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缘管浒苔Rubisco酶大亚基基因编码序列rbcL克隆及分析



全 文 :健物杖术通报
研 究报 告  刀爪口r E C 阴叭刀刀心 Y B U L L E TI N 2仪为 年 增 刊
缘管浒苔 Rubi sco 酶大亚基基因编码序列
rb cL 克隆及分析
尹顺 吉 应成琦 汤文仲 张婷 何建华 何培 民
(上海海洋大学水产与生命学院 农业部水产种质资源与养殖生态重点开放实验室 ,上海2013 肠)
摘 典 : 主要对蛛于浒曹光合作用第一关健璐R ubisC 大亚基基因(rb比)进行了克隆分离首先通过 Pc R 特异性扩粉叶
绿体基因编码的蛛甘浒苗大亚基编码序列 d丫L 郑分基因序列 (l 03 5 bp )依据基因步移原理 , 首次克隆得到蛛于浒言挂尤LS 
上游非翻译 区序列(2 4 bP )据推侧 , r6C L S  上游非翻译区序列存在类似原核生物的启动子元件 一10 区(T A AA AT )和 一35 区
(Tr G A人A )此外 ,依据 3 一R人cE (cD N A 末端快速扩粉技术)原理, 克隆得到缘甘浒苔 挂丫L3  末端 cD N A 序列 (579 bp )
关扭询: r伙无 缘甘浒答 基因步移 启动子
C lo城 ng and Sequ ence A nalyz吨 of th e rb创L G ene fr om 功va 五h朋
Y in Shu nj i Y in g C he n gql T an g W enzh ong z han g T ing H e lian h ua H e pe让nin
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肠公乎声加叼城 决. 刀成.奴 5杨叼城 20130 6 )
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sequenee of th e ehro mos om 山y encoded R ub iseo lar 乎 sub 耐 t 梦ne (d尤L) of 切刃 五四 w as done d (1 03 5 bp). Ac eordi ng to 乎ne
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box(T A TT AA )and 一 35 bo x(Tr G人A A )s访川肛to pro ka 刁otic pro mot e:二 以 In ad山don , 3 一end of th cL eD N A (s79b p) was do 二d
by 3 一R A C E (钟 id an 叩防 ca tio n ofeD N A ends ).
K e yV 旧川: 挂沁L 切钧 如 . Ge ne w 山 n g Pto mo ter
在缘管浒苔 中 , R ub isc 大亚基编码基因过祀L
由叶绿体基因编码 , 小亚基编码基因 过犯S 由核基
因编码 迄今为止 , 已经从光合细菌 藻类 苔醉 
孩类  裸子植物及被子植物的某些现存种和化石
标本中等多种不同材料中测定了 d犯L 基因的全序
列 ,构成了这一基因的核昔酸序列数据库 这不仅
促进了有关 d祀L 基因的结构与功能表达与调控方
面的深人研究 , 而且也为从分子水平上揭示植物
之间的亲缘关系和研究进化的本质提供了有用的
材料1一3, 利用 过祀L 基因的核昔酸序列数据 ,在分
子水平上进行植物系统 学问题研究 , 具有多方 面
优越性 12川在绿藻中 , 已得到 Ps eu de n峨祀10爪um
吐 初e加m , 反 en ede sm us 砧 1万qU us , oI 如 sn s记刀op sis v-
沉山s不日血州咖~ 爬万汕日记j 洲叩为~ 加殆 o1i -
vac es 和 C目毗 刀日几匆州的叶绿体基因全序列 , 而
且 在 c 从毗 五日p少犯川山胭, D u几以j动 招找词即ta 和
Te 坛助d助is su~ 中也得到 了编码 d祀L 基因的全
长序列 但 目前对于绿藻 d犯L 基因的启动子元件
