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胰升血糖素样肽-1受体激动剂高通量筛选细胞模型研究

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第46卷2007年第5期 9月 中山大学学报(自然科学版) ACTA SCIENTIARUM NATURALIUM UNIVERSITATIS SUNYATSENI Vo1.46 No.5 Sep. 2007 胰升血糖素样肽一1受体激动剂 高通量筛选细胞模型研究 范益军 ,欧阳克清 ,王贵学 ,罗傲雪 (1.重庆大学生物工程学院,重庆400044; 2.四川农业大学资源与环境系,四川都江堰611830) 摘 要:为建立GLP一1受体激动剂的高通量筛选方法,将GLP一1受体质粒和报告基因质粒(3 x CRE/3×MRE/ SRE—LUC/pGL3)按照1:5的比例共转染到CHO细胞中,建立GLP一1受体激动剂筛选细胞株。利用GLP.1内源 激动剂探索和优化每孔细胞接种密度、荧光素酶表达时间、Bright.GloTM试剂用量、DMSO浓度等筛选条件,建立 可靠的筛选方法。当细胞数目为4×10 个/4L,激动剂孵育时间为8 h,Bright—Glo 试剂4倍稀释,每孔DMSO 终质量分数小于1%时,系统z 一因子为0.75。利用此模型对中药提取物库进行检测,发现有5个样品显示出活 性。结果表明,该模型能够用于GLP一1受体激动剂的高通量筛选。 关键词:胰升血糖素样肽一1受体;2型糖尿病;高通量筛选;报告基因 中图分类号:R587.1 文献标识码:A 文章编号:0529-6579(2007)05-0083-05 量筛选模型,利用其内源性激动剂GLP.1对筛选 胰升血糖素样肽一1(Glucagon—Like Petide一1, GLP.1)是一种前胰升血糖素(Proglucagon)衍生 出来的多肽激素,能使正常人口服或静脉注射葡萄 糖后增加胰岛素的分泌,因此也被称为肠促胰岛素 (Incretin);GLP一1受体属于G蛋白偶联受体中的 Gs受体,是一种选择性和组织特异性蛋白质。 条件进行了摸索和优化,建立了可靠的筛选方法。 l材料与方法 1.1药品与试剂 转染试剂CytoPure 购自Nitto Denko Technical GLP.1通过激发其受体(GLP.1 R)产生生理功能, 能明显刺激胰岛素分泌、增加胰岛素敏感性、抑制 胰升血糖素水平和减慢胃的排空,对2型糖尿病和 1型糖尿病均有效,而且将其用于治疗不会产生低 血糖…。因此,研究其受体的小分子化合物激动 剂,是2型糖尿病治疗的一种新途径。 高通量药物筛选技术(high throughput screen— ing,HTS)是近年发展起来的一项新的药物发现技 Corporation。Bright.Glo 荧光试剂、pGL3载体、 Human cDNA购自Promega公司。G418购自Gib— CO 公司。GLP.1购自Sigma公司。pCDNA3.1载 体购于Invitrogen公司。细胞培养材料购自Bio. cloneTM公司。DMSO等化学试剂购于成都科龙化工 试剂厂。 1.2 实验仪器 术,它结合自动化操作系统和微量灵敏的生物反应 及检测系统,利用分子或细胞水平的药物筛选模型 来评价化合物的生物活性,其筛选速度快、规模 大、消耗量小,能实现一药多筛 。 多功能酶标仪GENios(TECAN),Bionphotom. eter(Enppendorf),PCR仪(PE公司),超纯水系 统(MILLIPORE),96孔分析板(Coming Coatar)。 1.3质粒构建 G蛋白偶联受体是高通量药物筛选的重要药 靶,在对其激动剂和拮抗剂的高通量药物筛选中, 引入基于基因重组技术的报告基因筛选方法,将第 二信使的变化与报告基因相偶联,通过报告基因的 表达量,反映第二信使的变化与配体的功能,能极 大的提高筛选通量,高效而且节省成本。 本实验建立了一个GLP一1受体激动剂的高通 }收稿日期:2006—09—01 报告基因质粒(3×CRE/3×MRE/SRE—LUC/ pGL3)的构建:将cAMP响应元件CRE、多重响 应元件MRE和血清响应元件SRE插入到含荧光素 酶基因(Luciferase gene,LUC)的pGL3载体上, 从而构建了报告基因质粒3×CRE/3×MRE/SRE— LUC/pGL3 。 基金项目:国家973计划资助项目(2003CB716601) 作者简介:范益军(1980年生),男,讲师;通讯联系人:欧阳克清;E—mail:qingke201@126.com 维普资讯 http://www.cqvip.com 中山大学学报(自然科学版) 第46卷 GLP一1受体质粒的构建:根据GLP一1受体基因 序列设计引物,以Human cDNA为模板进行PCR 扩增,将扩增产物克隆到pCR2.1载体,再亚克隆 到pCDNA3.1载体,得到GLP一1受体质粒(GLP一 1R/pCDNA3.1),测序。 