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    利用Gateway技術(shù)改造原核表達(dá)載體pGEX—4T—1、pET—28a

    2015-05-30 14:20:21胡麗松鄔華松郝朝運(yùn)譚樂和范睿吳剛
    熱帶作物學(xué)報(bào) 2015年8期
    關(guān)鍵詞:原核表達(dá)

    胡麗松 鄔華松 郝朝運(yùn) 譚樂和 范睿 吳剛

    摘 ?要 ?質(zhì)粒載體是基因工程研究中不可或缺的工具。為提高載體構(gòu)建效率,進(jìn)一步滿足基因工程研究在構(gòu)建表達(dá)載體時(shí)的需要,本文提供了一種重組型載體的改造策略?;玖鞒倘缦拢豪脦glⅡ、XhoⅠ酶切位點(diǎn)以及attB重組序列的引物,從Gateway的入門載體pDONR Zeo中克隆到“BglⅡ-attB1-ccdB-attB2-XhoⅠ”片段。通過酶切連接的方法,將該片段插入到原核表達(dá)載體pGEX-4T-1以及pET-28a的多克隆位點(diǎn),構(gòu)建具有重組位點(diǎn)以及ccdB致死基因的原核表達(dá)載體。以胡椒High mobility group protein(HMGB)基因的開放讀碼框?yàn)槟繕?biāo)片段,通過重組反應(yīng)將目的基因構(gòu)建到改造后的原核表達(dá)載體上,經(jīng)檢測體外誘導(dǎo)表達(dá)出大小正確的HMGB蛋白,驗(yàn)證本研究中改造載體的正確性。該載體的成功構(gòu)建,為基因工程科研工作提供了一個(gè)高效的蛋白表達(dá)載體以及載體改造的新策略。

    關(guān)鍵詞 ?Gateway技術(shù);載體改造;胡椒PnHMGB;原核表達(dá)

    中圖分類號 ?Q936 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 ?A

    Modification of Prokaryotic Expression Vector

    pGEX-4T-1, pET-28a by Using

    Gateway Technology

    HU Lisong1,2, WU Huasong1,2 *, HAO Chaoyun1,2, TAN Lehe1,2, FAN Rui1,2, WU Gang1,2

    1 Spice and Beverage Research Institute,CATAS, Wanning, Hainan 571533, China

    2 Ministry of Agriculture Key Laboratory of Genetic Resources Utilization of Spice and Beverage Crops / Hainan Provincial

    Key Laboratory of Genetic Improvement and Quality Regulatioin for Tropical Spice and Beverage Crops,

    Wanning, Hainan 571533, China

    Abstract ?Plasmid vector is a necessary tools for gene engineering. In order to improve the efficiency of vector construction, a strategy for recombinant vector modification was presented. The process as follows: A“BglⅡ-attB1-ccdB-attB2-XhoⅠ”sequence was cloned with 5`-BglⅡ-attB1 and 3`-XhoⅠ-attB2 extension primers from Gateway entry vector pDONR Zeo. Then the sequence was inserted into the multiple cloning site of pGEX-4T-1 and pET-28a to construct the new recombinant ccdB-selection E. coli expression vector. The open read frame(ORF)sequence of PnHMGB was cloned to the new pGEX-4T-1 and pET-28a vector by recombinant reaction. The results of PnHMGB expression in vitro verifies the correctness of vector modification. The successful vector modification supply an efficient E. coli expression vector and a new strategy for recombinant vector modification.

    Key words ?Gateway technology; Vector modification; PnHMGB; Prokaryotic expression

    doi ?10.3969/j.issn.1000-2561.2015.08.014

    天然質(zhì)粒是存在于受體細(xì)胞染色體外的一種裸露的小型環(huán)狀雙鏈DNA分子,廣泛存在于細(xì)菌、霉菌、藍(lán)藻、酵母等細(xì)胞,是寄主染色體以外的非必要組成部分,隨著細(xì)胞的自我復(fù)制而分配到后代中。質(zhì)粒還具有DNA轉(zhuǎn)移性,能夠使遺傳物質(zhì)從一細(xì)胞轉(zhuǎn)移到另一細(xì)胞中。這些特點(diǎn)很好的符合了基因工程的研究需要,以質(zhì)粒為骨架構(gòu)建而成的載體統(tǒng)稱為質(zhì)粒載體[1]。目前構(gòu)建的質(zhì)粒載體有上百種,廣泛應(yīng)用的包括pCAMBIA系列真核表達(dá)載體,pET系列原核表達(dá)載體,pGEM-T克隆載體等[2]。

