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棘腹蛙Japonicin-pb抗菌肽的分離及表達(dá)譜分析

2015-12-20 12:25:14姜玉松陳德碧周繼萍樊汶樵徐敬明
關(guān)鍵詞:抗菌肽殘基半胱氨酸

姜玉松 陳德碧 鄒 勇 周繼萍 樊汶樵 徐敬明

(1.重慶文理學(xué)院林學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院,重慶402160;2.重慶珍稀瀕危水產(chǎn)資源保護(hù)與開發(fā)研究中心,重慶402168)

抗菌肽不僅具有廣譜的抗細(xì)菌能力,還有抗真菌、抗寄生蟲、抗病毒等功能,是先天性免疫系統(tǒng)的重要成員之一。目前,已從植物、微生物、軟體動(dòng)物、昆蟲、魚類、兩棲動(dòng)物、鳥類、哺乳動(dòng)物等多種生物體內(nèi)分離得到超過(guò)2 000種抗菌肽[1],其中大多數(shù)抗菌肽具有α-螺旋或者β-折疊結(jié)構(gòu),有些同時(shí)包含這2種結(jié)構(gòu)[2]。Japonicin是一類多功能抗菌肽,最先從日本林蛙的皮膚中分離[3],根據(jù)氨基酸序列的組成及結(jié)構(gòu)特征,Japonicin抗菌肽可以分為Japonicin-1和Japonicin-2兩大類。其中,Japonicin-1含2個(gè)半胱氨酸構(gòu)成的7個(gè)殘基的環(huán),而Japonicin-2含2個(gè)半胱氨酸組成的8個(gè)殘基的環(huán)。在抑菌活性方面,Japonicin-1對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌都有抑制活性,最小抑菌濃度分別為12和20μmol/L,而 Japonicin-2只對(duì)大腸桿菌有活性,最小抑菌濃度為 20 μmol/L[4]。此外,Lu等[5]發(fā)現(xiàn)云南倭蛙來(lái)源的 Japonicin-1npb除對(duì)對(duì)金色葡萄球菌有顯著的抑制效果外,還能有效清除因紫外線照射、環(huán)境污染、氧化應(yīng)激等產(chǎn)生的自由基。

Japonicin抗菌肽對(duì)細(xì)菌、腫瘤等靶向細(xì)胞具有較高的選擇性和穩(wěn)定性,且特定種類的兩棲動(dòng)物分泌的Japonicin又具有種屬間的特異性[6],這在一定程度上豐富了抗菌肽資源庫(kù)。棘腹蛙(Paa boulengeri)屬兩棲綱無(wú)尾目蛙科[7],是我國(guó)特有的大型蛙類。棘腹蛙喜歡生活在潮濕的環(huán)境,環(huán)境中微生物的種類和數(shù)量都非常豐富,為了保護(hù)免遭外源病原微生物的侵害,棘腹蛙已經(jīng)進(jìn)化出了多種機(jī)制來(lái)對(duì)抗這些有害因素,如背部遍布能夠分泌活性物質(zhì)的窄長(zhǎng)疣等。但是目前關(guān)于棘腹蛙皮膚抗菌肽,尤其是Japonicin抗菌肽的研究尚未見報(bào)道。本研究基于棘腹蛙皮膚轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù),從皮膚組織中擴(kuò)增了棘腹蛙來(lái)源的3種Japonicin-pb前體序列,通過(guò)信號(hào)肽預(yù)測(cè)和結(jié)構(gòu)域分析確定了Japonicin-pb的成熟肽,并研究了其在不同生長(zhǎng)環(huán)境、組織中的表達(dá)譜,旨在為棘腹蛙養(yǎng)殖過(guò)程中的疾病防控以及棘腹蛙來(lái)源Japonicin-pb抗菌肽的開發(fā)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 動(dòng)物材料

棘腹蛙(酉陽(yáng))生長(zhǎng)在本實(shí)驗(yàn)室的流水養(yǎng)殖系統(tǒng)中,挑選健康的2齡成蛙,分別轉(zhuǎn)移至15、18、21、24、27和30℃的恒溫箱中(n=10),適應(yīng)生長(zhǎng)30 d后采用雙毀髓法處死并取其各組織,液氮保存。

