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Prokaryotic Expression and Purification of AtSPX1 Protein in Arabidopsis thaliana

拟南芥SPX1蛋白原核表达及纯化分析



全 文 :·研究报告·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2015, 31(8):88-93
SPX 结构域是由最早发现的 3 个蛋白名称的
首个字母缩写来命名的,这 3 个蛋白分别是酵母的
SYGI[1]和 Pho81[2]以及人类的 XPRI[3],它们的氨
基端都含有一个相对保守共同结构域。目前在动物
和植物以及很多高等真核生物中都发现了含 SPX 保
守结构域的蛋白,根据所含结构域差异的分类,拟
收稿日期 :2014-12-12
基金项目 :国家自然科学基金项目(31270715),浙江农林大学科研发展基金项目(2010FR072)
作者简介 :胡涛,男,硕士研究生,研究方向 :生物物理 ;E-mail :462109237@qq.com
通讯作者 :徐英武,男,博士,教授,研究方向 :生物物理学 ;E-mail :yxu@zafu.edu.cn
拟南芥 SPX1 蛋白原核表达及纯化分析
胡涛1  安艳1  吕群丹2  徐英武1
(1. 浙江农林大学亚热带森林培育国家重点实验室培育基地,临安 311300 ;2. 浙江大学生命科学学院,杭州 310058)
摘 要 : 包含 SPX 结构域的蛋白在高等真核生物中广泛存在,这类蛋白的功能多数还不太清晰,但发现有些与磷信号相关,
有些与铁信号相关。拟南芥中含有 SPX 结构域的蛋白可分为 4 个家族,本研究中的拟南芥 SPX1(AtSPX1)属于一个只含有 SPX
结构域的蛋白组成的家族,其它家族成员还包含额外的基因序列。进化树分析表明,AtSPX1 编码的氨基酸序列与双子叶植物具有
较高的一致性,与单子叶植物进化距离较远。为了揭示 AtSPX1 蛋白的结构形态与其生物学功能之间的联系,开展了 AtSPX1 蛋白
质体外可溶性表达实验,构建了原核体外表达载体,在大肠杆菌(E.coli)细胞中获得了该蛋白可溶性高表达。表达的蛋白包含有
His 标签方便了蛋白纯化,插入的 SUMO 融合蛋白标签可以通过蛋白酶切除,而目标蛋白通过硫酸铵沉淀实现了纯化。进一步分子
筛层析分析表明 AtSPX1 以单体形式存在。实验结果提供了一套表达纯化 AtSPX1 蛋白的有效方案。
关键词 : SPX 结构域 ;原核表达 ;蛋白纯化 ;拟南芥
DOI :10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.08.013
Prokaryotic Expression and Purification of AtSPX1 Protein in
Arabidopsis thaliana
Hu Tao1 An Yan1 Lü Qundan2 Xu Yingwu1
(1. The Nurturing Station for the State Key Laboratory of Subtropical Silviculture,Zhejiang A & F University,Lin’an 311300 ;2. College of
Life Science,Zhejiang University,Hangzhou 310058)
Abstract : The proteins containing SPX domain exist widely in eukaryotes, and the functions of this kind of proteins are not clear yet,
however some of them are involved in phosphorus signaling and some in iron signaling. SPX proteins in Arabidopsis thaliana can be divided into
4 families. AtSPX1 used in this paper belongs to the family containing only SPX domain, while other 3 families containing extra gene sequences.
Phylogenetic analysis showed that amino acid encoded by AtSPX1 was close with dicots in sequence, but distant from monocots. In order to reveal
the relationship between structural property and biological function, we carried out solubility expression experiments of the proteins in vitro,
constructed prokaryotic expression vector in vitro, and had the high soluble expression of the protein in Escherichia coli’s cells. The expressed
His-tag proteins allowed the purification more convenient, i.e, the inserted SUMO fusion protein tag could be digested by protease, and the
target protein could be purified by ammonium sulfate precipitation. The further purification was completed using size exclusion chromatographic
column, which yielded a profile corresponding to a monomeric AtSPX1 in solution. This work provided a strategy for the purification of AtSPX1
protein.
