敲入有解偶联蛋白1-荧光素酶基因的非人哺乳动物模型及其构建方法和应用

摘要

本发明公开了一种敲入有解偶联蛋白1-荧光素酶基因的非人哺乳动物模型及其构建方法和应用。本发明构建的敲入有解偶联蛋白1-荧光素酶的非人哺乳动物模型可作为白色脂肪细胞褐色化的药物的筛选平台，可实现简单，迅速，大规模的筛选调控UCP1表达的药物；可以在不伤害非人哺乳动物的前提下，利用荧光成像仪直接活体检测UCP1的表达和分布。

说明书

技术领域

本发明属于生物技术领域，更具体地，本发明涉及一种敲入有解偶联蛋白 1-荧光素酶基因的非人哺乳动物模型及其构建方法和应用。

背景技术

长期以来，一直被认为脂肪细胞的主要功能是储存能量。但随着对脂肪细 胞的深入研究，脂肪细胞其它方面的功能也逐渐显露出来。研究表明脂肪细胞 在免疫反应、高血压、肥胖、胰岛素抵抗等代谢疾病中都起着重要的作用。

最初，脂肪细胞被分为两类：白色脂肪细胞与褐色脂肪细胞。但随着啮齿 动物腹股沟脂肪部位的beige(brown-in-white,brite)细胞的发现，褐色脂肪细胞 又可以被细分为两类：经典的褐色脂肪细胞与brite/beige脂肪细胞

白色脂肪细胞内含有一个巨大的圆形脂滴，细胞核呈扁平状且位于细胞边 缘。脂滴几乎占据了细胞的99%的空间。白色脂肪细胞主要是通过甘油三酯和 胆固醇的形式，将能量储存于脂滴当中。但是白色脂肪细胞不仅可以储存能量， 它还可以分泌脂肪细胞因子如：脂联素、瘦素、抵抗素、肿瘤坏死因子α等等。 这些脂肪细胞因子在能量代谢调节、免疫反应等多种生理现象中发挥着重要作 用。

褐色脂肪细胞的外形呈多边形，细胞核为圆形，且细胞内的脂滴呈多室分 布于整个细胞中。褐色脂肪细胞含有大量的细胞质基质，并且细胞内的线粒体 含量很高。因为线粒体内的细胞色素含有铁原子，所以含有大量线粒体的褐色 脂肪细胞的颜色为褐色。褐色脂肪细胞不同于白色脂肪细胞的主要特征是：线 粒体内膜上的解偶联蛋白1(UCP1)的表达量很高。所以，褐色脂肪细胞的主要功 能就是通过UCP1来产热从而消耗能量而不产生ATP：即褐色脂肪细胞可以通 过UCP1，将线粒体内的电子传递链与ATP合成解偶联，进而通过氧化磷酸化 解偶联呼吸，将脂肪酸β氧化产生的能量以热量的形式散失掉。褐色脂肪细胞的 非颤栗性产热功能，可以维持体温恒定，也可以以热能的方式消耗机体摄入的 能量，从而降低肥胖发生的概率。

两种褐色脂肪细胞的分布是不同的，经典的褐色脂肪细胞主要分布于啮齿 动物的肩胛骨区域，而Beige脂肪细胞主要分布于腹股沟区域的皮下脂肪组织 中。对于人类来说，褐色脂肪细胞主要存在于婴儿体内，但是目前研究发现， 成年人的颈部、锁骨上也含有相当量的褐色脂肪细胞，且它们与啮齿动物的beige 脂肪细胞相似。除了分布差异外，两种褐色脂肪细胞的来源也不同。经典的褐 色脂肪细胞与肌肉细胞同源；但是beige脂肪细胞存于白色脂肪组织中。研究发 现，在一定条件下，冷冻，特定基因的敲除或者视黄酸（retinoid acid，RA）， 成纤维细胞生长因子21（FGF21）等药物的刺激，beige脂肪细胞可以由白色脂 肪细胞转分化而来。因此，beige脂肪细胞的研究受到了广泛关注。筛选可以使 白色脂肪细胞褐色化(即转分化为beige脂肪细胞)的药物对于人类肥胖相关代谢 疾病的治疗具有重大意义。

筛选白色脂肪细胞褐色化的药物，主要需要检测UCP1的表达的变化，尤 其是蛋白水平的变化。但是目前无论利用实时定量RT-PCR或者western blot的 方法进行药物筛选，都费时费事费力费钱。实时定量PCR至少需要一天的时间 来检测UCP1的变化，而western blot至少需要两天的时间来进行检测分析。

因此，构建一个可以快捷、准确地筛选白色脂肪细胞转分化成beige脂肪细 胞的药物的平台显得尤为重要。

发明内容

基于此，为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种敲入有解偶联 蛋白1-荧光素酶的非人哺乳动物模型及其构建方法和应用。

