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编号:10266596
老年小鼠脾细胞DNA修复能力的变化及gadd45和gadd153基因的可诱导性改变
http://www.100md.com 《首都医科大学学报》 1999年第4期
     作者:闫雪冬 张宗玉 童坦君

    单位:北京医科大学生物化学与分子生物学系,北京 100083

    关键词:DNA修复;Gadd45基因☆;Gadd153基因☆;脾;基因表达;转录;遗传

    北京医科大学学报990401 摘 要 目的:研究小鼠脾细胞DNA修复能力的增龄变化以及这种变化的发生与损伤可诱导的gadd45、gadd153基因表达的关联。方法:以紫外线损伤脾细胞DNA,用非程序DNA合成和单细胞凝胶电泳试验测定DNA修复能力;用Northern 杂交方法检测紫外线损伤后gadd45、gadd153基因转录水平的变化。结果:老年小鼠脾细胞DNA修复能力低于青年鼠,老年鼠gadd45 和gadd153基因的紫外线损伤的可诱导性也低于青年鼠。结论:小鼠脾细胞DNA修复能力随增龄而下降,这种变化的发生可能与老年小鼠脾细胞在紫外线损伤后gadd45、gadd153 mRNA表达的可诱导性下降有关。
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    中国图书资料分类法分类号 Q344-332

    The change of DNA repair capacity and gadd45,gadd153 gene inducibility in old mouse splenocytes

    YAN Xue-Dong, ZHANG Zong-Yu, TONG Tan-Jun

    (Department of Biochemistry and Molecular Biology, Beijing Medical University, Beijing 100083)

    ABSTRACT Objective: To investigate the change of DNA repair capacity of mouse splenocytes with age and the correlation between this change and the mRNA expression of DNA damage inducible genes gadd45, and gadd153. Methods: The mouse splenocytes were irradiated by UV light, then unscheduled DNA synthesis(UDS) and single cell gel electrophoresis were performed to measure DNA repair capacity, and mRNA expressions of gadd45, and gadd153 were studied by Northern blot analysis. Results: DNA repair capacity of old splenocytes was much lower than that of young ones. After UV irradiation, the mRNA expressions of gadd45 and gadd153 increased obviously in both the young and the old splenocytes. But the increase was significantly higher in the young than in the old. Conclusion: There is a decline in DNA repair capability in mouse splenocytes with age. This may be partly due to a relatively lower mRNA expressons of gadd45, and gadd153 genes in old splenocytes after UV irradiation.
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    MeSH DNA repair Gadd45 genes Gadd153 genes Spleen Gene expression Transcription, genetic

    近年来,有关DNA损伤修复和衰老关系的研究日益引起人们的关注。DNA作为遗传信息的携带者和传递者,其结构与功能稳定的重要性不言而喻。然而,生物体中的DNA在内、外环境中各种物理、化学因素的影响下不断发生损伤,因此DNA损伤的修复对维持细胞的正常功能就显得尤为重要。许多研究表明DNA修复能力随增龄而下降[1,2],另外,有研究表明DNA损伤可诱导约20个生长阻滞与DNA损伤可诱导基因(growth arrest and DNA damage inducible gene, gadd)的表达[3]。为了解衰老过程中DNA修复能力下降的可能分子机制,本实验以体外培养的小鼠脾细胞为材料,以紫外线照射为DNA损伤剂,观察其修复能力随增龄的变化,以及DNA损伤后gadd基因族中gadd45、gadd153 mRNA 表达随增龄的变化。
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    1 材料与方法

    1.1 材料与试剂

    BALB/c纯种小鼠为本室自养,分青年鼠(3~6月龄)及老年鼠(28~32月龄)两个年龄组,雌雄不拘;HB101为本室保存菌种;pBlueSK 质粒(含有gadd153,gadd45 cDNA)由北京医科大学人民医院惠赠;β-actin cDNA 探针为本室留存。

    细胞培养基RPMI-1640为GIBCO/BRL公司产品;胎牛血清为北京北郊农场血液制品所产品;刀豆球蛋白A (ConA)、甲磺酸甲酯(methyl methanesulfonate, MMS) 、羟基脲、低熔点琼脂糖、十二烷基肌氨酸钠(sarkosyl) 及碘化丙啶(propidium iodide)均为美国Sigma公司产品;Triton-X100 购自BIB;3H-TdR 购自中国原子能科学研究所; α-32P-dCTP(3.7×105 Bq.μl-1)购自北京亚辉生物工程公司;其余试剂均为进口分装或国产分析纯级。
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    1.2 方法

