通用型植物GFP標簽蛋白表達載體的構(gòu)建和蛋白質(zhì)的細胞內(nèi)定位研究

孟祥潮，劉國富，劉營，鮑岳，曹雪松Δ

(聊城大學 生命科學學院，山東 聊城 252059)

通用型植物GFP標簽蛋白表達載體的構(gòu)建和蛋白質(zhì)的細胞內(nèi)定位研究

孟祥潮1，劉國富1，劉營2，鮑岳2，曹雪松1Δ

(聊城大學 生命科學學院，山東 聊城 252059)

目的 構(gòu)建通用型植物GFP標簽蛋白表達載體，研究蛋白質(zhì)的細胞內(nèi)定位對蛋白質(zhì)組學和代謝組學等研究的意義。方法 構(gòu)建2種GFP標簽蛋白質(zhì)表達載體，分別在GFP的N和C端預(yù)留克隆位點，以克隆目的基因。利用該基因克隆載體，分別克隆內(nèi)切酶FokI的切割結(jié)構(gòu)域與MS2噬菌體外殼蛋白MCP的串聯(lián)蛋白(FokI:MCP:FokI，F(xiàn)MF)至GFP的N和C端，得到FMF與GFP的融合蛋白GFP:FMF和FMF:GFP，其中FMF的N端帶有細胞核定位信號。利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)植物瞬時表達侵染本氏煙草和洋蔥表皮細胞，觀察GFP熒光表達情況。結(jié)果 成功構(gòu)建了2種融合了目的基因和GFP的表達載體pER35GFP-FMF和pER35FMF-GFP。激光共聚焦結(jié)果顯示侵染了只含GFP載體的農(nóng)桿菌的煙草細胞，可在細胞核和細胞質(zhì)中檢測到GFP的綠色熒光，而侵染了含核定位信號FMF：GFP和GFP：FMF 2種融合蛋白載體的農(nóng)桿菌的煙草細胞，只在細胞核中觀察到綠色熒光。結(jié)論 該載體系統(tǒng)可運用于研究蛋白質(zhì)在植物細胞中的亞細胞定位，具有克隆簡單、高效和通用性的特點。

亞細胞定位；植物表達載體；瞬時表達

利用綠色熒光蛋白(green fluorescence protein，GFP)融合目的蛋白是目前研究蛋白質(zhì)亞細胞定位、蛋白質(zhì)動態(tài)變化和表達量等的有效方法。該方法不需要繁瑣的樣品制備過程，不受非特異性標記的影響，可在光學顯微鏡下直接進行觀察[1]，是監(jiān)測活細胞和組織內(nèi)基因表達和蛋白質(zhì)定位的理想標記，已被廣泛用作報告基因，是進行體內(nèi)蛋白質(zhì)研究的重要實驗方法[2-6]。GFP在藍光激發(fā)下發(fā)出綠色熒光，可以與目標蛋白融合，作為熒光標記分子，特異性地觀察蛋白質(zhì)的亞細胞定位[7]。GFP能在蛋白質(zhì)的N端或C端融合而保持其天然蛋白的特性，而且靈敏度高、對活細胞無毒害作用。GFP 在光照下是穩(wěn)定的，各種光照都不會引起其變性，即使與其他蛋白質(zhì)融合后，也能利用熒光顯微鏡很方便地檢測，所以應(yīng)用廣泛[8]。GFP蛋白經(jīng)激光掃描共聚焦顯微鏡激光照射后，可產(chǎn)生一種綠色熒光，從而對蛋白質(zhì)進行精確定位。本實驗旨在構(gòu)建pER35GFP.1和pER35GFP.2系列表達載體，并將FMF融合蛋白構(gòu)建入載體，對煙草葉片進行農(nóng)桿菌侵染轉(zhuǎn)化，再通過觀察葉片中GFP的表達得到研究蛋白的定位情況。FMF融合蛋白中的FokI核酸酶和MCP(MS2噬菌體衣殼蛋白)[9]在天然狀態(tài)下是不進入細胞核的，在融合蛋白FMF兩端加上核定位信號可觀察FMF融合蛋白進入細胞核情況，從而驗證本系統(tǒng)的有效性。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗植物、質(zhì)粒和菌株:本式煙草(Nicotiana benthamiana)、質(zhì)粒pER350和S18GFP.1及18M-1(含有FMF蛋白基因并且兩端帶有核定位信號)、農(nóng)桿菌GV3101、大腸桿菌(Escherichia coli)DH5α均為本實驗室保存。

