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Cloning and Sequence Analysis of Squalene Synthase Gene and cDNA inBupleurum chinense DC.

北柴胡鲨烯合酶基因及其编码区cDNA 克隆与序列分析



全 文 :园 艺 学 报 2010,37(2):283–290
Acta Horticulturae Sinica
收稿日期:2009–11–26;修回日期:2010–01–25
基金项目:国家科技支撑计划重点项目(2006BAI09B01);中央级公益性科研院所基本科研业务专项(YZ-1-10)
* 通信作者 Author for correspondence(E-mail: wjianh@263.net;Tel:010-62818841)
北柴胡鲨烯合酶基因及其编码区 cDNA 克隆与
序列分析
隋 春 1,魏建和 1,*,战晴晴 1,2,杨成民 1
(1中国医学科学院,北京协和医学院药用植物研究所,北京 100193;2东北林业大学生命科学院,哈尔滨 150040)
摘 要:鲨烯合酶(EC.2.5.1.21,squalene synthase,SS)是植物甾醇和三萜化合物生物合成途径中的关
键酶。为研究鲨烯合酶在柴胡皂苷生物合成中的作用,以北柴胡(Bupleurum chinense DC.)不定根为试材,
采用 Trizol 法提取总 RNA,利用 RT-PCR 方法从北柴胡中扩增出了鲨烯合酶 cDNA 特异片段,并进行了克
隆、测序。测序结果显示得到了两个序列不同的 cDNA(BcSS1 和 BcSS2),分别为 1 245 bp 和 1 248 bp,
分别编码 414 及 415 个氨基酸。BcSS1 和 BcSS2 间的核苷酸和氨基酸一致性分别为 98%和 96%。NCBI Blastx
结果显示与三岛柴胡和三七 SS 氨基酸序列相似性最高, BcSS1 的一致性分别为 99%和 90%,BcSS2 的分别
为 97%和 87%。在此基础上,利用 PCR 技术从北柴胡不定根中扩增得到了一个 SS 基因克隆,长 5 880 bp,
包含 12 个内含子。
关键词:北柴胡;柴胡皂苷;鲨烯合酶基因(SS);RT-PCR;PCR
中图分类号:S 567.7+ 9 文献标识码:A 文章编号:0513-353X(2010)02-0283-08

Cloning and Sequence Analysis of Squalene Synthase Gene and cDNA in
Bupleurum chinense DC.
SUI Chun1,WEI Jian-he1,*,ZHAN Qing-qing1, 2,and YANG Cheng-min1
(1Institute of Medicinal Plant Development,Chinese Academy of Medical Sciences & Peking Union Medical College,Beijing
100193,China;2College of Life Science,Northeast Forestry University, Harbin 150040,China)
Abstract:Squalene synthase(EC.2.5.1.21, SS)is an important key enzyme in biosynthesis pathway of
plant sterols and terpenoids. In order to learn the role of SS in the biosynthesis of saikosaponin in Bupleurum
chinense DC., SS cDNA was cloned with total RNA extracted from adventitious roots of B. chinense using
Trizol method. Specific fragments were amplified by RT-PCR and then were cloned and sequenced.
Sequencing results showed two different cDNA fragments(BcSS1 and BcSS2)with 1 245 bp and 1 248 bp
long were obtained which encodes proteins with 414 and 415 amino acids, respectively. The identities of
nucleotides and amino acids between BcSS1 and BcSS2 were 98% and 96%. NCBI Blastx search results
showed BcSS1 and BcSS2 had the highest amino acid similarity to the corresponding proteins from B.
falcatum L. and Panax notoginseng F. H. Chen. The identities of BcSS1 with the two proteins were 99 % and
90% and those of BcSS2 were 97% and 87%. SS gene with 5 880 bp containing 12 introns was then amplified
by PCR with genomic DNA extracted from adventitious roots of B. chinense using CTAB method.

