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水稻L-半乳糖内酯脱氢酶基因的克隆和原核表达及抗体的制备

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第36卷第4期 2010年8月 湖南农业大学学报(自然科学版) Journal of Hunan Agricultural University(Natural Sciences) Vl01.36 NO.4 Aug.2010 DOI:l0.3724/SP.J.1238.2010.00381 水稻L一半乳糖内酯脱氢酶基因的克隆和 原核表达及抗体的制备 俞乐 ,刘拥海 ,彭新湘 (1.华南农业大学生命科学学院,广东广州510642;2.肇庆学院生命科学学院,广东肇庆5260611 摘 要:应用RT-PCR技术从水稻叶片中克隆了水稻L.半乳糖内酯脱氢酶(GLDH)的全长基因.序列分析表明, 水稻GLDH基因全长1 752 bp,亚克隆其部分成熟蛋白编码基因(789 bp),利用基因重组技术构建了E.coli/pET30a— GLDHe,经酶切鉴定,DNA测序,证实重组质粒构建正确;将重组质粒转化大肠杆菌Rosseta,IPTG诱导表达, SDS.PAGE分析证实表达出相对分子质量约为36 000的蛋白.用原核表达蛋白作为抗原免疫家兔制备抗体,用 Western blot检测抗体的特异性及效价,结果表明,抗体血清效价为1:1 000,在加IPTG诱导后的菌液中可以检 测到相应的蛋白条带(相对分子质量为36 000),在水稻叶片样品中能检测到1条相对分子质量为36 000的蛋白 条带. 关键词:水稻;L.半乳糖内酯脱氢酶;原核表达;抗体 文献标志码:A 文章编号:1007—1032(2010)04.0381—04 中图分类号:Q785 Cloning,prokaryotic expression of rice L—galactono-1,4-1actone dehydrOgenase gene and preparation of anti-GLDH antibodies YU Le 1,2LIU Yong—hai2PENG Xin—xiang 1 ,,(1.College of Life Sciences,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China;2.College of Life Sciences,Zhaoqing Universiy,Zhaoqitng,Guangdong 52606 1,China) Abstract:The full length of L—galactono-1,4-lactone dehydrogenase(GLDH)gene was ampliifed by RT-PCR from rice leaves and sequenced.The mplaiifed gene was about I 752 bp.The coding region for part of mature protein(789 bp) was subcloned into pET-30a(+).The recombinant plasmid pET30a—GLDHe was identiifed by enzyme digestion and DNA sequencing.Data of SDS—PAGE indicated that a 36 000(relative molecular mass)protein was expressed.The antiserum against GLDH was generated by immunizing rabbits wih tthe prokaryotic expressed protein.The polyelonal ntaibody was analyzed by Westem blot for its speciicify and ttiter.The antibody could recognize GLDH protein specificallyanditstiterwas about1:1 000. Key