蔡紅艷 ,陳保立,梁未麗,王多春,李杰,段國賢,闞飆
1.河北聯(lián)合大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院,河北 唐山 063000;2.山東省疾病預(yù)防控制中心,山東省傳染病預(yù)防控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濟(jì)南 250014;3.中國疾病預(yù)防控制中心 傳染病預(yù)防控制所,傳染病預(yù)防控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102206
細(xì)菌中的環(huán)腺苷酸受體蛋白(cAMP receptor protein,CRP)是一種全局性調(diào)控因子,最早在大腸桿菌分解代謝產(chǎn)物阻遏過程中被鑒定出[1]。CRP 與cAMP 形成cAMP-CRP 聚合體后與啟動子上游保守序列TGTGA-(N6)-TCACA 結(jié)合,從而調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄[1-2]。在大腸桿菌中CRP 的調(diào)控作用已經(jīng)得到較深入的研究,已發(fā)現(xiàn)至少有378 個基因受到CRP的調(diào)控[3],轉(zhuǎn)錄組分析數(shù)據(jù)表明CRP 對碳源核心代謝通路上的酶及轉(zhuǎn)運(yùn)載體的轉(zhuǎn)錄有調(diào)控作用[4]?;魜y弧菌CRP 的基因和蛋白序列與大腸桿菌的CRP分別有81%和95%的一致性[5-6],這提示CRP 在霍亂弧菌與大腸桿菌中有著相似的作用。CRP在霍亂弧菌中功能的研究主要集中在其對毒力基因的調(diào)控上,如CRP 調(diào)控霍亂毒素和菌素共調(diào)節(jié)菌毛基因的轉(zhuǎn)錄[7]、調(diào)控血凝素/蛋白酶的產(chǎn)生[8]。另外,CRP 還影響密度感應(yīng)系統(tǒng)及霍亂弧菌在腸道中生存所必需基因的轉(zhuǎn)錄[9]。
我們曾利用表型芯片檢測、轉(zhuǎn)錄水平分析、調(diào)控蛋白結(jié)合DNA 調(diào)控區(qū)的實(shí)驗(yàn)方式,分析了霍亂弧菌中CRP 對不同碳源利用的調(diào)節(jié)作用,找到24 種被CRP 調(diào)控利用的碳源,其中11 種未在細(xì)菌中見到受CRP 調(diào)控的報(bào)道[10]。其中,發(fā)現(xiàn)參與L-天冬氨酸代謝的VC0391(編碼天冬氨酸激酶,aspartokinase isozymes,AK)和VC2364(編碼高絲氨酸脫氫酶,homoserine dehydrogenase,HDH)基因受CRP 的調(diào)控。天冬氨酸是一種α-氨基酸,其異構(gòu)物L(fēng)-天冬氨酸是20種蛋白氨基酸之一。天冬氨酸代謝通路廣泛存在于植物及微生物中,涉及的步驟及參與的酶均比較保守。在大腸桿菌中,天冬氨酸在AK的作用下生成磷酸化天門氨酰。共有3 類AK,其中AKⅠ和AKⅡ是雙功能酶,酶的活性分別受到蘇氨酸和甲硫氨酸的反饋抑制;AKⅢ為單功能酶,受到賴氨酸的反饋抑制。磷酸化天門氨酰在天冬氨酸-β-半醛脫氫酶(aspartate-β-semialdehyde dehydrogenase,ASADH)的作用下生成天冬氨酸-β-半醛,而后在HDH 的作用下生成高絲氨酸,進(jìn)而生成甲硫氨酸、蘇氨酸和異亮氨酸,或者在二氫吡啶二羧酸合成酶(dihydrodipicolinate synthase)的作用下生成四氫吡啶二羧酸,進(jìn)而生成賴氨酸。