    脾细胞的制备及非程序DNA合成(unscheduled DNA synthesis, UDS)试验:参照文献[2]进行。

    单细胞凝胶电泳试验[4]:将不同年龄小鼠脾细胞用RPMI-1640稀释至1×106 ml-1,铺于平皿(60 mm)中,然后进行紫外线照射(同UDS试验,紫外灯的波长为254 nm,照射强度为0.45 J.m-2.s-1,时间5 min)以损伤DNA。损伤后加入培养液于37 ℃培养一定时间,收集对照组(未经损伤处理)及损伤处理后0,0.5,1,3,6,12 h的脾细胞,制成单细胞悬液,调整为2×105 ml-1。然后进行单细胞凝胶电泳试验。进行结果分析时,每组随机选取至少20个细胞,在荧光显微镜下用目镜测微尺测量DNA迁移距离(migration distance of DNA,MDD),即从彗星头部中心到尾尖的距离。以DNA迁移距离代表链断裂的程度。
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    Northern 印迹杂交:gadd45 cDNA探针应用kpnⅠ和sacⅠ内切酶,gadd153 cDNA探针应用BamHⅠ内切酶消化pBlueSK质粒后制备。随机引物法,α-32p-dCTP标记探针。培养皿内脾细胞经紫外线照射(处理同上)5 min后,加入混合培养液于37 ℃保温6 h,冰冷PBS缓冲液洗涤细胞两次,应用异硫氰酸胍一步法提取细胞总RNA,RNA经甲醛变性凝胶后转移至硝酸纤维素膜上,然后分别用α-32p-dCTP标记的gadd153、gadd45 cDNA和β-actin cDNA探针与固定在硝酸纤维素膜上的RNA进行预杂交及杂交,按常规方法洗膜,于-70 ℃放射自显影。用图像分析仪测定杂交信号的光密度值。

    2 结果

    2.1 小鼠脾细胞DNA修复能力随增龄而下降

    羟基脲能有效地抑制DNA的复制,当浓度适当时,对修复合成的抑制则较小。本实验培养液中加入5 mmol.L-1羟基脲,经损伤诱导后细胞的DNA合成即可代表DNA的修复合成即UDS。从图1可见,在紫外线照射后12 h左右DNA合成达峰值;老年鼠脾细胞对UV照射所致损伤的修复能力明显低于青年鼠,经t检验差异有显著性,P<0.01。
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    图1 不同年龄小鼠脾细胞DNA修复合成能力的比较

    Figure 1 A comparison of UV-initiated UDS(3H-TdR incorporation)

    in splenocytes of young and old BALB/c mice

    单细胞凝胶电泳技术(single cell gel electrophoresis assay,SCGE),又称彗星试验(comet assay),是一种在单细胞水平检测DNA损伤与修复的方法。通过凝胶电泳,DNA从阴极向阳极方向迁移,断裂的DNA片段迁移速度快,在荧光显微镜下观察形成类似“彗星”的图象,在镜下用目镜测微尺直接测量DNA迁移距离(从彗星头部中心到尾尖的距离)可判断DNA链断裂情况。紫外线照射所致的DNA损伤主要是形成环丁烷嘧啶二聚体和(6,4)光产物,并不形成单细胞凝胶电泳技术可直接检测的链断裂损伤,但细胞对其DNA损伤进行切除修复时,在内切步骤可形成链断裂,然后进行修复,断裂的链重接,因此可检测到的链断裂水平反映了内切和重接步骤的平衡。从图2及附表1可见,未受紫外线照射的青年鼠脾细胞没有DNA断裂,所以无彗尾,紫外线照射后,随着修复的进行,彗尾伴随着链断裂而出现,随着链重接而消失;老年鼠脾细胞未受紫外线照射前即有DNA断裂,紫外线照射后,于37 ℃孵育一定时间,老年鼠脾细胞的彗尾变长,但老年鼠DNA迁移距离平均值(mean value of migration distance of DNA, MV-MDD)的增加比青年鼠小,提示老年鼠脾细胞修复能力低于青年鼠,鲜有切口形成。
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    a, comet image of untreated splenocytes (young mouse); b, comet image of splenocytes at 1 h after UV irradiation (young mouse); c, comet image of untreated splenocytes (old mouse); d, comet image of splenocytes at 1 h after UV irradiation (old mouse).

