靳夢彤,李雪,黨娟娟,李澤宇,張盈,黃新祥
1. 江蘇大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子生物學(xué)系,江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 2. 南通市第三人民醫(yī)院檢驗科,江蘇 南通 226006
傷寒沙門菌(Salmonellaentericaserovar Typhi,S. Typhi)是沙門菌屬中的一種重要的腸道致病菌,人是其天然宿主[1]。由傷寒沙門菌引起的傷寒熱,主要跡象為發(fā)熱、血培養(yǎng)或肥達反應(yīng)陽性等。傷寒沙門菌可通過污染的食品或水經(jīng)口感染,抵御宿主免疫屏障在其體內(nèi)大量繁殖,且隨血流播散至實質(zhì)器官中,引發(fā)多種臨床癥狀[2]。S. Typhi 形成的細菌聚集膜樣物,即生物膜,可抵御宿主免疫的殺傷和外界環(huán)境的刺激,從而利于自身傳播及在體內(nèi)定植[3-4]。生物膜的主要成分包括細菌本身和其分泌的多糖基質(zhì)和多種蛋白,其形成過程受復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)控制,包括雙組份調(diào)節(jié)系統(tǒng)、全局調(diào)節(jié)因子、非編碼RNA(non-coding RNA,ncRNA)[5-6]等。ncRNA指不編碼蛋白質(zhì)的RNA,一般通過與靶RNA互補配對或者改變靶標構(gòu)象的方式發(fā)揮調(diào)節(jié)作用[7-8]。
本課題組前期通過RNA-Seq技術(shù)對生物膜狀態(tài)和浮游狀態(tài)的S. Typhi進行轉(zhuǎn)錄組分析,發(fā)現(xiàn)多個在2種狀態(tài)下差異表達的ncRNA[9],其中ncRNA617在生物膜細菌中的表達豐度明顯高于浮游菌。鑒于此,本研究對ncRNA617進行分子鑒定,以探究其在生物膜形成過程中發(fā)揮的作用, 為后續(xù)機制研究提供基礎(chǔ)。
1.1.1 菌株與質(zhì)粒傷寒沙門菌野生菌株S. Typhi GIFU10007、大腸埃希菌(Escherichiacoli,E.coli)λ372、DH5α和自殺質(zhì)粒 pGMB151由日本岐阜大學(xué)醫(yī)學(xué)院微生物學(xué)教研室饋贈,重組質(zhì)粒pGMB151-F、ncRNA617過表達重組質(zhì)粒、ncRNA617缺陷菌株(Δ617)、回補菌株(Δ617-c617)和過表達菌株(007-p617)、野生對照菌株(007-pBAD33)和缺陷對照菌株(Δ617-pBAD33)由本實驗室制備。
1.1.2 試劑胰蛋白胨、酵母提取物、瓊脂粉均購自英國OXOID公司,氨芐西林購自上海生工生物工程有限公司,TRIZOL、氯仿均購自美國Sigma公司,限制性核酸內(nèi)切酶Bam H I、T4 DNA連接酶、SMART RACE 5’/3’ Kit均購自寶生物工程(大連)有限公司,Phanta Super-Fidelity DNA聚合酶、逆轉(zhuǎn)錄試劑、SYBR熒光定量試劑盒均購自南京諾唯贊生物科技有限公司,96孔圓底細胞培養(yǎng)板購自美國Corning公司,DIG Northern Starter Kit購自瑞士Roche生物科技公司。
1.1.3 引物本研究所用引物信息如表1所示,引物由蘇州泓訊生物科技有限公司合成。
表1 研究用引物Tab.1 List of primers
(續(xù)表1)
1.2.1 RNA提取挑取細菌的單克隆在溶菌肉湯(lysogeny broth,LB)培養(yǎng)基中于37 ℃和250 r/min進行過夜培養(yǎng),第2天將過夜培養(yǎng)物以1∶100比例稀釋繼續(xù)培養(yǎng)至吸光度A600值為0.4,4 ℃、4 000 r/min離心10 min后收集菌體,用TRIZOL法提取總RNA,具體方法參考文獻[10]。
