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惡性瘧原蟲PfRNaseⅡ的克隆表達(dá)與降解特性的性狀分析論文
在真核生物中，DNA轉(zhuǎn)錄生成RNA，然而其中只有極少部分的RNA 編碼蛋白質(zhì)，大部分基因組序列轉(zhuǎn)錄生成非編碼RNA (ncRNA)。ncRNA根據(jù)其功能的不同可分為持家ncRNA和調(diào)節(jié)ncRNA，其中調(diào)節(jié)ncRNA曾被認(rèn)為是轉(zhuǎn)錄“噪音”。隨著測序技術(shù)的發(fā)展，越來越多的研究表明ncRNA可在轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后以及表觀遺傳等水平來調(diào)控基因的表達(dá)，從而參與機(jī)體的生長發(fā)育、疾病發(fā)生以及病原體毒力相關(guān)基因的表達(dá)等過程。盡管RNA 在生物體中發(fā)揮重要作用，然而RNA的新陳代謝離不開核糖核酸酶特別是核糖核酸外切酶的參與。研究表明核糖核酸外切酶與病原體的毒力表型有關(guān)，其機(jī)制尚不清楚，可能與核糖核酸外切酶參與RNA的加工、降解、穩(wěn)定等過程有直接或間接的聯(lián)系。惡性瘧原蟲是瘧疾的主要病原體之一，致病力強(qiáng)，致死率高，對人類的危害嚴(yán)重。
張青鋒等研究發(fā)現(xiàn)惡性瘧原蟲中存在一種核糖核酸外切酶PfRNaseⅡ，該酶通過降解新生RNA 從而介導(dǎo)與重癥瘧疾相關(guān)的毒力基因(upsA 亞類基因)的沉默。
本實(shí)驗通過體外擴(kuò)增惡性瘧原蟲3D7株P(guān)fRNaseⅡ的催化活性區(qū)，構(gòu)建重組表達(dá)載體，然后利用原核表達(dá)系統(tǒng)誘導(dǎo)表達(dá)GST標(biāo)簽融合蛋白質(zhì)，純化后進(jìn)行RNA降解活性測定，為解析PfRNaseⅡ基因結(jié)構(gòu)組成及其降解機(jī)制研究奠定基礎(chǔ)。
材料與方法
1材料
1.1蟲株與菌株大腸埃希菌DH5α、BL21-Codon-Plus(DE3)和惡性瘧原蟲3D7蟲株均由本室保存。
1.2主要試劑ExTaq? DNA 聚合酶，dNTP，DL2000TMDNAMarker，DL15000TMDNAMarker，限制性內(nèi)切酶BamHⅠ、EcoRⅠ，T4DNA 連接酶，pMDTM18-TVectorCloningkit均購自于大連寶生物公司;Glutathione-SepharoseTM4B 購于美國GEHealthcare公司;GST-tagMousemAb購自于天津三箭生物有限公司;堿性磷酸酶標(biāo)記山羊抗小鼠IgG和BCIP/NBT購于美國Sigma公司;DNAGelExtractionKit和PlasmidMiniprepKit購于美國BIOMIGA公司;其他試劑均為國產(chǎn)或進(jìn)口分析純。
2方法
2.1序列分析與引物合成根據(jù)瘧原蟲專業(yè)網(wǎng)站(www.plasmoDB.org)提供的序列信息，對惡性瘧原蟲3D7株P(guān)fRNaseⅡ (PF3D7_0906000)基因編碼區(qū)進(jìn)行保守結(jié)構(gòu)域分析，顯示該蛋白質(zhì)氨基酸序列的870～1322區(qū)段為RNBdomain，該結(jié)構(gòu)域是RNaseⅡ的特征性結(jié)構(gòu)域和催化活性區(qū)。根據(jù)編碼序列設(shè)計特異性引物，并在引物的5'端分別添加酶切位點(diǎn)。上游引物：5′-GGATCCTTAGAAAAATATATGTTGAAAAGCT-3′(劃線部分為BamHⅠ酶切位點(diǎn)序列)，下游引物：5′-GAATTCAATATTATCTTGATCAATTAAACTTTGT-3′(劃線部分為EcoRⅠ酶切位點(diǎn)序列)。引物由長春庫美生物公司合成。
2.2目的片段的擴(kuò)增以cDNA(本室保存)為模板，PCR擴(kuò)增上述的目的基因片段。PCR 反應(yīng)程序：94℃預(yù)變性4min;94℃變性30s，60℃退火30s，72℃延伸90s，共35個循環(huán);72℃再延伸10min。擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行1%瓊脂糖凝膠電泳鑒定。