1.2 總RNA提取

參照Trizol試劑盒(Invitrogen,美國(guó))說(shuō)明書進(jìn)行。分別取50 mg液氮冷凍的棘腹蛙血液、肌肉、肝臟和皮膚組織,于預(yù)冷的研缽中迅速研磨至粉末,轉(zhuǎn)移至1.5 mL離心管。加入1 mL Trizol試劑,室溫靜置5 min,加入200μL氯仿,渦旋混勻,室溫放置3~5 min,待其分層,4℃,12 000 ×g離心15 min,收集水相。加入等體積預(yù)冷的異丙醇,室溫放置15 min,4 ℃,12 000×g離心10 min,收集沉淀。75%的乙醇洗滌,室溫晾干,加入30~50μL ddH2O溶解RNA。RNA的完整性通過(guò)1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),RNA濃度用紫外分光光度計(jì)(Amersham,美國(guó))測(cè)定。

1.3 第1鏈cDNA的合成

cDNA合成根據(jù)Roche第1鏈cDNA合成試劑盒(Transcriptor First Strand cDNA Synthesis Kit,Roche,德國(guó))說(shuō)明書進(jìn)行。在0.5 mL RNase free EP管中加入 3μL total RNA,1μL Oligo(dT)Primer(50 μmol/L),9 μL RNase free ddH2O。將混合物65℃ 10 min,冰上冷卻2 min,離心,加入4 μL 5 × First-strand Buffer,0.5 μL RNase Inhibitor(40 U/μL), 2 μL Deoxynucleotide Mix(10 mmol/L),0.5 μL Transcriptor Reverse Transcriptase(20 U/μL)?;旌衔镱嵉够靹?,25 ℃10 min,50℃ 60 min。85℃ 5 min,終止反應(yīng)。所得第1鏈cDNA產(chǎn)物可稀釋后或直接用于PCR反應(yīng)。

1.4 Japonicin-pb的克隆

從 GenBank 數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank)中下載已公布的其他物種來(lái)源Japonicin氨基酸序列,利用DNASTAR軟件分析尋找其保守區(qū)域,以保守區(qū)域搜索本實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的棘腹蛙轉(zhuǎn)錄組本地Blast數(shù)據(jù)庫(kù),從而找出編碼棘腹蛙Japonicin-pb的轉(zhuǎn)錄本,根據(jù)搜索到的轉(zhuǎn)錄本設(shè)計(jì)特異性引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增。PCR擴(kuò)增采用25μL體系。在0.2 mL的EP管中按下列組分配成 PCR 反應(yīng)體系:2.5 μL 10 × PCR Buffer,1.5 μL 鎂離子(Mg2+)(25 mmol/L),2.5 μL dNTP mixture(2 mmol/L),0.5 μL PrimerF(10 μmol/L),0.5 μL PrimerR(10 μmol/L),0.5 μL KODPlus-Neo(1 U/μL)(KOD-Plus-Neo,TOYOBO,日本),1μL反轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物,16μL ddH2O,混勻后瞬離。PCR反應(yīng)條件為:94℃預(yù)變性2 min;98℃10 s,56 ℃ 30 s,68 ℃ 1 min,32 個(gè)循環(huán);68 ℃ 后延伸1 min。PCR產(chǎn)物經(jīng)1.5%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)后用DNA凝膠回收試劑盒(AXYGEN,美國(guó))進(jìn)行回收。

PCR產(chǎn)物回收后連接T載體PMD-19(TARAKA,日本)轉(zhuǎn)化DH5α菌株,過(guò)夜培養(yǎng)后挑選單克隆送交測(cè)序公司(GENEWIZ,北京)進(jìn)行序列測(cè)定。

1.5 3種Japonicin-pb在不同生長(zhǎng)溫度下的差異表達(dá)

根據(jù)3種Japonicin-pb的核苷酸序列差異,設(shè)計(jì)分別擴(kuò)增 Japonicin-1apb、Japonicin-1bpb和 Japonicin-3pb 的特異性引物。以 15、18、21、24、27和30℃環(huán)境下適應(yīng)生長(zhǎng)30 d的棘腹蛙皮膚組織cDNA為模版,利用 Real-time PCR(LightCycler Nano System,Roche,德國(guó))分別擴(kuò)增 Japonicin-1apb、Japonicin-1bpb及 Japonicin-3pb的 ORF序列。根據(jù)熒光定量試劑盒(Faststar essential DNA Green Master,Roche,德國(guó))說(shuō)明書配制 20 μL 的反應(yīng)體系。PCR反應(yīng)條件為:95℃預(yù)變性10 min;95 ℃ 10 s,52 ℃ 10 s,72 ℃ 30 s,40 個(gè)循環(huán)。擴(kuò)增 Japonicin-1apb、Japonicin-1bpb和 Japonicin-3pb和內(nèi)參基因β-肌動(dòng)蛋白(β-actin)的引物(表1)。

