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3种结核分枝杆菌复活促进因子基因的克隆、原核表达与纯化鉴定

来源:伴沃教育
维普资讯 http://www.cqvip.com 252 Chinese Journal中国人兽共 of患 Zoonoses 病学报 2007,23(3) 文章编号:1002—2694(2007)03—0252—04 3种结核分枝杆菌复活促进因子基因的克隆、 原核表达与纯化鉴定 徐蕾,王瑜伟,朱道银 摘要:目的构建结核分枝杆菌复活促进因子B(rpfB)、D(rpfD)、E(rpfE)的原核表达质粒,并在大肠杆菌中表达和 纯化。方法 采用聚合酶链反应(PCR)以结核分枝杆菌H37Rv基因组DNA为模板扩增出rpfB(1 o89bp),rpfD(465bp)和 rpfE片段(519bp),并连接在pET32a(+)载体上,重组质粒用酶切和DNA测序鉴定后,转化到大肠杆菌BL21中,经IPTG 诱导表达了rpyB,rpfD和rpfE 3种蛋白;利用Western-blot鉴定重组蛋白后,纯化目的蛋白。结果 双酶切鉴定所切下的 片段大小与预计相符,测序结果与文献报道一致。经SDS-PAGE分析和Western-blot鉴定均发现分别在61kDa、39kDa、 41kDa处有特异性蛋白条带。结论 成功构建了3种重组表达质粒pET32a(+)一rpfBv、pET32a(+)一rpfDv、pET32a(+)一 rpfEv,并获得了3种高纯度的重组蛋白,为以后的深入研究奠定了基础。 关键词:结核分枝杆菌;rp,;克隆;表达;纯化 中图分类号:R378.91 文献标识码:A Cloning and prokaryotic expression of genes encoding resuscitation- promoting factors from Mycobacterium tuberculosis and its purification XU Lei,WANG Yu—wei,ZHU Dao—ying (Department of Microbiology and Immunology,Chongqing Medical University,Chongqing 400016,China) ABSTRACT:To express and purify the genes encoding resuscitation-promoting factor B(rpfB),D(rpfD),E(rpfE)of Mycobacterium tuberculosis,these genes were amplified by PCR from the genome of M.tuberculosis H3 7Rv strain,and cloned into pET32a(+)vector,then transformed into E coli Top10.After identifying by restriction digestion and DNA sequencing。 the conatructed recombinant plasmid was transformed into E.coli BL2 1 and the recombinant proteins were expressed after in— duction with IPTG.The target proteins were identified by Western-blot and purified by using affinity chromatograghy.The ex— perimental results showed that 3 recombinant expression vectors for genes encoding RpfB,RpfD and RpfE were successfully constructed and the fusion proteins with high purity was obtained.These results WOUld constitute the basis for the future stud— lea for these resuscitation-promoting factors. KEY WORDS:Mycobacterium tuberculosis;rpf;clone;expession purification 结核分枝杆菌(MTB)感染机体后可在巨噬细 定的联系。我们克隆表达并纯化该家族的3个蛋 胞内长期存活而不被机体的免疫系统清除,维持相 白,力图了解rpf与MTB进入持留状态和在持留 对静止而又具有活化潜能的持留(persist)状态,造 状态下活化是否相关。 ,进而为寻找抑制其进入持 成宿主的潜伏感染n 。目前,全球约三分之一的人 留状态或杀灭持留菌的方法奠定基础。 口有MTB的潜伏感染,这也是结核病化疗疗程过 1材料和方法 长和效果不佳的主要原因。结核病细菌学复发机制 1.1 材料 的研究表明,结核病复发的根源在于治疗开始时存 1.1.1 质粒与菌株结核分枝杆菌菌株H37Rv、大 在或治疗过程中产生的持留菌∞ 。 肠杆菌Topl0株和BL21株、表达质粒pET32a 结核分枝杆菌复活促进因子(Resuscitation- (+)均为本实验室保存。 promoting factor,rpf)是拥有5个成员的蛋白家 1.1.2主要试剂TaqPlus DNA聚合酶、T4 DNA 族。研究表明,它们与MTB尤其是处于生长迟缓 通讯作者l朱逆银,Emaillimmzhu@tom.com 期的MTB的增殖相关[3],推测其与持留菌也有一 作者单位:重庆医科大学微生曲学与免疫学教研室。重庆400016 维普资讯 http://www.cqvip.com 2007,23(3) Chinese Journal of Zoonoses 中国人兽共患病学报 253 连接酶、限制性内切酶BamH I和HindIII购自 TaKaRa公司;细菌基因组提取试剂盒、质粒纯化抽 提试剂盒、胶回收和PCR产物纯化试剂盒均购自 上海华舜生物公司。异丙基硫代一B—D-半乳糖苷 (IPTG)为Sigma公司产品。抗His抗体和Ni— NTA亲和纯化试剂盒购自Novagen公司。PCR引 物序列由上海生物工程公司合成,重组质粒上目的 基因的序列测定由上海生物工程公司完成。 1.2方法 1.2.1引物的设计根据GenBank报道的rpfB、 rpfD、rpfE的基因序列分别设计3对引物,并引入 酶切位点,酶切位点前均加入保护性碱基。引物序 列如下(小写部分为酶切位点): rpfB上游引物(P1):5 CAAggatccATGTT— GCGCCTGGTAGTCGGTG(’_3, 下游引物(P2):5’一TATaagcttTCAGCGCG— CACCCGCTCGT一3’ rpfD上游引物(P3):5 GTAggatccATGA- CACCGGGTTTGCTTACT一3’ 下游引物(P4):5’一GTTaagcttTCAATCGTC— CCTGCTCC(、.3, fE上游引物(P5):5’-CATggatccTT— GAAGAACGCCCGTACGACGCTCATCGC一3, 下游引物(P6):5,.ATATaagcttTCAGC— AG一3’ P1、P3、P5引入BamHI酶切位点,P2、P4、P6 引入HindIII酶切位点。 1.2.2结核分枝杆菌基因组DNA的提取 取少 量分枝杆菌H37Rv株接种罗氏培养基中,37。C培 养4周。按细菌基因组提取试剂盒说明书进行基因 组DNA的提取。 1.2.3 rpfB、rpfD、rpfE 3种基因的克隆及表达 质粒的构建基因的扩增、克隆方法参见分子克隆 第3版。3种PCR产物回收后,经BamHI和 H ,ldlII双酶切并胶回收,分别与用同样酶消化的 质粒pET32a(+)连接。 1.2.4重组质粒的鉴定 3种连接产物经分别转 化Topl0后,挑选单菌落提质粒为模板,按上述体 系做PCR和电泳鉴定;阳性克隆再用BamHI和 HindlII双酶切重组质粒,以琼脂糖凝胶电泳检测 鉴定;最后进行DNA测序分析。 1.2.5重组质粒的表达 将测序正确的重组质粒 转化大肠杆菌BL21株中,分别挑取阳性克隆接种 于2 ml含氨苄青霉素的LB培养液中,37 ̄C振荡过 夜,分别取i00 l菌液加到加入2 ml含氨苄青霉素 的LB培养液中,37℃振荡培养2~3 h,再加入 IPTG使其终浓度为2 mmol/L,诱导4 h,进行12 SDS—PAGE,考马斯亮蓝染色,并通过凝胶薄层扫描 测定其表达量。 1.2.6表达产物的鉴定 按上述方法诱导的3种 重组蛋白表达后进行SDS-PAGE,再将电泳凝胶上 的蛋白转移至PVDF膜上,用5 的脱脂奶封闭2 h,加抗组氨酸的特异性单抗4℃孵育过夜,以0.2 mmol/L PBST洗涤后,加羊抗鼠IgG室温作用1 h,以DAB显色观察结果。 1.2.7重组蛋白表达形式的分析按前述方法诱 导重组蛋白的表达并收集菌体,以3 ml/g湿菌比例 加入超声缓冲液重悬,用36 强度的超声在冰浴中 碎菌(功率360W,总时间30 min,其中超声破碎3s, 间隔3s),离心后分别收集上清和沉淀(即包涵体), 以SDS-PAGE分析重组蛋白表达形式。 