1.4稳定细胞株的建立 将CHO细胞消化,接种于6孔板中,接种密 度为0.8 X 10。一1 X 10。个/mL,RPMI1640完全培 养基(RPMI1640基本培养基、 =10%胎牛血清、 =1%非必需氨基酸, =1%青霉素+链霉素), 置37℃、 =5%CO2孵箱中培养。 待细胞融合度达到60%一80%时,将GLP一1R 质粒和报告基因质粒按照1:5的比例共转染到 CHO细胞中,转染试剂为CytoPureTM,用筛选培养 基(RPMI1640完全培养基,600 mg/L的G418) 继续培养,及时除去死细胞。挑取单克隆,并用 CRE的激活剂Forskolin和内源配体GLP一1检测荧 光素酶的表达,选取荧光素酶表达量最高的单克隆 (细胞内含有GLP一1R质粒和报告基因质粒)作为 筛选细胞株。 建立阴性对照株:将pCDNA3.1载体和报告基 因按照1:5的比例共转染到CHO细胞中,用筛选 培养基筛选,挑取单克隆,并用CRE的激活剂 Forskolin检测荧光素酶的表达,选取荧光素酶表达 量最高的单克隆作为阴性细胞株。 1.5荧光素酶报告基因的检测 用含血清量为 =3%的RPMI1640培养基收 集细胞,接种于96孔板中,每孔90 L。置37 oC、 =5%CO:孵箱中培养24 h后,每:fL ̄H人10 L化合物样品,通过检测其信号来优化筛选模型。 2 实验结果 2.1筛选条件的优化 2.1.1 细胞接种密度为了检验不同细胞接种数 目对筛选的影响,我们分别接种了2 X 10 /:fL,4 X 10 /:fL,6 X 10 /:fL,8 X 10 /:fL,10 X 10 /:fL 5 个密度的细胞于96孔板,利用GLP一1刺激,培养 8 h后检测,结果见图1。随着细胞密度的增加, 荧光素酶的信号值逐渐增大,到密度为8 X 10 /孔 时达到最大值,超过8 X 10 /:fL后其值下降。 荧光素酶的表达与受体的数量有密切关系,当 GLP一1浓度一定时,受体越少即细胞数目越小,结 合的GLP一1就越少,则信号值就越弱。反之,受 体越多即细胞数目越大,结合的GLP一1就越多, 则信号值就越高。但是细胞密度过大,会造成孔内 细胞生长受阻以及细胞死亡,受体的表达也会相应 减少,所以其荧光素酶的表达量较低,信号值降 低。故只有当细胞数目在一个合适的范围内时,其 生长量才与荧光素酶的表达成正比。 本实验发现当细胞密度为4 X 10 /:fL时所检测 到的信号值已经较高,完全能适应分析要求,故为 不浪费细胞资源,本实验采用4 X 10 /:fL的细胞密 度。 lg[GLP・1]/(mol・L ) +20000+40000+60000—0—80000+100000 图1 不同细胞接种数目对报告基因检测的影响 Fig.1 The effect of different cell numbers on the reporter gene assay 2.1.2 荧光素酶的表达时间 激动剂与受体作用 后,会启动一系列的反应,引发荧光素酶的表达。 为了确定荧光素酶的最佳表达时间,我们将细胞以 4 X 10 /:fL的密度接种于96孔板中,加入100 nmol/L的GLP一1,分别在2,4,6,8,10,12 h 时测量其信号值,结果见图2。在8 h内随着时间 增加,荧光素酶的表达增加,在6—8 h内荧光素 酶的表达较高且信号稳定,至8 h时达到最大值, 而8 h后随时间增加其信号明显下降。因此在实验 中我们选择8 h作为荧光素酶的表达时间。 2 4 6 8 10 12 1 4 t/h 图2不同表达时间对报告基因检测的影响 Fig.2 Effect of incubation times on the reporter gene assay 维普资讯 http://www.cqvip.com

第5期 范益军等:胰升血糖素样肽一1受体激动剂高通量筛选细胞模型研究 2.1.3 Bright—Glo 试剂的用量 在荧光素酶报告 受体是否会干扰最终的信号检测。 加O 如O m帅 O O 基因分析中,为降低筛选成本,我们比较不同浓度 的Bright.GloⅢ试剂:原液、2倍稀释、4倍稀释、 8倍稀释,以选定最佳的试剂浓度,结果见图3。 随着稀释度的增加,信号值呈下降趋势,但是2倍 稀释和4倍稀释时与原浓度相比,信号值没有很明 显的变化,8倍稀释时有所下降。因此在实验中我 们采用4倍稀释。 7 —6 5 ~6 —5 5 —5 lg[GLP一1]/(mol・L一 ) lBG—.广-l:2BG—.卜_l:4BG-.0"-l:8BG 图3 不同底物浓度对报告基因检测的影响 Fig.3 Effect of different substrate concentrations on the reporter gene aSSay 2.1.4 DMSO的用量 由于二甲亚砜(DMSO) 对细胞生长和信号传导有影响,因此我们分析了不 同质量分数DMSO对GLP.1受体细胞株的荧光素 酶表达的影响,结果见图4。