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Prokaryotic Expression,Purification and in Vitro Ubiquitination Assay of BoARC1 from Ornamental Kale

羽衣甘蓝ARC1 蛋白的原核表达、纯化及泛素连接酶活性分析



全 文 :园 艺 学 报 2013,40(12):2472–2478 http: // www. ahs. ac. cn
Acta Horticulturae Sinica E-mail: yuanyixuebao@126.com
收稿日期:2013–07–16;修回日期:2013–11–06
基金项目:中央高校基本科研业务费专项基金项目(DL13CA13);国家自然科学基金项目(30900115,31070275)
* 通信作者 Author for correspondence(E-mail:lyhshen@126.com)
羽衣甘蓝 ARC1 蛋白的原核表达、纯化及泛素
连接酶活性分析
蓝兴国,李晓屿,杨 佳,李玉花*
(东北林业大学生命科学学院,哈尔滨 150040)
摘 要:ARC1 是植物特有的一类含有 U-box/ARM 结构域的蛋白,在芸薹属植物自交不亲和
(self-incompatibility,SI)信号转导中起着正向调控因子的作用。将羽衣甘蓝(Brassica oleracea var.
acephala)BoARC1编码区的序列连接到原核表达载体pET-14b上,通过酶切鉴定和测序分析,构建pET-14b-
BoARC1 表达质粒;将获得的阳性表达质粒转化到大肠杆菌表达菌株 BL21(DE3)pLysS 中,利用 IPTG
进行诱导表达。SDS-PAGE 结果显示,在分子量 69 kD处有BoARC1 蛋白特异性地诱导表达;利用Ni2+-NTA
树脂通过亲和层析的方法获得 BoARC1 融合蛋白。在泛素激活酶(E1)、泛素结合酶 UBC7(E2)和泛素
体外泛素化反应后,通过免疫印迹的方法检测,显示出 BoARC1 融合蛋白能够将底物进行多泛素化修饰;
当 U-box 中保守位点第 323 位 Pro 突变为 Ala 或其他泛素化组分缺少时,底物不能被泛素化修饰。
关键词:羽衣甘蓝;自交不亲和性;ARC1;原核表达;泛素连接酶
中图分类号:S 681.9 文献标志码:A 文章编号:0513-353X(2013)12-2472-07

Prokaryotic Expression,Purification and in Vitro Ubiquitination Assay of
BoARC1 from Ornamental Kale
LAN Xing-guo,LI Xiao-yu,YANG Jia,and LI Yu-hua*
(College of Life Sciences,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China)
Abstract:ARC1,which belonging to the plant-specific U-box/ARM protein,acts as a positive
mediator of self-incompatibility signaling in Brassica. Here,the BoARC1 coding region sequence was
amplified and inserted into the prokaryotic expression vector pET-14b. The pET-14b-BoARC1 constructs
were confirmed by the double restriction enzyme and sequencing analysis. The E. coli BL21(DE3)pLysS
cell was transformed pET-14b-BoARC1. SDS-PAGE results showed that the recombinant BoARC1 fusion
protein about 69 kD was induced by IPTG and purification by affinity chromatography using Ni2+-NTA
resin. In vitro ubiquination assays were performed using a yeast E1 enzyme,a E2 enzyme His6-UBC7,
ubiquitin and His6-BoARC1. Western blot results showed that His6-BoARC1 mediated the poly-
ubiquitination of proteins with anti-ubiquitin antibodies. Further,a point mutation of U-box domain at
amino acid position 323 substituting Pro for Ala or omission of any of the components resulted in a loss of
protein ubiquitination.

