彭傳林魏川川吳建偉王宇,3修江帆尚小麗趙學(xué)軍
(1.貴陽醫(yī)學(xué)院寄生蟲學(xué)教研室,貴陽 550004;2.皖北煤電集團總醫(yī)院,宿州 234000;3.貴州省疾病預(yù)防控制中心,貴陽 550004)
家蠅抗真菌肽-溶菌酶基因的克隆、表達及序列分析
彭傳林1,2魏川川1吳建偉1王宇1,3修江帆1尚小麗1趙學(xué)軍1
(1.貴陽醫(yī)學(xué)院寄生蟲學(xué)教研室,貴陽550004;2.皖北煤電集團總醫(yī)院,宿州234000;3.貴州省疾病預(yù)防控制中心,貴陽550004)
旨在對家蠅抗真菌肽MAF-1-溶菌酶(LZM)基因進行生物信息學(xué)分析,并進行融合基因MAF-1-LMZ的克隆和表達分析。從GenBank獲得家蠅抗真菌肽MAF-1和溶菌酶LZM的編碼序列,分析和預(yù)測這兩種蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能。PCR擴增融合蛋白質(zhì)抗真菌肽-溶菌酶的基因 MAF-1-LMZ,將其克隆到原核表達載體pET-28a中,重組質(zhì)粒pET-28a-MAF-1-LMZ在大腸桿菌OrigmiB/DE3中經(jīng)用IPTG誘導(dǎo)表達,表達產(chǎn)物MAF-1-LMZ通過SDS-PAGE電泳進行鑒定,采用小試管法倍比稀釋法進行活性驗證。結(jié)果顯示,融合蛋白質(zhì)MAF-1-LMZ序列的ORF為969 bp,編碼322個氨基酸殘基,理論分子量為35 468.6 Da,等電點為8.31,在大腸桿菌OrigmiB/DE3中得到成功表達。其純化后的目的蛋白具有抗真菌活性。
家蠅;抗真菌肽-溶菌酶;重組表達;序列分析
深部真菌感染日益成為導(dǎo)致腫瘤放化療、器官移植及艾滋病等免疫力低下病人死亡的主要原因[1],嚴(yán)重威脅著人類的健康[2,3]。抗真菌藥物較為有限,其本身具有毒副作用并且耐藥現(xiàn)象日益增加。尋求和研發(fā)安全有效的抗真菌藥至關(guān)重要。本課題組前期研究中,家蠅抗真菌肽MAF-1(Musca domestica antifungalpeptide-1)在體外被驗證具有抗真菌活性,可能是一種全新的以α螺旋為主的線性昆蟲抗真菌肽[4]。家蠅溶菌酶(lysozyme,LZM)是一類非特異性免疫因子,在機體的先天免疫中發(fā)揮重要作用,可破壞菌體胞壁、導(dǎo)致細(xì)菌死亡,而對人體無毒副作用[5]。為了尋求新型的抗菌蛋白質(zhì)或抗真菌-抗細(xì)菌融合蛋白質(zhì),近年來國內(nèi)外先后報道了有關(guān)抗菌肽類基因以及與其它相關(guān)基因融合的克隆和表達[6-10],Lu等[11]報道了家蠅天蠶素與人溶菌酶融合表達。但目前將家蠅的抗真菌肽MAF-1與抗細(xì)菌的溶菌酶LZM進行融合表達未見報道。將二者構(gòu)建成融合蛋白質(zhì),使其具有真菌肽和溶菌酶的活性,降低細(xì)菌的耐受性,對家蠅抗真菌肽和家蠅溶菌酶作為新藥研發(fā)具有重要意義。本研究利用酶切、連接重組家蠅抗真菌肽MAF-1與家蠅溶菌酶LZM的基因,對其編碼的重組蛋白質(zhì)MAF-1-LMZ結(jié)構(gòu)特征進行預(yù)測分析和克隆表達,旨在為進一步研究該重組融合基因的功能奠定理論基礎(chǔ)。
1.1 材料
1.1.1 試驗材料 家蠅,由貴陽醫(yī)學(xué)院寄生蟲教研室常規(guī)飼養(yǎng);載體pET-28a、大腸桿菌菌株DH5α、OrigmiB/DE3由貴陽醫(yī)學(xué)院寄生蟲教研室常規(guī)保存。
1.1.2 主要試劑及設(shè)備 限制性內(nèi)切酶EcoR I、Hind III及Xho I、T4連接酶、rTaq酶、DNA Marker、Protein Marker、PCR產(chǎn)物膠回收試劑盒、DNA產(chǎn)物純化試劑盒、質(zhì)粒小量提取試劑盒均購于大連寶生物科技公司;其他試劑均為國產(chǎn)分析純。PCR擴增儀(德國Eppendorf公司);穩(wěn)壓穩(wěn)流電泳儀(美國GE公司);紫外分光光度計(美國GE公司);Millipore 0.22 μm/0.45 μm濾器(美國Merck Millipore公司);Milli-Q超純水儀(法國Mill-ipore Pharmacia公司)。
1.1.3 引物合成和DNA測序 基因擴增引物和重組質(zhì)粒DNA測序由上海生物工程有限公司完成。
1.2 方法