分析还较少 
首先通过 PC R 特异性扩增缘管浒苔 d祀L 部
分基因序列 ,依据基因步移原理 , 根据已知 过犯L 基
因序列在其 5 附近设 计 2 个反 向引物 , 结合
收稿 日期 :2仪为一04 一28
墓金项 目:国家 自然科学羞金(303, 1101 ),教育部博士点羞金,上海市教委优势(重点)学科资助项 目 (s 307 01 )
作者简介:尹顺吉(19 81一),女 ,山东人 ,硕士 , 主要从事植物分子生物学研究
通讯作者:何培民.男 , 教授;E则 l:p川山州, 山侧. u. cn
2 兀旧 年 增 刊 尹顺吉等:缘管浒苔 Rub isc o 酶大亚基基因编码序列 r加L 克隆及分析 2 67
介肠 Ra 以 pCR in vitro cloning Kit, 首次克隆得到
缘管浒苔 rbC 肠 , 上游非翻译区序列 ,并分析可能存
在的启动子调控元件 此外 ,利用 3 一RA CE ( DN A
末端 快 速扩 增 技术 , ra pid am plifc ation Of eD N A
en d )原理 ,克隆 3 末端 cD N A 序列 这些都为了进
一步深人研究藻类 过祀L 基因奠定了基础 , 也初步尝试从基因角度上分析浒苔快速生长所具有的分
子生物学基础 
1 材料与方法
1.1 藻类培养
本实验所用藻类缘管浒苔(Ul va lnZa )采 自江苏
如东吕洒海区 ,培养方法参见何培民等 (20( 抖)文献
Isl 挑选新鲜 生长旺盛的藻体 ,用无菌海水和灭菌
毛笔刷拭藻体以去除杂质和杂藻 ,单株分离培养藻
体 藻体于加人 V ES 培养液的三角瓶中 , 16  充气
培养 保持其生长条件于光周期 12 IJ 12 D , 光强
40 卜mo lm 一丫 , ,每隔 4一6d 更换新鲜培养基 
1.2 缘管浒苔 D N A 的提取
取新鲜藻体 , 用液氮充分研磨成粉状 分装于
1.5 耐 管中 , 加入 0.5 耐 裂解 液 (ro m M Tri 
pH S.o; 0.5% sDS; 10 卜g 蛋 白酶 K ) , 剧烈摇动 ,
55  温育过夜 每管中加人 82.5 林 1 5 M Nac l和
82.5闪 10% (w/v)CTA B/0.7 M N ael, 56  加 热
15 m in 加 1倍体积 25 :24 :1 苯酚/氯仿/异戊醇抽提
2 次 , 取上清 ,加人 1 倍体积的氛仿抽提一次 ,取上
清 加人预冷的异丙醇沉淀 DN A ,用 75 % 乙醇洗沉
淀并干燥 , 溶于 50闪 无菌水中 
1.3 缘管浒苔 R N A 的提取
缘管浒苔总 R N A 的提取采用 Tri zol RN A 提取
试剂盒 ,提取方法按照其说明书进行 收集一定量
新鲜旺盛生长的藻体 ,用液氮快速充分研磨成粉状
后迅速提取缘管浒苔总 R N A 得到的总 RN A 溶于
经 D EPC 处理的水中 , 放人一70  冰箱保存19 
1.4 缘管浒苔 rb cL 部分基因的克隆
以缘管浒苔基因组 DN A 为模版 , PC R 克隆缘
管浒苔 rbc L 部分基因 , 引物由上海生工生物工程
技术服务有限公司合成 酶及配套 PC R 试剂购自
天为时代有限公司 
正向引物 Pl :5 一G CTGC ATTCCG 叨叮G A CTC CT-
C A A C C A G G 一3  ;
反 向 引 物 P2 :5 一G TGA A TAC CA CCTG AA G C-
T A C A G G 一3  
反应体系 50 闪 PC R 条件:94  预变性 3 而n ,
94  30 5 , 57  1.5 m in , 72  1 m in ,共进行 30 个循
环 , 72  充分延伸 5 分钟 得到产物经 TA 克隆并测
序 PC R 产物电泳图谱见图 4.1 
1.5 rb cLS , 端上游序列基 因克隆
采用限制性内切酶 叉去日1 场刀d lll Ec oR I Ps tl
4 种内切酶分别对缘管浒苔基因组 D N A 酶切 根
据基因步移 (ge ne walking )技术原理 , 使用 Ta Ka Ra
以 PC R in vi肋 Cloning  t, 根据 已知缘管浒苔