Key words : SPX domain ;prokaryotic expression ;protein purification ;Arabidopsis thaliana
2015,31(8) 89胡涛等:拟南芥 SPX1 蛋白原核表达及纯化分析
南芥和水稻基因组中所有编码含 SPX 结构域蛋白可
以分成 4 个基因家族 :SPX 家族、SPX-RING 家族、
SPX-MFS 家族及 SPX-EXS 家族[4,5]。
酵母体内存在着一个被称为 PHO 体系的磷反
应通路,该通路多个成员含有 SPX 结构域。在磷饥
饿胁迫下的转录调控机制中,PHO 通路研究最为详
细,研究表明,植物缺磷时会产生类似于酵母 PHO
操纵子的多基因协同表达,组成一个高度协作的分
子网络来适应磷胁迫[6-8]。植物中许多含有 SPX 结
构域的基因参与对缺磷胁迫的反应,一些基因参与
植物特异的磷高效吸收和利用机制,而其它基因则
参与调控缺磷诱导的多基因表达[9,10-13]。植物中
对磷饥饿响应的许多基因都已被克隆,如 AtSPX1、
AtSPX3,并对其表达调控做了深入研究[14-16]。在
植物的根、叶、茎中存在着 SPX 蛋白家庭成员大量
的表达[4]。MYB 家族的转录因子 PHR2 是植物磷信
号通路中心因子,研究表明在水稻中 SPX4 蛋白作
为 PHR2 的负调控因子参与了植物磷信号转导和磷
平衡[17]。在拟南芥和水稻中,SPX1 蛋白具有同样
的 负 调 控 PHR2 的 功 能[10,13,16,18], 同 时 SPX1 与
SPX4 蛋白均通过与 PHR2 蛋白结合抑制 PHR2 的
功能[16-18]。
综上所述,SPX 在植物磷信号通路中发挥了
重要功能,但是 SPX 蛋白如何与 PHR2 结合并抑
制后者的功能还未阐明清楚。对蛋白结构进行研究
有助于阐明其中原因。本研究尝试通过克隆拟南芥
AtSPX1 基因,在原核细胞内过量表达 AtSPX1 蛋白,
使用亲和层析和分子筛层析技术进行蛋白纯化,旨
在为进一步解析 SPX1 的蛋白结构奠定基础。
1 材料与方法
1.1 材料
哥伦比亚野生型拟南芥由浙江农林大学亚热带
森林培育国家重点实验室培育基地实验室栽培。E.
coli DH5α 感受态细胞,E. coli 表达菌株 BL21(DE3)
以及表达质粒 pE-SUMO 为本实验室保存 ;RNA 提
取试剂盒购自北京鼎国昌盛有限公司 ;反转录试剂
盒、DNA 聚合酶、各种 DNA 限制性内切酶购自宝
生物工程有限公司(大连);DNA 连接酶购自 New
England Biolabs 公司 ;DNA 纯化试剂盒、胶回收试
剂盒购自天根生化科技有限公司(北京);引物由生
工生物工程股份有限公司(上海)合成 ;其余各试
剂均为国产分析纯。
1.2 方法
1.2.1 AtSPX1 基因克隆 用 Trizol 法提取拟南芥叶
片组织 RNA,反转录得到 cDNA。根据拟南芥 SPX1
基因的 cDNA 保守序列以及该蛋白的二级结构预测
进行引物设计进行 AtSPX1 基因全长克隆,上游引
物 A :5-CGGGATCCATGAAGTTTGGTAAGAGTCTC
AG-3 和下游引物 B :5-CCGCTCGAGCTATTTGGCT
TCTTGCTCCAACA-3(下划线为 BamHI 和 Xho I 酶
切位点),由上海生工生物工程技术服务有限公司
合成。聚合酶链式反应得到的产物连接到 pMD-18T
并转化到 E.coli DH5α 感受态细胞,经过菌检和双
酶切实验后进行测序。将测序正确的菌株扩大提取
质粒后,用 BamH I 和 Xho I 双酶切重组质粒和 pE-
SUMO、pET-HTT 和 pET-GTT 载体,切胶回收目的片
段。回收产物连接到含有同样黏性末端载体上,连
接反应在 16℃过夜。反应混合物转化到 DH5α 感受
态细胞并涂布于抗性的 LB 平板上,挑菌培养后菌
液 PCR 检测,并将检测正确的菌液进行测序,由此
克隆得到了 pE-SUMO-AtSPX1、pET-HTT-AtSPX1 和
pET-GTT-AtSPX1 重组质粒。
1.2.2 AtSPX1 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。采用 Signal IP 3.0 Server 分析信
号肽序列。
1.2.3 AtSPX1 的原核表达 重组表达质粒分别转化
