小麥細(xì)胞周期蛋白基因CDC25的原核表達(dá)及蛋白純化

于寶佳　胡艷萍　劉彥妮　李開(kāi)心　王華忠

摘 要：細(xì)胞分裂周期蛋白CDC25是一類蘇氨酸/酪氨酸雙特異性的磷酸酶，在動(dòng)物上通過(guò)激活CDK進(jìn)而推動(dòng)細(xì)胞周期進(jìn)程，然而植物CDC25的這一功能可能已經(jīng)不重要或已被替代，故有關(guān)植物CDC25的功能還有待闡明。本研究構(gòu)建了小麥CDC25基因TaCDC25.1-1AL的原核表達(dá)載體；導(dǎo)入大腸桿菌的TaCDC25.1-1AL基因能夠被IPTG誘導(dǎo)表達(dá)，表達(dá)重組蛋白的表觀分子量與理論分子量基本一致；利用Ni柱親和層析方法獲得了純度較高的重組蛋白，為今后通過(guò)體外酶活分析、抗體制備和Western雜交等方法深入研究該蛋白和基因的功能奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：細(xì)胞周期；小麥；CDC25；原核表達(dá)

中圖分類號(hào)：S512.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2018.03.003

Abstract：Cell division cycle 25 （CDC25） is a dual-specificity threonine/tyrosine phosphatase， which， in animals， promotes cell cycle progression through activating cyclin-dependent kinases （CDKs）. However， the role of plant CDC25 in cell cycle regulation may be nonessential or has been replaced by other factors. Therefore， the function of plant CDC25 remains to be elucidated. In this study， a prokaryotic expression vector for the wheat CDC25 gene TaCDC25.1-1AL was constructed and transformed into E. coli. Results from SDS-PAGE showed that TaCDC25.1-1AL could express efficiently in E. coli through IPTG induction. The molecular weight of the recombinant protein is consistent with its predicted molecular weight. Recombinant proteins were further purified by the Ni-column affinity chromatography method. The obtaining of purified TaCDC25.1-1AL recombinant proteins laid a foundation for the future studies of in vitro enzyme activity， antibody preparation and western blot analysis on TaCDC25.1-1AL.

Key words： cell cycle； wheat （Triticum aestivum L.）； CDC25； prokaryotic expression

細(xì)胞分裂周期蛋白CDC25（Cell division cycle 25）是一類蘇氨酸/酪氨酸雙特異性的磷酸酶，屬于絡(luò)氨酸磷酸酶家族。酵母和動(dòng)物上，Wee1和CDC25拮抗調(diào)控驅(qū)動(dòng)細(xì)胞周期G2/M期轉(zhuǎn)變的CDK激酶活性，Wee1激酶通過(guò)磷酸化作用負(fù)調(diào)控CDK活性，CDC25磷酸酶則同通過(guò)去磷酸化相同位置殘基起正調(diào)控作用[1-3]。與動(dòng)物不同的是，植物CDC25在細(xì)胞周期調(diào)控中的作用可能已經(jīng)喪失。相關(guān)研究表明，擬南芥CDC25基因在快速生長(zhǎng)的組織中不表現(xiàn)上調(diào)表達(dá)[4]；突變或過(guò)表達(dá)擬南芥CDC25不影響細(xì)胞周期長(zhǎng)短和植株正常生長(zhǎng)[5-6]。但是也有一些證據(jù)說(shuō)明高等植物依然保留了CDC25-CDK這一調(diào)控通路，如擬南芥CDC25在酵母細(xì)胞中、酵母CDC25在煙草中過(guò)表達(dá)均表現(xiàn)細(xì)胞周期調(diào)控作用[4，7-9]；擬南芥CDC25突變體對(duì)羥基脲（一種DNA復(fù)制抑制劑）表現(xiàn)超敏感特征，說(shuō)明CDC25可能參與了對(duì)G2/M期轉(zhuǎn)變相關(guān)的DNA復(fù)制檢驗(yàn)點(diǎn)的響應(yīng)[5]。除尚不明確的細(xì)胞周期調(diào)控作用外，擬南芥、絨毛草、水稻和蜈蚣草等植物的CDC25還具有砷酸還原酶活性，作用于植物體內(nèi)砷解毒的重要步驟——五價(jià)砷到三價(jià)砷的還原[6，10-14]。

目前高等植物CDC25研究主要集中在擬南芥、水稻等模式物種上，在重要農(nóng)作物小麥上的相關(guān)研究還未見(jiàn)報(bào)道。本研究在前期克隆小麥CDC25基因TaCDC25.1-1AL的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了該基因的原核表達(dá)載體，經(jīng)大腸桿菌誘導(dǎo)表達(dá)和重組蛋白純化過(guò)程獲得了小麥TaCDC25.1-1AL的純化重組蛋白，為下一步體外酶活測(cè)定、抗體制備和Western雜交等實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 基因和載體