我們的前期研究證實(shí),參與L-天冬氨酸代謝的VC0391基因啟動子區(qū)與CRP 直接結(jié)合,雖看到CRP對編碼HDH 的VC2364 基因的調(diào)控效果,但未發(fā)現(xiàn)VC2364 基因調(diào)控區(qū)典型的CRP 結(jié)合位點(diǎn)及CRP 的直接結(jié)合作用[10]。在本研究中,我們進(jìn)一步分析了CRP對VC2364基因的調(diào)控作用,發(fā)現(xiàn)將霍亂弧菌中VC2364 基因啟動子區(qū)非典型的CRP 結(jié)合序列該造為典型序列后,增強(qiáng)了受CRP 調(diào)控的作用,顯示原VC2364基因序列能促使CRP的弱調(diào)控,提示霍亂弧菌中可能存在的受CRP精細(xì)調(diào)節(jié)的作用。
菌株與質(zhì)粒見表1。大腸桿菌與霍亂弧菌在LB培養(yǎng)基中于37℃培養(yǎng),培養(yǎng)基中加入合適的抗生素。大腸桿菌培養(yǎng)所加氯霉素(Cm)終濃度為10 mg/mL;霍亂弧菌所加Cm 終濃度為2 mg/mL,多黏菌素B終濃度為0.1 U/mL。
PCR 產(chǎn)物純化試劑盒、質(zhì)粒提取試劑盒、瓊脂糖凝膠回收試劑盒購自O(shè)mega 公司;DNA 提取試劑盒、PCR 擴(kuò)增用2×Pfumaster Mix 購自天根公司;限制性內(nèi)切酶、T4DNA 連接酶購自TaKaRa 公司;酶聯(lián)檢測儀Infinite M200 Pro 購自Tecan 公司;細(xì)胞培養(yǎng)板購自Corning 公司;PCR 儀、電泳儀、電泳槽、凝膠成像儀購自Bio-Rad 公司;生物安全柜Forma ClassⅡ,A2,購自Thermo公司。
分別用Virtual Footprint[11]和Regulatory Sequence Analysis Tools(RSAT)[12]軟件預(yù)測可能的CRP 結(jié)合位點(diǎn)。為了將VC2364 基因的啟動子序列中與CRP 結(jié)合位點(diǎn)保守序列不一致的3 個堿基替換成保守序列,我們在預(yù)測堿基位點(diǎn)上下游500 bp 同源臂處設(shè)計(jì)引物P1、P2、P3、P4,通過P2、P3 的設(shè)計(jì)將不一致的序列置換為CRP 保守序列。在引物P2、P3 的5'端各取10 個堿基反向互補(bǔ),將P2 反向互補(bǔ)序列加在P3 的5'端,P3 反向互補(bǔ)序列加在P2 的5'端,并在P1、P4 引物的5'端加上酶切位點(diǎn)與保護(hù)堿基。以C7258 基因組DNA 為模板,分別以引物P1、P2和P3、P4 擴(kuò)增得到同源臂,將擴(kuò)增得到的2 個PCR 產(chǎn)物片段按1∶1 的比例混合后純化回收,以純化回收的PCR 產(chǎn)物為模板,用引物P1、P4 進(jìn)行搭橋PCR 擴(kuò)增,得到上下游同源臂搭橋序列片段。引物序列見表2。
未改造的PCR 產(chǎn)物、搭橋PCR 產(chǎn)物、pBBRlux 質(zhì)粒分別用PvuⅠ和SacⅠ雙酶切后切膠回收,酶切產(chǎn)物用T4DNA 連接酶連接1 h,取5μL 轉(zhuǎn)入100μL大腸桿菌DH5α感受態(tài)細(xì)胞中,冰浴30 min,42℃熱激90 s,加入1 mL液體LB,37℃搖床振搖40 min后離心,取100μL液體涂布于含Cm的平板培養(yǎng)基上,待長出菌落后,挑取50 個菌落用pBBRlux-PvUⅠ、pBBRLux-BamHⅠ引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增、測序,挑取陽性菌落,將構(gòu)建成功的質(zhì)粒命名為pvc2364-lux、pvc2364s-lux。
表1 研究使用的菌株與質(zhì)粒
表2 質(zhì)粒構(gòu)建所用引物及序列