    在質(zhì)粒載體的基本元件中,有一段包含多個(gè)限制性酶切位點(diǎn)的DNA短序列,這一片段稱為多克隆位點(diǎn)(multiple cloning site,MCS)或多位點(diǎn)接頭(polylinker)。該元件是外源遺傳物質(zhì)導(dǎo)入載體的關(guān)鍵,通過合適的酶切位點(diǎn),可以將一個(gè)或多個(gè)外源DNA片段插入到載體[3]。盡管目前多克隆位點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)配置序列的酶切位點(diǎn)足夠豐富,但是實(shí)際的研究中會遇到目的基因片段與載體的酶切位點(diǎn)不匹配,致使目的基因片段插入載體相當(dāng)困難[4]。另外,利用限制性內(nèi)切酶和連接酶構(gòu)建質(zhì)粒載體時(shí)需要對DNA進(jìn)行切割并回收目的片段,然后再用連接酶將其連接,這些操作使得傳統(tǒng)的酶切連接克隆技術(shù)在應(yīng)對大規(guī)模、高通量構(gòu)建需求時(shí)具有一定的局限性[5]。

    為了克服用酶切連接技術(shù)構(gòu)建表達(dá)載體所遇到的問題,Invitrogen公司根據(jù)λ 噬菌體基因組和大腸桿菌基因組之間的位點(diǎn)專一性重組分子機(jī)制開發(fā)了一套分子克隆新技術(shù),即Gateway克隆技術(shù)[6]。Gateway克隆技術(shù)是一種通用性的克隆方法,利用該技術(shù)可以快速、高效地將目的基因同時(shí)構(gòu)建到多種與 Gateway 技術(shù)兼容的載體系統(tǒng),用于功能分析和蛋白質(zhì)表達(dá)[7-9]。它基于lambda噬菌體的位點(diǎn)特異性重組反應(yīng)(attB×attP→attL×attR),在目的片段兩端添加attB重組位點(diǎn),將含attB重組位點(diǎn)PCR產(chǎn)物與含attP重組位點(diǎn)的入門載體混合,在BP酶的催化下發(fā)生反應(yīng),把目的基因克隆到入門載體上,同時(shí)在入門載體上形成新的attL位點(diǎn)。含新的attL位點(diǎn)的入門載體在LR重組酶的催化下和含attR位點(diǎn)的表達(dá)載體發(fā)生反應(yīng),從而達(dá)到將目的基因克隆到功能載體的目的[10-11]。與經(jīng)典克隆多個(gè)步驟相比,該方法只需一步生化反應(yīng)便能達(dá)到克隆目的,是高通量克隆基因的好方法。一旦構(gòu)建獲得包含目的基因的入門載體,這個(gè)入門克隆可以與任何Gateway下游目的載體進(jìn)行LR重組反應(yīng),構(gòu)建多種表達(dá)系統(tǒng),用于基因超量表達(dá)、基因沉默、啟動子分析、蛋白質(zhì)亞細(xì)胞定位等研究[12-14]。另外,Gateway技術(shù)采用了致死基因ccdB的篩選方法,能確保高效率的分離陽性重組克隆[15]。盡管Gateway技術(shù)是高通量克隆基因的好方法,但由于專利等原因,Gateway后續(xù)表達(dá)系統(tǒng)不如經(jīng)典的表達(dá)載體高效。

    本研究以整合Gateway重組技術(shù)克隆的高效性和傳統(tǒng)質(zhì)粒表達(dá)的穩(wěn)定性為目的,把帶重組位點(diǎn)的序列插入到原核表達(dá)載體pET-28a和pGEX-4T-1上,構(gòu)建具有重組位點(diǎn)及ccdB致死基因的原核蛋白表達(dá)載體。以胡椒HMGB開放讀碼框序列為目的片段,經(jīng)兩步重組構(gòu)建到原核表達(dá)載體pET-28a和pGEX-4T-1上,通過體外IPTG誘導(dǎo),分別獲得帶His和GST標(biāo)簽的蛋白,驗(yàn)證了該方法的可行性和正確性,為改造質(zhì)粒載體提供一個(gè)新思路。