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Key words:Bupleurum chinense DC.;saikosaponin;squalene synthase gene(SS);RT-PCR;PCR

皂苷是人参(Panax ginseng C. A. Meyer)、三七(Panax notoginseng F. H. Chen)、北柴胡(Bupleurum
chinense DC.)等多种中药材的主要药效成分。柴胡皂苷属于三萜类化合物,具有和解表里、疏肝、升
阳的功能,用于感冒发热,寒热往来,胸胁胀痛,月经不调,子宫脱垂,脱肛等疾病的治疗(国家药
典委员会,2005)。鲨烯合酶(EC.2.5.1.21,squalene synthase,SS 或 SQS)是植物甾醇和三萜化合物
生物合成的关键酶,定位于内质网膜,催化两分子的法呢酰基二磷酸(farnesyl diphosphate,FPP)缩
合生成植物甾醇和三萜类化合物形成的第一个前体——鲨烯(Brown & Goldstein,1980)。SS 基因过
量表达能促进甾醇和三萜皂苷的大量合成(Lee et al.,2004;Seo et al.,2005)。不同植物基因组含有
1 ~ 3 个拷贝的 SS 基因,不同植物 SS 基因表达的组织特性也存在差异(Kribii et al.,1997;Hayashi et
al.,1999;吴耀生 等,2007;Uchida et al.,2009)。
克隆柴胡皂苷生物合成途径酶基因是研究其代谢与调控的基础。董乐萌等(2008)已克隆了北柴
胡皂苷合成途径上游几个关键酶部分 cDNA。在此基础上,为了深入研究柴胡皂苷生物合成,明确 SS
在其合成过程中的作用,对北柴胡 SS cDNA 和基因进行了克隆,并对所获得的序列进行了分析。
1 材料与方法
1.1 材料及引物设计
取本实验室(中国医学科学院药用植物研究所种质资源与分子育种实验室)选育的北柴胡新品种
‘中柴 1 号’经诱导培养 21 d 的不定根,用于基因组 DNA 和总 RNA 的提取。
将 GenBank 已发表的三岛柴胡(B. falcatum L.)、青蒿(Artemisia annua L.)、人参和三七等植物
SS cDNA 序列进行多重比对,在序列保守区域利用 DNAMAN 软件设计引物,分别为 SS-5:
5′-ATGGGAAGTTTGGGGGC(G/A)(T/A)TT(T/C)TGAAGCATC-3′(10 μmol · L-1)和 SS-3-34:
5′-TCATGCATTGTTTGAGAGGTTTGATGATAAATAC-3′(10 μmol · L-1)。引物合成由上海生工生物工
程技术服务有限公司完成。
1.2 RT-PCR 扩增 SS cDNA
RNA 提取采用 Trizol 法(TaKaRa RNAiso™ Plus)。反转录体系 25 μL,其中 5× buffer 5 μL,dNTPs
(2.5 μmol · L-1)5 μL,RNA 酶抑制剂(TaKaRa)0.7 μL,总 RNA 3 μL,引物 SS-3 3 μL,反转录酶(Promega
M-MLV Reverse Transcriptase)1 μL,超纯水 7.3 μL。首先将 RNA、引物和超纯水混合,于 70 ℃保持
5 min 后迅速放置冰上,然后加入其它试剂,42 ℃反应 1 h。
首次 PCR 扩增使用天根生化科技(北京)有限公司 2× Taq PCR MasterMix 的普通 Taq 酶,随后采
用保真性高的 TaKaRa 2 × PCR Solution Prime STARTM HS Premix。体系为 25 μL,其中 2× PCR mix 12.5
μL,引物 SS-5 和 SS-3 各 1 μL,反转录产物 3 μL,超纯水 7.5 μL。普通 Taq 酶 PCR 的反应条件为 95 ℃
预变性 5 min;然后 95 ℃变性 30 s,60 ℃退火 30 s,72 ℃延伸 2 min,35 个循环;最后 72 ℃延伸 10 min。
高保真酶扩增条件为 95 ℃预变性 5 min;然后 98 ℃变性 10 s,60 ℃退火 15 s,72 ℃延伸 1.5 min,30
个循环;最后 72 ℃延伸 10 min。PCR 仪为 Biometra® TGRADIENT96。PCR 产物用 1%的琼脂糖凝胶
电泳检测。电泳 DNA Marker 为 TaKaRa 的 DL2000。
1.3 PCR 扩增 SS 基因
DNA 提取采用 CTAB 法(隋春 等,2008)。使用保真性高的 TaKaRa 2× PCR Solution Prime STARTM
HS Premix。体系为 25 μL,其中 2× PCR mix 12.5 μL,引物 SS-5 和 SS-3 各 1 μL,基因组DNA(20 ng · μL-1)
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3 μL,超纯水 7.5 μL。
PCR 反应条件为 95 ℃预变性 5 min;然后 98 ℃变性 10 s,60 ℃退火 15 s,72 ℃延伸 8 min,30
个循环;最后 72 ℃延伸 10 min。
1.4 扩增产物克隆与测序
高保真酶扩增产物回收按照 DNA 胶回收试剂盒 (Qiagen) 的使用说明进行。回收产物先进行加 A
反应 (Qiagen),然后与 T 载体连接 (cDNA 和基因克隆用的载体分别为 TaKaRa 的 pMD19-T 和
Invitrogen 的 pCR2.1)。连接产物转化大肠杆菌 Top10 感受态细胞 (Qiagen),经蓝白斑筛选和菌液 PCR
验证后,cDNA 和基因克隆分别选取 3 个和 1 个重组子送上海英骏生物技术有限公司测序。
1.5 序列分析
利用 DNAMAN 软件进行氨基酸序列多重比对,采用最大似然法 (Maximum Likelihood) 构建植物
SS 分子系统发育树,同时进行 Bootstrap 验证 (重复 1 000 次)。通过 NCBI 的 Spidey 程序进行基因外
显子和内含子位点确定。
2 结果与分析
2.1 RT-PCR 和 PCR 扩增
试验共设计了 1 条简并正向引物 SS-5 及 3 条反向引物 SS-D、SS-3-26 和 SS-3-34,以从北柴胡不
定根中提取的总 RNA 为模板,进行 RT-PCR。只有 SS-5 和 SS-3-34 引物组合得到了与预期大小一致的
扩增片段。SS-5 和 SS-3-34 两条引物分别包括了 SS 蛋白起始和终止密码子部分。
图 1,A 和 B 分别为普通 Taq 酶和高保真酶扩增结果。
同样以从北柴胡不定根中提取的 DNA 为模板,用 SS-5 和 SS-3-34 两条引物进行 PCR,结果如图
2 所示,得到了 1 条大约 6 kb 的片段。