將質(zhì)粒pvc2364-lux、pvc2364s-lux 分別轉(zhuǎn) 入SM10 供體菌、受體菌(C7258、WL7258),各取0.6 mL 菌液混合,5000 r/min 離心5 min,棄上清,用1 mL LB 懸菌后再次離心,棄上清,用80μL LB 懸菌,將菌液點(diǎn)到高壓滅菌并平貼于LB 平板上的0.45μm 的微孔水系濾膜上,菌液吸收后于37℃溫箱中培養(yǎng)4~6 h,用LB 沖洗濾膜,收集洗液,離心后沉淀重懸于適量LB,涂布于質(zhì)粒所帶抗性多黏菌素B和霍亂弧菌所帶抗性Cm 的培養(yǎng)基平板,37℃培養(yǎng)過夜。
將含有pvc2364-lux,pvc2364s-lux 質(zhì)粒的霍亂弧菌活化過夜,接種于含Cm和多黏菌素B 的5 mL液體培養(yǎng)基中,第2 d 按1/1000 的比例轉(zhuǎn)接到2 mL無菌LB 中,37℃振蕩培養(yǎng),到一定時間分別取200μL 菌液轉(zhuǎn)移到96 孔板中,于Tecan Infinite M200 Pro酶標(biāo)儀中檢測熒光值,同時在該儀器中測定菌濁度(D600nm值),以時間點(diǎn)為橫坐標(biāo)、熒光值/D600nm為縱坐標(biāo),得到光值曲線。
分別用Virtual Footprint和RSAT 軟件預(yù)測基因VC2364 上游是否有CRP 可能的結(jié)合位點(diǎn)。Virtual Footprint預(yù)測結(jié)果顯示VC2364基因上游431~452處有可能的CRP 結(jié)合位點(diǎn),與保守序列有7 個位點(diǎn)一致;RSAT 未預(yù)測到VC2364 上游有CRP 可能的結(jié)合位點(diǎn)。
用搭橋PCR 的方法,將VC2364 基因啟動子上游序列中與CRP 結(jié)合位點(diǎn)保守序列不一致的3 個堿基替換成保守序列,未改造的序列經(jīng)PCR 擴(kuò)增后與pBBRlux 連接并導(dǎo)入感受態(tài)大腸桿菌DH5α,挑取PCR 擴(kuò)增陽性的菌落,提取質(zhì)粒進(jìn)行酶切驗(yàn)證,選取酶切條帶大小合適的質(zhì)粒測序,結(jié)果顯示構(gòu)建的報(bào)告質(zhì)粒正確。圖1為改造前與改造后的序列對比。
圖1 基因VC2364啟動子CRP結(jié)合位點(diǎn)堿基的改造
質(zhì)粒pBBRlux 利用luxCDABE 基因作為報(bào)告基因,其熒光表達(dá)需要借助插入的啟動子。將VC2364基因啟動子上游可能的CRP結(jié)合位點(diǎn)原始序列和改造序列構(gòu)建到報(bào)告質(zhì)粒pBBRlux 中,檢測報(bào)告質(zhì)粒pBBRlux 在C7258 與WL7258 菌株中的熒光值,發(fā)現(xiàn)改造的質(zhì)粒在C7258 株中的熒光值高于未改造的,在WL7258 株中的差異更明顯。另外,序列改造與未改造的質(zhì)粒在CRP野生株C7258中的熒光值均高于CRP突變株WL7258中。見圖2。
本研究論證了細(xì)菌中CRP調(diào)控單元中一個CRP結(jié)合位點(diǎn)序列的特殊例子。我們在分析CRP對霍亂弧菌碳源代謝的影響中,發(fā)現(xiàn)了多種碳源的代謝受到CRP 調(diào)控,參與L-天冬氨酸代謝的VC2364 基因在轉(zhuǎn)錄水平上受CRP 的調(diào)控,但其啟動子區(qū)未發(fā)現(xiàn)典型的CRP結(jié)合位點(diǎn)序列。