苯中毒病人TOPOⅡα啟動(dòng)子調(diào)控因子Sp1組蛋白化學(xué)修飾改變*

施益芬，甘一峰，沈志堅(jiān)，俞　康(溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院血液科，浙江溫州325015)

苯中毒病人TOPOⅡα啟動(dòng)子調(diào)控因子Sp1組蛋白化學(xué)修飾改變*

施益芬，甘一峰，沈志堅(jiān)，俞康△
(溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院血液科，浙江溫州325015)

［摘要］目的:研究拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱα(TOPOⅡα)啟動(dòng)子調(diào)控因子SP1組蛋白化學(xué)修飾在苯中毒病人中的改變。方法: 25例臨床慢性苯中毒患者骨髓單個(gè)核細(xì)胞為病例組，25例正常人骨髓單個(gè)核細(xì)胞為對(duì)照組，染色質(zhì)免疫沉淀技術(shù)探討TOPOⅡα啟動(dòng)子調(diào)控因子Sp1組蛋白乙?；图谆降淖兓?，RT-PCR法測(cè)定Sp1 mRNA的表達(dá)水平。結(jié)果:與對(duì)照組相比，臨床苯中毒病例TOPOⅡα啟動(dòng)子調(diào)控因子Sp1組蛋白H4和H3乙酰化水平下降(P＜0.01)，組蛋白H3K9甲基化水平升高(P＜0.01)，組蛋白H3K4甲基化水平無(wú)明顯改變。與正常對(duì)照組相比，臨床苯中毒病例TOPOⅡα啟動(dòng)子調(diào)控因子Sp1的mRNA表達(dá)水平降低(P＜0.05)。結(jié)論:慢性苯中毒TOPOⅡα啟動(dòng)子調(diào)控因子Sp1組蛋白H4、H3乙?；癏3K9甲基化修飾水平的改變伴隨著mRNA水平的變化。TOPOⅡα啟動(dòng)子調(diào)控因子Sp1可能通過(guò)組蛋白H4、H3乙?；癏3K9甲基化修飾改變?cè)诒街卸舅碌脑煅拘灾邪l(fā)揮作用。

［關(guān)鍵詞］苯; SP1;組蛋白乙?；?組蛋白甲基化;染色質(zhì)免疫沉淀

［修回日期］2015-05-26

苯作為一種常用工業(yè)原料，可經(jīng)多途徑進(jìn)入人體，而骨髓細(xì)胞則為苯誘導(dǎo)產(chǎn)生毒性的靶器官之一，可造成多種骨髓造血功能障礙，引起血液系統(tǒng)嚴(yán)重而不可逆的損害，可致外周血血細(xì)胞減少甚至再生障礙性貧血、白血病。但迄今為止，苯導(dǎo)致造血系統(tǒng)毒性和白血病的分子機(jī)制尚未闡明清楚［1］。近年來(lái)，拓?fù)洚悩?gòu)酶(topoisomerase，TOPO)在苯致造血毒性中的作用日益受到關(guān)注和確定［2-3］。本課題組前期的研究顯示，苯及其代謝物影響骨髓單個(gè)核細(xì)胞TOPOⅡα表達(dá)及活性，TOPOⅡα啟動(dòng)子組蛋白乙?；图谆礁淖兪瞧浜肯陆档臋C(jī)制之一［3-5］。Sp1是TOPOⅡα啟動(dòng)子重要的調(diào)控因子，使TOPO Ⅱα表達(dá)增加［6］。本研究進(jìn)一步探討TOPOⅡα表達(dá)降低是否還伴隨著TOPOⅡα啟動(dòng)子調(diào)控因子Sp1組蛋白化學(xué)修飾水平的改變，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)苯中毒相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)制提供依據(jù)。

材料和方法

1對(duì)象

取本院血液內(nèi)科臨床慢性苯中毒患者的骨髓標(biāo)本25份，該組患者男性9例，女性16例;平均年齡32.5歲(20～56歲)，苯接觸時(shí)間≥6月(6個(gè)月～5 年)。工作環(huán)境中苯濃度平均87 mg/m3(50～1 000 mg/m3)，超過(guò)時(shí)間加權(quán)平均容許濃度(PC-TWA，6 mg/m3)及短時(shí)間接觸容許濃度(PC-STEL，10 mg/m3)。25例年齡、吸煙、飲酒習(xí)慣等匹配的健康志愿者骨髓標(biāo)本作為對(duì)照，男性11例，女性14例;平均年齡33.8歲(19～58歲)。苯中毒患者診斷依據(jù): GBZ 68-2002《職業(yè)性苯中毒診斷標(biāo)準(zhǔn)》診斷。本研究已通過(guò)溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院倫理委員會(huì)的認(rèn)證。所有骨髓捐獻(xiàn)者簽署知情同意書。

