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Cloning, Bioinformatic Analysis and Expression Patterns of Chaperonin Gene CCTδ from Musca domestica

家蝇伴侣蛋白CCTδ基因克隆、序列分析及表达模式的研究



全 文 :·研究报告·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2016, 32(3):115-121
收稿日期 :2015-08-17
基金项目 :国家自然科学基金项目(81160204,81360254),贵州省卫生厅基金项目(gzwjkj2014-2-100),国家科技部支撑计划课题子课题
(2011BAC06B12),贵州省科学技术基金项目(黔科合 J 字[2012]2038 号)
作者简介 :陶如玉,女,硕士研究生,研究方向 :昆虫分子免疫 ;E-mail :494858079@qq.com
通讯作者 :国果,女,博士,研究方向 :昆虫分子免疫 ;E-mail :guoguojsc@163.com
家蝇伴侣蛋白 CCTδ 基因克隆、序列分析及
表达模式的研究
陶如玉  赵学军  杨尉锦  吴建伟  国果
(贵州医科大学基础医学院,贵阳 550004)
摘 要 : 旨在对家蝇伴侣蛋白 CCTδ 基因进行 cDNA 克隆、序列分析,并对其时空表达模式进行初步探索。采用 EST 测序技
术从已构建的家蝇幼虫 cDNA 质粒文库中筛选到家蝇 CCTδ 基因,以该基因的 cDNA 文库质粒为模板,通过 PCR 的方法进行扩增。
运用生物信息学方法对该基因及其编码蛋白进行结构与功能分析,构建系统进化树。取家蝇不同生活史时期虫体(卵、各龄幼虫、
蛹、雄雌成虫),3 龄幼虫不同组织部位(体壁、气管、唾液腺、脂肪体、马氏管及中肠),采用实时荧光定量 PCR 分析 CCTδ 基
因在家蝇不同发育阶段和组织部位的表达情况。结果显示,经 PCR 扩增后,得到了 1 600 bp 左右的特异性家蝇 CCTδ 基因片段 ;
CCTδ 基因 ORF 全长 1 602 bp,编码 533 个氨基酸,理论分子量 57.16 kD,等电点为 7.50 ;二级结构主要以 α-螺旋和不规则卷曲为
主 ;进化树分析显示其具有较好的保守性,与中华按蚊的遗传距离较近。时空表达谱显示 :该基因在家蝇不同发育时期均有表达,
以蛹期表达量最高 ;在 3 龄幼虫不同组织中,以气管表达量最高。成功克隆了家蝇 CCTδ 基因并初步探索了其时空表达模式。
关键词 : 家蝇 ;CCTδ 基因 ;生物信息学分析 ;表达模式
DOI :10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2016.03.019
Cloning,Bioinformatic Analysis and Expression Patterns of
Chaperonin Gene CCTδ from Musca domestica
TAO Ru-yu ZHAO Xue-jun YANG Yu-jin WU Jian-wei GUO Guo
(Basic Medical College,Guizhou Medical University,Guiyang 550004)
Abstract: This work aims to clone,have bioinformatic analysis and explore the expression patterns of chaperonin gene CCTδ from Musca
domestica. We screened and isolated the gene CCTδ from the built cDNA plasmid library of M. domestica larva by EST sequencing,and having
the plasmid as template,the amplification was conducted by PCR. Further,with bioinformatics we analyzed the structures and functions of gene
CCTδ and the encoded protein,and constructed phylogenetic tree. We collected the bodies at different developmental stages of M. domestica life
history(eggs,varied-instar larvae,pupae,female and male adults),and chose 6 tissues of 3-instar larvae(body wall,trachea,salivary
glands,fat body,markov tube,and midgut),thus the expression patterns of gene CCTδ at different developmental stages and tissues of M.
