组织因子途径抑制物-2及其结构域1的基因克隆、表达和功能研究

论文摘要

组织因子途径抑制物-2（tissue factor pathway inhibitor-2，TFPI-2），又称胎盘蛋白-5（placenta protein-5，PP-5）和基质相关丝氨酸蛋白酶抑制剂（matrix associated serine protease inhibitor，MSPI），是一种带有kunitz型结构域的蛋白酶抑制剂，属于丝氨酸蛋白酶抑制物超家族成员，由于与组织因子途径抑制物（tissue factor pathway inhibitor，TFPI）的结构非常相似，故此得名。成熟的人TFPI-2（human TFPI-2，hTFPI-2）由富含酸性氨基酸的N端、串联的三个kuntiz结构域和富含碱性氨基酸的C端组成，体外实验发现它能抑制胰蛋白酶、纤溶酶、糜蛋白酶、血浆缓激肽释放酶、胰凝乳蛋白酶、组织蛋白酶G等多种蛋白酶的活性，但对凝血因子Ⅶa（FⅦa）／组织因子（tissue factor，TF）复合物、凝血因子ⅹa（Fⅹa）、t-PA（tissue-type plasminogen activator）及uPA（urokinase-type plasminogen activator）的抑制作用不明显。已知TFPI的三个结构域有其各自的功能，如结构域1与FⅦa／TF结合并抑制其功能；结构域2与FⅩa结合并抑制其功能；结构域3与肝素、CD14、LRP（low density lipoprotein receptor-related protein，LRP）和gp330结合，发挥抗炎、协助抗凝、促进TFPI代谢等作用。从理论上推测，hTFPI-2既然与TFPI结构类似，它的三个结构域也应该具有独立的功能，但这些功能是什么则需要大量的实验证实。研究表明hTFPI-2能够抑制乳腺癌、前列腺癌、肺癌、纤维肉瘤、黑色素瘤、胶质细胞瘤等多种恶性肿瘤的侵袭转移，也能够抑制动脉粥样硬化斑块的脱落。因此，hTFPI-2有可能作为一种新型蛋白质药物，在治疗肿瘤转移和动脉粥样硬化并发症方面具有潜在的应用前景。但是，TFPI-2的生理功能迄今未知，极大地妨碍了它的应用。由于TFPI-2是一种存在于细胞外基质中的蛋白酶抑制因子，对于细胞外基质的重塑发挥重要的调节作用，因此人们认为TFPI-2可能和细胞运动、胚胎发育、伤口愈合、肿瘤转移和动脉粥样硬化等生理病理过程具有密切的关系。应用分子生物学技术在模式生物中定向敲除（knock out）某个特定基因，然后观察实验动物的整体结构、功能和生理状态的变化，已成为研究基因功能的重要方法。因此，鉴于TFPI-2的研究现状，有必要采用模式生物详细研究TFPI—2的生理功能，从而对该蛋白的理论研究和应用开发提供更多的理论知识。我们以人胎盘组织总RNA为模板，用RT-PCR获得hTFPI-2的cDNA基因，通过与原核表达载体重组，实现了hTFPI-2在大肠杆菌中的高效表达，目的蛋白以包涵体形式存在于菌体内，表达量占全菌总蛋白的20％—30％，经复性、纯化后hTFPI-2的纯度大于90％，产率约为20-30mg／L。性质研究表明复性后的hTFPI-2具有抑制胰蛋白酶、纤溶酶、MMP-2和MMP-9的活性，同时亦具有抑制纤维肉瘤细胞HT-1080侵袭转移的能力。本研究还探索了采用酵母表达系统制备hTFPI-2第一个Kunitz结构域（hTFPI-2／KD）的工艺路线，并在此基础上研究了hTFPI-2／KD1的功能和结构。研究初期，我们按常规方法把hTFPI-2／KD1的野生型基因转入毕赤酵母体内，但表达结果并不理想。