表 达 菌 株 RosettaTM(DE3) 和 BL21(DE3), 从 抗
氨苄霉素和卡那霉素平板上挑取单克隆,接入 2 mL
LB 液体培养基 37℃培养,当菌体 OD600 达到 0.6 时,
其中一部分加入 0.3 mmol/L IPTG 诱导,在 37℃摇
床上诱导 5 h,收集菌体。另一部分加入 0.3 mmol/L
IPTG 诱导,在 20℃摇床上诱导 14 h,收集菌体。超
声(工作 5 s 间歇 6 s,总时间 1 min,功率 20%)破
碎,SDS-PAGE 检测蛋白表达及可溶性情况。
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.890
1.2.4 重 组 AtSPX1 蛋 白 的 纯 化 与 SUMO 标 签 酶
切 8 000×g 离心收集诱导后的 1 L 菌液细胞,加
入 20 mL 裂解液(1 mol/L NaCl,20 mmol/L Tirs-HCl
pH 8.0,10% glycerol)冰水下功率为 200 W,工作 6
s 间歇 8 s 超声 20 min,静置 15 min 后,在 4℃条件
下转速 17 000 r/min 离心 35 min。收集上清液,将上
清液加入已经平衡好的 Ni-NTA 柱,放入冰浴摇床
缓慢摇动结合 30 min 后,将纯化柱置于支架上,收
集未特异性结合琼脂糖树脂上的杂蛋白液,用 20 个
柱 体 积 Wash Buffer(1 mol/L NaCl,20 mmol/L Tris-
HCl pH 8.0,10% glycerol,100 mmol/L Imidazole)洗
脱非特异性结合的杂蛋白,最后用 15 倍树脂体积
的 Elution Buffer(1 mol/L NaCl,20 mmol/L Tris-HCl
pH8.0,10% glycerol,250 mmol/L Imidazole)收集目
的蛋白。向蛋白洗脱液中加入 ULP1 蛋白酶,低温 4℃
酶切过夜。
1.2.5 硫酸铵沉淀纯化 AtSPX1 蛋白 将上述酶切反
应液用超滤浓缩柱进行浓缩,在目的蛋白的浓度达
到 0.3 mg/mL 时,测量浓缩液体积并查表确定硫酸
铵的用量。将硫酸铵分 4 次加入浓缩液中,每次加
入硫酸铵后都轻微摇晃离心管,最后将离心管冰上
静置 10 min,12 000 r/min 离心 5 min 后弃上清,加
入 3 mL 裂 解 液(1 mol/L NaCl,20 mmol/L Tirs-HCl
pH8.0,10% glycerol)将离心管底部沉淀悬浮。
1.2.6 分子筛层析分析目的蛋白与质谱鉴定 将硫
酸铵沉淀法所获的目的蛋白悬浮液用超滤浓缩柱进
行浓缩,4 000×g 离心浓缩至 500 μL 体积后上样,
使用分子筛 SuperdexTM 12 10/300 GL 分离纯化目的
蛋白,以缓冲液(1 mol/L NaCl,20 mmol/L Tirs-HCl
pH 8.0)0.5 mL/min 流速分离纯化目的蛋白,取 10
μL fraction 蛋白样品加入 2 μL 蛋白上样缓冲液,煮
沸 10 min,点样于 12% 聚丙烯酰胺凝胶(SDS-PAGE),
完成电泳后观察目的蛋白的纯化情况。将切取的目
的蛋白 SDS-PAGE 胶点转入离心管中,样品质谱鉴
定由上海博苑生物技术有限公司进行。
2 结果
2.1 AtSPX1蛋白理化性质及信号肽预测
利用 ProtParam 工具预测表明 AtSPX1 蛋白的相
对分子质量为 30.07 kD,理论等电点(pI 值)7.76,
含 酸 性 氨 基 酸(DE)16.4%, 碱 性 氨 基 酸(KR)
16.8%, 亲 水 性 氨 基 酸(AILFWV)、 极 性 氨 基 酸
(NCQSTY)和带电氨基酸(RKHYCDE)的比例分
别为 35.6%、22.6% 和 30.9%。根据在线网站 Signal
IP 3.0 Server 分析 AtSPX1 蛋白,结果显示 AtSPX1 蛋
白序列中预测到一个双向核定位信号,位于该蛋白
序列的第 30-46 位氨基酸的位置。
2.2 pE-SUMO-AtSPX1原核表达载体的构建
测序验证表明成功构建重组 AtSPX1 质粒,转
化成功的菌株提取质粒进行 PCR 鉴定(图 1-A)和
双酶切(图 1-B)均得到目的片段,成功构建了 pE-
SUMO-AtSPX1 原核表达载体。
M MA B
bp bp
1000
700 1000
