李穎,周一兵,萬(wàn)良,趙歡,楊大佐
(大連海洋大學(xué)遼寧省海洋生物資源恢復(fù)與生境修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連116023)
熱休克蛋白70(Hsp70)由于其具有多方面的生物學(xué)功能成為被廣泛研究的一組蛋白[1-2]。Hsp70作為蛋白成熟過(guò)程中的分子伴侶,能與變性蛋白質(zhì)結(jié)合,修復(fù)錯(cuò)誤折疊蛋白或加速其降解,參與應(yīng)激條件下細(xì)胞必需蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的維持,在對(duì)抗包括高溫、低氧、缺血、紫外線、重金屬離子、DNA損傷、環(huán)境毒物等環(huán)境脅迫引起的損傷中發(fā)揮重要作用[3-4]。同時(shí),熱休克蛋白還具有抗細(xì)胞凋亡、促進(jìn)細(xì)胞增殖、抗氧化、使生物獲得耐熱性、穩(wěn)定細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)、免疫等生物學(xué)作用。正常條件下機(jī)體Hsp70表達(dá)量較少,外界環(huán)境脅迫下機(jī)體Hsp70表達(dá)量會(huì)明顯升高。鑒于Hsp70與環(huán)境脅迫引起的機(jī)體損傷之間的關(guān)系,Hsp70作為生物標(biāo)記物用于環(huán)境監(jiān)測(cè)受到廣泛關(guān)注。沈驊等[5-7]探討了鯽Carassius auratus肝臟組織Hsp70作為重金屬污染條件下生物標(biāo)記物的潛力。對(duì)Hsp70的初步研究結(jié)果顯示,Hsp70作為生物標(biāo)記物在水環(huán)境檢測(cè)方面具有一定潛力。Radlowska等[8]研究表明,高濃度重金屬污染可導(dǎo)致紫貽貝Mytilus edulis體內(nèi)Hsp70表達(dá)水平升高,且其表達(dá)量在銅、鎘聯(lián)合作用下變化更加顯著。另有研究表明,海膽、貝類和多種魚類體內(nèi)Hsp70表達(dá)量會(huì)隨著溫度變化發(fā)生顯著變化[9-12]。目前,已對(duì)多種海洋生物Hsp70基因序列和蛋白功能進(jìn)行了研究,然而對(duì)雙齒圍沙蠶Perinereis aibuhitensis Hsp70基因的研究迄今尚未見報(bào)道。
雙齒圍沙蠶是廣泛分布于中國(guó)沿海潮間帶及河口潮灘的優(yōu)勢(shì)底棲動(dòng)物,隸屬于環(huán)節(jié)動(dòng)物門、多毛綱,是重要的經(jīng)濟(jì)多毛類。由于其底棲生活習(xí)性,雙齒圍沙蠶受環(huán)境污染物影響的可能性增大,其對(duì)污染物的耐受性亦隨之增強(qiáng)。研究發(fā)現(xiàn),沙蠶對(duì)多種環(huán)境污染物如重金屬、多環(huán)芳烴等有較強(qiáng)的富集能力和污染耐受性[13]。深入開展沙蠶熱休克蛋白研究,可從分子生物學(xué)水平探索其在沙蠶生理過(guò)程中的作用,為進(jìn)一步分析重金屬脅迫條件下該基因?qū)?xì)胞和機(jī)體的保護(hù)作用,以及建立以沙蠶為模式生物的海洋污染沉積質(zhì)生物修復(fù)技術(shù)提供重要的參考依據(jù)。
本研究中,作者采用同源克隆及RACE技術(shù)首次從雙齒圍沙蠶體壁肌肉中克隆得到Hsp70基因,并進(jìn)行了基因結(jié)構(gòu)分析,同時(shí)構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)生樹,將雙齒圍沙蠶Hsp70基因序列和其他已知Hsp70基因序列進(jìn)行了聚類分析。
試驗(yàn)用雙齒圍沙蠶采自遼寧省盤錦市雙臺(tái)子河口,選取體質(zhì)量為1.5~2.0 g的個(gè)體運(yùn)回到大連海洋大學(xué)遼寧省海洋生物資源恢復(fù)與生境修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,于18℃水中暫養(yǎng)一周,每24 h更換海水1次。試驗(yàn)用海水取自大連市黑石礁海區(qū),經(jīng)沉淀、沙濾后貯存?zhèn)溆?。試?yàn)海水的Cu(Ⅱ)、Hg(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)和 Cd(Ⅱ)的背景濃度分別為0.38、0.01、75.00、0.27、0.06 μg/L,鹽度為31~32,pH為8.25±0.10,溫度為 (18±0.5)℃。
RNAisoTMPlus、RNA PCR Kit(AMV)Ver.3.0、LA Taq?with GC Buffer、5'-Full RACE Kit、Agarose Gel DNA Purification Kit Ver.2.0、DNA Ligaton Kit Ver.2.0(Code No.D6022)均購(gòu)自TAKARA公司;EZ Spin Column DNA Gel Extraction Kit購(gòu)自上海生工生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司;其它試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。
1.2.1 總RNA的提取 研缽使用液氮預(yù)冷,取0.1 g雙齒圍沙蠶體壁肌肉,迅速放入預(yù)冷研缽中,加入適量液氮將組織研磨成粉末狀,再按照RNAisoTMPlus試劑盒說(shuō)明書提取總 RNA,最終溶于DEPC處理水中。經(jīng)10 g/L瓊脂糖凝膠電泳檢驗(yàn)總RNA的完整性,并使用紫外分光光度計(jì)測(cè)定其濃度[14-16]。將提取的總RNA于-80℃中保存?zhèn)溆谩?/p>
