全 文 :第52卷第3期
2 0 1 2年5月
大 连 理 工 大 学 学 报
Journal of Dalian University of Technology
Vol.52, No.3
May 2 0 1 2
文章编号:1000-8608(2012)03-0338-05
变构菌素产生菌S.griseochromogenes接合转移体系建立与优化
王 芬, 邱 荣 国, 唐 莉*
(大连理工大学 分子药物研究中心,辽宁 大连 116024)
摘要:以整合型质粒pSET152为出发质粒,建立并优化了变构菌素产生菌Streptomyces
griseochromogenes(S.griseochromogenes)与Escherichia coli(E.coli)的属间接合转移体系,
确定了适用于变构菌素产生菌灰产色链霉菌的最佳接合转移条件.研究发现Ca2+和甘氨酸
都能够提 高 接 合 转 移 的 效 率,尤 其 是 甘 氨 酸 的 效 果 非 常 显 著.这 一 工 作 对 于 S.
griseochromogenes的基因操作、小分子药物生物合成机制的研究以及具有自主知识产权的药
物衍生物的开发具有普遍的应用价值.
关键词:Streptomyces griseochromogenes;接合转移;甘氨酸;钙离子
中图分类号:Q813 文献标志码:A
收稿日期:2010-10-13; 修回日期:2012-03-14.
基金项目:国家杰出青年科学基金资助项目(30688003).
作者简介:王 芬(1981-),女,博士;唐 莉*(1963-),女,教授,博士生导师,E-mail:tangli63b@yahoo.com.
0 引 言
变构菌素(tautomycetin,TMC)是一种首先从
灰产色链霉菌Streptomyces griseochromogenes
(S.griseochromogenes)的发酵液中分离得到的
聚酮类化合物[1、2].TMC是蛋白磷酸酶1(PP1)的
特异性抑制剂,具有抗真菌和免疫抑制活性,近年
来还发现TMC能够干扰 MAPK信号途径和抑
制肿瘤细胞的生长[3~8].因此,TMC既是细胞分
子生物学研究的重要工具,也是一种新的作用机
制的抗肿瘤候选药物,并具有其他潜在的临床应
用价值.因此,建立一种高效的变构菌素产生菌遗
传操作系统,对于阐明其合成机制,开展TMC的
组合生物合成研究,开发新的药物先导化合物是
非常必要的.
链霉菌中常用的外源遗传物质导入的方法有
PEG介导的原生质体转化法、接合转移法和电击
转化法[9],其中接合转移法不仅可以避开胞外核
酸酶对外源DNA的降解作用,而且操作程序简
单,是放线菌属的遗传操作的重要手段[9~11].穿
梭质粒pSET152含有整合酶和oriT 位点,这就
使得该质粒可通过接合转移方法从大肠杆菌转入
链霉菌,并且整合进入链霉菌的基因组,用于早期
链霉菌接合转移系统的建立和优化.
虽然接合转移方法已经成熟,但是受体菌种
的不同,其最优化的条件也不同.为了能方便快捷
高效地对变构菌素产生菌S.griseochromogenes
进行基因操作,本文建立并优化变构菌素产生菌
S.griseochromogenes的接合转移系统,以使外源
DNA 能 更 高 效 地 进 入 变 构 菌 素 产 生 菌
S.griseochromogenes.
1 材料和方法
1.1 材 料
(1)菌种和质粒
大肠杆菌(Escherichia coli,E.coli)DH5α、
E.coli ET12567/pUZ8002、整合型质粒pSET152
均 由 本 实 验 室 保 藏.变 构 菌 素 产 生 菌
S.griseochromogenes购自美国菌种保藏中心.
(2)培养基
大肠杆菌培养基为LB;链霉菌液体培养基
为TSB,固体培养基为ISP2;大肠杆菌和链霉菌
属间接合转移操作的培养基有 TSB、YPD、MS、
R5和改良高氏一号.
(3)抗生素与生化试剂
本研究所用LATaq聚合酶和检测用引物购
于TaKaRa公司(大连);阿泊拉霉素和萘啶酮酸
均购自Sigma公司(美国).
1.2 培养和基本的遗传操作
(1)链霉菌的培养、DNA的提取
链霉菌的培养、总DNA的提取见文献[12];
质粒提取等基本操作见文献[13].
