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        豬TRIM21基因克隆與序列分析

        2022-07-06 05:42:40宋慧欣李舒柔吳文琪陳子晴張嘉家覃麗梅趙孟孟
        現(xiàn)代牧業(yè) 2022年2期
        關(guān)鍵詞:生物分析

        宋慧欣,李舒柔,楊 柳,吳文琪,陳子晴,張 航,張嘉家,覃麗梅,趙孟孟

        (佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 生命科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 佛山 528231)

        先天免疫是動(dòng)物在長(zhǎng)期種系發(fā)育和進(jìn)化過(guò)程中不斷與病原微生物斗爭(zhēng)逐漸形成的一系列機(jī)體防御機(jī)制,是機(jī)體非特異性地抵抗外來(lái)病原微生物感染的第一道防線。先天免疫模式識(shí)別受體(Pattern recognition receptors,PRRs)可識(shí)別一種或多種病原相關(guān)分子模式[1],誘導(dǎo)白細(xì)胞介素、腫瘤壞死因子、干擾素(Interferon,IFN)等免疫相關(guān)因子的生成,從而調(diào)節(jié)先天免疫。PRRs信號(hào)通路易被激活或調(diào)節(jié),在先天免疫系統(tǒng)和獲得性免疫系統(tǒng)中都具有重要作用[2]。I型干擾素(IFN-I)是先天免疫系統(tǒng)早期對(duì)抗病毒感染的重要細(xì)胞因子,IFN誘導(dǎo)基因(IFN stimulated genes,ISGs)被IFN-I激活后表達(dá),能增強(qiáng)機(jī)體的抗病毒能力。干擾素調(diào)控分子3(IFN regulatory factor 3,IRF3)是IFN-I通路的關(guān)鍵信號(hào)分子之一,宿主和病毒均可通過(guò)對(duì)IRF3蛋白功能的調(diào)控有效拮抗或促進(jìn)IFN-I的產(chǎn)生[3]。

        三聯(lián)基序(Tripartite motif,TRIM)是一組高度保守的E3泛素連接酶蛋白,參與調(diào)控多種疾病的發(fā)生,其功能失調(diào)可導(dǎo)致癌癥、免疫疾病或發(fā)育障礙等[4]。TRIM蛋白家族N端都具有3個(gè)保守結(jié)構(gòu)域RING、B-Box和Coiled-coil(即RBCC結(jié)構(gòu)域)[5,6],其中RING結(jié)構(gòu)域在泛素化調(diào)控中發(fā)揮重要作用。根據(jù)其多變的C端結(jié)構(gòu)域可以將該家族劃分為11種亞類[7,8],且不同結(jié)構(gòu)的TRIM分子生物學(xué)功能存在差異[9]。TRIM蛋白多數(shù)見于真核生物,其成員總數(shù)與物種進(jìn)化的程度有關(guān),例如,在人體中有80多種成員[10-14],豬中有61種[15],小鼠中約有64種,蟲類中約有20種,蒼蠅中少于10種,這也說(shuō)明TRIM家族分布廣泛[16]。TRIM蛋白能抵抗病毒感染,參與炎癥反應(yīng)、自噬和腫瘤生長(zhǎng)調(diào)節(jié)等多種生物進(jìn)程[2]。TRIM蛋白主要通過(guò)3種途徑抵抗病毒感染:一是直接與病毒的核酸和衣殼蛋白相互作用;二是間接影響免疫相關(guān)信號(hào)通路進(jìn)而抑制病毒的感染和復(fù)制過(guò)程;三是與其它抗病毒因子共同抵御外來(lái)病毒的入侵[17]。TRIM21蛋白可抑制HIV和鼠腺病毒的復(fù)制,又可促進(jìn)HSV-1的感染,還可誘導(dǎo)IRF3/7和DNA感受器如DDX4的泛素化,提示TRIM21蛋白可激活I(lǐng)FN-I通路和抗病毒先天免疫[3]。此外,TRIM21蛋白還作為一種抗體受體,可通過(guò)HBx抗體依賴的胞內(nèi)中和機(jī)制抑制HBV的增殖[18]。本研究將對(duì)豬TRIM21基因進(jìn)行克隆和序列分析,為進(jìn)一步揭示其免疫學(xué)特點(diǎn)奠定理論基礎(chǔ)。

        1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

        1.1 實(shí)驗(yàn)材料

        豬肺泡巨噬細(xì)胞(porcine alveolar macrophages,PAMs)由本實(shí)驗(yàn)室保存;TRIzol?Reagent試劑購(gòu)自上海碧云天生物科技有限公司;反轉(zhuǎn)錄試劑盒、DL10 000 DNA Marker、DL 2000 DNA Marker、瓊脂糖凝膠回收試劑盒、pCE2 TA/Blunt-Zero載體、DH5α化學(xué)感受態(tài)細(xì)胞均購(gòu)自南京諾唯贊生物科技股份有限公司,其它試劑為國(guó)產(chǎn)分析純。