1.2.1 MAF-1、LMZ基因的識別 利用美國國家生物技術(shù)信息中心(National Center for Biotechnology Information,NCBI,http://www.ncbi.nlm.nih.gov/)網(wǎng)站的ORF Finder(開放閱讀框探尋器)確定其完整編碼序列和編碼的氨基酸序列。利用瑞士生物信息學(xué)研究所的蛋白分析專家系統(tǒng)(Expert Protein Analysis Systerm,ExPASy,http://ca.expasy.org/)Proteomics Server(http://ca.expasy.org/)所提供的蛋白質(zhì)在線分析工具,如protparam(http://au.expasy. org/tools/protparam.html)預(yù)測氨基酸序列的分子量、等電點、穩(wěn)定性指數(shù)等理化性質(zhì);InterPro Scan(http://www.ebi.ac.uk/InterProScan/)預(yù)測氨基酸序列中的功能域;Sec(https://www.predictprotein. org/upgrade/Sec/)預(yù)測氨基酸序列中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
1.2.2 MAF-1-LMZ融合基因的擴增 利用prmer5.0軟件,根據(jù)GenBank獲得家蠅抗真菌肽(登錄號:HM178948)和家蠅溶菌酶(登錄號:XP_0051784-89.1)基因序列和pET-28a多克隆位點設(shè)計特異性引物。引物為:MAF-1 F:5'-GGAATTCGAATCTGCCCCCGCCCCTGAGGT-3',MAF-1 R :5'-CCCAAGCTTGGCATGGGGCTTCATTTCCTTGGC-3',下劃線為EcoR I 和Hind III限制性酶切位點;LMZ F:5'-GCCAAG CTTATGTACAACATTTCTGGTT-3',LMZ R:5'-CGGC TCGAGTCAAAAACAATCATCAACACT-3',下劃線為Hind III和Xho I限制性酶切位點。
從家蠅3齡幼蟲提取RNA,逆轉(zhuǎn)錄cDNA為模板分別進行PCR擴增。MAF-1 PCR條件:94℃預(yù)變性5 min;94℃ 30 s,63℃ 30 s,72℃ 30 s,共30個循環(huán);72℃延伸10 min。LMZ PCR條件:94℃預(yù)變性5 min;94℃ 30 s,60℃ 30 s,72℃ 30 s,共30個循環(huán);72℃延伸10 min。擴增產(chǎn)物用2%瓊脂糖凝膠電泳回收。
1.2.3 重組原核表達質(zhì)粒的構(gòu)建及鑒定 將回收的目的基因MAF-1、LMZ及表達載體pET-28a分別用限制性內(nèi)切酶EcoR I 和Hind III;Hind III和Xho I;EcoR I和Xho I進行雙酶切。并將目的基因酶切產(chǎn)物按一定比例與表達載體pET-28a酶切產(chǎn)物連接過夜,轉(zhuǎn)化大腸桿菌OrigmiB/DE3感受態(tài)細(xì)胞,卡那霉素篩選陽性克隆。對陽性克隆提取質(zhì)粒進行PCR、雙酶切和測序鑒定。
1.2.4 MAF-1-LMZ在大腸桿菌Origmi/DE3中的誘導(dǎo)表達 取50 μL培養(yǎng)過夜的陽性克隆菌液,加入含卡那霉素的5 mL LB培養(yǎng)基中(菌液/培養(yǎng)基為1/100),37℃,250 r/min振搖至OD600為0.6時,加入IPTG至終濃度0.25 mmol/L誘導(dǎo)表達16 h。離心收集菌體,在沉淀中加入80 mL 1×SDS-PAGE上樣緩沖液,煮沸8-10 min,12 000 r/min離心取上清10 μL進行15% SDS-PAGE分析。
1.2.5 重組蛋白的大量誘導(dǎo)、純化 按照上述方法對陽性克隆進行大量誘導(dǎo)表達,離心收集菌體,按每克菌體加入3 mL細(xì)菌細(xì)胞壁裂解液重懸菌體,反復(fù)凍融后冰上超聲裂解(功率150 W,持續(xù)1 s,停3 s,共180 s),4℃,12 000 r/min,離心20 min后收集上清,分別取上清和沉淀樣品處理后進行SDSPAGE判斷該重組蛋白的可溶性。收集上清,用0.45 μL濾膜過濾,參照鎳離子金屬螯合劑親和層析柱說明書進行蛋白純化,收集蛋白洗脫液,再將洗脫的目的蛋白在PBS透析液(pH7.4)中4℃透析24 h。并根據(jù)說明書,用Bradford法對經(jīng)過以上步驟獲得的重組蛋白進行蛋白定量,于-80℃保存?zhèn)溆谩?/p>
