 只新生鼠心脏作为一个检测标本,P7 组取 21 只新生鼠,每 7 只新生鼠心脏作为一个检测标本, 解剖显微镜下分离新生鼠心脏。将各组完整心脏 放入预冷 PBS 中清洗后置于 -80℃冰箱保存备用。 1.3 主要试剂及仪器

染色质免疫共沉淀(ChIP)试剂盒(Millipore, 美国),ChIP 级抗 P300、抗 PCAF 和抗 SRC1 单 克隆抗体均购自英国 abcam 公司,ChIP 级抗乙酰 化组蛋白 H3(ac-H3)抗体(Millipore,美国), 总 RNA 提取试剂盒(BioTeke,北京百泰克生物技 术有限公司),SYBRI 荧光定量 PCR 试剂盒和逆 转录试剂盒均购自日本 TaKaRa 公司,超声破碎仪 (diagenode,比利时),荧光定量 PCR 仪(Bio-Rad, CFX96,美国)。 1.4 ChIP 法提取 DNA

将各组小鼠心脏组织用眼科剪剪碎,预冷 PBS 清洗后加入终浓度为 1% 的甲醛交联。用超声 破碎仪切割 DNA 至 200~1 000 bp 之间。加入 ChIP 级 P300、PCAF、SRC1 和 ac-H3 抗体4℃摇床过 夜沉淀 DNA,65℃逆转交联 8~10 h,纯化和回收 DNA。用核酸蛋白测定仪测定 A260 nm/A280 nm 比值,以确定ChIP 产物DNA的纯度和浓度, 于 -20℃保存。 1.5 ChIP-Real-Time-PCR 引物序列和退火温度

选 取 Mef2c 基 因 外 显 子 5' 端 前 1 000 bp 序 列,针对该序列设计特异性引物。引物用 Primer Premier 5.0 软 件 设 计,由 宝 生 物 公 司 合 成。 将Mef2c基因产物进行梯度稀释,运用BioRad CFX96 荧光定量 PCR 仪扩增,做出标准曲 线,得到R2 值和扩增效率。Mef2c 引物序列: F:5'-CACGCATCTCACCGCTTGACG-3',R: 5'-CACCAGTGCCTTTCTGCTTCTCC-3',产物大小: 172 bp。反应条件:95℃ 预变性 3 min;95℃变性 5 s,55℃ 退火 15 s,68℃ 延伸 20 s,45 个循环。 所得数据用 Bio-Rad CFX96 荧光定量 PCR 仪自带 的基于 pfaffl 原理的相对定量数据分析软件分析。 1.6 Real-Time PCR 引物序列和退火温度

针对Mef2c 基因CDS 核心编码区设计特异 性引物,引物用 Primer Premier 5.0 软件设计,由 宝生物公司合成。将 Mef2c 基因产物进行梯度稀 释,运用 Bio-Rad CFX96 荧光定量 PCR 仪扩增, 做出标准曲线,得到 R2 值和扩增效率。Mef2c 引 物 序 列:F:5'-AGCGCAGGGAATGGATACG-3', R:5'-TGCCAGGTGGGATAAGAACG-3',产 物 大 小:157 bp。 反 应 条 件:95 ℃ 预 变 性 30 s; 95 ℃ 变 性 5 s,55 ℃ 退 火 30 s,39 个 循 环。 选 取β-actin 作 为 内 参,β-actin 引 物 序 列:F: 5'-CCTTTATCGGTATGGAGTCTGCG-3',R:5'-CCTGACATGACGTTGTTGGCA-3',产物大小: 104 bp。反应条件:95℃ 预变性 30 s;95℃ 变性 5 s,59℃ 退火 30 s,39 个循环。所得数据用 BioRad CFX96 荧光定量 PCR 仪自带的基于 pfaffl 原理 的相对定量数据分析软件进行分析。 1.7 统计学分析