12 期 蓝兴国等:羽衣甘蓝 ARC1 蛋白的原核表达、纯化及泛素连接酶活性分析 2473

Key words:Brassica oleracea var. acephala;self-incompatibility;ARC1;prokaryotic expression;
ubiquitin ligase E3

自交不亲和性(Self-incompatibility,SI)是显花植物避免自交,促进种内遗传多样性的一种机
制,在植物进化过程中起着非常重要的作用(Franklin-Tong,2008)。芸薹属植物的 SI 信号转导是
花粉外壁蛋白 SCR(S-locus cysteine-rich protein)/SP11(S-locus protein 11)与柱头乳突细胞膜 SRK
(S-locus receptor kinase)受体特异性相互作用引起的(Kachroo et al.,2001;Takayama et al.,2001)。
SCR/SP11 配体是一个富含半胱氨酸的分泌蛋白,决定花粉的 SI(Schopfer et al.,1999;Takayama et
al.,2000)。SRK 具有 3 个功能域:胞外域、跨膜域和具有丝氨酸/苏氨酸激酶活性的胞内域,控制
柱头乳突细胞的 SI(Goring & Rothstein,1992;Takasaki et al.,2000;Naithani et al.,2007)。当花
粉落到柱头表面之后,花粉 SI 信号分子 SCR/SP11 转运到柱头乳突细胞的表面,被受体 SRK 的胞
外域识别,并引起 SRK 胞内域的磷酸化,通过下游的信号传递来完成 SI 反应(Cabrillac et al.,2001;
Ivanov et al.,2010;Tantikanjana et al.,2010)。
ARC1(arm repeat containing 1)被认为是 SRK 信号复合体的下游信号传递因子(Gu et al.,1998;
Indriolo et al.,2012)。在油菜(Brassica napus)中鉴定出来的 BnARC1,其蛋白结构主要包括 N 端
的 UND 结构域;中间有一个 U-box 结构域;C 末端含有一个 ARM 结构域(Stone et al.,2003)。在
转基因试验中,导入 BnARC1 反义基因的植株有部分打破 SI 的现象(Stone et al.,1999)。ARC1 特
异性地在柱头乳突细胞中表达,并且 ARC1 通过其 C 末端 ARM 功能域特异地与 SRK 的激酶域结合
(Gu et al.,1998;蓝兴国 等,2011)。U-box 功能域被认为是一类具有 E3 泛素连接酶活性的功能
域(Hatakeyama & Nakayama,2003)。并且在体外泛素连接酶活性分析中,发现 BnARC1 具有依赖
U-box 功能域的 E3 连接酶活性(Stone et al.,2003)。通过酵母双杂交的方法筛选到 ARC1 相互作用
蛋白 Exo70A1,而且在过量表达 Exo70A1 的植株具有部分打破自交不亲和性的现象;并且 Exo70A1
功能丧失的植株干扰了亲和花粉管的生长(Samuel et al.,2009;杨佳 等,2012)。因此认为
ARC1-Exo70A1 信号途径在 SI 反应过程中起到重要作用。
本研究中对前期从羽衣甘蓝自交不亲和系(S13-bS13-b)得到的 BoARC1 进行结构域分析,发现
其含有一个 U-box 结构域,并且氨基酸序列与 BnARC1 的 U-box 序列具有高度一致性;通过原核表
达系统获得 BoARC1 蛋白,探讨 BoARC1 的体外泛素连接酶活性,从而为 BoARC1 的生物学功能
研究奠定基础。
1 材料与方法
1.1 试验材料
羽衣甘蓝 S13-bS13-b 自交不亲和系于 2009 年 6 月—2010 年 5 月种植于东北林业大学花卉生物工
程研究所(杨佳 等,2012)。
1.2 原核表达质粒 pET-14b-BoARC1 的构建
引物 pET-14b-BoARC1-S(5′-GGAATTCCATATGGCCACTGATTCAGCAATGTTC-3′),下划线
代表 NdeⅠ酶切位点;pET-14b-BoARC1-R(5′-TAAAAGTTGCGGCCGCTTATCTCTGTGTGTTTTG
GTCGC-3′),下划线代表 NotⅠ酶切位点。以 pGEM-BoARC1 质粒为模板,扩增编码 BoARC1 蛋白
的编码区序列(蓝兴国 等,2011)。PCR 反应采用 KOD 高保真酶(东洋纺),扩增条件为 94 ℃变
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性 15 s,55 ℃退火 30 s,68 ℃延伸 2 min,共 30 个循环后,72 ℃延伸 7 min。PCR 产物回收、双
酶切后,插入 pET-14b 载体中。pET-14b 载体是经过改造过的,在 NdeⅠ和 XhoⅠ之间加入了 ApaⅠ、
KpnⅠ、SmaⅠ和 NotⅠ酶切位点(刘瑜 等,2006)。连接产物转化大肠杆菌 DH5α。重组质粒经 PCR
和酶切鉴定正确后,进行 DNA 序列分析。
BoARC1 点突变(323 位点的 Pro 突变 Ala)载体构建采用的是 KOD-Plus 突变试剂盒(东洋纺
SMK-101)。通过反向 PCR 的方法进行扩增。引物为 323-P-S(5′-TGTGCCAAAACAGGACA