1.2.8 3种重组蛋白的纯化 将上述制备好的包 涵体重悬Binding Buffer(0.5 mol/L NaCl,2O mmol/L Tris—Cl,5 mmol/L咪唑,8 mol/L尿素, pH7.9)中,冰浴搅拌1h,使包涵体完全溶解;离心 后将上清加入到Ni—NTA agarose柱上,并分别用 Binding Buffer Washing solution(0.5 mol/L NaC1, 20 mmol/L Tris-C1,60 mmol/L咪唑,8 mol/L尿 素,PH7.9),Elute solution(0.5 mol/L NaCl。2O mmol/L Tris—C1,1 mol/L咪唑,8 mol/L尿素, pH7.9)对目的蛋白进行洗脱,分步收集。取各管收 集液15 l进行SDS—PAGE鉴定,将含有目的蛋白 的各管合并。 1.2.9表达蛋白的复性 采取逐步降低尿素浓度 的方法,除去蛋白溶液中的尿素,使变性的蛋白在此 过程中自然复性,在4℃下分别用含6 mol/L、4 mol/L、2 mol/L、1 mol/L尿素的缓冲液进行梯度 透析4h,透析完毕将蛋白质溶液置于一20 ̄C保存。 2 结 果 2.1 PCR扩增产物琼脂糖电泳结果通过设计的 PCR引物,从结核分枝杆菌H37Rv基因组DNA中 扩增出rpfB、rpfD、rpfE 3种基因片段分别是 1 089 bp、465 bp、519 bp,与预期值大小相符,见 图1。 2.2 3种重组质粒双酶切电泳检测结果 rpfB, rpfD和rpfE基因片段分别与pET32a(+)vector 连接后的重组质粒命名为pET32a(+)一rpfBv、 pET32a(+)-rpfDv、pET32a(+)一rpfEv。以重组 质粒为模板进行PCR,并挑选阳性克隆进行 BamHI单酶切和BamHI、HindlII双酶切,电泳图 维普资讯 http://www.cqvip.com 254 Chinese J 0ur【】a1 of Zoonos ̄ :1a国人兽共患病学报 2O07.23(3) 中可看到3种重组质粒单酶切后分别产生6 989 bp、6 4l9 bp、6 365 bp大小的线性片段,双酶切后 则分别产生1 089 bp、519 bp、465 bp的小片段和5 900 bp的大片段(与pET32a(1_)空载大小相符). 见图2。 诱导分别感染了pE F32a(+)一rpfBv、pET32a(一)一 rpfDv、pE 1"32a(十)rpfEv的Bl 21菌4 11后,进行 l2 SDS—PAGE,发现在6i.4 kDa、4】.0 kDa、39.0 kDa处可见表达的新蛋白带(pET硫氧还蛋白约22 kDa),同预计大小相吻合,见图3 经凝胶薄层扫 描,测得重组rpfB、rpfD、rpfE表达带的蛋白分 别占菌体总蛋白量的31 、29 、29.3 。将表达 蛋白与抗组氨酸的特异性单克隆抗体做免疫印迹, 发现61.4 kDa、41.0 kDa、39.0 kDa处各有一条带, 见图4 对表达蛋白的可溶性分析证明.3种融合表 达产物主要都以不可溶的包涵体形式存在。 围1 PCR扩增的Rplll、RpfD、RpfE基因 Fig.1 PCR prodlacts of RpfB、RpfD、RpFE gene 1:DNA marker(DL2000)} 2—3:PCR products of RpfE 4.5.PCR products of RpfD 6.7jPCR products of RpfB 8:contro【(一)S 图3 SDS-PAGE鉴定诱导表达的3种重组蛋白 Fig.3 SDS-PAGE analysis of the three recombinant protei ̄ l 2:BL21 with pET32a 一)一Rp[mv induced by IPTGf。r 4h 3--4:BL21 with pEF32a 卜)一RpfEv induced by IPTGfor 4h 5:protein marker(from tlP 1o down):97.4kDa,66. 2kDa,43.0kDa,31.0kDa.22.0kDa.14.0kDa 6/l0:BI 2l induced hy IPTG for 4h 7:BL21 whh pE]‘32a(+)induced by IPTG for 4h 8—9:BL21 with pET32a(+)~RpfBv induved by 圈2 3种重组质粒的酶切鉴定 Fig.2 Identification of the three recombinant plasmids by en. doenzymse 1PTGfor J,h l【pET32a(十)RpfBv digested by BamHI 2 i pET32a(+)一RpfDv digesled by BamH1 3;pET32a(+)一RpfEv digested by B mHI 4/9:DNA marker【DL2000) 5/i0 DNA marker(15000) 6 pET32a(+)一RpfBv digested by B口 HI