結(jié)核分枝桿菌毒素-抗毒素系統(tǒng)mazEF6缺失突變株的構(gòu)建及其表型的初步探討

申愛平，曹帥麗，邢建新，袁俐

石河子大學(xué)醫(yī)學(xué)院病原生物學(xué)與免疫學(xué)教研室，石河子 832002

結(jié)核分枝桿菌毒素-抗毒素系統(tǒng)mazEF6缺失突變株的構(gòu)建及其表型的初步探討

申愛平，曹帥麗，邢建新，袁俐

石河子大學(xué)醫(yī)學(xué)院病原生物學(xué)與免疫學(xué)教研室，石河子 832002

為構(gòu)建結(jié)核分枝桿菌毒素-抗毒素系統(tǒng)mazEF6缺失突變株，并對(duì)其表型進(jìn)行初步探討，首先用聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）分別從H37Rv標(biāo)準(zhǔn)株和PUC-19K質(zhì)粒擴(kuò)增出mazEF6基因的同源臂及卡那霉素抗性基因kan；然后應(yīng)用融合PCR技術(shù)將mazEF6基因的同源臂與kan基因進(jìn)行雜交拼接，獲得目的融合片段，將該融合片段克隆于pMD-19T（simple）載體形成自殺質(zhì)粒pMD-19T-ΔmazEF6-kan，并將自殺質(zhì)粒轉(zhuǎn)化至大腸埃希菌DH5α中；最后利用電穿孔技術(shù)將自殺質(zhì)粒電轉(zhuǎn)至H37Rv標(biāo)準(zhǔn)株中，在卡那霉素抗性改良羅氏培養(yǎng)基上篩選H37RvΔmazEF6缺失突變株單個(gè)菌落，提取陽(yáng)性菌株全基因組DNA為模板，PCR擴(kuò)增克隆片段并測(cè)序。將所獲得的H37RvΔmazEF6缺失突變株進(jìn)行遺傳穩(wěn)定性檢測(cè)后，對(duì)其表型進(jìn)行初步研究。結(jié)果顯示，該缺失株在15代內(nèi)未發(fā)生回復(fù)性突變；與野生株相比，缺失株生長(zhǎng)速度緩慢且細(xì)菌形態(tài)短小。本研究證實(shí)，融合PCR技術(shù)便于快速獲得結(jié)核分枝桿菌缺失突變株；結(jié)核分枝桿菌在缺失毒素-抗毒素系統(tǒng)mazEF6基因后生存能力下降，這為進(jìn)一步研究毒素-抗毒素系統(tǒng)的作用奠定了基礎(chǔ)。

結(jié)核分枝桿菌；毒素-抗毒素系統(tǒng)；缺失突變株

結(jié)核?。╰uberculosis，TB）是一種由結(jié)核分枝桿菌（Mycobacterium tuberculosis，MTB）感染引起的最常見的人獸共患慢性傳染病。隨著結(jié)核分枝桿菌耐藥率升高、人類免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus，HIV）合并結(jié)核分枝桿菌感染增多，結(jié)核病在全球的流行日趨增強(qiáng)。

結(jié)核分枝桿菌的毒素-抗毒素系統(tǒng)（toxinantitoxin system，TAS）也被稱為成癮或自殺模塊，由一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)的操縱子組成，該操縱子編碼穩(wěn)定的毒素mazF和不穩(wěn)定的抗毒素mazE［1］。在應(yīng)激條件下，親和性復(fù)合物中的抗毒素被降解，毒素釋放后干擾或改變細(xì)菌的代謝及生物合成，介導(dǎo)細(xì)菌死亡、耐藥或持留生存形成［2］，也可減慢、抑制細(xì)胞生長(zhǎng)，甚至殺死細(xì)胞［3］。結(jié)核分枝桿菌的TAS可能與促進(jìn)細(xì)菌適應(yīng)不斷變化的生長(zhǎng)速率、長(zhǎng)期休眠和產(chǎn)生多重耐藥有關(guān)［4］，對(duì)其功能的研究有利于了解結(jié)核分枝桿菌致病機(jī)制，為開發(fā)新的抗結(jié)核藥提供新靶點(diǎn)。