domestica were detected by real-time quantitative PCR. An about 1 600 bp specific fragment of housefly’s gene CCTδ was acquired by PCR
amplification. The open reading frame of gene CCTδ was 1 602 bp that encoded a putative protein with 533 amino acids. The predicted molecular
weight of the protein was 57.16 kD and pI was 7.50. The secondary structures were mainly composed of α-helix and random coil. Comparative
analysis of the phylogenetic tree showed that it was conservative,and the genetic distance was closer with Anopheles darlingi. The spatial and
temporal expression patterns of gene CCTδ revealed that gene CCTδ expressed in each developmental stage of M. domestica,while the highest
at pupa stage;and it expressed the highest in trachea among various tissues of 3-instar larvae. Conclusively,in this study,the gene CCTδ of M.
domestica was successfully cloned,and the spatial and temporal expression patterns of gene CCTδ were preliminarily explored.
Key words: Musca domestica ;CCTδ gene ;bioinformatic analysis ;expression pattern
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2016,Vol.32,No.3116
分子伴侣蛋白是由多个亚基环腔折叠形成的一
种蛋白质,是细胞必不可少的成分,能协助新生的
多肽链折叠并组装成稳定的有生物活性的结构[1],
蛋白质跨膜转运,以及降解错误折叠和聚集蛋白的
复性[2,3],但自身并不发生任何变化[4]。分子伴侣
蛋白一般具有特异性、功能赘余性及高度保守性等
特点,参与肌动蛋白、微管蛋白的正确折叠与组装,
促进细胞骨架的形成[5,6]。CCTδ 属于类分子伴侣超
家族,可行使热休克蛋白的功能,在进化上高度保
守,广泛存在于真核生物中。热休克蛋白是具有重
要生理功能的蛋白质家族,在维持机体蛋白正常结
构与功能方面起着重要作用[7]。
家蝇(Musca domestica)是一种世界性分布的
卫生昆虫,其幼虫到成虫生活环境恶劣,但自身却
很少染病。研究显示,家蝇虽不具有高等生物所具
有的获得性免疫系统,却能对病原生物感染做出快
速有效的免疫应答,这与其强大的先天性免疫系
统密切相关。本课题组前期已经对家蝇的伴侣蛋
白 TCP Ⅰ基因进行了序列分析并建立了原核表达体
系[8,9]。本研究克隆家蝇的另一个伴侣蛋白 CCTδ
基因,并初步探讨其时空表达模式,旨在为进一步
研究该基因的功能奠定基础。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 实验材料 家蝇由贵州医科大学病原生物学
实验室饲养,饲养温度 28℃,相对湿度 65%,光照
周期 10 L∶14 D,3 龄幼虫均重 26.5 mg。
1.1.2 主 要 试 剂 总 RNA 提 取 试 剂 盒(RNAiso
PLUS)、逆转录试剂盒、DNA 标志物(DL2000 DNA
Marker)、琼脂糖等购置于 TaKaRa 公司 ;其余试剂
购于 Invitrogen 上海生工生物公司。
引物合成 :基因扩增引物合成由 Invitrogen 上海
生物技术有限公司完成。
1.2 方法
1.2.1 家蝇 CCTδ 基因的识别及序列测定 对测定