小麥CDC25基因TaCDC25.1-1AL的全長(zhǎng)cDNA由本實(shí)驗(yàn)室克隆于pLB-C25.1A載體上。原核表達(dá)載體pET30a由本實(shí)驗(yàn)室保存。

1.2 原核表達(dá)載體的構(gòu)建

設(shè)計(jì)合成用于擴(kuò)增TaCDC25.1-1AL基因完整ORF的引物對(duì)C25.1-F（GGGGTACCAT GGCGCGAAGCGTGTCGTA）/C25.1-R（CGGGATCCTCAAGAGCATGTGCCTTTGC），擴(kuò)增產(chǎn)物兩端帶上KpnⅠ和BamHⅠ酶切位點(diǎn)。使用該引物對(duì)和高保真pfu DNA聚合酶，以pLB-C25.1A質(zhì)粒為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增。擴(kuò)增產(chǎn)物和pET30a質(zhì)粒經(jīng)KpnⅠ和BamHⅠ雙酶切后進(jìn)行連接。連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)化大腸桿菌后，使用菌落PCR和酶切方法鑒定重組克隆，鑒定到的重組表達(dá)載體經(jīng)測(cè)序進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)。采用熱激法將表達(dá)載體導(dǎo)入到大腸桿菌表達(dá)菌株BL21（DE3）中。

1.3 原核表達(dá)

接種攜帶表達(dá)載體質(zhì)粒的大腸桿菌BL21（DE3）到2 mL含50·mg L-1卡那霉素的LB液體培養(yǎng)基中，37 ℃ 振蕩培養(yǎng)過(guò)夜。按1% 的比例擴(kuò)大到10 mL 相同的液體培養(yǎng)基中，37 ℃ 振蕩培養(yǎng)至對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期（3 h左右）。加入終濃度為0.5 mmol·L-1的IPTG，于28 ℃ 條件下震蕩培養(yǎng)誘導(dǎo)目標(biāo)基因的表達(dá)。分別于誘導(dǎo)后0，2，4，6，8 h取1 mL菌液用于總蛋白的SDS-PAGE電泳分析。

1.4 SDS-PAGE電泳

將1 mL菌液于10 000 rpm離心10 min，沉淀加入80 μL的ddH2O重懸，再加入20 μL的5X蛋白電泳上樣緩沖液并混勻，沸水浴10 min。裂解的細(xì)胞于12 000 rpm離心5 min，取20 μL上清上樣進(jìn)行SDS-PAGE電泳（13% 分離膠，4% 濃縮膠）。電泳后用考馬斯亮藍(lán)R-250染色液染色1 h，脫色液脫色至背景無(wú)色后觀察并拍照。

1.5 重組蛋白的純化

重組蛋白N端含組氨酸標(biāo)簽His（6），因此使用Ni-Agarose His標(biāo)簽蛋白純化試劑盒（康為世紀(jì)）在非變性條件下純化重組蛋白。層析柱平衡、菌體超聲波破碎、可溶性蛋白上樣及雜蛋白清洗等過(guò)程參照試劑盒手冊(cè)進(jìn)行。分別使用3 mL含50，100，200，300，500 mmol·L-1 咪唑的洗脫液分段洗脫目標(biāo)蛋白。收集各階段的洗脫液進(jìn)行SDS-PAGE（13% 分離膠，4% 濃縮膠）電泳和考馬斯亮藍(lán)R-250染色、脫色。純化的蛋白質(zhì)洗脫液于-80 ℃冰箱保存。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥TaCDC25.1-1AL基因原核表達(dá)載體的構(gòu)建