1.2.6 重組蛋白質(zhì)MAF-1-LMZ抗真菌活性檢測 將白色念珠菌Candida albicans ATCC10231制備成新鮮的菌懸液每毫升含1×107個菌細(xì)胞。在無菌的96孔細(xì)胞培養(yǎng)板中進行,分別于每孔中加入50 μL滅菌雙蒸水后,向第一孔加入50 μL純化后的重組蛋白質(zhì),混勻后從第一孔中吸取上述混合液50 μL加入到第二孔,以此類推做倍比稀釋,再向每孔中加入菌懸液50 μL,設(shè)置無菌蒸餾水為陰性對照,氟康唑為陽性對照,充分混勻后于30℃培養(yǎng)24 h,取培養(yǎng)物接種至培養(yǎng)基中30℃培養(yǎng)24 h后,觀察有無菌落生長并對菌落計數(shù)。
2.1 MAF-1-LMZ基因序列及蛋白質(zhì)理化性質(zhì)預(yù)測
圖1 MAF-1-LMZ序列及其ORF編碼的氨基酸序列
MAF-1基因編碼序列包含一個完整的開放閱讀框(ORF)為537 bp,編碼178個氨基酸;LMZ基因編碼序列包含一個完整的ORF為435 bp,編碼145個氨基酸。融合基因MAF-1-LMZ編碼序列包含的ORF為969 bp,編碼322個氨基酸(圖1)。ExPASy中ProtParam預(yù)測MDLMZ的理論分子量為35 468.6 Da,等電點為8.31。280 nm處的摩爾消光系數(shù)為39 460 M-1cm-1,0.1%濃度的ABS為1.098。若其成熟肽N-末端為蛋氨酸時,預(yù)測在哺乳動物網(wǎng)狀細(xì)胞體外表達的半衰期為30 h,在酵母和大腸桿菌中表達的半衰期分別>20和10 h。預(yù)測MAF-1-LMZ在溶液中不穩(wěn)定指數(shù)為32.29,低于閾值40,其性質(zhì)穩(wěn)定;MAF-1-LMZ的疏水指數(shù)為85.22,疏水性較高。
2.2 MAF-1-LMZ亞細(xì)胞定位分析ExPASy中TargetP預(yù)測
MAF-1-LMZ有信號序列,在第18和19個氨基酸之間有斷裂點,提示MAF-1-LMZ在細(xì)胞外分泌,未發(fā)現(xiàn)線粒體、過氧化酶體、溶酶體和細(xì)胞核等亞細(xì)胞定位序列。
2.3 InterPro Scan分析MAF-1-LMZ蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域
結(jié)果顯示,家蠅抗真菌肽MAF-1-溶菌酶(LZM)融合蛋白中分別含有抗真菌肽MAF-1的結(jié)構(gòu)域(1-178 aa),功能結(jié)構(gòu)域(128-153 aa),是一全新的昆蟲抗真菌肽;溶菌酶(LZM)功能域(182-322 aa),活性位點位于232-250 aa,屬于溶菌酶超家族。
2.4 蛋白質(zhì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析Sec預(yù)測
α螺旋(H)和無規(guī)卷曲(L)比例是37.67∶53.99,β折疊(E)和無規(guī)卷曲(L)比例是8.34∶53.99,二級結(jié)構(gòu)以α螺旋(H)為主。預(yù)測每個氨基酸的溶劑可及性(solvent accessibility,Acc),超過16%的表面暴露的定義為暴露氨基酸(e),其余氨基酸為包埋氨基酸(b)。從分析結(jié)果來看,一部分氨基酸殘基(39.63%)包埋在蛋白質(zhì)內(nèi)部,一部分氨基酸殘基(44.91%)暴露在溶液界面。
2.5 pET28a-MAF-1-LMZ質(zhì)粒構(gòu)建及鑒定
特異性引物分別擴增目的基因MAF-1、LMZ,2%瓊脂糖凝膠電泳后切膠回收目的基因,獲得約534 bp的MAF-1和435 bp的LMZ兩個片段。將重組質(zhì)粒pET28a-MAF-1-LMZ進行PCR和雙酶切后約在1 000 bp有一清晰的條帶,與目的基因(969 bp)的大小基本相符(圖2),測序結(jié)果證實重組質(zhì)粒中插入序列正確,表明重組質(zhì)粒構(gòu)建成功。
2.6 蛋白表達純化結(jié)果
將構(gòu)建好的重組質(zhì)粒pET28a-MAF-1-LMZ轉(zhuǎn)化到 E.coli OrigmiB/DE3中經(jīng)IPTG誘導(dǎo)表達,15% SDS-PAGE分析結(jié)果(圖3第 5、6 泳道)顯示,約在 35 kD左右處出現(xiàn)目的表達條帶。將蛋白進行純化,結(jié)果如圖 4第7泳道所示,證明目的蛋白純化成功。Bradford 法測得該蛋白濃度為0.37 mg/mL。
圖2 重組質(zhì)粒PCR及雙酶切鑒定
圖3 SDS-PAGE分析pET28a-MAF-1-LMZ表達純化效果
2.7 重組蛋白質(zhì)MAF-1-LMZ抗真菌活性