表1 PCR引物序列Tab.1 Sequences of PCR primers

本研究通過構(gòu)建結(jié)核分枝桿菌TAS mazEF6缺失突變株，并對(duì)其表型進(jìn)行初步研究，為進(jìn)一步揭示TAS對(duì)細(xì)菌生存能力的影響提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 菌株結(jié)核分枝桿菌H37Rv、PUC-19K質(zhì)粒、大腸埃希菌（Escherichia coli，E.coli）DH5α由本實(shí)驗(yàn)室保存。

1.1.2 引物所用引物均由上海生工生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司合成，序列見表1。

1.2 方法

1.2.1 mazEF6同源臂及卡那霉素抗性基因kan的擴(kuò)增以結(jié)核分枝桿菌H37Rv基因組和PUC-19K質(zhì)粒為模板，應(yīng)用高保真DNA聚合酶，擴(kuò)增出mazEF6的N、C端同源臂及卡那霉素抗性基因kan。反應(yīng)條件見表2。所得產(chǎn)物經(jīng)1.5%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)后用DNA凝膠試劑盒回收，－20℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 重疊延伸拼接-聚合酶鏈反應(yīng)擴(kuò)增構(gòu)建體外mazEF6基因的同源重組片段將回收的mazEF6同源臂及kan基因的聚合酶鏈反應(yīng)（polymerase chain reaction，PCR）產(chǎn)物按（N端同源臂的量）×（N端同源臂片段長(zhǎng)度）－1∶（kan基因的量）×（kan基因片段長(zhǎng)度）－1∶（C端同源臂的量）×（C端同源臂片段長(zhǎng)度）－1＝1∶1∶1的比例混合，不加引物，用2×Taq PCR MasterMix進(jìn)行3個(gè)片段的互補(bǔ)延伸，以形成全長(zhǎng)的融合PCR產(chǎn)物（中間產(chǎn)物）。反應(yīng)條件為：95℃5 min；95℃30 s，45℃3 min，72℃3 min，1個(gè)循環(huán)；72℃10 min。再以中間產(chǎn)物為模板，加入引物MazEF6-N-F、MazEF6- C-R，進(jìn)行融合片段的全長(zhǎng)擴(kuò)增。反應(yīng)條件為：95℃5 min；95℃30 s，51℃30 s，72℃2 min，35個(gè)循環(huán)；72℃10 min（圖1）。

表2 PCR反應(yīng)條件Tab.2 The reaction conditions of PCR

圖1 T載體克隆構(gòu)建結(jié)核分枝桿菌突變株的原理Fig.1 The principle of construction of M.tuberculosis mutant using T vector cloning

1.2.3 pMD-19T-ΔmazEF6-kan同源重組質(zhì)粒的構(gòu)建所得同源重組片段PCR產(chǎn)物用1.5%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)后回收，用T4 DNA連接酶（Thermo公司）將所得克隆片段連接pMD19-T（simple）（TaKaRa公司）載體后，轉(zhuǎn)化入大腸埃希菌DH5α克隆菌株，在氨芐西林和卡那霉素雙抗培養(yǎng)基上篩選出陽(yáng)性菌，進(jìn)行菌液PCR，將能擴(kuò)增出克隆片段的陽(yáng)性菌株送上海生工生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司測(cè)序。將測(cè)序正確的菌株擴(kuò)大培養(yǎng)后，用質(zhì)粒小提試劑盒提取質(zhì)粒，－20℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.4 結(jié)核分枝桿菌H37RvΔMazEF6缺失突變株的篩選和鑒定 取約2μl自殺質(zhì)粒，加入200μl結(jié)核分枝桿菌H37Rv感受態(tài)細(xì)胞中，混勻，冰上靜置20 min，移入1 mm電擊杯中，E＝2.5 kV／cm電擊1次，立即加入37℃預(yù)熱的2 ml 7H9培養(yǎng)基中（BD公司）。37℃搖床培養(yǎng)24 h，8 000 r／min離心3 min，吹打均勻，接種于卡那霉素抗性羅氏培養(yǎng)基（珠海貝索生物技術(shù)有限公司）。培養(yǎng)2～3周后，挑取單菌落分別接種至7H9液體培養(yǎng)基，2周后提取結(jié)核分枝桿菌全基因組DNA，分別以引物MazEF6-N-F、Kan-R，引物Kan-F、MazEF6-C-R，引物MazEF6-N-F、MazEF6-C-R，外延引物MazEF6-N′-F、MazEF6-C′-R擴(kuò)增出片段N-K、KC、N-C及外延后片段N′-C′，并對(duì)PCR產(chǎn)物進(jìn)行測(cè)序。將測(cè)序正確的菌株接種于改良羅氏培養(yǎng)基，傳至15代，得到穩(wěn)定的H37RvΔmazEF6缺失突變株，再次測(cè)序。以上實(shí)驗(yàn)在石河子大學(xué)醫(yī)學(xué)院新疆地方與民族高發(fā)病教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成。

