转移生长因子-β1(TGF-β1)/Smad3信号转导通路与人类的多种生理病理发生机制相关,但是该信号通路中Smad3被磷酸化的时空信息仍然不完全清楚。为了动态观察活细胞生理状态下Smad3被磷酸化的过程,首先进行ECFP-Smad3-Citrine(Smad3 biosensor)融合蛋白表达载体的构建及鉴定;然后转染293T细胞并观察转染效率和融合蛋白表达情况。在荧光显微镜下,应用MetaFlour FRET 4.6软件测量TGF-β1刺激293T细胞前后Smad3 biosensor的荧光能量共振转移(FRET)的变化情况。结果显示,Smad3 biosensor转染效率达40%,融合蛋白表达成功。TGF-β1刺激293T细胞10 min后,监测到胞质内FRET值逐渐减小,青色荧光蛋白(CFP)减弱,黄色荧光蛋白变体(Citrine)增强,历时约300 s后逐渐恢复。应用FRET技术能使我们在活细胞生理状态下,实时动态监测TGF-β1/Smad3信号转导通路的过程。
引用本文: 曹薇薇, 刘伟, 王维山, 陈召, 何仁豪, 何建伟. 利用荧光共振能量转移技术研究TGF-β/Smad3信号转导通路. 生物医学工程学杂志, 2014, 31(5): 1080-1084. doi: 10.7507/1001-5515.20140203 复制
引言
转移生长因子-β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1)是多肽转移生长因子大家族成员之一。在大多数细胞中,TGF-β1与胞膜受体结合后是通过Smad蛋白介导将胞外信号传递到胞质和细胞核中,从而调控着细胞的增殖、分化和细胞凋亡等许多生理和病理过程[1] 。Smad蛋白被分为三类,即受体调节Smads (receptor-regulated Smads,R-Smads),它可与通用Smads (common-partner Smad,Co-Smad)结合成复合物,第三类Smads是抑制型Smads (inhibitory Smads,I-Smads)[2]。
R-Smads包括了Smad1、Smad2和Smad3,它们具有相似的蛋白结构和功能,均有3个功能域,即MH1区、MH2区和Linker区。当有配体(如TGF-β1)存在时,C端的MH2区含有的保守磷酸化位点SSXS基序可被TGF-β1受体I磷酸化,然后与Smad4结合为二聚体转位入核[3]。N端的MH1结构域在细胞核中与转录辅激活蛋白或辅阻遏物相互作用,结合下游的靶基因,调节基因转录[4]。既往研究证实,MH1区和MH2区在Smad3未被活化时相互抑制,磷酸化后构象发生变化,抑制作用解除。Smad3是通过磷酸化前后的构象变化来传递TGF-β1信号的,即通过Smad3空间结构变构将Smad 3与受体的作用转化为Smad3与细胞核的互相作用[5]。但是TGF-β1受体与Smad3相互作用的机制仍然不完全清楚,如:TGF-β1与受体结合后,多长时间、在什么位置Smad3被磷酸化产生空间变构效应?本实验研究了这一问题。
本研究利用荧光能量共振转移(flurorescence resonance energy transfer,FRET)技术这一目前研究活体细胞内信号转导通路最可靠的方法,对TGF-β1/Smad3信号转导通路作进一步的探讨,以期在活细胞生理条件下明确TGF-β1/Smad3信号传递过程的时空信息。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 质粒、菌株和细胞
CKAR生物传感器载体质粒和Smad3-pcDNA3.1载体质粒由美国约翰霍普金斯大学万梅教授惠赠;FT-T Fast Ligation Kit购自上海依科赛生物制品有限公司;大肠杆菌菌株DH5α、人胚肾上皮293T细胞均由本室保存。
1.1.2 试剂
