夏洪麗蔡佳魯義善簡紀常吳灶和
(1. 廣東海洋大學水產學院,湛江 524088;2. 廣東省水產動物病原生物學及流行病學重點實驗室,湛江 524088;3.廣東省教育廳水產經濟動物病害控制重點實驗室,湛江 524088;4. 仲愷農業(yè)工程學院,廣州 510225)
紅笛鯛p38β MAPK基因的克隆及原核表達
夏洪麗1,2,3蔡佳1,2,3魯義善1,2,3簡紀常1,2,3吳灶和2,3,4
(1. 廣東海洋大學水產學院,湛江 524088;2. 廣東省水產動物病原生物學及流行病學重點實驗室,湛江 524088;3.廣東省教育廳水產經濟動物病害控制重點實驗室,湛江 524088;4. 仲愷農業(yè)工程學院,廣州 510225)
魚類p38 MAPK基因在宿主免疫調控及抵御病原侵染的過程中具有重要作用。利用RACE技術克隆了紅笛鯛p38β MAPK基因(Ls-p38β,GenBank登錄號為KJ502277)。序列分析結果顯示,Ls-p38β cDNA全長1 628 bp,開放閱讀框1 086 bp,可編碼361個氨基酸,預測其編碼蛋白的分子量為41.6 kD,理論等電點為5.74。該基因推導的氨基酸序列含有p38 MAPK家族保守的雙磷酸化激活環(huán)(TGY),與尼羅羅非魚的p38β有97%的相似性。將此基因定向插入原核表達載體構建重組表達質粒pET32-p38β后導入BL21(DE3)菌株,利用IPTG進行誘導表達。SDS-PAGE與Western blot分析顯示約在60 kD出現特異蛋白條帶,與預期分子量大小相符,說明Ls-p38β 融合蛋白表達成功。
紅笛鯛 p38β 絲裂原活化蛋白激酶 原核表達
絲裂原活化蛋白激酶(Mitogen-activated protein kinase,MAPK)是生物體內一類重要的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶[1],它可通過磷酸化作用將胞外信號轉化到胞內,從而激活一系列的轉錄因子或其他效應分子,使機體產生對外界刺激的應答[2]。MAPKs包括4個亞家族:細胞外調節(jié)激酶(ERK)、c-jun氨基末端激酶(JNK)、p38 MAPK和大絲裂素活化蛋白激酶1(BMK1)。其中p38 MAPK 能在宿主受到紫外線照射、熱激、高滲透壓、炎癥因子和生長因子等外界刺激時被激活,進而參與炎癥、細胞生長、細胞分化和細胞死亡等多個生理過程[3]。
目前,已報道的p38 MAPK基因包括p38α、
p38β、p38γ、p38δ四種亞型[4,5-8],其中p38α和p38β幾乎在所有組織都表達,p38γ和p38δ只在肌肉、胰腺、腸和腎等組織中表達[6,7,9]。該家族的所有成員均具有“T-G-Y”結構域[10],在經典的三級級聯反應中,MAPK激酶的激酶(MAPKKK)和MAPK激酶(MAPKK)可以同時磷酸化激活環(huán)“T-G-Y”中的T(蘇氨酸)和Y(酪氨酸),從而活化p38 MAPK[11],調控下游基因的表達。哺乳動物中p38 MAPKs 參與了多種炎癥因子,如TNF-α、IL-6和IL-2的誘導表達,與機體炎癥反應的調節(jié)有關[12-15];此外,病毒感染也能激活哺乳動物p38 MAPKs,如柯薩奇病毒B3型(coxsackievirus B3)的感染能激活機體p38,從而可抑制p38的磷酸化并能夠減少病毒誘導的細胞死亡以及病毒粒子的釋放[16];而在2型豬圓環(huán)病毒(PCV2)的感染中,抑制p38 MAPK的激活能降低病毒誘導的Caspase活性[17]。以上結果表明哺乳動物的p38 MAPK在宿主免疫反應中發(fā)揮著重要作用。
目前,魚類p38 MAPK僅在斑馬魚[18]、大西洋鮭[19]和點帶石斑魚[20]等少數物種中有報道。紅笛鯛(Lutjanus sanguineus)是我國南方重要的海水養(yǎng)殖魚類,但近年來由于養(yǎng)殖密度的提高與養(yǎng)殖環(huán)境的惡化,紅笛鯛養(yǎng)殖中病害頻發(fā)[21]。鑒于魚類p38 MAPK在免疫調控及抵御病原侵染發(fā)揮著重要的作用[19,20,22-24],且目前學術界尚未見紅笛鯛p38 MAPK的相關研究報道,本研究通過同源克隆與RACE-PCR擴增得到了紅笛鯛p38β cDNA全長序列(Ls-p38β),并成功獲得了體外表達的重組蛋白,為后續(xù)該基因的功能研究奠定堅實的基礎。
1.1 材料
