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        北京歐文氏菌4個糖基轉(zhuǎn)移酶活性測定及蛋白相互作用分析

        2024-04-29 00:42:04常曉寧郭金英榮成博谷彤彤劉宇
        關(guān)鍵詞:原核表達(dá)軟腐病

        常曉寧 郭金英 榮成博 谷彤彤 劉宇

        摘要:北京歐文氏菌(Erwinia beijingensis)可引起刺芹側(cè)耳細(xì)菌性軟腐病,為明確該病原菌中糖基轉(zhuǎn)移酶的功能,以糖基轉(zhuǎn)移酶基因?yàn)檠芯繉ο?,?gòu)建重組表達(dá)載體進(jìn)行表達(dá)純化;并測定蛋白活性,分析蛋白間相互作用。結(jié)果表明,成功構(gòu)建了原核表達(dá)載體,獲得4個可溶性蛋白。經(jīng)親和層析柱純化獲得MshA、WbnH2、EpsH及TuaG 蛋白,活性測定顯示4 個蛋白均可以利用UDP-糖,并優(yōu)先利用UDP-半乳糖。GST pull down 證實(shí)WbnH2及TuaG蛋白分別與MshA及EpsH蛋白在體外具有相互作用。以上研究結(jié)果為進(jìn)一步研究北京歐文氏菌糖基轉(zhuǎn)移酶基因功能奠定了基礎(chǔ)。

        關(guān)鍵詞:北京歐文氏菌;軟腐?。惶腔D(zhuǎn)移酶;原核表達(dá)

        doi:10.13304/j.nykjdb.2022.0736

        中圖分類號:Q933 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:10080864(2024)01012508

        軟腐病作為一種重要的侵染性病害,給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[1-4]。近年來,刺芹側(cè)耳細(xì)菌性軟腐?。╞acterial soft-rot disease)在韓國[5]及中國的北京[6]、廣州[7]等地均有發(fā)現(xiàn)。感染該病害的子實(shí)體上出現(xiàn)水漬狀病斑,嚴(yán)重時整個子實(shí)體腐爛[89]。本課題組前期鑒定表明,北京地區(qū)刺芹側(cè)耳細(xì)菌性軟腐病的病原菌為北京歐文氏菌(Erwinia beijingensis),該病原菌上存在1 個和多糖合成相關(guān)的可移動元件,推測其與致病性相關(guān)。胞外多糖是由細(xì)菌分泌、暴露在細(xì)胞表面的多糖[1011],可以保護(hù)細(xì)菌免受干燥等惡劣環(huán)境的影響[12],對病原菌的毒力至關(guān)重要[1314]。糖基轉(zhuǎn)移酶(glycosyltransferases,GT)是產(chǎn)生多種復(fù)雜糖綴合物所必需的酶[15],負(fù)責(zé)將單糖共價連接到多種有機(jī)底物,并催化糖的附著[16]。大多數(shù)糖基化蛋白暴露于細(xì)胞表面,通常參與細(xì)胞間識別、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和免疫調(diào)節(jié)等[17]。研究證明,糖基轉(zhuǎn)移酶作為重要的毒力因子在致病過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用[18-20]。通過分析,發(fā)現(xiàn)北京歐文氏菌中存在6個糖基轉(zhuǎn)移酶基因,分別為mshA、wbnH1、wbnH2、EpsH、tuaG 和1422,其中,EpsH、tuaG 及1422 基因?qū)儆谔腔D(zhuǎn)移酶GTA 型超家族(Glycosyltransferase _GTA-type superfamily); mshA、wbnH1、wbnH2 基因?qū)儆谔腔D(zhuǎn)移酶GTB 型超家族(Glycosyl transferase _GTB-type superfamily)。

        為進(jìn)一步了解這些糖基轉(zhuǎn)移酶基因的功能,本研究擬構(gòu)建糖基轉(zhuǎn)移酶基因的原核表達(dá)載體,然后轉(zhuǎn)化大腸桿菌BL21(DE3)進(jìn)行誘導(dǎo)表達(dá)純化,并對其酶學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析,同時利用GST pulldown分析蛋白間的相互關(guān)系,旨在明確糖基轉(zhuǎn)移酶基因在北京歐文氏菌中的作用,為刺芹側(cè)耳細(xì)菌性軟腐病的防治奠定基礎(chǔ)。

        1 材料與方法

        1.1 菌株與質(zhì)粒

        北京歐文氏菌LMG 27579T 由本實(shí)驗(yàn)室分離并保存,大腸桿菌DH5α由本實(shí)驗(yàn)室保存,大腸桿菌BL21(DE3)pLysS 購自北京全式金生物技術(shù)有限公司。