and HindllI 7.pET32a(4-)RpfFv digested by BamH1 aI1d HindIII 8.pNI 2a(+)一Rpf[N,digestod by B4 Hl and Hi TdUI 2.3 重组质粒的测序鉴定 将3种表达质粒 pET32a(一)rpfBv、pET32a(+)rpfDv、pET32a 图4 3种重组蛋白的W ̄:tern—hlot鉴定 Fig.4 W幅ter bl0l FEsuIts of the three recombinant proteins (一)一rpfEv样品进上海生物工程公司测序,双向测 序结果显示:测序结果分别与ncbi上rpfB、rpfD、 rpfE的编码序列比较完全一致 1jBL2 L with pE'l 32a(一)一RpfEv induced by IPTG 2:protein marker 3{BL21 with pET32a(+ 一RpfBv induced hy IPTG 2.4重组质粒的表达及其产物的鉴定用IPTG 4:BL21 with pET32a(上)--RpfDv induced by IPTG 维普资讯 http://www.cqvip.com Chinese Journa1 of Zoon0ses 中国人兽共患病学报 255 2.5表达蛋白的亲和层析纯化和复性 从重组菌 3讨论 中制备的包涵体经洗涤溶解后.上到Ni—NTA金属 鳌合亲和层析柱中,洗脱下目的蛋白经l2 SDS PAGE证明了这种纯化方法的有效性.见图5—7, 薄层扫描分析重组蛋白纯度均可达90 以上 将 分步收集液中吉目的蛋白的各营台并,缓慢逐步降 低透析液中尿素的浓度,使变性的蛋白在此过程中 Ovtina等首先发现生长繁殖期的藤黄微球菌 分泌的一种蛋白质能使处于休眠期的同类菌复苏并 在培养基上形成菌落,故把该蛋白质称为“复苏促进 因子” ,pr也可以刺激其它几种富含G/C的革兰 阳性菌的生长,包括鸟分枝杆菌.母牛分枝杆菌 (BCG),堪萨斯分枝杆菌,耻垢分枝杆菌和M'I、B: 同时又发现这些革兰阳性菌有7个基因的预计产物 自然复性,复性后的目的蛋白经冻干保存,以便于进 步的研究工作。 与上述Tpf的 一末端域十分相似,其中5个基因来 自MTB,它们都能分泌砷,的同源蛋白,而这些蛋 白具有呻,相似的功能,以此类推把这些由结核杆 菌分泌的同源蛋白称为“结核分枝杆菌复活促进因 子家族”“ 。 该家族j个成员分别是rp,A、rp,_B、印,c、 rpfD和rp ,其中rpfB、rpfD和rpfE有具有 很高的特异免疫应答能力和很好的免疫原性。 图5 rpfB蛋白纯化后的SDS-PAGE分析 Fig.5 SDS-PAGE anM ̄'sis. of purified recombinanl p ̄tem Vladimir等 将rpfE蛋白(含有rpf家族典型的 同源保守区)接种C57BL/6小鼠后.再用MTB毒 3:protein marker 5—8:the recombinant protein after purified 株(H37Rv)攻击+发现这些小鼠比未接种小鼠肺和 脾的荷菌量减少,存活时间也延长,对机体起保护作 用。最近报道 ,rpfs的表达可能调节MTB的 ______________●___________________●。。。。。。。。。。。。。。。。_。_ —。’’。。。。。。。。。。。—— k . L1 1 l诵2 1 I1 增殖,而且r∞佃基因敲除的MTB株在慢性结核病 小鼠模型中存在活化缺陷{可见它与结核潜伏感染 的活化有着密切的联系。 在本试验中,我们选择的pET32a(一)是一种 融合表达质粒,其特点除了能够在外源蛋白N端编 码6个组氨酸残基外,还能够编码硫氧还原蛋白 【... — .. ...............一图6 rpfD蛋白纯化后的SDS—PAGE分析 Fig.6 SD ̄PAGE of RpfD afler puridied  (Trx)与外源蛋白融合表达,使重组蛋白分子量变 大,不易被细菌内的蛋白酶阵解,从而提高表达产物 的稳定性;同时,外源蛋白与 Frx之间还具有肠激 酶和凝血酶的识别位点,可 方便的切下Trx,使重 组蛋白的构象及活性与天然目的蛋白更接近,本研 究中还利用抗组氨酸的特异性单抗与重组蛋白做免 疫印记武验,对表达的目的噩白进行初步鉴定 同 l一4:elute so】ution(E1一E4) 5:protein marker 8 时,我们还利用重组蛋白上的组氨酸标签可以和 Ni N FA亲和层析柱上的金属镍结台的原理,使目 的蛋白在流经柱床时被特异地吸附,再利用咪唑置 换,洗脱下目的蛋白,从而对重组蛋白进行纯化 本研究掏建了编码MTB H37Rv株砷厂B、 rpfD、rpfE 3种蛋白的重组表达质粒,并获得了较 高纯度的蛋白。