小鼠SMC1A基因原核表達系統的構建及其生物信息學探討

胡丁旺 邱榮暉 傅梅萍 福建醫科大學基礎醫學院 福州 350122

染色體結構維持蛋白（structural maintenance of chromosome，SMC）在染色體結構細胞周期性的動態變化中發揮著重要作用[1]，而SMC1A作為染色體結構維持蛋白家族的一個重要成員，它是編碼凝聚素核心復合物的一個亞單位，該亞單位將姐妹染色單體束縛在一起，以確保在有絲分裂和減數分裂中正確的染色體分離[2]。SMC1A基因在參與DNA損傷修復的過程中，作為重組蛋白復合物的組成部分，可通過重組進行DNA修復，被認為是DNA修復的必要因素，并與細胞的生長、遷移和凋亡密切相關[3-5]。

SMC1A不僅在DNA修復的過程發揮重要作用，也是維持基因組穩定性的關鍵因素，而基因組的不穩定性被認為是發生癌癥的重要原因之一[6]。臨床研究表明，SMC1A表達低的急性髓性白血病患者生存時間明顯更短[7]，而SMC1A基因的突變可導致科妮莉亞德朗熱綜合征[8]，在結腸直腸癌體細胞基因突變檢測中也發現了SMC1A基因的突變[9]。

SMC1A并不是一個穩定的蛋白，己經參與了多種人類疾病的發生。為探討SMC1A的結構和功能，本研究通過克隆小鼠SMC1A基因，構建pET28a-SMC1A原核表達系統，分析其遺傳學和生物信息學特性，為研究機體SMC1A基因組穩定性和進一步探究SMC1A基因在相關疾病中的作用機理奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 動物 試驗用ICR小鼠，體質量20 g左右，來自福建醫科大學實驗動物中心。

1.1.2 儀器與試劑 2720 Thermal PCR儀（熱安上海儀器儀表有限公司）；pMDTM19-T Vector Cloning Kit（批號：6013）和PrimeScriptTM1st Strand cDNA Synthesis Kit（批號：6110A）均購自寶日醫生物技術有限公司；膠回收試劑盒（批號：DP209）、質粒小提試劑盒（批號：DP104）和T4 DNA連接酶（批號：RT406）均購自天根生化科技有限公司；Anti-His Mouse mAb（批號：HT501）和山羊抗鼠二抗HRP（批號：HS211）均購自北京全式金生物技術有限公司。

1.2 方法

1.2.1 小鼠SMC1A基因引物設計 利用基因庫中SMC1A的基因序列，設計一對SMC1A基因引物對和載體T7引物對，序列結果見表1，引物委托生工生物公司進行合成。

表1 引物信息

1.2.2 小鼠SMC1A基因的擴增 取小鼠新鮮心臟組織，提取總RNA，再按照PrimeScriptTM1st Strand cDNA Synthesis Kit的操作說明，反轉錄成cDNA，并根據引物的PCR條件，擴增得到目的基因。

1.2.3 重組質粒的構建和鑒定 鑒定正確的PCR產物使用膠回收試劑盒進行純化回收，膠回收樣品與pMD-19T載體按照試劑盒進行添加，并置于4℃環境下過夜反應，反應完成后加入50μL的DH5α感受態細胞進行轉化，并于37℃恒溫培養箱中過夜培養，次日選取陽性菌落進行菌落PCR鑒定。

1.2.4 SMC1A蛋白序列分析及蛋白結構預測與功能分析 采用DNAstar軟件建立不同種屬SMC1A核酸遺傳進化樹，并進行同源性和抗原肽分析。采用軟件SignalP 4.1 Server、NetNG-Lycl.OServer和NetPhos 3.1進行信號肽、N-糖基化位點和磷酸化位點分析。采用SWISS-MODEL建立SMC1A蛋白3D結構圖。

1.2.5 pET28a-SMC1A表達蛋白的Western-blot鑒定 所構建原核表達載體pET28a-SMC1A表達的重組蛋白大小為131.2 kD。將PET-28a(+)質粒載體和重組質粒PET28a-SMC1A分別轉入BL21（DE3）感受態細胞中表達，采用1.2.3方法進行PCR鑒定，并選取陽性菌落入恒溫箱過夜培養，第二天添加IPTG進行誘導，誘導前取1 mL菌液備用。誘導4 h后，菌液取1 mL離心留沉淀，添加上樣緩沖液進行變性，截取SDS-page膠上相應條帶位置進行His標簽蛋白Western-blot試驗。

2 結 果

2.1 SMC1A基因PCR擴增產物 經PCR擴增得到SMC1A基因的1%瓊脂糖凝膠電泳鑒定見圖1。結果提示，3 000～5 000 bp間可見一條帶，而SMC1A基因大小為3 703 bp，具有一致性。

圖1 SMC1A基因PCR擴增結果

2.2 重組質粒pET28a-SMC1A PCR鑒定結果目的基因SMC1A上下游引物與T7上下游載體引物分別組合進行PCR鑒定，1～4號孔道的條帶均出現在3 000～5 000 bp，大小與預期一致（見圖2），說明pET28a-SMC1A原核表達載體構建成功。

