枯草芽孢桿菌蛋白酶np基因在蘇云金芽孢桿菌BMB171中的表達

摘要：為研究枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）BLYS_1蛋白酶np基因在蘇云金芽孢桿菌（B. thuringiensis）BMB171中的表達情況，從蘇云金芽孢桿菌T6中克隆了cry3A啟動子的兩個片段，分別命名為pro3Aa和pro3Ab，并與pHT304質粒構建重組質粒pHT304-3Aa-np和pHT304-3Ab-np，分別轉化蘇云金芽孢桿菌BMB171，得到重組菌BLYS-3Aa-np和BLYS-3Ab-np。結果表明，重組菌BLYS-3Ab-np發酵液中約110 ku的蛋白酶條帶亮度明顯高于重組菌BLYS-3Aa-np發酵液中對應條帶亮度，BLYS-3Ab-np產蛋白酶能力明顯高于BLYS-3Aa-np，隨著發酵時間延長到60 h，對應條帶的亮度均比45 h條帶弱，與發酵上清液中水解干酪素結果變化一致。

關鍵詞：枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）；蘇云金芽孢桿菌（Bacillus thuringiensis）；cry3A啟動子；蛋白酶

中圖分類號：S432.4+2；Q812 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）12-2926-03

Expression of Protease np Gene of Bacillus subtilis in B. thuringiensis BMB171

WANG Hui-xing，LEI Zhen-zhen，XU Ke-jing，YUE Chao-yin

（Biotechnology Research Center，China Three Gorges University，Yichang 443002，Hubei，China）

Abstract： In order to study the expression of protease np gene of Bacillus subtilis in B. thuringiensis strain BMB171， two fragments of cry3A promoter were cloned and named as pro3Aa and pro3Ab. The two recombinant gene were inserted into shuttle vector pHT304， resulting two recombinant plasmid pHT304-3Aa-np and pHT304-3Ab-np. The recombinant plasmid were introduced into B. thuringiensis strain BMB171 respectively. The results showed that BLYS-3Ab-np had higher expression level of protease than BLYS-3Aa-np. With fermentation time extended to 60 h， the brightness of the bands were weaker than 45 h， consistent with fermentation supernatant hydrolyzed casein results.

Key words： Bacillus subtilis； B. thuringiensis； cry3A promoter； protease

蘇云金芽孢桿菌（Bacillus thuringiensis）殺蟲晶體蛋白基因cry3A啟動子是一種不依賴芽孢形成的啟動子，該啟動子在營養期啟動轉錄，具有啟動轉錄時間早、轉錄時間長、轉錄活性高的特點。在不能形成芽孢的突變株中cry3A啟動子能使基因表達量迅速提高， 表達期延長并在構建芽孢桿菌表達載體時常被采用[1-3]。蛋白酶（Protease）是一類在適當條件下能夠高效水解蛋白質肽鍵的酶，廣泛存在于枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌等微生物中[4]。2009年本課題組從宜昌市土壤中分離得到一株枯草芽孢桿菌（B. subtilis）BLYS_1，其具有產堿性蛋白酶的活性。劉海軍[5]、樂超銀等[6]報道枯草芽孢桿菌BLYS_1發酵得到的大豆肽能增強小鼠抗疲勞能力和免疫能力，并具有良好的開發前景。

本研究通過克隆蘇云金芽孢桿菌cry3A啟動子的兩個不同特征啟動序列，將其與枯草芽孢桿菌BLYS_1蛋白酶np基因連接到穿梭質粒pHT304中，構建了重組質粒pHT304-3Aa-np和pHT304-3Ab-np，并轉入蘇云金芽孢桿菌突變株BMB171中，得到兩株重組蘇云金芽孢桿菌BLYS-3Aa-np和BLYS-3Ab-np，為進一步研究cry3A啟動子的功能提供了參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 菌株與質粒 枯草芽孢桿菌BLYS_1、蘇云金芽孢桿菌BMB171（無內生質粒突變株）、蘇云金芽孢桿菌T6（含cry3A啟動子）、大腸桿菌-芽孢桿菌穿梭質粒pHT304均由三峽大學生物技術中心保存。

