類彈性蛋白多肽-紅色熒光蛋白融合蛋白的表達純化及細胞相容性

劉 寧，崔梅英，王明月，楊澤斌，王 浩，毛 禹，方楷漪，夏 薇，關(guān)新剛

(北華大學醫(yī)學技術(shù)學院，吉林 吉林 132013)

類彈性蛋白樣多肽(elastin-like polypeptide，ELP)是一種由基因工程設計合成的非免疫原性且無熱原性的具有良好生物相容性的蛋白質(zhì)聚合物[1-2]，ELP主要是由五肽重復序列單元構(gòu)成，即Val-Pro-Gly-Xaa-Gly(VPGXG)，其中Xaa是除脯氨酸以外的任一種氨基酸[3-5].ELP具有可逆相變循環(huán)(Inverse transitioncycling，ITC)的特性，即溫度低于其相變溫度，ELP多肽以高度可溶的形式存在于水溶液中；若溫度高于其相變溫度，ELP開始聚集，形成不溶物聚集體，且該過程可逆[6].由于ELP具有的這種特殊性質(zhì)，在大腸桿菌中高產(chǎn)量表達的ELP蛋白可以利用可逆相變的特性進行快速純化[7].紅色熒光蛋白(mCherry)是SHANER等[8]將發(fā)色基團mRFP進行位點突變得到的一種單體紅色熒光蛋白[9]，mCherry的熒光強度高且穩(wěn)定性好[10].KALIMUTHU等[11]將含有mCherry基因的慢病毒顆粒轉(zhuǎn)染人間充質(zhì)干細胞，表達紅色熒光mCherry基因，用生物發(fā)光成像法追蹤間充質(zhì)干細胞在荷瘤小鼠中的遷移.

在本研究中，基于ELP蛋白的獨特優(yōu)勢及mCherry的熒光成像特性，我們構(gòu)建了ELP-mCherry原核表達載體，表達純化了ELP-mCherry融合蛋白，探討了其與人腎上皮細胞HEK293T和小鼠胚胎成纖維細胞NIH3T3細胞的相容性，為設計開發(fā)新型的熒光示蹤組織工程材料奠定了基礎.

1 材料與方法

1.1 細胞、主要儀器和試劑

pET28a-ELP和pEGFP-N1-mCherry質(zhì)粒(Origene公司，美國)；限制性內(nèi)切酶XbaI與XhoI(生工生物工程(上海)有限公司)；大腸桿菌BL21菌株為本實驗室保存菌株；HEK293T細胞、NIH3T3細胞復蘇自本實驗室凍存細胞；胰蛋白胨、酵母提取物、卡那霉素、異丙基-β-D-硫代半乳糖苷(IPTG)(生工生物工程(上海)有限公司)；多功能酶標儀Tecan Spark(上海帝肯公司)；PCR儀、核酸電泳以及SDS-PAGE電泳所使用的電泳儀與電泳槽(Bio-Rad公司，美國).

1.2 ELP-mCherry原核表達載體的構(gòu)建及鑒定

根據(jù)GenBank中mCherry基因的核苷酸序列設計包含mCherry基因編碼框的引物(生工生物工程(上海)有限公司)，并在引物兩端分別添加XbaI和XhoI酶切位點.以pEGFP-N1-mCherry為模板通過PCR擴增獲得mCherry片段，凝膠回收mCherry片段.mCherry片段和pET28a-ELP質(zhì)粒分別用1 μL 限制性內(nèi)切酶XbaI和XhoI酶切，回收目的片段，利用T4 DNA連接酶在4 ℃連接過夜，將連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)化到DH5α感受態(tài)細胞，接種于含有卡那霉素的LB平板上過夜培養(yǎng).從平板培養(yǎng)基中挑取單個菌落，170 r/min搖床過夜，提取質(zhì)粒后用XbaI限制性內(nèi)切酶進行單酶切驗證，再用XbaI和XhoI進行雙酶切及1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(Bio-rad)，并將構(gòu)建的重組質(zhì)粒送至生工生物工程(上海)股份有限公司進行測序分析.

1.3 ELP-mCherry融合蛋白的原核表達

將構(gòu)建的pET28a-ELP-mCherry質(zhì)粒轉(zhuǎn)化到大腸桿菌感受態(tài)細胞(BL21)中，過夜培養(yǎng)后挑取單克隆菌落，接種于20 mL含有卡那霉素的LB培養(yǎng)基中，37 ℃、170 r/min搖菌過夜；第2天按1∶50接種于1 L含有卡那霉素的LB培養(yǎng)基中，當OD600達到0.6時，加入IPTG(終濃度1 mmol/L)，37 ℃條件下培養(yǎng)6 h誘導蛋白表達；離心收集菌體，PBS重懸菌體沉淀后加入苯甲基磺酰氟(PMSF，終濃度1 mol/L)，應用超聲破碎菌體，離心收集上清和沉淀，通過SDS-PAGE電泳分析蛋白的表達情況.

