黃 鵬，孫紅穎，陳樞青

密碼子優(yōu)化提高重組金葡菌腸毒素O在大腸桿菌中的表達(dá)水平

黃 鵬，孫紅穎，陳樞青

(浙江大學(xué)藥學(xué)院藥物毒理與生化藥學(xué)研究所，浙江杭州310058)

目的：優(yōu)化稀有密碼子提高重組腸毒素O的表達(dá)量。方法：將帶His標(biāo)簽的腸毒素O成熟肽克隆至pET28a質(zhì)粒上，采用PCR方法對(duì)15個(gè)稀有密碼子進(jìn)行突變，將突變后的重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化入大腸桿菌BL21(DE3)，并進(jìn)行蛋白表達(dá)及活性鑒定。結(jié)果：通過稀有密碼子優(yōu)化，重組腸毒素O的表達(dá)量由菌液總蛋白的7.49%提高至19.8%;小鼠淋巴細(xì)胞增殖試驗(yàn)表明，通過密碼子優(yōu)化的腸毒素O具有刺激淋巴細(xì)胞增殖的作用，并且其增殖作用與未優(yōu)化前的腸毒素O相當(dāng)。結(jié)論：稀有密碼子優(yōu)化能夠有效增加腸毒素O的表達(dá)量。

葡萄球菌，金黃色/免疫學(xué);腸毒素類/免疫學(xué);密碼子;基因表達(dá);遺傳載體;質(zhì)粒;突變;細(xì)胞增殖;淋巴細(xì)胞

［JZhejiang Univ(Medical Sci)，2011，40(3):297-303.］

金葡菌腸毒素(staphylococcal enterotoxin，SE)是由金黃色葡萄球菌分泌的一類蛋白質(zhì)［1］，可以不經(jīng)抗原提呈細(xì)胞(APC)加工處理，以完整分子的形式與Ⅱ型組織相容性抗原(MHC-Ⅱ)和 T細(xì)胞受體(TCR)結(jié)合成復(fù)合物，從而刺激T細(xì)胞的活化、增殖，并且大量釋放細(xì)胞因子［2］。目前被成功鑒別并分離的主要腸毒素血清型有20多種:TSST-1、TSST-2、SEA ～SEE、SEG ～SEQ［3］及 SEU2 和 SEV［4］等。這些腸毒素都由一系列遺傳元件攜帶，具有高度相似的三維結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性［5］。腸毒素 O(SEO)屬于新型腸毒素或類腸毒素，其基因由egc攜帶，與同家族成員的氨基酸序列同源性介于23.7% ～43.2%［6］。本實(shí)驗(yàn)室已成功克隆表達(dá)了重組金葡菌腸毒素O(rSEO)，并證實(shí)其具有超抗原活性［7］，但其表達(dá)量和凝血酶酶切活性較低，使得rSEO得率較低。有研究報(bào)道［8］，外源基因所含稀有密碼子的豐度影響著大腸桿菌對(duì)其的表達(dá)，對(duì)腸毒素A進(jìn)行密碼子優(yōu)化能使其表達(dá)量上升至總蛋白的15%～20%［9］。為此，本研究通過 Quick Change點(diǎn)突變法對(duì)腸毒素O包含的15個(gè)稀有密碼子進(jìn)行優(yōu)化，最后經(jīng)過pET表達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行蛋白表達(dá)，以及生物學(xué)活性鑒定，為今后的腸毒素相關(guān)研究奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 菌株、質(zhì)粒細(xì)胞系 E.coli DH5α、E.coli BL21(DE3)為本實(shí)驗(yàn)室保存;pGEX-4T-1、pET28a和pGEX-4T-1-SEO質(zhì)粒也為本實(shí)驗(yàn)室保存;ICR小鼠，體重(15±2)g，雄性，購自浙江大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心。