        1.2 主要試劑

        1.2.1 主要試劑 氨芐西林購自上海金畔生物科技有限公司;TBST (TBS with Tween-20, 10×)、卡那霉素、BCA 蛋白檢測試劑盒、BeyoECL Plus(超敏ECL化學(xué)發(fā)光試劑盒)購自上海碧云天生物技術(shù)有限公司;LB MILLER 肉湯培養(yǎng)基購自美國BD公司;異丙基-β-D-硫代半乳糖苷(isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside,IPTG)購自寶日醫(yī)生物技術(shù)(北京)有限公司;NP-40裂解液、脫脂奶粉、二硫蘇糖醇購自北京酷來搏科技有限公司;一抗Anti-6×His tag 抗體[EPR20547]-ChIP Grade 購自艾博抗(上海)貿(mào)易有限公司;二抗Anti-rabbit lgG、HRPlinkedAntibody 購自美國Cell SignalingTechnology (CST)公司;Fast Blue蛋白染色液購自中科瑞泰(北京)生物科技有限公司;Ni-NTA樹脂購買自凱杰企業(yè)管理(上海)有限公司;谷胱甘肽瓊脂糖、還原型谷胱甘肽購自sigma-aldrich 西格瑪奧德里奇(上海)貿(mào)易有限公司;質(zhì)粒小提試劑盒、瓊脂糖凝膠回收試劑盒購買于天根生化科技(北京)有限公司;無縫克隆試劑盒購買于中美泰和生物技術(shù)(北京)有限公司。JY92-Ⅱ超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)購自寧波新芝生物科技股份有限公司所用引物(表1)由生工生物工程(上海)有限公司合成。

        1.2.2 培養(yǎng)基及主要試劑配置 LB(luriabertani)液體培養(yǎng)基:2 g LB粉末溶于100 mL去離子水中;LB固體培養(yǎng)基:2 g LB粉末,2 g瓊脂粉溶于100 mL去離子水中;121 ℃,高壓滅菌30 min。使用時根據(jù)試驗(yàn)要求按照1∶1 000比例添加相應(yīng)抗生素。

        緩沖液A:20 mmol·L?1 Tris-HCl,50 mmol·L?1NaCl,pH 8.0。

        緩沖液B:20 mmol·L?1 Tris-HCl,50 mmol·L?1NaCl,5%甘油,pH 8.0。

        緩沖液C:20 mmol·L?1 Tris-HCl,50 mmol·L?1NaCl,5 mmol·L?1 DTT,5%甘油,pH 8.0。

        緩沖液D:20 mmol·L?1 Tris-HCl,50 mmol·L?1NaCl,5 mmol·L?1 DTT,0.4% NP40,pH 8.0。

        緩沖液E:20 mmol·L?1 Tris-HCl,50 mmol·L?1NaCl,5 mmol·L?1 DTT,pH 8.0。

        洗脫緩沖液A:20 mmol·L?1 Tris-HCl,1 mol·L?1咪唑,pH 8.0。

        洗脫緩沖液B:20 mmol·L?1 Tris-HCl,20 mmol·L?1 GSH。

        1×糖基轉(zhuǎn)移酶反應(yīng)液:50 mmol·L?1 Tris-HCl(pH 7.5),5 mmol·L?1 MnCl2。

        1.3 試驗(yàn)方法

        1.3.1 重組質(zhì)粒表達(dá)載體構(gòu)建 以北京歐文氏菌LMG 27579T 基因組DNA 為模板,設(shè)計(jì)合成引物wbnH2-F 和wbnH2-R,wbnH2 基因PCR 體系(50 μL)包含:5×Phusion 10 μL,10 mmol·L?1 dNTP1 μL,正、反向引物各2.5 μL,模板DNA 1 μL,DMSO 1.5 μL,Phusion DNA 聚合酶0.5 μL。PCR程序?yàn)椋?8 ℃ 30 s;98 ℃ 10 s,60 ℃ 10 s,72 ℃1 min,35個循環(huán);72 ℃ 10 min。10%瓊脂糖凝膠電泳檢測PCR產(chǎn)物,使用瓊脂糖凝膠回收試劑盒切膠回收。利用限制性內(nèi)切酶Xho I/EcoR Ⅰ雙酶切pGEX-KG載體,利用無縫克隆試劑盒將目的基因片段與pGEX-KG 質(zhì)粒載體連接,連接體系(10 μL)包含:wbnH2 DNA 片段4 μL,pGEX-KG1 μL,Mix酶5 μL;50 ℃反應(yīng)15 min。反應(yīng)完成后將連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)化至DH5α大腸桿菌中,涂布于含有50 mg·L?1氨芐西林(ampicillin,Amp)的抗性平板,37 ℃倒置過夜培養(yǎng),獲得重組克隆;提取質(zhì)粒送北京諾賽基因組研究中心有限公司測序驗(yàn)證,測序正確的命名為pGEX-wbnH2。將其余5個糖基轉(zhuǎn)移酶基因委托中美泰和生物技術(shù)(北京)有限公司分別構(gòu)建到pGEX-及pET-30a-載體,獲得表達(dá)質(zhì)粒分別命名為pET-30a-mshA、pET-30awbnH1、pET-30a-EpsH、pGEX-6p-1-tuaG、pET-30a-1422 及pGEX-6p-1-1422。