图 1 北柴胡 SS cDNA 的普通 Taq 酶 (A) 和高保真酶 (B) RT-PCR 扩增结果
M:DL2000;A1 ~ A6:SS-5 和 SS-D 引物组合不同退火温度 (依次为 55.2、55.9、57.3、58.1、58.8 和 60 ℃);
A7 及 B1 ~ B5:SS-5 和 SS-3-34 引物组合退火温度 60 ℃;A8:SS-5 和 SS-3-26 引物组合退火温度 58.1 ℃。
Fig. 1 RT-PCR amplification of B. chinense SS cDNA using common Taq polymerase (A) and Hi-Fi DNA polymerase (B)
M: DL2000; A1-A6: SS-5 and SS-D primer pair with different annealing temperature
(55.2, 55.9, 57.3, 58.1, 58.8 and 60 ); A7 and B1℃ -B5: SS-5 and SS-3-34 primer pair with
60 annealing temperature; A8: SS℃ -5 and SS-3-26 primer pair with
58.1 annealing temperature℃ .
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图 2 北柴胡 SS 基因的 PCR 扩增结果
M:1 kb ladder;1 ~ 4:模板 DNA 2 μL;5、6:模板 DNA 3 μL。
Fig. 2 PCR amplification of B. chinense SS gene
M: 1 kb ladder; 1–4: 2 μL template DNA; 5, 6: 3 μL template DNA.