    图2 显示DNA迁移的荧光显微摄影图像

    Figure 2 Fluorescence photomicrographs showing DNA migration patterns

    表1 紫外照射后以MV-MDD表示的链断裂形成
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    和持续的时间进程

    Table 1 Time course of strand break formation and persistence

    as indicated by MV-MDD after UV irradiationl/μm

    t/min

    0

    30

    60

    180

    360

    720

    Old
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    60±4

    65±4

    77±3

    70±4

    67±4

    65±3

    Young

    34±4

    55±3

    70±2

    52±3

    42±3

    35±3
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    2.2 不同年龄小鼠脾细胞经紫外线照射后gadd45,gadd153 mRNA的表达

    Northern杂交显示,紫外线照射可以诱导青年鼠及老年鼠脾细胞gadd45、gadd153基因的转录,但老年鼠脾细胞的可诱导性明显低于青年鼠(图3)。积分光密度扫描分析表明,青年鼠脾细胞gadd153基因在紫外线损伤后mRNA表达增加了102%,而老年鼠仅增加58%;青年鼠脾细胞gadd45基因在紫外线照射后mRNA表达增加了244%,而老年鼠仅增加164%。

    3 讨论

    核苷酸切除修复是真核生物乃至人类的一种主要修复方式,紫外线照射形成的环丁烷嘧啶二聚体及少部分(6,4)光产物均通过这一途径进行修复。许多研究发现DNA切除修复能力与年龄具有相关性[1,2]
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    1, untreated old splenocytes (Oc); 2, untreated young splenocytes (Yc); 3, old splenocytes were harvested at 6 h after UV irradiation (Ouv); 4, young splenocytes were harvested at 6 h after UV irradiation (Yuv).

    图3 紫外线照射对gadd153和gadd45 mRNA表达的影响

    Figure 3 Effect of UV irradiation on gadd153

    and gadd45 mRNA expressions

    我们用紫外线照射诱导损伤,不仅用UDS试验检测脾细胞总的DNA修复能力,还用单细胞凝胶电泳技术从单个细胞水平对UDS试验的结果进行验证,均发现小鼠脾细胞DNA修复能力随增龄而下降。
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    细胞对DNA损伤的反应是极其复杂的,是多种酶和因子参与的过程,究竟是什么原因导致修复能力随增龄下降,一些与损伤修复相关的基因在衰老过程中是否发生变化都是值得研究的问题。体外实验发现gadd族中的gadd45能促进DNA的切除修复,其它gadd 基因的作用如何还不甚清楚[3,5]。为此我们用Northern 印迹杂交方法检测了gadd45和gadd153转录水平的表达变化,结果发现这两种基因均可在转录水平被紫外线照射所诱导,但老年鼠脾细胞其可诱导性低于青年鼠。gadd45和gadd153可以被各种各样的损伤因素所诱导,其中gadd45可能与损伤后的G1期阻滞有关。有文献报道,与未转染或转染了空载体的细胞相比,表达反义gadd45 RNA使gadd45阻断的人类结肠癌RKO细胞对肿瘤化疗药物顺铂的杀伤作用更加敏感,说明阻断gadd45的表达可导致DNA修复能力下降[6]。由此可以推断,老年鼠脾细胞修复能力下降与gadd45基因的可诱导性下降可能相关。gadd153在损伤后的细胞周期反应以及随之而来的修复过程中起何作用尚需进一步研究。
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    国家自然科学基金(39770386)资助项目;

    闫雪冬 硕士生;

    ☆ 自由词。

    参考文献

    1 童坦君,张宗玉.医学老年学——衰老与长寿. 北京:人民卫生出版社,1995.139-142

    2 南新升,张宗玉,黄 莉,等. 衰老过程中大鼠脾细胞DNA修复能力的变化. 中华老年医学杂志,1992,11(5):301-304

    3 Fornace AJ, Nebert DW, Hollander MC, et al. Mammalian genes coordinately regulated by growth arrest signals and DNA-damaging agents. Mol Cell Biol, 1989, 9: 4196-4203
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    4 Singh Np, McCoy MT, Tice RR, et al. A simple technique for quantitation of low levels of DNA damage in individual cells. Exp Cell Res, 1988, 175: 184-191

    5 Sanchez Y,Elledge SJ. Stopped for repairs. Bioessays, 1995, 17: 545-548

    6 Smith ML, Kontny HU, Zhan Q, et al. Antisense GADD45 expression results in decreased DNA repair and sensitizes cells to u.v.-irradiation or cisplatin. Oncogene, 1996,13: 2255-2263

    (1998-12-29收稿), 百拇医药