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Study on expression of curcin gene cloned from Jatropha curcas in Escherichia coli

麻疯树核糖体失活蛋白curcin在大肠杆菌中高效表达条件的研究


目的:编码麻疯树毒蛋白(curcin)成熟蛋白的基因原核表达载体的构建及其高效表达条件的研究。方法:根据GenBank上麻疯树的cDNA序列设计引物,用PCR方法从麻疯树基因组中扩增得到编码麻疯树毒蛋白成熟蛋白的基因;将其导入原核表达载体pQE 30,pET 32中,并将其转入大肠杆菌获得重组菌株。在不同诱导剂、不同温度、不同诱导时间等条件下诱导其产生重组蛋白并进行检测比较。结果:用PCR方法从麻疯树基因组中扩增得到编码麻疯树毒蛋白成熟蛋白的基因,成功构建了原核表达载体pQE R,pET R,并获得重组菌株PRM,PRB。在不同诱导剂、不同温度、不同诱导时间等条件诱导下,PRB均无重组蛋白产生,而PRM却能以包涵体的形式表达curcin。结论:重组菌PRM在诱导6 h,28 ℃,IPTG 05 mmol·L-1时表达curcin蛋白的效率最高。

Objective: To construct mature protein curcin gene prokaryotic expression vectors in Escherichia coli and choose the optimal inducing condition of the recombinant strains. Method: The gene encoding of curcin was amplified from the genome of Jatropha curcas seeds by PCR and cloned into the expression vectors pQE 30 and pET 32 obtaining recombinant vectors pQE R and pET R respectively. The two vectors were transferred into E. coli BL21 (DE3) and the recombinant strains PRM and PRB were attained respectively. PRM and PRB were induced by different revulsants and under different temperature and time. Result: The gene encoding of mature protein curcin was amplified by PCR and the recombinant strains PRM and PRB were obtained. Conclusion: The results showed that PRB could not produce recombinant protein under such conditions. However, PRM could highly produce recombinant protein induced by 0.5 mmol·L-1 IPTG at 28 ℃ for 6 h.


全 文 :麻疯树核糖体失活蛋白 curcin在大肠杆菌中
高效表达条件的研究
罗孟军1,2,陈 放2,颜 钫2,刘伟信1
(1.成都市计划生育技术指导所,四川 成都 610031;
2.四川大学 生命科学学院,四川 成都 610064)
[摘要] 目的:编码麻疯树毒蛋白(curcin)成熟蛋白的基因原核表达载体的构建及其高效表达条件的研究。方法:根据
GenBank上麻疯树的cDNA序列设计引物,用PCR方法从麻疯树基因组中扩增得到编码麻疯树毒蛋白成熟蛋白的基因;将其
导入原核表达载体pQE30,pET32中,并将其转入大肠杆菌获得重组菌株。在不同诱导剂、不同温度、不同诱导时间等条件下
诱导其产生重组蛋白并进行检测比较。结果:用PCR方法从麻疯树基因组中扩增得到编码麻疯树毒蛋白成熟蛋白的基因,成
功构建了原核表达载体pQER,pETR,并获得重组菌株 PRM,PRB。在不同诱导剂、不同温度、不同诱导时间等条件诱导下,
PRB均无重组蛋白产生,而PRM却能以包涵体的形式表达curcin。结论:重组菌PRM在诱导6h,28℃,IPTG05mmol·L-1
时表达curcin蛋白的效率最高。
