龍成燕,仝超群,陳若霓,陳仕江,卿玉玲,秦少容,周澤揚(yáng),李春峰
(1.西南大學(xué),家蠶基因組生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400715;2.重慶太極醫(yī)藥研究院有限公司,重慶 401147;3.重慶市中藥研究院,重慶 400065)
冬蟲(chóng)夏草是中國(guó)傳統(tǒng)的名貴中藥材,是由冬蟲(chóng)夏草菌(Ophiocordycepssinensis)寄生于蝙蝠蛾屬(Thitarodesspp.)昆蟲(chóng)幼蟲(chóng)后,形成菌核和子座的復(fù)合體[1-2]。目前,由于長(zhǎng)期的過(guò)度采挖造成野生資源匱乏,環(huán)境破壞嚴(yán)重,因此快速規(guī)?;厝斯づ嘀捕x(chóng)夏草迫在眉睫[3]。而在整個(gè)人工培育冬蟲(chóng)夏草過(guò)程中,冬蟲(chóng)夏草寄主蝙蝠蛾幼蟲(chóng)是一種地棲昆蟲(chóng),易受到天敵及土壤中的病原微生物侵襲而導(dǎo)致死亡,如粉棒束孢[4-5]、綠僵菌[6-7]等,寄主昆蟲(chóng)的存活率低下從而限制了冬蟲(chóng)夏草的產(chǎn)量。昆蟲(chóng)在病原侵染后會(huì)激活防御系統(tǒng),如Toll通路、IMD通路及復(fù)雜的酚氧化酶原級(jí)聯(lián)系統(tǒng)等[8]。其中,酚氧化酶原級(jí)聯(lián)系統(tǒng)通過(guò)包囊[9]、結(jié)節(jié)及黑化等途徑殺滅入侵的寄生物是昆蟲(chóng)普遍的一種免疫機(jī)制,在防御病原過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[10]。
酚氧化酶(PO,EC1.14.18.1)又名酪氨酸酶,廣泛分布于各種動(dòng)植物及微生物機(jī)體中,是一種含銅的酶,其可將單酚羥化成二酚,再使二酚氧化為醌,醌在非酶促條件下,最終形成黑色素[11]。在昆蟲(chóng)發(fā)育過(guò)程中,PO以酚氧化酶原(Prophenoloxidase,PPO)的形式存在,PPO通過(guò)級(jí)聯(lián)反應(yīng)系統(tǒng)的酚氧化酶原激活蛋白酶(Prophenoloxidase activating proteinase,PAP),切割、激活為活性的PO,參與昆蟲(chóng)表皮的鞣化、黑化、硬化、傷口愈合等,構(gòu)成昆蟲(chóng)免疫及防御反應(yīng)系統(tǒng)[12]。
PPO作為酚氧化酶的前體,在亞洲玉米螟(Ostriniafurnacalis)[13]、岡比亞按蚊(Anophelesgambiae)[14]、煙草天蛾(Manducasexta)[15-17]與家蠶(Bombyxmori)[18]等昆蟲(chóng)的研究中,關(guān)于其結(jié)構(gòu)、功能、特性等已有大量報(bào)道,對(duì)其在免疫防御反應(yīng)中的作用也進(jìn)行了廣泛研究。而蝙蝠蛾作為冬蟲(chóng)夏草的寄主,其PPO基因的研究還未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。小金蝠蛾(ThitarodesxiaojinensisTu)是四川省阿壩藏族羌族自治州小金縣及周邊地區(qū)冬蟲(chóng)夏草的主要寄主昆蟲(chóng)[19],生長(zhǎng)發(fā)育快,人工培育成蟲(chóng)的繁殖能力強(qiáng),目前正在對(duì)這一蟲(chóng)種資源進(jìn)行人工擴(kuò)繁。因此,本研究從冬蟲(chóng)夏草寄主小金蝠蛾幼蟲(chóng)中克隆獲得其酚氧化酶原基因,對(duì)其進(jìn)行生物信息學(xué)分析,檢測(cè)其組織表達(dá)譜,旨在為進(jìn)一步揭示該基因的功能提供參考,同時(shí)為后續(xù)探究病原與昆蟲(chóng)互作具有重要意義。
小金蝠蛾(Thitarodesxiaojinensis)幼蟲(chóng)由太極集團(tuán)位于四川康定的冬蟲(chóng)夏草培育基地 提供。