1.2 主要試劑 PrimeSTAR聚合酶、限制性內(nèi)切酶XhoI、EcoRI和T4連接酶為Takara產(chǎn)品;Ni2+NTA His-bind resin層析凝膠購于Novagen;親和層析相關(guān)的緩沖液Bind Buffer(50 mol/L 磷酸鈉，10 mmol/L 咪唑，pH8.0)、Wash Buffer(50 mol/L磷酸鈉，30 mmol/L咪唑，pH8.0)和 Elute Buffer(50 mol/L磷酸鈉，150 mmol/L 咪唑，pH8.0)自配;脫鹽柱(HiTrap Desalting)、陰離子層析柱(HiTrap Q Sepharose)為GE Healthcare產(chǎn)品;瓊脂糖、瓊脂和IPTG為BBI產(chǎn)品;蛋白胨、酵母提取物為OXIOD產(chǎn)品;胰蛋白酶、刀豆蛋白(ConA)為 Sigma產(chǎn)品;Western blot對(duì)照品HSA-PTH、SEC2-His為實(shí)驗(yàn)室制備;rSEO為實(shí)驗(yàn)室制備，切除GST-SEO融合蛋白的GST標(biāo)簽后獲得;RPMI1640培養(yǎng)基為GIBCO產(chǎn)品;新生牛血清(FCS)為杭州四季青生物工程材料有限公司產(chǎn)品;MTT為Sigma產(chǎn)品;DNA抽提試劑盒、DNA回收試劑盒為Amxygen產(chǎn)品;PCR引物合成由上海生工生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司完成;DNA測(cè)序由上海桑尼基因集團(tuán)有限公司完成。1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 SEO基因獲得與表達(dá)載體pET28a-SEOHis的構(gòu)建 以實(shí)驗(yàn)室貯存的PGEX-4T-1-SEO質(zhì)粒為模板，設(shè)計(jì)PCR引物:上游gcagaattcat gaatgaagaagatc，下 游 actctcgagttagtggtggtggtggt ggtgtgtaaataaataaacatc;PCR獲得帶有 XhoI和EcoRI酶切位點(diǎn)，以及C端帶有His-tag的重組腸毒素O，標(biāo)記為 SEO-His。PCR條件為:5×PrimeStar Buffer 10 μl、dNTP(10 mmol/L)4 μl、上下游引物(10 μmol/L)1 μl、質(zhì)粒模板 0.5 μl、PrimeStar 1U 補(bǔ)充 ddH2O 至 50 μl;98℃ 3 min，98℃ 30 s、60℃ 30 s、72℃ 60 s共25 次循環(huán)，最后72℃ 10 min。

XhoI、EcoRI雙 酶 切 SEO-His片 段 和pET28a質(zhì)粒，回收含黏性末端的SEO-His片段和pET28a片段，經(jīng)T4連接酶連接后篩選陽性克隆。

1.3.2 稀有密碼子分析與優(yōu)化 通過http://www.doe-mbi.ucla.edu/～ sumchan/c altor.html和Genscript Rare Codon Analysis Tool在線分析軟件分析SEO序列:SEO基因包含編碼精氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、甘氨酸、蘇氨酸的15個(gè)豐度較低的稀有密碼子，密碼子適應(yīng)指數(shù)為0.68，平均 GC 含量為26.69%。

通過Quick Change法進(jìn)行點(diǎn)突變，設(shè)計(jì)10條突變引物涵蓋以上15個(gè)稀有密碼子，其中1條涵蓋3個(gè)稀有密碼子的引物，3條涵蓋2個(gè)稀有密碼子的引物，6條涵蓋1個(gè)稀有密碼子的引物(表1)。以pET28a-SEO-His為原始模板，PCR獲得產(chǎn)物經(jīng)過DpnI消化后轉(zhuǎn)化DH5α感受態(tài)并通過Kan抗性篩選陽性克隆，以測(cè)序正確質(zhì)粒為模板和對(duì)應(yīng)的引物依次進(jìn)行剩余的PCR，突變后質(zhì)粒依次編號(hào)為#1～#10。PCR體系條件分別為:5×PrimeStar Buffer 10μl、dNTP(10 mmol/L)4 μl、上下游引物(10 μmol/L)1μl、質(zhì)粒模板0.5 μl、PrimeStar 1U 補(bǔ)充 ddH2O至50 μl;98℃ 3 min，98℃ 30 s、(50 ±5)℃ 30 s、72℃ 405 s共20次循環(huán)，最后72℃ 10 min。

