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盐生杜氏藻3-磷酸甘油脱氢酶不同结构域蛋白的表达纯化及其抗体的制备与分析



全 文 :应用与环境生物学报 2009,15 ( 2 ): 202~206
Chin J Appl Environ Biol=ISSN 1006-687X
2009-04-25
DOI: 10.3724/SP.J.1145.2009.00202
盐生杜氏藻(Dunaliella salina,简称盐藻 )能在0.5~5.5
mol/L的NaCl环境下正常生长 . 盐藻通过细胞内大量合成甘
油来调节细胞内外的渗透压,其细胞内的甘油浓度变化范围
为1~7.5 mol/L [1, 2];甘油代谢的基本过程 [3]与酵母细胞中的十
分类似,即淀粉经水解成葡萄糖,经1,6-二磷酸果糖转化为
磷酸二羟基丙酮(Dihydroxyacetone phosphate,简称DHAP),
生成3-磷酸甘油,最后磷酸化酶脱磷酸生成甘油. 其中,3-
磷酸甘油脱氢酶(GPDH)是甘油合成途径中的关键酶 [4~6],在
NADH的参与下催化DHAP向3-磷酸甘油转化.
在酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)细胞中,3-磷酸甘
油脱氢酶有2个同工酶,即GPD1和GPD2,GPD1受高渗透压诱
导,是HOG途径的一个目标基因,在高渗透压环境下主要负
责有氧情况下产生甘油;GPD2是酵母在无氧情况下产甘油
所必需的,受无氧条件诱导 [4, 7]. 相对于酵母的GPD同工酶基
因,对很多物种的GPD研究只停留在天然蛋白的分离和纯化
方面. GPDH的同工酶天然蛋白已经从菠菜叶子 [8, 9]、衣藻 [10]和
杜氏藻(Dunaliella tertiolecta)[11~13]等物种中被分离纯化出来,
特别是Durba Ghoshal[14]等从D. tertiolecta中分离纯化出了3个
天然的GPDH蛋白,作了部分特性研究,并根据洗脱峰的形
状、细胞定位和酶学特性,将盐藻的GPDH同工酶定为3类:
叶绿体渗透调节型、叶绿体甘油脂型和细胞质甘油脂型. 其
中,叶绿体和细胞质的甘油酯型GPDH的理化特性与其它物
种相类似,唯一不同于其它高等植物的一种同工酶是叶绿体
渗透调节型GPDH.
本实验室成功克隆了盐藻的3-磷酸甘油脱氢酶全长基
盐生杜氏藻3-磷酸甘油脱氢酶不同结构域蛋白的表达
纯化及其抗体的制备与分析*
黄 秦 曹 瑜 吴 鹏 史 岩 张 书 乔代蓉 曹 毅**
(四川大学生命科学学院微生物与代谢工程四川省重点实验室 成都 610064)
Purification and Antibody Preparation and Analysis of Different Domains of
GPDH Proteins from Dunaliella salina*
HUANG Qin, CAO Yu, WU Peng, SHI Yan, ZHANG Shu, QIAO Dairong & CAO Yi**
(Microbiology and Metabolic Engineering Key Laboratory of Sichuan Province, College of Life Sciences, Sichuan University, Chengdu 610064, China)
Abstract Dunaliella salina is one of the most salt-tolerant photosynthetic eukaryotic organisms. Glycerol is the key
compatible solutes synthesized in saline cell for osmotic balance. Glycerol 3-phosphate dehydrogenase (GPDH) is a
key enzyme in glycerol metabolism of D. salina. Unlike GPDH reported from other species, the glycerol 3-phosphate
dehydrogenase from D. salina (Ds. GPDH) includes two independent domains: Ser-phosphatase domain (SGPP) and glycerol-3-
phosphate dehydrogenase (GPD) domain. Based on the cloned Ds. GPDH2 gene, we used the pMD18-T plasmid containing the
full length of GPDH2 (pMD18-T-GPDH2) as the template to amplify the segments of SGPP, GPD and GPDH which were used
