結核分枝桿菌Rv1729c基因編碼的S-腺苷甲硫氨酸依賴性甲基轉移酶的表達及生物信息學分析

陶香林，吳歡，孫恩濤，葉長江，文育鋒

（1.皖南醫學院檢驗學院，安徽 蕪湖 241002；2.皖南醫學院公共衛生學院）

結核分枝桿菌耐藥已成為結核病防控的重大挑戰［1］。因結核分枝桿菌的細胞壁的多肽多糖層周圍有大量的分枝菌酸，不僅阻止抗菌藥物等進入結核分枝桿菌內，還能幫助結核分枝桿菌逃避宿主免疫系統的識別［2-3］。因此，參與合成分枝菌酸的酶已成為治療耐藥性結核病的有效藥物靶點。在這些酶中，S-腺苷蛋氨酸依賴甲基轉移酶（SAM-MTs）被證明對分枝菌酸的合成和化學修飾起重要作用［4-5］。SAM-MTs是甲基轉移酶家族的一種［6］，參與細胞壁內氨基酸、脂肪等物質的形成和轉化。有研究表明，SAM-MTs能在分枝菌酸的特定位置引入關鍵的化學修飾，這對結核分枝桿菌的毒力和細胞壁通透性至關重要。編碼SAM-MTs中間體的基因失活會抑制分枝菌酸的合成［7-8］。根據GenBank數據庫，在結核分枝桿菌H37Rv株中至少有12個基因編碼SAM-MTs，Rv1729c基因是其中之一。此外，已有研究表明Rv1729c基因可能與異煙肼耐藥相關［9］，但其具體機制和功能仍未明確。本研究對Rv1729c基因的生物學功能進行了初步研究，以探索結核分枝桿菌耐藥的潛在靶點。擴增、克隆并表達Rv1729c基因，并利用生物信息學工具對Rv1729c基因的生物學特性進行預測和分析。

1 材料與方法

1.1 菌株和載體 結核分枝桿菌H37Rv菌株由江蘇省疾病控制中心慢性傳染病防治所惠贈。感受態的大腸桿菌DH5α和BL21購自天根生物科技（北京）有限公司，pET28a和pMD-19T質粒購自寶生物工程（大連）有限公司。

1.2 主要試劑 2×Taq Master Mix、質粒抽提試劑盒、膠回收試劑盒購自天根生物科技（北京）有限公司。

1.3 結核分枝桿菌基因組DNA的提取 用接種環刮取少量H37Rv菌株培養菌苔，在磨菌管中將其磨碎，加入500 μl STE（0.1 mol/L NaCl，10 mmol/L Tris，1 mmol/L EDTA，pH 8.0）溶液重懸菌液。100℃煮沸30 min滅活菌體。12 000 r/min離心20 min，沉淀重懸于 500 μl TE緩沖液（10 mmol/L Tris，1 mmol/L EDTA，pH 8.0）中。加入蛋白酶K至終濃度0.5 mg/ml，10%SDS溶液至終濃度0.5%，56℃孵育1 h。加入等體積的Tris-Cl飽和酚，輕輕上下顛倒混勻約5 min，以使蛋白充分變性，12 000 r/min離心5 min，取上清。小心吸取上清至另一干凈1.5 ml離心管，加入等體積的氯仿∶異戊醇（24∶1），12 000 r/min離心5 min，取上清。重復本步驟，直至分界面幾乎看不到白色的蛋白層為止。小心吸取上清至另一干凈1.5 ml離心管，加入2倍體積的無水乙醇、1/10倍體積的3mmol/LNaAC（pH5.2）溶液，充分混勻，于-20℃放置約1～2 h沉淀DNA，12 000 r/min離心20 min。小心倒棄上清，沉淀用500 μl 70%乙醇離心洗滌2次，置于超凈臺上室溫吹干，最后將其溶解于200 μl含有RNA酶的TE緩沖液中，-20℃保存備用［10］。

1.4 引物設計與合成 根據Genbank中H37Rv的Rv1729c基因編碼序列，長度為939 bp。用Primer 5.0軟件設計引物，上游引物5′-ATTCTCGAGCGGTGAAATGGAAGAGTG-3′，下 游 引 物 ：5′-ATAGAATTCGACGACGACAACTGGGAT-3′，分別插入Xho Ⅰ和EcoR Ⅰ的酶切位點。引物由上海生工生物工程技術服務有限公司合成。

1.5 目的基因PCR擴增 以H37Rv基因組DNA作為模板進行PCR反應。PCR擴增體系（50 μl）：無菌雙蒸水 22 μl，2×Taq Master Mix 25 μl，上、下游引物各1 μl，DNA模板1 μl。PCR反應條件：95℃預變性5 min，95℃變性30 s，60℃退火30 s，72℃延伸60 s，共35個循環；72℃延伸10 min。PCR擴增產物經1%瓊脂糖凝膠電泳鑒定。

