布魯菌wzt基因的原核表達及生物信息學分析

王秀然，康立恒，安 偉，郝芳芳，陳 思，許春曉，盧天成，周曉麗

（1.吉林農業大學生命科學學院，吉林 長春 130118；2.吉林大學白求恩醫學部，吉林 長春 130021；3.吉林大學第一醫院，吉林 長春 130021；4.軍事醫學科學院軍事獸醫研究所，吉林 長春 130122）

布魯菌病是一種人畜共患疾病，該病不但嚴重影響養殖業的發展，對人類健康也構成了巨大威脅.人畜布魯菌病難以防控的原因是多方面的，其中，其致病機理（包括胞內寄生機理）和免疫機理不清楚是主要原因.

引起布魯菌病的布魯菌是兼性細胞內寄生的革蘭氏陰性球桿菌，不產生芽孢和莢膜.雖然布魯菌不能自主運動，但其攜帶組裝鞭毛的所有基因，也不含趨化系統［1］.脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）是布魯菌主要的毒力因子，也是引起哺乳動物免疫的主要抗原之一［2］.目前布魯菌脂多糖合成的途徑并不完全清晰，已經發現的與布魯菌脂多糖合成相關的關鍵基因有wbkA，gmd，wzm，wzt，wbkB，wbkC等，其中wzt基因為ABC轉運系統（ABC transporter）的重要組成部分［3］，布魯菌LPS－O側鏈的合成即是通過ABC轉運途徑.有研究顯示［4］，線性O多糖大多是通過這一途徑完成的，這一過程中糖苷連接到UDP－PP－糖鏈上，在細胞膜內膜上完成聚合物的合成，然后借助ABC轉運蛋白運到膜外，鏈接到核心寡糖和類脂A上；其中，wzt基因編碼ABC型轉運體（ATP酶結構域）O抗原輸出系統ATP結合蛋白，其突變導致B.melitensis 16M形成粗糙型突變體，ELISA檢測S－LPS的O側鏈可確定O側鏈缺失.O多糖合成前體由wzt形成的ABC轉運系統通過十一異戊烯聯聚合物轉移到膜，在那里它被連接到脂質A核心和易位到外膜的周質面［5］.ABC轉運系統在細菌中是一個主要的細胞轉運機器，由一系列同源基因編碼的操縱子組成［6］.該操縱子由ATP結合蛋白、膜蛋白、亞基結合蛋白3部分組成，通常情況下，形成由6個跨膜片段組成的2個完整的膜蛋白［7］.ABC轉運系統是膜外生物大分子合成的主要運輸通道之一，參與胞外多糖的合成［8］.此外，ABC轉運系統在細菌營養成分的運輸、獨立分子的外排等過程中也起著重要的作用［9］.研究發現，wzt基因缺失會造成布魯菌O側鏈缺失，同時降低布魯菌的毒力［10］；缺失wzt基因的布魯菌突變株與親本株相比，細胞免疫水平下降，體液免疫水平上升［11－12］.

本研究對源于布魯菌的wzt基因進行了克隆并對原核進行了表達，對其進行了生物信息學分析和結構預測，以為闡明布魯菌wzt基因的功能提供理論依據.

1 材料與方法

1.1 菌株及載體

布魯菌Brucella abortus S19DNA、感受態菌株Eschericholia.coli DH5α、E.coli BL21（DE3）由軍事醫學科學院軍事獸醫研究所五室贈送；Trans－T1感受態、原核表達載體pEASY－E1expression kit購自北京全式金生物技術有限公司.

1.2 方法

1.2.1 培養基

液體LB培養基：蛋白胨1g，酵母粉0.5g，NaCl 1g，蒸餾水100mL，pH＝7.2.

固體培養基（Ampicillin，Ampr）：蛋白胨1g，酵母粉0.5g，NaCl 1g，瓊脂1.5g，蒸餾水100mL，pH＝7.2.121℃滅菌20min.滅菌后加除菌的氨芐西林至100μg／mL.

1.2.2 引物的設計及合成

根據GenBank中B.abortus S19的序列信息設計引物.上游引物（Nde I酶切位點）F：catatgATGATCCAGCCATCGATTACCCTGT；下游引物R（Xho I 酶切位點）：ctcgagTCATGCTATAGCTCCCATTCCCGAG.引物由長春華大中天生物技術有限公司合成.

1.2.3 wzt基因的擴增

以B.abortus S19總DNA為模板，反應體系50μL：模板DNA 2μL，上游引物1μL，下游引物1μL，Ex Taq酶0.5μL，10×Buffer 5μL，dNTP 4μL，水36.5μL.反應條件：94℃5min；94℃1min，58℃30s，72℃1min，30個循環；72℃延伸10min.