(2)大肠杆菌与链霉菌的属间接合转移
大肠杆菌与链霉菌的属间接合转移方法见文
献 [12];将 质 粒 pSET152 转 化 入 E.coli
ET12567/pUZ8002,转 化 子 E.coli ET12567/
pUZ8002/pSET152作为供体菌.供体菌接种于
LB培养基(含有50μg/mL卡那霉素、25μg/mL
氯霉素和50μg/mL阿泊拉霉素)中,37℃培养
过夜.次日按1∶50的比例接种于含相同抗性的
新鲜LB培养基中,继续培养至OD600=0.4~
0.6;该培养物用LB培养基洗涤2次后,用新鲜
的LB培养基悬浮备用.刮取新鲜的灰产色链霉
菌孢子,打散后用灭菌水洗1遍,加入等体积的
TSB培养基,于50℃水浴热激处理10min,孢子
悬液放置到37℃的摇床预萌发直至长出芽管,将
处理好的大肠杆菌和长出芽管的孢子悬液混合,
涂布于含有10mmol/L MgCl2的 MS平板,于30
℃培养约24h后用含有50μg/mL萘啶酮酸和
阿泊拉霉素的1mL水溶液均匀覆盖平板表面.
将平板继续置于30℃培养直至观察到接合转移
子为止.
(3)PCR扩增反应验证接合转移子
为了对阳性接合转移子进行PCR验证,在所
选用质粒pSET152阿泊拉霉素抗性基因内部设
计AMF和AMR 1对引物,扩增aac(3)IV基因
中大小约为700bp的片段.
筛选得到的阳性接合转移子接种于含有抗生
素的液体 TSB培养基中培养约24h,收集菌丝
体,提取总 DNA 作为模板,野生型菌株的总
DNA为阴性对照,pSET152质粒为阳性对照,以
AMF、AMR为引物,进行PCR扩增验证.所用的
PCR条件反应程序为96℃,2.5min;94℃,30
s;50℃,40s;72℃,1min;30个循环;72℃延伸
10min.
引物序列如下:
AMF:5′-CTCACGTTAAGGGATTTTG-3′
AMR:5′-ATGAGCTCAGCCAATCGA-3′
2 结果和分析
2.1 培养基的优化
在接合转移系统中,含有可转移质粒的大肠
杆 菌 作 为 供 体 (E.coli ET12567/pUZ8002/
pSET152),受体可以是链霉菌孢子或营养菌丝.
据文献报道,孢子的接合转移效率比菌丝高3~4
个数量级.因此本研究选择孢子悬浮液作为受体.
常用的链霉菌接合转移系统为含10mmol/L
MgCl2 的 MS培养基,本研究同时选用了含有10
mmol/L MgCl2 的 MS、TSB、YPD、R5和改良高
氏一号培养基进行接合转移效率的比较.
研究结果表明,以pSET152为供体质粒时,
MS培养基的接合转移效率为其他培养基的5~10
倍,因此对变构菌素产生菌S.griseochromogenes
进行接合转移操作时选择 MS培养基.
2.2 大肠杆菌与链霉菌数量比的优化
在大肠杆菌-链霉菌的接合转移中,供体菌和
受体孢子的混合比例非常重要,如果供体大肠杆
菌用量过大,则受体孢子的生长受到抑制难以生
长,使接合转移效率显著下降甚至失败;如果受体
孢子的量过大,供体不足,则易造成链霉菌生长过
快,致使接合转移效率低下.
在 本 研 究 中 发 现 变 构 菌 素 产 生 菌
S.griseochromogenes的生长会明显抑制大肠杆
菌的生长,因此为了能够得到较多的接合转移子,
比较了受体与供体比例1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、
1∶6、1∶8、1∶10、1∶15几个不同梯度.当变构
菌素 产 生 菌 S.griseochromogenes 与 E.coli
ET12567/pUZ8002/pSET152按照1∶1、1∶2
的比例混合培养12h后,MS平板上会出现一层
白色的链霉菌菌丝体,也就是说受体过多,生长过
快,该浓度不适合用于接合转移体系;当浓度比达
到1∶10时,接合转移的效率最高,分别约是浓度
比为1∶3时的10倍,约是1∶4时的6倍,约是
1∶6时的3.5倍,约是1∶8时的1倍;将比例调
整到1∶15,接合转移效率降低,其原因可能是大
933 第3期 王 芬等:变构菌素产生菌S.griseochromogenes接合转移体系建立与优化
肠杆菌和链霉菌混合培养时互相竞争,而链霉菌
的生长速度明显慢于大肠杆菌,供体大肠杆菌用
量过大,则受体孢子的生长受到抵制,使得接合转
移效率下降.