在分析了hTFPI-2／KD1编码序列的特点之后，我们发现其中含有较多的酵母稀有密码子，因此推测密码子的偏好性可能是制约该蛋白在酵母体内表达的原因之一。我们利用PCR的方法按照毕赤酵母密码子使用的偏好性优化了hTFPI-2／KD1的编码基因，将其与毕赤酵母表达载体pPIC9K重组，用电转化的方法使重组质粒转入毕赤酵母体内，筛选出高拷贝的转化子。种子菌经两次放大后，在30L发酵罐中用甲醇诱导表达，诱导40小时后目的蛋白表达量达到高峰，并且以可溶形式存在于培养上清中。培养上清依次经超滤、分子筛、离子交换等纯化步骤进行纯化。纯化后的目的蛋白纯度达到96％，产量为20mg／L左右。发色底物法检测显示，hTFPI-2／KD1对纤溶酶和胰蛋白酶都具有明显的抑制作用。应用明胶酶谱法观察到hTFPI-2／KD1对MMP-2和MMP-9均具有抑制作用；Matrigel法观察到hTFPI-2／KD1能够降低纤维肉瘤细胞HT-1080的体外侵袭能力。我们联合应用斑马鱼基因组数据库、生物信息学、RT-PCR和RACE等方法率先克隆了zebrafish TFPI-2（zTFPI-2）的cDNA序列。经过序列分析发现zTFPI-2同样具有三个串联排列的Kunitz结构域，与人TFPI-2的三个结构域的同源性分别为59％、65％和51％。在此基础上，我们采用斑马鱼胚胎整体原位杂交技术（whole mount in situ hybridization）观察了zTFPI-2在斑马鱼胚胎发育过程中表达的时间和空间变化，发现zTFPI-2在斑马鱼胚胎发育的早期阶段就有明显的表达，杂交信号主要存在于胚胎的头部和双侧胸鳍，实时定量PCR显示zTFPI-2的表达水平在成鱼各脏器中依次为脑部、心脏、肝、眼和卵巢，初步提示zTFPI-2和这些脏器的功能或发育可能有比较密切的关系。为观察zTFPI-2在斑马鱼胚胎发育过程中的作用，我们根据它的基因序列设计了吗啡琳修饰的反义核酸，采用显微注射的方法将其注入到斑马鱼受精卵内，使zTFPI-2的表达下调。结果显示，zTFPI-2下调的斑马鱼胚胎出现头部变小、卵黄囊增大、心包水肿、中枢神经系统中的神经纤维明显稀疏、眼底感光细胞排列紊乱等变化，同时伴有双侧胸鳍的发育显著减缓。为了进一步研究其中的分子机制，我们采用基因芯片比较了正常和zTFPI-2下调后的胚胎之间基因表达谱的变化，发现zTFPI-2下调后有近六百个基因发生了两倍以上的上调或下调。这些基因涵盖了结构分子、酶类、第二信使分子、转录因子等的编码基因，其中与胚胎发育尤其是中枢神经系统发育关系比较密切的是Notch信号通路中的某些信号分子，如Notchla、mib和her4，Real-time PCR也证实了这些信号分子的确下调。这些结果为下一步研究TFPI-2影响胚胎发育的具体机制指明了方向。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 前言
• 第一部分 hTFPI-2的基因克隆及其表达、纯化和复性
• 材料和方法
• 结果
• 讨论
• 第二部分 hTFPI-2/KD1 的表达、纯化及鉴定
• 材料和方法
• 结果
• 讨论
• 第三部分 hTFPI-2和 hTFPI-2/KD1 的性质研究
• 材料和方法
• 结果
• 讨论
• 第四部分 zTFPI-2的基因克隆及其在胚胎发育过程中的作用研究
• 第一节 zTFPI-2的基因克隆及其在胚胎发育过程中的表达定位
• 材料和方法
• 结果
• 讨论
• 第二节 zTFPI-2在胚胎发育过程中的作用研究
• 材料和方法
• 结果
• 讨论
• 全文参考文献
• 总结与展望
• 综述
• 缩写表
• 致谢
• 发表论文及获得奖励