[关键词] 麻疯树;核糖体失活蛋白;表达载体;大肠杆菌;诱导表达
[收稿日期] 20080713
[基金项目] 国家“十五”科技攻关课题(2004BA411B01)
[通信作者] 刘伟信,Tel:(028)86630521,Email:liuweixind@
163.com
  麻疯树 JatrophacurcasL.是大戟科 Euphorbi
aceae麻疯树属Jatropha的植物,其叶和种子可提取
杀灭钉螺[1],治疗创伤及癌症的药物[2]。在许多国
家和地区麻疯树常被用于清热解毒、消肿散瘀。但
麻疯树种子对动物,如小白鼠[3]、羊[4]及人,特别是
幼儿[5]表现出毒性,且具有致死作用。1976年,
Stripe首次从麻疯树种子中分离出了麻疯树毒蛋
白[6],后来的研究证实了麻疯树种子含毒成分主要
是种子毒蛋白(curcin)。进一步的研究表明,麻疯
树毒蛋白 curcin是一种 I型核糖体失活蛋白,具抗
癌活性[7],是一种具开发成为新型抗癌药物潜力的
蛋白。常规的获得蛋白质的方法是从种子中提取,
这种方法不但工作量大,而且所获得的蛋白质的质
量极不稳定,因此人们试图寻找一种简便而有效的
能大量获得这种有开发潜力蛋白的方法。curcin是
一种糖蛋白,其糖基化并非生理功能所必须[8],这
样就为其在大肠杆菌中的重组表达提供了理论上的
可能性。但是该方法也存在一些困难,如表达产物
是否对原核宿主细胞有毒性、表达效率等。至今未
见利用原核表达系统生产curcin蛋白的成熟生产工
艺的报道,但原核表达系统的巨大优越性仍值得去
尝试。因此,本研究在前人研究的基础上,对编码麻
疯树毒蛋白curcin成熟蛋白的基因进行克隆、并构
建其原核表达载体,通过采用不同的诱导条件优化
curcin表达的最佳条件,为进一步研究利用 curcin
奠定基础。
1 材料和方法
1.1 材料
麻疯树种子采集于四川省攀枝花市。大肠杆菌
E.coliJM109,BL21(DE3)为四川大学生物工程实
验室保存。质粒载体pMD18Tvector,pQE30,pET
32购自大连宝生生物公司。
1.2 方法
1.2.1 curcin蛋白基因的分离克隆 采用稍加改
进的CTAB法提取基因组 DNA[9]。由于该蛋白基
因组内不含内含子,故根据 GenBank上 curcin的全
长 cDNA(AY069946)序列设计编码麻疯树毒蛋白
curcin成熟蛋白的PCR引物CT1:ACTGGATCCGCT
GGTTCCACTCCAACTTT(BamHI),CT2:CAC
GAGCTCATACATTGGAAAGATGAGGA(SacI),用
PCR法(94℃预变性5min,随后94℃40s,55℃1
min,72℃ 15min30个循环,最后72℃ 5min)扩
增出表达麻疯树毒蛋白的基因片段(约 900bp)。
按试剂盒(上海华舜)上的说明对获得的片段进行
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回收、纯化。并连接到 pMD18T载体,转入大肠杆
菌JM109感受态细胞中,筛选重组子并测序。
1.2.2 原核表达载体的构建 将含 pMD18T/cur
cin质粒和载体pQE30,pET32的 E.coliJM109接
种在50mLLB液体培养基中培养,按 Sambrooket
al[10]的碱变性法提取质粒 DNA。用 BamHI和 SacI
酶切 pMD18T/curcin质粒,1%琼脂糖电泳分离酶
切片段后,用胶回收试剂盒(上海华舜)回收目标片
段,获得带酶切位点(BamHI和SacI)之间的目的片
段。
用T4DNA连接酶将目的片段分别与以同样双
酶切后的表达质粒pET32,pQE30在16℃下连接过
夜,连接产物分别转化大肠杆菌JM109感受态细胞。
挑取重组子并验证。将经菌落PCR、质粒双酶切
及测序鉴定为阳性的重组质粒分别转入E.coliBL21
(DE3)感受态细胞进行表达。同时以不含表达片段
的相应空载体转入相应的感受态细胞为空白对照。
1.2.3 重组菌的诱导表达 将上述表达菌和空白
菌接种于 LB液体培养基中,37℃下摇瓶培养至
A600达到06时,加入诱导剂进行诱导表达,继续培
养6h取出离心后,收集沉淀作 SDSPAGE电泳,电
泳完毕后,将蛋白质电转移到硝酸纤维素膜上。以
RGSHis为一抗,碱性磷酸酶(AP)标记的兔抗鼠
IgG为二抗进行检测,同时以 curcin兔抗血清为一
抗,碱性磷酸酶(AP)标记的鼠抗兔 IgG为二抗进行
Western印迹分析。
不同诱导剂下的诱导表达:将上述表达菌和空
白菌接种于LB液体培养基中,37℃下摇瓶培养至