得到的家蝇 3 龄幼虫 EST 序列进行 Blastx 分析,从
中筛选获得编码家蝇 CCTδ 基因的文库质粒,命名
为家蝇 CCTδ。
1.2.2 CCTδ 基因的生物信息学分析
1.2.2.1 理化性质分析 用 DNASTAR5.0 软件分析
cDNA 序列和开放阅读框 ;利用瑞士生物信息学研
究所的蛋白分析专家系统(Expert Protein Analysis
System,ExPASy)提供的生物信息学工具 Protparam,
分析预测蛋白质的氨基酸残基性质、分子量及理论
等电点等 ;ProtScale 分析蛋白质的疏水性质。采用
Signal P 分析信号肽序列。利用丹麦科技大学(DTU)
的 CBS 服务器上的 TMHMM Server v. 2.0 程序进行蛋
白序列跨膜区分析。
1.2.2.2 结 构 及 功 能 预 测 运 用 PBIL LYON-
GERLAND 信息库对蛋白质序列进行二级结构预测,
主要用 Hopfield 神经网络(HNN)预测。
1.2.2.3 CCTδ 基因系统进化分析 采用邻接法构建
了系统进化树。该树比对来自 BLAST 分析得到不同
物种的 CCT 的氨基酸序列,并计算了它们之间序列
的相似性,利用 MEGA6.0 软件对这些 CCT 分子进
行了分子系统学分析,在构建系统发生树的基础上
研究了 CCTδ 的分类归属及其与其它昆虫 CCT 基因
之间的进化关系。
1.2.3 CCTδ 基因的扩增 根据已获得的 CCTδ 编码
序列,利用 DNA Club 和 Primer5.0 设计引物。上游
引物 :5-ATGGCACCGAAAGCAGGAAACGTT-3,下
游引物 :5-TTAAGAAATAGTATTGACAATATCGTCG
-3。以筛选到的家蝇 3 龄幼虫 cDNA 文库中 CCTδ
基因的质粒为模板,PCR 扩增程序为 :94℃预变性
5 min ;94℃ 30 s,60℃ 1 min,72℃ 1 min,共 30 个
循环 ;最后 72℃延伸 10 min。PCR 产物 1% 琼脂糖
凝胶电泳鉴定。
1.2.4 实时荧光定量 PCR 分析 CCTδ 基因表达模式
提取家蝇不同发育时期(卵,1、2、3 龄幼虫,蛹,
雄成虫以及雌成虫),以及不同组织(3 龄幼虫体壁、
气管、唾液腺、脂肪体、马氏管及中肠)的总 RNA,
逆转录以获得总 cDNA,根据扩增得到的 CCTδ 基
因的 cDNA 序列在其保守序列区设计特异引物,上
游 引 物 序 列 为 5-CCTCGGTTGTTGTTATTGC-3。
下 游 引 物 序 列 为 5-AGATGGCTGTGGGATGG-3。
内 参 根 据 家 蝇 GAPDH 序 列 设 计, 上 游 引 物
为 5-CATCATCTCCGCTCCATC-3。 下 游 引 物 为
2016,32(3) 117陶如玉等:家蝇伴侣蛋白 CCTδ 基因克隆、序列分析及表达模式的研究
5-AAGCCATACCAGTGAGTTTACC-3。 实 时 荧 光 定
量 PCR 按 照 RealMasterMIX(SYBR Green) 试 剂 盒
说明书进行操作,同时设置无模板阴性对照,每个
反应设 3 个重复。采取两步 PCR 法 :95℃预变性
10 s ;95℃变性 10 s,58℃退火 1 min,40 个循环。
反应在 ABI 7500 fast 定量 PCR 仪上进行,数据采用
2- △△ Ct 方法分析。
2 结果
2.1 CCTδ基因编码蛋白的理化性质
CCTδ 基因编码的蛋白与家蝇 TCP-1 蛋白的相似
性为 99%,从比对的高同源性判断该基因是家蝇的
CCTδ 蛋白。ORF 全长 1 602 bp,编码 533 个氨基酸
(图 1),预测分子量为 57.16 kD,理论等电点(pI
值)7.50 ;Signal P 4.1 预测该蛋白 N 端无信号肽,
属于非分泌蛋白。蛋白序列跨膜区分析显示无明显
跨膜区,不可能是膜上的受体或定位于膜上。根据
氨基酸分值越低亲水性越强和分值越高疏水性越强
的规律可知,该基因编码的蛋白多肽链第 478 位具
有最低的分值 -2.800(最强的亲水性),第 106 位具
有最高的分值 3.100(最强的疏水性),整个多肽链
表现为亲水性(图 2)。该蛋白的 533 个氨基酸中强
碱性氨基酸(K、R)有 64 个,强酸性氨基酸(D、E)
有 63 个, 疏 水 氨 基 酸(A、I、L、F、W、V) 有
218 个,不带电荷的极性氨基酸有(N、C、Q、S、T、
Y)123 个。属于亲水性的碱性蛋白。
