基金项目:中央引导地方科技发展专项资金(2017L3019); 大黄鱼技术平台建设项目(XDHT2018143A); 国家海水鱼产业技术体系项目(CARS-47); 自然资源部第四海洋研究所博士启动基金(201803); 广西自然科学基金青年基金(2018JJB130206)
通信作者:yqsu@xmu.edu.cn
(1.自然资源部第四海洋研究所,广西 北海 536000; 2.厦门大学海洋与地球学院,福建 厦门 361102; 3.大黄鱼育种企业国家重点实验室,福建 宁德 352103)
(1. Fourth Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources, Beihai 536000, China; 2. College of Ocean and Earth Sciences, Xiamen University, Xiamen 361102, China; 3. State Key Laboratory of Large Yellow Croaker Breeding, Ningde 352103, China)
DOI: 10.6043/j.issn.0438-0479.201812032
采用Piscidin基因串联表达的方案,通过Eco31Ⅰ限制性内切酶定向连接方法合成Pseudosciaena crocea-Sciaenops ocellatus-piscidin(PSP)串联基因.以毕赤酵母(Pichia pastoris)的穿梭表达载体pPICZαA构建重组表达质粒pPICZαA-PSP,转化入毕赤酵母SMD1168菌株中.应用实时荧光定量PCR方法进行多拷贝克隆筛选,实现了PSP重组串联肽的诱导表达和纯化,并对其抑菌活性进行初步鉴定,为piscidin抗菌肽的生产应用奠定基础.
In this study, the Pseudosciaena crocea-Sciaenops ocellatus-piscidin(PSP)tandom gene was constructed using a directional ligation method with Eco31Ⅰ restriction endonuclease. The recombinant expression plasmid pPICZαA-PSP was constructed based on shuttle expression vector PPICZαA for Pichia pastoris, and then transformed into the P. pastoris strain SMD1168. The multi-copy transformants were screened using real-time fluorescent quantitative PCR, and the recombinant PSP tandom peptide was successfully induced expressed and purified, and its antimicrobial activity was preliminarily identified as well, providing basis for production and application of piscidin antimicrobial peptide.
piscidin家族抗菌肽作为最常见的阳离子抗菌肽,对细菌、真菌、病毒等有着广泛的抑制作用,是生物体天然免疫的重要组成成分[1-2].自然资源部第四海洋研究所(后称本课题组)的前期研究表明,大黄鱼(Pseudosciaena crocea)的piscidin抗菌肽(PC-piscidin)对多种细菌和真菌都具有杀灭活性,且对鱼类常见寄生虫刺激隐核虫(Cryptocaryon irritans)具有较强的杀灭作用[3],而美国红鱼(Sciaenops ocellatus)的piscidin抗菌肽(SO-piscidin)对细菌杀灭活性较弱,但对刺激隐核虫具有较强的杀灭作用(未发表).
从天然资源中提取抗菌肽成本高而得率低,化学合成抗菌肽则因价格昂贵而难以应用.目前多使用基因工程制备抗菌肽,但piscidin家族抗菌肽多为20~26个氨基酸组成的小肽,分子质量较小且容易降解,导致表达产量低,成为其生产应用的主要瓶颈.本研究构建了两种piscidin抗菌肽的串联基因表达载体,在毕赤酵母(Pichia pastoris)SMD1168菌株中表达,并对其抑菌活性进行初步鉴定,以期为piscidin抗菌肽的串联表达和应用提供依据.
大黄鱼piscidin成熟肽基因(PC-piscidin,GenBank: KC357672.1)、美国红鱼piscidin成熟肽基因(SO-piscidin,GenBank: JQ710935.1)由本课题组扩增获得,并以pMD19-T为克隆载体分别构建PC-piscidin-pMD19-T和SO-piscidin-pMD19-T质粒.
真核表达载体pPICZαA及SMD1168酵母菌株由本课题组保存; 大肠杆菌(Escherichia coli)克隆菌株Trans5α感受态细胞购自全式金生物技术有限公司; 限制性内切酶XhoⅠ、XbaⅠ、Eco31Ⅰ、SacⅠ购自Fermentas公司; 琼脂糖凝胶电泳DNA回收试剂购自Axygen公司; T4连接酶和博莱霉素(zeocin)购自Thermo Fisher SCIENTIFIC公司; 遗传霉素(G418)购自索莱宝公司; SYBR Premix Ex TaqTM聚合酶购自TaKaRa公司; His标签抗体购自Invitrogen公司.
