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Cloning and sequence analysis of full length of mulberry (Morus alba) actin gene

桑树肌动蛋白actin基因全长序列的克隆与分析



全 文 :广 西 植 物 Guihaia 32(3):362-366                       2012年5月 
DOI:10.3969/j.issn.1000-3142.2012.05.016
桑树肌动蛋白actin基因全长序列的克隆与分析
孔卫青,杨金宏
(安康学院 陕西省蚕桑重点实验室,陕西 安康725000)
摘 要:肌动蛋白在植物的各种生理活动中起着重要作用,是研究基因表达与调控模式的内标参考。通过染
色体步移方法获得了桑树肌动蛋白actin基因1 612bp的序列,该基因CDS长1 312bp(GenBank登录号:
HM623866),编码377个氨基酸残基,与水稻、葡萄等的同源基因的序列一致性在90%以上。基因内含子的
数目及其在基因组上的位置也与水稻、葡萄等的相似。对来自不同物种的24个肌动蛋白基因进行聚类分析
的结果显示,基因被分为ClassⅠ和ClassⅡ两个明显的亚群。
关键词:桑树;肌动蛋白;染色体步移;克隆;序列分析
中图分类号:Q943  文献标识码:A  文章编号:1000-3142(2012)03-0362-05
* Cloningand sequence analysis of ful length
of mulberry(Morus alba)actingene
KONG Wei-Qing,YANG Jin-Hong
(Key Sericultural Laboratory of Shaanxi,Ankang University,Ankang 725000,China)
Abstract:As a standard reference model of gene expression and regulation,actins play important roles in plants.In
this study,the ful length 1 612bp of actingene from mulberry was cloned by means of chromosome walking.Its
CDS was 1 312bp in length,encoding 377amino acid residues.Homology analysis of the deduced amino acids showed
above 90%identity with the actins from rice and grape,et al.The number and site of introns was conservative with
rice and grape,too.Cluster analysis of actins from 24species indicated that these genes were divided into two sub-
groups of Class I and ClassⅡ.
Key words:Morus alba;actin;chromosome walking;cloning;sequence analysis
  植物肌动蛋白(Actin)广泛存在于植物界,是一
种高度保守的蛋白质。由肌动蛋白单体聚合形成的
微丝,参与了真核细胞骨架网状蛋白体系的形成,并
赋予细胞强度以及对各细胞器及某些大分子的空间
组织安排(Colings等,2002;Vidali等,2002)。研
究发现,肌动蛋白在高等植物的花粉、茎韧皮部、叶
表皮细胞、叶鞘细胞、根毛、卷须、内果皮和茎形成层
等组织中均有表达(李园莉等,2002),肌动蛋白骨架
体系可能与许多病毒的侵染、运输、复制以及子代病
毒粒子的装配等过程有关(Philip等,2009)。阎隆
飞等(1963)首次提出高等植物中存在肌动蛋白的表
达。目前已有多个植物如水稻(Oryza sativa)、拟
南芥(Arabidopsis thaliana)、棉花(Gossypium hir-
sutum)、烟草(Nicotiana tabacum)等的actin基因
被克隆和测序分析(McElroy等,1990;McDowel
等,1996;Li等,2005;Thangavelu等,1993)。这些
基因高度相似,可能由共同的祖先不断复制和分化
遗传下来,且基因的表达也比较稳定,常被用作植物
基因表达调控研究的目的基因在 mRNA水平表达
的内标基因(Thelin等,1999)。
* 收稿日期:2011-10-31  修回日期:2012-01-09
基金项目:陕西省教育厅科技计划项目(09JS011,2010JK391)[Supported by Science and Technology Planning Project of Educational Commission
of Shaanxi Province(09JS011,2010JK391)]
作者简介:孔卫青(1980-),女,山东成武县人,博士,副教授,主要从事生物技术研究,(E-mail)weiqing_kongwq@126.com。
桑树(Morus alba)不仅是蚕桑生产的主要物质
基础,还是一种重要的降血糖药用植物资源(徐建飞
等,2010)。近年来,已从分子生物学的基础上对桑
树进行研究。肌动蛋白作为一个重要的基因,Gang
等(2008)报道了第一条桑树肌动蛋白序列的片段
(登录号:DQ785808.1),本文在该序列片段的基础