試驗用魚(500 g左右)購于湛江市東風市場;克隆載體pMD18-T Vector購自TaKaRa公司;UNIQ-10柱式Trizol總RNA抽提試劑盒購自上海生工生物技術有限公司;Ex Taq DNA聚合酶、PrimeSTARTMHS(Premix)、Reverse Transcriptase M-MLV 購自Ta-KaRa公司;SMARTerTMRACE試劑盒購自CLONTECH;DNA膠回收試劑盒購自Thermo公司;限制性核酸內切酶EcoR I和Xho I、T4 DNA連接酶購自NEB公司;PCR引物均由上海生工生物技術有限公司合成;Eschericia coli DH5α和 BL21(DE3)菌株、原核表達載體pET-32a(+)Vector由本實驗室保存。
1.2 方法
1.2.1 總RNA的提取 無菌操作取紅笛鯛脾臟組織10-20 mg,加入1 mL Trizol,研磨處理,按的UNIQ-10柱式Trizol總RNA抽提試劑盒(上海生工)說明書提取紅笛鯛脾臟組織的總RNA。
1.2.2 片段擴增 利用所得到的mRNA,按照Ta-KaRa公司的Reverse Transcriptase M-MLV說明書進行cDNA第一鏈的合成,根據已報道的人類(NP_0-02742)、小家鼠(NP_035291)、斑馬魚(NP_001002095)和點帶石斑魚(JN408833)p38β基因設計簡并引物p38-F和p38-R(表1),以上述cDNA為模板,在下列緩沖體系中:模板1 μL,引物p38-F、p38-R各1 μL,Ex Taq buffer 2.5 μL,dNTP 2 μL,Ex Taq 0.2 μL,ddH2O補足至25 μL。按照如下程序進行PCR反應:94℃預變性3 min;94℃ 30 s,60℃ 30 s,72℃ 30 s,共34個循環(huán),72℃延伸10 min。電泳檢測PCR產物,將目的條帶切膠回收,回收產物連接pMD18-T載體,轉化到DH5α感受態(tài)細胞中,挑取單菌落,利用菌落PCR鑒定,將陽性克隆送到上海生工測序。
1.2.3 RACE PCR擴增p38β的全長 根據所得基因片段,設計3'RACE特異性引物3'-1、3'-2和5'RACE特異性反向引物5'-1、5'-2(表1),RACE PCR模板的制備參照CLONTECH的SMARTerTMRACE試劑盒說明書。利用3'/5' cDNA一鏈,特異引物3'-1/5'-1和UPM Mix進行第一輪PCR擴增,反應體系如下:3'/5' cDNA一鏈 1 μL,UPM Mix 1 μL,3'-1/5'-1 1 μL,Primer Star Mix 10 μL,ddH2O 補足至20 μL。PCR反應條件:98℃預變性3 min;94℃ 30 s,72℃ 2 min,4個循環(huán);94℃ 30 s,70℃ 30 s,72℃ 1 min 4個循環(huán);94℃ 30 s,68℃ 30 s,72℃ 1 min,24個循環(huán);72℃延伸10 min 。將第一輪的PCR產物稀釋10倍作為模板,進行巢式PCR,反應體系如下:模板1 μL,引物3'-2、5'-2各1 μL,LA Taq buffer 2.5 μL,dNTP 2 μL,LA Taq 0.2 μL,ddH2O補足至25 μL。反應條件為98℃預變性3 min;94℃ 30 s,68℃ 30 s,72℃1 min,34個循環(huán),72℃延伸10 min。3'巢式
PCR產物的切膠回收,連接,轉化,菌落PCR鑒定,測序同1.2.2。
表1 本試驗所用引物
1.2.4 序列分析 測序結果經DNAMAN軟件拼接得到的cDNA序列在NCBI上進行同源比對和相似性分析;利用NCBI的ORF finder確定ORF,利用Genetyx 7.0翻譯得到氨基酸序列;利用Clustal X 2.0進行氨基酸多重序列比對;利用Clustal X 2.0和MEGA 5.0構建系統(tǒng)進化樹。
1.2.5 構建重組質粒 根據測序結果,設計p38β基因的開放閱讀框的引物。在引物的5'和3'端分別加上EcoR I和Xho I酶切位點。擴增紅笛鯛p38β的ORF,所得PCR產物切膠回收后與T載體連接、轉化、陽性克隆鑒定方法同1.2.2。將構建成功的質粒命名為pMD18-p38β,根據全式金公司的EasyPure Plasmid MiniPrep Kit說明書提取pET-32a以及pMD18-p38β質粒。利用EcoR I和Xho I分別對其進行雙酶切,將酶切產物用T4連接酶連接,其余步驟同1.2.2。將測序正確的克隆命名為pET-p38β,擴大培養(yǎng)后提取質粒轉化到BL21感受態(tài)細胞,陽性克隆鑒定同1.2.2。