P. crocea-S. ocellatus-piscidin(PSP)串联基因设计如图1所示:由2个PC-piscidin基因、2个SO-piscidin基因和3个连接肽基因(linker gene,序列为5'-GGTTCTCCAGGTTCCGGT-3')组成; 串联基因3'-端添加6×His标签序列,便于采用亲和层析法纯化目的蛋白; 5'-端根据pPICZαA载体说明书添加Kex2蛋白酶切位点序列,便于目的蛋白的分泌表达; 两端XhoⅠ和XbaⅠ酶切位点用于连接pPICZαA载体,Eco31Ⅰ酶切位点用于引入连接肽基因,以连接各串联基因[4].
参照PSP串联基因设计,根据毕赤酵母密码子偏好性,分别合成PC1、PC2、PC3、PC4、SO5、SO6、SO7、SO8共8条引物(表1),分别用PC-piscidin-pMD19-T与SO-piscidin-pMD19-T质粒为模板进行PCR扩增.扩增产物经切胶回收后进行TA克隆,送测序公司测序验证.分别用XhoⅠ、XbaⅠ和Eco31 Ⅰ 对测序正确的质粒进行酶切,切胶回收目的条带.加入适量浓度回收片段,与适量浓度XhoⅠ和XbaⅠ双酶切处理后的pPICZαA载体混匀,再加入T4连接酶,16 ℃水浴过夜连接后转化入大肠杆菌Trans5α感受态细胞[5],转化产物涂布于zeocin抗性的LB平板.利用菌落PCR方法与质粒双酶切方法筛选阳性克隆,送测序公司测序验证,获得含有目的片段的重组表达质粒pPICZαA-PSP.
大量培养并提取经测序验证的pPICZαA-PSP质粒,使用SacⅠ线性化约10 μg该重组表达质粒,纯化回收后利用BIO-RAD电转化仪将其转化入毕赤酵母SMD1168感受态细胞中(电容25 μF、电压2 000 V、电阻200 Ω).取适量电转化后的酵母细胞涂布于基础葡萄糖(MD)平板,30 ℃孵育2~3 d至长出白色克隆.阴性对照为pPICZαA空载体转化SMD1168感受态细胞所得克隆.
所有克隆子用无菌水冲洗混匀并稀释,均匀涂布于含有不同质量浓度(0.5,1.0,2.0,3.0,4.0 mg/mL)G418的酵母浸出粉胨葡萄糖(YPD)平板,30 ℃孵育2~3 d筛选具有较高G418抗性的重组克隆.挑取新生长的重组克隆于YPD液体培养基中培养,提取酵母基因组DNA,使用5'-AOX、3'-AOX、PC1、SO8引物交替组合进行PCR筛选阳性克隆.
1)标准质粒及检测样品构建
以SMD1168菌株的基因组DNA为模板,用GAP-1和GAP-2引物(表1)扩增毕赤酵母看家基因甘油醛-3-磷酸脱氢酶(GAP),连接克隆载体构建pMD-19-T-GAP(T-GAP)标准质粒,并测序验证.以插入PSP串联基因的SMD1168菌株的基因组DNA作为qRT-PCR的检测样品.
2)标准曲线的建立
根据质粒的质量分数和阿伏伽德罗常数(6.022 05×1023)计算每微升T-GAP质粒溶液中所含质粒的拷贝数.将质粒溶液稀释至拷贝数分别为103,104,105 ,106,107,108,109/μL,以1 μL各稀释梯度的质粒溶液作为模板,用RT-GAP-1、RT-GAP-2和RT-PSP-1、RT-PSP-2引物(表1)按照SYBR Premix Ex TaqTM说明书进行qRT-PCR.每个样品重复3次,以Ct值作为横坐标,起始模板中质粒拷贝数的对数作为纵坐标,建立标准曲线.