细胞转染试剂Lipofectamine 2000购自Invitrogen公司;DNA回收试剂盒、质粒小量制备试剂盒购自北京百泰克生物技术有限公司;反转录试剂盒、Pfu DNA聚合酶、T4 DNA连接酶、限制性内切酶、核酸分子量Marker等购自Takara公司;无内毒素质粒大提试剂盒购自TianGen生物科技有限公司;细胞培养试剂(DMEM、胎牛血清)为Gibco公司产品;其他试剂为国产分析纯级。
1.1.3 荧光成像系统
Zeiss Axiovert 200 M 倒置荧光显微镜(德国Zeiss公司),配备青色荧光蛋白(cyan fluorescent protein,CFP)(BP 436/25,FT455,BP480/40)、黄色荧光蛋白(yellow fluorescent protein,YFP) (BP 500/25,FT515,BP535/30)、CFP-YFP-FRET(BP 436/25,FT455,BP535/30)滤光片,MetaFlour软件。
1.2 ECFP-Smad3-Citrine融合蛋白表达载体的构建及表达鉴定
依据NCBI数据库中Smad3 mRNA基因序列,用Primer Premier 5.0 软件设计引物。引入合适的酶切位点和保护碱基备用,下划线处分别为Sph Ⅰ和Pst Ⅰ酶切位点。并委托上海生工生物技术公司合成:
P1 5′-ACAT
P2 5′-C
以CKAR生物传感器载体质粒为起点,通用质粒FT-T为中间载体,依次获得了多个中间重组子,最后获得目的重组质粒Smad3-Biosensor(ECFP-Smad3-Citrine-pcDNA3′)。经PCR鉴定、双酶切鉴定和测序结果均表明成功构建Smad3 Biosensor(见图 1、2)。

1:Smad3生物传感器质粒PCR结果;M:DNA marker Ⅲ标准分子量
Figure1. Identification of constructed Smad3 biosensor vector by PCR1: Smad3 biosensor vector PCR production by electrophoresis; M: DNA marker,marker Ⅲ

1:Smad3生物传感器载体
1: Smad3 biosensor vector by double restriction enzymes digestion with
1.3 细胞培养和转染
293T细胞用含10% FBS的DMEM培养基,在37 ℃、 5% CO2培养箱中培养。转染前1 d,细胞用0.05%胰蛋白酶消化,铺入Petri皿中,密度为2×104 个/皿。待细胞生长融合至50%~70%时,按照Lipofectamine 2000转染试剂盒操作说明,转染3 μg Smad3 Biosensor载体质粒,7 μL Lip2000,转染24 h后,用Zeiss Axiovert 200 M倒置荧光显微镜观察荧光蛋白表达情况。
1.4 荧光成像及FRET检测
1.4.1 校正因子计算
在Zeiss Axiovert 200 M倒置荧光显微镜上,采用1 000倍油镜。分别选取CFP、YFP、FRET三个滤光片作为供体、受体、FRET三个通道的滤光片。分别用单独转染并表达pCFP和pEYFP的细胞来检测并计算供体的校正因子(correction factor)A和B,MetaFlour FRET软件计算供体及受体串色常数,得到校正后的FRET。
1.4.2 FRET检测
将滤光片转到CFP通道,镜下确定视野,选定待测细胞,将滤光片转到FRET通道,拍照获取单张细胞图片。对待测细胞圈定几个感兴趣区域(region of interest,ROI),同时选定1个无细胞的背景区域,用以扣除背景信号。设置实时观察时间60 min,每间隔1 min采图一次,共60张。连续采集CFP、YFP和FRET三个通道的图片;将前面计算出的供体校正因子A和受体校正因子B输入MetaFlour FRET 4.6软件自带公式,运用校正的方法计算出Corrected FRET,并用伪彩标记FRET图像(pseudoecolored FRET image)显示FRET效率。确认CFP、YFP、YFP/CFP Ratio三条基线处于平稳状态后,加入终浓度为1.25 ng/mL的TGF-β1,动态观察FRET变化。