为实现上述发明目的，本发明采取了以下技术方案：

一种敲入有解偶联蛋白1-荧光素酶的非人哺乳动物模型在筛选白色脂肪细 胞褐色化的药物中的应用。

在其中一个实施例中，所述非人哺乳动物为小鼠。

本发明还提供了一种敲入有解偶联蛋白1-荧光素酶的非人哺乳动物模型的 构建方法，包括以下步骤：

1)、将非人哺乳动物的解偶联蛋白1基因的最后一个外显子后的终止密码子 去掉；

2)、利用序列号为SEQ ID NO:1的串联肽2A在步骤1)的去掉了终止密码子 的解偶联蛋白1基因的最后一个外显子后连入荧光素酶基因；

3)、利用C57和129杂合背景的小鼠ES细胞打靶，通过同源重组构建敲入 有解偶联蛋白1-荧光素酶的非人哺乳动物模型。

本发明还提供了采用上述构建方法构建得到的敲入有解偶联蛋白1-荧光素 酶的非人哺乳动物模型。

本发明构建的敲入有解偶联蛋白1-荧光素酶非哺乳动物模型采用基因敲入 的方式，将荧光素酶基因插入解偶联蛋白-1的特定位点，从而能准确反应基因 的变化；而现有的具有荧光素酶的动物模型通常是采用转基因的方法将某个基 因的启动子加上荧光素酶再随机插入到基因组中而构建得到的，插入的位点未 必准确，从而使得并不能准确反应基因的变化。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明构建的敲入有解偶联蛋白1-荧光素酶的非人哺乳动物模型可作 为白色脂肪细胞褐色化的药物的筛选平台，可实现简单，迅速，大规模的筛选 调控UCP1表达的药物；相比较现有的其它方法，此模型只需要两个小时即可 以完成一个24孔板的筛选。

2、本发明构建的敲入有解偶联蛋白1-荧光素酶的非人哺乳动物模型可以 在不伤害非人哺乳动物的前提下，利用荧光成像仪直接活体检测UCP1的表达 和分布，从而可准确的反应表达UCP1的组织部位。

附图说明

图1为本发明实施例1中敲入有UCP1-lcuiferase的小鼠模型的构建策略；

图2是本发明实施例2中敲入有UCP1-lcuiferase的小鼠各个组织的荧光活 性检测；

图3是本发明实施例3中药物FGF21和Am580在小鼠的分离的皮下脂肪组 织的脂肪干细胞分化的脂肪细胞的作用检测；

图4是本发明实施例4中敲入有UCP1-lcuiferase的小鼠的活体成像图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例来详细说明本发明。

如无特殊说明，以下实施例中所使用的试剂均来源于市售，操作方法均为 现有常规操作方法。

实施例1敲入有解偶联蛋白1-荧光素酶的小鼠模型的构建方法

如图1所示，为本实施例敲入有UCP1-lcuiferase的小鼠模型的构建策略图， 包括以下步骤：

1、去掉UCP1的终止密码子

UCP1具有6个外显子，将UCP1的最后一个外显子即第6个外显子后的终 止密码子去掉；

2、连接荧光素酶基因

利用串联肽2A(SEQ ID NO:1，其目的是可以让荧光素酶基因随着UCP1共 同翻译成蛋白，但是不与UCP1蛋白融合，因此不会影响UCP1蛋白的活性)在 步骤1的去掉了终止密码子的UCP1的最后一个外显子的后边连入荧光素酶基 因；连接荧光素酶基因后的序列如SEQ ID NO:2所示；

3、获得小鼠模型

利用C57和129杂合背景的小鼠(采用常规方法分离得到)ES细胞打靶，通 过同源重组构建敲入有UCP1-luciferase的小鼠模型。

实施例2实施例1的敲入有解偶联蛋白1-荧光素酶的小鼠模型的各个组织荧 光素酶信号检测

包括以下步骤：

1)取一只实施例1获得的敲入有解偶联蛋白1-荧光素酶的小鼠，断颈处死， 分离各个组织；

2)每个组织分取20mg放入1.5mL离心管中，加入200uL荧光素酶信号检 测缓冲液(150mM KCl，20mM HEPES，5mM Mgcl₂，1mM EGTA。NaOH调 节pH至7.0)，将组织研磨成匀浆；

3)低温4℃、13kpm离心20分钟；

4)取上清15uL，高糖DMEM培养基15uL和30μL试剂 （Luciferase Assay System，Promega）混合加入CulturPlate^TM-96白 色实底96孔板（PerkinElmer）的孔中；

5)震荡10分钟；

6)荧光照度计上进行测量(荧光素酶与底物反应黄绿色闪光，发射峰 560nm)。

测量结果如图2所示。从图2可以看出，主要表达解偶联蛋白1的组织—— 褐色脂肪组织、腹股沟脂肪组织、肾周围脂肪组织均检测到荧光活性，而其他 没有表达解偶联蛋白1的组织——肾脏、肝脏、脾脏、心脏、大脑、肌肉等均 没有检测到荧光活性。其中表达解偶联蛋白1最高的褐色脂肪组织荧光素酶活 性最高，因此，可以反应出该敲入有解偶联蛋白1-荧光素酶的小鼠动物模型能 够准确的反应解偶联蛋白1的组织表达情况。