        1.2 實(shí)驗(yàn)方法

        1.2.1 引物設(shè)計(jì)與合成

        參考NCBI網(wǎng)站TRIM21序列設(shè)計(jì)引物,預(yù)計(jì)擴(kuò)增片段大小為1 401 bp。上游引物:5′-ATGGCCTCAGCACTGCC-3′,下游引物:5′-CTACCAGCCCGTCCTCA-3′,引物由廣州天一輝遠(yuǎn)基因科技有限公司合成。

        1.2.2 總RNA提取

        將PAMs懸液置于無(wú)菌無(wú)酶的1.5 mL離心管中,4 000 r/min離心10 min,加入750 μL TRIzol?Reagent裂解細(xì)胞,參照TRIzol?Reagent試劑說(shuō)明書提取細(xì)胞總RNA。

        1.2.3 反轉(zhuǎn)錄

        反轉(zhuǎn)錄實(shí)驗(yàn)按照產(chǎn)品說(shuō)明書進(jìn)行,具體步驟如下:首先,在無(wú)菌無(wú)酶離心管中加入1 μL Oligo(dT)18,2 μL總RNA,5 μL RNase-free ddH2O,于65 ℃加熱5 min后,迅速置于冰上冷卻。然后配置cDNA合成反應(yīng)液:取上一步混合液8 μL,加入10 μL 2×RT Mix和2 μL HiScript Enzyme Mix,使用移液槍充分吹打混勻。最后在50 ℃條件下反應(yīng)45 min,隨后在85 ℃條件下反應(yīng)5 min進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄反應(yīng)。

        1.2.4 PCR反應(yīng)

        對(duì)反轉(zhuǎn)錄后的cDNA進(jìn)行PCR擴(kuò)增,反應(yīng)條件如下:95 ℃條件下預(yù)變性5 min,95 ℃條件下15 s,60 ℃條件下反應(yīng)15 s,72 ℃反應(yīng)產(chǎn)物2 min,共35個(gè)循環(huán),然后72 ℃充分延伸5 min。使用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),膠圖用凝膠成像系統(tǒng)分析。

        1.2.5TRIM21基因的克隆與測(cè)序

        回收目的片段,將純化PCR產(chǎn)物連接于pCE2 TA/Blunt-Zero載體上,使用DH5α化學(xué)感受態(tài)細(xì)胞進(jìn)行轉(zhuǎn)化,挑取陽(yáng)性菌落并接種至含氨芐抗生素的培養(yǎng)基,在37 ℃條件下培養(yǎng)16 h,然后使用PCR對(duì)菌液進(jìn)行鑒定,最后將陽(yáng)性克隆送至廣州天一輝遠(yuǎn)基因科技有限公司測(cè)序。

        1.2.6TRIM21基因生物信息學(xué)分析

        采用DNAStar軟件,將NCBI網(wǎng)站豬TRIM21基因序列與其它物種序列進(jìn)行比對(duì),參考序列見表1。參照前人已經(jīng)報(bào)道的方法,采用多種生物信息學(xué)軟件對(duì)豬TRIM21基因進(jìn)行生物學(xué)信息分析[19]。利用在線軟件ExPASy的ProtParam(https://web.expasy.org/protparam/)程序預(yù)測(cè)TRIM21蛋白基本的理化性質(zhì),利用ProtScale(https://web. expasy.org/protscale/)程序預(yù)測(cè)TRIM21蛋白的親/疏水性。

        表1 參考序列信息

        2 結(jié)果

        2.1 PCR擴(kuò)增結(jié)果

        從PAMs提取總RNA,經(jīng)反轉(zhuǎn)錄獲得TRIM21基因的cDNA片段。以該cDNA片段為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增,得到約1 401 bp的片段。陽(yáng)性菌落PCR擴(kuò)增產(chǎn)物與TRIM21基因PCR擴(kuò)增產(chǎn)物大小相似,符合預(yù)期結(jié)果,說(shuō)明質(zhì)粒構(gòu)建成功,結(jié)果見圖1。

        M1,DL10 000 DNA Marker;1,豬TRIM21基因PCR擴(kuò)增產(chǎn)物;M2,DL2 000 DNA Marker;2,菌液PCR擴(kuò)增產(chǎn)物圖1 豬TRIM21基因PCR擴(kuò)增結(jié)果

        2.2 核苷酸相似性及系統(tǒng)進(jìn)化樹分析

        將豬TRIM21基因核苷酸序列與其它物種對(duì)比,結(jié)果顯示豬TRIM21基因與其它物種核苷酸的相似性為47.7%~86.0%,其中黃牛與豬的相似性最高(86.0%),斑馬魚最低(47.7%),結(jié)果見圖2。對(duì)比豬TRIM21基因序列與參考物種的TRIM21基因序列繪制系統(tǒng)進(jìn)化樹。進(jìn)化樹分析表明黃牛和山羊TRIM21位于同一分支,與豬TRIM21位于同一亞分支,三者親緣關(guān)系較近,斑馬魚與豬親緣關(guān)系最遠(yuǎn),結(jié)果見圖3。

        圖2 TRIM21核苷酸相似性比對(duì)