表1 試驗(yàn)所用引物Table 1 Primers used for the experiments

1.6 3種Japonicin-pb在不同組織的差異表達(dá)

以在21℃環(huán)境下適應(yīng)生長(zhǎng)30 d的棘腹蛙組織(血液、肌肉、肝臟和皮膚)cDNA為模版,利用Real-time PCR檢測(cè)Japonicin-1apb、Japonicin-1bpb及Japonicin-3pb在各組織中的表達(dá)量。

1.7 生物信息學(xué)分析

用 DNASTAR軟件進(jìn)行ORF分析;在 Gen-Bank中下載其他物種來(lái)源的Japonicin的氨基酸序列,經(jīng)DNASTAR軟件比對(duì)確定其保守區(qū)域。用MEGA 5.0軟件繪制系統(tǒng)進(jìn)化樹。

2 結(jié)果

2.1 棘腹蛙Japonicin-pb的克隆

從GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)中下載已公布的其他物種來(lái)源的Japonicin序列,利用DNASTAR軟件分析并找出其保守區(qū)域,然后以保守區(qū)域MFTLKKSL和LLFFLGMISLSLCK來(lái)搜索棘腹蛙轉(zhuǎn)錄組本地Blast數(shù)據(jù)庫(kù)(e值設(shè)為0.01),成功搜索到3條編碼Japonicin的 Contig轉(zhuǎn)錄本,分別為 Contig_59031、Contig_41711和 Contig_54325。這 3條Contig轉(zhuǎn)錄本含有相同的135 bp的3’-UTR、完整的 ORF序列及分別為146、446和236 bp的5’-UTR。這3條 Contig轉(zhuǎn)錄本所編碼的 ORF長(zhǎng)度不同,分別為231、219及195 bp。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證這3條Contig轉(zhuǎn)錄本試驗(yàn)所編碼的ORF確實(shí)存在于棘腹蛙皮膚組織中,分別設(shè)計(jì)了特異性引物(表1)進(jìn)行PCR克隆及測(cè)序,測(cè)序結(jié)果表明這3條ORF均存在與棘腹蛙皮膚組織中,長(zhǎng)度分別為231、219和195 bp(圖1),分別編碼76、73和65個(gè)氨基酸殘基,與轉(zhuǎn)錄組組裝結(jié)果一致。比對(duì)三者的氨基酸序列,表明N端前50個(gè)氨基酸殘基高度一致,C端序列高度異質(zhì)(圖2),因此確定為棘腹蛙來(lái)源的3種不同Japonicin。Contig_59031、Contig_41711的成熟肽中含有2個(gè)半胱氨酸,因此二者屬于Japonicin-1類抗菌肽,分別 命 名 為 Japonicin-1apb和 Japonicin-1bpb。Contig_54325成熟肽中不存在半胱氨酸,明顯區(qū)別與Japonicin-1和Japonicin-2,可能是一種未見報(bào)道的新型抗菌肽,命名為Japonicin-3pb。

圖1 Japonicin-pb基因的PCR擴(kuò)增Fig.1 PCR amplification of Japonicin-pb gene

2.2 3種Japonicin-pb的差異表達(dá)

為了解 Japonicin-1apb、Japonicin-1bpb及 Japonicin-3pb抗菌肽對(duì)不同生長(zhǎng)溫度的響應(yīng)規(guī)律,利用相對(duì)定量PCR進(jìn)行分析,結(jié)果顯示溫度的變化對(duì)Japonicin-1apb的表達(dá)影響較大,其表達(dá)量與生長(zhǎng)溫度呈現(xiàn)相關(guān)性,而溫度的變化對(duì)Japonicin-1bpb和Japonicin-3pb的表達(dá)影響較小(圖3)。從15到30℃時(shí),在 mRNA水平上,Japonicin-1bpb的表達(dá)量增加了4.32倍(P <0.05),Japonicin-3pb的表達(dá)量?jī)H增加了1.73倍(P <0.05),Japonicin-1bpb的表達(dá)量一直維持在一個(gè)較低的水平,基本沒(méi)有變化(P >0.05)。