RNA提取試劑盒、質(zhì)粒提取試劑盒、膠回收試劑盒購(gòu)自O(shè)MEGA公司;HiFi DNA Polymerase、反轉(zhuǎn)錄試劑盒購(gòu)自全式金公司;熒光定量PCR試劑盒購(gòu)自Roche公司;pMDTM19-T Vector購(gòu)自TaKaRa;GeneRacerTMKit購(gòu)自Invitrogen公司;RIPA裂解液購(gòu)自碧云天生物技術(shù)公司;IPTG、X-gal購(gòu)自生工生物工程(上海)股份有限公司,引物合成、測(cè)序由上海生工完成;M.sextaPPO兔多克隆抗體由余小強(qiáng)教授惠贈(zèng)。
1.2.1 小金蝠蛾幼蟲(chóng)的RNA提取及cDNA合成 取4齡幼蟲(chóng),分別收集幼蟲(chóng)頭部、表皮、脂肪體、中腸、血淋巴等5 種組織,經(jīng)液氮研磨后,按照RNA提取試劑盒中操作方法進(jìn)行總RNA提取、濃度測(cè)定,經(jīng)由反轉(zhuǎn)錄試劑盒的操作方法合成cDNA第一鏈,于-80 ℃保存。
1.2.2 小金蝠蛾幼蟲(chóng)PPO基因cDNA序列克隆 通過(guò)西南大學(xué)家蠶基因組生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室前期對(duì)粉棒束孢侵染蝙蝠蛾幼蟲(chóng)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序結(jié)果分析(未發(fā)表),發(fā)現(xiàn)一條注釋為蝙蝠蛾幼蟲(chóng)酚氧化酶原的序列,以此設(shè)計(jì)引物來(lái)克隆蝙蝠蛾幼蟲(chóng)PPO基因cDNA片段,引物具體信息見(jiàn)表1。PCR擴(kuò)增反應(yīng)體系(50 μL)如下:正向引物和反向引物各1 μL,cDNA 1 μL,HiFi DNA Polymerase 1 μL,dNTPs(10 mmol/L) 1 μL, 10×Buffer 5 μL,ddH2O 40 μL,PCR反應(yīng)條件為 95 ℃預(yù)變性 5 min;95 ℃ 30 s,55 ℃ 30 s,72 ℃ 130 s,循環(huán)35 次;72 ℃ 10 min。PCR產(chǎn)物經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),切膠、回收PCR產(chǎn)物,與pMD19-T Vector于16 ℃連接過(guò)夜,轉(zhuǎn)化至EscherichiacoliDH5α感受態(tài)細(xì)胞,涂布在含氨芐青霉素/IPTG/X-gal的LB平板,37 ℃過(guò)夜培養(yǎng)。從平板上挑選白色菌落培養(yǎng),以菌液為模板,采用上述PCR程序鑒定,陽(yáng)性克隆送至生工生物工程(上海)股份有限公司完成測(cè)序鑒定。
根據(jù)上述克隆所得的序列設(shè)計(jì)特異性引物3′-GSP-1,引物序列見(jiàn)表1。按照GeneRacerTMKit試劑盒說(shuō)明書(shū)(InvitrogenTMLife technologies)進(jìn)行3′RACE的PCR擴(kuò)增。PCR產(chǎn)物的分離、純化、連接、轉(zhuǎn)化及測(cè)序均同上述操作。
1.2.3 生物信息學(xué)分析 采用NCBI ORF Finder(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/gorf/gorf.html)分析基因的預(yù)測(cè)讀碼框;使用ProtParam軟件(http://us.expasy.org/tools/protparam.html)計(jì)算蛋白質(zhì)的分子質(zhì)量及等電點(diǎn);信號(hào)肽預(yù)測(cè)用SignalPV 4.1(http://www.cbs.dtu.dk/services/SignalP/);通過(guò)NCBI上的Blastp(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/blastp)及ClustalW進(jìn)行TxPPO與其他物種PPO的同源性分析及多重序列比對(duì);利用MEGA 7軟件完成系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)的構(gòu)建,并進(jìn)行1 000次Bootstrap檢驗(yàn)重復(fù);采用MEME-CHIP分析蛋白的基序(Motif)結(jié)構(gòu)(http://meme.nbcr.net/meme/intro.html);采用NCBI-CDD對(duì)目的蛋白保守結(jié)構(gòu)域分析(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/bwrpsb/bwrpsb.cgi)。