to construct the prokaryotic expression vectors of pET32a-SGPP, pET32a-GPD and pET32a-GPDH. The three recombinant
proteins were expressed respectively in E. coli BL21 and purified successfully, and the antibodies of the three forms of proteins
were prepared. The results of Western Blot and cross reaction indicated that the antibodies prepared by the recombinant
proteins had high specificity. Fig 7, Ref 16
Keywords Dunaliella salina; glycerol 3-phosphate dehydrogenase; domain; purification; antibody; Western Blot; cross reaction
CLC Q949.206 : Q78
摘 要 盐生杜氏藻(Dunaliella salina)是迄今为止世界上发现的最耐盐的真核光合生物,而甘油是盐藻用于调节细胞
内外渗透压变化的关键调渗物质. 3-磷酸甘油脱氢酶(GPDH)是盐生杜氏藻甘油合成途径中的关键酶. 与已经报道的
其它物种的GPDH基因不同,盐生杜氏藻3-磷酸甘油脱氢酶(Ds. GPDH)基因具有两个独立的功能结构域,即丝氨酸磷
酸化酶结构域(SGPP domain)和3-磷酸甘油脱氢酶结构域(GPD domain). 本实验在已克隆的Ds. GPDH2基因的基础上,
以含GPDH2全基因序列的T质粒载体(pMD18-T-GPDH2)为模板,PCR扩增分别得到两个单结构域片段(SGPP与GPD),
以及双结构域片段(GPDH),构建了pET32a-SGPP、pET32a-GPD和pET32a-GPDH三种原核表达载体,并在大肠杆菌中成
功表达. 纯化蛋白制备抗原,制备出3个多克隆抗体. Western Blot和交叉反应分析显示通过重组蛋白制备的多克隆抗
体具有很高的特异性. 图7 参16
关键词 盐生杜氏藻;3-磷酸甘油脱氢酶;结构域;纯化;多克隆抗体;Western Blot;交叉反应
CLC Q949.206 : Q78
收稿日期: 2008-08-05 接收日期: 2008-11-25
*国家自然科学基金项目(Nos. 30740055, 30871321, 30771312)和教育部新
世纪优秀人才支持计划(No. NCET-05-0785)资助 Supported by the National
Natural Science Foundation of China (Nos. 30740055, 30871321, 30771312),
and the Program for New Century Excellent Talents in Universities of China
(No. NCET-05-0785)
**通讯作者 Corresponding author (E-mail: caoyi_01@163.com)
2032 期 黄 秦等:盐生杜氏藻3-磷酸甘油脱氢酶不同结构域蛋白的表达纯化及其抗体的制备与分析
因(GPDH2)[15],在对基因核酸和蛋白质序列作相似性搜索、
结构域定位分析时发现,该基因有不同于目前所有已克隆的
GPDH基因的独特的现象,即该基因编码两个独立功能的结
构域——SGPP domain和GPD domain,GPDH同时具有两种
酶反应活性中心.
为研究盐藻GPDH2基因特殊结构的功能,本文将盐藻
GPDH2的SGPP和GPD结构域,及GPDH双结构域进行原核表
达和蛋白纯化,并制备3个多克隆抗体,为深入研究GPDH2蛋
白的结构与功能以及表达调控奠定基础.
1 材料与方法
1.1 材 料
1.1.1 生物来源、菌株和质粒载体 盐藻,用于转化的宿主菌
株E. coli JM109、BL21,质粒载体pET32a、pMD18-T-GPDH2,
均由本实验室保藏;纯种新西兰大白兔6只(雄性)购自四川大
学华西实验动物中心.
1.1.2 酶和其他试剂 ExTaq™ PCR Kit、pMD18-T Vector、限制
性内切酶BamH I和XhoI、T4 DNA连接酶、异丙基硫代半乳糖
苷(IPTG)、氨苄青霉素(Amp)均购自Takara公司. Gel Extraction
Kit购自Omega Bio-tek公司. Ni亲和层析柱介质购自GE公司.
弗氏完全佐剂和弗氏不完全佐剂购自SIGMA 公司. 辣根过氧
化物酶标记的山羊抗兔IgG 购自北京中杉金桥生物技术有限
公司.