以白色念珠菌(ATCC10231)為指示菌,采用Quantity One克隆菌落計數(shù)法檢測重組蛋白質(zhì)MAF-1-LMZ的抗真菌活性。結(jié)果(表1,圖4)顯示,100 μg/mL的重組蛋白質(zhì)MAF-1-LMZ具有明顯的抗真菌活性。
表1 重組蛋白質(zhì)MAF-1-LMZ的抗真菌效果
抗真菌制劑的活性及選擇性是由其與真菌相互作用的方式?jīng)Q定的。白色念珠菌是臨床常見致病菌,白色念珠菌細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)復(fù)雜,細(xì)胞壁厚約25 μm,約占細(xì)胞干重的25%,是一種堅韌的結(jié)構(gòu)。其化學(xué)組分較特殊,主要由內(nèi)層的葡聚糖、中間的蛋白質(zhì)分子及外層的甘露聚糖組成。細(xì)胞壁上還含有少量類脂和幾丁質(zhì)。葡聚糖是白色念珠菌細(xì)胞壁含量最高的多糖。大量葡聚糖分子聚集,形成了念珠菌細(xì)胞壁的纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[12-14]。溶菌酶主要是通過破壞細(xì)胞壁中的N-乙酰胞壁酸和N-乙酰氨基葡糖之間的β-1,4糖苷鍵,使菌體細(xì)胞壁出現(xiàn)缺口或被溶解,導(dǎo)致內(nèi)容物外流,從而達到抑制菌體生長或殺滅菌體的作用??拐婢腗AF-1吸附在白色念珠菌細(xì)胞表面,通過在真菌細(xì)胞質(zhì)膜上形成通道后,進入細(xì)胞逐步在細(xì)胞內(nèi)聚集。抑制真菌生物膜的形成,破壞菌體細(xì)胞膜的完整性,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)容物外泄、細(xì)胞核碎裂,細(xì)胞器結(jié)構(gòu)紊亂[15,16]。另有研究表明,溶菌酶與抗真菌肽具有協(xié)同作用,可能是抗真菌肽破壞細(xì)菌外膜后利于溶菌酶作用于其細(xì)胞壁[17,18]。臨床上聯(lián)合應(yīng)用抗菌藥物治療真菌感染已成共識,其理論基礎(chǔ)是聯(lián)合不同藥物在體內(nèi)的協(xié)同作用,增強殺菌作用,減少單藥在體內(nèi)作用的劑量依賴性,減少藥物的毒副作用。本研究在聯(lián)合用藥的理論基礎(chǔ)上,通過基因重組表達,將MAF-1、LMZ構(gòu)建成融合蛋白,利用融合蛋白協(xié)同作用,更好地發(fā)揮其生物學(xué)活性。
圖4 重組蛋白質(zhì)MAF-1-LMZ抗真菌活性檢測
將目的蛋白在核酸水平上連接,一種連接方法是根據(jù)表達載體上的酶切位點在目的基因兩端分別引入限制性酶切位點,兩端各有限制性酶切位點供目的基因插入連接。另一種連接方法是通過PCR合成,采用低疏水性及低電荷效應(yīng)的氨基酸組成的多肽接頭序列直接包含在重組目的基因當(dāng)中,稱為Gene SOEing[19,20]。本研究采用前者,將限制性酶切位點分別設(shè)計在待擴增的引物中,分別擴增獲得目的基因,將待融合的兩個擴增產(chǎn)物用限制性酶酶切后連接起來。此方法簡便易行,因不需要在基因序列上引入氨基酸組成的多肽接頭序列,從而減少了蛋白酶的攻擊[21-24]。
本研究根據(jù)GenBank中家蠅抗真菌肽與溶菌酶基因分別設(shè)計特異性引物,以家蠅3日齡幼蟲提取總RNA后逆轉(zhuǎn)錄cDNA為模板,分別成功擴增出目的基因,測序結(jié)果證實與 GenBank獲得家蠅抗真菌肽(登錄號:HM178948)和家蠅溶菌酶(登錄號:XP_005178489.1)序列相符,通過生物信息學(xué)分析顯示該基因序列的ORF為969 bp,編碼322個氨基酸,理論分子量為35 468.6 Da,等電點為8.31。所構(gòu)建的重組質(zhì)粒經(jīng)PCR、雙酶切及測序鑒定成功。SDS-PAGE結(jié)果表明家蠅抗真菌肽-溶菌酶在大腸桿菌OrigmiB/DE3中成功表達。重組質(zhì)粒在大腸桿菌OrigmiB/DE3中經(jīng)IPTG誘導(dǎo)表達,并成功純化目的蛋白,15% SDS-PAGE分析顯示純化蛋白與目的蛋白分子量大小相符??拐婢钚詸z測結(jié)果顯示,重組融合蛋白質(zhì)MAF-1-LMZ,其濃度在100 μg/mL時具有明顯的抗真菌活性。說明重組融合蛋白質(zhì)在誘導(dǎo)表達過程中沒有降解失活,并證實融合蛋白質(zhì)具有抗真菌活性,此研究結(jié)果與劉文麗等[25]報道蛋白質(zhì)保守結(jié)構(gòu)域與抗菌活性相關(guān),以及胡國強等揭示了構(gòu)-效相關(guān)是一致的[26]。這為進一步研究新型抗菌融合蛋白MAF-1-LMZ的生物學(xué)活性及產(chǎn)業(yè)化開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