1.4 ELP-mCherry融合蛋白的純化

利用ITC法快速純化ELP-mCherry融合蛋白，將裂解液上清用NaOH調(diào)節(jié)pH至9.0，4 ℃振蕩過夜；第2天將裂解液上清在4 ℃下，5 000 r/min離心90 min，去除不溶性蛋白沉淀；將分離的上清恢復至室溫后，置于37 ℃搖床，250 r/min震蕩3 h，在3 h內(nèi)分3次加入NaCl至終濃度為1 mol/L，37 ℃離心收集沉淀，PBS重懸沉淀.以上過程重復兩個循環(huán)，通過SDS-PAGE電泳分析蛋白的純化情況.

1.5 ELP-mCherry融合蛋白的細胞相容性

用MTT法檢測ELP-mCherry融合蛋白對HEK293T細胞和NIH3T3細胞增殖能力的影響.將對數(shù)生長期的HEK293T細胞和NIH3T3細胞以5 000個/孔接種于96孔板中，置入37 ℃、5% CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h；第2天每孔中加入終濃度25、50、100、200、300 μg/mL的ELP-mCherry融合蛋白，每個ELP-mCherry融合蛋白濃度做5個平行孔.培養(yǎng)48 h后每孔加入20 μL的MTT，37 ℃孵育4 h后，每孔再加入150 μL二甲基亞砜(DMSO)，沉淀充分溶解后在酶標儀(TECAN M200)上測定 OD490時每孔的吸光度值.

2 結(jié) 果

2.1 ELP-mCherry原核表達載體的構(gòu)建

將從mCherry質(zhì)粒中獲得的PCR產(chǎn)物與pET28a- ELP質(zhì)粒分別用限制性內(nèi)切酶XbaI和XhoI雙酶切后，酶切產(chǎn)物經(jīng)0.8%瓊脂糖凝膠分離，將目的片段凝膠回收后連接，連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)化到Kana平板，獲得陽性克隆.提取質(zhì)粒通過酶切進行驗證，雙酶切產(chǎn)生的片段與預期大小一致，提示pET28a-ELP-mCherry重組質(zhì)粒初步構(gòu)建成功.見圖1.DNA測序結(jié)果顯示mCherry基因被成功插入表達載體中，沒有發(fā)生堿基突變和移位，表明pET28a-ELP-mCherry重組質(zhì)粒構(gòu)建成功.見圖2.

M.DL 5000 DNA marker；1.Xba I單酶切結(jié)果；2.Xba I和Xho I雙酶切結(jié)果.圖1pET28a-ELP-mCherry重組質(zhì)粒的酶切鑒定Fig.1Identification of pET28a-ELP-mCherry recombinant plasmid by enzyme digestion

圖2pET28a-ELP-mCherry重組質(zhì)粒的測序結(jié)果Fig.2Sequencing result of pET28a-ELP- mCherry recombinant plasmid

2.2 ELP-mCherry融合蛋白的原核表達

將pET28a-ELP-mCherry表達載體轉(zhuǎn)入大腸桿菌感受態(tài)細胞(BL21)中，誘導ELP-mCherry重組蛋白表達，SDS-PAGE電泳結(jié)果顯示：在細胞裂解液的上清在分子量30 kDa左右出現(xiàn)明顯的蛋白條帶，與ELP-mCherry融合蛋白的預計分子量相符，說明ELP-mCherry融合蛋白存在于細胞裂解液上清中，然后再利用ITC法進行快速純化.見圖3.

M.蛋白分子量標準；1.菌體細胞裂解液上清；2.菌體細胞裂解液沉淀.圖3ELP-mCherry重組蛋白的原核表達Fig.3Prokaryotic expression of ELP-mCherry recombinant protein

2.3 ELP-mCherry融合蛋白的純化

利用ITC法純化ELP-mCherry融合蛋白，裂解液上清通過兩輪ITC循環(huán)的結(jié)果顯示：電泳條帶純化后的ELP-mCherry融合蛋白在30 kDa位置顯示單一條帶，未出現(xiàn)明顯的蛋白雜帶，且蛋白分子量與ELP-mCherry融合蛋白相符.因此，可以確定純化蛋白為ELP-mCherry蛋白.見圖4.