1.2.4 重組表達質粒的構建及鑒定

利用凝膠回收試劑盒純化回收PCR產物，將回收產物與pEASY－E1載體連接并轉化Trans－T1感受態細胞，轉化后加入250μL經室溫平衡的LB培養基，于37℃，180r／min恒溫搖床中培養1h.取200μL菌液均勻地涂布于準備好的Ampr固體培養基平板上，37℃培養過夜.

挑取單菌落接種于LB（Amp）液體培養基中，180r／min，37℃恒溫搖床中培養12h，采用載體正向引物（E Control Forward Primer：GGAATTGTGAGCGGATAACAATTCC）和下游引物R進行PCR鑒定.

提取陽性菌液質粒，進行Nde I和Xho I雙酶切鑒定，37℃水浴鍋酶切3h.酶切體系：質粒4μL，限制性內切酶Nde I 0.5μL，限制性內切酶Xho I 0.5μL，Buffer 1μL，無菌水4μL.將鑒定正確的質粒pEASY－wzt進行測序.

1.2.5 誘導表達

將pEASY－wzt轉化到E.coli BL21（DE3）.挑取陽性單克隆菌落，接種到5mL含有Amp的抗性LB液體培養基中，37℃，180r／min培養6h；至菌液D（600）為0.6時，加入終濃度為1mmol／L 的IPTG，37℃繼續誘導4h.

1.2.6 聚丙烯酰胺凝膠電泳（SDS－PAGE電泳）分析

收集1.5mL誘導的菌液，以未誘導菌液作為陰性對照，于室溫12000r／min離心1min，棄上清，用1mL PBS懸浮；12000r／min離心1min，用50μL蒸餾水懸浮沉淀，加入50μL 2×SDS Buffer，在沸水中孵育5～10min.12000r／min離心5min，取上清液進行8%SDS－PAGE電泳分析.凝膠用考馬斯亮藍R－250染色.

1.2.7 表達蛋白質的純化

收集100mL誘導表達的菌液，4℃，5000r／min離心5min；棄上清，加入100mL的PBS洗滌菌液，4℃，5000r／min離心5min；重復洗滌一次，棄上清，將菌體置于冰水中，用20mL的Binding Buffer結合液進行重懸.超聲裂解細菌，超聲10s，間歇10s，功率400W持續工作30min，直至上清液變清澈.4℃，13000r／min離心10min，取上清，經0.22μm的濾膜過濾后，用1mL HisTrapTMFF親和層析柱純化蛋白.

1.2.8 表達產物的Western Blotting鑒定

純化產物經SDS－PAGE分析后，根據SDS－PAGE凝膠的大小，剪裁PVDF膜和濾紙.將濾紙放在轉膜緩沖液中完全浸透；PVDF膜先在甲醇中敏化15s，隨后放入蒸餾水中浸泡2min.組裝轉膜裝置，從陽極到陰極依次為：8層濾紙－PVDF膜－凝膠－8層濾紙.PVDF膜要略大于凝膠，以保證所有蛋白能夠轉到膜上；并將濾紙、凝膠、PVDF膜對齊，趕走氣泡.恒流110mA，電壓控制在25V內，電轉25min.用洗滌液清洗PVDF膜3次，每次5min.加入5%脫脂奶粉常溫封閉，在搖床上輕輕搖動1～2h.倒掉封閉液，用洗滌液洗膜3次，每次5min.一抗孵育：加入1∶200（體積比）倍稀釋的鼠抗His標簽單克隆抗體，37℃孵育2h，倒掉一抗，洗滌液洗膜（方法同上）；二抗孵育：加入1∶2000（體積比）倍稀釋的辣根過氧化物酶標記的羊抗鼠IgG，37℃孵育2h.倒掉二抗，洗滌液洗膜（方法同上）［13］.加入TMB顯色液顯色10min，加純水終止，掃描保存圖片.

1.3 wzt基因表達產物的生物信息學分析與結構預測

1.3.1 wzt蛋白結構預測

采用Discovery Studio 2.5軟件以Swiss－Model模式對蛋白質結構進行預測［14］.

1.3.2 wzt基因表達產物的生物信息學分析

在NCBI數據庫中對與wzt基因功能相關的蛋白序列進行檢索，并采用Clustalx1.83和MEGA5.0進行生物信息學分析.