通過(guò)PCR擴(kuò)增獲得了TaCDC25.1-1AL基因400 bp的完整ORF片段（圖1），擴(kuò)增片段兩端帶上了引物所含有的KpnⅠ（起始密碼一端）和BamHⅠ（終止密碼一端）識(shí)別位點(diǎn)。對(duì)擴(kuò)增片段和pET30a載體質(zhì)粒進(jìn)行KpnⅠ和BamHⅠ雙酶切，電泳結(jié)果表明載體質(zhì)粒被正確地切成線狀結(jié)構(gòu)，也間接表明擴(kuò)增片段兩端得到正確酶切（圖2）。將酶切后的片段和載體進(jìn)行連接并進(jìn)行大腸桿菌轉(zhuǎn)化，隨機(jī)挑取轉(zhuǎn)化后培養(yǎng)基上長(zhǎng)出的菌落作為模板，使用擴(kuò)增TaCDC25.1-1AL基因ORF的引物對(duì)C25.1-F/C25.1-R進(jìn)行菌落PCR擴(kuò)增，結(jié)果表明挑取的4個(gè)菌落均能夠正確擴(kuò)增出400 bp的插入基因片段（圖3）。選擇1個(gè)菌落PCR擴(kuò)增陽(yáng)性的克隆進(jìn)行質(zhì)粒提取和KpnⅠ、BamHⅠ雙酶切，結(jié)果插入基因片段能夠正確地從重組載體上切出（圖4）。重組載體經(jīng)測(cè)序得到進(jìn)一步確認(rèn)，表明TaCDC25.1-1AL原核表達(dá)載體構(gòu)建成功，并將其命名為pET-TaC25.1A。

2.2 小麥TaCDC25.1-1AL基因的原核表達(dá)

將原核表達(dá)載體pET-TaC25.1A導(dǎo)入大腸桿菌BL21（DE3）后，將大腸桿菌在28 ℃、添加0.5 mmol·L-1 IPTG的LB培養(yǎng)基中震蕩培養(yǎng)，誘導(dǎo)目的基因TaCDC25.1-1AL的表達(dá)。如圖5的大腸桿菌總蛋白電泳結(jié)果所示，未經(jīng)IPTG誘導(dǎo)的總蛋白中無(wú)目標(biāo)重組蛋白條帶，而經(jīng)IPTG 誘導(dǎo)后的總蛋白中出現(xiàn)融合組氨酸標(biāo)簽的His（6）-TaCDC25.1-1AL重組蛋白條帶，重組蛋白表觀分子量與理論分子量（18.3 kDa）基本一致，其表達(dá)量在誘導(dǎo)后0～8 h時(shí)間段內(nèi)隨誘導(dǎo)時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增加。

2.3 原核表達(dá)TaCDC25.1-1AL重組蛋白的純化

使用Ni 柱親和層析方法從經(jīng)IPTG誘導(dǎo)8 h的大腸桿菌總可溶性蛋白中純化His（6）-TaCDC25.1-1AL重組蛋白。如圖6所示，總蛋白上樣后的流穿液（泳道3）中幾乎沒(méi)有重組蛋白，說(shuō)明重組蛋白掛柱情況良好；再經(jīng)15倍柱體積含10 mmol·L-1 咪唑的溶液洗滌雜蛋白后（未上樣電泳），使用50～500 mmol·L-1的梯度咪唑濃度洗脫液洗脫重組蛋白，電泳結(jié)果表明，300，500 mmol·L-1 咪唑濃度洗脫液中的重組蛋白純度較高，可滿足后續(xù)的酶活測(cè)定和抗體制備等試驗(yàn)要求。

3 結(jié)論與討論

目前植物CDC25基因的功能尚不明確，其細(xì)胞周期調(diào)控角色已不重要或被替代，砷解毒功能也只在砷脅迫環(huán)境中起作用，而且也只是次要通路[3，15-16]。因此，有必要對(duì)CDC25在植物上存在的意義，以及在其他生物過(guò)程中的未知功能開(kāi)展更深入的研究。體外酶活性和蛋白質(zhì)性質(zhì)分析以及基于抗體的蛋白質(zhì)免疫學(xué)研究方法等都離不開(kāi)目標(biāo)基因產(chǎn)物蛋白的獲得。本研究以小麥為研究對(duì)象，利用常規(guī)的PCR、酶切、連接和測(cè)序等方法構(gòu)建了基于pET30a的小麥CDC25基因TaCDC25.1-1AL的原核表達(dá)載體；在大腸桿菌中，該載體上的TaCDC25.1-1AL基因能夠被IPTG誘導(dǎo)表達(dá)，產(chǎn)生的重組蛋白攜帶His（6）標(biāo)簽，分子量與理論值基本一致；通過(guò)Ni柱親和層析過(guò)程中的梯度咪唑濃度洗脫液洗脫，在300～500 mmol·L-1咪唑濃度洗脫液中獲得了純度較高的TaCDC25.1-1AL重組蛋白。鑒于擬南芥和水稻的CDC25都具有體外的磷酸酶活性和砷酸還原酶活性[10，14，17]，小麥TaCDC25.1-1AL重組蛋白的獲得為今后對(duì)其進(jìn)行體外酶學(xué)分析奠定了基礎(chǔ)，亦可作為抗原用于抗體制備，繼而應(yīng)用于小麥CDC25功能研究的免疫學(xué)方法中。

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