1.2 方 法
1.2.1 引物设计 根据实验室已经获取的GPDH2序列, 利用
Primer 5.0设计特异引物扩增目的片段(图1),分别在上游引物
的5’端加上BamH I 酶切位点,下游引物5’端加上XhoI酶切位
点:
SGPP:上游引物 GPPsense 5’-TCGGATCCGTGTGTTTCG-
ATGTGGACCGCACCG-3’
下游引物GPPantisense5’-CCTCGAGTTAGTCGGC-
CTGGCTGGCCACGGCAGGTCG-3’
GPD:上 游 引 物 GPD s e n s e 5’-TCG GATCCATG G CC -
AAGCTGAAGCGCTACAA-3’
下游引物 GPDantisense 5’-CCTCGAGTTAGCAGCA-
TGATGGGTGTGGTTGCTTAG-3’
GPDH:上游引物 GPDH2sense 5’-TCGGATCCACCGAG-
CAGGAGGCGGAGAAT-3’
下游引物 GPD H2antisense 5’-CCTCGAGTTAGC-
AGCATGATGGGTGTGGTTGCTTAG-3’
1.2.2 克隆SGGP、GPD和GPDH 3个片段 以pMD18-GPDH2
为模板,利用特异引物进行PCR 扩增,PCR 扩增参数为:
SGGP,94 ℃,1 min;然后94 ℃ 30 s,65 ℃ 30 s,72 ℃ 1 min,
共 30 个循环;最后 72 ℃延伸 10 min;GPD与GPDH分别采用
58 ℃和65 ℃退火,其余参数与SGPP相同. 1.0%琼脂糖电泳检
测PCR产物,胶回收PCR产物并分别克隆到pMD18-T载体中,
转化 E. coli JM109感受态细胞,重组质粒经BamH I和 XhoI
双酶切验 证,正确的送由上海英骏生物技术有限公司测序.
将获得正确序列的重组质粒命名为pMD18-SGPP、pMD18-
GPD、pMD18-GPDH.
1.2.3 构建SGPP、GPD和GPDH原核表达载体 分别用BamH I
与XhoI双酶切pET32a、pMD18-SGPP、pMD18-GPD、pMD18-
GPDH,电泳胶回收pET32a、SGPP、GPD和GPDH片段,将回
收的SGPP、GPD和GPDH片段用T4 DNA连接酶分别与PET32a
片段16 ℃连接过夜,转化E. coli BL21感受态细胞,涂布于含
100 ×10-6 g/mL Amp的LB平板上37 ℃过夜培养,挑取单菌落,
抽提转化子质粒,经BamH I和XhoI双酶切验证,送出测序. 将
正确重组质粒命名为pET32a-SGPP、pET32a-GPD、pET32a-
GPDH.
1.2.4 SGPP、GPD和GPDH三个蛋白的表达条件优化与纯化
分别将含有重组质粒的菌液接种到3 mL含有100 ×10-6 g/mL
Amp的LB液体培养基中,于37 ℃培养2 h,至D600 nm为0. 6~0.
8,IPTG终浓度分别为0.1、0.3、0.6、1.0 mmol/ L,温度分别为
16、20、28、37 ℃,继续培养4 h进行表达条件优化,离心收
集菌体,PB (pH 7.4)重悬,超声波破碎,离心,取上清,SDS-
PAGE凝胶电泳检测3个重组蛋白各自的最优表达条件. 按上
述方法,在最优表达条件下进行大量表达,Ni亲和纯化法纯
化3个重组蛋白,参照Laemmli的方法 [16]进行SDS-PAGE检测.
1.2.5 多克隆抗体制备 将纯化的3个抗原分别免疫新西兰大
白兔,采用背部皮下多点注射法,耳缘静脉采血,双向免疫扩
散测效价,当抗血清效价达到1 : 16以上采心脏血制备抗血清.
1.2.6 Western Blot分析 取纯化的3个蛋白进行SDS-PAGE电
泳:4 ℃、100 V转膜1 h,分别将对应的SGPP、GPD、GPDH蛋
白抗血清按照1 : 200、1 : 200、1 : 400稀释作为一抗,将辣根
过氧化物酶标记的山羊抗兔1 : 2000稀释作为二抗,Western
Blot检测目的蛋白.
1.2.7 交叉反应分析 同1.2.6方 法,取SGPP、GPD蛋白与
GPDH蛋白抗血清,取GPDH蛋白分别与SGPP、GPD蛋白抗血
清进行交叉反应分析,验证多克隆抗体的特异性.
2 结果与分析
2.1 SGPP、GPD和GPDH2三个片段克隆结果
以实验室保藏的pMD18-T-GPDH2为模板,特异引物扩
图1 GPDH2蛋白质序列的结构域分布图
Fig. 1 Domains of GPDH2
图2 SGPP、GPD和GPDH三个片段的PCR扩增
Fig. 2 Electrophoresis analysis of SGPP, GPD and GPDH PCR products
(A) Electrophoresis analysis of SGPP PCR product; M: DNA marker
(DL2000); 1: PCR product of SGPP. (B) Electrophoresis analysis of GPD and
GPDH PCR products; M: DNA marker (DL2000); 1: PCR product of GPDH;
2: PCR product of GPD
204 15 卷应 用 与 环 境 生 物 学 报 Chin J Appl Environ Biol
增SGPP、GPD和GPDH片段(图2-A,B),扩增出了与预期相符
的约610 bp、1100 bp、1 900 bp左右的3条特异性片段.