1.2.2 Northern blot實驗依照已有方法[11]進行,依據(jù)ncRNA617表達高峰區(qū)域序列設(shè)計特異性探針引物制備探針,檢查探針質(zhì)量后保存待用。在6%的(尿素)變性聚丙烯酰胺凝膠上分離RNA(30 μg),經(jīng)電轉(zhuǎn)(300 mA,40 min)將凝膠上的RNA轉(zhuǎn)移到硝酸纖維素膜上。用2×SSC(saline sodium citrate,SSC)緩沖溶液洗滌含有RNA的膜2次,洗去部分非特異性結(jié)合的探針,并在80 ℃下干燥2 h以固定RNA。隨后,將膜用焦碳酸二乙酯(diethylpyrocarbonate,DEPC)水洗滌3遍,并將膜放入含ncRNA617特異性探針的雜交液中。雜交完成后經(jīng)過洗膜、孵育地高辛抗體,再用化學(xué)發(fā)光成像系統(tǒng)進行曝光并拍照。
1.2.3 5’RACE使用SMART 5’RACE Kit進行cDNA 5’末端快速擴增反應(yīng),具體方法參考文獻[12]。為獲得第一鏈cDNA,在1 μg總RNA中加入基因特異性引物(gene-specific primers,GSP)和逆轉(zhuǎn)錄酶進行逆轉(zhuǎn)錄以獲得cDNA,以通用短引物和基因特異性引物為引物,以cDNA為模板進行 5’RACE PCR反應(yīng),獲取目的PCR產(chǎn)物。通過克隆將PCR產(chǎn)物插入基于pUC19載體改造的載體中。利用DNA測序確定ncRNA617的轉(zhuǎn)錄起始位點。
1.2.4 3’RT-PCR為探尋ncRNA617可能的轉(zhuǎn)錄終止位點,在ncRNA617表達高峰區(qū)域設(shè)計前向引物3’PA,在ncRNA617的下游設(shè)計后向引物 3’PB1~3’PB5。以各個后向引物為特異性引物對S. Typhi總RNA進行逆轉(zhuǎn)錄,再分別對前向引物進行PCR擴增,取適量產(chǎn)物進行電泳分析。
1.3.1 ncRNA617缺陷菌株構(gòu)建依據(jù)文獻[13]的方法構(gòu)建缺陷菌株(Δ617),首先通過PCR從S. Typhi 野生菌株DNA中擴增出ncRNA617上下游同源臂片段F1和F2,用重疊PCR獲得重組片段F。然后將含有限制性內(nèi)切酶位點Bam H I的重組片段F克隆到自殺質(zhì)粒pGMB151中。通過熱激法將重組質(zhì)粒pGMB151-F轉(zhuǎn)入大腸埃希菌λ372感受態(tài)細胞中,涂布于含100 μg/mL氨芐青霉素的LB固體培養(yǎng)平板上,37 ℃培養(yǎng)12 h后挑取單菌落進行培養(yǎng),提取質(zhì)粒,經(jīng)蘇州泓訊生物科技有限公司測序驗證,將陽性重組質(zhì)粒在電壓2.5 kV、電阻200~1 000 Ω條件下電轉(zhuǎn)入S. Typhi野生菌株感受態(tài),經(jīng)5%蔗糖板傳代篩選和普通LB平板穩(wěn)定傳代培養(yǎng),最終獲得缺陷菌株(Δ617)。
1.3.2 ncRNA617回補菌株和過表達菌株構(gòu)建使用ncRNA617特異性引物PF/PR擴增目的片段,將含有限制性內(nèi)切酶位點Xba I、Hind III的目的片段克隆至質(zhì)粒pBAD33,將重組質(zhì)粒熱激轉(zhuǎn)入大腸埃希菌DH5α感受態(tài)細胞中,涂布于含 34 μg/mL氯霉素的LB固體培養(yǎng)平板上,37 ℃培養(yǎng)12 h后挑取單菌落進行培養(yǎng)提取質(zhì)粒,經(jīng)雙酶切和PCR驗證,將疑似陽性質(zhì)粒送至蘇州泓訊生物科技有限公司進行測序驗證,陽性重組質(zhì)粒在電壓2.5 kV、電阻200~1 000 Ω條件下電轉(zhuǎn)入缺陷菌株和野生菌株,經(jīng)質(zhì)粒pBAD33驗證引物YZF/YZR篩選,構(gòu)建回補菌株(Δ617-c617)和過表達菌株(007-p617)。
1.3.3 野生對照菌株和ncRNA617缺陷對照菌株構(gòu)建將pBAD33空質(zhì)粒按照同樣的電轉(zhuǎn)條件電轉(zhuǎn)入野生菌株和缺陷菌株,經(jīng)質(zhì)粒pBAD33驗證引物YZF/YZR篩選,構(gòu)建相應(yīng)的野生對照菌株(007-pBAD33)和缺陷對照菌株(Δ617-pBAD33)。