words:rice;L—galactono-1,4-lactone dehydrogenase;prokaryotic expression;antibodies 抗坏血酸(AsA)对植物自身的抗氧化、光保护 以及调节生长发育等都有重要作用 卜 .L一半乳糖途 径是公认的植物AsA的主要合成途径 ,在该途径 中,L一半乳糖内酯脱氢酶(L—galactono一1,4一lactone 收稿t3期:2009.12.14 dehydrogenase,GLDH,EC1_3.2.3)直接氧化L一半乳糖 内酯(L—galactono一1,4一lactone,Ga1)生成AsA,是植物 AsA生物合成途径中最后一步的关键酶 】. GLDH最早从豌豆中得以鉴定 引,此酶定位于 基金项目:国家自然科学基金项I ̄(30870184) 作者简介:俞乐(1974一),女,广西玉林人,博士,讲师,从事植物逆境生理与分子生物学研究,yule@zgu.edu.ca 382 湖南农业大学学报(自然科学版) 2010年8月 植物细胞线粒体内膜上,专一地以细胞色素c (Cytc)作为酶反应的电子受体,催化还原Cytc,同 时氧化Gal生成AsA[ .已从花椰菜 和甘薯 中纯 化得到GLDH,它们由相对分子质量为56 000的单 一公司合成,序列如下:GF1:5 cTAGAGcTIoGG AAAACa A1TrCG rC.3 ,引入酶切位点SacI; GR1:5r_CGGCAAGCTTCAATCAGCACAACCTTA C一3,引入酶切位点Hindll1. 多肽组成,都含有对酶活性起重要作用的半胱氨 1.2.2原核表达载体pET30a—GLDHe的构建 用已测序的pYL.GLDH质粒作为模板设计引 物,克隆原核表达片段GLDHe,引物序列如下: 酸残基.GLDH的cDNA已从花椰菜I6】、甘薯[ 、 烟草㈣、拟南芥 、甜瓜 及番茄㈣等植物中获得 克隆,来源于不同植物的GLDH基因具有相似的结 构,它们编码具有较高相似性的581-610个氨基酸. 用NCBI网站的Blast和RGP网站的Analysis tools对搜索结果进行分析,发现在水稻基因组 有2个GLDH基因的相似序列,分别位于第11和12 染色体上,其cDNA全长分别为2 152 bp和2 135 bp (GenBank登录号为AK1 02697、AK24 1 565),相似 性达98%,ORF均为1 752 bp,编码583个氨基酸, 所注释的编码产物均为GLDH.笔者以NCBI上推 测的水稻GLDH的cDNA(AK24 1 565)为模板设计引 物,克隆得到水稻GLDH的cDNA,构建原核表达 载体,并在E.coli Rosseta中进行表达.进一步免疫 家兔,制备了水稻GLDH的抗体,以期为研究水稻 GLDH的特点以及与AsA的关系奠定基础. 1材料与方法 1.1材料 水稻粳稻品种中花11、pYL载体、原核表达载 体pET-30a(+)、E.coli/DH5a、Rosseta均为华南农业 大学生命科学学院分子植物生理研究室种植保 存.酶Hindm、SacI,T4DNA连接酶购自 TaKaRa公司,山羊抗兔IgG购自Sigma公司,其 他试剂均为分析纯. 1.2方法 1.2.1水稻GLDH基因的克隆 提取分蘖期水稻叶片总RNA,根据NCBI上已 报道的水稻GLDH全长cDNA序列设计引物GF1、 GR1,通过RT-PCR扩增获得目的片段,PCR扩增 反应参数为:94℃,25 s;55.5 0C,30 s;72 ̄C,2 min; 28个循环.片段连接pYL载体后,转化E.coilDH5ct, 酶切检测法鉴定重组子,挑选阳性克隆测序鉴定. 引物GFI、GR1由上海生工生物工程技术服务有限 GF2:5'-GCGCGAGCTCAAGTTTACCTCAAA-3 . 引入酶切位点 cI;GR2:5'-CGGCAAGCTTCAA TCAGcACAAcC兀Ac一3 ,引人酶切位点Hindm. PCR扩增反应参数为:94℃,30 S;55.5℃, 40 S;72℃,1 min;25个循环.回收PCR产物, 用Hindlll和SacI双酶切后与同样酶切的pET-30a(+) 连接,转化E.coli DH5a,用酶切检测法鉴定重组子, 挑选阳性克隆测序鉴定,用测序正确的质粒转化E. coli Rosetta. 