1.2.4 熒光定量PCR 根據(jù)TxPPO基因 cDNA的ORF序列,利用引物設(shè)計(jì)軟件Primer5.0設(shè)計(jì)特異引物,以蝙蝠蛾GAPDH作為內(nèi)參基因(GenBank登錄號(hào)為ANS59104.1),PPO和GAPDH基因引物序列見(jiàn)表1。以各組織的 cDNA為模板,通過(guò)熒光定量PCR技術(shù),利用2-△Ct方法分析該基因在不同組織中mRNA的表達(dá)差異,△Ct=Ct(目的基因)-Ct(內(nèi)參基因),調(diào)查T(mén)xPPO基因在小金蝠蛾幼蟲(chóng)各組織中的轉(zhuǎn)錄表達(dá)情況。
1.2.5 免疫印跡分析(Western blot) 取小金蝠蛾幼蟲(chóng)數(shù)頭并解剖,得到頭、脂肪體、中腸、表皮、血淋巴5 種組織,液氮研磨為粉末,然后添加適量RIPA裂解液,冰浴30 min,12 000 r/min, 4 ℃離心15 min,取上清即總蛋白,進(jìn)行SDS-PAGE電泳,將蛋白轉(zhuǎn)至PVDF膜,50 g/L脫脂奶粉溶液封閉,將膜置于含M.sextaPPO抗體 (1∶500)的封閉液中4 ℃孵育過(guò)夜,用TBS-Tween(0.05%)洗膜3 次,每次10 min,然后將膜轉(zhuǎn)入含有羊抗兔二抗(1∶8 000)的封閉液中,室溫輕搖1 h,洗膜3 次,膜置于ECL系統(tǒng)中,覆蓋ECL顯影液進(jìn)行底物顯色曝光。
表1 小金蝠蛾幼蟲(chóng)PPO基因克隆及熒光定量PCR引物Table 1 Primers used for PCR amplification and real-time PCR
對(duì)小金蝠蛾幼蟲(chóng)總RNA提取后進(jìn)行電泳檢測(cè),結(jié)果如圖1-A,后以RNA反轉(zhuǎn)錄得到的cDNA第一鏈為模板,利用PPO-F1/ PPO-R1引物經(jīng)PCR擴(kuò)增,獲得與預(yù)期產(chǎn)物大小(約2 200 bp)一致的條帶,測(cè)序、鑒定獲得TxPPO的CDS全長(zhǎng)序列及5′UTR部分序列(圖1-B)。接著,以 3′RACE引物與3′GSP引物進(jìn)行3′RACE擴(kuò)增,獲得一個(gè)約為750 bp的條帶,經(jīng)測(cè)序鑒定為T(mén)xPPO 部分編碼序列和3′UTR序列(圖1-C)。通過(guò)RT-PCR和3′RACE序列拼接,獲得小金蝠蛾幼蟲(chóng)PPO基因序列,長(zhǎng)度為2 654 bp,具體序列信息已上傳到NCBI(GenBank:MK069990)。
A. 總RNA電泳檢測(cè) Detection of total RNA;B. RT-PCR擴(kuò)增 RT-PCR amplification;C. 3′RACE擴(kuò)增 3′RACE amplification;M1.DNA分子量標(biāo)準(zhǔn)Trans8K DNA marker DNA marker Trans8K DNA marker;M2.DNA分子量標(biāo)準(zhǔn)2kPlus DNA marker 2kPlus;圖A中1為小金蝠蛾總RNA Total RNA;圖B中1為cDNA的擴(kuò)增產(chǎn)物 Product of cDNA amplification;圖C中1為 3′RACE擴(kuò)增產(chǎn)物 Product of 3′RACE amplification
圖1 小金蝠蛾酚氧化酶原基因克隆
Fig.1 Molecular cloning ofTxPPOgene