1.1.2 培養基

1）LB培養基：酵母膏5 g，NaCl 5 g，胰蛋白胨10 g，蒸餾水1 000 mL，調pH至7.2，1×105 Pa滅菌30 min；

2）干酪素培養基：干酪素1.5 g，大量元素（NaNO3 2.0 g/L，K2HPO4 1.5 g/L，CaCl2 0.3 g/L，MgSO4·7H2O 0.3 g/L） 10 mL，微量元素（FeSO4·7H2O 5.0 mg/L，MnSO4·7H2O 1.6 mg/L，ZnSO4·7H2O 1.4 mg/L，CoCl2 0.5 mg/L） 0.1 mL，加蒸餾水至1 000 mL，調pH至7.2，1×105 Pa滅菌30 min。

1.2 方法

1.2.1 細菌基因組DNA的提取 提取枯草芽孢桿菌BLYS_1和蘇云金芽孢桿菌T6基因組DNA，方法參照文獻[7]。

1.2.2 引物設計與PCR擴增 參照文獻[5，8，9]分別設計cry3A啟動子和蛋白酶np基因的PCR擴增引物，引物見表1。以枯草芽孢桿菌BLYS_1基因組DNA為模板PCR擴增蛋白酶np基因，以蘇云金芽孢桿菌T6基因組DNA為模板PCR擴增cry3A啟動子。擴增np基因反應程序為：94 ℃預變性5 min； 94 ℃變性45 s，52 ℃退火60 s，72 ℃延伸60 s，30個循環；72 ℃延伸10 min。擴增cry3A啟動子兩個不同啟動序列的反應程序均為：94 ℃預變性10 min； 94 ℃變性60 s，42 ℃退火60 s，72 ℃延伸90 s，35個循環；72 ℃延伸10 min。PCR擴增產物均用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測，然后用DNA瓊脂糖凝膠回收試劑盒回收目的片段。

1.2.3 重組質粒pHT304-3Aa-np和pHT304-3Ab-np的構建與鑒定 用PstⅠ/XbaⅠ分別雙酶切pHT304質粒和cry3Aa啟動子片段，4 ℃連接過夜。將連接產物轉化大腸桿菌DH5α，挑選陽性克隆進行PCR鑒定，將陽性菌送生工生物工程（上海）股份有限公司測序，將測序正確的克隆命名為pHT304-3Aa；用Hind Ⅲ/XbaⅠ分別雙酶切pHT304質粒和cry3Ab啟動子片段，同法構建重組質粒pHT304-3Ab[10]。

用XbaⅠ/BamHⅠ分別雙酶切pHT304-3Aa質粒、pHT304-3Ab質粒和蛋白酶np基因，4 ℃連接過夜，將連接產物分別轉化大腸桿菌DH5α，挑選陽性克隆用引物np-F/R進行PCR鑒定，將陽性菌送生工生物工程（上海）股份有限公司測序，測序正確的克隆分別命名為pHT304-3Aa-np和pHT304-3Ab-np。

1.2.4 重組質粒電轉化蘇云金芽孢桿菌BMB171 制備蘇云金芽孢桿菌BMB171電轉化感受態。將重組質粒加入到100 μL 蘇云金芽孢桿菌BMB171電轉化感受態中，使質粒DNA的濃度為10 ng/mL，將混合了重組質粒的蘇云金芽孢桿菌BMB171電轉化感受態轉入0.1 cm Bio-Rad電擊杯進行電擊轉化。電脈沖參數設置為：脈沖場強1 100 V，脈沖時間1.0 ms，脈沖間隔時間 0.125 ms，脈沖次數3次[11]。脈沖結束后迅速向電擊杯中加入1 mL 的LB液體培養基，于30 ℃、190 r/min 搖床培養3 h，取菌液涂布含（25 μg/mL）的LB平板，30 ℃培養2 d，挑選陽性克隆培養后提取質粒進行酶切驗證，將陽性菌送上海生工生物工程技術服務有限公司測序，測序正確的克隆分別命名為蘇云金芽孢桿菌BLYS-3Aa-np和BLYS-3Ab-np。