1.4.1 生物膜形成測定使用胰酪胨大豆肉湯培養(yǎng)基(tryptic-soytone-broth-medium,TSB)培養(yǎng)相關(guān)菌株至A600值為0.4,取200 μL菌液,接種于96孔U型底細胞培養(yǎng)板,30 ℃靜置培養(yǎng)96 h,進行生物膜形成量檢測[10],培養(yǎng)結(jié)束后吸棄孔內(nèi)菌液,用無菌磷酸緩沖液輕柔吹洗孔內(nèi)3次,經(jīng)甲醇固定后將培養(yǎng)板真空干燥20 min,加入 200 μL 結(jié)晶紫溶液后染色15 min,最后用蒸餾水清洗孔內(nèi)3次,扣干水分后將板置于干燥箱內(nèi)干燥20 min,加入 200 μL 30%乙酸溶液溶解孔內(nèi)壁上的生物膜,采用酶標儀于A570波長測定對應(yīng)孔內(nèi)吸光度,測定值的高低代表細菌形成生物膜能力的大小。實驗進行3次重復(fù)。
1.4.2 實時熒光定量PCR傷寒沙門菌生物膜的成分較多[14-15],包括鞭毛、菌毛、纖維素等。此次研究選定生物膜形成通路中與鞭毛、菌毛、胞外多糖、纖維素等相關(guān)的11個基因(見表2),采用qPCR分析相關(guān)基因的mRNA水平。TRIZOL法提取細菌總RNA,用4×gDNA Wiper消化除去基因組DNA,取2.5 μg RNA用隨機引物進行逆轉(zhuǎn)錄得到cDNA,這些cDNA分別作為內(nèi)參基因5s和生物膜形成相關(guān)基因的cDNA模板,進行qPCR實驗,實驗重復(fù)3次。
表2 生物膜形成相關(guān)基因Tab.2 Biofilm formation-related genes
1.4.3 生物信息學(xué)預(yù)測將ncRNA617和差異基因mRNA序列信息提交至IntaRNA系統(tǒng),進行ncRNA617與差異基因的相互作用區(qū)域分析。
數(shù)據(jù)表示為平均值±標準偏差。用GraphPad Prism8對數(shù)據(jù)進行t檢驗分析,P<0.05代表有統(tǒng)計學(xué)意義。
在生物膜及浮游狀態(tài)下,由S. Typhi野生株的轉(zhuǎn)錄組測序結(jié)果可知,在mig-14和t2681(假定基因)基因間區(qū)存在一段高峰表達區(qū),該序列在生物膜S.Typhi 細菌中的表達豐度明顯高于浮游S.Typhi 細菌。用對應(yīng)特異性探針進行Northern blot檢測,發(fā)現(xiàn)1條特異性雜交帶,與RNA Marker對照得知其長度約300 nt(見圖1A)。5’RACE PCR實驗結(jié)果表明,泳道S有擴增出片段(見圖1B),泳道U和G為陰性對照,均無條帶,通過克隆將PCR產(chǎn)物插入pUC19載體改造的載體中,通過比對DNA測序與S.Typhi基因組序列信息(見圖1C),結(jié)果提示該ncRNA轉(zhuǎn)錄起始位點位于mig-14終止密碼子下游967 nt處。3’RT-PCR結(jié)果表明,片段長度為270 bp有陽性擴增,但長為452 bp、651 bp、887 bp、1123 bp的擴增為陰性(見圖1D)。結(jié)合S.Typhi基因組的結(jié)構(gòu)分析,提示該ncRNA轉(zhuǎn)錄終止位點位于t2681基因起始密碼子上游 2 378~2 560 nt。綜合Northern blot、5’RACE實驗和3’RT-PCR實驗的結(jié)果,可知ncRNA617長度在270~452 nt,從而繪制其基因結(jié)構(gòu)位置圖(見圖1E)。
A. ncRNA617 was detected by Northern blot analysis using a specific DIG-labeled probe (M: Marker). B. 5’ RACE PCR product of ncRNA617 (S: sample; U: UPM only; G: GSP only;M: Marker). C. Blast analysis of the sequence. D. 3’ RT-PCR of the ncRNA617(1,4,7,10,13:Sample ;2,5,8,11,14:Blank control;3,6,9,12,15:Positive control; M: Marker). E. Genomic location and structure of ncRNA617.