1.6 克隆載體的構建 將PCR產物純化回收與克隆載體pMD-19T經Xho Ⅰ和EcoR Ⅰ雙酶切，然后將酶切產物在1.2%的瓊脂糖凝膠電泳后切膠回收。按照1∶3的比例用T4連接酶16℃過夜連接，并設立對照組。轉化大腸桿菌DH5α后，采用質粒的快速抽提方法及酶切篩選鑒定重組子。挑取單克隆送寶生物工程（大連）有限公司公司測序，通過NCBI上的Blast進行比對分析。

1.7 Rv1729c基因的表達和純化 重組質粒pET-28a-Rv1729c轉化大腸桿菌BL21感受態細胞。重組體在含50 μg/ml卡那霉素的LB瓊脂平板上篩選。采用不同濃度的IPTG（0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 mmol/L）、不同誘導時間 （1、2、3、4、5、6、7、8 h）和不同溫度（20、24、28、32、36、40、44℃）誘導表達重組蛋白。提取蛋白進行12%SDS-PAGE電泳分析，考馬斯亮藍染色后觀察蛋白條帶。

細胞裂解液過HisPur?Ni-NTA柱，蛋白用15 ml洗脫液洗脫（50 mmol Tris，200 mmol NaCl，500 mmol咪唑），小心吸取上清液進行12%SDS-PAGE電泳檢測。

1.8 Rv1729c基因編碼SAM-MTs的生物信息學分析 用蛋白質分析系統Expasy中的在線工具Protparam對蛋白質的一級結構及氨基酸組成、相對分子質量、理論等電點、分子式、半衰期、不穩定系數、脂肪系數等理化性質進行分析；用ProtScale對分析蛋白的親（疏）水性。用Signal P 4.1 Server信號肽分析服務器預測信號肽及位置；應用TMHMM Server v.2.0分析蛋白跨膜區螺旋；用SSPro：Secondary Structure服務器預測蛋白質二級結構。利用Motif Scan分析蛋白的翻譯后修飾位點。將蛋白序列提交至蛋白質分析系統EXPASYP Proteomic三級結構模型組裝軟件SWISS-MODEL模擬蛋白的三級結構［11-14］。利用ABCpred預測SAM-MTs蛋白的B細胞抗原表位；HLA-A*0201限制性CTL細胞表位采用IEDB和NetMHC 4.0 Server來預測［15-16］。

2 結果

2.1 Rv1729c基因的擴增、克隆及序列分析Rv1729c基因經PCR擴增，產物大小與預計相符，約923 bp（圖1A）。將PCR產物克隆于pMD-19T中（圖1B）和pET-28a質粒中（圖1C），挑選經酶切鑒定正確的克隆，經正反向全自動序列分析顯示，Rv1729c基因的GC含量為62.73%，起始密碼子和終止密碼子分別為GTG和UGA，所得序列結果通過NCBI的Blast進行比對分析，與MTB標準株核苷酸同源性為100.00%，在結核分枝桿菌H37Rv株全基因組中位于1954631～1955569。

2.2 Rv1729c基因編碼的SAM-MTs蛋白的表達 重組質粒pET-28a-Rv1729c轉化大腸桿菌BL21感受態細胞并誘導表達蛋白。SDS-PAGE顯示SAMMTs蛋白成功表達，分子量約35 kDa。在不同的誘導時間、不同的IPTG濃度和不同的溫度下誘導蛋白，確定最佳誘導條件：IPTG的濃度為0.4 mmol/L，時間為7 h，溫度為20℃，見圖2、3、4。

圖3 不同的誘導時間下SAM-MTs（Rv1729c）蛋白表達情況

2.3 SAM-MTs（Rv1729c）蛋白用Ni-NTA樹脂親和層析成功純化 純化結果顯示目的蛋白為分子量約35 kDa的可溶性蛋白（圖5A）。在NC膜上檢測到一條35 kDa分子量的強條帶，對相同樣品進行Western blot分析，證實所觀察到的蛋白條帶與特異性抗體發生了反應（圖5B）。