1.2.5 結(jié)核分枝桿菌H37RvΔMazEF6缺失突變株生存能力的初步檢測(cè)選取在改良羅氏培養(yǎng)基上生長(zhǎng)旺盛的結(jié)核分枝桿菌標(biāo)準(zhǔn)株H37Rv和H37Rv ΔmazEF6缺失突變菌株，接種至7H9液體培養(yǎng)基，置于37℃恒溫?fù)u床培養(yǎng)。當(dāng)細(xì)菌生長(zhǎng)達(dá)對(duì)數(shù)期時(shí)，將細(xì)菌密度調(diào)整至1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)麥?zhǔn)蠁挝唬魅?00μl菌液分別接種于10 ml 7H9液體培養(yǎng)基中［5］，置于37℃恒溫?fù)u床培養(yǎng)。在培養(yǎng)過程中的不同時(shí)間點(diǎn)（第3、6、9、12、15、18、21天）對(duì)菌液密度進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)取等量菌液進(jìn)行一系列10倍稀釋后接種至改良羅氏培養(yǎng)基，37℃培養(yǎng)3～4周，觀察菌落生長(zhǎng)狀態(tài)，并對(duì)各時(shí)間點(diǎn)的菌株進(jìn)行結(jié)核分枝桿菌抗酸染色，觀察野生株與突變株在顯微鏡下的形態(tài)差異。

2 結(jié)果

2.1 mazEF6同源臂和卡那霉素抗性基因kan的擴(kuò)增及鑒定

以結(jié)核分枝桿菌H37Rv標(biāo)準(zhǔn)株為模板擴(kuò)增出mazEF6的N端同源臂條帶大小為538 bp，擴(kuò)增出mazEF6的C端同源臂條帶大小為479 bp（圖2），以PUC-19K質(zhì)粒為模板擴(kuò)增出kan基因條帶大小為1 093 bp（圖3），目的條帶大小均與預(yù)期一致。

圖2 MazEF-6同源臂PCR擴(kuò)增Fig.2 PCR amplification of MazEF6 homologous arm

圖3 kan基因的擴(kuò)增片段Fig.3 PCR amplification of kangene

2.2 pMD-19T-ΔmazEF6-kan同源重組質(zhì)粒的鑒定

由于pMD19-T（simple）載體本身含氨芐西林抗性，克隆片段具有卡那霉素抗性，故構(gòu)建成功的自殺質(zhì)?？稍诤邪逼S西林和卡那霉素的LB固體培養(yǎng)基上生長(zhǎng)。以陽(yáng)性菌的質(zhì)粒為模板，用引物MazEF6-N-F和MazEF6-C-R擴(kuò)增出的同源重組片段大小為2 110 bp，結(jié)果與預(yù)期一致（圖4、5）。

圖4 構(gòu)建成功的同源重組質(zhì)粒Fig.4 Construction of homologous recombination plasmid

2.3 結(jié)核分枝桿菌H37RvΔMazEF6缺失突變株的篩選

挑取電轉(zhuǎn)后在卡那霉素抗性培養(yǎng)基中生長(zhǎng)的結(jié)核分枝桿菌單個(gè)菌落，提取全基因組DNA為模板，分別以引物MazEF6-N-F、Kan-R，引物Kan-F、MazEF6-C-R，引物MazEF6-N-F、MazEF6-C-R，外延引物MazEF6-N′-F、MazEF6-C′-R擴(kuò)增出的N-K條帶大小為1 631 bp，K-C條帶大小為1 572 bp，NC條帶大小為2 110 bp，外延后N′-C′條帶大小為2 517 bp（圖6）。目的條帶大小均與預(yù)期一致，證明成功獲得結(jié)核分枝桿菌H37RvΔmazEF6缺失突變株。