2.2 CCTδ的二级结构
二级结构主要以 α-螺旋和不规则卷曲为主(图
3),α-螺旋占 53.85%,不规则卷曲占 31.14%,延伸
链占 15.01%。
2.3 CCTδ蛋白进化树分析
利用 GenBank 数据库已有的昆虫 CCT 蛋白的氨
基酸序列 :XP004530495(地中海实蝇,Ceratitis ca-
pitata)、XP011212093.1(桔小实蝇,Bactrocera dor-
salis)、ETN59839.1(中华按蚊,Anopheles darlingi)、
XP001652354.1( 埃 及 伊 蚊,Aedes aegypti)、AHB3-
3471.1(东亚飞蝗,Locusta migratoria)、XP006607-
767.1( 大 蜜 蜂,Apis dorsata)、XP011056947.1( 巴
拿巴切叶蚁,Acromyrmex echinatior)、EHJ77689.1(大
红斑蝶,Danaus plexippus)、NP001040108.1(家蚕,
Bombyx mori),采用 NJ 法构建分子系统进化树。结
果(图 4)显示,昆虫 CCTδ 在进化上具有较好的保
守性,相比其他物种而言,家蝇 CCTδ 在进化上与
同属于双翅目的中华按蚊的遗传距离较近。
2.4 CCTδ基因扩增鉴定
CCTδ 基因经 PCR 扩增后,获得了 1 602 bp 左
右的特异条带(图 5)。
2.5 CCTδ基因表达模式分析
2.5.1 不同发育时期的表达情况 在家蝇的卵、1
龄幼虫、2 龄幼虫、3 龄幼虫、蛹和雌雄蝇各生长阶
段中,CCTδ 基因均有不同程度表达,但在蛹期及雌
虫中的表达量高,在 2 龄幼虫及雄虫中的表达量最
低(图 6)。
2.5.2 不组织部位的表达情况 家蝇 CCTδ 基因在
不同组织中亦有表达,以气管表达量最高,唾液腺
次之,在脂肪体和体壁中表达量均较低(图 7)。
3 讨论
CCT 蛋白属于 Hsp60 家族 II 类亚族,是由 8 个
亚基组成的聚合体,存在于古细菌[10]和真核细胞
质[11-13]。它能确保一些参与细胞生存及生长的蛋白
正确折叠,包括微管蛋白、肌动蛋白[14]、细胞周期
调节蛋白、POLO 样激酶 1、细胞周期素 E 和 VHL
肿瘤抑制蛋白等。相关研究表明,CCT 除了在细胞
正常生理活动发挥作用外,还与一些疾病的病理过
程有关,如神经系统疾病、分子病、肿瘤及免疫系
统疾病等,具有较好的应用前景[15]。然而,关于家
蝇 CCT 蛋白的研究很少。
本研究克隆了 CCTδ 基因完整编码序列,对其
进行生物信息学分析,并初步探索其时空表达模式。
CCTδ 基因编码的蛋白与家蝇 TCP-1 蛋白的相似性为
99%,从比对的高同源性判断该基因是家蝇的 CCTδ
蛋白。通过分子进化分析该基因与同属于双翅目的
中华按蚊的遗传距离较近。实时荧光定量 PCR 分析
CCTδ 基因在不同时期均有表达,以蛹期表达量最高,
提示 CCTδ 基因参与了家蝇的个体发育。相关研究
表明,鸡的 CCT 基因在性未成熟及成熟阶段均在卵
巢组织中有表达[16-18],分子伴侣蛋白可激活信号通
路,进而调控细胞周期,促进细胞由 G1 期快速过渡,
最终促进细胞增殖[19]。CCTδ 基因在雌成虫期表达
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2016,Vol.32,No.3118
ATGGCACCGAAAGCAGGAAACGTTGCCCGGAAACCGGTCGGTCAAGCCTTCAAAGATAAATCGAAACCCCAGGAT
M A P K A G N V A R K P V G Q A F K D K S K P Q D
GTCCGTCTATCGAATATTCAGGCTGCCAAAGCTGTCTGCGATGCCATTCGTACCAGTTTGGGTCCCCGTGGCATG
V R L S N I Q A A K A V C D A I R T S L G P R G M
GACAAAATGATCCAAGCCTCGAACGGTGAAGTTTCCATTACCAATGATGGTGCCACCATTTTGAAGCAAATGAAT
D K M I Q A S N G E V S I T N D G A T I L K Q M N
GTCTTGCATCCAGCTGCCAAAATGTTGGTCGAACTTTCTCGCGCTCAAGATGTTGAAGCTGGTGATGGTACCACC
V L H P A A K M L V E L S R A Q D V E A G D G T T