表1 突變引物設(shè)計(jì)Table 1 The design of PCR primer for mutation

1.3.3 表達(dá)宿主的構(gòu)建與表達(dá)條件優(yōu)化XhoI和EcoRI雙酶切pET28a-SEO-His的10個(gè)突變體，得到10個(gè)SEO-His片段，并與pET28a質(zhì)粒重新連接，轉(zhuǎn)化DH5α感受態(tài)擴(kuò)增質(zhì)粒。將擴(kuò)增后的重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化，篩選陽性克隆落進(jìn)行表達(dá)，優(yōu)化表達(dá)條件為:1%接種量接種于2×YT培養(yǎng)基，37℃培養(yǎng)至OD值0.5左右，加入IPTG至終濃度1 mmol/L，20℃誘導(dǎo)20 h。分別取突變株誘導(dǎo)后菌液進(jìn)行SDS-PAGE分析。

1.3.4 SEO-His的純化與鑒定 菌液離心、誘導(dǎo)，收集菌體 1 L，經(jīng) 4℃、6 000 r/min 30 min，用30 ml Bind Buffer重懸，F(xiàn)rench Press 1 000 PSI高壓破菌。8 000 r/min離心1 h，除去細(xì)胞碎片，上清經(jīng)0.22μm微孔濾膜過濾，通過Ni2+NTA His-bind resin進(jìn)行親和層析，用100 ml Wash Buffer清洗，30 ml Elute Buffer洗脫;洗脫產(chǎn)物經(jīng)HiTrap Desalting脫去鹽離子后進(jìn)行陰離子層析(HiTrap Q sepharose)，梯度洗脫除去20 kD左右的雜蛋白;脫鹽后蛋白溶液通過50 kD半透膜去除70 kD左右的雜蛋白。

以SEC2-His為陽性對(duì)照，HSA-PTH為陰性對(duì)照，與SEO-His同時(shí)進(jìn)行SDS-PAGE;轉(zhuǎn)膜條件為100 V 2 h。一抗為抗His-tag的小鼠單抗，稀釋比為1∶5 000;二抗為HRP標(biāo)記山羊抗小鼠IgG，稀釋比為1∶5 000。按以上條件對(duì)SEO-His進(jìn)行Western blot鑒定。

1.3.5 MTT法測(cè)定SEO對(duì)小鼠淋巴細(xì)胞的增殖作用［7，10］以 ConA 為陽性對(duì)照，BSA 為陰性對(duì)照，測(cè)定重組腸毒素O刺激小鼠脾淋巴細(xì)胞的增殖活性。分別取 rSEO、ConA、BSA和SEO-His，適量用 PBS溶解，0.22 μm 濾膜過濾、除菌備用。

設(shè)零孔(僅含培養(yǎng)基)、空白孔(脾淋巴細(xì)胞)、陰性對(duì)照孔(脾淋巴細(xì)胞+BSA)、陽性對(duì)照孔(脾淋巴細(xì)胞+ConA)和實(shí)驗(yàn)孔(脾淋巴細(xì)胞+重組腸毒素O)，每組3個(gè)復(fù)孔。將新鮮制備的ICR小鼠的脾淋巴細(xì)胞懸浮于含20%胎牛血清的RPMI 1640培養(yǎng)基中，計(jì)數(shù)后將細(xì)胞濃度調(diào)節(jié)至2×106個(gè)/ml，每孔100 μl。分別將rSEO、SEO-His用無血清RPMI 1640培養(yǎng)基依次稀釋至 20 μg/ml、2 μg/ml、200 ng/ml和 20 ng/ml，根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)每孔加入100μl。重組腸毒素加入培養(yǎng)體系中，終質(zhì)量濃度分別為10 μg/ml、1 μg/ml、100 ng/ml和 10 ng/ml。ConA和BSA經(jīng)稀釋后終質(zhì)量濃度亦為10μg/ml、1 μg/ml、100 ng/ml和 10 ng/ml，在 37℃、飽和濕度5%CO2培養(yǎng)箱培養(yǎng)44 h后，每孔加MTT液(5 mg/ml)20μl，吹打混勻，在培養(yǎng)箱中繼續(xù)培養(yǎng)4 h。棄培養(yǎng)液，每孔加DMSO 120μl，吹打助溶，37℃孵育10 min，待甲瓚完全溶解。然后，采用酶標(biāo)儀雙波長(zhǎng)法(570 nm為測(cè)定波長(zhǎng)，630 nm為參考波長(zhǎng))測(cè)定各孔OD值，檢測(cè)重組腸毒素O對(duì)小鼠脾淋巴細(xì)胞的增殖作用。各孔OD值除以陰性對(duì)照為淋巴細(xì)胞增殖指數(shù)(proliferation index)。