1.1.2 試劑和引物:膠回收試劑盒、2×Taq PCR StarMix購自北京康潤誠業(yè)生物科技有限公司。Probest DNA polymerase、T4 DNA連接酶和卡那霉素(Kan)等試劑均購自寶生物工程(大連)有限公司(TaKaRa)。NCOI、BglII、speI等限制性內(nèi)切酶購自New England Biolabs(NEB)或TaKaRa公司。普通生化試劑為國產(chǎn)分析純。

1.1.3 儀器：FTC-200 PCR儀(FedBio公司);Tanon 3500R 凝膠成像系統(tǒng)(天能公司)；OLYMPUS BX51正置熒光顯微鏡(OLYMPUS公司)；Olympus FV1200雙掃描激光共聚焦顯微鏡(OLYMPUS公司)。

1.2 方法

1.2.1 定位表達載體的構(gòu)建:載體pER350先用NcoI酶切，柱純化，再用SpeI酶切，回收8231bp片段，命名為pER350-1(3’、5’端分別為NcoI、SpeI)。

以S18GFP.1為模板擴增GFP基因，PCR產(chǎn)物GFP1(3’、5’端分別為NcoI、BglII位點)大小為733bp，將GFP1，adaptor ADGF1(adaptor ADGF1F、adaptor ADGF1R經(jīng)過退火配對形成的DNA雙鏈，3’、5’端分別為BglII、SpeI位點)及 pER350-1(3’、5’端分別為NcoI、SpeI位點)載體在T4 DNA連接酶作用下16 ℃連接過夜。連接后的產(chǎn)物進行轉(zhuǎn)化實驗，構(gòu)建載體命名為pER35GFP.1。

以S18GFP.1為模板擴增GFP基因，PCR產(chǎn)物GFP2 (3’、5’端分別為BglII、SpeI位點) 大小為758bp，將GFP2，adaptor ADGF2(adaptor ADGF2F、adaptor ADGF2R經(jīng)過退火配對形成的DNA雙鏈，3’、5’端分別為NcoI、BglII位點)及 pER350-1(3’、5’端分別為NcoI、SpeI位點)載體在T4 DNA連接酶作用下16 ℃連接過夜。連接后的產(chǎn)物進行轉(zhuǎn)化實驗，構(gòu)建載體命名為pER35GFP.2。

轉(zhuǎn)化子經(jīng)菌落PCR鑒定后挑取陽性克隆送華大基因公司測序，并用DNAMAN軟件對測序結(jié)果進行分析。adaptor ADGF1 和adaptor ADGF2退火程序如下：94 ℃ 1min, 85 ℃ 1min, 75 ℃ 1 min, 65 ℃ 2min，55 ℃ 2min，45 ℃ 2min，25 ℃ 2min，3個循環(huán)。

1.2.2 融合FMF定位表達載體的構(gòu)建:BglII酶切18M-1載體，膠回收 1708bp的FMF片段。載體pER35GFP.1、pER35GFP.2先用BglII酶切，柱純化，回收載體片段，將FMF片段分別與載體pER35GFP.1、pER35GFP.2在T4 DNA連接酶作用下16 ℃連接過夜。連接后的產(chǎn)物進行轉(zhuǎn)化實驗，將轉(zhuǎn)化子進行菌落PCR鑒定，得到融合FMF的定位表達載體pER35GFP-FMF、pER35FMF-GFP。FMF基因片段大小應(yīng)為1708 bp。PCR反應(yīng)體系為：模板菌液1 μL，2×Taq PCR StarMix 25 μL，引物NLSMFF(20 μmol/L)1 μL， 引物NLSMFR(20 μmol/L)1 μL，超純水22 μL。反應(yīng)程序如下： 94 ℃ 預(yù)變性5 min；94 ℃ 30 s, 60 ℃ 30 s，72 ℃100 s，30個循環(huán)；72 ℃延伸5 min。反應(yīng)產(chǎn)物用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測，篩選陽性克隆。

1.2.3 質(zhì)粒提取及鑒定:37 ℃恒溫搖床搖菌10 h后按照《現(xiàn)代分子生物學實驗技術(shù)》[10]中堿裂解法提取質(zhì)粒。隨后各取1 μL提好的質(zhì)粒，與1 μL 6×核酸上樣緩沖液及4 μL超純水混合，進行瓊脂糖凝膠電泳。當指示帶位于瓊脂糖凝膠的3/4處時，使用凝膠成像系統(tǒng)進行觀察和拍照。