        圖3 TRIM21基因序列的進(jìn)化分析

        2.3 TRIM21蛋白的生物信息學(xué)分析

        對(duì)豬TRIM21蛋白分子進(jìn)行生物信息學(xué)分析,其分子式為C2372H3710N670O697S25,由469個(gè)氨基酸組成。分子質(zhì)量為53.57 ku,理論等電點(diǎn)為6.07,偏酸性。該蛋白含20種氨基酸,含量最多的是亮氨酸(占比10.7%),其次為谷氨酸(占比9.8%),結(jié)果見表2。該蛋白穩(wěn)定系數(shù)為60.66,屬于不穩(wěn)定蛋白。對(duì)豬TRIM21蛋白進(jìn)行親/疏水性分析,結(jié)果顯示第274位氨基酸有最大疏水值1.711,第151位有最小親水值(-3.111),親疏水性平均值為-1.4,說(shuō)明TRIM21為親水性蛋白,結(jié)果見圖4。

        表2 豬TRIM21蛋白的氨基酸組成

        圖4 豬TRIM21蛋白親/疏水性分析

        3 討論

        本研究克隆了豬TRIM21基因,通過(guò)在線軟件對(duì)該基因進(jìn)行生物信息學(xué)分析。將豬TRIM21基因與其它物種進(jìn)行核苷酸相似性比對(duì),比對(duì)結(jié)果與系統(tǒng)進(jìn)化樹分析結(jié)果一致,其中豬與黃牛、山羊位于同一亞分支,說(shuō)明豬與黃牛、山羊親緣關(guān)系較近,和其它生物親緣關(guān)系較遠(yuǎn)。TRIM21基因在不同物種間存在差異,表明其抗原性也會(huì)存在差異。軟件預(yù)測(cè)顯示豬TRIM21蛋白屬于親水性蛋白,且不穩(wěn)定系數(shù)較高,具有較強(qiáng)的抗原性和良好的柔韌性,表明該基因適合作為抗原制備抗體。有報(bào)道稱TRIM21蛋白可以活化NF-κB等信號(hào)通路[20],進(jìn)而激活先天免疫反應(yīng)和抗病毒效應(yīng),也可通過(guò)K48介導(dǎo)的泛素化作用,進(jìn)而通過(guò)負(fù)調(diào)節(jié)發(fā)揮先天免疫應(yīng)答的作用。從抗原性和親水性分析來(lái)看,TRIM21蛋白基因具有較強(qiáng)的親水性和抗原性,適合制備單抗。

        TRIM21是由三種結(jié)構(gòu)域組成的蛋白,其中與抗病毒免疫密切相關(guān)的結(jié)構(gòu)域是PRYSPRY[21]。該結(jié)構(gòu)域可與具有抗病毒活性的蛋白結(jié)合,從而發(fā)揮抗病毒功能[22]。TRIM21蛋白之所以能發(fā)揮抗病毒活性,不僅與PRYSPRY結(jié)構(gòu)域有關(guān),還與其作為抗體的Fc受體參與先天免疫有關(guān)[20]。作為一種Fc受體,TRIM21蛋白目前僅在哺乳動(dòng)物的細(xì)胞質(zhì)中被發(fā)現(xiàn),當(dāng)IgG、IgM和IgA及同型抗體包裹的病毒進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)時(shí),TRIM21能迅速識(shí)別并中和病毒,從而抑制病毒復(fù)制[23]。此外,TRIM21作為一種E3泛素連接酶,可使機(jī)體細(xì)胞因子參與抗病毒先天免疫,并在機(jī)體內(nèi)保持穩(wěn)定。IRF1和IRF2在抗病毒防御反應(yīng)和自身免疫性疾病中能誘導(dǎo)TRIM21蛋白表達(dá),發(fā)揮重要的免疫防御作用[24]。蛋白如何介導(dǎo)抗體與補(bǔ)體在宿主和病毒蛋白之間發(fā)揮作用,將成為下一步研究的內(nèi)容。

        TRIM21蛋白廣泛參與機(jī)體的先天免疫和獲得性免疫,能對(duì)各種病原體的入侵發(fā)揮不同的免疫防御作用。本研究對(duì)豬TRIM21基因的相關(guān)功能初步探索,這不僅有利于更好地了解機(jī)體自身免疫系統(tǒng)的特點(diǎn),同時(shí)也為一些病原微生物如病毒感染相關(guān)疾病的預(yù)防與治療提供新思路,為該基因成為某些感染性疾病的生物標(biāo)志分子提供參考,在動(dòng)物疾病診斷中具有重要意義。

        4 結(jié)論

        豬TRIM21基因片段全長(zhǎng)1 401 bp,編碼469個(gè)氨基酸,pI為6.07,偏酸性,含20種氨基酸,屬于親水性蛋白。本研究成功克隆豬TRIM21基因,通過(guò)序列分析和在線生物信息學(xué)軟件等方法分析預(yù)測(cè)豬TRIM21基因的相關(guān)功能,為進(jìn)一步揭示豬TRIM21蛋白的免疫學(xué)特點(diǎn)提供理論基礎(chǔ)。

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