1.3.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。多組樣本之間比較采用雙因素方差分析(Two-way analysis of variance，ANOVA)，采用LSD法進(jìn)行多重比較。所有數(shù)據(jù)均采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理，P＜0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 SEO-His基因片段的克隆重組表達(dá)載體的構(gòu)建 以PGEX-4T-1-SEO為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增，獲得的目的條帶大小為700 bp左右，符合預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

XhoI/EcoRI雙酶切處理SEO-His基因片段和pET28a質(zhì)粒，通過膠回收試劑盒回收并純化含有黏性末端的上述片段，T4連接酶連接過夜后轉(zhuǎn)化DH5α感受態(tài)，擴(kuò)增獲得的質(zhì)粒經(jīng)雙酶切驗(yàn)證。陽性克隆測(cè)序結(jié)果顯示插入基因與C端帶His-tag的腸毒素O成熟肽完全一致。

2.2 PCR方法進(jìn)行定點(diǎn)突變 按照 Quick Change點(diǎn)突變法進(jìn)行稀有密碼子優(yōu)化，PCR擴(kuò)增所得大小為6 000左右的目的片段，轉(zhuǎn)化擴(kuò)增后獲得的質(zhì)粒經(jīng)XhoI/EcoRI雙酶切驗(yàn)證并測(cè)序。

圖1 SEO-His與其突變株的誘導(dǎo)表達(dá)Fig.1 Soluble expression of SEO-His and its mutants

2.3 SEO-His的表達(dá)與各個(gè)突變株的表達(dá)比較 按上述條件誘導(dǎo)表達(dá)SEO-His，取菌液進(jìn)行SDS-PAGE分析，顯示在29 kD處有明顯條帶;在相同條件下誘導(dǎo)表達(dá)各個(gè)突變種，通過菌液SDS-PAGE分析，比較密碼子優(yōu)化過程中各個(gè)點(diǎn)的表達(dá)情況(圖1A、B);通過灰度掃描，計(jì)算出各個(gè)突變種所表達(dá)的目的蛋白占菌體總蛋白比。結(jié)果顯示，未突變菌株以及突變菌株#1～#10的SEO-His表達(dá)水平(占菌體總蛋白百分比，%) 分別為:7.49 ± 0.30、10.4 ± 0.71、14.7 ± 0.68、15.6 ± 0.51、15.6 ± 0.95、16.6 ±0.81、17.2 ±0.74、17.5 ±1.0、17.7 ±1.1、19.7±0.55、19.8 ±0.63。

2.4 SEO-His的純化 將高壓超聲破菌處理后的菌液用0.22μm微孔濾膜過濾，濾液經(jīng)Ni2+NTA His-bind resin進(jìn)行親和層析，Elute Buffer洗脫下的溶液進(jìn)行SDS-PAGE分析(圖2A)。將脫鹽后產(chǎn)物進(jìn)行陰離子層析除去20 kD雜蛋白，再次脫鹽后通過50 kD半透膜除去70 kD雜蛋白后進(jìn)行SDS-PAGE分析(圖2B)。電泳結(jié)果顯示獲得的SEO-His有較高純度，可進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