当DMSO质量分数低 于1%时,对细胞株的荧光素酶表达影响较小,而 超过1%时其表达量急剧下降。因此在实验中每个 孔所加的DMSO其终极质量分数均应小于1%。 3 ・ O.5 O O.5 l 3 5 7 w(DMSO)/% 图4 DMSO质量分数对报告基因的影响 Fig.4 Effect of concentration of DMSO on the reporter gene assay 2.2 GLP一1受体细胞株内源干扰性的检测 CHO细胞株是常用的研究G蛋白偶联受体的 细胞株,但由于其内部信号通路不清楚,利用该细 胞株作为GLP.1受体宿主时,需要检验其内源性 我们用不同浓度的GLP一1分别刺激GLP一1R细 胞株和阴性对照株,结果见图5。在GLP.1R细胞 中荧光素酶的表达与GLP一1的浓度呈正比关系, 而用不同浓度GLP.1刺激阴性细胞株时,发现其 响应值非常低,与空白对照接近。因此内源干扰性 可以排除,表明GLP一1R细胞株完全可用于高通量 筛选。 1400 1200 1000 800 600 0 。0 7.b -7 一b.b —b — .b ~ Ig[GLP—1]/(mol・L ) ●一●:GLP—l受体细胞株▲一▲:阴性对照株 图5 GLP—lR细胞株和阴性细胞株响应的比较 Fig.5 The compare of GLP—l R stable cell line and negative cell line 2.3筛选方法的评估 z 因子是一个常用于判断高通量筛选模型稳定 性的统计学参数 J,其公式为: 35阳性+35空白 Z =1一_二 . —=_二== 阳性一 空白 如果Z <0.5则说明分析条件还需要进一步优 化,或者该检测形式无法得到有效的数据。如果 Z 1>0.5说明该系统有良好的稳定性,适用于高通 量筛选。 为了评估本筛选模型是否稳定地适用于高通量 筛选,我们随机选取96孔板的60个孔,其中30 个孔加入GLP一1作为阳性对照,另外30个孔作为 空白对照,连续检测3 d,从而计算出Z =0.75, 大于0.5,表明该模型适合高通量筛选。 结果阳性对照与空白对照的X-I,-S/RUL分别为 967.3±45.5,236.5士15.3,而CV/%分别为4.7, 6.5。 2.4中药筛选 以200种2型糖尿病治疗中草药为研究对象, 对其进行提取,利用优化后的GLP一1受体激动剂 筛选模型对中药醇提物进行检测,有l0种中药激 活荧光素酶表达的读数超过背景值的2倍,接近 100 nmolfL的GLP一1刺激时的读数(见图6);在 这l0个样品中,有5个样品能激活阴性对照细胞 株(见图7),即为假阳性,而其它5种中药中就 有直接激活GLP.1受体的活性物质。 维普资讯 http://www.cqvip.com 中山大学学报(自然科学版) 第46卷 r一一r _- l一 0 n删帅㈣  0 0 O ㈣ 0 O 。 3 j【_  1O0 t 50 200 25() c(中药)/(nmol・L。。) 图6 GLP。1受体筛选结果 Screening result of GLP一1 R cell line 25()0 2000 1500 1000 500 () I I I-I- I¨ 3 4 5 6 7 8 9 10 cell GLP 样品 图7 阴性细胞株筛选结果 Screening result of negative cell line 3讨论 GLP一1受体属于七跨膜区受体族,是一种选择 性和组织特异性蛋白质 。]。最先在大鼠的胰岛素 细胞瘤的细胞株中发现,其主要第二信使是 cAMP,当细胞外葡萄糖浓度增加时,葡萄糖进入 13细胞被氧化使细胞内的ATP含量增加,ATP与 ATP敏感的K 通道结合,导致K 通道关闭,细 胞膜去极化,于是Ca 通道开放,Ca 内流,刺 激胰岛素从13细胞排出 。因此,GLP一1受体是 2型糖尿病治疗中非常重要的药靶基因。 根据G蛋白偶联受体(GPCRs)的信号通路 特性,其高通量筛选模型大致可以分为3类:第1 类基于受、配体结合检测的分析方法,包括 FMAT、FP和SPA;第2类是基于第二信使检测的 分析方法,包括cAMP的ELISA分析、MA和ca“ 测定;第3类是基于受体功能反应的报告基因检测 方法。在这3类方法中,基于受体功能反应的报告 基因检测方法易于区分激动剂和拮抗剂,且操作简 单,是筛选受体激动剂和拮抗剂的最有效也是最常 用的方法。 研究中,利用GLP一1受体基因、荧光素酶报 告基因和响应元件(MRE、CRE、SRE)建立了 GLP一1受体激动剂的高通量筛选的稳定细胞株。