GAAGCTAGTGG-3′)和 323-P-X(5′-AGTAGAGCGACCTTCTTGATG-3′),下划线代表突变位点。
阳性克隆通过 DNA 测序进行鉴定。
1.3 BoARC1 重组蛋白质的原核表达
将鉴定正确的阳性质粒转化到 BL21(DE3)pLysS 菌株中。分别挑取单菌落于 5 mL LB 培养基
(含氨苄青霉素)中,37 ℃振摇培养至对数期 A600 = 0.6,加入终浓度为 1 mmol · L-1 的异丙基 β–
D–硫代半乳糖苷(isopropy-β-D-thiogalactoside,IPTG),37 ℃诱导 4 h 后进行 12%的 SDS-PAGE
电泳,通过考马斯亮蓝染色进行表达检测。
1.4 BoARC1 融合蛋白的纯化
以 100 mL 进行大量扩增诱导,并收集细菌;将细菌沉淀重悬于 5 mL 结合缓冲液(20 mmol · L-1
Tris-base;30 mmol · L-1 NaCl;10 mmol · L-1 咪唑;pH 8.0),超声破碎后,12 000 r · min-1、4 ℃离
心 15 min。取上清液加入用结合缓冲液平衡 Poly-Prep chromatography column 层析柱中,加入 100 µL
Ni2+-NTA 琼脂糖(Novagen 公司),4 ℃结合 30 min。依次用 20、30 和 40 mmol · L-1 咪唑洗脱缓冲
液冲洗 Ni2+-NTA 琼脂糖,最后用 250 mmol · L-1 咪唑洗脱并收集融合蛋白。
对形成包涵体的融合蛋白采用如下方法纯化:取诱导后的 100 mL 细菌,加入 5 mL 的 buffer B
溶液(100 mmol · L-1 NaH2PO4;10 mmol · L-1 Tris-HCl;6 mol · L-1 盐酸胍;pH 8.0)重悬。室温下
温和震荡 30 min。室温 12 000 r · min-1 离心 20 min,取上清液。向裂解上清液中加入 50 µL Ni2+-NTA
树脂,室温下结合 30 min。取 Poly-Prep chromatography column 层析柱,将裂解液和树脂混合物加
入亲和柱中。用 buffer C(100 mmol · L-1 NaH2PO4;10 mmol · L-1 Tris-HCl;6 mol · L-1 盐酸胍;pH
6.3)洗两次,每次 4 mL。用 buffer D (100 mmol · L-1 NaH2PO4;10 mmol · L-1 Tris-HCl;6 mol · L-1
盐酸胍;pH 5.9)洗 4 次,每次 0.5 mL。用 buffer E (100 mmol · L-1 NaH2PO4;10 mmol · L-1 Tris-HCl;
6 mol · L-1 盐酸胍;pH 4.5)洗 4 次,每次 0.5 mL,收集留下来的液体。对含有目的蛋白的洗脱液
进行 Amicon® Ultra-4(3 kD 截流,Millipore 公司)过滤透析。
1.5 BoARC1 融合蛋白体外泛素连接酶活性分析
参考 Stone 等(2003)的方法,在 30 µL 反应缓冲液(1 mmol · L-1 磷酸肌酸;1 U 磷酸肌酸激
酶;1 mmol · L-1 MgCl2;100 mmol · L-1 NaCl;2 mmol · L-1 ATP;0.5 mmol · L-1 DTT;50 mmol · L-1
Tris-HCl,pH 7.5)中加入 0.5 µg 酵母 E1 泛素激活酶(Sigma 公司),1 µg 纯化的 His-UBC7,1 µg
的 BoARC1 或突变形式的 BoARC1,5 µg 的酵母泛素(Sigma 公司),1 µg 细菌蛋白。在 30 ℃下孵
育 2 h,加入 2 × SDS 上样缓冲液终止反应。
1.6 免疫印迹分析
取反应后的蛋白样品,以 6%的 SDS-PAGE 凝胶电泳分离。Western blot 分析时,将凝胶中的蛋
白质转移至 PVDF 膜(Amersham Biosciences)。用含有 5%牛血清白蛋白的 TBST(含 0.1%的
Tween-20)于室温下封闭 2 h,一抗为抗泛素的抗体(Sigma Aldrich,稀释倍数为 1︰100),二抗为
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图 2 羽衣甘蓝 BoARC1 的 PCR 扩增产物
Fig. 2 PCR products of BoARC1
与辣根过氧化物酶偶联的山羊抗兔抗体(稀释倍数为 1︰5 000)。制备 LumiGLO混合液(Cell Signaling
Technology)均匀地滴在 PVDF 膜上,在 Kodak IS2000R 图像工作站上进行化学发光检测。
2 结果与分析
2.1 BoARC1 的结构域分析
羽衣甘蓝 BoARC1(GenBank 收录号为 EU344909)是一个含有 663 氨基酸的蛋白。通过结构
域分析发现,BoARC1 含有 N 端 UND 结构域(1 ~ 279)、中间 U-box 结构域(280 ~ 361)和 C 端
的 ARM 结构域(362 ~ 663),这表明 BoARC1 的结构域组合方式与油菜 BnARC1 一致。其中 BoARC1
的 U-box 结构域氨基酸序列与 BnARC1 的 U-box 序列具有 92%一致性(图 1),这表明 BoARC1 可
能具有泛素连接酶的活性。