2.3重組表達(dá)載體的構(gòu)建取PCR產(chǎn)物與pMD18-T載體連接，連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)入DH5α后涂板，經(jīng)PCR、測序鑒定為陽性的重組pMD18-T-PfRNaseⅡ載體質(zhì)粒與原核表達(dá)載體pGEX-4T-1質(zhì)粒分別進(jìn)行BamHⅠ、EcoRⅠ雙酶切(37℃酶切反應(yīng)2.5h)，酶切產(chǎn)物經(jīng)0.8%瓊脂糖凝膠電泳分離后，按BIOMIGA試劑盒說明書切膠回收。將回收的載體片段與目的片段按摩爾比5︰1混合，在T4DNA連接酶的作用下于16℃水浴連接過夜，連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)入DH5α后涂板，經(jīng)PCR、雙酶切、測序鑒定正確的重組表達(dá)載體質(zhì)粒pGEX-4T-1-PfRNaseⅡ轉(zhuǎn)入BL21-CodonPlus(DE3)中。測序鑒定均由哈爾濱博仕生物公司完成。
2.4融合蛋白質(zhì)的誘導(dǎo)表達(dá)與純化將轉(zhuǎn)染pGEX-4T-1-PfRNaseⅡ的DE3劃線接種于固體LB培養(yǎng)基中37℃培養(yǎng)12h以上，挑取單個菌落接種于5ml液體LB中擴(kuò)大培養(yǎng)。取適量菌液按1︰100接種繼續(xù)擴(kuò)大培養(yǎng)，當(dāng)A600值為0.6左右時，加入終濃度為100μmol/LIPTG誘導(dǎo)表達(dá)目的蛋白質(zhì)。于16℃誘導(dǎo)表達(dá)12h后收集菌體，用適量TBS重懸，然后加入終濃度為1% TritonX-100和2mmol/L的PMSF混勻，超聲破碎菌體。用Glutathione-SepharoseTM4B樹脂純化目的蛋白質(zhì)pGEX-PfRNaseⅡ。以相同的流程純化GST標(biāo)簽蛋白質(zhì)。純化的目的蛋白質(zhì)用預(yù)冷的Tris緩沖液(TBS)透析，按說明書操作。為了便于PfRNaseⅡ的水解活性測定，在純化pGEX-PfRNaseII融合蛋白質(zhì)和GST 標(biāo)簽蛋白質(zhì)時，全程盡量避免PO43-污染，故用TBS替換PBS。純化的目的蛋白質(zhì)通過SDS-PAGE和Westernblot鑒定其濃度和純度。
2.5pGEX-PfRNaseⅡ水解活性測定反應(yīng)體系為12.5μl，包含終濃度為0.8μmol/LpGEX-PfRNaseⅡ，20 mmol/LTris-HCl (pH =8.0)，100mmol/LKCl，5mmol/LMg2+，1U/μlRNasin和4μmol/L單鏈RNA(ssRNA)或2μmol/L雙鏈RNA(dsRNA)。同時設(shè)置等摩爾數(shù)的GST標(biāo)簽蛋白為陰性對照。37℃孵育適當(dāng)時間后加入等量含30mmol/LEDTA的上樣緩沖液終止降解反應(yīng)。反應(yīng)終產(chǎn)物進(jìn)行20%7mol/L尿素變性聚丙烯酰胺凝膠(7mol/LU-PAGE)電泳檢測。ssRNA 和dsRNA 均由蘇州吉瑪公司合成。
2.6觀察鎂離子對pGEX-PfRNase Ⅱ 體外降解RNA的影響有研究表明，核糖核酸外切酶降解RNA需要二價金屬離子的參與。為了觀察Mg2+對pGEX-PfRNaseⅡ體外降解RNA 的影響，本實(shí)驗設(shè)置0～20mmol/L梯度濃度的Mg2+ 進(jìn)行目的蛋白RNA水解活性測定定，反應(yīng)體系中的其他成分與方法2.5一致。
結(jié)果
1目的片段的擴(kuò)增以cDNA 為模板，利用PCR 方法擴(kuò)增PfRNaseⅡ的RNB催化區(qū)(870～1322位氨基酸區(qū)段)的編碼基因，擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)1%瓊脂糖凝膠電泳檢測，大小在1000～2000bp之間，與預(yù)期值(1404bp)相符，不含內(nèi)含子的編碼區(qū)片段擴(kuò)增成功。
2重組pGEX-4T-1-PfRNaseⅡ表達(dá)載體的構(gòu)建及鑒定按常規(guī)方法構(gòu)建pMD18-T-PfRNaseⅡ重組T載體質(zhì)粒和pGEX-4T-1 表達(dá)載體質(zhì)粒，BamHⅠ 和EcoRⅠ雙酶切結(jié)果。回收載體和目的基因片段，于16℃連接過夜，構(gòu)建重組pGEX-4T-1-PfRNaseⅡ表達(dá)載體，經(jīng)PCR、雙酶切、測序鑒定均正確，重組表達(dá)載體構(gòu)建成功。