A600达到06时,分别加入不同浓度的诱导剂进行诱
导表达,继续培养6h取出离心后,收集沉淀作SDS
PAGE电泳检测。
不同温度及培养时间下的诱导表达:挑取经鉴
定后的阳性重组菌株接种到10mLLB/Amp/Kan液
体培养基中,以空白载体为对照。振荡培养至 A600
达到06左右,将培养物平均分成5份,加入 IPTG
至 05mmol·L-1,继续按不同的温度(4,18,28,
37,42℃)培养相应的时间(2,4,6,8,10,16h)后,
取出培养物作SDSPAGE电泳检测。
2 结果分析
2.1 原核表达载体的构建及鉴定
将经BamHI,SacI酶切后所得的表达 curcin成
熟蛋白的基因分别与同样双酶切所得的 pET32
(c),pQE30载体连接,获得的重组质粒 pET32/
curcin,pQE30/curcin。测序结果表明,均含有目的
片段,证明已成功构建了表达载体,分别命名为
pETR,pQER。将此2种重组质粒分别导入E.coli
BL21(DE3)是获得重组菌PRB,PRM。
2.2 curcin在2个表达系统中的诱导表达
2.2.1 不同诱导条件对 curcin重组菌表达的影响
 对照及含有目的基因的重组菌 PRB在 IPTG、木
糖、乳糖(表1)的诱导下均不能产生重组蛋白,而重
组菌PRM在IPTG诱导下可以产生大小约30kD的
重组蛋白质,与所推算的理论大小相一致,且该蛋白
以包涵体的形式表达。经Westernbloting检测表明
所产生的新蛋白条带为麻疯树毒蛋白curcin的重组
蛋白(图1)。但木糖和乳糖却不能诱导 PRM产生
重组蛋白质。IPTG诱导时,浓度为005mmol·L-1
时其诱导产生的重组蛋白条带较为明显,在低于
05mmol·L-1时随浓度的增加其条带有逐渐加深
的趋势;当 IPTG浓度高于05mmol·L-1时,其重
组蛋白带的颜色不再随浓度的增加而加深,表明在
该浓度下,重组蛋白的表达量达到最高(图2)。
表1 不同诱导剂诱导试验方案
诱导剂浓度
/mmol·L-1
表达结果
IPTG 乳糖 木糖
0 - - -
001 - - -
005 + - -
01 + - -
02  - -
04  - -
05  - -
10  - -
20  - -
  注:“-”表示没有重组蛋白产生;“+”表示有重组蛋白产生;
“+”越多则产生的重组蛋白的量越多。
M.marker;1.对照;2.IPTG诱导表达的PRM。
图1 重组蛋白的Westernbloting
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M.marker;1~6.IPTG浓度分别为005,01,
02,03,04,05mmol·L-1;7.阴性对照;8.诱导表达的PRB;
所有的重组菌均诱导培养6h。
图2 重组菌在不同IPTG浓度下的诱导表达
2.2.2 不同温度对表达的影响 在不同温度下
(表2)培养 PRM,PRB,将培养物作 SDSPAGE电
泳。与对照相比,在较低温度下 PRB和 PRM均无
新的蛋白条带产生。而在相对较高温度下,PRM却
能产生与推算的理论大小一致(约为30万)的新蛋
白条带,且经 Westernbloting检测表明所产生的新
蛋白条带为麻疯树毒蛋白 curcin的重组蛋白。在
28,37℃培养时产生的蛋白质的量相对较多;在42
℃时产生重组蛋白质的量较少;在一定的温度范围
内(18~42℃),重组蛋白的表达量随时间的延长而
增加,在诱导后8h表达量即达到最大值。但当蛋
白的量达到一定程度时,其表达量不再随时间的延
长而增加,而是保持在一个相对稳定的水平上。但
无论在什么温度下,PRB均不能产生新的条带(图
3)。结果表明,该基因不适合用载体pET32进行表
达,且该蛋白在PRM菌中的最适表达温度为28℃。
表2 不同温度对重组菌PRM表达的影响
诱导时间
/h
表达结果/℃
4 18 28 37 42
2 - - - - -
4 - - + + -
6 - +   +
8 - +   +
10 - +   
16 -    
  注:“-”表示没有重组蛋白产生,“+”表示有重组蛋白产生,
“+”越多则产生的重组蛋白的量越多。
3 讨论
Curcin是一种Ⅰ型核糖体失活蛋白,能在体外
  
M.marker;1~9.诱导温度分别为18,18,28,28,
37,37,42,42,4℃(奇数带为PRM,偶数带为PRB)。
图3 温度对PRM和PRB表达的影响
抑制肿瘤细胞的活性,其主要的生理生化特征就是
对无细胞体系蛋白质合成具有强烈的抑制效果[7]。
该类蛋白生化性质稳定,制备简便,可与单克隆抗体