1.2.6 重組蛋白的誘導表達 陽性克隆菌液接種于50 mL LB液體培養(yǎng)基(Amp+),37℃,200 r/min培養(yǎng)過夜,次日按1∶100接種到新的LB培養(yǎng)基(Amp+)中,37℃培養(yǎng)至OD值為0.4-0.6時,加入IPTG至終濃度為0.7 mmol/L,37℃繼續(xù)振蕩培養(yǎng),6 h后離心收集沉淀,用PBS重懸菌體,置于冰上進行超聲破碎,SDS-PAGE檢測蛋白表達情況。
1.2.7 Western blot分析 使用Bio-Rad公司的蛋白印跡裝置將pET-p38β蛋白的電泳產物轉印到PVDF膜上,用6-His-Tag單克隆抗體作為一抗,37℃孵育2 h;TBST清洗4次,每次10 min;HRP-標記的羊抗鼠IgG作二抗,孵育2 h,TBST清洗4次,每次10 min;加入DAB顯色液至有清晰的目的條帶出現,用ddH2O終止反應,并沖洗10 min以終止顯色,拍照記錄。
2.1 紅笛鯛p38β基因的克隆
紅笛鯛p38β基因cDNA序列全長1 628 bp,包括 5'UTR 108 bp、3'UTR 434 bp和 ORF 1 086 bp,可編碼361個氨基酸(圖1),預測蛋白分子量41.6 kD。
2.2 序列分析
氨基酸的比對結果(圖2)顯示Ls-p38β的氨基酸序列與尼羅羅非魚(O.niloticus)、斑馬魚(D.rerio)、青鳉(O.latipes)、點帶石斑魚(E.coioides)、紅鰭東方鲀(T.rubripes)高度同源(圖3),其中與尼羅羅非魚的氨基酸序列相似度高達97%。
2.3 原核表達
SDS-PAGE電泳(圖4)表明,重組質粒pET32-p38β在大腸桿菌BL21中表達,表達的融合蛋白分子量約60 kD,和理論值相符。Western blot檢測結果和SDS-PAGE電泳結果一致。
p38 MAPK是一類真核生物中高度保守的信號轉導因子,在多種生理及病理過程中扮演著重要角色。目前p38MAPK的功能研究主要集中在大西洋鮭[19]和點帶石斑魚[20]中,在其他魚類的研究中還相對較少。本試驗克隆得到了紅笛鯛p38β MAPK基因(Ls-p38β),氨基酸序列比對結果顯示,Ls-p38β與其他魚類的p38β相似度較高,進化分析顯示Lsp38β與其他魚類的p38β聚為一枝,與哺乳類p38β蛋白進化距離較遠,表明魚類p38β具有高度保守性。
圖1 紅笛鯛p38β基因cDNA全長及編碼的氨基酸序列
氨基酸序列分析表明Ls-p38β具有該家族保守的“T-G-Y”結構域和“ATRW”底物結合位點。兩者在p38 MAPK的磷酸化以及與底物的相互作用中都具有重要作用?!癟-G-Y”三肽序列存在于蛋白激酶第Ⅶ和第Ⅷ結構域之間,該區(qū)域被稱作T環(huán)(L12環(huán)狀結構),由于T環(huán)最接近激活位點,是決定MAPK激酶活性的關鍵部分,T環(huán)的長度會影響其底物的特異性和自主磷酸化作用[25]。研究表明,哺乳動物p38β的T環(huán)結構較短,使得Y(酪氨酸)位點難以被磷酸化。經典的MKK途徑通過同時磷酸化活化環(huán)上的蘇氨酸和酪氨酸位點而激活人類p38信號,但是p38活化還存在非經典的激活方式。2005年,Salvador等[26]發(fā)現,在活化的人類T細胞中,ZAP-70磷酸化p38α和p38β的Tyr323以后,引起Thr180和Tyr182發(fā)生自身磷酸化,從而導致p38信號被激活。近年來越來越多的研究表明,p38 MAPK在炎癥反應和細胞因子表達的調控中都發(fā)揮著關鍵作用[27],姜勇和Chen等[28-31]通過p38 MAPK無活性突變體以及負顯性突變技術,發(fā)現哺乳類p38 MAPK發(fā)揮生物功能依賴于“T-G-Y”結構域和Thr180、Tyr182位點。2011年,Ulli等[32]通過研究大西洋鮭的p38α的結構及其新的功能域交換的二聚活化模式,發(fā)現Tyr323的磷酸化及二聚化能夠活化p38α信號,揭示魚類p38 MAPK的激活能夠通過一種非經典的磷酸化傳導構象來完成。而本研究中紅笛鯛p38β MAPK是否也具備相似的特征還有待于進一步的研究。而在本研究中鑒定的紅笛鯛p38β MAPK也含有p38 MAPK家族保守的功能結構
域“T-G-Y”,但是其作用模式及作用機制尚不清楚,今后我們將通過定點突變、RNA干擾等技術進一步去驗證,為闡明魚類p38 MAPK的作用機制提供理論依據。
圖2 紅笛鯛p38β與其他物種p38β氨基酸序列比對結果
圖3 紅笛鯛p38β的進化分析
圖4 pET32-p38β重組蛋白的純化與免疫印跡檢測