3目的蛋白質(zhì)的表達(dá)純化及鑒定
pGEX-4T-1-PfRNaseⅡ轉(zhuǎn)染DE3后用終濃度為100μmol/LIPTG誘導(dǎo)12h，成功表達(dá)目的蛋白。純化的pGEX-PfRNaseⅡ融合蛋白和GST標(biāo)簽蛋白的SDS-PAGE結(jié)果。以GST-tagMousemAb為一抗，堿性磷酸酶標(biāo)記的山羊抗小鼠IgG 為二抗，進(jìn)行Westernblot，目的蛋白能被相應(yīng)一抗識別。根據(jù)SDS-PAGE 結(jié)果估計融合蛋白pGEXPfRNaseⅡ濃度約為80μg/ml，GST標(biāo)簽蛋白質(zhì)濃度為500μg/ml。
4pGEX-PfRNaseⅡ的水解活性
將pGEX-PfRNaseⅡ與ssRNA 混合后于37 ℃孵育30min即可見明顯的降解發(fā)生，等量的GST標(biāo)簽蛋白與等量的ssRNA在37℃孵育120min后仍無明顯的降解發(fā)生。在同等條件下，pGEX-PfRNaseⅡ和GST標(biāo)簽蛋白均不能降解dsRNA。
5二價金屬離子對pGEX-PfRNaseⅡ催化活性的影響
為了確定Mg2+ 對PfRNaseⅡ酶活性的影響，實(shí)驗設(shè)置0(EDTA組)、0.01、0.05、0.1、0.5、1、2.5、5、10、20mmol/L共10個Mg2+ 梯度。在不同Mg2+ 條件下，pGEX-PfRNaseⅡ與ssRNA 在37 ℃孵育90min后經(jīng)20%7mol/LU-PAGE檢測，呈現(xiàn)不同的降解效果。在低濃度Mg2+ 條件下，pGEX-PfR-NaseⅡ降解活性較強(qiáng);而在EDTA的存在下，pGEXPfRNaseⅡ的活性受到明顯抑制。表明Mg2+ 為pGEX-PfRNaseⅡ發(fā)揮降解活性所必需，且在低濃度時活性較強(qiáng)，高濃度時活性受到抑制。
討論
瘧疾是由瘧原蟲感染引起的寄生蟲病，通過受感染的蚊蟲叮咬傳播。世界衛(wèi)生組織最新報告顯示，全球大約有32億人口仍處于瘧疾感染的威脅下，僅2015年就新增加2億感染病例和40多萬的死亡病例。雖然人類的抗瘧行動取得了一定成績，但隨著蟲體耐藥性的產(chǎn)生和擴(kuò)散，研制開發(fā)有效的疫苗和新型抗瘧藥物刻不容緩。解析瘧原蟲的抗原變異機(jī)制和關(guān)鍵毒力基因的調(diào)控機(jī)制，對研制新型瘧疾疫苗或藥物具有重要意義。
大量研究證實(shí)，由Var基因家族編碼的惡性瘧原蟲紅細(xì)胞膜抗原1(PfEMP1)是蟲體抗原變異的主要效應(yīng)分子，也是介導(dǎo)細(xì)胞粘附和玫瑰花環(huán)形成的重要致病因子，在惡性瘧原蟲免疫逃避和蟲體致病中發(fā)揮重要作用。因此，Var基因的調(diào)控機(jī)制一直是瘧疾研究領(lǐng)域的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。雖然關(guān)于Var基因的調(diào)控已經(jīng)在轉(zhuǎn)錄水平和表觀遺傳水平取得一定的進(jìn)展，但關(guān)于Var基因完整的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)尚不十分清楚。Zhang等報道惡性瘧原蟲PfRNaseⅡ通過降解新生的RNA介導(dǎo)與重癥瘧疾相關(guān)的毒力基因，首次從轉(zhuǎn)錄后水平研究Var基因的調(diào)控機(jī)制，這對完善Var基因的調(diào)控機(jī)制具有重要意義。
生物信息學(xué)分析PfRNaseⅡ序列發(fā)現(xiàn)，該蛋白870～1322氨基酸殘基區(qū)段為RNB結(jié)構(gòu)域。RNB結(jié)構(gòu)域是RNB家族成員特征性的功能結(jié)構(gòu)域，屬保守功能域，而RNB家族成員又是核糖核酸外切酶的重要組成部分。本研究利用原核表達(dá)系統(tǒng)制備含PfRNaseⅡ預(yù)測的RNB功能區(qū)的GST 標(biāo)簽融合蛋白。體外RNA 降解試驗顯示該蛋白可水解ssRNA 而不能水解dsRNA，且其降解ssRNA的活性受反應(yīng)體系中Mg2+ 濃度的影響�？梢�，PfRNaseⅡ具有ssRNA水解活性，其水解反應(yīng)需要二價金屬離子的參與，為PfRNaseⅡ的降解機(jī)制及其在瘧原蟲生長發(fā)育中的作用研究奠定了基礎(chǔ)。
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