实施例3实施例1的敲入有解偶联蛋白1-荧光素酶的小鼠模型在药物FGF21 和AM580刺激下由腹股沟的白色脂肪组织的脂肪干细胞分化的脂肪细胞的荧 光素酶信号检测

包括以下步骤：

1、腹股沟的白色脂肪的原代脂肪间充质细胞的分离

1)取一只实施例1获得的敲入有解偶联蛋白1-荧光素酶的小鼠，断颈处死， 在75%的酒精中浸泡5分钟，然后转移到操作台中，取出腹股沟的白色脂肪；

2)用PBS清洗3次，用剪刀将脂肪组织剪碎，1g脂肪组织加入10ml胶原 酶I溶液(用D-Hanks溶液配制，100ml加入0.1g胶原酶I)，放置37℃消化40 分钟；

3)用250μm滤膜过滤，加入细胞培养液，然后转移到离心管中，1000rpm 离心3分钟；

4)离心后的上浮层为成熟的脂肪细胞，转移到装有PBS溶液的离心管中， 混匀后再次离心。再次分离的上层成熟的脂肪细胞可以收集后用于提取RNA， 蛋白等；

5)第一次离心后的底部细胞为脂肪间充质细胞，弃除上清后，用新鲜的培 养液悬起，铺到培养板中，第二天换液。

2、脂肪间充质细胞分化为脂肪细胞

1)步骤1中获得的脂肪间充质细胞在添加10%胎牛血清（Hyclone）高糖的 DMEM（Hyclone）的培养液生长至满；

2)更换培养液为添加了MDIR(0.5mM异丁基黄嘌呤，1μM地塞米松，87nM 胰岛素和0.5μM罗格列酮:IBMX+Dex+Insulin+rosiglitazone)的诱导培养液(添 加10%胎牛血清高糖的DMEM的培养液)，培养2天。

3)2天后，培养液更换为只添加IR（87nM胰岛素和0.5μM罗格列酮:Insulin+ rosiglitazone)的诱导培养液(添加10%胎牛血清高糖的DMEM的培养液)，每两天 更换一次，直到细胞完全分化为脂肪细胞。

4）将培养基更换为正常的培养基（添加10%胎牛血清高糖的DMEM的培 养液），同时添加药物10ng/ml FGF21和1μM AM580（视黄酸受体激动剂）刺 激两天。两天后，裂解细胞，检测荧光素酶活性。

3、细胞的luciferase荧光素酶信号检测

1)以24孔细胞板的1孔为例，将细胞的培养液移除，然后用500微升的 PBS清洗一遍，然后尽量移除干净PBS；

2)加入100uL荧光素酶信号检测缓冲液(150mM KCl，20mM HEPES， 5mM Mgcl₂，1mM EGTA。NaOH调节pH至7.0)，放置冰上裂解半小时。随后 刮离细胞，转至1.5ml的EP管中。

3)低温4℃，13kpm离心20分钟。

4)取上清15uL，高糖DMEM培养基15uL和30μL试剂 （Luciferase Assay System，Promega）混合加入CulturPlate^TM-96白 色实底96孔板（PerkinElmer）的孔中。

5)震荡10分钟。

6)荧光照度计上进行测量。

荧光素酶检测结果如图3所示。从图3可以看出，添加药物刺激后的脂肪 细胞的荧光素酶活性显著上升。这两种药物是公认的能够促进解偶联蛋白1表 达和白色脂肪细胞褐色化的药物。结果表明本发明的小鼠模型分离出的脂肪间 充质细胞分化得到的脂肪细胞能够作为良好的药物筛选平台。

实施例4实施例1的敲入有解偶联蛋白1-荧光素酶的小鼠模型的活体成像检 测

包括以下步骤：

1)准备荧光素（D-luciferin Firefly）储存液（15mg/ml），即用DPBS充分 溶解荧光素，然后用0.22微米的滤膜过滤。放置-20℃保存。

2)用阿佛丁(首先称三溴乙醇1.25g，加入2.5ml叔戊醇，再加入97.5ml超 纯水，避光搅拌过夜（室温）。第二天用0.22μm滤器过滤，分装4℃避光保存) 给一只敲入有解偶联蛋白1-荧光素酶的小鼠麻醉(重24.7克)；

3）在成像前10～15分钟前注射247微升的荧光素储存液(一只小鼠按照10 微升每克的剂量注射)；

4）上荧光成像仪上进行活体成像。

活体成像图如图4所示，从图4可以看出，在小鼠背部肩胛骨处的褐色脂 肪组织有明显荧光，说明本发明的敲入小鼠模型能够良好的活体反应解偶联蛋 白1的表达。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和 改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附 权利要求为准。