        1.3.2 重組蛋白誘導(dǎo)表達(dá) 將上述構(gòu)建成功的重組質(zhì)粒分別轉(zhuǎn)化大腸桿菌BL21(DE3)感受態(tài)細(xì)胞,構(gòu)建重組表達(dá)菌株并進(jìn)行誘導(dǎo)表達(dá)。

        挑取pET-30a-載體的E. coli BL21/ pET-30amshA、E. coli BL21/pET-30a- wbnH1、E. coli BL21/pET-30a-EpsH 及E. coli BL21/pET-30a-1422 菌株單克隆接種于含有50 mg·L?1 卡那霉素(kanamycin,Kan)的LB 液體培養(yǎng)基中,挑取pGEX-KG- 載體的E. coli BL21/pGEX-wbnH2、E.coli BL21/pGEX-6p-1-tuaG、E. coli BL21/pGEX-6p-1-1422 菌株單克隆接種于含有50 mg·L?1 氨芐西林的LB液體培養(yǎng)基中,37 ℃、180 r·min?1振蕩過夜培養(yǎng)。將所得培養(yǎng)物按照1∶10比例轉(zhuǎn)接到帶有相應(yīng)抗生素的新鮮培養(yǎng)液中,培養(yǎng)至OD600為0.6~0.8,取出部分菌液命名為未誘導(dǎo)組;其余菌液加入IPTG過夜誘導(dǎo),180 r·min?1振蕩過夜培養(yǎng)。在上述條件下,對IPTG 終濃度(0.1 mmol·L?1 和1.0 mmol·L?1)及誘導(dǎo)溫度(16 ℃和37 ℃)做優(yōu)化和篩選。

        離心收集菌體,pET-30a-載體的菌株使用緩沖液B將細(xì)胞重懸,pGEX-KG載體的菌株用緩沖液C將細(xì)胞重懸。使用超聲破碎儀在冰浴條件下對細(xì)胞超聲破碎裂解,破碎至菌液澄清,在4 ℃條件下離心(12 000 r·min?1、10 min)獲得上清液,SDS-PAGE檢測蛋白誘導(dǎo)情況。

        1.3.3 重組蛋白純化 將上一步經(jīng)誘導(dǎo)獲得可溶性蛋白的E. coli BL21/pET-30a-mshA、E. coli BL21/pET-30a-EpsH、E. coli BL21/pGEX-wbnH2、E. coliBL21/pGEX-6p-1-tuaG 菌株進(jìn)行大量培養(yǎng)表達(dá),并進(jìn)行純化。

        pET-30a-載體的菌株使用鎳離子金屬鰲合親和層析介質(zhì)(Ni-NTA)樹脂進(jìn)行純化。取500 μL的Ni-NTA鎳柱加入純化柱中,無菌水沖洗5個柱體積,緩沖液A平衡5個柱體積,將誘導(dǎo)后的蛋白上清液過濾上柱,并加入10 mmol·L?1 咪唑1 mL(除去非特異性結(jié)合),冰上搖動結(jié)合4 h。用緩沖液A 洗脫至無雜帶,再用洗脫緩沖液A 配置成20~300 mmol·L?1 咪唑洗脫并收集目的蛋白。SDS-PAGE 電泳檢測,利用超濾管對收集的蛋白液進(jìn)行脫鹽處理。將純化好的蛋白保存于?80 ℃超低溫冰箱。

        pGEX-KG-載體的菌株使用谷胱甘肽瓊脂糖進(jìn)行純化。取500 μL溶解好的的谷胱甘肽瓊脂糖加入純化柱中,無菌水沖洗5個柱體積,緩沖液E平衡5個柱體積,將上清液過濾上柱,冰上搖動結(jié)合4 h,用緩沖液A洗脫至無雜蛋白,用洗脫緩沖液B洗脫并收集目的蛋白。SDS-PAGE電泳檢測,用超濾管對收集的蛋白液進(jìn)行脫鹽處理。將純化好的蛋白保存于?80 ℃超低溫冰箱。