煙農(nóng)主要通過參加煙草公司舉辦的培訓及宣傳來了解農(nóng)藥相關(guān)知識。調(diào)查統(tǒng)計有94.0%的煙農(nóng)都參加過煙草公司組織的煙葉質(zhì)量安全培訓。在培訓中，煙葉技術(shù)員主要對農(nóng)藥種類、安全間隔期、科學用藥、綠色防控等方面進行了培訓。煙農(nóng)獲得農(nóng)藥知識的另一渠道則來自銷售人員的講解及其與親朋好友、鄰居的交流。

1.2.4 農(nóng)桿菌的轉(zhuǎn)化與篩選:農(nóng)桿菌的轉(zhuǎn)化及所用試劑參考楊紀君等[10]方法。取表達載體pER35GFP.1、pER35GFP.2、pER35GFP-FMF、pER35FMF-GFP各1 μL分別加入到60 μL農(nóng)桿菌感受態(tài)GV3101中，混合均勻后置于冰上3～5 min，進行電擊轉(zhuǎn)化。加入600 μL LB培養(yǎng)基(50 mg/L Kan，50 mg/Rif)，吸取到EP管中于28 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)2 h，取50 μL涂布于含有相應(yīng)抗生素(50 mg/L Kan，50 mg/Rif)的平板上，于28 ℃培養(yǎng)箱中倒置培養(yǎng)30～40 h，對長出的菌落進行菌落PCR鑒定。

1.2.5 農(nóng)桿菌侵染煙草葉片細胞和洋蔥表皮細胞的瞬時表達:將 pER35GFP.1、pER35GFP.2、pER35GFP-FMF、pER35FMF-GFP，轉(zhuǎn)化到GV3101農(nóng)桿菌細胞中。將含表達載體的農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)接于液體培養(yǎng)基，培養(yǎng)至對數(shù)生長期，離心收集菌體，加入浸潤緩沖液[11]，重懸至OD600值約為 0.1～1.5，室溫靜置2～3 h后用于浸潤。

采用農(nóng)桿菌滲入法感染煙草葉片。用針頭在植株葉片上扎2個孔，用無針頭的針管注射葉片，依靠壓力將菌液注入葉片的葉脈之間。通過農(nóng)桿菌注射，大量的 T-DNA 轉(zhuǎn)移到植物體內(nèi)細胞核中，最后進行瞬時表達[12]。28 ℃條件下培養(yǎng)3 d，光照周期為 16 h光照/8 h黑暗。

無菌條件下取洋蔥的鱗莖，將其切成若干個1 cm2的小塊，用鑷子剝?nèi)⊙笫[的表皮細胞，無菌水浸泡、濾紙吸干表面液體，平鋪在1/2 MS固體培養(yǎng)基上。28 ℃暗培養(yǎng)24 h后，將預(yù)培養(yǎng)后的洋蔥表皮在1.2.3獲得的農(nóng)桿菌液中浸泡 30 min，濾紙吸干表面的菌液，轉(zhuǎn)入1/2 MS固體培養(yǎng)基中 25 ℃培養(yǎng)2 d，光照周期為16 h光照/8 h黑暗[13]。

1.2.6 GFP綠色熒光的觀察:煙草葉片培養(yǎng)3 d后采集葉片，置于熒光顯微鏡和激光掃描共聚焦顯微鏡(奧林巴斯FV1200)下，激發(fā)波長為480 nm，觀察GFP的表達情況及亞細胞定位情況。

2 結(jié)果

2.1 定位表達載體的構(gòu)建 對轉(zhuǎn)化子pER35GFP.1和 pER35GFP.2(構(gòu)建圖譜見圖1A、1B)進行菌落PCR，產(chǎn)物進行1%凝膠電泳，結(jié)果見圖1C：分別在733 bp和758 bp處出現(xiàn)特異性擴增的條帶，且符合目的片段大小。使用DNAMAN軟件分析DNA測序結(jié)果，顯示回收獲得的733 bp、758 bp片段，與質(zhì)粒S18GFP.1序列上GFP的序列一致性達100%。表明目的片段GFP均已成功插入載體。

圖1 表達載體pER35GFP的構(gòu)建A，B：植物表達載體pER35GFP.1和pER35GFP.2；C：重組質(zhì)粒經(jīng) PCR鑒定的電泳結(jié)果。M：D2000 marker，A1-A3：重組質(zhì)粒pER35GFP.1經(jīng)PCR得到的733bp片段；B1：重組質(zhì)粒pER35GFP.2經(jīng)PCR得到的758bp片段；0：空載體Fig.1 Construction of expression vector pER35GFPA, B:Plant expression vector of pER35GFP.1 and pER35GFP.2 respectively; C: Agarose gel electrophoresis results of PCR for pER35GFP.1, pER35GFP.2. M:D2000 Marker;A1-A3: 733bp PCR fragments of amplified DNA from pER35GFP.1, B1:758bp PCR fragments of amplified DNA from pER35GFP. 1;0:Empty vector