2.4 Rv1729c基因編碼SAM-MTs的生物信息學分析

2.4.1 SAM-MTs的理化性質 Rv1729c基因編碼SAM-MTs由312個氨基酸組成，其中含量最多的氨基酸為Ala和Leu，分別占13.8%和9.6%。該蛋白理論相對分子量為33 654（33.654 ku），原子總數4 722，分子式為C1496H2352N408O457S9，理論等電點4.75，帶負電荷氨基酸殘基（Ala+Glu）總數為39，帶正電荷氨基酸殘基（Arg+Lys）總數為28，脂溶性系數91.41，半衰期30 h。不穩定指數31.41，低于閾值40，分類為穩定蛋白。利用ProtScale對蛋白的親疏水性進行預測，疏水性平均得分-0.006（正值和負值分別代表疏水性和親水性）（圖6），為親水性蛋白。利用在線軟件SignaIP 4.1預測氨基酸的序列中無信號肽。運用TMHMM server v.2.0軟件分析SAM-MTs位于細胞膜表面，不是跨膜蛋白。

圖6 Rv1729c基因編碼的SAM-MTs蛋白的親（疏）水性

2.4.2 SAM-MTs的二級結構 利用在線分析軟件，在線提交Rv1729c基因編碼SAM-MTs的氨基酸序列后，分析得到蛋白質二級結構，其中無規則卷曲（C）148個（占47.4%），α螺旋（H）127個（占40.7%），β折疊（E）37個（占11.9%）（圖7），提示該蛋白和螺旋無規則卷曲含量高，結構較松散。

圖7 Rv1729c基因編碼SAM-MT的二級結構

2.4.3 SAM-MTs的翻譯后修飾位點 經Motif Scan分析，Rv1729c基因編碼的SAM-MTs共有2個N-糖基化位點（95～98、01～204），6個酪蛋白激酶Ⅱ磷酸化位點（4～7、66～69、109～112、141～144、271～274、279～282），4個酰基化位點（16～21、146～151、209～214、269～274）。

2.4.4 SAM-MTs的三級結構 利用SWISS-MODEL模擬Rv1729c基因編碼SAM-MTs的三級結構，9～297為氨基酸序列與putative S-adenosyl-l-methionine-dependent methyltransferase ML2640能夠進行同源建模。

2.4.5 B細胞抗原表位 通過ABCpred server預測SAM-MTs的B細胞抗原表位為18～33、24～39、34～49、 55～70、 116～131、 126～141、 149～164、228～243、 245～260、 268～283、 283～298 和 290～305等，其中最具優勢的5個抗原表位（臨界值為0.85），見表1。

2.4.6 T細胞抗原表位 通過NetMHC和IEDB在線的HLA-A*0201對SAM-MTs蛋白預測分析，得到限制性CTL細胞8個優勢表位（百分比排名＞90%） 為 32～40、 94～102、 122～130、 136～144、149～157、224～232、258～266和272～280，見表2。

3 討論

Rv1729c是編碼SAM-MTs的基因之一，參與了分枝菌酸修飾，但其具體功能和機制尚未被研究。有研究表明，敲除SAM-MTs編碼基因可抑制分枝菌酸的合成，從而降低細胞壁對藥物的通透性［4，17］。此外，Rv1729c基因被認為與結核分枝桿菌耐異煙肼有關［7，9］。

本研究成功擴增H37Rv標準菌株Rv1729c基因并克隆表達。該蛋白誘導表達IPTG的最佳濃度為0.4 mmol/L，最佳表達時間為7 h，溫度為20℃。Western blot鑒定表達蛋白分子量為35 kDa。

本研究表明SAM-MTs是一種穩定的、疏水的、非跨膜的、結構松散的蛋白，其理論等電點為4.75。親水性分析表明，SAM-MTs的親水性位點與SAM-MTs的抗原位點高度相關。在結核分枝桿菌中識別SAM-MTs的B細胞表位和T細胞表位可激發特異性免疫反應，包括了解其發病機制、開發診斷方法、設計基于肽基的疫苗以預防感染［18］。本研究通過在SAM-MTs中發現具有潛在優勢的B細胞和T細胞表位，探討SAM-MTs在耐藥中的作用。此外，抗原表位賦予了抗原特異性，抗原表位可以通過蛋白二級結構分析預測［19］。結果表明，SAM-MTs是一個結構松散的蛋白，具有47.4%的無規卷曲，11.9%的β-轉角二級結構。二級結構表面的無序卷曲和β-轉角有利于抗原與抗體的結合，成為抗原表位的首選。三級結構同源性建模顯示SAM-MTs與假定的S-腺苷甲硫氨酸依賴甲基轉移酶ML2640具有高度相似的序列。這一發現提供了更多SAM-MTs的立體構象信息，對研究SAM-MTs的結構與功能關系具有重要意義。在SAM-MTs中有2個N-糖基化位點、6個酪蛋白激酶Ⅱ磷酸化位點和4個酰化位點，這些位點對SAM-MTs的加工、成熟和生物調控至關重要［20］。