AtSPX1
pE-SUMO
700
图 1 AtSPX1 基因 PCR 扩增结果(A)和 pE-SUMO-
AtSPX1 限制性酶切分析(B)
2.3 重组蛋白AtSPX1的表达检测
诱导温度、时间及载体对原核表达蛋白的可
溶性有重要影响,高温条件下菌株快速表达目的蛋
白容易使蛋白形成不正确的构象折叠最后以包涵体
的形式存在,不利于获得可溶性蛋白。菌液浓度在
OD600 值 0.4-0.6 时,以 37℃不加入 IPTG 培养 5 h 为
对照组,以 IPTG 终浓度 0.3 mmol/L 的为诱导条件,
分别在 37℃,5 h 和 20℃,14 h 的诱导条件下进行
诱导培养。SDS 电泳结果(图 2)显示,3 种载体只
有 pE-SUMO-AtSPX1 蛋白在 20℃条件下上清有表达
(图 2-C)。
2.4 Ni-NTA法纯化重组AtSPX1蛋白
不同咪唑梯度洗脱蛋白后的 SDS-PAGE 检测结
果(图 3)显示,从第 7 号孔道可以看出,在高浓度
咪唑(1 mol/L NaCl,20 mmol/L Tris-HCl pH8.0,10%
glycerol,250 mmol/L Imidazole)条件下,可洗脱出
2015,31(8) 91胡涛等:拟南芥 SPX1 蛋白原核表达及纯化分析
条带单一目的蛋白。
2.5 硫酸铵沉淀
在 15 mL 洗脱下的蛋白液中(1 mol/L NaCl,20
mmol/L Tirs-HCl pH 8.0,250 mmol/L Imidazole,10%
glycerol), 加 入 0.1%(W/W)ULP1 蛋 白 酶, 低 温
4℃酶切过夜,用硫酸铵沉淀的方法能够将靶标蛋白
和标签分开(图 4)。生物信息学分析表明,AtSPX1
蛋白 N 端存在一个 17 个氨基酸的双向核定位信号,
这个片段在纯化过程中很容易降解掉,所以图 4 中
酶切过后出现两条带。
2.6 分子筛层析分析
将硫酸铵沉淀法获得的蛋白用 10 kD 超滤浓缩
柱浓缩至体积 500 μL,通过 AKTA Purifier,上样至
凝胶过滤层析柱 SuperoseTM 12 10/300 GL 作进一步
纯化。作为标准的牛血清蛋白(BSA)、卵清蛋白
(Ovalbumin)、木瓜凝乳蛋白酶(Chymopapain)大
小分别为 67、43 和 25 kD,对比作为标准的 3 种蛋
白的洗脱体积和分子量关系可知[19],目的蛋白峰位
置所对应的分子量大小在卵清蛋白(43 kD)位置之
后和木瓜凝乳蛋白酶(25 kD)之前(图 5-A),初
步确定其为单体(30 kD),并且重组蛋白只出现明
显的单峰,说明蛋白的均一性较好。分子筛层析后,
分管收集的蛋白变性后用聚丙烯酰胺凝胶变性电泳
检测,结果(图 5-B)显示蛋白分子量为 30 kD,蛋
s
M CK 20ć 37ć
p s p s p s
M CK 20ć 37ć
p s p s p s
M CK 20ć 37ć
p s p s p
A B C
M :蛋白标记物 ;CK :实验对照组 ;s :表达细胞诱导破碎后上清 ;p :表达
细胞诱导破碎后沉淀
图 2 分别含 pET-HTT(A)、pET-GTT(B)和 pE-SU-
MO(C)三种载体的 AtSPX1 融合蛋白的表达检测
M s f 1 2 3 4 5 6 7
kD
50
40
30
M :蛋白标记物 ;s :表达细胞诱导破碎后上清 ;f :与镍 beads 结合后流
下 来 的 液 体 ;1-7 :(30/50/70/100/150/200/250 mmol/L Imidazole,20 mmol/L
Tris-HCI pH8.0,1 mol/L NaCl)为梯度浓度咪唑洗脱的 SDS-PAGE 电泳结果
图 3 SDS-PAGE 检测 AtSPX1 Ni-NTA 亲和层析纯化
1M 2 3
kD
50
40
30
25
AtSPX1㳻ⲭ
SUMOḷㆮ
M :蛋白标记物 ;1 :过夜酶切的样品 ;2 :将酶切过后的样品浓缩至
0.3 mg/mL 的样品 ;3 :硫酸铵沉淀后的样品
图 4 硫酸铵沉淀
200A
B
180
160
140
120
m
A
U
100
80
60
40
20
0
0 1 2 43 5 6 7 8 9
mL
67
43
25 kD
50
40
30
kD
M
10 11 12 14 15 16 17 1813
图 5 AtSPX1 的凝胶过滤层析图(A)及 SDS 检测(B)