2主要試劑

淋巴細(xì)胞分離液(天津TBD生物技術(shù)發(fā)展中心) ;染色質(zhì)免疫沉淀(chromatin immunoprecipitation，ChIP)檢測(cè)試劑盒、抗乙?；M蛋白H3抗體、抗乙酰化組蛋白H4抗體、抗二甲基組蛋白H3(K9)抗體和抗三甲基組蛋白H3(K4)抗體(Upstate) ; 37%甲醛(Sigma) ; TRIzol和PlatinumPCR Super-Mix (Invitrogen) ; GeneRulerTM50 bp DNA Ladder (Fermentas)。

3主要方法

3.1骨髓單核細(xì)胞懸液的制備取臨床苯中毒及健康志愿獻(xiàn)髓員的骨髓5 mL，肝素抗凝(5×104U/L)，淋巴細(xì)胞分離液密度梯度離心法分離制備成單個(gè)核細(xì)胞懸液，調(diào)整細(xì)胞終濃度為1×109/L。臺(tái)盼蘭染色檢測(cè)活細(xì)胞率，要求拒染率達(dá)95%以上。

3.2ChIPChIP檢測(cè)用ChIP分析試劑盒，按產(chǎn)品說(shuō)明書進(jìn)行。簡(jiǎn)言之，懸浮的骨髓單個(gè)核細(xì)胞用終濃度為1%的甲酰胺固定10 min，使轉(zhuǎn)錄因子與DNA交聯(lián)，用細(xì)胞裂解液破膜后，用超聲將DNA打碎成250～1 000 bp(此處提取的DNA片段命名為input DNA)。用特異性抗體［抗乙?；M蛋白H3抗體、抗乙?；M蛋白H4抗體和抗二甲基組蛋白H3 (K9)抗體、抗三甲基組蛋白H3(K4)抗體］沉淀DNA－蛋白復(fù)合物，用蛋白A瓊脂吸附復(fù)合物，經(jīng)洗去非特異性吸附后，解交聯(lián)，沉淀的DNA片段－20℃保存?zhèn)溆?此DNA片段命名為ChIPed DNA)。ChIPed DNA通過(guò)PCR法對(duì)目標(biāo)基因(TOPO Ⅱα啟動(dòng)子調(diào)控因子Sp1)進(jìn)行分析。

3.3PCR擴(kuò)增ChIP后DNA產(chǎn)物針對(duì)Sp1的DNA序列設(shè)計(jì)的引物見(jiàn)表1。擴(kuò)增條件為94℃5 min; 94℃30 s，58℃30 s，72℃1 min，35個(gè)循環(huán); 72℃10 min，4℃30 min。反應(yīng)完成后用1.8%瓊脂糖凝膠電泳并照相，Quantity One圖象分析系統(tǒng)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Sp1水平變化=(IP苯中毒組/Input苯中毒組)/(IP對(duì)照組/Input對(duì)照組)。

3.4RT-PCR采用TRIzol法提取實(shí)驗(yàn)組及對(duì)照組細(xì)胞總RNA;采用隨機(jī)引物法合成cDNA。針對(duì)Sp1 的mRNA序列設(shè)計(jì)引物(表1)。引物與GenBank基因序列核對(duì)無(wú)誤，采用β2微球蛋白作為內(nèi)參照(表1)，進(jìn)行PCR擴(kuò)增，擴(kuò)增條件為: 95℃10 min; 95℃30 s，62℃30 s，72℃30 s，35個(gè)循環(huán); 72℃10 min。經(jīng)1.5%的瓊脂糖凝膠電泳后，Quantity One圖像分析系統(tǒng)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。以目標(biāo)基因與β2微球蛋白擴(kuò)增產(chǎn)物的吸光度值的比值計(jì)算表達(dá)水平。

表1　引物序列Table 1.The sequences of the primers

4統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

用SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)均采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(mean±SD)表示，單因素方差分析及Turkey’s檢驗(yàn)來(lái)確定組間差異，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié)果

1與乙?；M蛋白H4結(jié)合的Sp1水平

病例組Sp1組蛋白H4乙?；捷^對(duì)照組明顯下降(P＜0.01)，見(jiàn)圖1、表2。

Figure 1.The result of ChIP analysis for acetylated histone H4 binding Sp1 DNA level.M: marker; 1: input control; 2: IP AceH4 control; 3: input benzene; 4: IP AceH4 benzene.圖1乙?；M蛋白H4結(jié)合的Sp1的ChIP分析

2與乙?；M蛋白H3結(jié)合的Sp1水平

病例組Sp1組蛋白H3乙酰化水平較對(duì)照組下降(P＜0.01)，見(jiàn)圖2、表2。

Figure 2.The results of ChIP analysis for acetylated histone H3 binding Sp1 DNA level.M: marker; 1: input control; 2: IP AceH3 control; 3: input benzene; 4: IP AceH3 benzene.圖2乙?；M蛋白H3結(jié)合的Sp1的ChIP分析