等制备免疫毒素,在肿瘤治疗和骨髓移植等方面有
着广泛的应用前景。
本研究成功地构建了麻疯树毒蛋白curcin基因
的原核表达载体 pQER,pETR,将表达载体分别转
化E.coliBL21(DE3)得表达菌PRM,PRB。但在所
设计的表达条件下,PRB不能表达出重组蛋白,说
明载体质粒pET32不适合 curcin的表达。而 PRM
却能在IPTG的诱导下表达出大小约为30万的蛋
白,表明pQE30是curcin表达的适合载体。
在目的基因的异源表达中,表达条件的优化是
目标蛋白质表达量大小的关键。影响大肠杆菌 E.
coli中蛋白表达量的因素除载体启动子结构以外,
还有质粒拷贝数、质粒稳定性等[10]。在温度、诱导
剂种类、诱导时间、培养基等诸多影响因素中,诱导
剂和温度的影响对目标蛋白的表达最为明显。研究
结果表明,在4℃时几乎没有目标蛋白质产生,而当
温度逐渐升高时目标蛋白质的量也不断增加,当温
度到达28℃时,在相同条件下,目标蛋白质的表达
量达到最大;其表达量不再随温度的升高而增加,且
在温度高于37℃时,其表达量有降低的趋势。
在选用的诱导剂 IPTG、木糖、乳糖中,只有
IPTG可以诱导目标蛋白的表达。而乳糖和木糖不
能诱导目标蛋白的表达。可能是由于乳糖或木糖提
高了细菌的生长速度,但是却间接降低了质粒的拷
贝数,导致表达量下降。乳糖浓度太低时,细菌在诱
导表达早期已将乳糖消耗干净,造成诱导不足;乳糖
浓度太高时,细菌生长速度过快,降低了质粒的拷贝
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数,使表达量有所下降[12]。本研究表明,curcin能
在大肠杆菌中进行表达,说明 curcin对原核生物是
无毒性的。
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StudyonexpressionofcurcingeneclonedfromJatrophacurcas
inEscherichiacoli
LUOMengjun1,2,CHENFang2,YANFang2,LIUWeixin1
(1.FamilyPlanningTechnologyInstituteofChengdu,Chengdu610031,China;
2.ColegeofLifeScience,SichuanUniversit,Chengdu610064,China)
[Abstract] Objective:ToconstructmatureproteincurcingeneprokaryoticexpressionvectorsinEscherichiacoliandchoose
theoptimalinducingconditionoftherecombinantstrains.Method:ThegeneencodingofcurcinwasamplifiedfromthegenomeofJat
rophacurcasseedsbyPCRandclonedintotheexpressionvectorspQE30andpET32obtainingrecombinantvectorspQERandpET
Rrespectively.ThetwovectorsweretransferedintoE.coliBL21(DE3)andtherecombinantstrainsPRMandPRBwereatainedre
spectively.PRMandPRBwereinducedbydiferentrevulsantsandunderdiferenttemperatureandtime.Result:Thegeneencoding
ofmatureproteincurcinwasamplifiedbyPCRandtherecombinantstrainsPRMandPRBwereobtained.Conclusion:Theresults
showedthatPRBcouldnotproducerecombinantproteinundersuchconditions.However,PRMcouldhighlyproducerecombinantpro
teininducedby0.5mmol·L-1IPTGat28℃ for6h.
[Keywords] Jatrophacurcas;RIPs;expressionvector;Escherichiacoli;inducedexpression
[责任编辑 吕冬梅]
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