以S.Typhi野生株DNA為模板,分別進行PCR以獲取目的片段上下游同源臂片段F1(272 bp)和F2(459 bp),如圖2A所示,用重疊PCR獲得重組片段F(731 bp)(見圖2B),將重組片段F插入自殺質(zhì)粒pGMB151的Bam H I位點,通過測序篩選陽性重組質(zhì)粒,發(fā)現(xiàn)插入自殺質(zhì)粒pGMB151的Bam H I位點的片段無突變?nèi)笔В⑶遗c已知片段序列的信息一致性達100%(見圖2C)。將陽性重組質(zhì)粒pGMB151-F電轉(zhuǎn)導(dǎo)入S.Typhi野生株,經(jīng)5%蔗糖板傳代培養(yǎng)篩選和普通LB平板穩(wěn)定傳代培養(yǎng)獲得Δ617菌株(見圖2D)。
A. Electropherograms of homology arms F1 and F2 (M: Marker). B. Electropherogram of total homologous fragment F (M: Marker). C. Sequence alignment. D. PCR identification of clones(-:Negative control; +:Positive control; B:Blank control; 1-8:PCR identification results of mutant strains; M: Marker).
以傷寒沙門菌野生菌株基因組DNA為模板,用引物PF/PR進行PCR,獲得ncRNA617回補片段,該片段長270 bp(見圖3A)。將ncRNA617回補片段克隆至質(zhì)粒pBAD33,提取重組質(zhì)粒,進行PCR和酶切雙重驗證,以重組質(zhì)粒為模板,引物PA/PB進行PCR擴增,得到270 bp的目的帶,重組質(zhì)粒經(jīng)雙酶切也產(chǎn)生相同的目的帶(見圖3B)。將質(zhì)粒送至蘇州鴻訊生物科技有限公司進行測序,比對測序結(jié)果與正確序列,發(fā)現(xiàn)質(zhì)粒中插入的序列完全正確(見圖3C),表明重組質(zhì)粒構(gòu)建成功。提取重組質(zhì)粒電轉(zhuǎn)至ncRNA617缺陷菌株和野生菌株中,分別挑取6個單克隆用引物pBAD33YZ F/R進行PCR驗證。12個單克隆均擴增出525 bp的條帶(見圖3D),表明ncRNA617回補菌株和過表達菌株構(gòu)建成功。
A. Amplification of complemented fragment (M: Marker). B. Validation by PCR and enzyme-cutting (1: PCR product using recombinant plasmid as template; 2: Enzyme digestion product of recombinant plasmid; 3: Positive control; 4: Blank control; M: DL500 DNA Marker). C. Blast analysis of the sequencing result of the recombinant vector. D.PCR verification of complemented strain and overexpression strain(-:Negative control;+:Positive control;B:Blank control;1-6:PCR identification results of complemented strains; 7-12:PCR identification results of overexpression strains;M: Marker).
提取空質(zhì)粒pBAD33分別電轉(zhuǎn)至野生菌株和缺陷菌株中,分別挑取3個單克隆用引物pBAD33YZ F/R進行PCR驗證,6個單克隆菌落均擴增出255 bp的條帶(見圖4),代表野生對照菌株和ncRNA617缺陷對照菌株構(gòu)建成功。
+: Positive control; B: Blank control; 1-6: PCR products of monoclonal colonies; M: DL2000 DNA Marker.