rbc L 部分基因序列在其 5, 端附近设计 2 个反向引
物 :
丑玩 L R I: 5 一A A C C A T C A G T C C A T A C A G T T G 一3 
丑玩乙R Z : 5 一C A G T C C A TA C A G TT G T C C A A G 一3 
选取 男五日1酶切基因组 D N A 所得体系 , 克隆 功-
c乃 , 端上游序列 ,此 R 产物经 TA 克隆并测序 
1.6 rl祀口 , 端下游序列 cD N A 克隆
根据 3,一RA CE 原理 , 以缘管浒苔 R N A 为模
板 ,使用 Tak ar 3 ,一 Full RA CE Core Se t,根据已知序
列在 rb cU , 端设计 2 个正 向引物 :
丑抚 里万1: 5  一G C T C A 明叮C T G T C G T G C T A G TG 一
3  ;
几加 LfZ : 5  一T G T C G T G C T A G T G G A T T A T T A T -
T A C 一3 
克隆 rbC 仍 , 端 cDN A 末端片段 , 产物经 TA 克
隆并测序 
2 结果与分析
2.1 缘管浒苔 th cL 部分基因的克隆与分析
以缘管浒苔基因组 D N A 为模板 , PC R 特异性
扩增 rbeL 部分基因 ,得到的 PC R 产物见图 1 
1 .0 5
圈 , 尸C R 扩 增 由L 部分 鑫 因片段
268 坡物杖术通橄刀初姗 hno fo 盯 B川介互. 2 (X 为 年增 刊
2.2 rb c幼 端上游序列基因克隆序列分析
采用限制性内切酶 X bal 月山刀d l Ec oRI Ps tl
4 种内切酶分别对缘管浒苔基因组 D N A 酶切 , 见
图 2 由图 2 可见基因组 DN A 被四种酶切为弥散
状 ,酶切较彻底 ,保证了后续实验的进行 
Rub isc 酶大亚基氨基酸序列对比 , 确定翻译起始
密码子 ATG 位置 (下划线表示 ) 将起始密码子
ATG 上游 5 非翻译区(2 4bP) 分析其中包括可能
的启动子元件位置:
1 C T 几G 二几C G I T T 几T l 上G 节 汀 G T T G G 心几C 心A C G T . T 了C T G C C t 盈几I C 以 冷 几丫 C C 鑫A T I T G C C 尸
6 1 . t 二l , , G 二T 人 C C T 几几T 了G ( A , , 么二T C T 几A C T 几几T 自几T 几G  C 上二T A T A 上自C 心C T C T 几T I T 份
M Ec o RI , 场 dl l, 尤五目 , Ps d 3 习甲列 一10序列 ,
::   二牡1工乃法  T  力 cT, 占c孟TC    J了c上 , 刀山协F 了 竹上 了, rT 口以义 人G 人T C G 几五了G G T C 几上 T T T 人T T I 几几 T T T T 人二T T 几了T 1 1 1 1 几节夕 ,
2 12 2 6 b P -
圈2 甚因组 DNA 经 4 种醉切圈诺(分别经Eco R I.H indlll
X bal, Pstl醉切)
在起始密码子 ATG 上游一55bp 一 95 帅 的范
围内有推测的启 动子序列 ,一10 区为 TA A A AT (原
核生物为 TA TA A T ) ,一35 区为 TTG A A A (原核生物
为 TTG A CA ) , 两者都不同程度的表现出类似原核
生物相应启动子元件的结构特征 一ro 区和一35 区
之间相隔 28 bp 
2. 3 rbC I3 末端 cDN A 克隆
3 一R ACE 克隆所得 3 端 cD N A 序列 (579 bp):
以基因组 D NA 为模板 , 由 (l 03 5b p)片段向
币c比 , 端上游基因步移 , 克隆所的上游序列基因片
段与已知 rbc L 拼接 , 得到 1 37 0 bp 片段 , 结果如
下 :
C T 几心几自G G 直r T 几T l 么G T 了 T G 11 G G C 几G心二C G T 上1了G T G闷二C 几几二几C O 写G 么T G C 盔盛T 几T G 仁C F