通過(guò)NCBI ORF Finder對(duì)克隆所得的TxPPO進(jìn)行開(kāi)放閱讀框分析,發(fā)現(xiàn)一個(gè)2 070 bp的開(kāi)放閱讀框,其位置在84~2 153 bp,編碼一個(gè)由689 個(gè)氨基酸殘基組成的蛋白質(zhì),經(jīng)預(yù)測(cè),該蛋白質(zhì)分子質(zhì)量約為79.31 ku,理論等電點(diǎn) pI=5.91。該預(yù)測(cè)蛋白具有與其他鱗翅目昆蟲(chóng)PPO相似的絲氨酸蛋白酶酶切位點(diǎn),處于N端第51和52位氨基酸殘基之間(即PPO激活位點(diǎn)),切割后,產(chǎn)生一個(gè)分子質(zhì)量為73.50 ku的活性酶。此外,該蛋白質(zhì)含有2 個(gè)高度保守的銅離子結(jié)合位點(diǎn),分別位于202~245、346~413處,有1個(gè)thiolester-like位點(diǎn),位于582~589處(圖2)。
在NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)中下載其他昆蟲(chóng)PPO氨基酸序列,采用MEGA 7軟件構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)(圖3-A)。結(jié)果表明,小金蝠蛾幼蟲(chóng)PPO與S.serrataPPO親緣關(guān)系相距較遠(yuǎn),同源性較低,但和其他鱗翅目昆蟲(chóng)酚氧化酶原-2(PPO2)聚為一支,尤其是與云杉芽卷蛾(Choristoneurafumiferana) PPO2、草地貪夜蛾(Spodopterafrugiperda) PPO2、甜菜夜蛾(Spodopteraexigua)PPO、大蠟螟(Galleriamellonella)PPO2及棉鈴蟲(chóng)(Helicoverpaarmigera)PPO2同源性較高,相似度分別為63.61%、63.03%、62.59%、 62.50%、62.45%。通過(guò)將TxPPO蛋白與其他昆蟲(chóng)PPO蛋白的結(jié)構(gòu)域進(jìn)行比對(duì)分析,發(fā)現(xiàn)TxPPO蛋白具有與其他昆蟲(chóng)一致的3個(gè)保守結(jié)構(gòu)域,即Hemocyanin-N/M/C(圖3-B)。同時(shí),運(yùn)用ClustalW軟件對(duì)與小金蝠蛾幼蟲(chóng)PPO相距較近的其他昆蟲(chóng)PPO進(jìn)行保守結(jié)構(gòu)域的多重序列比對(duì),發(fā)現(xiàn)Hemocyanin-M結(jié)構(gòu)域中CuA及CuB兩個(gè)銅結(jié)合位點(diǎn)的氨基酸序列及其內(nèi)部的6 個(gè)組氨酸殘基均高度保守(圖4)。此外,利用MEME-CHIP工具分析了上述下載的PPO蛋白序列的基序組成,共預(yù)測(cè)出20 個(gè)Motif(表2),結(jié)果表明,在同一個(gè)目?jī)?nèi),大多數(shù)成員的Motif組成基本相同,不同目?jī)?nèi)Motif組成有一定差異。TxPPO蛋白的Motif分布模式與亞洲玉米螟、煙草天蛾、家蠶等昆蟲(chóng)的PPO2高度相似,基序組成也比較保守,但與鋸緣青蟹(Scyllaserrata)的PPO親緣關(guān)系相距較遠(yuǎn),基序組成的保守程度較低(圖3-C)。
圖中箭頭表示推測(cè)的Tx-PPO激活位點(diǎn),下劃線(xiàn)標(biāo)示的是兩個(gè)銅離子結(jié)合位點(diǎn),矩形框表示thiolester-like位點(diǎn) Arrow showed a predicted cleavage site for proteolytic activation of the TxPPO; two copper binding sites were underlined; thiolester-like site was boxed
圖2 小金蝠蛾P(guān)PO基因cDNA推導(dǎo)的氨基酸序列
Fig.2 cDNA sequence and deduced amino sequence ofPPOgene ofThitarodesxiaojinensis
通過(guò)熒光定量PCR分析TxPPO基因在小金蝠蛾幼蟲(chóng)多個(gè)組織中的mRNA表達(dá)情況,結(jié)果如圖5-A所示,TxPPO基因在所檢測(cè)幼蟲(chóng)的各個(gè)組織中呈差異表達(dá),血淋巴中檢測(cè)到最高的轉(zhuǎn)錄水平,在中腸中檢測(cè)到最低的轉(zhuǎn)錄表達(dá),且血細(xì)胞中mRNA表達(dá)水平分別相對(duì)于頭部、脂肪體、表皮、中腸中轉(zhuǎn)錄表達(dá)的719 倍、1 144 倍、 2 772倍、15 852倍。