2.2 序列测定及其分析
SS cDNA克隆测序结果表明,其中两个克隆序列一致(BcSS2),与另外 1个克隆序列不同(BcSS1)。
BcSS1 和 BcSS2 分别长 1 245 bp 和 1 248 bp,编码 414 个和 415 个氨基酸。BcSS2 与 BcSS1 相比在第
375 个氨基酸后多出 1 个丝氨酸,核苷酸及氨基酸序列同源性分别为 98%和 96%。将得到的 cDNA 序
列提交至 GenBank,登录号分别为 GQ889266 和 GQ889267。
NCBI blastx 在线搜索显示,BcSS1 和 BcSS2 与三岛柴胡的 SS 氨基酸序列 (ay964186) 相似性最
高 (一致性分别为 99%和 97%),其次是三七的 SS 氨基酸序列 (dq186630) (一致性分别为 90%和 87%)。
对来源于 11 种生物的 SS 进行了多重比对,结果显示北柴胡 BcSS1 和 BcSS2 在 3 个保守结构域
处与其它来源的 SS 序列同源性很高,差异主要存在于 C 端 (图 3)。
依据 SS 氨基酸序列同源性构建了 32 种植物 43 条蛋白序列 (其中 10 种植物中两个 SS 均有序列
可查) 的系统发育树 (图 4),从中可以看出,北柴胡 BcSS1 和 BcSS2 与同属植物三岛柴胡的 SS
(ay964186) 亲缘关系最近,其次是三七 (dq186630)、人参 (ab010148 和 eu502717) 及西洋参 (P.
quinquefolium L.) (am182456 和 am182457) 和积雪草 [Centella asiatica (L.) Urban] (ay787628)。不同植
物来源的 SS 氨基酸序列长度差别不大,同一种植物的两个 SS 的序列差异也不大,可见 SS 在进化过
程中比较保守。其中单子叶植物如水稻 (Oryza sativa L. indica group) (cm000128) 和玉米 (Zea mays L.)
(nm_001111369) 与双子叶植物的 SS 明显分为两大类,双子叶植物中的红豆杉 (Taxus cuspidata Sieb. et
Zucc.) (dq836053) 和西加云杉 (Picea sitchensis Carr.) (ef085427) 与其它双子叶植物的 SS 又分成两类,
这与植物自然进化关系相一致。
SS 基因克隆得到的重组子经分段测序与拼接,获得的序列长为 5 880 bp,提交至 GenBank,登录
号为 GQ889268。
将得到的基因序列与 cDNA 序列比对发现,基因序列中有 17 个位点的碱基与 BcSS2 相应位点的
碱基不同,而与 BcSS1 相应位点的碱基相同;基因序列中只有 1 个位点的碱基与 BcSS2 相应位点碱基
相同,而与 BcSS1 相应位点碱基不同,由此推测得到的基因可能是编码 BcSS1 的基因。
另外该基因中还有 4 个碱基与得到的 BcSS1 和 BcSS2 cDNA 均不同,可能为扩增中产生的错配碱
基,尽管试验中使用了保真性高的 DNA 聚合酶,由于基因较长,仍不可避免存在一定比例的错配碱
基。如图 5,A 为以 BcSS1 cDNA 为依据分析得到的基因结构示意图,共含有 13 个外显子和 12 内含
子。
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图 3 北柴胡等 11 种生物的 SS 氨基酸序列比对
方框内表示催化活性相关的保守结构域,括号内百分数为每个 SS 氨基酸序列与北柴胡 SS1 的同源性。
Fig. 3 Alignment of SS amino acid sequences from eleven organisms
Boxes indicate the conserved domains involved in catalysis. Numbers within parentheses indicate amino acid identities
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图 4 32 种植物 SS 分子系统发育树
标尺表示遗传距离,数字表示大于 50%的置信度,植物学名前为 GenBank 序列号,植物学名后为序列的氨基酸数。
Fig. 4 Phylogenetic tree of plants SS based on amino acid sequences
Ruler represents genetic distance; numbers represent confidence level above 50%; GenBank accession numbers and amino acid numbers are listed
before and after plants scientific names, respectively.