1.2.5 重組蘇云金芽孢桿菌BLYS-3Aa-np和BLYS-3Ab-np產酶試驗 將重組蘇云金芽孢桿菌BLYS-3Aa-np和BLYS-3Ab-np分別接種于干酪素培養基，180 r/min、37 ℃培養，15、30、45和60 h分別取發酵液，于4 ℃、5 000 r/min離心5 min，收集上清液，各取100 μL加入到干酪素固體培養基上進行水解試驗，測定水解圈直徑；另各取30 μL進行Native PAGE，以蘇云金芽孢桿菌BMB171發酵液45 h的上清液作對照。

2 結果與分析

2.1 cry3A啟動子分析

cry3Aa啟動子全長為1 073 bp，經分析該片段含有兩個啟動子的結構元件，1-503 bp片段為一個弱啟動子結構區域，504-1 073 bp片段為一個強啟動子區域；cry3Ab啟動子為cry3Aa啟動子的504-1 073 bp片段，全長569 bp，該片段為強啟動子結構區域。

2.2 重組質粒pHT304-3Aa-np和pHT304-3Ab-np鑒定結果

將pHT304-3Aa-np質粒和pHT304-3Ab-np質粒分別轉化大腸桿菌DH5α，挑選陽性克隆進行單菌落PCR檢測，PCR產物電泳見圖1。由圖1可知， 泳道1-6中同時出現融合基因cry3Aa-np（2 059 bp）和蛋白酶np基因（986 bp）條帶，pHT304-3Aa-np質粒構建成功并轉入大腸桿菌DH5α；泳道7-16中只有泳道14未見蛋白酶np基因條帶，其他泳道均同時出現融合基因cry3Ab-np（1 555 bp）和蛋白酶np（986 bp）基因條帶，pHT304-3Ab-np重組質粒構建成功并轉入大腸桿菌DH5α。

2.3 重組蘇云金芽孢桿菌BLYS-3Aa-np和BLYS-3Ab-np鑒定結果

將重組質粒pHT304-3Aa-np和pHT304-3Ab-np分別電擊轉化蘇云金芽孢桿菌BMB171，挑選PCR陽性單菌落搖瓶培養后提取質粒進行酶切鑒定，結果見圖2。從圖2中可以看出，從陽性轉化子中提取的質粒經酶切后均能得到對應的目的條帶。將酶切正確的克隆進行進一步測序驗證，獲得重組蘇云金芽孢桿菌BLYS-3Aa-np和BLYS-3Ab-np。

2.4 重組菌BLYS-3Aa-np和BLYS-3Ab-np產酶能力分析

重組菌發酵上清液水解干酪素的效果見圖3。從圖3中可以看出，前45 h隨著發酵時間的延長，這兩種重組菌的發酵上清液水解干酪素的水解圈直徑也逐漸增大，重組菌BLYS-3Ab-np的45 h發酵上清液水解圈直徑最大，為15.4 mm（B3）；重組菌BLYS-3Aa-np在45 h的水解圈最大，為12.9 mm（A3），發酵時間超過45 h以后，產酶能力減弱，對應的A4、B4水解圈明顯小于45 h的水解圈A3、B3。發酵液Native PAGE結果見圖4。從圖4中可以看出，發酵液中約110 ku的蛋白條帶亮度前45 h隨發酵時間的延長而增強，重組菌BLYS-3Ab-np發酵液中該蛋白條帶的亮度明顯高于重組菌BLYS-3Aa-np發酵液中對應條帶亮度，表明BLYS-3Ab-np產蛋白酶能力明顯高于BLYS-3Aa-np的產酶能力。隨著發酵時間延長到60 h，對應條帶的亮度均比45 h條帶弱，這與發酵上清液水解干酪素結果變化一致。