几t l l l曰TG 人T 几 C C T 人A T 了G 心I T 丫上几T C T 人二C 了几二T 渔几丫I G C C 二上T 几? 五人上( C C 丫C T 人T 几T G卜
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T G G 心C 几G I T C G 几么T C 心? C 几几 T T T 几1.T 几通几T 们 , 人人飞了 I T T t 五几压IT 以艾 T C C 几仁鑫G 几C T 卜
几盆盆C 几人盒自C 仁 几C G T A ( T G 心C T 了T 人么IG C T G O ? G ? 几. t G 几 , .r 1 C C G T 丫丫 1 AC 了r几们 I C 护
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C 几G 心压心T 蕊 C C G G仁几G A A G 几几 C C 自G 心T G C A G C 丫G 丫了G ( ? C C T G 人几T C 几T C 几 几C 几G 心T 几C T 争
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几T I G石G l, 几心 T, , 主C C 几C 心 T A C 么A 丫C 心C T G T A C仁T T C 几G G T G C T 几r 代 几C 一少
2.4 缘管浒苔 R ub isc o 酶大亚基氛基酸序列推断
及分析
使用 PC R 技术从缘管浒苔基因组 D N A 中扩增
的部分 rbc L 基因 (l 035 bp)与实验室之前由 cDN A
中扩增 的基因片段大小 序列均相同 ,表 明这部分
成 L 基因没有 内含子 
据推断拼接 以上三段序列 ,用 以推算缘管浒苔
Rub isc o 酶大亚基氨基酸顺 序 , 得到含有 47 4 个 氨
基酸的蛋白序列 :
12le川翔36:Z粗7州9 08O创
2 (阅旧年 增 刊 尹顺吉等 :缘管浒苔 Rub isco 酶大亚基基因编码序列 到从L 克隆及分析 269
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据推测氨基酸序列在线预测蛋 白三级结构
(http:l/swissm odel.expas y.o嗯l) ,结果见图 3 
为 82% 54% 79% 一10 区又称 pribnow 盒 , 有 四
个碱基是高度保守的 , 用大写字母表示为 TAt A aT ,
两个小写字母代表的碱基保守性较弱 .出现频率为
4 % 和 51 % , 最后一个 T 视为不变的 T 叶绿体基
因启动区一35 区与一10 区间隔为 11一23 bp , 与原核
的 15 Zl bp 间隔序列相似 , 但二者位置是有差别
的 ,前者是在距离转录起始点上游 10 一 30 bp 处 ,
说明叶绿体系统多聚酶一启动区相互作用机制不同
于原核系统 单子叶(玉米 小麦)和双子叶(菠菜)植
物 的 rb cL 基因 5 端有 85 % 的 同源性 10, 0] 黄瑶等
(1994 )分析了葡萄 th cL 基因启动子结构 , 并比较
了几种已测知高等植物 rbeL 基因的启动子元件
(图 4) 
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一
圈 3 缘管浒苔 R ubi sco 大亚甚蛋白三级结构预侧
3 讨论
尽管 D N A 序列分析有潜力解决所有分类等级
的系统发育问题 ,但 目前的绝大多数研究还是利用
叶绿体基因组中的 th cL ,并用于远缘属间及科级以
上分类群的研究 利用 rb cL 基因的核昔酸序列数
据 , 在分子水平上进行植物系统学问题研究 ,具有
多方面优越性卜川
19() 5 年提出叶绿体起源于原核生物的观点 
叶绿体有原核型的核糖体和 rR N A , 因此它们具有
类似的合成蛋 白质机制 , 就转 录周期 的控制信
号  启动 区和终止区而言 , 叶绿体基 因的结构与
原核生物的非常接近 叶绿体基 因作为一类兼有原
核特性的真核基因 , 其表达调控机制无疑是复杂