圖2 Japonicin-1apb、Japonicin-1bpb和Japonicin-3pb氨基酸序列Fig.2 Amino acid sequence alignment among Japonicin-1apb,Japonicin-1bpb and Japonicin-3pb

圖3 不同生長(zhǎng)溫度下Japonicin-pb的差異表達(dá)Fig.3 Differential expression of Japonicin-pb in different growth temperatures

了解 Japonicin-1apb、Japonicin-1bpb及 Japonicin-3pb抗菌肽在不同組織的分布規(guī)律,能夠?yàn)榧雇苊庖吖δ芎兔庖邫C(jī)制的研究提供基礎(chǔ)。利用相對(duì)定量PCR的方法分別檢測(cè)了Japonicin-1apb、Japonicin-1bpb及 Japonicin-3pb在血液、肌肉、肝臟、皮膚組織中的表達(dá)量,結(jié)果顯示Japonicin-1apb主要在皮膚組織表達(dá),Japonicin-3pb在肝臟中的表達(dá)較高,而Japonicin-1bp在各組織中的表達(dá)差異變化不大(圖4)。

圖4 不同組織中3種Japonicin-pb的差異表達(dá)Fig.4 Differential expression of Japonicin-pb among different tissues

2.3 Japonicin-pb 的進(jìn)化

利用 MEGA 5.0軟件的鄰接法(neighbor-Joining method,NJ)構(gòu)建了棘腹蛙源3種 Japonicin-pb與其他物種的Japonicins氨基酸序列之間的進(jìn)化關(guān)系(圖5)。從圖5中可以看到,棘腹蛙源的3種Japonicins聚成一簇而與其他物種的進(jìn)化關(guān)系較遠(yuǎn)。在 3種 Japonicin-pb中,相比 Japonicin-1apb、Japonicin-3pb和 Japonicin-1bpb具有更相似 的序列。

圖5 Japonicin-pb氨基酸序列的系統(tǒng)進(jìn)化樹分析Fig.5 Phylogenetic tree analysis of Japonicin-pb amino acid sequence

3 討論

作為抵御病原微生物入侵的第1道屏障,雖然從哺乳動(dòng)物到低等的微生物中今均分離到了抗菌肽,但從種類和數(shù)量上來(lái)說(shuō),源于兩棲動(dòng)物的抗菌肽遠(yuǎn)多于其他物種[8-9]。目前,已經(jīng)從600余種兩棲動(dòng)物皮膚中分離到了968種抗菌肽,例如蛙肽、瓜蛙肽等。根據(jù)氨基酸組成及結(jié)構(gòu)的相似性,可以將兩棲動(dòng)物抗菌肽分成brevinins-1、brevinins-2、ranatuerins-1、ranatuerins-2、esculentins-2、Japonicin-1、Japonicin-2、nigrocin-2、esculenins-1、palustrin、rnanlexin、gaegurins、rugosins和 temporins等家族[6,10]。雖然不同抗菌肽家族的氨基酸序列差異較大,但是其結(jié)構(gòu)上卻存在顯著的共性,例如序列中堿性氨基酸的含量比較高,帶正電荷[11-12],以前體的形式分泌[3]等,使得在不同物種中分離抗菌肽甚至鑒定新型抗菌肽成為了可能。

日本林蛙來(lái)源的Japonicin是具有α-螺旋結(jié)構(gòu)的陽(yáng)離子型抗菌肽,其氨基酸序列為FGLPMLSILPKALCILLKRKC,共21個(gè)氨基酸殘基,屬于Japonicin-1家族。Japonicin-1抗菌肽成熟肽一般含2個(gè)半胱氨酸,能夠形成含7個(gè)氨基酸殘基的環(huán)形結(jié)構(gòu)[3]。本研究中克隆到的3種棘腹蛙來(lái)源的Japonicin-pb前體序列,其結(jié)構(gòu)均符合抗菌肽結(jié)構(gòu)的一般特征,經(jīng)過(guò)序列比對(duì)表明,三者都屬于Japonicin家族。其中 Japonicin-1apb和 Japonicin-1bpb的成熟抗菌肽序列相似性較高,且含有2個(gè)形成7肽環(huán)的半胱氨酸殘基(Cys68,74,Cys65,71),這與 Isaacson 等[3]分離的 Japonicin-1 的結(jié)構(gòu)特征一致,隸屬于Japonicin-1類。雖然Japonicin-3pb前體的信號(hào)肽和中間連接區(qū)域與Japonicin-1apb和Japonicin-1bpb有較高的相似性,但是成熟肽序列明顯有別。為了防止Japonicin-3pb序列是因克隆測(cè)序錯(cuò)誤而致,我們比對(duì)了這3種抗菌肽的3’UTR區(qū)域,結(jié)果顯示 Japonicin-1apb和Japonicin-1bpb的3’UTR 完全一致,Japonicin-3pb的3’UTR序列和前兩者幾乎沒(méi)有同源性。Japonicin抗菌肽家族除了 Japonicin-1外,Michael等[13]從昭覺(jué)林蛙(Rana chaochiaoensis)皮膚組織上分離到序列為FVLPLLGILPKELCIVLKKNC的Japonicin-2抗菌肽,含能形成8肽環(huán)的2個(gè)半胱氨酸殘基,但是與本研究中的Japonicin-3pb也沒(méi)相似性,因此Japonicin-3pb也不屬于Japonicin-2家族。這些結(jié)果說(shuō)明Japonicin-3pb不同于Japonicin-1和 Japonicin-2。