培養(yǎng)野生對照菌株(007-pBAD33)、ncRNA617缺陷對照菌株(Δ617-pBAD33)和ncRNA617回補菌株(Δ617-c617),進行生物膜形成檢測(見圖5A、5C),菌株Δ617-pBAD33的生物膜形成較于菌株007-pBAD33和Δ617-c617明顯增強,且菌株Δ617-c617的生物膜形成能力恢復(fù)至菌株007-pBAD33的水平,表明ncRNA617缺失可使S. Typhi野生株的生物膜形成能力增強。為進一步驗證ncRNA617發(fā)揮的作用,培養(yǎng)野生對照菌株(007-pBAD33)和ncRNA617過表達菌株(007-p617)進行生物膜形成實驗(見圖5B、5D),菌株007-p617生物膜形成能力較菌株007-pBAD33有明顯減弱,表明ncRNA617可削弱傷寒沙門菌生物膜的形成能力。
A, B:Crystal violet staining of biofilms. C, D:Columnar statistical analysis of the biofilm biomasses (**P<0.01, *P<0.05).
qPCR分析生物膜相關(guān)基因的mRNA水平(見圖6),與野生對照菌株相比,ncRNA617缺陷對照菌株中csgD、fimA、flhD、fljB、bapA、yihP的mRNA的表達均有不同程度的上調(diào),且差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。表明ncRNA617可能是通過下調(diào)這些生物膜形成相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄表達,進而負調(diào)控傷寒沙門菌的生物膜形成能力。
**P<0.01, *P<0.05。
經(jīng)生物信息學(xué)軟件分析發(fā)現(xiàn),ncRNA617與受調(diào)控的生物膜相關(guān)基因的mRNA均有不同位置片段的結(jié)合區(qū)域(見圖7),其中ncRNA617與csgDmRNA、fimAmRNA和yihPmRNA有多個不連續(xù)的堿基互補配對區(qū)域,而與flhDmRNA、fljBmRNA 和bapAmRNA 存在連續(xù)的堿基互補配對。
圖7 ncRNA617與相關(guān)基因mRNA的相互作用Fig.7 Interaction between ncRNA617 and related gene mRNA
生物膜多細胞結(jié)構(gòu)的形成屬于動態(tài)進程,其中非編碼RNA發(fā)揮著重要作用[16]。非編碼RNA是一種只在生物體內(nèi)轉(zhuǎn)錄而不翻譯的RNA,幾乎所有細菌體內(nèi)都含有ncRNA,其在某些特定環(huán)境中可被激活并參與調(diào)控細菌基因的表達[17-18]。它們通常與靶mRNA進行堿基配對或者直接結(jié)合蛋白,從而在轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后水平以及翻譯水平發(fā)揮作用[19-20]。本研究前期通過RNA-Seq技術(shù)獲得了生物膜狀態(tài)和浮游狀態(tài)的S. Typhi轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù),并對其中的ncRNA617進行了分子鑒定,探究其在生物膜形成過程中發(fā)揮的作用,為后續(xù)機制研究提供基礎(chǔ)。
目前,RNA-Seq是發(fā)掘ncRNA的主要技術(shù),許多分子生物學(xué)實驗均可驗證及檢測ncRNA的表達,比如RT-PCR、Northern blot、微陣列雜交等方法,但是通常情況下Northern blot的特異性較高,而且該方法可檢測出目的片段的大小以及是否有剪切體存在,所以從特定角度來看Northern blot是檢測RNA水平的金標準[21]。本研究中,Northern blot結(jié)果提示傷寒沙門菌中確有ncRNA617的表達,長度約300 nt。為了探究ncRNA617的全長序列,本研究采用5’RACE和3’RT-PCR實驗分析ncRNA617的轉(zhuǎn)錄起始位點和終止位點,發(fā)現(xiàn)ncRNA617起始位點位于mig-14終止密碼子下游967 nt處,終止位點位于t2681起始密碼子上游 2 378~2 560 nt處。綜合Northern blot、5’RACE和3’RT-PCR的實驗結(jié)果,可知ncRNA617的分子全長約270~452 nt。
