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Reticulocalbin3(Rcn3)编码一个含有多个EF-Hand结构域的内质网钙离子结合蛋白,严格定位于内质网中。在前期研究中,我们运用基因芯片技术发现Rcn3的mRNA水平在大鼠子宫平滑肌临产前高表达。但目前关于Rcn3基因功能还很不清楚。
为了研究Rcn3基因的生物学功能以及它在分娩过程中的生理作用,我们设计了Rcn3基因敲除试验,构建打靶载体pPNT-Rcn3,通过ES细胞同源重组技术,用打靶载体中的HGK-Neo表达框替换Rcn3外显子1和包含翻译起始位点的外显子2,完全灭活Rcn3的表达。最终成功培育了Rcn3基因敲除小鼠。
在对Rcn3基因敲除小鼠的研究中发现,杂合型的Rcn3基因敲除小鼠发育正常且可育,所生后代小鼠的基因型比例基本符合1∶2∶1(野生型∶杂合型∶纯合型)的孟德尔遗传规律。出生时3种基因型小鼠没有明显差异,体重差别也无统计学意义,但出生几分钟之后,Rcn3基因敲除纯合新生小鼠(Rcn3-/-)渐进性地出现与新生儿呼吸窘迫综合症相似的表型,表现出呼吸困难,口张开,做深腹式呼吸,身体紫绀,在出生后约1h内死亡;野生型和杂合型小鼠完全正常。
解剖后发现,Rcn3-/-新生小鼠肺部充血呈现暗红色,而野生型和杂合型小鼠肺呈现正常粉白色,无充血,标准浮杯实验显示Rcn3-/-新生小鼠肺扩张不全且充血而沉在水底,而野生型小鼠肺充气而飘浮在水面。Rcn3-/-新生小鼠肺的重量及其所占体重的比例与野生型相比没有差异。肺免疫组织化学石蜡切片H&E染色显示,Rcn3-/-新生小鼠肺泡不扩张。Western杂交结果显示Rcn3蛋白主要在新生小鼠的肺中高表达,膈肌和心脏中的表达水平很低。RT-PCR检测结果显示Rcn3基因敲除小鼠在RNA水平上不存在Rcn1和Rcn2基因的mRNA的补偿性表达。
肺泡表面活性蛋白SP-B和SP-C作为肺泡表面活性剂的重要成份,在降低肺泡表面张力、维持肺的正常功能中发挥重要作用,它们的缺陷常导致新生儿或小鼠发生严重的肺损伤,甚至呼吸失败死亡。我们的研究显示,Rcn3基因敲除不影响肺泡表面活性蛋白基因SP-A,SP-B,SP-C,SP-D在新生小鼠肺中mRNA水平上的表达;Western blotting结果显示E18.5 Rcn3-/-胎鼠肺中的SP-B的生物合成与成熟没有受到影响,只有SP-C蛋白前体(proSP-C)比同窝的野生型对照减少约20%左右。免疫组织化学检测pro-SP-B,pro-Sp-C和mature SP-B在Rcn3基因敲除小鼠中的表达均未发现明显差异;pro-SP-C的染色结果显示Rcn3基因敲除小鼠Ⅱ肺泡型细胞分化未见异常。透射电镜分析结果显示,在E18.5 Rcn3基因敲除小鼠的呼吸道中可以看到和野生型对照相似的肺泡表面活性物质,表明Rcn3基因缺失不影响肺泡表面活性物质的分泌。以上结果表明,肺泡表面活性物质(主要是疏水性肺泡表面活性蛋白SP-B和SP-C)不是Rcn3基因敲除新生小鼠呼吸失败致死的主要原因。
在肺的发育晚期,间叶细胞减少并逐渐分化为平行和围绕在肺部气道的血管网,使肺泡壁变薄,形成薄的气-血界面以利于肺部的气体交换。在我们的Rcn3敲除小鼠试验中,H&E染色观察发现,E18.5Rcn3-/-小鼠(呼吸前被处死)肺泡囊壁明显比野生型对照厚,提示Rcn3-/-小鼠肺间叶细胞可能在肺发育后期的分化出现了异常。因此Rcn3基因敲除可能影响了肺间叶细胞的分化,进而影响了肺部血管网的生成,最终导致Rcn3-/-新生小鼠在呼吸时气-血交换发生异常而呼吸失败致死。
因此,我们实验结果表明,敲除小鼠Rcn3基因导致Rcn3-/-小鼠出生后一小时内发生呼吸窘迫致死,肺泡表面活性蛋白(特别是SP-B和SP-C)的表达、分泌和成熟没有受到明显的影响,同时Ⅱ型肺泡细胞分化未见异常。但E18.5 Rcn3-/-小鼠肺泡囊壁明显比野生型对照厚,提示Rcn3基因敲除可能影响了肺间叶细胞的分化,导致肺血管网络异常,从而使新生小鼠气血交换失败致死。