3與甲基化組蛋白H3K4結(jié)合的Sp1水平

病例組Sp1組蛋白H3K4甲基化水平較對(duì)照組稍下降，但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，見(jiàn)圖3、表2。

Figure 3.The results of ChIP analysis for methylation histone H3K4 binding Sp1 DNA level.M: marker; 1: input control; 2: input benzene; 3: IP MethH3K4 control; 4: IP MethH3K4 benzene.圖3甲基化組蛋白H3K4結(jié)合的Sp1的ChIP分析

4與甲基化組蛋白H3K9結(jié)合的Sp1水平

病例組Sp1組蛋白H3K9甲基化水平較對(duì)照組升高(P＜0.01)，見(jiàn)圖4、表2。

Figure 4.The results of ChIP analysis for methylation histone H3K9 binding Sp1 DNA level.M: marker; 1: input control; 2: IP MethH3K9 control; 3: input benzene; 4: IP MethH3K9 benzene.圖4甲基化組蛋白H3K9結(jié)合的Sp1的ChIP分析

5 RT-PCR結(jié)果

Sp1的mRNA水平較對(duì)照組降低(P＜0.05)，見(jiàn)圖5。

討論

苯所致造血毒性已得到廣泛重視，但其毒性機(jī)制仍遠(yuǎn)未闡明。普遍認(rèn)為苯造血毒性是氧化損傷、拓?fù)洚悩?gòu)酶功能失調(diào)、DNA損傷、免疫異常等多因素多水平綜合作用的結(jié)果［7-8］，推測(cè)苯誘發(fā)造血毒性涉及關(guān)鍵靶基因的細(xì)胞遺傳學(xué)改變(通過(guò)誘導(dǎo)造血干細(xì)胞基因突變，染色質(zhì)或表觀遺傳學(xué)、基因組不穩(wěn)定通路)，最終導(dǎo)致白血病干細(xì)胞形成及克隆演變［1］。表觀遺傳機(jī)制的改變導(dǎo)致的基因失活是近年來(lái)科學(xué)研究的熱點(diǎn)，主要包括組蛋白乙?；?、組蛋白甲基化、DNA甲基化和染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)中其它成分的修飾，這些修飾改變?nèi)旧|(zhì)構(gòu)型，導(dǎo)致基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞增殖失常。組蛋白乙?；c基因轉(zhuǎn)錄激活有關(guān)，去乙?；Ｒ?jiàn)基因轉(zhuǎn)錄沉默［9］，組蛋白H3K4甲基化與基因轉(zhuǎn)錄活化相關(guān)［10］，而組蛋白H3K9甲基化常見(jiàn)基因轉(zhuǎn)錄沉默［11］。我們的前期研究發(fā)現(xiàn)苯所致造血毒性與TOPOⅡα的表達(dá)下降相關(guān)，而TOPOⅡα啟動(dòng)子組蛋白乙酰化、甲基化化學(xué)修飾改變是其表達(dá)下降的機(jī)制之一［3-5］。

有學(xué)者認(rèn)為TOPOⅡ的mRNA水平降低與其穩(wěn)定性無(wú)關(guān)，而是由于其上游的轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)水平降低，導(dǎo)致拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ的啟動(dòng)子區(qū)活性下降，轉(zhuǎn)錄減少所致［12］。我們前期的研究提示TOPOⅡα表達(dá)降低與TOPOⅡα啟動(dòng)子組蛋白乙?；?、甲基化水平改變有關(guān)，是否TOPOⅡα表達(dá)降低還伴隨著TOPOⅡα啟動(dòng)子調(diào)控因子組蛋白乙?；?、甲基化水平的改變?HeLa cell［J］.Int J Mol Sci，2009，10(7) : 3255-3268.

表2　Sp1組蛋白乙酰化和甲基化化學(xué)修飾水平的變化Table 2.Histone acetylated and methylation modification change of Sp1 (Mean±SD.n=5)

Figure 5.The results of RT-PCR for determining Sp1 mRNA expression level.Mean±SD.n=5.*P＜0.05 vs control.圖5 TOPOⅡα啟動(dòng)子調(diào)控因子Sp1 mRNA水平的變化