应用 SPSS 21.0 统计软件对数据进行统计学分 析,计量资料用均数 ± 标准差(x±s)表示,多 组间比较采用单因素方差分析,组间两两比较采 用 LSD-t检验,P<0.05 为差异有统计学意义。 2 结果 2.1  组 蛋 白 乙 酰 化 酶 P300、PCAF、SRC1 在Mef2c 基因启动子区域的动态变化

ChIP-Real-Time-PCR结果显示,心脏发育 相关核心转录因子Mef2c 启动子区域乙酰化酶 P300、PCAF、SRC1 结合水平均具有一定的时序性。 在各时间点组,组蛋白乙酰化酶 P300、PCAF 和 SRC1 在 Mef2c 基因启动子区域的表达量比较差异 均有统计学意义(分别F=31.17、41.25 和 28.29, 均P<0.001);且均在 E14.5 时表达水平最高,与 其他时间点组(E16.5、P0.5、P7)比较,差异均 有统计学意义(均P<0.01)。随着心脏发育成熟, 所有组蛋白乙酰化酶表达量逐渐降低,出生后呈 较低水平的表达。其中 P300 的表达量在 E16.5 时 高 于 P7(P<0.01);PCAF 的 表 达 量 在 E16.5 和 P7 时均高于 P0.5(均P<0.01)。见图 1~3

图 1 P300 抗体 ChIP 沉淀后 Mef2c 基因启动子区域 P300 表达量 上图为 P300 表达统计图;注:a 为与 E14.5 组 比较,P<0.01;b 为与 E16.5 组比较,P<0.01(n=3)。下图为琼 脂 糖 凝 胶 电 泳 图;M:marker;1:E14.5;2:E16.5;3:P0.5; 4:P7;-:阴性对照(正常鼠 IgG 免疫沉淀后的 DNA 扩增); +:阳性对照(RNA 多聚酶Ⅱ免疫沉淀后的 DNA 扩增)。

图 2 PCAF 抗体 ChIP 沉淀后 Mef2c 基因启动子区域 PCAF 表达量 上图为 PCAF 表达统计图;注:a 为与 E14.5 组比较,P<0.01;b 为 与 E16.5 组 比 较,P<0.01;c 为 与 P0.5 组 比较,P<0.01(n=3)。下图为琼脂糖凝胶电泳图;M:marker; 1:E14.5;2:E16.5;3:P0.5;4:P7;-:阴性对照(正常鼠 IgG 免疫沉淀后的 DNA 扩增);+:阳性对照(RNA 多聚酶Ⅱ免疫沉 淀后的 DNA 扩增)。

图 3 SRC1 抗 体 ChIP 沉 淀 后 Mef2c 基 因 启 动 子 区域 SRC1 表达量 上图为SRC1 表达统计图;注:a 为 与 E14.5 组比较,P<0.01(n=3)。下图为琼脂糖凝胶电泳图; M:marker;1:E14.5;2:E16.5;3:P0.5;4:P7;-:阴性对照 (正常鼠 IgG 免疫沉淀后的 DNA 扩增);+:阳性对照(RNA 多 聚酶Ⅱ免疫沉淀后的 DNA 扩增)。
2.2 Mef2c 基因启动子区域 ac-H3 的动态变化

ChIP-Real-Time-PCR 结 果 表 明,Mef2c 基 因 启动子区域组蛋白H3 乙酰化水平存在一定的 时序性。Mef2c 基因启动子区域 ac-H3 水平在各 时间点组比较差异有统计学意义(F=273.26, P<0.001);且在 E14.5 表达水平最高,与其他时 间点组(E16.5、P0.5、P7)相比差异均有统计学 意义(均P<0.001);而 E16.5 时 ac-H3 水平也均 高于 P0.5 和 P7 组(均P<0.01)。提示 ac-H3 随 着心脏的发育成熟表达水平逐渐降低,至出生后 其表达水平明显降低。见图 4