图 1 BoARC1 与 BnARC1 在 U-box 结构域的氨基酸序列比对
灰色背景显示不一致的氨基酸序列;箭头表示保守的 P 位点。
Fig. 1 Alignment of U-box amino acid sequences between BoARC1 and BnARC1
Different residues are shaded gray. Arrow indicated a conserved P amino acid residue.


2.2 BoARC1 原核表达质粒的构建
为了构建原核表达质粒,以含有 BoARC1
的核酸序列质粒为模板,利用 PCR 方法扩增
BoARC1 的编码区序列。图 2 电泳条带显示,
扩增的 PCR 片段在 2 000 bp 左右,与预测的片
段大小相符。对 PCR 获得的核酸片段和原核表
达 载 体 进 行 双 酶 切 , 通 过 连 接 , 构 建
pET-14b-BoARC1 表达质粒;最后通过测序鉴
定其序列正确性。
2.3 BoARC1 融合蛋白的表达及纯化
将构建好的 pET-14b-BoARC1 表达质粒转
化到大肠杆菌 BL21(DE3)pLysS 菌株中。在
37 ℃下 IPTG 进行4h 诱导,对表达后的细菌进行裂解。SDS-PAGE 结果显示 IPTG 诱导后的菌液
蛋白中有一条 69 kD 左右的特异蛋白条带(图 3)。将表达菌液进行大量扩增,利用 Ni2+-NTA 亲合
树脂亲合层析纯化后进行 SDS-PAGE 电泳。图 4 中的结果显示出这个 69 kD 左右的蛋白质
(His6-BoARC1)被纯化出来。
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2.4 BoARC1 融合蛋白的泛素连接酶活性分析
蛋白质泛素化涉及到泛素激活酶(E1)、泛素连接酶(E2)和泛素连接酶(E3)。为了分析 BoARC1
是否具有泛素连接酶的活性,进行蛋白质体外泛素化进行鉴定。在泛素、泛素激活酶 E1(酵母)和
His6-UBC7(拟南芥)存在的情况下进行体外泛素化反应。然后利用抗泛素的抗体进行 Western blot
检测,结果发现 BoARC1 能够介导细菌蛋白形成多泛素化(图 5,泳道 5);而当 BoARC1 的 U-box
结构域中保守 323 位点 Pro 突变 Ala(BoARC1P323A)或缺少泛素化反应的组分时(图 5,泳道 1 ~
4、6),却没有检测到细菌蛋白形成多泛素化。