CRP與啟動子區(qū)保守序列TGTGA-(N6)-TCACA 結(jié)合從而調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄,軟件預(yù)測發(fā)現(xiàn)在VC2364基因啟動子區(qū)上游有可能的CRP 結(jié)合位點(diǎn)AGCGC-(N6)-TCACA,因此這是一個不典型的CRP 結(jié)合序列,與典型序列相比有7個堿基序列一致。但從前期研究結(jié)果來看,這7個堿基序列很可能已促進(jìn)了CRP的結(jié)合和調(diào)控。為了闡明CRP 是否直接調(diào)控VC2364 的轉(zhuǎn)錄,我們利用報(bào)告質(zhì)粒比較了其啟動子在CRP野生株和缺失株中的轉(zhuǎn)錄表達(dá),發(fā)現(xiàn)在野生株中VC2364啟動子序列啟動的表達(dá)是受CRP 調(diào)節(jié)的,因?yàn)槠湓贑RP 野生株中的表達(dá)高于在CRP缺失株中。這是對我們前期研究結(jié)果的確認(rèn)。我們也看到,在缺失株中也有啟動子序列啟動的表達(dá),這說明該啟動子同時受到其他因素的調(diào)控。
圖2 報(bào)告質(zhì)粒在CRP野生株C7258及其突變株WL7258中熒光值的差異
CRP 識別調(diào)控區(qū)的典型結(jié)合位點(diǎn)序列是TGTGA-(N6)-TCACA,在VC2364 基因前面僅有7 個堿基與經(jīng)典結(jié)合位點(diǎn)一致,為此我們改構(gòu)了VC2364啟動子區(qū)的該區(qū)域序列,使其形成典型的CRP 結(jié)合位點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)測定證實(shí),改造為典型CRP結(jié)合序列后,啟動子受CRP 的作用大為增強(qiáng),改造序列在CRP 缺失株中的熒光變化不大,但在野生株中明顯增強(qiáng),而且改造的啟動子在CRP 野生株中,其促進(jìn)表達(dá)的熒光也超過了VC2364的野生型啟動子的作用。因此,這些結(jié)果提示,VC2364啟動子區(qū)非典型的CRP結(jié)合序列AGCGC-(N6)-TCACA 也是能被CRP 作用的,但改造為典型序列后受到CRP 更強(qiáng)的作用,激發(fā)了更強(qiáng)的轉(zhuǎn)錄作用。在細(xì)菌中,CRP被別構(gòu)效應(yīng)物cAMP激活并與之結(jié)合形成二聚體復(fù)合物,該復(fù)合物結(jié)合于靶啟動子上游特異的DNA 位點(diǎn)TGTGA-(N6)-TCACA 后與RNA聚合酶直接作用,增強(qiáng)后者在啟動子上的結(jié)合能力,從而起始轉(zhuǎn)錄。我們推測,VC2364啟動子區(qū)的這個非典型CRP結(jié)合序列,依然能夠使CRP二聚體形成較微弱的結(jié)合并發(fā)揮一定的激活作用。
在大部分植物和微生物中,天冬氨酸代謝是合成賴氨酸、蘇氨酸、異亮氨酸、甲硫氨酸所必需的,另外該途徑還產(chǎn)生許多重要的中間產(chǎn)物,如在細(xì)胞壁合成過程中起交聯(lián)作用的二氨基庚二酸及革蘭陽性菌芽胞的重要組成成分吡啶二羧酸[13]。在霍亂弧菌中,天冬氨酸代謝涉及的高絲氨酸脫氫酶基因VC2364啟動子CRP結(jié)合位點(diǎn)可能發(fā)生了突變,形成了非典型結(jié)合序列,弱化了被CRP 調(diào)控的作用。為什么沒有出現(xiàn)典型的CRP結(jié)合序列?這種序列變化弱化了CRP的調(diào)控作用,但這種突變卻被保留,其中的機(jī)制目前還不清楚,是否是適應(yīng)某類微環(huán)境而形成的適應(yīng)性改變,還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)分析。
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