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.892
白纯度较高。
2.7 MALDI-TOT/TOF质谱鉴定重组蛋白
对 SDS-PAGE 考马氏亮蓝染色后的目的蛋白
进行 MALDI-TOT/TOF 质谱。上海博苑生物技术有
限公司提供的检索结果显示(检索程序是 Mascot :
http ://www.matrixscience.com, 数 据 库 为 NCBInr),
目的蛋白为 gi|15241275,检测结果中有 21 条肽段
与目的蛋白 AtSPX1 序列相匹配。图 6-A 红色部分表
示与目的蛋白所匹配的多肽片段,覆盖率超过 60%。
图 6-B 是 Mascot Score 直方图,右边红色表示匹配的
结果,得分为 938 分且有显著性差异(P<0.05)。左
物种间有着较高的保守性,说明了 SPX 结构域对这
些蛋白所行使的功能是不可缺少的。目前亚细胞定
位的结果显示了 AtSPX1 定位于细胞核中,这与生物
信息学预测 AtSPX1 蛋白在氨基端含有一个 17 个氨
基酸的双向核定位信号相一致。这个片段在纯化过
程中容易被降解掉,也解释了硫酸铵沉淀后出现两
条带的结果,两条带经过质谱实验测定都是 AtSPX1
蛋白。在目前的原核表达过程中,20℃诱导发现有
可溶性 AtSPX1 蛋白表达,而 37℃诱导可溶性表达
则明显减少。进一步改变诱导温度、时间以及 IPTG
浓度,发现可溶性没有明显增加,同时改变蛋白表
达宿主细胞也没有明显效果。这个问题计划在后期
的实验中通过重新构建不含核定位信号的表达载体
来解决,这有可能提高蛋白的产量。
分 子 筛 实 验 表 明 纯 化 的 AtSPX1 蛋 白 是 以 单
体形式存在,同时这个蛋白只包含一个 SPX 结构
域,表明 SPX 结构域自身并不倾向于形成同型二聚
体。拟南芥的 SPX2、SPX3、SPX4 与 SPX1 相似性
分别是 66%、47% 和 44%,它们都只包含一个长度
大约为 150 个氨基酸的 SPX 结构域。这个分析暗示
拟南芥同源 SPX 家族成员也可能是单体。但是不同
SPX 蛋白的 SPX 结构域长度明显不同,例如,水稻
的 OsSPX4 的 SPX 结构域包含 170 个氨基酸,拟南
芥 11 个 PHO1 蛋白都含有 300-360 个氨基酸不等的
SPX 结构域,不能排除这些蛋白形成多聚体的可能
性。有实验表明,拟南芥的 AtSPX1 蛋白的功能与
铁和磷营养有关联[8],可能是这两种信号转导途径
的交叉点之一,研究 SPX 结构域在其中的作用以及
与它蛋白的互作是值得关注的方向。
4 结论
本研究成功构建了拟南芥 SPX1 基因原核表达
载体 pE-SUMO-AtSPX1,在大肠杆菌(E.coli)细胞
中获得了该蛋白可溶性高表达,经过亲和层析、硫
酸铵沉淀、分子筛层析方法得到高纯度的 AtSPX1 蛋
白,分子筛层析分析表明 AtSPX1 以单体形式存在。
参 考 文 献
[1]Spain BH, Koo D, Ramakrishnan M, et al. Truncated forms of a novel
yeast protein suppress the lethality of a G protein alpha subunit
251
201
151
101
A
B
51
1
0
0
5
10
15
20
25
N
um
be
r o
f H
its 30
35
40
45
200 400 600 800 1000
Protein Score
图 6 AtSEP3 蛋白质肽质量指纹图谱鉴定(A)及 Mascot
Score 直方图(B)
边阴影区域为小片段相匹配的肽段,不具备显著性
差异,为不可信任结果。
3 讨论
近年来,关于植物响应磷营养胁迫的生理生化
机制和信号传导途径的研究已经有了较大的进展,
研究显示一部分 SPX 蛋白参与了磷的吸收代谢过程。
但也有研究结果表明,OsSPX1 基因表达水平下降引
起植物对冷胁迫的敏感性增强[11,12]。 AtSPX1 基因
和 OsSPX1 具有 50.5% 的相似性,表明 AtSPX1 和植
物低温耐受性也可能有关。同时 SPX 结构域在多个
2015,31(8) 93胡涛等:拟南芥 SPX1 蛋白原核表达及纯化分析
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(责任编辑 李楠)