TCGGTTGTTGTTATTGCTGGCGCTTTGTTGGAGGCTTGTGAAAAATTGTTGCACAAGGGTATCCATCCCACAGCC
S V V V I A G A L L E A C E K L L H K G I H P T A
ATCTCGGATTCGTTCCAACGTTGTGCCAATAAGGCCATTGAAATCATCAATGACATGTCGACACCAATTGCTTTG
I S D S F Q R C A N K A I E I I N D M S T P I A L
ACCGATCGTGAAACGTTGATTAAGAGTGCTTCAACTTCACTGAATTCCAAGGTGGTGTCACAACAGAGTAGTCTG
T D R E T L I K S A S T S L N S K V V S Q Q S S L
TTGGCCCCCATTGCTGTTGATGCTGTTTTGCGTGTCACCGAGCCCGGCAAGGAGGGTGCTGTCGATTTGAAGAAC
L A P I A V D A V L R V T E P G K E G A V D L K N
ATTAAAGTTATTCGCAGTTTGGGTGGTACCGTCGAGGACACAGAATTGGTTGAGGGTTTGGTATTTACCTCACGC
I K V I R S L G G T V E D T E L V E G L V F T S R
TCGGCTGGTGTTAATGCTCCCAAGCGTATTGAAAAGGCCAAGATTGGTTTGATCCAATTCTGCATTTCGGCACCA
S A G V N A P K R I E K A K I G L I Q F C I S A P
AAAACTGATATGGACCACAGTGTCATTGTCTCGGATTATGCCGCCATGGATCGTGTCTTGAAAGAAGAGCGTGCC
K T D M D H S V I V S D Y A A M D R V L K E E R A
TACATTCTCGATATTGTCAAACAAATCAAGAAGGCCGGCTGCAATGTTTTGTTGGTCCAAAAATCCATTTTGCGT
Y I L D I V K Q I K K A G C N V L L V Q K S I L R
GATGCTGTCTCTGATTTGGCCCAACACTTCTTGGATAAAATCAAGTGTTTGGTCGTCAAGGATGTGGAACGTGAG
D A V S D L A Q H F L D K I K C L V V K D V E R E
GACATCGAATTCGTTTGTAAAACTTTGAATTGTCGTCCCATTGCCTCCCTGGATCATTTCGTTGCTGAAAATCTC
D I E F V C K T L N C R P I A S L D H F V A E N L
GTCAACGCCGATTTGGTTGAAGAGGTTTCCAGTGGCACCAACAAGTTTGTTAAGATCACTGGCATCCAAAACCCG
V N A D L V E E V S S G T N K F V K I T G I Q N P
GGCCGCACTGTGTCCATTGTCTGCCGTGGTCCCAACAAATTGGTATTGGAAGAAGCTGCCCGTTCTCTGCACGAT
G R T V S I V C R G P N K L V L E E A A R S L H D
GCCTTGTGCGTTGTCCGTTGTTTGGTTAAGAAACGTGCCCAAATTGTGGGTGGTGGTGCACCAGAAATTGAAATG
A L C V V R C L V K K R A Q I V G G G A P E I E M
GCTCTGCAATTGGCTGCCTATGCCCAGACCGTTGAGGGTGTCGATGCCTATTGTTTCCGTGCCTACGCCGAAGCC
A L Q L A A Y A Q T V E G V D A Y C F R A Y A E A
CTTGAAGTTATTCCCTCGACATTGGCCGAAAATGCTGGCCTCAACCCAATTGCCACTGTAACAGAGTTGCGCAAT
L E V I P S T L A E N A G L N P I A T V T E L R N
CGTCATGCCCAGGGTGAAAAGAATGCCGGCATTAATGTGCGCAAGGGAGCCATCACCGATATCTTTGCTGAAAAT