為探究ncRNA617在生物膜形成過程中發(fā)揮的作用,本研究構(gòu)建了野生對照菌株、ncRNA617缺陷對照菌株、回補菌株和過表達菌株,通過生物膜形成實驗,發(fā)現(xiàn)ncRNA617可削弱傷寒沙門菌生物膜的形成能力。隨后,通過qPCR實驗發(fā)現(xiàn),ncRNA617的缺失可使得菌毛相關(guān)基因csgD、fimA,鞭毛相關(guān)基因flhD、fljB,表面蛋白bapA,胞外多糖相關(guān)基因yihP的mRNA水平均有不同程度的上調(diào),這提示ncRNA617可能是通過調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達和基質(zhì)合成進而負調(diào)控生物膜的形成。
csgD是負責(zé)編碼生物膜中央調(diào)控因子CsgD的基因,其在細菌穩(wěn)態(tài)期細胞中表達水平會升高,不僅能促進curli菌毛和纖維素的生成[22],而且其轉(zhuǎn)錄過程會受諸多非編碼RNA的調(diào)控,比如McaS、RprA等已知非編碼RNA[23]。本研究的qPCR結(jié)果提示,ncRNA617可負調(diào)控csgDmRNA的水平,同時推測fimAmRNA水平的上調(diào)可能是由ncRNA617缺陷后引起的csgDmRNA水平上升導(dǎo)致,但也不排除fimA是由ncRNA617直接調(diào)控。細菌的鞭毛組成較為復(fù)雜且鞭毛基因的表達呈級聯(lián)調(diào)控方式,但這種級聯(lián)調(diào)控并非絕對,因為這些基因的表達除受自身調(diào)控因子的影響外,還受外界環(huán)境變化的調(diào)控[24]。flhD位于flhDC操縱子,其編碼產(chǎn)物是鞭毛基因的主要調(diào)節(jié)子FlhDC,F(xiàn)lhDC負責(zé)調(diào)節(jié)二級基因啟動子的活性。fliA屬于二級鞭毛基因,可調(diào)控三級鞭毛基因的表達。fljB編碼的鞭毛蛋白是細菌鞭毛的關(guān)鍵組成部分,用于鞭毛絲的形成[25]。本研究的qPCR結(jié)果提示,ncRNA617缺失后flhD和fljB的mRNA的水平升高,說明ncRNA617可能通過抑制細菌鞭毛的形成進而負調(diào)控生物膜的形成。bapA的序列在沙門菌中高度保守,其負責(zé)編碼BapA蛋白,該蛋白不僅與纖維素和菌毛一起構(gòu)成生物膜,還改善宿主外細菌的增殖,并增強了細菌對消毒劑和干燥劑的抵抗力[15]。本研究的qPCR結(jié)果提示,ncRNA617缺失后bapAmRNA水平升高,說明ncRNA617可影響bapA的轉(zhuǎn)錄水平,但是否影響其翻譯水平有待進一步研究。
本研究對可能受ncRNA617調(diào)控的生物膜基質(zhì)的相關(guān)基因進行了初步探索,但是ncRNA617對相關(guān)基因mRNA的影響機制目前還不明確。由于ncRNA與靶標主要通過形成互補配對來發(fā)揮調(diào)控作用,為了明確這種相互作用機制,本研究采用IntaRNA這一生物信息學(xué)工具對非編碼RNA和靶基因的mRNA結(jié)合進行了預(yù)測。結(jié)果發(fā)現(xiàn),ncRNA617與csgD、fimA、flhD、fljB、bapA、yihP的mRNA均有不同位置和不同長度的結(jié)合。其中,ncRNA617與csgD、fimA和yihP的mRNA有不連續(xù)的堿基配對,這點符合反式編碼RNA的作用特點。但ncRNA617下調(diào)這些基因的mRNA水平是否由互補配對而引起有待深入研究。
綜上所述,本研究對新發(fā)現(xiàn)的非編碼RNA ncRNA617進行了分子鑒定,其起始位點位于mig-14 終止密碼子下游967 nt處,終止位點位于t2681起始密碼子上游 2 378~2 560 nt處,全長約270~452 nt。ncRNA617可能通過靶向結(jié)合生物膜形成相關(guān)基因序列從而下調(diào)基因表達,負向調(diào)控傷寒沙門菌生物膜的生成,但該調(diào)控作用的具體分子機制有待進一步研究。