3 小結與討論

本研究經過對cry3A 啟動子序列分析，設計了兩對特異性引物成功地從蘇云金芽孢桿菌T6中擴增出cry3A啟動子的兩個不同含啟動序列片段，以穿梭質粒pHT304為載體，將擴增的cry3A啟動子兩個片段分別與BLYS_1蛋白酶np基因組成融合基因，并連接到pHT304質粒上構建了重組質粒pHT304-3Aa-np和pHT304-3Ab-np。分別用重組質粒pHT304-3Aa-np和pHT304-3Ab-np轉化蘇云金芽孢桿菌突變株BMB171，篩選得到重組蘇云金芽孢桿菌BLYS-3Aa-np和BLYS-3Ab-np。

發酵液Native PAGE和水解圈試驗證明重組蘇云金芽孢桿菌BLYS-3Ab-np的產酶能力明顯高于BLYS-3Aa-np，BLYS-3Ab-np發酵液在干酪素平板上的水解圈直徑明顯大于BLYS-3Aa-np，表明pro3Ab啟動子啟動轉錄的能力比pro3Aa啟動子強。用cry3A-F1/cry3A-R引物擴增的pro3Aa啟動子片段包含有兩個啟動子的特征結構，其1-503 bp區域有一個弱啟動子，504-1073 bp區域為強啟動子區域，從發酵產酶的結果分析，兩個啟動子聯用并沒有增強轉錄的效果；pro3Aa啟動子的504-1 073 bp區域與cry3A-F2/cry3A-R引物擴增的pro3Ab啟動子部分區域重疊，用pro3Ab啟動子構建的重組菌BLYS-3Ab-np產酶能力明顯高于為pro3Aa啟動子構建的重組菌BLYS-3Aa-np，結果表明pro3Ab啟動子是cry3A啟動子啟動轉錄所必需的區域。

參考文獻：

[1] 余健秀，蒙國基，曾少靈，等.蘇云金芽孢桿菌cry3Aa啟動子的克隆和營養期表達載體的構建[J].高技術通訊，2001（3）：34-38.

[2] 吳懷光，葉偉星，喻子牛，等.在蘇云金芽孢桿菌中高效和穩定表達AiiA蛋白[J].中國農業科學，2007，40（10）：2221-2226.

[3] 曾 林，任改新. 蘇云金芽孢桿菌殺蟲晶體蛋白cry基因研究的現狀[J].微生物學通報，1998，25（1）：49-51.

[4] 包巨南，蘭立新，肖懷秋. 微生物源堿性蛋白酶研究進展[J]. 釀酒，2007，34（3）：50-52.

[5] 劉海軍. 芽孢桿菌新型蛋白酶基因的克隆、表達及理化性質研究[D].湖北宜昌：三峽大學， 2011.

[6] 樂超銀，邵 偉，劉海軍，等.一株地衣芽孢桿菌的分離及在大豆肽發酵中的應用[J].中國釀造，2008，23（12）：41-44.

[7] 張海燕，王彩虹，龔明福. 一種簡單有效且適于土壤微生物多樣性分析的DNA提取方法[J].生物技術通報，2009（8）：151-155.

[8] SOUZA M T D， LECADET M， LERECLUS D. Full expression of the cryIIIA toxin gene of Bacillus thuringiensis requires a distant upstream DNA sequence affecting transcription[J]. Journal of Bacteriology，1993，175（10）：2952-2960.

[9] YUE C Y， SHAO W， SUN M， et al. Comparative study on effect of different promoters on expression of cry1Ac in Bacillus thuringiensis chromosome[J]. Journal of Applied Microbiology，2007，103（2）：454-461.

[10] 朱旭芬.基因工程實驗指導[M].北京：高等教育出版社，2010. 153-158.

[11] 李 林，喻子牛.蘇云金芽孢桿菌無質粒突變株BMB171的轉化和表達性能[J].應用與環境生物學報，1999，5（4）：395-399.