    1 ?材料與方法

    1.1 ?材料

    質(zhì)粒及菌株入門載體pDONR Zeo購自Life Technologies公司;原核表達(dá)載體pGEX-4T-1購自Amersham公司;pET-28a購自Novagen公司;菌株TOP10、DB3.1、Rosetta由華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室棉花課題組惠贈。

    主要生化試劑:限制性內(nèi)切酶、T4連接酶、DNA擴(kuò)增酶購自New England Biolabs(NEB)公司;BP、LR重組酶,Isopropyl β-D-1-Thiogalactopyranoside(IPTG)、抗生素購自Life Technologies公司;蛋白質(zhì)電泳相關(guān)試劑購自伯樂(Bio-Rad)公司;PCR產(chǎn)物純化、質(zhì)粒提取試劑盒購自天根公司;其他試劑均為國產(chǎn)分析純產(chǎn)品。

    引物:實(shí)驗(yàn)中所設(shè)計(jì)的引物(表1)全部委托上海英駿生物技術(shù)有限公司(Invitrogen)合成。

    1.2 ?方法

    1.2.1 ?重組ccdB序列克隆 ? 以BglⅡ-attB1序列為上游引物,XhoⅠ-attB2為下游引物,pDONR Zeo質(zhì)粒為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增(95 ℃預(yù)變性5 min;94 ℃變性1 min,60 ℃退火30 s,72 ℃延伸1 min,30個(gè)循環(huán);72 ℃延伸10 min),獲得“BglⅡ-attB1-ccdB-attB2-XhoⅠ”片段,經(jīng)電泳檢測大小準(zhǔn)確后回收;回收產(chǎn)物克隆到pGEM-T載體上,轉(zhuǎn)化大腸桿菌TOP10,提取陽性克隆質(zhì)粒,用BglⅡ、XhoⅠ在37 ℃ 、buffer 2體系進(jìn)行雙酶切反應(yīng)2 h,回收目的片段待用。

    1.2.2 ?原核表達(dá)載體改造 ? 用BamHⅠ和XhoⅠ酶切pET-28a、pGEX-4T-1質(zhì)粒,酶切體系為BamHⅠ、XhoⅠ各1 μL,質(zhì)粒10 μg,buffer 2 μL,補(bǔ)雙蒸水至20 μL,37 ℃反應(yīng)2 h,電泳檢測后挖膠回收。將酶切、回收后的載體及“BglⅡ-aatB1-ccdB-attB2-XhoⅠ”重組片段在T4連接酶的作用下16 ℃反應(yīng)10 h。反應(yīng)產(chǎn)物熱激轉(zhuǎn)化大腸桿菌DB3.1感受態(tài),通過博來霉素(100 μg/mL)篩選陽性菌落,經(jīng)PCR驗(yàn)證后,抽提質(zhì)粒,保存菌株(檢測引物見表1)。

    1.2.3 ?原核表達(dá)載體驗(yàn)證 ? 根據(jù)研究室已構(gòu)建的胡椒葉片cDNA文庫信息,選擇PnHMGB基因作為驗(yàn)證基因,該基因編碼一個(gè)約18 ku的蛋白質(zhì)[16]。設(shè)計(jì)帶attB接頭引物進(jìn)行擴(kuò)增, PCR產(chǎn)物通過天根試劑盒回收。用BP重組酶將回收的PnHMGB基因構(gòu)建到入門載體pDONR Zeo,轉(zhuǎn)化大腸桿菌TOP10,挑取陽性克隆送公司測序,并抽提對應(yīng)陽性克隆質(zhì)粒。陽性質(zhì)粒分別與改造后的pET-28a及pGEX-4T-1質(zhì)粒在LR重組酶的作用下將PnHMGB基因構(gòu)建到表達(dá)載體上,轉(zhuǎn)化大腸桿菌,挑選陽性克隆,并擴(kuò)繁,提取質(zhì)粒。

    構(gòu)建好的pET-28a-PnHMGB、pGEX-4T-1- PnHMGB質(zhì)粒轉(zhuǎn)化大腸桿菌表達(dá)菌株Rosetta(DE3),挑取陽性菌落,接入1 mL含抗生素(100 μg/mL)的LB培養(yǎng)基,37 ℃搖床培養(yǎng)過夜。取100 μL培養(yǎng)物轉(zhuǎn)接入10 mL含抗生素(100 μg/mL)的LB培養(yǎng)基中,37 ℃震蕩培養(yǎng),待OD600在0.5~0.7時(shí),取1 mL培養(yǎng)物為對照,其余的加入IPTG至終濃度為1 mmol/L,16 ℃震蕩培養(yǎng)8 h。取1 mL誘導(dǎo)培養(yǎng)物及未誘導(dǎo)的培養(yǎng)物,離心收集菌體,用100 μL SDS聚丙烯酰胺溶液懸浮,高溫裂解后進(jìn)行SDS聚丙烯酰胺凝膠電泳檢測。