2 结果
2.1 Smad3 biosensor的表达、FRET值检测及计算
在488 nm激光激发转染Smad3 biosensor的293T细胞,用515 nm的绿色荧光蛋白通道观察发现:细胞可发出较强的绿色荧光,整体细胞转染率达到40%(见图 3)。除了能在CFP通道和YFP通道看到均匀分布的青色和黄色荧光外,还可以在FRET通道看到明显的黄色荧光即FRET现象(见图 4)。并且用伪彩标记的RRET图像也显示有较高的FRET值(数据未显示)。


2.2 TGF-β1诱导Smad3融合蛋白的动力学研究
为了能在293T细胞中实时动态观察到TGF-β1诱导的Smad3被激活的生理过程,我们将293T细胞转染了Smad3 biosensor质粒,表达24 h后,观察TGF-β1诱导处理前后,Smad3融合蛋白的FRET现象的变化情况。细胞分为对照组(n=3)和实验组(n=3),对照组加入PBS液,实验组加入TGF-β1液(浓度1.25 ng/mL)。结果显示:对照组在实验记录时间内,YFP和CFP的荧光强度没有任何变化;实验组(见图 5、6)中,经过TGF-β1处理后,可以看到前10 min左右CFP、Citrine的荧光强度没有变化,这段无反应期之后,出现了CFP荧光强度明显增强而Citrine的荧光强度明显减弱的现象,Citrine/CFP的强度也明显减弱,变化持续时间约300 s,之后600 s Citrine/CFP的强度逐渐恢复。用PBS冲洗,30 min后,重复上述实验有时还可以出现上述FRET改变的现象。综上所述,基于FRET原理,通过定量分析对照组和实验组的Citrine和CFP荧光强度随时间变化的比率,证实Smad3蛋白在TGF-β1诱导下被激活并发生了空间构象的改变,历时约300 s,而293T细胞在TGF-β1诱导下TGF-β1/Smad3信号转导有一定滞后时间,约10 min。

上排:加入TGF-
Upper line: before adding TGF-

3 讨论
FRET现象是指当两个荧光基团足够近时(通常在10 nm以内),激发供体荧光基团,能量将转移到受体荧光基团,使受体发射出荧光,FRET现象是一个距离依赖性的物理过程,其效率与供体和受体荧光基团之间距离的六次方成反比。由于其能量传递与供受体之间的距离的高度依赖性,使得人们可以利用FRET现象来分析两个分子间的相互作用或者同一分子间构象的变化[6]。根据这一原理,将目标蛋白与荧光蛋白融合表达,运用FRET技术在活细胞中可用于可视化检测细胞内信号转导机制的研究[7]。CFP和YFP是最常用的一对用于FRET研究的荧光基团。但是YFP易于受到细胞中酸碱度和氯离子的影响,有学者将YFP置换为更稳定的黄色荧光蛋白变体--Citrine,从而大大提高了FRET的效率[8]。本实验所用的一对荧光蛋白就是CFP和Citrine,在Zeiss Axiovert 200 M倒置荧光显微镜下观察到了FRET现象,说明Smad3 biosensor融合蛋白表达成功,荧光蛋白产生的FRET的效率较高。
本实验TGF-β1与293T细胞共孵育10 min后,Smad3的融合蛋白的FRET现象才发生改变,这一段无反应时间是什么因素造成的,或者说TGF-β1/Smad3信号转导通路的限速反应步骤是什么,这是一个值得研究的问题。既往研究证实,TGF-β1能与细胞表面密布的TGF-β1受体迅速结合,亲和力很强,信号转导速度应该很快[9]。有研究也证实,Smad3在胞质中弥散速度很快,能很快接受TGF-β1受体磷酸化[10]。我们考虑以下步骤可以影响TGF-β1/Smad3信号转导通路的反应速度,如TGF-β1与受体结合后TGF-β1受体入胞作用的速度[11],还有Smad3被TGF-β1受体磷酸化后脱落的速度也会影响到其他Smad3继续被TGF-β1受体磷酸化的速度。上述因素均可延迟TGF-β1/Smad3信号转导通路的反应时间。