1.2.3 pET30a—GLDHe的原核表达 挑含有pET30a.GLDHe的单菌落至含相应抗 生素的LB液体培养基中振荡培养,37℃、200 r/min 培养至OD6o0 为0.4~0.6,加入IPTG至终浓度为 1 mmol/L,分别于诱导前,诱导后1、3、4、5、6 h 取样,进行SDS—PAGE电泳分析. 1.2.4抗备和Western blot分析 将诱导后的菌液离心后去掉上清,重悬细菌后 进行超声破碎处理,离心回收沉淀,SDS.PAGE电 泳分离目的蛋白,目的蛋白凝胶条带和无菌水以及 弗氏完全佐剂匀浆,充分乳化.第1次注射免疫家 兔时使用弗氏完全佐剂,随后的几次注射均采用弗 氏不完全佐剂.第2次注射在10 d后进行,第2次 注射7~10 d后进行第3次注射,第3次注射l0~15 d 后采血. 称取水稻叶片,用SDS.PAGE样品缓冲液匀浆, 离心后取适量上清用于电泳.同时取诱导前后菌液 加SDS.PAGE上样缓冲液点样进行电泳.将蛋白质 电转至NC膜,用5%脱脂奶封后按1:1 000的稀释 比例加入第一抗体,37℃孵育1 h,经洗涤后,按 1:20 000的稀释比例加入第二抗体(山羊抗兔 G), 37℃孵育1 h.最后用底物氮蓝四唑(NBT)和5一溴 .4.氯.3一吲哚磷酸二钠盐(BCIP) ̄色,观察结果. 第36卷第4期 俞乐等 水稻L一半乳糖内酯脱氢酶基因的克隆和原核表达及抗体的制备 383 2结果与分析 2.1 水稻GLDH基因的扩增与鉴定 肽位点与跨膜区域的片段做原核表达,共表达263 个氨基酸,蛋白相对分子质量为30 000,加上His 标签后相对分子质量为36 000. 用特异引物GF1/GR1扩增水稻GLDH基因, 经1%琼脂糖凝胶电泳检测,可见约1 800 bp的产 物(图1). M M DNA marker DL2000;1 PCR产物. — 46 92 138 184 230 276 322 368 414 460 506 552 图3水稻GLDH蛋白的抗原决定簇分析 Fig.3 Antigenic determinants of rice GLDH 2I3原核表达基因片段的扩增与鉴定 图1水稻GLDH基因的RT-PCR扩增 Fig.1 RT-PCR ampliifcation of GLDH gene in rice 产物用性内切酶Hindm和SacI酶切,连 接到pYL载体上,经酶切(图2)及测序验证结果正 确,无碱基错配,重组质粒命名为pYL—GLDH. 2 000bp 1 000bp 750bp 500 bp M DNA marker DL2000;1、2重组质粒双酶切 图2质粒pYL.GLDH的酶切鉴定 Fig.2 Identiifcation of pYL-GLDH 2.2 GLDH蛋白的抗原表面分析 利用DNASTAR中的Protean程序分析水稻 GLDH蛋白,再用Jameson—wolf方法分析GLDH蛋 白的抗原表位,由图3可见,GLDH全蛋白的抗原 决定簇具体分布位置,横坐标代表氨基酸序列,纵 坐标代表抗原表位.水稻GLDH蛋白的抗原决定簇 分布主要集中在第322到583位氨基酸.试验最初 选用整个ORF进行原核表达,但发现未加IPTG前 菌液的01)值始终只能维持在0.3,不能逐步升高 达到0.5,判断可能是转入了GLDH蛋白的信号肽 和跨膜片段造成菌体死亡,所以改选用不包括信号 以已测序的质粒GLDH.pYL为模板,用引物 GF2/GR2扩增原核表达片段GLDHe,经电泳检测 可见约800 bp的产物(图4). 量 M DNA marker DL2000;1重组质粒双酶切 图5质粒pET30a—GLDHe的酶切检测 Fig.5 Identiifcation of pET30a-GLDHe 2.4重组质粒pET30a—GLDHe的诱导表达 菌液培养到0196o0 为0.5时加入IPTG,诱导 效果如图6.未加入IPTG的菌液中有一蛋白条带 384 湖南农业大学学报(自然科学版) 2010年8月 与目的蛋白条带位置接近,加诱导剂后3 h,目的 薯、花椰菜、拟南芥的GLDH的氨基酸序列进行比 对分析,发现它们在N端均存在有一段推测的线粒 蛋白被大量诱导表达.取经诱导3 h的菌液进行目 的蛋白分离用于免疫家兔,电泳时注意相近蛋白条 体定位结构域序列,并存在有信号肽的切割位点 带的充分分离. 