2.5 Western blot鑒定 以 His-tag為靶標(biāo)進(jìn)行Western blot，SDS-PAGE對(duì)照和 PVDF膜顯色結(jié)果顯示:陽性(SEC2-His)和樣品(SEOHis)均有明顯條帶，而陰性(HSA-PTH)并沒有產(chǎn)生相應(yīng)的反應(yīng)(圖3)。

圖2 Ni2+NTA His-bind resin親和層析(A)及純化后的SEO-His(B)Fig.2 SEO-His purified by Ni2+NTA His-bind resin(A)and purified SEO-His(B)

圖3 SDS-PAGE(A)和Western blot(B)鑒定SEO-HisFig.3 Verification of SEO-His by SDS-PAGE(A)and Western blot(B)

2.6 MTT法測(cè)定重組腸毒素O對(duì)小鼠淋巴細(xì)胞的增殖作用 利用MTT法對(duì)重組腸毒素O與密碼子優(yōu)化后表達(dá)獲得的SEO-His的超抗原活性進(jìn)行了測(cè)試。對(duì)結(jié)果采用雙因素分析法，顯示與陰性對(duì)照相比，在0.01μg/ml～10μg/ml質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，密碼子優(yōu)化后的重組腸毒素O具有刺激小鼠淋巴細(xì)胞增殖作用(F=58.0、P ＜0.05，圖4)。在 0.01 μg/ml下，與相同質(zhì)量濃度陰性對(duì)照組(0.01μg/ml BSA 1.0±0.06)相比，rSEO、ConA、SEO-His組作用 48 h后，小鼠淋巴細(xì)胞增加概率有顯著性的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(rSEO 組 1.2 ± 0.06，P=0.001;ConA組 1.1 ± 0.02，P=0.027;SEO-His 組 1.3 ±0.06，P ＜ 0.001);其他濃度的 rSEO、SEO-His及ConA作用48 h后，相比相同濃度下的陰性對(duì)照組，小鼠淋巴細(xì)胞增加概率均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(10 μg/ml條件下，BSA 組1.0 ±0.09、ConA組 1.7 ± 0.05、rSEO 組 2.1 ±0.09、SEO-His組2.1 ±0.05，均 P ＜0.001)。而在 0.01、0.1、1、10μg/ml這4個(gè)質(zhì)量濃度下，對(duì)rSEO及SEOHis兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，兩藥物對(duì)小鼠淋巴細(xì)胞的增殖作用并無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.13)。

圖4 MTT法測(cè)定重組腸毒素O對(duì)小鼠淋巴細(xì)胞的增殖作用Fig.4 Stimulation effect of the recombinant staphylococcal enterotoxin O on proliferation of murine lymphocytes by MTT assay

3 討論

目前研究表明，在大腸桿菌中編碼精氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、甘氨酸、蘇氨酸及脯氨酸的一些稀有密碼子，如 AGG/AGA/ATA/CTA/GGA/GGG/ACG/CCC等對(duì)蛋白質(zhì)表達(dá)水平影響較大［11-13］，而對(duì)SEO的密碼子分析表明，其核酸序列中包含大部分上述稀有密碼子。本研究通過定點(diǎn)突變技術(shù)，用10條引物將其中所含的15個(gè)稀有密碼子更換為大腸桿菌偏好的密碼子，從而使蛋白質(zhì)的表達(dá)量由占整個(gè)菌體總量的7.49%提高到19.8%，這說明稀有密碼子確實(shí)限制了腸毒素O在大腸桿菌中表達(dá)，也證明通過密碼子優(yōu)化來提高腸毒素O的表達(dá)水平的策略是成功的。本研究發(fā)現(xiàn)，靠近N端的一些稀有密碼子對(duì)蛋白表達(dá)水平影響較為顯著，對(duì)其優(yōu)化能較大地提高蛋白的表達(dá)水平;同時(shí)發(fā)現(xiàn)，并不是以上所有稀有密碼子，經(jīng)優(yōu)化都對(duì)蛋白表達(dá)水平的提高產(chǎn)生顯著影響，即使是同一種稀有密碼子在不同位置引起的偏倚對(duì)蛋白量的表達(dá)水平也會(huì)有不同程度的影響。例如在19位的ATA→ATT的突變使蛋白表達(dá)量從7.49%提高至10.3%，而在389位 ATA→ATT的突變則對(duì)蛋白表達(dá)量并沒有產(chǎn)生顯著影響。此外，有文獻(xiàn)報(bào)道對(duì)表達(dá)影響較大的 AGA、GGG等稀有密碼子在此體系下對(duì)腸毒素O的表達(dá)量影響并不是特別顯著，這可能與密碼子優(yōu)化順序或稀有密碼子的所處位置有關(guān)。有文獻(xiàn)報(bào)道，在不同位置插入稀有密碼子AGG會(huì)導(dǎo)致鏈激酶在大腸桿菌中的過表達(dá)或者不表達(dá)［14］，提示稀有密碼子類型及其所在分子環(huán)境(位置)共同決定了該稀有密碼子對(duì)蛋白表達(dá)水平的作用程度。