的 已鉴定了许多原核生物的启动区并进行了序列
分析 有 12 个高度保守的碱基对 ,每组 6 个 , 即一35
位点前后 的 TTG A CA 和一10 位点前后 的 TA TA AT ,
两组间有 巧一Zl bp(碱基对)的间隔序列 , 间隔序列
越靠近 17 帅 , 该启动区就越强 一35 区附近富含
AT 序列 , 被称为识 别位点 , 该 区核昔酸保守性 强 ,
以 TTG 的保守性最强 , 这三个碱基出现频率分别
* 号表示缺失的核昔酸 , 一表示同样的核节酸
圈 4 不 同植 物 !忱 L 启 动 区核普 酸序 列 同源 性 比较 裹 中
示出了 E .cOI i启动区一10 和一35 区的保守序列
将根据基 因步移得 到缘 管浒苔 :bc L 基因起 始
密码子 AT G 上游 5 非 翻译 区 (2 4 bp )分析其中包
括可能的启动子元 件位置: 在起始密码子 ATG 上
游一95 到一58 bP 的范围内有推测的启动子序列 , -
10 区为 TA TTA A (原核生物为 TA TA A T ) ,一35 区为
TTG A A A (原核生物 为 Tr G AC A ) , 两者都 不同程 度
的表现出类似原核生物相应启动子元件的结构特
征 ,与原核生物保守区相 比仅相差 l一2 个核昔酸 -
10 区和一35 区之间相隔 28 bp 
叶绿体基因在密码子的使用上不同于线粒体 ,
它能使用通用密码表上所有的密码子 但是 ,对水
稻和玉米 的 rp lZ 基 因的分 析发现 , 它们 的起 始密
270 性物杖术通橄刀如奴无加城盯 B u场浦妇 2 (X 刃 年 增 刊
码子是 A CG 而不是 A TG A CG 作为起始密码子曾
经在仙台病毒中报道过 , 体外实验证明它在原核
生物中也有起始功能 据分析 ,缘管浒苔 rbC L 使用
起始.密码子 ATG 
至于终止密码子及其旁侧序列 ,无论原核基因
还是真核基因 , 都有三种终止密码子(U以 , U A A ,
UA G) , 并且三者的使用颇率不同(以真核 m R N A 为
例 , 脊椎动物及单子叶植物中 UGA 的使用频率最
高 ,其它真核生物中主要使用 U从 , U AG 的使用频
率最低), 而紧挨终止密码子 3 端的核昔酸以 A G
(真核)或 U( 原核)出现频率较高 就水稻叶绿体基
因而言 , 终止密码子以 UA A 使用频率最高 , UA G
及 U C A 的出现颇率大约各是前者的一半 , 而紧挨
终止密码子 3 端的核昔酸以 A U 最多 (两者出现
撅率近乎相等), 其次为 G , C 的出现频率较低 或
许 ,该位核普酸与终止作用的调控有关 叶绿体基
因在核昔酸使用上有偏向性 ,其密码子的第三位往
往是 A 或者 叹达 69 % )另外 ,基因的间隔区(S钾c-
er) 中 A T 含t 也 比较高 , 因而造成高等植物 叩
D NA 的密度略高于核 D N A 缘管浒苔 过沁乙使用
U从 作为终止密码子 
高等植物叶绿体 D NA 的内含子主要在 tR NA
基因中发现 , 很少在蛋白质结构基因中发现 ,但在
绿藻中却发现大t 的蛋白质结构基因也存在有内
含子 到目前为止 ,所有已被测序的高等植物 而 L
基因都是连续的 , 即无内含子 ,长约 1.4 汕 到目前
为止 , 已在十几类植物中发现 rbC L 基因存在 I型和
n 型启动子口闷,刀
使用 PC R 技术从缘管浒苔基因组 D NA 中扩增
的部分 而 L 基因 (l 035 帅 )与实验室之前由 cDN A
中扩增的基因片段大小 序列均相同 ,表明这部分
而 L 基因没有内含子 此外 ,至今在高等植物中并
未发现 rbC L 基因中有内含子存在 虽然在其他绿
藻中已发现 rbC L 基因中存在内含子 , 但我们认为
在缘管浒苔 挂犯乙末端附近的一小段序列存在内含
子的可能性不大 
研究得到三段序列拼接并推测蛋白氨基酸序
列 ,所得 474 个氨基酸残基组成的蛋白序列与已知
的绿藻门中莱茵衣藻和小球藻 Rub isc 酶大亚基有
47 5 个氨基酸残基有基本吻合 
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