2.2 TA克隆阳性重组子鉴定结果
pMD18-SGPP、pMD18-GPD、pMD18-GPDH的重组质粒
分别经BamH I和XhoI双酶切验证,1. 0%琼脂糖凝胶电泳分
别可见1条约615 bp、1 100 bp、1 900 bp的条带(图3-A,B),测
序结果表明,目的片段与已知序列片段完全一致.
2.3 SGGP、GPD和GPDH原核表达载体的构建
对pMD18-SGPP、pMD18-GPD、pMD18-GPDH质粒和
pET32a质粒载体分别进行BamH I和XhoI双酶切后,琼脂糖
凝胶电泳回收目的片段,连接转化E. coli BL2感受态菌株,
BamH I和XhoI双酶切检测重组质粒pET32a-SGPP、pET32a-
GPD、pET32a-GPDH (图4-A,B,C),分别得到615 bp、1 100
bp、1 900 bp左右的片段. 测序结果表明,SGPP、GPD和GPDH
序列与设计相符,阅读框正确.
2.4 SGPP、GPD和GPDH重组蛋白的诱导表达和纯化
SGPP融 合 蛋 白 优化 的 表 达 条 件 为,在 终 浓 度 为 0.6
mmol/L的IPTG中、37 ℃下诱导培养4 h,以可溶形式存在的
表达量达到最大值. 而GPD和GPDH融合蛋白优化的表达条
件是在终浓度分别为1.0 mmol/ L、0.3 mmol/L的IPTG中、28
℃下诱导培养4 h,有相对最大量的可溶形式存在 . SGPP、
GPD和GPDH融合蛋白相对分子质量的理论预测值分别约为
40×103、57×103和86×103. 蛋白纯化、SDS-PAGE分析(图5-A,
B,C)后,可见融合蛋白表达条带与预期的理论值相符.
2.5 多克隆抗体效价测定
双向免 疫扩散实验分别检 测了3个多克隆抗体效价,
SGPP、GPD为 1 : 16,GPDH 为1 : 32.
2.6 Western blot分析
3个融合蛋白的Western Blotting检测结果(图6-A,B,C)
都显示了比较明显单一的目的条带,同时有一些不明显的杂
带,说明SGPP、GPD和GPDH表达产物能与各自的抗体特异
性结合.
2.7 交叉反应分析
交 叉反应结果 (图7)显示,在各对应的蛋白大小处都有
一条明显的条带,说明GPDH抗体能够结合SGPP和GPD蛋
白,SGPP和GPD抗体也能够分别与GPDH蛋白结合. 这进一
步证明了3个抗体的特异性.
图3 pMD18-SGPP、pMD18-GPD和pMD18-GPDH双酶切鉴定
Fig. 3 Double restriction endonucleases analysis of pMD18-SGPP, pMD18-
GPD and pMD18-GPDH
(A) Double restriction endonucleases analysis of pMD18-SGPP; M: DNA
marker (DL2000); 1: Digest products of pMD18-SGPP by BamHI and XhoI.
(B) Double restriction endonucleases analysis of pMD18-GPD and pMD18-
GPDH; 1: Digest products of pMD18-GPD by BamH I and XhoI; 2: Digest
products of pMD18-GPDH by BamH I and XhoI; M: DNA marker (DL2000)
图4 pET32a-SGPP、pET32a-GPD和pET32a-GPDH双酶切鉴定
Fig. 4 Double restriction endonucleases analysis of pET32a-SGPP,pET32a-
GPD and pET32a-GPDH
(A) Double restriction endonucleases analysis of pET32a-SGPP; M: DNA
marker (DL2000); 1: Digest products of pET32a-SGPP by BamH I and
XhoI;(B)Double restriction endonucleases analysis of pET32a-GPD; M: DNA
marker (DL2000); 1: Digest products of pET32a-GPD by BamH I and XhoI;
(C)Double restriction endonucleases analysis of pET32a-GPDH; 1: Digest
products of pET32a-GPDH by BamH I and XhoI; M: DNA marker (DL2000)
图5 SGPP、GPD和GPDH重组蛋白纯化结果
Fig. 5 SDS -PAGE analysis of the purified recombinant proteins of SGPP,
GPD and GPDH
(A) SGPP; M: Molecular mass markers; 1: Recombinant protein of SGPP.