Smad3被磷酸化后,其MH2区产生了空间结构改变,与MH1区像双臂一样打开,使得Smad3融合蛋白两端的CFP和Citrine荧光蛋白的FRET效率减低,FRET变化过程提示,上述Smad3被磷酸化并产生变构的过程历时约300 s。从区域上看,靠近胞膜的胞质中产生FRET现象较明显,提示了反应的位置。FRET现象产生变化的时间反映了细胞内Smad3被磷酸化的过程,使我们在时间和空间二维层次上认识了TGF-β1/Smad3信号转导通路在活细胞中的传递过程。
最近有研究表明,Smad3蛋白的基因突变和缺失与乳腺癌[12]和胃癌[13]有关。我们相信本实验中的Smad3 biosensor将能作为一种抗肿瘤药物的高通量筛选工具和药效评价工具,为肿瘤临床的分子靶向治疗提供可靠理论依据。
引言
转移生长因子-β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1)是多肽转移生长因子大家族成员之一。在大多数细胞中,TGF-β1与胞膜受体结合后是通过Smad蛋白介导将胞外信号传递到胞质和细胞核中,从而调控着细胞的增殖、分化和细胞凋亡等许多生理和病理过程[1] 。Smad蛋白被分为三类,即受体调节Smads (receptor-regulated Smads,R-Smads),它可与通用Smads (common-partner Smad,Co-Smad)结合成复合物,第三类Smads是抑制型Smads (inhibitory Smads,I-Smads)[2]。
R-Smads包括了Smad1、Smad2和Smad3,它们具有相似的蛋白结构和功能,均有3个功能域,即MH1区、MH2区和Linker区。当有配体(如TGF-β1)存在时,C端的MH2区含有的保守磷酸化位点SSXS基序可被TGF-β1受体I磷酸化,然后与Smad4结合为二聚体转位入核[3]。N端的MH1结构域在细胞核中与转录辅激活蛋白或辅阻遏物相互作用,结合下游的靶基因,调节基因转录[4]。既往研究证实,MH1区和MH2区在Smad3未被活化时相互抑制,磷酸化后构象发生变化,抑制作用解除。Smad3是通过磷酸化前后的构象变化来传递TGF-β1信号的,即通过Smad3空间结构变构将Smad 3与受体的作用转化为Smad3与细胞核的互相作用[5]。但是TGF-β1受体与Smad3相互作用的机制仍然不完全清楚,如:TGF-β1与受体结合后,多长时间、在什么位置Smad3被磷酸化产生空间变构效应?本实验研究了这一问题。
本研究利用荧光能量共振转移(flurorescence resonance energy transfer,FRET)技术这一目前研究活体细胞内信号转导通路最可靠的方法,对TGF-β1/Smad3信号转导通路作进一步的探讨,以期在活细胞生理条件下明确TGF-β1/Smad3信号传递过程的时空信息。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 质粒、菌株和细胞
CKAR生物传感器载体质粒和Smad3-pcDNA3.1载体质粒由美国约翰霍普金斯大学万梅教授惠赠;FT-T Fast Ligation Kit购自上海依科赛生物制品有限公司;大肠杆菌菌株DH5α、人胚肾上皮293T细胞均由本室保存。
1.1.2 试剂
细胞转染试剂Lipofectamine 2000购自Invitrogen公司;DNA回收试剂盒、质粒小量制备试剂盒购自北京百泰克生物技术有限公司;反转录试剂盒、Pfu DNA聚合酶、T4 DNA连接酶、限制性内切酶、核酸分子量Marker等购自Takara公司;无内毒素质粒大提试剂盒购自TianGen生物科技有限公司;细胞培养试剂(DMEM、胎牛血清)为Gibco公司产品;其他试剂为国产分析纯级。
1.1.3 荧光成像系统
Zeiss Axiovert 200 M 倒置荧光显微镜(德国Zeiss公司),配备青色荧光蛋白(cyan fluorescent protein,CFP)(BP 436/25,FT455,BP480/40)、黄色荧光蛋白(yellow fluorescent protein,YFP) (BP 500/25,FT515,BP535/30)、CFP-YFP-FRET(BP 436/25,FT455,BP535/30)滤光片,MetaFlour软件。