2 結果與分析

2.1 wzt基因擴增產物的鑒定

以B.abortus S19總DNA為模板，PCR擴增wzt基因，成功獲得目的基因，擴增產物經1%瓊脂糖凝膠電泳檢查，得到與目的基因大小相符的約756bp的條帶（見圖1）.

2.2 重組表達質粒的酶切鑒定

將重組質粒pEASY－wzt經Xho I單酶切、Nde I和Xho I雙酶切進行鑒定，得到的結果同理論值相符，表明重組表達質粒pEASY－wzt構建正確.經測序，與GenBank注冊序列一致.

圖1 目的基因wzt的PCR擴增產物凝膠電泳圖

圖2 表達產物的SDS－PAGE分析

2.3 表達產物的鑒定

將構建好的重組質粒pEASY－wzt轉到大腸桿菌BL21中，加入IPTG使其終濃度為1.0mmol／L，37℃，誘導4h.通過8%SDS－PAGE分析鑒定，表明重組質粒能夠成功表達目的蛋白，在相對分子質量約28000處可見差異蛋白條帶，與理論值相符（見圖2），表明wzt基因成功表達.

2.4 表達產物的分離純化

SDS－PAGE結果表明，蛋白表達成功，經親和層析純化可獲得純化的重組蛋白，經Lowry法測定純化蛋白的質量濃度為0.43mg／mL.

2.5 目的蛋白的鑒定

Western Blotting分析顯示，在相對分子質量約28000處可見特異反應條帶（見圖3），表明純化的重組蛋白能被His標簽單克隆抗體所識別，表明所表達蛋白為wzt蛋白.

圖3 純化產物的Western blot分析

圖4 ABC轉運系統結構圖

2.6 wzt編碼蛋白的結構預測

由Discovery Studio 2.5生成、通過Swiss－Model構建的結構示意圖見圖4.模板選擇1oxv，與來自Sulfolobus solfataricus的蔗糖ABC轉運系統的ABC－ATP酶的序列一致性僅23.11%.三維構象顯示，該蛋白可能由8個α螺旋、7個β片層構成.

圖5 wzt基因及部分功能相同的基因編碼的蛋白序列的系統進化分析

2.7 wzt編碼蛋白的同源性分析

將wzt基因編碼的蛋白序列與GenBank中功能相關的基因序列進行同源性比較，發現該基因編碼的蛋白質序列在多數種屬中具有較高的種屬特異性.布魯菌屬不同種的該基因蛋白同源性接近100%（見圖5），與其他種屬相關蛋白的差異較大，但與耶爾森氏菌的O：9菌株的該蛋白序列同源性較高.

3 討論

布魯菌是一種重要的人畜共患病病原，其LPS既是其主要的毒力因子，同時也是引起免疫的重要抗原，wzt基因作為其合成的關鍵基因，在O多糖跨膜合成過程中起著重要的作用.

O多糖是在內膜上由糖基轉移酶催化形成的脂質鏈接的O側鏈重復單位，可通過某種機制將脂質鏈接的O多糖傳遞到細胞周質空間，并將O多糖鏈接到核心寡糖上形成LPS［5］.在細菌中參與O多糖合成的基因往往形成RFB基因［15－16］，RFB基因編碼合成新型糖苷前體的糖基轉移酶，作為運輸過程所需要的酶，因此，RFB基因座位的多態性影響O多糖的結構多樣性［17］.

目前已知有3種途徑參與O多糖的合成運輸過程，分別為WZY依賴型途徑、ABC轉運型和合酶依賴型途徑.在WZY依賴型途徑中，由wzx蛋白同源類似物完成跨膜運輸；而在ABC轉運型途徑中則由ABC轉運子完成運輸，其ATP結合域的序列高度保守，特別是核苷酸結合區［18］.本研究的結果顯示，ABC轉運系統中的wzt蛋白、ATP結合域，在布魯菌中具有高度保守的種屬特異性，因此ATP結合域的保守性具有屬的特異性.目前，有關O多糖合成的ABC轉運子的確切組織形式和模式尚未見報道，沒有結構數據可以參考，大部分信息是來自大腸桿菌等細菌的2型莢膜合成過程的研究和假說［18－19］.本研究發現wzt蛋白具有8個α螺旋、7個β片層結構，為進一步研究ABC轉運系統的組織形式及形成模式提供了依據.

本研究成功表達了wzt蛋白，并對其結構進行了初步的預測，研究結果為進一步揭示wzt基因在LPS合成過程中的作用機制，闡述其在細菌組成物質的合成和免疫調節中的作用具有重要的意義.

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