3)PSP串联基因拷贝数检测
以插入PSP串联基因的SMD1168菌株的基因组DNA 1 μL作为模板,用RT-GAP-1、RT-GAP-2和RT-PSP-1、RT-PSP-2引物进行qRT-PCR检测.将获得的Ct值代入标准曲线方程,求出DNA样品中GAP基因和PSP串联基因的起始模板拷贝数.由于GAP基因以单拷贝形式存在于毕赤酵母基因组[6],所以PSP串联基因在毕赤酵母基因组中的拷贝数即为PSP串联基因起始模板拷贝数与GAP基因起始模板拷贝数的比值.
将筛选所得多拷贝阳性克隆接种于5 mL pH 6.0的缓冲甘油复合培养基(BMGY),29 ℃、260 r/min振荡培养约18 h至A600=2.0~6.0,然后室温、1 500~2 000 g离心收集细胞.使用5 mL pH 6.0的缓冲甲醇复合培养基(BMMY)重悬细胞,28 ℃、230 r/min振荡培养,诱导表达; 每24 h补充一次甲醇至终体积分数为0.5%,同时补充BMMY使发酵液总体积保持不变.在培养0和72 h时各取3 mL发酵液,1 500~2 000 g离心取上清用于蛋白表达量的分析.用三氯乙酸(TCA)法浓缩蛋白,加入适量1×十二烷基磺酸钠(SDS)上样缓冲液重悬,tricine-SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)[7]分析蛋白的表达情况,并使用蛋白质免疫印迹(Western blot)法检测重组串联肽的表达.
通过测定最小抑菌浓度(MIC)检测PSP串联肽的抑菌活性.带有6×His标签的表达产物通过镍柱纯化回收后,定量分装冻存备用.待测菌包括革兰氏阳性菌:枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus); 革兰氏阴性菌:大肠杆菌、溶藻弧菌(Vibrio alginolyticus)、哈维氏弧菌(V. harveyi)、副溶血弧菌(Vibrio parahaemolyticus)、爱德华氏菌(Edwardsiella tarda)、嗜水假单胞菌(Aeromonas hydrophila)、荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)、铜绿假单胞菌(P. aeruginosa); 酵母:毕赤酵母GS115菌株、白假丝酵母(Candida albicans); 丝状真菌:黑曲霉(Aspergillus niger).
将少量已活化的菌液划线于Mueller-Hinton琼脂(MHA)平板上,倒置培养12 h.从平板上挑取1个单菌落划线于MHA斜面培养基上,28 ℃培养12 h后用10 mmol/L磷酸钠缓冲液(NaPB)洗脱斜面培养物,并用酶标仪在600 nm波长下测定洗脱液的吸光度值.加一定量的洗脱液于NaPB中,使最终细菌悬浮液的吸光度值为0.001 8.
设计实验组、空白对照组和阴性对照组,每个待测抗菌肽浓度设置2个平行样品,各组加入的液体如下:1)实验组为50 μL抗菌肽工作液+50 μL细菌悬浮液; 2)空白对照组为50 μL无菌水+50 μL细菌悬浮液; 3)阴性对照组为50 μL工作培养基+50 μL最低浓度的抗菌肽工作液.28 ℃培养24 h后肉眼观察实验结果.当空白对照组细菌明显生长而阴性对照组培养物澄清时,将有细菌生长的最高抗菌肽浓度至无细菌生长(即培养物澄清)的最低抗菌肽浓度作为MIC范围,重复3次.
使用5'-AOX和3'-AOX引物对重组质粒进行PCR检测,获得约800 bp的目的扩增条带(图2(a)); 再使用XhoⅠ和XbaⅠ双酶切处理pPICZαA-PSP质粒,如图2(b)所示,可得358 bp的目的片段与3 500 bp的载体条带,证实插入表达载体的片段与设计合成基因一致.重组表达载体经测序验证正确,基因序列及各组分如附录(http:∥jxmu.xmu.edu.cn/upload/html/2020106.html)图S1所示.