圖2 pET28a-SMC1A PCR鑒定結果

2.3 SMC1A基因同源性分析結果 從NCBI Gen-Bank下載得到恒河猴源、人源、豬源、小鼠源、大鼠源和斑馬魚源SMC1A基因，并加入克隆得到的SMC1A基因測序序列，進行核酸遺傳進化樹比對和同源性分析。結果發現，小鼠源SMC1A基因與大鼠源、恒河猴源和人源的SMC1A基因具有高同源性（見圖3-圖4）。

圖3 核酸遺傳進化樹（×100）

圖4 不同種族來源的SMC1A基因同源性分析

2.4 SMC1A蛋白功能分析 SMC1A基因可編碼翻譯1 233個氨基酸，其蛋白功能分析發現，SMC1A蛋白無N-糖基化位點、跨膜螺旋區域和信號肽，但在SMC1A蛋白多肽上可能存在82個達到閾值的磷酸化位點（見圖5），包括47個絲氨酸磷酸化位點、22個蘇氨酸磷酸化位點、13個酪氨酸磷酸化位點。

圖5 SMC1A蛋白磷酸化能力預測

2.5 抗原肽分析 預測SMC1A蛋白的抗原肽35條，選取的代表性抗原肽具體信息見表2。

表2 SMC1A蛋白抗原位肽分析結果

2.6 SMC1A蛋白3D結構 SMC1A蛋白肽鏈經多次螺旋、折疊及一系列的結構修飾后，軟件模擬的SMC1A蛋白的3D模型見圖6。

圖6 SMC1A蛋白3D模型

2.7 重組質粒pET28a-SMC1A表達蛋白的Western-blot鑒定 重組質粒PET28a-SMC1A所表達的帶His標簽蛋白，約為135.6 kD。根據預測蛋白大小截取相應泳道蛋白條帶，利用Anti-His Mouse mAb（1:1 000）對蛋白進行Western-blot檢測，結果表明，IPTG誘導前和誘導后，100～140 kD位置均出現較為明顯的蛋白印跡，且誘導后的蛋白印跡強于誘導前（見圖7）。

圖7 重組蛋白的Western-blot鑒定

3 討 論

在癌癥的發生過程中，內聚蛋白的缺陷導致了染色體的不穩定性，而SMC1A作為染色體結構維持蛋白的重要成員之一，對于染色體結構的穩定性是至關重要的。眾多研究顯示，SMC1A與癌癥的發生密切相關，SMC1A基因的缺失、異位和突變，都可能造成染色體破壞，從而引起相關疾病的發生[10]。為了明確SMC1A的結構和功能，通過克隆SMC1A基因并構建至pET-28a(+)原核表達載體，經PCR鑒定和測序鑒定，證實pET28a-SMC1A構建成功，與不同種屬核苷酸序列的同源性分析顯示，與大鼠源同源性高達96.9%，而與人源基因同源性約為91.7%，與人源基因的高同源性確認了SMC1A基因導致的疾病在鼠類動物上的開展和研究的可行性。

蛋白質要發揮其機體功能，相關研究認為蛋白質之間的相互作用必不可少[12]，DNA損傷修復、自噬和凋亡等重要過程的發生均需要蛋白質相互作用的參與和介導，而蛋白質之間發生相互作用主要依賴于蛋白翻譯后的多種修飾作用，常見的蛋白修飾作用有甲基化、乙酰化、磷酸化和泛素化等，這些修飾作用常常發生于賴氨酸、精氨酸、絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸等氨基酸殘基上[13]。筆者通過蛋白磷酸化分析發現，SMC1A蛋白多肽上存在較多的磷酸化位點，通過這些不同磷酸化位點進一步篩選分析，或許可以找到SMC1A介導DNA損傷修復、自噬和凋亡的關鍵分子機制。SMC1A蛋白上共有35條抗原肽段，足夠多的抗原肽段可以為SMC1A基因疾病模型的免疫治療提供更多的抗原表位選擇。另外，蛋白肽鏈一級、二級、三級、四級結構的修飾不同決定了蛋白具有不同的功能，筆者通過軟件模擬SMC1A蛋白的3D結構圖，初步分析SMC1A蛋白結構的螺旋、折疊和跨膜特性，并對重組蛋白進行Westernblot鑒定，在IPTG誘導前后蛋白表達量存在差異，但IPTG的最佳誘導濃度以及最佳誘導時間還有待進一步探究。

綜上所述，對于SMC1A結構和功能的探討，為SMC1A介導的相關疾病的研究提供理論方向。通過研究SMC1A蛋白在癌癥中的表達狀況與分子功能，對于進一步明確癌癥發病的分子機制有著積極的意義，并且可能為癌癥的治療與預防尋找到新的突破口。