    2 ?結(jié)果與分析

    2.1 ?重組型ccdB序列克隆

    利用PCR擴(kuò)增獲得重組ccdB序列,結(jié)果顯示重組ccdB片段大約1.8 kb,擴(kuò)增產(chǎn)物與預(yù)期大小符合。將目標(biāo)片段克隆到T載體,將含有目的序列的T載體進(jìn)行BglⅡ和XhoⅠ雙酶切,酶切產(chǎn)物片段經(jīng)電泳檢測與克隆片段大小一致(圖1)。結(jié)果表明重組型ccdB序列被準(zhǔn)確克隆,可用于進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。

    2.2 ?載體改造與驗(yàn)證

    用BamHⅠ和XhoⅠ雙酶切pET-28a及pGEX-4T-1質(zhì)粒。將含BglⅡ和XhoⅠ酶切位點(diǎn)的重組ccdB序列分別插入到pET-28a和pGEX-4T-1,構(gòu)建2個(gè)含重組位點(diǎn)的原核表達(dá)載體。轉(zhuǎn)化大腸桿菌DB3.1,用通用引物pGEX-F、pGEX-R、T7pro、T7ter進(jìn)行PCR檢測,如圖1所示,改造成功的原核表達(dá)載體比改造前大2 kb左右,通用引物擴(kuò)增產(chǎn)物包含了300 bp左右的載體序列,因此PCR產(chǎn)物比重組ccdB序列稍大。這些結(jié)果表明重組ccdB序列已經(jīng)成功插入到原核表達(dá)載體上(圖1)。

    2.3 ?胡椒PnHMGB原核表達(dá)載體構(gòu)建及驗(yàn)證

    PCR擴(kuò)增胡椒PnHMGB序列,測序結(jié)果顯示,該基因開放讀碼框共432 bp,編碼一個(gè)大小約為18 ku大小的蛋白(圖2)。選擇測序結(jié)果正確的克隆,擴(kuò)增帶重組位點(diǎn)的PnHMGB片段,在重組酶的作用下構(gòu)建到pDONR Zeo上。抽提pDONR Zeo-PnHMGB質(zhì)粒,在LR重組酶的作用下將胡椒PnHMGB序列從pDONR Zeo重組到pET-28a及pGEX-4T-1載體上。

    抽提重組正確陽性質(zhì)粒,熱激轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化大腸桿菌表達(dá)菌株Rosetta(DE3),體外IPTG誘導(dǎo)PnHMGB表達(dá)。SDS-PAGE電泳結(jié)果表明:PnHMGB在pET-28a載體誘導(dǎo)出20 ku左右的特異表達(dá)蛋白,pGEX-4T-1載體誘導(dǎo)表達(dá)出40 ku左右的特異表達(dá)蛋白。正常的PnHMGB蛋白大小為18 ku,在pET-28a載體中表達(dá)末端帶有6個(gè)His標(biāo)簽,所以大小應(yīng)該為20 ku,而在pGEX-4T-1載體中表達(dá)末端帶有23 ku大小的GST標(biāo)簽,因此大小應(yīng)該為42 ku,如圖3中紅色箭頭所示。通過2個(gè)載體的表達(dá),確認(rèn)PnHMGB能在改造后的載體中成功表達(dá),表明本研究采取的重組型載體改造的方法可行。