当 配体与GLP一1受体相结合时,就会激活其相应的 信号通路,荧光素酶报告基因响应这种信号,在细 胞内大量表达,通过检测细胞质中荧光素酶的活 性,可以评估配体的功能性作用和进行高通量筛 选。 在报告基因质粒构建中,我们选择的响应元件 为MRE、CRE和SRE。MRE为多重响应元件,响 应PKA和PKC信号通路 …;CRE为cAMP响应元 件,响应PKA信号通路… ;SRE为血清响应元 件,响应PKC信号通路 。GLP一1受体属于G蛋 白偶联受体中Gs型受体,结合其信号通路,我们 选取了3种响应元件,构建了3 X CRE/3 X MRE/ SRE—LUC/pGL3的报告基因质粒。能够完全监控 GLP一1受体激活后引发的信号变化。 虽然响应元件能灵敏监测第二信使的变化,但 是引起第二信使变化的因素很多,可能出现不通过 GLP一1受体激活报告基因表达的现象。因此我们同 时建立了一个仅含响应元件和报告基因的细胞株, 作为筛选的阴性对照来排除假阳性。 在细胞株的建立中,由于pGL3载体不带抗性 标记,而pCDNA3.1载体自带G418抗性标记,无 法进行二步转染,所以我们利用两种载体构建质 粒,按1:5比例一步共转染CHO细胞。当GLP一1 作用于其受体细胞株8 h时,报告基因达到最大稳 定表达,而其后,表达量降低,可能是由于脱敏作 用的原因。 本实验中,我们采用了报告基因检测方法,将 GLP一1受体质粒和报告基因质粒共同转染到CHO 细胞中,并对筛选条件进行优化,建立了GLP一1 受体激动剂高通量筛选模型,通过该模型对中药提 取物进行检测,发现活性物质,通过分离纯化等进 一步研究就可得到其激动剂。 参考文献: [1] 范益军,欧阳克清,王贵学,等.胰升血糖素样肤一1及 其受体与2型糖尿病的治疗[J].生物化学与生物物 理进展,2005,32(5):393—396. [2] 黄家学,胡娟娟,杜冠华.化合物药物活性的高通量筛 选[J].中国药理学通报,1999,16(5):401—4O4. [3] 梁乾的,王升起.药物高通量筛选分析技术[J].国外 医学:药理学分册,2002,29(1):22—28. [4] JIANG C,CHEN G,ZENG X,et 1a.Generation of bio— active neuropepitde in a cell—free system[J].Anal Bio— chem,2003,316(1):34—4O. I 5 l ZHANG J H。CHUNG T D,OLDENBURG K R.A sim— ple statistical parameter for use in evaluation and valida— tion of high throughput screening assays[J].J Biomol Screen,1999,4(2):67—73. 、 [6] BAVEC A,HALLBRINK M,LANGEL U,et 1a.Difer- 维普资讯 http://www.cqvip.com

第5期 范益军等:胰升血糖素样肽一1受体激动剂高通量筛选细胞模型研究 2004,53(1):5—13. 87 ent role of intracellular loops of glucagon・・like peptide--1 receptor in G—protein coupling[J].Regul Pept,2003,1 1 1 (1—3):137一l44. DENORFER U,OETFGEN P,LIBERMANN T A.Mul・ tiple regulatory elements in the interleukin-6 gene medi— ate indaction by prostaglandins,cyclic AMP,and lipopo・ [7] RUNGE S,WUI FF B S,MADSEN K,et a1.Different domains of the glucagon and glucagon--like peptide・・1 re-- ceptors provide the critical determinants of ligand selectiv— lysaccharide[J].Mol Cell Biol,1994,14(7):4443— 4454. ity[J].Br J Pharnlacol,2003,138(5):787—794. [8] MACDONALD P E,SALAPATEK A M,WHEELER M B.Glucagon—like peptide一1 receptor activation antagoni— ROSENBERG D,GROUSSIN L,JULLIAN E,et a1. Role of the PKA—regulated transcription factor CREB in development and tumorigenesis of