R H A Q G E K N A G I N V R K G A I T D I F A E N
GTTGTCCAACCGGCTTTGGTGAACATTTCTGCCATCTCCCTGGCCACCGAGACAATACGTTCGATTTTGAAAATC
V V Q P A L V N I S A I S L A T E T I R S I L K I
GACGATATTGTCAATACTATTTCTTAA
D D I V N T I S *
1
76
151
226
301
376
451
526
601
676
751
826
901
976
1051
1126
1201
1276
1351
1426
1501
1576
图 1 CCTδ 蛋白开放阅读框 cDNA 序列及对应编码的氨基酸序列
2016,32(3) 119陶如玉等:家蝇伴侣蛋白 CCTδ 基因克隆、序列分析及表达模式的研究
量高,提示该基因在卵泡的发育过程中起重要作用。
3 龄幼虫的不同组织中以气管表达量最高,唾液腺
次之,这可能是因为气管的黏膜有许多排列整齐的
微绒毛,分子伴侣蛋白 CCT 是肌动蛋白及微管蛋白
生物合成的特异性底物,也是上皮组织微绒毛所必
需[20]。唾液腺可分泌唾液及消化酶消化食物,大量
消化酶的合成需要大量 CCTδ 协助消化酶前体正确
折叠和运输。因此,推测 CCTδ 基因在家蝇发育过
程中发挥重要作用。
4 结论
本 研 究 以 CCTδ 基 因 的 cDNA 文 库 质 粒 为 模
板,通过 PCR 的方法进行扩增,得到了特异性家蝇
CCTδ 基因片段。运用生物信息学方法分析了该基因
及其编码蛋白的结构与功能,构建系统进化树。采
用实时荧光定量 PCR 分析了 CCTδ 基因在家蝇不同
发育阶段和组织部位的表达情况。
参 考 文 献
[1]Min W, Angileri F, Luo H, Lauria A. A human CCT5 gene mutation
causing distal neuropathy impairs hexadecamer assembly in an
archaeal model[J]. Scientific Reports, 2014, 4 :6688.
100 200 300
Position
400 500
4
3
2
1
0
-1
-2
-3
Sc
or
e
0
0 100 200 300 400
0 100 200 300 400
图 2 CCTδ 基因编码蛋白疏水性分析
图 3 CCTδ 基因二级结构分析
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XP 004530495.1 Ceratitis capitata
XP 011212093.1 Bactrocera dorsalis
AIU39616.1| CCT-zeta Musca domestica
XP 001652354.1 Aedes aegypti
EHJ77689.1 Danaus plexippus
NP 001040108.1 Bombyx mori
AHB33471.1 Locusta migratoria
XP 006607767.1 Apis dorsata
XP 011056947.1 Acromyrmex echinatior
AIU39615.1| CCT-delta Musca domestica
ETN59839.1 Anopheles darlingi
100
100
100
100
72
100
75
71
0.1
图 4 CCTδ 蛋白进化树分析
M 1
2000
bp
1000
750
500
250
100
M :DNA Marker DL2000 ;1 :CCTδPCR 扩增产物
图 5 家蝇 CCTδ 基因 cDNA 片段的扩增
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
卵 蛹期 雌虫 雄虫1喴ᒬ㲛2-△

ct
2喴ᒬ㲛 3喴ᒬ㲛
图 6 CCTδ 基因在不同时期的相对表达分析
փ໱ ≄㇑ ୮⏢㞪 㜲㛚փ 傜∿㇑ ѝ㛐2-△△ct
40
30
20
10
0
图 7 CCTδ 基因在不同组织中的相对表达分析
2016,32(3) 121陶如玉等:家蝇伴侣蛋白 CCTδ 基因克隆、序列分析及表达模式的研究
282.
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(责任编辑 马鑫)