圖5 同源重組質(zhì)粒的PCR鑒定Fig.5 Identification of homologous recombination plasmid

圖6 以缺失株為模板擴(kuò)增出的N-K、K-C、N-C、N′-C′片段Fig.6 Amplification of N-K，K-C，N-C and N′-C′fragments with deletion mutant as a template

2.4 結(jié)核分枝桿菌H37RvΔMazEF6缺失突變株的遺傳穩(wěn)定性檢測(cè)

將所獲得的基因缺失株送上海生工生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司測(cè)序，所得結(jié)果與克隆片段基因比對(duì)同源度為100%，傳至第15代，再次測(cè)序，未發(fā)生回復(fù)性突變，成功獲得具有遺傳穩(wěn)定性的H37Rv ΔmazEF6缺失株。

2.5 結(jié)核分枝桿菌H37RvΔMazEF6缺失突變株的生長(zhǎng)情況

在改良羅氏培養(yǎng)基上，H37Rv和H37Rv ΔmazEF6缺失突變菌株均為淡黃色菌落，呈菜花樣生長(zhǎng)。H37Rv和H37RvΔmazEF6缺失突變菌株在各時(shí)間點(diǎn)的抗酸染色顯示，與野生株相比，突變株形態(tài)較短?。▓D7）。觀察比較不同時(shí)間點(diǎn)H37Rv與H37RvΔmazEF6缺失突變菌株的活菌數(shù)，結(jié)果顯示，在培養(yǎng)第3、6、9和12天，H37Rv與H37Rv ΔmazEF6缺失突變菌株的活菌數(shù)不同，但差異沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。在培養(yǎng)的第15、18和21天，H37Rv菌株的活菌數(shù)顯著高于H37Rv ΔmazEF6缺失突變菌株，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）（圖8）。

圖7 H37Rv和H37RvΔmazEF6對(duì)數(shù)期染色圖片F(xiàn)ig.7 H37Rv and H37RvΔmazEF6in the logarithmic phase

圖8 不同培養(yǎng)時(shí)間點(diǎn)結(jié)核分枝桿菌的活菌數(shù)（Log10／ml）Fig.8 The counts of live bacteria at different culture time points

3 討論

結(jié)核病是一種由結(jié)核分枝桿菌引起的慢性感染性疾病，嚴(yán)重威脅人類健康，其致死率在感染性疾病中位于第2，僅次于HIV感染。結(jié)核分枝桿菌可引起潛伏感染，發(fā)病前細(xì)菌可持留生存多年。結(jié)核分枝桿菌的持留性［6］，即于逆境下能保持穩(wěn)定和對(duì)環(huán)境適應(yīng)的特性，對(duì)結(jié)核分枝桿菌潛伏感染及結(jié)核病病程的遷延和復(fù)發(fā)起著重要作用。分枝桿菌中存在大量TAS模塊。在結(jié)核分枝桿菌基因組中發(fā)現(xiàn)88個(gè)假定的TAS，其中30個(gè)已被確認(rèn)具有TAS的功能［7］。在結(jié)核分枝桿菌已確定的9個(gè)mazF同系物中，有7個(gè)在大腸埃希菌中表達(dá)時(shí)會(huì)造成生長(zhǎng)停滯［8］。

未知基因功能的研究得力于突變株的構(gòu)建，因此快速、高效地構(gòu)建基因突變株可大大提高基因功能研究的效率。基因重疊延伸拼接-PCR（splicing by overlap extension PCR，SOE-PCR）法構(gòu)建自殺質(zhì)粒是利用基因搭橋法快速獲得目的融合片段（即基因克隆片段），在一定程度上避免了雙酶切法的繁瑣性。同時(shí)，應(yīng)用抗性基因替換構(gòu)建基因缺失菌株，不僅減少了質(zhì)粒整合帶來的問題，還提供了一個(gè)篩選標(biāo)記，能通過一次篩選即可得到突變株［9］?；谝陨戏椒?，本課題組成功構(gòu)建了自殺質(zhì)粒pMD-19T-ΔmazEF6-kan，并利用電穿孔技術(shù)成功構(gòu)建了結(jié)核分枝桿菌mazEF6缺失突變株，為結(jié)核分枝桿菌突變株的構(gòu)建提供了快速、有效的方法，也為進(jìn)一步揭示mazEF6的生物學(xué)作用奠定了基礎(chǔ)。