借助它们可以探讨rpf蛋白家族 田7 rpfE蛋白纯化后SD ̄PAGE分析 Fig.7 SD ̄PAGE ann b of purified recombinant protein 与结核持留菌及潜伏感染活化之间的关系,为新型 抗结核药的研制和新的结核病治疗方案的制定奠定 基础 (下转第258页) 5—7:the recombinant protein after purified 8:protein marker 维普资讯 http://www.cqvip.com 258 Chinese Journal中国人兽共 of Zoonoses 患病学报 2007,23(3) 蛋白(或者这些蛋白中的某个或某几个成分)有可能 综上所述,我们认为,结核分枝杆菌Rv2450蛋 会被宿主的免疫系统所识别,而作为亚单位疫苗的 白有可能作为基因工程疫苗或亚单位疫苗的候选组 备选组分。 分,值得进一步深入研究。 机体抗结核杆菌的免疫,主要依赖于T细胞及 参考文献: 其分泌的相关细胞因子的协助。 。Thl型细胞以分 C13Dye C,Watt CJ,Bleed D.Low access to a highly effective thera— 泌IL-2、IL-12、IFN一了和TNF-e为特征,主要参与 Py:a challenge for internationa1 tuberculosis contro1 CJ].Bul1 Wor1d Heahh Organ,2002,80(6):437—444. 细胞介导的免疫应答,在抵御细胞内致病因子方面 C23 Fine PE.Variation in protection by 13(3G:implication of and for 起着重要作用。而Th2型细胞以分泌IL_4、IL-5、 heterologous immunity[J].Lancet,1995,346(8986){ IL-6、IL-10为特征,主要参与体液免疫应答,在抵 1339—1345. C33薛莹,姜鸿,高雪,等.结核分枝杆菌Rv2450基因的克隆、表达及 御细胞外致病因子方面发挥作用,并与细胞内病原 纯化CJ3.第四军医大学学报,2004。25(19)1778—1781. 体所致疾病的进展相关。本实验中,我们检测了结 C4]Mukamolova GV,Kaprelyants AS,Young DI,et a1.A family of 核分枝杆菌Rvl009蛋白免疫小鼠的体液免疫和细 autocrine growth factors in Mycobacterium tuberculosis CJ3.Mo1 Microbio1,2002,46(3):623—635. 胞免疫的相关指标。结果显示,免疫组小鼠体内特 C53Mukamolova GV,Kaprelyants AS,Young DI,et a1.A bacteria1 异性的抗体滴度为1:1 600,证实免疫成功。免疫 cytokine[J].Proc Natl Acad Sci USA,1998,95(15)t 小鼠脾淋巴细胞悬液中IFN一7的水平为1350±34 8916-8921. C63Martin CG,Nicholas HK,Angharad PD,et a1.Resuscitation— pg/ml,明显高于生理盐水对照组,表明Rvl009蛋 promoting factors possess a 1ysozyme-like domain CJ].Trends 白可诱导有效的细胞免疫应答;IL一10的含量为512 Biochem Sci,2004,29(1):7-10. ±15 pg/ml,也明显高于生理盐水对照组74±7 Pg/ C73 Sassetti CM,Boyd DH,Rubin EJ.Genes required for mycobac— teria1 growth defined by high density mutagenesis CJ3.Mo1 Mi— ml,BCG免疫组为467_-4-11 pg/ml。虽然,IL-IO是 crobio1,2003,48(1):77—86. 促进MTB感染的一个因素,但实际上,在MTB感 [8]Mukamolowa GV,Turapov OA,Young DI.et a1.A family of 染的过程中,Thl型细胞介导的免疫应答和Th2型 autocrine growth factors in Mycobacterium tuberculosis CJ3.Mo1 Microbio1,2002,46(3):623—635. 细胞介导的免疫应答之间的相互平衡才是最关键 C93 Stenger S,Modlin RL.T cell mediated immunity to Mycobacte— 的。