pET載體是目前應用最廣泛的原核表達系統(tǒng),pET-32a作為宿主菌,能夠特異性地識別T7啟動子,并且該載體含有His-Tag標簽,便于蛋白的分離純化。劉召民等[33]利用文昌魚的p38重組蛋白制備的(Amphi-p38)抗體進行了免疫組化試驗,發(fā)現Amphi-p38在體表皮、腸和肛盲囊都有強烈的表達信號,這些組織和外界環(huán)境直接接觸,是文昌魚抵御病原侵入的第一道防線,推測文昌魚的p38可能參與了機體的免疫防御過程。本試驗通過構建原核表達載體pET32-p38β,成功獲得了體外重組蛋白。以上研究為進一步了解Ls-p38β在細胞中的分布和功能奠定了堅實的基礎。
本研究從紅笛鯛脾臟組織中克隆得到p38β基因;Ls-p38β具有保守的“T-G-Y”結構域和“ATRW”底物結合位點,和其他已報道的p38β基因高度同源;構建了原核表達載體pET32-p38β,轉化大腸桿菌,通過誘導表達獲得了大小約60 kD的p38β重組蛋白。
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(責任編輯 李楠)
Cloning and Prokaryotic Expression of p38β MAPK from Lutjanus sanguineus
Xia Hongli1,2,3Cai Jia1,2,3Lu Yishan1,2,3Jian Jichang1,2,3Wu Zaohe2,3,4
(1. Fisheries College,Guangdong Ocean University,Zhanjiang 524088;2. Guangdong Provincial Key Laboratory of Pathogenic Biology and Epidemiology for Aquantic Economic Animals,Zhanjiang 524088;3. Key Laboratory of Control for Disease of Aquatic Animals of Guangdong Higher Education Institutes,Zhanjiang 524088;4. Zhongkai University of Agriculture and Engineering,Guangzhou 510225)
Humphead snapper(Lutjanus sanguineus)p38β MAPK(Ls-p38β)was cloned using RACE method. The GenBank accession number is KJ502277. The full-length cDNA of p38β MAPK was 1 628 bp containing an open reading frame of 1 086 bp, encoding 361 amino acids with an estimated molecular weight of 41.6 kD and a theoretical pI of 5.74. Amino acid alignment indicated that Ls-p38β possessed a Thr-Gly-Tyr(TGY)dual phosphorylation motif of p38 MAPK family and shared 97% similarity with Oreochromis niloticus p38β. The prokaryotic expression vector pET-p38β was constructed and then transformed into BL21(DE3). SDS-PAGE and Western blotting analysis indicated that the recombinant protein of Ls-p38β was successfully expressed and molecular weight of expressed fusion protein was 60 kD.
Lutjanus sanguineus p38β MAPK Prokaryotic expression
10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2014.12.030
2014-03-27
廣東省國際合作項目(2012B050600029),廣東高校國際合作創(chuàng)新平臺項目(2013gjhz0008)
夏洪麗,女,碩士,研究方向:水產動物病害防治;E-mail:xiahongli0427@163.com
魯義善,男,博士,碩士生導師,研究方向:水產動物免疫學及病害防治;E-mail:fishdis@163.com