通過(guò)對(duì)小金蝠蛾幼蟲(chóng)多個(gè)組織的總蛋白提取,后分別將總蛋白通過(guò)SDS-PAGE進(jìn)行分離(圖5-B),Western blot分析TxPPO在幼蟲(chóng)上述不同組織中的蛋白水平分布情況,結(jié)果顯示,TxPPO主要在血淋巴和頭部分布,在表皮和中腸組織中也有分布,而在脂肪體中僅檢測(cè)到微弱的條帶(如圖5-C)。
酚氧化酶原(PPO)是一種含銅金屬酶,通常以無(wú)活性形式存在昆蟲(chóng)體內(nèi),主要通過(guò)特異性絲氨酸蛋白酶的級(jí)聯(lián)反應(yīng)活化為酚氧化酶(PO)[20]。各個(gè)物種的PPO基因有不同數(shù)量的亞型,多至10 個(gè),但鱗翅目昆蟲(chóng)如家蠶、煙草天蛾、小菜蛾(Plutellaxylostella)、大蠟螟的PPO都有2 個(gè)亞型,即PPO1和PPO2[18,21-24]。同源性分析表明,本研究克隆的蝙蝠蛾幼蟲(chóng)PPO基因可能為PPO2。在蝙蝠蛾幼蟲(chóng)中是否也存在PPO1基因,還有待進(jìn)一步研究。
在PPO基因組織表達(dá)方面,PPO主要表達(dá)于昆蟲(chóng)的血細(xì)胞、血漿中。有研究報(bào)道,岡比亞按蚊的中腸、斯氏按蚊(Anophelesstephensi)的脂肪體及亞洲玉米螟的體壁中都有PPO的分布,但在亞洲玉米螟(O.furnacalis)的脂肪體和體壁中未檢測(cè)到PPO基因轉(zhuǎn)錄水平的表達(dá)[14,25-26]。通過(guò)對(duì)蝗蟲(chóng)(Locustamigratoria)、棉鈴蟲(chóng)、亞洲玉米螟等昆蟲(chóng)研究發(fā)現(xiàn),PPO不但分布于血細(xì)胞中,也存在于血漿中;而蟑螂(Periplanetaamericana)的PPO主要存在于血細(xì)胞中,家蠶和煙草天蛾的PPO多存在于血漿中[27-29]。此外,家蠶PPO1基因僅在家蠶的血液中有表達(dá),而PPO2基因在家蠶所有組織中均有表達(dá),表達(dá)量從高至低順序?yàn)檠?、頭部、中腸、表皮、精巢、卵巢和脂肪體[30]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),蝙蝠蛾幼蟲(chóng)PPO基因主要在血淋巴轉(zhuǎn)錄表達(dá),在頭、脂肪體、表皮及中腸組織中也都有少量mRNA水平的表達(dá),但在蛋白分布方面,蝙蝠蛾幼蟲(chóng)PPO主要在頭、血淋巴中分布,在表皮和中腸組織中也檢測(cè)到其分布,但豐度比頭部及血淋巴中要低,而在脂肪體中蛋白分布最少,僅檢測(cè)到微弱的條帶。因此,本研究為進(jìn)一步解析PPO基因在蝙蝠蛾幼蟲(chóng)免疫反應(yīng)特別是黑化包被病原過(guò)程中的作用奠定基礎(chǔ),也為后續(xù)研究冬蟲(chóng)夏草菌在蝙蝠蛾幼蟲(chóng)體內(nèi)長(zhǎng)期增殖的互作機(jī)理提供參考。
A.系統(tǒng)發(fā)育樹(shù) Phylogenetic tree;B.PPO蛋白保守結(jié)構(gòu)域 Conserved domains of PPO proteins;C.小金蝠蛾幼蟲(chóng)及其他昆蟲(chóng)PPO蛋白的保守基序分析(不同基序分別由20 個(gè)不同顏色的盒子表示,Motif具體序列見(jiàn)表2 Comparison of the conserved motifs ofThitarodesxiaojinensisPPO with those of other insects (The motifs,numbers 1-20,are displayed in different colored boxes. The sequence information for each motif is provided in Table 2.