M:DNA分子质量标准; 实心箭头指示800 bp扩增条带,
空心箭头分别指示358 bp目的片段和3 500 bp载体.
pPICZαA-PSP及pPICZαA质粒经SacⅠ线性化后,电转化入SMD1168菌株,使用5'-AOX、3'-AOX、PC1、SO8引物交替组合进行PCR,筛选阳性克隆.图3结果显示各条带大小均符合设计理论值,表明目的片段已正确整合进酵母基因组中.
M:DNA分子质量标准; 1:5'-AOX和3'-AOX引物
扩增条带; 2:5'-AOX和SO8引物扩增条带;
3:PC1和 3'-AOX引物扩增条带.
GAP基因和PSP串联基因的标准曲线及回归方程见图4.将实验所得各阳性菌株的Ct值分别代入标准曲线回归方程中,求出所检测的DNA样品中PSP串联基因拷贝数与GAP基因拷贝数,两者比值即为PSP串联基因在酵母基因组中的拷贝数,结果显示第12号菌株在基因组中存在5个拷贝的PSP基因(附录表S1),采用此菌株进行后续的蛋白诱导表达.
挑取筛选所得阳性酵母菌株进行诱导表达,同时将空载体(pPICZαA)转化菌株作为阴性对照.诱导表达72 h后进行tricine-SDS-PAGE,在12.5 ku处检测到目的条带,与设计理论值一致(图5(a)).Western blot检测使用His标签抗体显色,重组蛋白呈现明显的显色条带,证明PSP串联肽被正确分泌表达(图5(b)).
M:低分子质量蛋白标准; 1:未诱导浓缩上清; 2:诱导后浓缩上清.
PSP串联肽的MIC测定结果显示(表2):其对于枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌和爱德华氏菌均有较高的抑制活性,MIC为1.5~3 μmol/L.相较于PC-piscidin,PSP串联肽的MIC总体略有增大,证明其抑菌活性略低于PC-piscidin; 但其抑菌活性普遍高于SO-piscidin,仅对嗜水假单胞菌、荧光假单胞菌、铜绿假单胞菌、白假丝酵母和黑曲霉的抑菌活性较低.
抗菌肽的生物提取难度较大且对技术和成本要求较高,对其规模化生产应用造成限制,而化学合成抗菌肽成本同样较高,故目前对抗菌肽的生产多采用微生物融合表达的方法,以克服抗菌肽分子质量普遍偏小,表达产物不稳定易降解、不便于检测与纯化、对宿主具有毒性而往往无法大量表达的难题[9-10].本研究采取两种piscidin抗菌肽串联表达的方法,利用连接肽将不同的抗菌肽进行串联而构建PSP串联肽,其柔性的甘氨酸和脯氨酸转角可以减少多肽间的相互折叠和空间位阻,从而最大限度地保护串联肽的生物学活性[11].
酵母表达系统在表达抗菌肽方面具有较多优势,不仅费用低廉,操作方便,而且能对表达的蛋白进行正确加工、折叠及适度糖基化,目前已有多种抗菌肽实现了酵母表达[12-13].本研究选择毕赤酵母表达系统成功实现了PSP串联肽的分泌表达,并通过MIC法对其生物学活性进行初步验证,证明其对多种细菌、真菌具有抑制活性.
虽然有研究表明特异增加外源基因整合拷贝数对于其在毕赤酵母中的表达并无明显效果[14],但是由于多拷贝克隆更易于获得高效的表达[15-16],因此在表达前进行多拷贝克隆的筛选是有必要的.本研究通过qRT-PCR的双标准曲线法[17],以毕赤酵母看家基因 GAP 作为内参,分别绘制看家基因和目的基因的标准曲线,以GAP基因的拷贝数表征毕赤酵母基因组的拷贝数,并计算得到PSP串联肽基因整合在毕赤酵母基因组中的拷贝数[18].
本研究结果表明小分子抗菌肽的串联表达方案是可行的.串联肽由于分子质量增大,可顺利在毕赤酵母表达系统中进行表达,且表达产物对于大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、爱德华氏菌等均有抑制生长的活性.在后续研究中,需要通过大规模发酵并优化诱导表达条件以提高表达效率,通过优化纯化方式或使用标签蛋白融合表达的方式提高产量,进而解决抗菌肽本身对于宿主细胞的毒性问题,为抗菌肽的产业化应用提供理论基础和经验参考.