1.2 ECFP-Smad3-Citrine融合蛋白表达载体的构建及表达鉴定
依据NCBI数据库中Smad3 mRNA基因序列,用Primer Premier 5.0 软件设计引物。引入合适的酶切位点和保护碱基备用,下划线处分别为Sph Ⅰ和Pst Ⅰ酶切位点。并委托上海生工生物技术公司合成:
P1 5′-ACAT
P2 5′-C
以CKAR生物传感器载体质粒为起点,通用质粒FT-T为中间载体,依次获得了多个中间重组子,最后获得目的重组质粒Smad3-Biosensor(ECFP-Smad3-Citrine-pcDNA3′)。经PCR鉴定、双酶切鉴定和测序结果均表明成功构建Smad3 Biosensor(见图 1、2)。

1:Smad3生物传感器质粒PCR结果;M:DNA marker Ⅲ标准分子量
Figure1. Identification of constructed Smad3 biosensor vector by PCR1: Smad3 biosensor vector PCR production by electrophoresis; M: DNA marker,marker Ⅲ

1:Smad3生物传感器载体
1: Smad3 biosensor vector by double restriction enzymes digestion with
1.3 细胞培养和转染
293T细胞用含10% FBS的DMEM培养基,在37 ℃、 5% CO2培养箱中培养。转染前1 d,细胞用0.05%胰蛋白酶消化,铺入Petri皿中,密度为2×104 个/皿。待细胞生长融合至50%~70%时,按照Lipofectamine 2000转染试剂盒操作说明,转染3 μg Smad3 Biosensor载体质粒,7 μL Lip2000,转染24 h后,用Zeiss Axiovert 200 M倒置荧光显微镜观察荧光蛋白表达情况。
1.4 荧光成像及FRET检测
1.4.1 校正因子计算
在Zeiss Axiovert 200 M倒置荧光显微镜上,采用1 000倍油镜。分别选取CFP、YFP、FRET三个滤光片作为供体、受体、FRET三个通道的滤光片。分别用单独转染并表达pCFP和pEYFP的细胞来检测并计算供体的校正因子(correction factor)A和B,MetaFlour FRET软件计算供体及受体串色常数,得到校正后的FRET。
1.4.2 FRET检测
将滤光片转到CFP通道,镜下确定视野,选定待测细胞,将滤光片转到FRET通道,拍照获取单张细胞图片。对待测细胞圈定几个感兴趣区域(region of interest,ROI),同时选定1个无细胞的背景区域,用以扣除背景信号。设置实时观察时间60 min,每间隔1 min采图一次,共60张。连续采集CFP、YFP和FRET三个通道的图片;将前面计算出的供体校正因子A和受体校正因子B输入MetaFlour FRET 4.6软件自带公式,运用校正的方法计算出Corrected FRET,并用伪彩标记FRET图像(pseudoecolored FRET image)显示FRET效率。确认CFP、YFP、YFP/CFP Ratio三条基线处于平稳状态后,加入终浓度为1.25 ng/mL的TGF-β1,动态观察FRET变化。
2 结果
2.1 Smad3 biosensor的表达、FRET值检测及计算
在488 nm激光激发转染Smad3 biosensor的293T细胞,用515 nm的绿色荧光蛋白通道观察发现:细胞可发出较强的绿色荧光,整体细胞转染率达到40%(见图 3)。除了能在CFP通道和YFP通道看到均匀分布的青色和黄色荧光外,还可以在FRET通道看到明显的黄色荧光即FRET现象(见图 4)。并且用伪彩标记的RRET图像也显示有较高的FRET值(数据未显示)。


2.2 TGF-β1诱导Smad3融合蛋白的动力学研究