图 4 ac-H3 抗体 ChIP 沉淀后 Mef2c 基因启动子区 域 ac-H3 表达水平 上图为 ac-H3 表达统计图;注:a 为与 E14.5 组 比 较,P<0.01;b 为 与 E16.5 组 比 较,P<0.01(n=3)。 下图为琼脂糖凝胶电泳图;M:marker;1:E14.5;2:E16.5; 3:P0.5;4:P7;-:阴性对照(正常鼠 IgG 免疫沉淀后的 DNA 扩增);+:阳性对照(RNA 多聚酶Ⅱ免疫沉淀后的 DNA 扩增)。
2.3 心脏发育过程中 Mef2c mRNA 的动态表达

Real-Time-PCR 结果显示,在小鼠心脏发育的 4 个不同时间点(E14.5、E16.5、P0.5、P7)均能 检测到心脏发育相关基因 Mef2c mRNA 的表达,且 差异有统计学意义(F=32.14,P<0.001)。Mef2c mRNA 表达的高峰期是在 E14.5,与其他时间点组 (E16.5、P0.5、P7)相比,差异均有统计学意义(均 P<0.01);且 E16.5 时 Mef2c mRNA 的表达水平也 高于 P7(P<0.01),其变化趋势与 Mef2c 基因启 动子区域 ac-H3 的变化趋势基本一致,即出生前 呈高表达,随着心脏发育的成熟,出生后其表达 水平明显降低。见图 5

图 5 Real-Time-PCR 检测小鼠心脏发育不同时间点 Mef2c mRNA 的表达水平 上图为Mef2c mRNA 表达统计图; 注:a 为与E14.5 组比较,P<0.01;b 为与E16.5 组比较,P<0.01(n=3)。 下图为琼脂糖凝胶电泳图;M:marker;1:E14.5;2:E16.5; 3:P0.5;4:P7。
3 讨论

心脏发育是个复杂的过程,环境因素和遗传 因素可能均参与了这个过程。心脏核心转录因子 的顺序激活与正确表达是建造完美心脏的生物学 基础。任何微小的变化都可能引起心脏发育异常, 导致先心病发生[6]。但人类对心脏正常发育的调控 因素知之甚少。因此,进一步明确心脏发育相关 基因的时空表达规律及其调控因素具有十分深远 的意义。心脏的发育除受到遗传背景的影响,还 受到表观遗传的调控,主要包括甲基化修饰、乙 酰化修饰等。文献报道,心脏发育相关基因 Gata4 转录后的共价修饰包括乙酰化、甲基化、SUMO 化 及磷酸化等[7] 。心脏发育相关核心转录因子 Mef2c 的共价修饰是不是也受到乙酰化的修饰及其受到 哪些乙酰化酶的调控目前仍不清楚,以及在心脏 发育过程中其乙酰化调控水平是否具有不同的时 空规律目前仍具有较大争议。

小鼠胚胎心脏发育过程与人类及其相似。因 此,本研究通过选取正常小鼠心脏发育的几个关 键时间点作为研究的时间段,探讨小鼠心脏发育 过程中心脏发育相关基因 Mef2c 启动子区域的乙 酰化水平是否受到 P300、PCAF 和 SRC1 的调控以 及这些乙酰化酶的调控是否具有时序性,同时分 析 Mef2c 启动子区域组蛋白 H3 乙酰化水平变化及 Mef2c mRNA 表达水平的变化,从表观遗传的全新 角度探讨 Mef2c 基因转录后修饰中的乙酰化对心 脏发育的作用,为进一步探讨环境因素导致的心 脏发育异常以及对早期干预治疗先心病提供重要 的理论依据。小鼠胚胎心脏发育的每个阶段都需 要特定信号通路和转录因子的精确调控,目前研 究较多的心脏发育核心转录因子主要有 Nkx2.5、 Gata4、Mef2c、Tbx5 等 [8]。大量研究证实,每个转 录因子在心脏发育的不同时期及不同部位可能均 发挥不同的作用。Mef2c 表达异常可因为心脏的血 管发育缺陷导致小鼠胚胎在 E9.5 死亡[9];Gata4 基 因早期失活导致心肌发育不良和心内膜垫缺损, 晚期 Gata4 基因失活导致心脏功能下降[10],Tbx5、 Nkx2.5 和 Gata4 基因突变都能导致Ⅱ孔型房间隔缺 损,Tbx5 的异常表达还可导致 Holt-Oram 综合征, Nkx2.5 等位基因低表达出现右室双出口畸形,该 基因完全缺失则会出现流出道狭窄[11, 12, 13]。提示各 个转录因子在不同的时期及不同的部位均发挥不 同的功能。