2.3 预处理条件的优化
进行接合转移遗传操作时,为了促进孢子萌
发,抑制菌体对外源质粒的限制性,通常需要对孢
子进行热激处理,所以热激的温度是影响接合转
移效率的重要因素.为了确定适合于变构菌素产
生菌孢子的热激处理条件,本文对经典的链霉菌
接合转移的热激条件50℃、10min和45℃、10
min进行对比.热激处理后,将孢悬液置于37℃
摇床进行预萌发,每隔15min取样镜检,于2h
后能看到芽管,将萌发出芽管的孢子和供体细胞
混合后涂布于 MS平板上以筛选接合转移子.
如图1所示,经过45℃热激处理的孢悬液的
接合转移效率(η)明显高于50℃的,并且经过45
℃热激处理的孢子萌发率是50℃热激的孢子萌
发率的1.5倍.
图1 不同热激温度对接合转移效率的影响
Fig.1 Influence of different heat treatment temperatures
on transconjugation frequency
2.4 抗生素浓度的选择
在接合转移体系中,以 E.coli ET12567/
pUZ8002/pSET152为供体菌时,阿泊拉霉素和
萘啶酮酸用来筛选接合转移子.研究表明,变构菌
素产生菌S.griseochromogenes对萘啶酮酸非常
敏感,当培养基中萘啶酮酸的浓度为50μg/mL
时,变构菌素产生菌S.griseochromogenes几乎
不能生长,使得接合转移效率低下;当萘啶酮酸的
浓度为33μg/mL时不影响接合转移的效率;而
当萘啶酮酸的浓度为20μg/mL时,无法抑制大
肠杆菌的生长,影响接合转移子的筛选.
阿泊拉霉素的浓度同样会影响接合转移的效
率.变构菌素产生菌S.griseochromogenes在含
有33μg/mL和50μg/mL阿泊拉霉素的培养基
中产生接合转移子的效率不同,前者约是后者的
3倍;当阿泊拉霉素覆盖的终浓度为20μg/mL,
萘啶酮酸的浓度为33μg/mL时,野生型链霉菌
的生长不受到抑制,无法筛选接合转移子.
2.5 钙离子和甘氨酸对接合转移效率的影响
在接合转移系统中,含有可转移质粒的大肠
杆菌是供体,受体可以是链霉菌孢子或营养菌丝.
也就是说影响接合转移效率的因素除了质粒和外
界环境外,还包括供体和受体.一般情况下,接合
转移的 MS培养基中都加入10mmol/L MgCl2
以提高接合转移的效率.
变构菌素产生菌S.griseochromogenes的生
长周期非常短,代谢快,而甘氨酸能够延长细菌生
长周期的延迟期(lag phase)[14];另外Ca2+能够增
加大肠杆菌细胞膜的通透性.因此本研究中尝试
在 MS培养基内加入一定量的Ca2+和甘氨酸以
观察这些因素对接合转移效率的影响,并且在同
一条件下比较了 Mg2+、Ca2+和甘氨酸3种因素
对接合转移效率的影响.
如图2所示,当 MS培养基内只添加 Mg2+
时,含30mmol/L Mg2+的 MS能够得到相对较
多的 接 合 转 移 子;MS 培 养 基 中 同 时 含 30
mmol/L Mg2+和50mmol/L Ca2+ 时,接合转移
的效率约是仅含有 Mg2+或Ca2+时的2倍;仅含
30mmol/L Mg2+ MS培养基的接合转移效率和
仅含50mmol/L Ca2+ MS培养基的接合转移效
率基本相同.
甘氨酸被认为能干扰链霉菌细胞壁的形成,使
菌丝体片段更短,在研究过程中首先选择含0.33%
甘氨酸的 MS培养基进行接合转移,但是得到的接
合转移子不能产生孢子或者产生的孢子很少,于
043 大 连 理 工 大 学 学 报 第52卷
是将甘氨酸的质量分数降低到0.2%,该条件下
接合转移的效率高而且接合转移子长势良好.