        1.3.4 糖基轉(zhuǎn)移酶活性測定 利用Pomega UDPGlo糖基轉(zhuǎn)移酶測定試劑盒,參照MIDDLETON[18]的方法并稍作改進(jìn),分析4個糖基轉(zhuǎn)移酶蛋白對UDP- 半乳糖(UDP-GAL)、UDP- 葡萄糖(UDPGlucose)、UDP-尿苷葡萄糖醛酸三鈉(UDP-GlcA)的水解能力。將純化的MshA、EpsH、WbnH2、TuaG蛋白利用BCA蛋白檢測試劑盒標(biāo)定蛋白含量,在不存在受體的情況下,在含有50 mmol·L?1Tris(pH7.5)和5 mmol·L?1 MnCl2 的25 μL 1×糖基轉(zhuǎn)移酶反應(yīng)液中,將蛋白質(zhì)與100 mmol·L?1 的單一UDP-糖在室溫下孵育30 min,添加25 μL 的UDP-Glo檢測試劑來終止水解反應(yīng),并在室溫下孵育1 h,使用酶標(biāo)儀檢測發(fā)光值。

        1.3.5 GST pull down 分析 ① MshA 蛋白與WbnH2、TuaG 蛋白互作分析。取500 μL 谷胱甘肽瓊脂糖(glutathione-agarose)加入到純化柱中,使用無菌水分別沖洗5個柱體積,再用緩沖液A分別沖洗5個柱體積,將WbnH2、TuaG及GST蛋白(陰性對照)的蛋白裂解液,分別加入到各層析柱中,冰上搖動結(jié)合4 h。棄流出液,使用緩沖液A沖洗柱體洗脫雜蛋白。洗脫完成后,將每個純化柱中分別加入200 μL的MshA蛋白,并用緩沖液A 補(bǔ)充至500 μL,冰上搖動結(jié)合4 h,4 ℃結(jié)合過夜。用緩沖液A、D沖洗柱體洗脫去除雜蛋白,用洗脫緩沖液B洗脫目的蛋白,收集樣品,加入一定量的蛋白上樣緩沖液,10% SDS-PAGE電泳檢測,同時用His 抗體進(jìn)行Western-blot 檢測。用Western-blot電轉(zhuǎn)儀于300 mA 低溫轉(zhuǎn)膜1h,加入含有5%脫脂牛奶的封閉液中封閉1h,TBST(TBSwith Tween-20)洗滌,加入一抗室溫?fù)u動孵育3 h并4 ℃孵育過夜。TBST洗滌3次,加入二抗,室溫?fù)u動孵育1 h,TBST洗滌3次。使用超敏ECL化學(xué)發(fā)光試劑盒孵育2~3 min,用凝膠成像儀成像并拍照記錄。② EpsH蛋白與WbnH2、TuaG蛋白互作分析。方法同①。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 重組載體可溶性蛋白篩選結(jié)果

        對構(gòu)建成功的糖基轉(zhuǎn)移酶蛋白表達(dá)載體進(jìn)行小量誘導(dǎo)表達(dá),同時對IPTG 濃度及誘導(dǎo)溫度進(jìn)行篩選,結(jié)果表明E. coli BL21/pET-30a-mshA(圖1A)、E. coli BL21/pET-30a-EpsH(圖1B)、E.coli BL21/pGEX-6p-1-tuaG( 圖1C)在16 ℃ 、0.1 mmol·L?1 IPTG 情況下誘導(dǎo)可獲得可溶性蛋白;E. coli BL21/pGEX-wbnH2 在16 ℃、1.0 mmol·L?1IPTG情況下誘導(dǎo)可獲得可溶性蛋白(圖1D)。

        2.2 糖基轉(zhuǎn)移酶蛋白純化結(jié)果

        對pET-30a- 載體的E. coli BL21/pET-30amshA和E. coli BL21/pET-30a-EpsH 進(jìn)行大量誘導(dǎo)表達(dá),并利用Ni柱純化,利用不同濃度咪唑洗脫;對pGEX-載體的E. coli BL21/pGEX-wbnH2、E. coliBL21/pGEX-6p-1-tuaG 利用谷胱甘肽瓊脂糖純化,利用GSH 洗脫。結(jié)果表明,MshA(圖2A 泳道8、9)、EpsH(圖2B泳道4)、WbnH2(圖2C泳道3)及TuaG(圖2D 泳道3)目的條帶大小正確、雜帶較少、蛋白水平相對較高,因此收集對應(yīng)泳道蛋白,并利用超濾管進(jìn)行脫鹽處理,保存至?80 ℃超低溫冰箱,備用。