TAS在細(xì)菌內(nèi)的相互作用可介導(dǎo)應(yīng)激誘發(fā)的非復(fù)制狀態(tài)［10］。張俊杰等研究表明，毒素蛋白R(shí)v1991c（MazF6）、Rv2801c（MazF9）和Rv1102c（MazF3）通過切割RNA發(fā)揮抑菌或殺菌活性；且Rv1991a-1991c（MazEF6）和Rv2801a-2801c（MazEF9）系統(tǒng)可能參與結(jié)核分枝桿菌在營(yíng)養(yǎng)匱乏條件下的生長(zhǎng)調(diào)控［11］。結(jié)核分枝桿菌對(duì)Rv1991c（MazF6）的表達(dá)非常敏感，即使在非常低的水平也能顯著降低細(xì)菌存活率［12］。本研究通過在不同培養(yǎng)時(shí)間點(diǎn)分別對(duì)H37Rv和H37RvΔmazEF6缺失突變菌株進(jìn)行計(jì)數(shù)和結(jié)核分枝桿菌抗酸染色，比較缺失株與野生株在表型上的差異。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，H37RvΔmazEF6缺失突變菌株不但生長(zhǎng)速度較慢，而且在顯微鏡下的形態(tài)也較野生株短小，推測(cè)結(jié)核分枝桿菌較強(qiáng)的生存能力可能與TAS相關(guān)。

關(guān)于TAS的功能，Zorzini等提出了不同的觀點(diǎn)：①自私的基因；②可保護(hù)特定染色體片段的穩(wěn)定性；③在細(xì)菌應(yīng)激反應(yīng)和持留形成過程中發(fā)揮作用［13］。結(jié)核分枝桿菌較強(qiáng)的生存能力可能與TAS相關(guān)，但該系統(tǒng)在結(jié)核分枝桿菌中的作用機(jī)制尚不清楚，有待進(jìn)一步研究。

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Construction and characterization of toxin-antitoxin system mazEF6 deletion in Mycobacterium tuberculosis

SHEN Ai-Ping，CAO Shuai-Li，XING Jian-Xin，YUAN Li
Department of Pathogenic Biology and Immunology，School of Medicine，Shihezi University，Shihezi 832002，China

To study the toxin-antitoxin system mazEF6 of Mycobacterium tuberculosis（M.tuberculosis），deletion mutants were constructed and subjected to phenotype analysis.First，the flanking（homology arms）of mazEF6 gene from H37Rv and kanamycin resistance gene（kan gene）from plasmid PUC-19K were amplified by polymerase chain reaction（PCR）respectively.Second，fusion PCR was used for the hybrid splicing of mazEF6 homology arms and kan gene，and the desired fusion fragment was obtained.Then the fragment was cloned into pMD-19T（simple）vector to form a suicide plasmid（pMD-19T-ΔmazEF6-kan），and the suicide plasmid was transformed into Escherichia coli（E.coli）DH5α.At last，the constructed plasmid was transformed into H37Rv by electroporation.Single colonies of M.tuberculosis were screened on L-J medium with kanamycin，the genomic DNA of positive strains were extracted，and the targeted fragments were amplified by PCR and sequenced.The genetic stability and other phenotypes of the H37Rv ΔmazEF6 deletion mutant were studied.The results showed that the deletion mutant strains did not presentreverse mutant within 15 generations.Compared with the wild-type strains，H37RvΔmazEF6 deletion mutant strains grew more slowly and the bacterial cell was relatively shorter.This study demonstrated that it is practical to obtain M.tuberculosis deletion mutant by fusion PCR technology，and the survival ability ofM.tuberculosiswithout toxin-antitoxin mazEF6 gene is decreased.

Mycobacterium tuberculosis；Toxin-antitoxin system；Deletion mutant strain

.YUAN Li，E-mail：yuanli832000＠sina.com

2014-04-08）

國(guó)家自然科學(xué)基金（81160368、81341079）

袁俐