本研究成功構(gòu)建pET-28a-MAF-1-LMZ重組原核表達載體并表達出融合MAF-1-LMZ蛋白,對純化條件進行了初探,獲得了純度較高的目的蛋白。實驗顯示重組融合蛋白MAF-1-LMZ具有抗真菌活性。
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(責(zé)任編輯 馬鑫)
Cloning,Expression and Sequence Analysis of Musca domestica Antifungal Peptide-1 and Musca domestica Lysozyme
Peng Chuanlin1,2Wei Chuanchuan1Wu Jianwei1Wang Yu1,3Xiu Jiangfan1Shang Xiaoli1Zhao Xuejun1
(1. Department of Parasitology,Guiyang Medical College,Guiyang550004;2. General Surgery of Wanbei Coal-electricity Group General Hospital,Suzhou234000;3. Guizhou Center for Disease Control and Prevention,Guiyang550004)
The aim of this study is to have bioinformatics analysis of Musca domesitca antifungal peptide-1(MAF-1)and lysozymeb(LMZ), also clone fused MAF-1-LMZ gene and have expression analysis of it. The encoding sequences of MAF-1 and LMZ were fetched from GenBank, and the structures and functions of 2 proteins were analyzed and predicted. The gene MAF-1-LMZ was amplified by polymerase chain reaction(PCR), then was ligated into pET 28a and transformed into E. coli Origmi(DE3)competent cell, and induced with IPTG. The fusion protein MAF-1-LMZ in the expression vector was analyzed by SDS-PAGE. The activity of the protein was validated by methods of small test tube and doubling dilution. The open reading frame of the MAF-1-LMZ was 969 bp, encoding a putative protein consisting of 322 amino acids with a predicted molecular weight of 35 468.6 Da and pI of 8.31, indicating the gene expressed in E. coli Origmi(DE3)successfully. The purified target protein had the antifungal activity.
Musca domestica;antifungal peptide-1 with Lysozyme;recombinant expression;sequence analysis
10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.05.031
2014-09-01
國家科技支撐計劃(2011BAC06B12),國家自然科學(xué)基金項目(81360254),貴州省科學(xué)技術(shù)基金項目(黔科合J字[2012]2038號)
彭傳林,男,碩士研究生,主治醫(yī)師,研究方向:分子生物學(xué);E-mail:2463749164@qq.com
吳建偉,男,博士,教授,研究方向:昆蟲免疫及應(yīng)用;E-mail:wjw@gmc.edu.cn