Japonicin-1bpb抗菌肽的表達(dá)在血液、肌肉、肝臟、皮膚組織中沒(méi)有顯著差異,且對(duì)溫度變化的響應(yīng)也不敏感,推測(cè)在棘腹蛙中Japonicin-1bpb可能是組成型表達(dá),其穩(wěn)定的表達(dá)是維持其正常免疫活動(dòng)的基礎(chǔ)。研究表明,抗菌肽除組成型表達(dá)外,還可以通過(guò)外界刺激或是病原微生物感染而誘導(dǎo)產(chǎn)生[14-16]。結(jié)合在棘腹蛙養(yǎng)殖過(guò)程中,當(dāng)溫度逐漸升高時(shí),棘腹蛙皮膚組織Japonicin-1apb的表達(dá)也隨之增加,表明Japonicin-1apb的表達(dá)可能受溫度調(diào)控。因棘腹蛙長(zhǎng)期生活在潮濕、富含有機(jī)質(zhì)的環(huán)境中,當(dāng)生長(zhǎng)溫度逐漸提高時(shí),環(huán)境中微生物的數(shù)量也必然會(huì)隨之增加,Japonicin-1apb的表達(dá)也可能會(huì)受微生物的誘導(dǎo)調(diào)控。雖然同一種抗菌肽分子在同一動(dòng)物體中的不同組織中發(fā)現(xiàn),但其表達(dá)量卻有顯著的差異。例如大多研究中分離到的抗菌肽在皮膚中的表達(dá)量明顯高于其他組織[17-18]。由于兩棲動(dòng)物的皮膚中存在豐富的腺體,包括黏液腺和顆粒腺等,這些腺體是是分泌抵御病原體入侵活性物質(zhì)的主要部位[19],這是生物體、環(huán)境長(zhǎng)期的進(jìn)化的結(jié)果。Japonicin-3pb主要在肝臟組織中檢出,且當(dāng)溫度超過(guò)最適生長(zhǎng)溫度(21℃)后表達(dá)量逐漸增加,對(duì)溫度的響應(yīng)低于Japonicin-1apb。由于肝臟所處的微環(huán)境較皮膚穩(wěn)定,且接觸到的病原種類及數(shù)量明顯少于皮膚 ,因此在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中形成了Japonicin-1apb的抗菌響應(yīng)特征。鑒于兩棲類復(fù)雜的生存環(huán)境,Japonicin-1apb在宿主復(fù)雜的免疫機(jī)制中不僅作為抗微生物感染作用的第1道防線,而且還可能發(fā)揮了其他重要功能,如抗氧化以保護(hù)兩棲類裸露的皮膚等[20-22],但是具體作用機(jī)制還需進(jìn)一步闡明。

4 結(jié)論

①本研究克隆到了棘腹蛙來(lái)源的Japonicin-1apb、Japonicin-1bpb和 Japonicin-3pb抗菌肽前體核苷酸序列,并確定了三者的成熟肽序列。

②Japonicin-1apb主要在皮膚組織中表達(dá),且其表達(dá)量在一定溫度范圍內(nèi)隨著溫度的升高而增加,Japonicin-3pb主要分布在肝臟中,其表達(dá)量在不同的生長(zhǎng)溫度下基本維持穩(wěn)定,而Japonicin-1bpb在血液、肌肉、肝臟及皮膚組織中都有相似的表達(dá)水平,且不隨生長(zhǎng)溫度的變化而變化。

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