96 000 66 000 43 000 31 000 22 000 l4 000 目的蛋白 M蛋白marker;O~5 IPTG诱导0、1、3、4、5、6 h的Rosseta/ pET30a—GLDHe样品. 图6 Rosseta/pET30a-GLDHe的SDS—PAGE分析 Fig.6 SDS-PAGE analysis of Rosseta/IlET30a-GLDHe 2.5 Western杂交检测抗体的效价 Western杂交结果(图7)显示,用稀释1 000倍 的抗体血清在加IPTG诱导后的菌液中可以检测到 相应的蛋白条带(相对分子质量36 ooo),而在水稻 叶片样品中,在相对分子质量54 000的位置未能发 现预期蛋白条带,只能检测到1条小于预期蛋白的 条带(相对分子质量为36 ooo). 96 000 66 000 43 000 31 000 22 000 M蛋白marke;1水稻叶片样品;2 IPTG诱导3 h的RossetaJ pET30a-GLDHe样品;3 IPTG诱导0 h的Rosseta/pET30a-GLDHe样品. 图7 GLDH抗体效价检测 Fig.7 GLDH antibody titer assay 3讨论 克隆的水稻GLDH全长基因与GenBank登录 号为AK241565的水稻GLDH序列的相似性为 100%,与其他已报道植物GLDH氨基酸序列的相 似性均达到70%以上,说明该基因相对保 守.Pateraki等[12]对甜瓜、草莓、烟草、番茄、甘 FR/YA.该信号肽的特点是相对富含Ala、Leu、Arg 和Ser,而少含Asp、Glu、val和I1elj引.本研究曾 采用原核表达载体pET-30a表达GLDH全长基因, 但没有获得成功,将GLDH的信号肽以及跨膜片段 缺失,结果在Rosseta/pET-30a中获得高效表达,这 表明信号肽和跨膜片段在表达中起负作用,可能是 信号肽和跨膜片段带有疏水蛋白,不利于外源基因 在原核中的表达. Bartoli等 J的Western杂交结果显示,在马铃薯 叶中可检测到相对分子质量为56 000的GLDH成熟 蛋白条带和相对分子质量分别为30 000、28 000、 26 000的GLDH蛋白降解片段.Tabata Ⅲj在烟草 细胞中分别检测到相对分子质量为68 000(带信号 肽蛋白)、56 ooo(无信号肽蛋白)和37 ooo(降解片段 蛋白)的条带.笔者制备GLDH兔抗后的Westem 杂交结果显示,在加IPTG诱导后的菌液中可以检 测到相应的蛋白条带(相对分子质量为36 ooo),说 明GLDH部分片段的原核表达已获成功.另外,根 据NCBI上提供的cDNA序列可推测水稻GLDH成 熟蛋白的相对分子质量为54 000,但在水稻叶片样 品的Western杂交结果中始终未能发现相应的蛋白 条带,而在相对分子质量为36 000的位置出现1条 明显的条带,推测此条带为水稻GLDH蛋白的降解 片段,GLDH蛋白在水稻植株体内的存在形式是否 不同于双子叶植物,值得进一步的探讨研究. 参考文献: 【l J Smirnoff N.The function and metabolism of ascorbic acid in plants[J].Ann Bot,1996,78:661—669. [2】Davey M W,Van Monatgu M,Inze D,et a1.Plant L—ascorbic acid:Chemistry,function,metabolism, bioavailabiliIy and effects of processjng[J].J Sci Food Agric,2000,80:825.860. [3】Pastori G M,Kiddle G,Antoniw J,et a1.Leaf vitamin-C contents modulate plant defense transcripts and regulate genes that control development through hormone signalling[J].Plant Cell,2003,l 5:939—95 1. 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