2.2 融合FMF定位表達載體的構(gòu)建 對轉(zhuǎn)化子pER35GFP-FMF和pER35FMF-GFP進行菌落PCR，產(chǎn)物進行1%凝膠電泳檢測，結(jié)果見圖2。在1708 bp處有明顯的特異性擴增的條帶，且符合目的片段大小。表明目的片段成功插入到載體中。

圖2 融合FMF定位表達載體鑒定M:D2000 marker；B:雙蒸水；B0：空載體；B1-B3：pER35GFP-FMF轉(zhuǎn)化子；B4-B6：pER35FMF-GFP轉(zhuǎn)化子Fig.2 Bacterium liquid PCR results of fusion FMF localization expression vectorM:D2000 marker;B:ddH2O;B0:Empty vector;B1-B3: pER35GFP-FMF; B4-B6: pER35FMF-GFP

2.3 農(nóng)桿菌侵染煙草葉片細胞和洋蔥表皮細胞瞬時表達GFP結(jié)果 采集注射農(nóng)桿菌pER35GFP.1、pER35GFP.2和pER35GFP-FMF、pER35FMF-GFP后瞬時表達3d的煙草葉片和洋蔥表皮，置于熒光顯微鏡下觀察綠色熒光蛋白的表達(見圖3A)。可在注射了農(nóng)桿菌表達載體pER35GFP.1、pER35GFP.2的煙草葉片和洋蔥表皮的細胞核與細胞膜周邊觀測到GFP熒光，而注射了農(nóng)桿菌融合FMF定位表達載體的pER35GFP-FMF和pER35FMF-GFP煙草葉片和洋蔥表皮，只在細胞核中觀測到GFP熒光。表明在核定位信號的作用下，融合GFP定位的FMF蛋白已進入細胞核。只注射農(nóng)桿菌GV3101的細胞沒有觀測到熒光。激光共聚焦顯微鏡觀察結(jié)果顯示(見圖3B)，侵染含有表達載體農(nóng)桿菌pER35GFP.1、pER35GFP.2的洋蔥表皮細胞，在細胞質(zhì)和細胞核中均能觀測到綠色熒光，而在注射農(nóng)桿菌融合FMF定位表達載體pER35GFP-FMF、pER35FMF-GFP的洋蔥表皮細胞中，細胞壁無綠色熒光，僅細胞核中能觀測到綠色熒光。只注射農(nóng)桿菌GV3101的洋蔥細胞沒有觀測到綠色熒光。

圖3 煙草葉片細胞和洋蔥表皮細胞的瞬時表達GFP結(jié)果A：熒光顯微鏡下結(jié)果；B：激光共聚焦顯微鏡下結(jié)果Fig.3 Results of transient expressing GFP in the leaves of Nicotiana benthamiana and onion epidermal cells A:Results under Fluorescence microscope;B:Results under laser confocal scanning microscopy

3 討論

蛋白質(zhì)科學研究將帶動生物、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，由此催生的一系列新技術(shù)將引領(lǐng)未來生物經(jīng)濟。生命科學正邁入后基因組(或功能基因組學)時代，功能基因組學研究的重心將轉(zhuǎn)向基因功能的鑒定，即由測定基因的DNA序列、解釋生命的所有遺傳信息轉(zhuǎn)移到從分子及整體水平對生物學功能的研究上，在分子層面探索人類健康和疾病的奧秘。蛋白質(zhì)基礎(chǔ)研究將在分子、細胞、生命體的各個層面來揭示生命現(xiàn)象的本質(zhì)[14]。目前蛋白質(zhì)的亞細胞定位以及蛋白質(zhì)濃度含量的測定已廣泛運用于多種生物，但簡單、高效和通用型的標簽表達載體還比較缺乏。構(gòu)建標簽表達載體可極大地方便基因克隆和蛋白質(zhì)定位等研究，目前已有各種標簽短肽的檢測試劑盒，因此開發(fā)通用型的標簽載體，不僅可以定量檢測目標蛋白表達，通過與GFP熒光進行對照觀察，還能使蛋白質(zhì)定量更為精確和直觀。本文構(gòu)建了通用型植物GFP標簽蛋白表達載體，該載體可以運用于研究蛋白質(zhì)在植物細胞中的亞細胞定位；同時可以通過對GFP蛋白的定量而得到研究的目的蛋白的含量。該技術(shù)具有以下幾個優(yōu)點：