M.蛋白分子量標準；1.純化后的ELP-mCherry融合蛋白.圖4ELP-mCherry融合蛋白純化Fig.4Purification of ELP-mCherry fusion protein

2.4 ELP-mCherry融合蛋白細胞相容性分析

將不同濃度ELP-mCherry融合蛋白(25、50、100、200、300 μg/mL)分別處理HEK293T細胞及NIH3T3細胞48 h后，通過MTT法檢測細胞的存活率.處理48 h后，HEK293T細胞的存活率在各個濃度下都超過100%，NIH3T3細胞在測試所有濃度下也接近100%，這些結(jié)果說明ELP-mCherry融合蛋白在兩種細胞中都具有良好的細胞相容性.見圖5.

圖5ELP-mCherry融合蛋白的細胞相容性Fig.5Cell compatibility of ELP-mCherry fusion protein

3 結(jié) 論

利用傳統(tǒng)親和層析法(麥芽糖結(jié)合蛋白MBP、谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶GST、多聚組氨酸標簽His、多聚精氨酸Arg)可以快速獲得高純度的目的蛋白，然而純化介質(zhì)成本較高，因此，迫切需要開發(fā)一種成本低廉的高純度蛋白量產(chǎn)方法[12-13].1999年，MEYER等[14]首次將ELP與其他蛋白融合表達時發(fā)現(xiàn)了其可逆溫度相變轉(zhuǎn)換的特性，從此開創(chuàng)了一種新的蛋白純化方法，稱為“ELP化”，即將目的蛋白基因與ELP基因的N末端或C末端融合而獲得融合蛋白的方法.由于類彈性蛋白多肽類衍生蛋白具有可逆溫度相變(低溫溶解，高溫聚集)特性，應用ITC法對ELPs蛋白進行純化只需要加鹽、升溫(蛋白聚集)、離心(收集蛋白沉淀)、蛋白復溶幾個步驟即可完成，多數(shù)情況下只需要2～3輪ITC純化即可獲得高純度的目的蛋白，無需昂貴的親和層析介質(zhì)，極大地降低了蛋白的生產(chǎn)成本，有利于進行大規(guī)模的蛋白質(zhì)生產(chǎn).近年來 “ELP化”法在重組蛋白純化、改善目的蛋白半衰期、提升蛋白產(chǎn)量、作為蛋白的遞送載體等方面獲得了廣泛應用[15-18].例如，MOKTAN等[19]將細胞穿膜肽和促凋亡肽分別融合在ELP基因的N末端和C末端，通過大腸桿菌表達系統(tǒng)制備了一種新型的蛋白抗腫瘤藥物SynB1-ELP-KLAK，結(jié)果顯示融合蛋白具有顯著抑制腫瘤細胞增殖的能力.PHAN等[20]將兩種禽流感H5N1抗原與ELP融合后在轉(zhuǎn)基因煙草中進行融合蛋白表達，并利用ITC方法成功獲得了融合蛋白，結(jié)果顯示ELP化方法在煙草表達系統(tǒng)中能夠顯著提高目的蛋白產(chǎn)量.FLOSS等[21]將anti-HIV-1單克隆抗體2F5與 ELP 融合后在中國倉鼠卵巢細胞(CHO)也獲得了成功表達，結(jié)果顯示單克隆抗體與ELP融合并未影響2F5與抗原的結(jié)合活性，顯示ELP化法在哺乳動物表達系統(tǒng)中的有效性.

本研究結(jié)果顯示：通過構(gòu)建ELP-mCherry融合蛋白的表達載體，并將其轉(zhuǎn)入大腸桿菌中進行融合蛋白表達，應用ITC法對融合蛋白進行純化，得到純度較高的ELP-mCherry融合蛋白.鑒于ELP蛋白在細胞中極佳的細胞相容性，我們隨后檢測了ELP-mCherry融合蛋白在HEK293T細胞和NIH3T3細胞中的細胞相容性，結(jié)果顯示融合蛋白在兩種細胞的存活率超過或接近100%，提示引入mCherry并未降低ELP的細胞相容性，為接下來的組織工程應用奠定了良好的材料基礎.mCherry紅色熒光蛋白的最大激發(fā)波長為587 nm[22-24]，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、表達量高、測定簡便等優(yōu)點，因此，被廣泛用來對組織細胞定位進行示蹤.將ELP與mCherry制備成ELP-mCherry融合蛋白，既可以利用ELP的可逆溫度相變轉(zhuǎn)換特性純化的融合蛋白，又可以利用mCherry高度穩(wěn)定的紅色熒光追蹤其分布[25]，因此，可作為理想的集示蹤與支架功能于一身的生物材料用于皮膚損傷愈合、組織修復等工程應用.

綜上所述，本研究成功構(gòu)建pET28a-ELP-mCherry表達載體，表達并純化ELP-mCherry融合蛋白，ELP-mCherry融合蛋白對HEK293T細胞和NIH3T3細胞具有良好的細胞相容性，此研究為開發(fā)新型的組織工程示蹤材料奠定了基礎.