研究表明,心脏发育相关核心转录因子除了 受到其上下游基因的调控外,表观遗传的修饰也 发挥了重要作用[14]。组蛋白乙酰化酶作为翻译后 修饰的关键酶被看作是关键基因表达的激活子[15]。 基因的转录活化状态通常与其启动子区域组蛋白 乙酰化水平息息相关,组蛋白乙酰化酶可以通过 调控相关基因启动子区域组蛋白乙酰化水平来调 控基因的时序表达。本研究发现,心脏发育相关 基因 Mef2c 在小鼠心脏发育的几个关键时间点其 组蛋白乙酰化水平均不一致,在 E14.5 时乙酰化水 平最高,随着小鼠心脏发育成熟,以后逐渐降低, 至出生时呈现低表达,出生前后 Mef2c 基因启动 子区域组蛋白 H3 的乙酰化水平具有显著差异。本 研究还证实,Mef2c 基因的 mRNA 表达水平也是 出生前呈高表达,出生后逐渐降低,与组蛋白 H3 乙酰化水平变化趋势基本一致,提示组蛋白乙酰 化修饰可能是调控 Mef2c 基因表达的一个重要因 素。这也和本课题组之前的相关报道相一致[16]。 但是组蛋白广泛存在于所有 DNA 上,对其乙酰 化修饰的酶的种类繁多,因此,并不能确定有哪 些乙酰化酶参与了 Mef2c 乙酰化的修饰。基于此 原因,根据文献报道在心脏表达的组蛋白乙酰化 酶 主 要 有 P300、PCAF、SRC1、CBP、GCN5[17], 运 用 P300、PCAF、SRC1 三 个 组 蛋 白 乙 酰 化 酶 的 ChIP 级抗体行染色质免疫共沉淀进一步明确 Mef2c 转录因子启动子区域组蛋白乙酰化修饰受 到哪些组蛋白乙酰化酶的调控,是否也具有一定 的时序性。实验结果表明组蛋白乙酰化酶 P300、 PCAF、SRC1 均参与了 Mef2c 基因的启动子区域乙 酰化水平的调控,且其调控水平也存在动态变化。 P300、PCAF、SRC1 在 E14.5 时与 Mef2c 基因启动 子区域的结合量最多,以后随着心脏的发育成熟, 其结合量也逐渐下降。出生前后乙酰化酶各个亚 型的结合水平具有统计学意义,且乙酰化酶各个 亚型结合水平的变化趋势与组蛋白 H3 的乙酰化 水平基本相一致。这提示 P300、PCAF、SRC1 三 个乙酰化酶均可能参与了心脏发育相关转录因子 Mef2c 的乙酰化调控。但是各个乙酰化酶之间是 否具有协同作用以及是否还有其他因素参与修饰 Mef2c 的表达。这仍需进一步的研究证实。

心脏的发育是一个动态的过程,因此,只有 全面掌握了各个基因在心脏发育不同时期的表达 规律及其具体调控机制,才能从真正意义上实现 对心脏发育异常的早期干预,减少先心病这一严 重的出生缺陷。同时也为临床基因治疗先心病带 来新的契机。

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