endocrine tissues[J]. Ann N Y Acad Sci,2002.968:65—74. STRATOWA C,MACHAT H,BURGER E,et a1. zes voltage—dependent repolarizing K(+)currents in be— ta—cells:A possible glucose—dependent insulinotropic mechanism[J].Diabetes,2002,51(3):443—447. [9] HOLZ G G.Epac:A new cAMP—binding protein in sup— port of glucagon--like peptide--1 receptor・・mediated signal Functional characterization of the human neurokinin I℃. ceptors NK1,NK2,and NK3 based on a celluar assay system[J].J Recept Signal Transduct Res,1995,15 (1—4):617—630. transduction in the pancreatic beta—cell[J].Diabetes, rL rL rL 1J 1J¨  1J Study on Cell Model for High Throughput Screening the Agonist of Glucagon-・Like Petide-・1 Receptor FAN Yi-jun 一,OUYANG Ke—qing ,WANG Gui— ,LUO Ao.x//.,e (1.College of Bioengineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China; 2.Department of Resource and Environment,Sichuan Agricultural University,Dujiangyan 611830,China) Abstract:In order to establish high throughout screening method for identi ̄ing agonists for glucagon—like petide一1 receptor(GLP一1 R),a cell line was set up after the GLP一1 receptor plasmid(GLP一1 R/pCDNA3.1)and reporter gene plasmid(3×CRE/3×MRE/SRE—LUC/pGL3)were co—transfectted CHO at the ratio of 1:5.To identify and optimize the screening model,the effects of some factors were examined by using GLP一1,such as cell number per well,incubation time,dosage of Bright—GloⅢand concentration of DMSO.Based on a steady cell line.a relia— ble screening model was established for GLP一1 R agonist screening.The Z'-factor value for the screening model was estimated 0.75 under the conditions that 4×10 cells in each well were incubated for 8h using 4 times diluted Bright—Glo and less than 1%DMSO.The extracts of tradition Chinese medicine were assayed using the screening model,and five samples of them showed activity.Experiments showed that this method could be applied to high throughout screen agonist for GLP一1 receptor. Key words:GLP一1 receptor;type 2 diabetes-mellitus;high throughput screening;reporter gene 

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