以Rpf样蛋白免疫小鼠后,IL一10水平的增高 rium tuberculosis.CJ3.Curr Opin Microbio1,1999,2(1):89—93. 不能单纯地认为对机体不利;相反,这种增高有可能 C10]Roias M,0livier M,Gros P,et a1.TNF口and IL-10 modulate the induction of apoptosis by virulent Mycobacterium tuberculo— 是对Thl型细胞介导的细胞免疫应答和Th2型细 sis in murine macrophages CJ].J Immuno1,1999,162(10): 胞介导的免疫应答问的相互平衡起一种调节作 6122—6131. 用n∞。IL-12含量与生理盐水对照组水平相当(112 收稿日期:2006—07—13:修回日期:2006—1卜30 ±13pg/m1),BCG免疫组为432±12pg/ml。 (上接第255页) biochemica1 sciences,2004,29(1):7—10. 参考文献: C73 Sergey B,Mukamolova GV,Vasiliy P,et a1.Cuhurability of CI]Nuermberger E,Bishai WR,Grosset JH.Latent tuberculosis in— Mycobacterium tuberculosis cells isolated from murine macropha— fectionCJ].Semin Respir Crit Care Med,2004,25(3):317—336. ges;fl bacteria1 growth factor promoters recoveryCJ3.FEMS Im— C23宋文虎。肖成志,宋礼章.结核病学进展[M].北京;光明日报出版 munology and Medica1 Microbiology,2000,29(8):233—240. 社。1995:183. C83 Adrie JC,Edsmond MC,Mary KH,et a1.Mycobacterium tuber- C33Vhdimir VY。Tatiana KK,Elvira IR,et a1.Proteins of the Rpf culosis WhiB3 interacts with RpoV to affect host surviva1 but is Family I Immune Cell Reactivity and Vaccination Efficacy against dispensable for in vivo growth[J].PNAS,2002,99(5): Tuberculosis in MiceCJ3.Infection and Immunity,2003,71(8): 3147—3152. 4789—4794. C93Mukamolova GV,Obolbek AT,Konstant'ir K,et a1.The rpf C43Galina V.Mukamolova G v.A family of autocrine growth fac— gene of micrococcus 1uteus encodes an essentia1 secreted growth tors in Mycobacterium tuberculosis[J].Molecular Microbiology, factorCJ3.Molecular MicrobiologY,2002,46(3):611-621. 2002。46(3):623—635. C103JoAan MT,Kaixia M.Deletion of the Mycobacterium tuberc“一 [5]Galina V,Mukamolova GV,Arseny S,et a1.A bacteria1 cyto— losis Resuscitation Promoting Factor Rv1009 Gene Results in De一 kineCJ3.Microbilogy,1998。95(15):8916—8921. 1ayed Reactivation from Chronic Tuberculosis CJ3.Infection and C63Martin CG。Nicholas HK,Angharad PD,et a1.Resuscitation— Immunity,2006,74(5):2985・2995. promoting factors possess a 1ysozyme-like domainCJ3.Trends in 收稿日期:2006-08-08;修回日期:2006一II一28 

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