上,采用热不对称性PCR(thermal asymmetric in-
terlaced PCR,TAIL-PCR)方法获得桑树肌动蛋白
actin基因的全长序列,并分析了基因的结构,为研
究桑树基因表达与调控模式提供内标参考。
1 材料与方法
1.1材料与主要试剂
选取桑树“沙2×伦109”十天生叶片。基因组
提取试剂盒、Genome Walking Kit、EX taq酶、胶回
收试剂盒、pMD19-T simple vector购自大连宝生物
工程有限公司。大肠杆菌DH5α购自上海生物工程
公司,质粒提取试剂盒购自北京天根。
1.2方法
1.2.1桑树基因组 DNA 的提取与内含子序列的
PCR扩增 以基因组提取试剂盒提取的“沙2×伦
109”桑树十天生叶片基因组为模板,以 Primer
premier 5.0软件根据已有actin基因的序列设计的
引物AcF和5sp1(表1),进行PCR扩增桑树actin
基因位于该区域的第一、二内含子。扩增产物经
1.0%琼脂糖凝胶电泳分析和胶回收纯化,连接至
pMD19-T simple载体,并转化大肠杆菌DH5α感受
态细胞,阳性重组质粒送invitrogen公司测序。
1.2.2基因组步移法获取桑树actin基因3′端和5′
端序列 根据基因组步移试剂盒使用说明和本研究
已获得的桑树actin基因的 DNA 序列,设计引物
(表1)扩增基因的编码序列以及5′端序列和3′端序
列。具体步骤为:以桑树基因组DNA为模板,AP1
表1 本研究使用的引物
Table 1 Primers used in this study
引物Primers 核酸序列(5′-3′)Nucleotide sequence(5′to 3′) 引物Primers 核酸序列(5′-3′)Nucleotide sequence(5′to 3′)
AcF  GACAATGGAACTGGAATGGTG  3sp1 GCCAAGAGCGGTTCCTCGGTTGA
5sp1 GACTTGTGGGCATCGGTATCTCT  3sp2 GAGATACCGATGCCCACAAGTCCT
5sp2 ACGACCACTGGCGTAAAGGGAGA  3sp3 TGTGCTCAGTGGTGGTTCAACTATG
5sp3 CATCCTTCTGACCCATCCCAAC  ActinF  GCGATTCGCTTTCTTCATTCTC
5sp4 CGACCAACAATACTTGGGAAAACTG  ActinR  ACTCGCCCTTGGAAATCCACA
和5sp2进行第一次热不对称PCR反应,PCR程序:
94℃1m;98℃1m;94℃30s,60℃1m,72℃2
m,5cycles;94℃30s,25℃3m,72℃2m后,进行
15个循环的94℃30s,60℃1m,72℃2m,2cycles
和94℃30s,44℃1m,72℃2m反应,最后72℃
10m。后AP1、5sp3引物与AP1、5sp4引物分别进行
第二次和第三次PCR反应,模板分别使用为稀释100
倍后的第一次PCR反应液和第二次PCR反应液1
μL,两次PCR反应程序与第一次PCR反应的后15
个循环及其后的延伸程序相同。
  同样分别以3sp1、3sp2和3sp3与AP1组合进
行3次PCR反应,扩增基因的3′端序列,3次PCR
反应程序同前。分别切胶回收第三次PCR产物,与
pMD19-T simple载体连接,转化大肠杆菌DH5α感
受态细胞,阳性重组质粒送invitrogen公司使用
M13primers进行测序。
1.2.3桑树actin基因全长序列的获取与序列分析
 根据获得的3′和5′端序列与已知核心序列推测
的编码框设计引物 ActinF和 ActinR,并以桑树基
因组的DNA和cDNA为模板进行PCR扩增基因序
列。Sim4程序分析基因结构,Clustal X1.83软件进
行基因的多序列比对并对基因进化特征进行分析。
2 结果与分析
2.1桑树actin基因序列的获得
琼脂糖凝胶电泳 AcF和5sp1引物的PCR扩
增产物,结果在1 000bp处出现一扩增条带,回收
纯化后进行克隆、测序(图1)。测序结果与原序列
进行比对,获得了actin基因的第一、二内含子。根
据染色体步移试剂盒使用说明进行 TAIL-PCR反
应扩增基因的5′端序列,扩增产物的1.0%琼脂糖
凝胶电泳在约360bp处有一扩增条带(图2),回收
该条带并进行克隆测序和序列拼接,获得基因的5′
端序列。同样分别以3sp1、3sp2和3sp3与AP1组
合进行PCR反应,获得了基因的第三个内含子和3′
3633期         孔卫青等:桑树肌动蛋白actin基因全长序列的克隆与分析
末端序列。
  所有序列进行拼接,并根据拼接序列设计引
物ActinF和 AcitnR,分别以桑树基因组 DNA和
桑树RNA反转录的cDNA为模板进行PCR扩增
基因的DNA和cDNA序列,结果分别在约1 400
bp和1 100bp处获得单一条带(图3),测序该条带
验证其确实为所得序列。
图1 桑树actin基因第一、二内含子的
PCR扩增 (箭头所指为扩增条带)
Fig.1 PCR amplication of 1st and 2ndintron of mul-
berry actingene(The band is pointed by arrow)
图2 actin基因5′末端的染色体步移扩增
Fig.2 TAIL-PCR of the end of actingene 5′
M.DL2000分子标记;1,2,3分别为第三次、第二次和第一次扩增。
M.DL2000marker;1,2,3 are the 3rd,2nd,
and 1st PCR amplication,respectively.