为了能在293T细胞中实时动态观察到TGF-β1诱导的Smad3被激活的生理过程,我们将293T细胞转染了Smad3 biosensor质粒,表达24 h后,观察TGF-β1诱导处理前后,Smad3融合蛋白的FRET现象的变化情况。细胞分为对照组(n=3)和实验组(n=3),对照组加入PBS液,实验组加入TGF-β1液(浓度1.25 ng/mL)。结果显示:对照组在实验记录时间内,YFP和CFP的荧光强度没有任何变化;实验组(见图 5、6)中,经过TGF-β1处理后,可以看到前10 min左右CFP、Citrine的荧光强度没有变化,这段无反应期之后,出现了CFP荧光强度明显增强而Citrine的荧光强度明显减弱的现象,Citrine/CFP的强度也明显减弱,变化持续时间约300 s,之后600 s Citrine/CFP的强度逐渐恢复。用PBS冲洗,30 min后,重复上述实验有时还可以出现上述FRET改变的现象。综上所述,基于FRET原理,通过定量分析对照组和实验组的Citrine和CFP荧光强度随时间变化的比率,证实Smad3蛋白在TGF-β1诱导下被激活并发生了空间构象的改变,历时约300 s,而293T细胞在TGF-β1诱导下TGF-β1/Smad3信号转导有一定滞后时间,约10 min。

上排:加入TGF-
Upper line: before adding TGF-

3 讨论
FRET现象是指当两个荧光基团足够近时(通常在10 nm以内),激发供体荧光基团,能量将转移到受体荧光基团,使受体发射出荧光,FRET现象是一个距离依赖性的物理过程,其效率与供体和受体荧光基团之间距离的六次方成反比。由于其能量传递与供受体之间的距离的高度依赖性,使得人们可以利用FRET现象来分析两个分子间的相互作用或者同一分子间构象的变化[6]。根据这一原理,将目标蛋白与荧光蛋白融合表达,运用FRET技术在活细胞中可用于可视化检测细胞内信号转导机制的研究[7]。CFP和YFP是最常用的一对用于FRET研究的荧光基团。但是YFP易于受到细胞中酸碱度和氯离子的影响,有学者将YFP置换为更稳定的黄色荧光蛋白变体--Citrine,从而大大提高了FRET的效率[8]。本实验所用的一对荧光蛋白就是CFP和Citrine,在Zeiss Axiovert 200 M倒置荧光显微镜下观察到了FRET现象,说明Smad3 biosensor融合蛋白表达成功,荧光蛋白产生的FRET的效率较高。
本实验TGF-β1与293T细胞共孵育10 min后,Smad3的融合蛋白的FRET现象才发生改变,这一段无反应时间是什么因素造成的,或者说TGF-β1/Smad3信号转导通路的限速反应步骤是什么,这是一个值得研究的问题。既往研究证实,TGF-β1能与细胞表面密布的TGF-β1受体迅速结合,亲和力很强,信号转导速度应该很快[9]。有研究也证实,Smad3在胞质中弥散速度很快,能很快接受TGF-β1受体磷酸化[10]。我们考虑以下步骤可以影响TGF-β1/Smad3信号转导通路的反应速度,如TGF-β1与受体结合后TGF-β1受体入胞作用的速度[11],还有Smad3被TGF-β1受体磷酸化后脱落的速度也会影响到其他Smad3继续被TGF-β1受体磷酸化的速度。上述因素均可延迟TGF-β1/Smad3信号转导通路的反应时间。
Smad3被磷酸化后,其MH2区产生了空间结构改变,与MH1区像双臂一样打开,使得Smad3融合蛋白两端的CFP和Citrine荧光蛋白的FRET效率减低,FRET变化过程提示,上述Smad3被磷酸化并产生变构的过程历时约300 s。从区域上看,靠近胞膜的胞质中产生FRET现象较明显,提示了反应的位置。FRET现象产生变化的时间反映了细胞内Smad3被磷酸化的过程,使我们在时间和空间二维层次上认识了TGF-β1/Smad3信号转导通路在活细胞中的传递过程。
最近有研究表明,Smad3蛋白的基因突变和缺失与乳腺癌[12]和胃癌[13]有关。我们相信本实验中的Smad3 biosensor将能作为一种抗肿瘤药物的高通量筛选工具和药效评价工具,为肿瘤临床的分子靶向治疗提供可靠理论依据。