已知的TOPOⅡα啟動(dòng)子調(diào)控因子包括Sp1、ATF-2、Sp3、NF-YA、c-MYB、P53、ICBP90和c-Jun。Sp1是TOPOⅡα啟動(dòng)子重要的調(diào)控因子。人類TOPOⅡα啟動(dòng)子功能區(qū)有5個(gè)CCAAT盒及2個(gè)GC盒。2個(gè)GC盒GC1和GC2位于TOPOⅡα啟動(dòng)子的最近及最遠(yuǎn)區(qū)域，Sp1通過(guò)其3個(gè)“鋅指結(jié)構(gòu)”與TOPOⅡα啟動(dòng)區(qū)的GC/GT盒結(jié)合，招募啟動(dòng)子區(qū)的RNA聚合酶，增強(qiáng)TOPOⅡmRNA的轉(zhuǎn)錄，上調(diào)TOPOⅡ的表達(dá)［6，13-14］。我們針對(duì)TOPOⅡα啟動(dòng)子調(diào)控因子Sp1設(shè)計(jì)了相應(yīng)的適合ChIP后產(chǎn)物的引物，來(lái)觀察臨床病例研究中Sp1水平的改變。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn):臨床苯中毒患者TOPOⅡα啟動(dòng)子調(diào)控因子Sp1結(jié)合的組蛋白H4和H3乙?；浇档?，組蛋白H3K9甲基化水平升高，組蛋白H3K4甲基化水平無(wú)明顯改變。結(jié)合組蛋白乙酰化與基因轉(zhuǎn)錄激活有關(guān)，去乙酰化常見(jiàn)基因轉(zhuǎn)錄沉默，組蛋白H3K4甲基化與基因轉(zhuǎn)錄活化相關(guān)，而組蛋白H3K9甲基化常見(jiàn)基因轉(zhuǎn)錄沉默，Sp1組蛋白H4、H3乙酰化及H3K9甲基化水平的改變可能參與了TOPOⅡα表達(dá)的降低，DNA水平證實(shí)了苯中毒患者骨髓單個(gè)核細(xì)胞中TOPOⅡα啟動(dòng)子的調(diào)控因子水平Sp1的改變，且伴隨著Sp1的mRNA表達(dá)水平降低，與TOPOⅡα啟動(dòng)子的調(diào)控因子DNA水平的變化平行，為Sp1組蛋白乙?；?、甲基化水平改變參與TOPOⅡα表達(dá)降低提供了一定的依據(jù)。

本課題組將進(jìn)一步研究組蛋白去乙?；敢种苿┖徒M蛋白去甲基化酶對(duì)造血損傷的逆轉(zhuǎn)及對(duì)TOPOⅡα啟動(dòng)子、啟動(dòng)子調(diào)控因子Sp1組蛋白化學(xué)修飾的改變，為更進(jìn)一步認(rèn)識(shí)苯中毒相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)制及相關(guān)疾病的診療提供一定的依據(jù)。

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(責(zé)任編輯:盧萍，羅森)

Histone acetylation and methylation modification of topoisomeraseⅡα promoter regulatory factor Sp1 in patients with chronic benzene poisoning

SHI Yi-fen，GAN Yi-feng，SHEN Zhi-jian，YU Kang
(Department of Hematology，The First Affiliated Hospital of Wenzhou Medical University，Wenzhou 325015，China.E-mail: kangyu62@hotmail.com)

［ABSTRACT］AIM: To investigate the histone modification changes of topoisomeraseⅡα(TOPOⅡα) promoter regulatory factor Sp1 in the patients with chronic benzene poisoning.METHODS: The bone marrow samples were collected from 25 chronic benzene poisoning cases and 25 controls.The chromatin immunoprecipitation assay was carried out to study the possible mechanism of TOPOⅡα promoter regulatory factor Sp1 expression changes.The mRNA expression of Sp1 was detected by RT-PCR.RESULTS: Compared with the controls，the histone H4 acetylation and histone H3 acetylation of Sp1 in the chronic benzene poisoning patients significantly decreased (P＜0.01)，and histone H3K9 methylation level of Sp1 increased (P＜0.01)，but the histone H3K4 methylation level of SP1 was not obviously changed (P＞0.05).The mRNA expression of Sp1 in the chronic benzene poisoning patients was significantly lower than that in the controls (P＜0.05).CONCLUSION: In chronic benzene poisoning patients，the histone acetylation and methylation modification changes of TOPOⅡα promoter regulatory factor Sp1 accompanied with the changes of mRNA level are observed.Histone H4 and H3 acetylation and H3K9 methylation modification of Sp1 may play an important role in the benzene’s hematopoietic toxicities.

［KEY WORDS］Benzene; Sp1; Histone acetylation; Histone methylation; Chromatin immunoprecipitation

通訊作者△Tel: 0577-55578489; E-mail: kangyu62@hotmail.com

*［基金項(xiàng)目］國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.81172613) ;溫州市科技局科研基金資助項(xiàng)目(No.Y20120004; No.Y20090238)

［收稿日期］2015-04-24

［文章編號(hào)］1000-4718(2015)09-1662-05

［中圖分類號(hào)］R363

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A

doi:10.3969/j.issn.1000-4718.2015.09.024