        2.3 糖基轉(zhuǎn)移酶蛋白活性測定結(jié)果

        利用Pomega UDP-Glo 糖基轉(zhuǎn)移酶測定試劑盒測試4個蛋白在沒有受體底物的情況下對UDP-半乳糖(UDP-GAL)、UDP-葡萄糖(UDP-Glucose)、UDP-尿苷葡萄糖醛酸三鈉(UDP-GlcA)的水解能力,在水解后通過檢測游離UDP來評估反應(yīng),以無酶反應(yīng)作為空白對照。結(jié)果(圖4)表明,4個蛋白均可以水解UDP-糖,其中4 種蛋白均優(yōu)先利用UDP-半乳糖,對UDP-葡萄糖、UDP-尿苷葡萄糖醛酸三鈉的水解能力相似,無明顯差異。WbnH2蛋白對UDP-半乳糖的水解能力最強(qiáng);TuaG對UDP-半乳糖的水解能力低于其他3種蛋白。

        2.4 蛋白互作分析

        利用GST pull down 分析WbnH2、TuaG 蛋白分別與MshA、EpsH蛋白的互作情況, SDS檢測結(jié)果(圖4)表明,蛋白目的條帶正確,可進(jìn)行Western-blot 檢測。Western-blot 檢測結(jié)果(圖5)表明, WbnH2、TuaG蛋白分別與MshA、EpsH蛋白結(jié)合后,western-blot能檢測到MshA、EpsH 蛋白,而GST蛋白與MshA、EpsH蛋白結(jié)合洗滌去除非特異結(jié)合后,Western-blot檢測不到,說明WbnH2、TuaG蛋白分別與MshA、EpsH蛋白在體外具有相互作用。

        3 討論

        病原細(xì)菌分泌的胞外多糖有助于細(xì)菌入侵宿主 [4],同時影響細(xì)菌的多種行為。研究表明,丁香假單胞菌(Pseudomonas syringae)[14]、水稻黃單胞菌(Xanthomonas oryzae pv. oryzae)、沙門氏菌(Salmonella)[21]等引起宿主致病的原因均與胞外多糖有關(guān)。細(xì)菌多糖由糖基轉(zhuǎn)移酶(GT)合成,GT是個酶家族,負(fù)責(zé)將碳水化合物殘基從供體轉(zhuǎn)移至受體底物[22]。報道指出,糖基轉(zhuǎn)移酶是重要的毒力因子,如糖基轉(zhuǎn)移酶MoGt2 在稻瘟病菌發(fā)病機(jī)制中起重要作用[23];嗜冷黃桿菌(Flavobacterium psychrophilum)中的2型糖基轉(zhuǎn)移酶基因fpgA 與毒力相關(guān)[24];布魯氏菌屬(Brucellaspp.)中的糖基轉(zhuǎn)移酶促進(jìn)多糖的產(chǎn)生[25]。糖基轉(zhuǎn)移酶相互作用介導(dǎo)病原菌對宿主的黏附,侵入性致病菌不可分型流感嗜血桿菌(nontypeableHaemophilus influenzae, NTHi)可引發(fā)中耳炎等疾病,其糖基轉(zhuǎn)移酶HMW1C/2C將黏附蛋白HMW1/2糖基化,從而黏附于宿主上皮細(xì)胞,導(dǎo)致宿主發(fā)病[26];Fap1是一種黏附素,糖基轉(zhuǎn)移酶Gtf1與Gtf2互作,增強(qiáng)Gtf1對黏附素Fap1的糖基化修飾,從而增強(qiáng)副血鏈球菌(Streptococcus parasanguinis)對宿主的致病能力[27]。

        本研究從北京歐文氏菌中篩選出6個糖基轉(zhuǎn)移酶基因,為了解其蛋白特性,分別將目的基因克隆入pET-30a 及pGEX 載體,構(gòu)建了重組表達(dá)質(zhì)粒,并進(jìn)一步用質(zhì)粒轉(zhuǎn)化BL21(DE3)感受態(tài)細(xì)胞,利用IPTG誘導(dǎo)4個基因,獲得可溶性表達(dá)蛋白。4個糖基轉(zhuǎn)移酶蛋白對UDP-半乳糖有較強(qiáng)的水解能力,且蛋白在體外存在相互作用,為進(jìn)一步研究糖基轉(zhuǎn)移酶基因在北京歐文氏菌中的作用奠定了基礎(chǔ)。

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        (責(zé)任編輯:張冬玲)

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