    3 ?討論與結(jié)論

    在基因功能驗(yàn)證的研究中,各種不同類型載體的構(gòu)建是研究的基礎(chǔ)之一。目前應(yīng)用最為廣泛的是基于酶切和連接反應(yīng)的DNA 重組技術(shù),如pCAMBIA真核表達(dá)系列,pET原核表達(dá)系列等。這類載體在表達(dá)效率和穩(wěn)定性上得到研究者的肯定,目前被廣泛應(yīng)用在基因功能驗(yàn)證研究中。而在實(shí)際的應(yīng)用中,研究者根據(jù)不同需求對這類載體進(jìn)行一定的改造。潘求真等[17]利用雙酶切將pEGFP-N1質(zhì)粒上的多克隆位點(diǎn)(MSC)去除,然后補(bǔ)平連接, 獲得增強(qiáng)型綠色熒光蛋白編碼基因的真核表達(dá)載體pEGFP-N1-MSC。為獲得無標(biāo)記基因轉(zhuǎn)基因植物、保證轉(zhuǎn)基因生物安全,周紅等[18]以pCAMBIA1300植物轉(zhuǎn)化載體為骨架,通過AseI單酶切去除潮霉素標(biāo)記基因,通過酶切片段的自連接反應(yīng)構(gòu)建了無標(biāo)記基因的植物轉(zhuǎn)基因載體?;诿盖羞B接的方法,在載體啟動子改造、表達(dá)標(biāo)簽添加等方面被廣泛應(yīng)用[19-20],但是,這類載體的構(gòu)建其中一個(gè)重要環(huán)節(jié)是選擇合適的酶切位點(diǎn)。由于載體的多克隆位點(diǎn)是固定不變的,常常難以滿足研究的具體需求,盡管稀有酶類,同尾酶的發(fā)現(xiàn)彌補(bǔ)了一些缺陷,整體構(gòu)建的效率沒有質(zhì)的提升[5,21]。

    基于位點(diǎn)特異性重組的Gateway 技術(shù)得到越來越多研究人員的青睞,該技術(shù)的應(yīng)用使得外源基因的插入不再受酶切位點(diǎn)的限制,通過兩步重組反應(yīng)就能實(shí)現(xiàn)目的基因的插入,大大提高了載體構(gòu)建效率[6-8,22]。本研究以整合Gateway重組載體的高效構(gòu)建和傳統(tǒng)載體的高效表達(dá)為目的,從研究的角度出發(fā),展示了一種重組型原核表達(dá)載體的改造方法。該方法同樣適用其他載體系統(tǒng)的改造,但是,在實(shí)際操作時(shí)需要注意以下幾點(diǎn):(1)Gateway系列載體核心重組和ccdB序列中包含了很多酶切位點(diǎn),通過常規(guī)的方法很難將該序列轉(zhuǎn)移到載體的多克隆位點(diǎn)。通過分析,我們選擇了用BamHⅠ和XhoⅠ酶切載體,而用BglⅡ和XhoⅠ酶切重組序列,BamHⅠ和BglⅡ?yàn)橥裁?,酶切之后形成粘性末端可以在T4連接酶的作用下完成連接,從而達(dá)到轉(zhuǎn)移目的。但是一旦連接成功,BamHⅠ和BglⅡ的位點(diǎn)就被破壞,無法通過再次酶切、轉(zhuǎn)移[23];(2)連接后的載體因?yàn)楹衏cdB致死基因,導(dǎo)致一般的DH5α、TOP10菌株無法擴(kuò)繁,需選用特定DB3.1感受態(tài)進(jìn)行擴(kuò)繁[24]。(3)當(dāng)載體完成改造后,必須通過目的基因進(jìn)行表達(dá)驗(yàn)證,主要是因?yàn)橹滤阑騝cdB的序列中含有高級結(jié)構(gòu),所以無法通過測序來確定讀碼框的正確,一旦在克隆過程中序列出現(xiàn)突變,則會影響到后續(xù)的表達(dá)研究。本研究選取胡椒PnHMGB作為目標(biāo)基因驗(yàn)證載體的構(gòu)建是否準(zhǔn)確,是由該基因序列的特點(diǎn)而定。胡椒PnHMGB序列在蛋白翻譯時(shí)存在3種讀碼可能,分別會翻譯出18、9、6 ku等3種蛋白,但只有翻譯出18 ku大小的蛋白才能說明載體按照正確的讀碼方式翻譯蛋白,從而證明在改造過程中載體本身并沒有發(fā)生突變、移碼的情況。

    通過重組序列克隆、轉(zhuǎn)移到目的蛋白表達(dá)驗(yàn)證這一系列的實(shí)驗(yàn)操作,本文展示了一種重組型原核表達(dá)載體的改造方法,該載體的成功構(gòu)建可以保證目標(biāo)片段的插入不再受限于酶切位點(diǎn)的選擇,同時(shí)引入ccdB致死基因的篩選方式大大提高了選擇的效率。該研究為載體改造提供了新的思路,豐富并拓展了Gateway重組技術(shù)的應(yīng)用。

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