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3 讨论
本实验室在扩增北柴胡皂苷合成途径其它酶 cDNA 时,以北柴胡植株根和叶等材料进行 RT-PCR
扩增 SS cDNA,均没有得到扩增产物。分析可能是在取样时期(盛花期)和取样部位(根和叶)内
SS 基因的表达量很低。不定根培养是研究药用植物次生代谢的重要实验体系,采用合适的培养条件或
培养中施加茉莉酸甲酯等诱导剂均可能增加次生代谢产物的合成(Kusakari et al.,2000;Chen et al.,
2007)。本试验在建立了北柴胡不定根的培养体系后,以不定根为试材开展了 SS cDNA 克隆,表明取
得了较好的效果。
通过对来源于人、动物、藻类、菌类等的 SS 氨基酸序列比较分析可以看出,北柴胡 BcSS1 和 BcSS2
与其它来源的 SS 在保守结构域处有个别碱基存在差异(图 3 列出了其中部分生物 SS 氨基酸序列比较
结果)。如结构域 C 中的第 18 个碱基,北柴胡 BcSS1 和 BcSS2 与灵芝 [Ganoderma lucidum(Leyss. Fr.)
Karst.](dq494674)和斑马鱼(Danio rerio)(xm_695555)的 SS 一样为 S,拟南芥 [Arabidopsis thaliana
(L.) Heynl.]S2(f004396)珍珠鸟(Taeniopygia guttata)(xm_002186764)的一致均为 T,红豆杉(dq836053)
和西加云杉 (ef085427) 的一致均为 E,其余均为 A。绿玉树(Euphorbia tirucalli L.)SS 基因克隆研究
中也发现了保守结构域 C 中有个别碱基与其它来源的 SS 基因不同(Uchida et al.,2009),这些保守结
构域中存在的个别碱基差异与催化活性间的关系有待于进一步深入研究。另外,BcSS2 与 BcSS1 相比
在第 375个氨基酸后多出 1个丝氨酸,GenBank 中已登录的三岛柴胡 SS这一位点也有 1个丝氨酸(Kim
et al.,2006),而其它生物来源的 SS 和 BcSS1 一样不存在这个丝氨酸。由于这一位点不在 SS 与催化
活性有关的结构域内,因此是否与北柴胡 BcSS2 功能相关也还有待进一步的试验验证。
不同物种存在 SS 基因拷贝数不同。拟南芥中存在两个 SS 基因拷贝,研究表明 SS2 基因表达量很
低,或者只在植株特定组织或特定发育阶段表达(Kribii et al.,1997)。本试验中得到的北柴胡 BcSS1
和 BcSS2 两个 cDNA 的差别除了表现在个别位点碱基不同,还表现在 BcSS1 cDNA 在 1 125 碱基后连
续缺失 3 个编码丝氨酸的碱基。目前已得到 SS 序列的物种中,甘草(Glycyrriza uralensis Fisch. G. Glabra
图 5 北柴胡 SS 基因结构示意图(A)及第 11 个内含子可能的剪切位点(B)
A:灰色框表示外显子,灰色框之间的黑粗线表示内含子,两端的虚线表示未测到的基因片段,数字分别为每个外显子起止碱基位点及从
基因 5′端开始的外显子数;B:第 11 个内含子在第 1 个 AG 后剪切产生类似于 BcSS2 cDNA 多 1 个丝氨酸密码子的序列,
在第 2 个 AG 后剪切产生和 BcSS1 cDNA 相同的序列。
Fig. 5 Structure organization of B. chinense SS gene(A)and possible cleavage sites of 11th intron(B)
A: Exons are represented by gray solid boxes. Black thick lines between boxes correspond to introns. Dotted lines on two terminals correspond to
fragment not amplified. Beginning and end bases of every exons and exons numbers from 5′end of gene are shown;
B: Cleavage site of 11th intron after the first AG may produce BcSS2 cDNA similar sequence with
an additional codon and after the second AG may produce BcSS1 cDNA.
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L.)也存在相差 1 个碱基的两个 SS cDNA(Hayashi et al.,1999)。分析内含子剪接位点发现第 11 个内
含子可能存在两种剪接方式(图 5,B),均符合 GT-AG 法则,可形成相差 1 个丝氨酸的两种 mRNA。
根据基因与 cDNA 序列比对结果可推测 BcSS1 是克隆到的基因以其中一种剪接方式转录翻译的产物。
BcSS2 cDNA和BcSS1 cDNA相比,与这一基因存在 17个碱基差异(占基因碱基数 0.29%,BcSS2 cDNA
碱基数 1.36%),所以 BcSS2 是否是同一基因以另外一种剪接方式转录翻译的产物,还是基因组中其
它等位基因的表达产物还有待验证。GenBank 序列查询表明目前已登录的柴胡属植物 SS 序列只有三
岛柴胡的 cDNA(Kim et al.,2006),还没有关于其基因序列的报道。本试验首次克隆了北柴胡鲨烯合
酶基因及其 cDNA,为后续北柴胡 SS 基因表达与柴胡皂苷生物合成的相互关系与调控措施研究奠定了
基础。

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