本實(shí)驗(yàn)采用了親和層析、陰離子層析、超濾等方法，并通過Western blot鑒定，獲得了純度較高的目的蛋白。此方法較為簡(jiǎn)單、快捷，有助于質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的建立以及減少毒副反應(yīng)。而淋巴細(xì)胞增殖試驗(yàn)表明，采用不同方式獲得的重組腸毒素O同樣具備超抗原活性。

綜上所述，本實(shí)驗(yàn)通過密碼子的優(yōu)化，較大幅度提高了腸毒素O在大腸桿菌中的異源蛋白表達(dá)水平，證實(shí)了稀有密碼子對(duì)蛋白質(zhì)表達(dá)水平確實(shí)存在一定的影響，并且提出了假設(shè):稀有密碼子類型及其所在分子環(huán)境(位置)共同決定了該稀有密碼子對(duì)蛋白表達(dá)水平的作用程度，通過生物學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)所得蛋白進(jìn)行了活性鑒定，為大腸桿菌中異源蛋白表達(dá)、SEO作用機(jī)制的進(jìn)一步研究，以及靶向資料奠定了基礎(chǔ)。

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Codon optimization of recombinant staphylococcal enterotoxin O enhances the expression level in Escherichia coli

HUANG Peng，SUN Hong-ying，CHEN Shu-qing
(Institute of Pharmacology，Toxicology and Biological Pharmaceutics，College of Pharmaceutical Sciences，Zhejiang University，Hangzhou，310058，China)

Objective:To enhance the expression level of staphylococcal enterotoxin O(SEO)by optimization of rare codons.Methods:The gene of mature SEO(His-tag included)was cloned to pET28a，and 15 rare codons on the gene were optimized by PCR technology.These recombinant plasmids then were transformed into E.coli BL21(DE3)，respectively.After IPTG induced，the expression levels of those mutants were analyzed by SDS-PAGE.The proteins were purified and their bioactivities were determined.Results:After the optimization of rare codons，the expression levels were increased from 7.49%to 19.8%in total cell proteins.The optimized SEO had bioactivity to stimulate the proliferation of murine lymphocytes，which was equivalent to that of non-optimized SEO in vitro.Conclusion:Optimization of rare codons can enhance the expression of SEO effectually.

Staphylococcus aureus/immunol;Enterotoxins/immunol;Codon;Gene expression;Genetic vectors;Plasmids;Mutation;Cell proliferation;Lymphocytes

Q 343

A

1008-9292(2011)03-0297-07

http:∥www.journals.zju.edu.cn/med

10.3785/j.issn.1008-9292.2011.03.012

2010-10-18

2011-03-31

黃 鵬(1987-)，男，碩士研究生.

陳樞青(1961-)，男，博士生導(dǎo)師，主要從事微生物與生化制藥研究;E-mail:chenshuqing@zju.edu.cn

［責(zé)任編輯 黃曉花］