2.2桑树actin基因序列分析
桑树actin基因cds长1 312bp(图4,GenBank
登录号:HM623866),编码377个氨基酸,预测蛋白
分子质量为41.6kDa,氨基酸序列中含有肌动蛋白
家族保守的 ATP、Gelsolin和 Profilin结合位点。
sim4程序分析该基因有4个外显子,外显子/内含
子边界符合GT-AG规则。内含子分别位于距起始
密码子60、454和1 068bp处,大小分别为119、81
和92bp(图4),与其它物种水稻、葡萄(Vitis vinif-
图3 桑树actin基因的PCR扩增
Fig.3 PCR amplication of mulberry actin
1.DNA模板;2.cDNA模板;M.DL2000分子标记。
1.DNA template;2.cDNA template;M.DL2000marker
era)、毛白杨(Populus trichocarpa)等所含内含子
的数目、位置较为相似(图5),但序列差异较大。而
基因的核苷酸、氨基酸序列与同源基因的多序列比
对结果表明:外显子部分核苷酸和氨基酸序列均有
较高的相似性,尤其氨基酸序列一致性在90%
以上。
  以酵母(Saccharomyces cerevisiae)肌动蛋白基
因为外群,对来自葡萄、毛白杨、玉米(Zea mays)、棉
花和拟南芥等共24个肌动蛋白基因进行聚类分析
(图6),结果所有肌动蛋白被分为两个亚群ClassⅠ
和ClassⅡ,这与Zhang等(2010)所构建的结果相
似,说明肌动蛋白基因的分化可能发生在物种分化
之前,本研究获得的桑树actin基因归入ClassⅠ,
与毛白杨的ptact9(XP_002316289)同源性最近,这
也与其形态学分类一致。
3 结论与讨论
肌动蛋白是生物体内重要的结构蛋白,广泛存
在于高等植物的各种组织细胞中,参与许多重要的
生命活动。高等植物的肌动蛋白由375~377个氨
基酸组成,具有高度的保守性和同源性,这与肌动蛋
白作为细胞骨架的保守功能是一致的(Liang等,
2004)。与该结果一致,本研究克隆的桑树肌动蛋白
也由377个氨基酸组成,序列中含有肌动蛋白家族
保守的 ATP、Gelsolin和 Profilin结合位点,与水
稻、葡萄、毛白杨等的同源序列的一致性在90%
以上。
  在基因结构上,本研究克隆的桑树acitn基因
由4个外显子和3个内含子组成,内含子的两端序
463 广 西 植 物                  32卷
图4 桑树肌动蛋白基因及推导的氨基酸序列
Fig.4 Gene and deduced amino acid sequence of mulberry actin
斜体部分(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ核苷酸)为序列内含子;加粗部分为引物序列。
Italic nucleotides ofⅠ,Ⅱ,andⅢindicate the introns;bold-faced nucleotides are the primer sequences.
图5 桑树与水稻、葡萄、毛白杨肌动蛋白基因所含内含子的数目、位置结构图
Fig.5 Number and location map of actingene from mulberry,rice,grape,and poplar
列符合典型的GT-AG法则,属于真核生物拼接位
点很保守的第二类内含子。与水稻等的同源基因的
内含子数量及其在基因的位置也极其相似,尤其第
一个内含子通常都位于第20个密码子处,由此可
见,肌动蛋白是生物进化中的一类高度保守的基因。
TAIL-PCR是在PCR技术的基础上发展起来
的染色体步移技术,用于扩增已知序列旁侧的未知
DNA片段。其原理是通过高退火温度的长特异引
物和短的低退火温度简并引物的热不对称(高严谨
性PCR和低严谨性PCR交替)循环程序,有效扩增
特异产物,具有简单快速、特异性高等特点,近年来,
成为分子生物学研究中非常实用的基因侧翼序列克
隆技术(Qin等,2003;Antal等,2004)。但是该技术
所获得的侧翼序列的长度存在很大的随机性,本研
究利用该技术分别获取了桑树actin基因5′端和3′
端均约360bp左右的序列。本研究在已获得序列
5633期         孔卫青等:桑树肌动蛋白actin基因全长序列的克隆与分析
图6 不同物种肌动蛋白基因聚类分析
Fig.6 Clustering analysis of actinfrom different species
的基础上再次使用该技术以期进一步获得基因的启
动子序列,未获得成功,说明在一个位置可能不能重
复使用该技术进行进一步延伸。
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