(B) GPD; M: Molecular mass markers; 1: Recombinant protein of GPD. (C)
GPDH; M: Molecular mass markers; 1: Recombinant protein of GPDH
图6 SGPP、GPD和GPDH重组蛋白的Western Blot分析
Fig. 6 Western Blot analysis of the recombinant proteins of
SGPP, GPD and GPDH
(A) SGPP; M: Molecular mass markers; 1: Recombinant protein and antibody
of SGPP. (B) GPD; M: Molecular mass markers; 1: Recombinant protein and
antibody of GPD. (C) GPDH; M: Molecular mass markers; 1: Recombinant
protein and antibody of GPDH
2052 期 黄 秦等:盐生杜氏藻3-磷酸甘油脱氢酶不同结构域蛋白的表达纯化及其抗体的制备与分析
3 讨 论
本实验室前期研究发现 Ds. GPDH基因编码两个 独立
功能的结构域——SGPP domain和GPD domain. 本文将盐藻
GPDH2的SGPP和GPD结构域,及GPDH双结构域进行原核表
达和蛋白纯化,制备了不同结构域蛋白的抗体,为进一步研
究Ds. GPDH2基因特殊结构的功能及其蛋白在盐藻体内的存
在形式和其调控表达以及甘油合成机制奠定了重要基础.
蛋白的不同存在形式(可溶和不可溶)是蛋白结构的不同
空间折叠而形成的,从而影响到蛋白分子上抗原决定簇的排
布,这对抗体的效价与特异性起到了至关重要的作用. 为了
减少重组蛋白的结构与盐藻天然蛋白结构之间的差别,增加
抗体的特异性,我们制备的蛋白需要可溶的状态及活性形式
存在. 因此,本实验选择了pET-32a载体与trxB突变菌(BL21),
pET-32a载体是在大 肠杆菌中克隆表 达 重组蛋白的功能较
强大的系统. 载体中的Trx·Tag不仅可以增强一些蛋白的可溶
性,还可以在trxB突变菌的细胞质中催化二硫键的形成. 同
时通过降低诱导剂的工作浓度和诱导培养温度,以及在基本
培养基中生长来减低蛋白合成速率,从而增加目的蛋白的可
溶性. 本实验在诱导剂分别为0.1、0.3、0.6、1.0 mmol/L,温度
分别为16、20、28、37 ℃的不同组合下对蛋白的表达进行了
优化处理,结果显示,SGPP和GPDH两个蛋白在各自的最优
处理条件下都能以可溶形式达到比较大的表达量,而GPD蛋
白在任何处理条件下,可溶形式存在的表达量相对于另两个
蛋白比较小. 对GPDH2蛋白序列亲疏水性的分析表明,其亲
水区域和疏水区域分布比较均匀,蛋白是否以可溶形式存在
可能受这方面的影响不明显,通过选择其他不同的诱导剂工
作浓度和温度的组合处理,或者更换表达载体和宿主菌可能
会增加GPD蛋白以可溶形式存在的表达量.
Western Blot分析分别显示了一条非常明显的目的条带,
说明3种多克隆抗体都能与各自的蛋白结合,证明了3个蛋白
都具有较好的免疫原性和特异性. 交叉反应分析显示GPDH
蛋白抗体能够与SGPP和GPD蛋白结合,SGPP和GPD蛋白抗
体也能够分别与GPDH蛋白结合. 进一步证明了3个多克隆抗
体的特异性. 在上述两个实验中,除了比较明显的条带外,
还有一些不太明显的杂带,是因为制备的抗原是由大肠杆菌
表达的,纯化过程中可能包含了微量的大肠杆菌体内的杂蛋
白,所得到的抗体与大肠杆菌自身蛋白进行Western印迹实
验,才会与部分杂蛋白结合. 但是,本实验所制备的抗体是用
于后续对盐藻天然蛋白的研究,其蛋白与大肠杆菌体内的蛋
白具有一定的差异性,所以对后续实验没有影响. 本文所制
备的抗体能够用来进行下一步实验.
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图7 交叉反应分析
Fig. 7 Analysis of cross reaction
M: Molecular mass markers; 1: Recombinant protein of GPD and antibody
of GPDH; 2: Recombinant protein of SGPP and antibody of GPDH; 3:
Recombinant protein of GPDH and antibody of GPD; 4: Recombinant protein
of GPDH and antibody of SGPP
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