本研究还比较了仅含有30mmol/L Mg2+的
MS培养基和同时含有30mmol/L Mg2+与0.2%
甘氨酸的 MS培养基,后者的接合转移效率约是
前者的10倍;而仅含有甘氨酸的 MS培养基的接
合转移效率约是仅含有 Mg2+的6倍.
综上,变构菌素产生菌S.griseochromogenes
在含有30mmol/L Mg2+、50mmol/L Ca2+ 和
0.2%甘氨酸的 MS培养基上接合转移的效率比
较高.同时也表明了甘氨酸和Ca2+都能够提高接
合转移的效率,而甘氨酸对接合转移效率的影响
更加显著.
图2 在 MS培养基上生长的接合转移子
Fig.2 Exconjugants in the MS medium
2.6 接 合 转 移 子 (S.griseochromogenes/
pSET152)的PCR检测
本研究所设计的引物AMF、AMR用来扩增
位于质粒pSET152上约700bp的片段,因此以
接合转移子(S.griseochromogenes/pSET152)的
总DNA为模板时,能够扩增得到700bp的阳性
条带,而野生菌株并不能扩增出相应条带(图3),
此结果足以证明质粒pSET152已经整合入灰产
色链霉菌S.griseochromogenes的基因组中.
1pSET152质粒的 PCR 扩增产物(阳性对照);
2pSET152 整 合 入 基 因 组 的 接 合 转 移 子
S.griseochromogenes/pSET152的PCR扩增产物;
M Marker DL2000;3野生菌S.griseochromogenes
的PCR扩增产物(阴性对照)
图3 接合转移子的PCR鉴定结果
Fig.3 PCR identification of exconjugants
3 结 论
本文建立并优化了适合于变构菌素产生菌
S.griseochromogenes的遗传操作接合转移方法.
确定了灰产色链霉菌S.griseochromogenes的最
佳接合转移条件为E.coli ET12567/pUZ8002/
pSET152于37℃培养至OD600=0.4~0.6收集
菌体,用LB培养基洗涤菌体2次.刮取新鲜的孢
子用灭菌水洗1遍后,加入等体积的 TSB培养
基,45℃水浴热激处理10min,冷却至室温后在
37℃条件下预萌发约2h至长出芽管,将处理好
的大肠杆菌和长出芽管的孢悬液按照10∶1的比
例混合,涂布于含有30mmol/L Mg2+、50mmol/L
Ca2+和0.2%甘氨酸的 MS平板,30℃培养16~
18h后用终浓度为33μg/mL 阿泊拉霉素和
33μg/mL萘啶酮酸进行覆盖,30℃继续培养约
36h后即可观察到接合转移子.
到目前为止,已经报道的变构菌素产生菌
S.griseochromogenes的遗传操作均采用接合转移
方法,但本文的研究对常规方法进行了改进和优
化,尤其是发现甘氨酸和Ca2+能够提高接合转移
的效率,特别是甘氨酸对接合转移效率的影响非
常显著,使变构菌素产生菌S.griseochromogenes
的接合转移易于操作,大大提高了效率,节约了时
间,具有普遍的应用价值.
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Establishment and optimization for conjugal transfer system
of tautomycetin-producing strain S.griseochromogenes
WANG Fen, QIU Rong-guo, TANG Li*
(Research Center for Molecular Medicine,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)
Abstract:Intergeneric conjugal transfer system from Escherichia coli (E.coli)to tautomycetin-
producing strain Streptomyces griseochromogenes (S.griseochromogenes)is established and
optimized,which uses integrative plasmid pSET152as starting plasmid.The best conjugal transfer
conditions for S.griseochromogenes are demonstrated.And it is found that Ca2+ and especialy
glycine,can increase the efficiency of exconjugates.The experimental results are very helpful to
genetic manipulation of S.griseochromogenes,bio-synthesized mechanism research for smal molecule
drugs and for developing new analogs of drug with independent knowledge property.
Key words:Streptomyces griseochromogenes;conjugal transfer;glycine;Ca2+
243 大 连 理 工 大 学 学 报 第52卷