① 設(shè)計操作相對簡便。傳統(tǒng)方法在研究蛋白質(zhì)定位時，需要通過DNA重組技術(shù)得到目的基因與標記基因重組后的表達產(chǎn)物，在構(gòu)建多片段DNA插入的載體時，每插入一個片段就需要一次連接、轉(zhuǎn)化及陽性克隆鑒定，操作步驟繁瑣，通常要構(gòu)建多個中間載體，要經(jīng)多次連接、轉(zhuǎn)化，增加了重組體鑒定時的工作量，費時又費力。而使用通用型植物GFP標簽蛋白表達載體只需要針對目的基因設(shè)計一對引物并且引物兩端設(shè)計留有BglII位點，即可通過一步連接而構(gòu)建好融合GFP標簽蛋白的表達載體。之前的研究表明，不同的目的蛋白其核定位信息可能在N端也可能在C端，甚至兩端都有[15]，因此如果僅將熒光蛋白融合在目的基因一端，很可能導(dǎo)致信號肽無法被識別[16]。本載體系統(tǒng)在研究目的蛋白N端和C端分別融合GFP基因，構(gòu)建了2個亞細胞定位載體，使用者可以根據(jù)研究目的蛋白的具體情況進行選擇。

② 標記基因容易觀察、成本低廉。通用型植物GFP標簽蛋白表達載體使用GFP作為標記基因，在熒光顯微鏡下即可觀察，能夠清楚的觀察到被研究蛋白的位置情況，相較于其他定位方法，如免疫膠體金標記、免疫熒光等，使用成本低廉。

③ 能夠定量研究蛋白質(zhì)的表達量。目前GFP綠色熒光蛋白定量試劑盒已廣泛應(yīng)用?？梢酝ㄟ^對GFP表達量的測定而得到被研究蛋白的表達情況。

本文利用通用型植物GFP標簽蛋白表達載體研究蛋白質(zhì)的細胞內(nèi)定位。實驗設(shè)計簡便，簡化了大量的實驗步驟。實驗材料可以通過熒光顯微鏡直接觀察，成本低廉具有很高的性價比。并且能夠通過GFP綠色熒光蛋白定量試劑盒來定量研究蛋白的表達。本套載體的構(gòu)建為研究植物中蛋白質(zhì)亞細胞定位及定量提供了一個很好的基因克隆工具。

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(編校：吳茜)

Universal expression vector with GFP label protein was used to study protein localization in plant cell

MENG Xiang-chao1, LIU Guo-fu1, LIU Ying2, BAO Yue2, CAO Xue-song1Δ

(College of Life Science, Liaocheng University, Liaocheng 252000, China)

ObjectiveTo explore the application of universal expression vector with GFP label protein, study the meaning of protein localization in plant cell in the field of proteomics and metabolomics.MethodsTwo sets of GFP tagged protein expression plasmids,in which the N and C terminals of GFP fragments contained multiple cloning sites for inserting genes of interesting were constructed in this study. By utilizing these constructs, we cloned endonuclease FokI cleavage domain fused with MS2 bacteriophage coat protein (MCP) forming fusion protein FokI:MCP:FokI(FMF), in which the cellular nuclear localization signals(NLS) were linked to N and C terminals of GFP respectively. The expression of cloned genes are expected to create fusion proteins of GFP:FMF and FMF:GFP respectively. The resulting constructs were transformed into agro-bacterium and transiently expressed both in the cells of Nicotiana benthamiana and onion leaf epidermic cells via agrobactereal infiltration.ResultsTwo expression vector with GFP and target protein were constructed successfully. The observation under confocal microscope showed that the GFP protein localizes both in nuclear and cytoplasm and NLS:GFP:FMF and FMF:GFP:NLS only in the nuclear.ConclusionThese constructs can be utilized for studying protein subcellular localization in plant cells, which is easy to use, high efficiency and versatile.

subcellular localization; plant expression vector; transient expression

國家自然科學基金(31370387)

孟祥潮，男，碩士，研究方向：植物分子與病毒，E-mail: 745851140@qq.com；曹雪松，通信作者，男，博士，教授，研究方向：植物分子生物學，E-mail:caoxuesong@lcu.edu.cn。

Q944

A

10.3969/j.issn.1005-1678.2016.05.08