图 5 BoARC1 体外泛素化分析
Fig. 5 In vitro ubiquitination assay for BoARC1
3 讨论
U-box/ARM 蛋白被认为是植物界中目前特有的一类蛋白质(Samuel et al.,2006;杨佳 等,2008)。
U-box 结构域大多数具有 E3 泛素连接酶的活性,参与蛋白质在泛素/26S 蛋白酶体降解过程(Aravind
图 4 BoARC1 重组蛋白的纯化
1:纯化的 His6-BoARC1;M:蛋白分子量标准。
Fig. 4 Purification of recombinant BoARC1
1:Purification of His6-BoARC1;M:Protein marker.
图 3 BoARC1 重组蛋白的诱导表达
1:诱导前细菌蛋白;2:诱导后细菌蛋白;M:蛋白分子量标准。
Fig. 3 Induced expression of recombinant BoARC1
1:Bacteria cell extracts before IPTG induction;2:Bacteria cell
extracts after IPTG induction;M:Protein marker.
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& Koonin,2000;Mudgil et al.,2004)。ARM 结构域参与蛋白质间的相互作用(Samuel et al.,2006)。
U-box/ARM 蛋白参与植物光周期反应、细胞死亡和防御反应等方面调控(Kim et al.,2000;Amador
et al.,2001;Zeng et al.,2004)。在本研究中发现 BoARC1 含有 U-box 和 ARM 结构域,而且通过
原核表达系统进行了 BoARC1 的表达和纯化。
在原核表达中,一个分子量大小在 69 kD 的蛋白明显诱导出来,与预测的融合蛋白分子量相符。
在纯化方面,发现 His6-BoARC1 主要是以包涵体的形式存在。改变了诱导温度、诱导时间和 IPTG
浓度,但纯化的效率依然很低。进而,采用盐酸胍的方法进行融合蛋白的纯化,取得了较好的效果
(图 4)。此外,利用细菌蛋白作为底物进行体外泛素连接酶分析(Hatakeyama et al.,2001),BoARC1
具有泛素连接酶的活性能够介导底物多泛素化,而且泛素连接酶活性可能是依赖于 U-box 结构域的
(图5)。考虑到BnARC1在体外具有泛素连接酶的活性(Stone et al.,2003),这些结果说明了BoARC1
与 BnARC1 具有相似的生物学功能。
目前,Exo70A1 在油菜中被鉴定出来并且被认为是自交不亲和的负调控因子,参与调控授粉反
应(Samuel et al.,2009)。但 ARC1-Exo70A1 信号途径不能完全的打破自交不亲和,这就暗示着自
交不亲和信号网络还存在其它分支的可能,说明自交不亲和信号传递的复杂性。但对于 ARC1 在体
内细胞内的定位、表达等方面目前还没有鉴定。本研究中通过原核表达系统纯化了 BoARC1 蛋白,
进行了体外泛素连接酶活性分析。这为下一步获得 BoARC1 的抗体,检测 ARC1 定位、表达及生物
学功能奠定了基础。

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