其他物種昆蟲(chóng)PPO蛋白登錄號(hào)如下 PPO sequences of other insects are deposited in GenBank:Aedesaegypti(AaPPO1:AAG02219; AaPPO2:AAG02218),Anophelesgambiae(AgPPO1: AAB94671; AgPPO2: AAB94672),Bombyxmori(BmPPO1:AAG09304; BmPPO2:AAG09303),Choristoneurafumiferana(CfPPO1: ABW16859; CfPPO2:ABW16862),Culexquinquefasciatus(CqPPO:EDS44936),Drosophilamelanogaster(DmPPO2:NP610443),Doratiferapinguis(DpPPO2:ACM41728),Galleriamellonella(GmPPO1:AAK64363; GmPPO2:AAQ75026),Scyllaserrata(SsPPO: ABD90511),Helicoverpaarmigera(HaPPO2:AAZ52554),Heliothisvirescens(HvPPO1:ABH10016; HvPPO2: ABM65701),Holotrichiadiomphalia(HdPPO1: BAC15602; HdPPO2: BAC15603),Hyphantriacunea(HcPPO1: AAC34251; HcPPO2:AAC34256),Locustamigratoria(LmPPO1:ACN81830;LmPPO2:ACN81829),Manducasexta(MsPPO1: AAC05796;MsPPO2: AAC37243),Muscadomestica(MdPPO:AAR84669),Ostriniafurnacalis(OfPPO2: ABC59699),Plodiainterpunctella(PiPPO: AAU29555),Plutellaxylostella(PxPPO2:ACS36209),Spodopteraexigua(SePPO: ABS59653),Spodopterafrugiperda(SfPPO1: ABB92834; SfPPO2:ABB92835),Spodopteralitura(SlPPO: AAW22859),Tenebriomolitor(TmPPO: BAA75470),Triboliumcastaneum(TcPPO1: AAX84204; TcPPO2: AAX84205),Sarcophagabullata(SbPPO:AAD45526)
圖3 基于PPO氨基酸序列相似性構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)及PPO蛋白保守結(jié)構(gòu)域和保守基序分析
Fig.3 Construction of phylogenetic tree and analysis on conserved protein domains and motifs in insect PPO
3個(gè)保守結(jié)構(gòu)域分別為Hemocyanin-N/M/C,CuA及CuB代表兩個(gè)銅結(jié)合位點(diǎn),紅色的“*”表示銅結(jié)合位點(diǎn)內(nèi)的6個(gè)保守組氨酸殘基 Three conserved domains are Hemocyanin-N/M/C,respectively. The two copper binding sites are CuA and CuB,and red asterisks “*” mark six conserved histidine residues.
圖4 PPO蛋白的3個(gè)保守結(jié)構(gòu)域氨基酸序列的多重序列比對(duì)Fig.4 Multiple sequence alignment of the three conserved domains of PPO proteins
A.熒光定量PCR Real-time quantitative PCR analysis of TxPPO transcripts;B.蝙蝠蛾幼蟲(chóng)各組織總蛋白SDS-PAGE分析 SDS-PAGE analysis of total protein inT.xiaojinensis; C.Western Blot
圖5 小金蝠蛾幼蟲(chóng)TxPPO基因的組織表達(dá)譜
Fig.5 Tissue expression analysis ofTxPPOgene fromThitarodesxiaojinensis