1.2.2 引物設(shè)計(jì) 根據(jù)近源物種巨型管狀蟲Riftia pachyptila部分基因熱休克蛋白Hsp70 CDS(GenBank登錄號(hào)為FN860145)尋找保守區(qū)域設(shè)計(jì)簡(jiǎn)并引物 (表1)。以雙齒圍沙蠶總RNA為模板,反轉(zhuǎn)錄擴(kuò)增出特異性片斷,并對(duì)其進(jìn)行序列測(cè)定和比對(duì)。根據(jù)得到的Hsp70基因片段設(shè)計(jì)3'RACE和5'RACE引物。
1.2.3 第一鏈合成及特異性片段擴(kuò)增 取總RNA,按照RNA PCR Kit(AMV)Ver.3.0試劑盒說(shuō)明書合成cDNA及PCR反應(yīng)。cDNA合成反應(yīng)條件:30℃下反應(yīng)10 min,42℃下反應(yīng)60 min,70℃下反應(yīng)15 min。同源克隆反應(yīng)條件:94℃下預(yù)變性3 min;94℃下變性30 s,55℃下退火30 s,72℃下延伸2 min,共進(jìn)行30個(gè)循環(huán);最后在72℃下延伸10 min。
表1 雙齒圍沙蠶Hsp70基因全長(zhǎng)擴(kuò)增引物設(shè)計(jì)Tab.1 Relative primers of Hsp70 gene cloning in Perinereis aibuhitensis
取5 μL PCR產(chǎn)物,用10 g/L瓊脂糖凝膠電泳檢驗(yàn),再用EZ Spin Column DNA Gel Extraction Kit切膠回收試劑盒回收。回收后的產(chǎn)物用DNA Ligaton Kit Ver.2.0(Code No.D6022)載體連接并進(jìn)行克隆,然后熱轉(zhuǎn)化至E.coli Competent Cells JM109中,涂布于平板上,于37℃下過(guò)夜培養(yǎng),挑選陽(yáng)性菌斑加至LB液體培養(yǎng)基 (含Amp)中培養(yǎng)16 h,送寶生物工程 (大連)有限公司進(jìn)行測(cè)序。
1.2.4 RACE擴(kuò)增 使用引物CTD553 F/R進(jìn)行5'RACE和3'RACE擴(kuò)增,引物信息詳見表1。
1)5'RACE PCR擴(kuò)增
按照LA Taq?with GC Buffer和5'-Full RACE Kit試劑盒說(shuō)明書對(duì)總RNA進(jìn)行去磷酸化處理和“去帽子”反應(yīng),并與5'RACE Adaptor連接后,反轉(zhuǎn)錄合成5'RACE的cDNA。采用巢式PCR方法擴(kuò)增沙蠶Hsp70 5'端序列,設(shè)立M-MLV(-)陰性對(duì)照。Outer PCR反應(yīng)使用引物CTD553 R173和5'RACE Outer Primer。Outer PCR反應(yīng)條件:94℃下預(yù)變性3 min;94℃下變性30 s,65℃下退火30 s,72℃下延伸2 min,共進(jìn)行30個(gè)循環(huán);最后在72℃下延伸10 min。Inner PCR反應(yīng)使用引物CTD553 R86 Primer和 5'RACE Inner Primer。Inner PCR反應(yīng)條件同Outer PCR。使用Agarose Gel DNA Purification Kit Ver.2.0試劑盒切膠回收,回收后的產(chǎn)物使用DNA Ligation Kit Ver.2.0中的連接酶,與pMD20-T Vector連接,熱轉(zhuǎn)化至E.coli Competent Cells JM109中,涂布于平板上,于37℃下過(guò)夜培養(yǎng),挑選陽(yáng)性菌落植菌并測(cè)序。
2)3'RACE PCR擴(kuò)增
使用LA Taq?進(jìn)行巢式PCR擴(kuò)增,Outer PCR反應(yīng)使用引物CTD553 F437 Primer和3'RACE Out-er Primer。Outer PCR反應(yīng)條件:94℃下預(yù)變性3 min;94℃下變性30 s,60℃下退火30 s,72℃下延伸2 min,共進(jìn)行30個(gè)循環(huán);最后在72℃下延伸10 min。Inner PCR反應(yīng)使用引物CTD553 F534 Primer和3'RACE Inner Primer。Inner PCR反應(yīng)條件同 Outor PCR。切膠回收及克隆測(cè)序方法同5'RACE。序列測(cè)定由 TAKARA公司完成,應(yīng)用DNA Star軟件將得到的序列拼接成完整的cDNA序列。
1.2.5 序列分析 用DNA Star軟件翻譯序列,獲得編碼序列的氨基酸序列,用Blast對(duì)推導(dǎo)的氨基酸序列進(jìn)行同源性比對(duì);用Clustal W和Mega 4.0進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化分析;用ProtParam和DNA Star預(yù)測(cè)蛋白的理化性質(zhì)、等電點(diǎn)和分子質(zhì)量;用Tmhmm進(jìn)行跨膜區(qū)分析,用SignalP進(jìn)行信號(hào)肽預(yù)測(cè),用ExPasy-ProtScale進(jìn)行疏水性分析。
經(jīng)過(guò)DNase I純化處理后的總RNA用10 g/L瓊脂糖凝膠電泳進(jìn)行檢測(cè),可清晰地看到5S、18S和28S核糖體 RNA條帶 (圖 1)。結(jié)果顯示,OD260nm/OD280nm為2.0左右,RNA有較高的完整性和均一性,無(wú)降解現(xiàn)象,符合基因克隆要求。
圖1 雙齒圍沙蠶RNA的提取結(jié)果Fig.1 The total RNA from P.aibuhitensis
根據(jù)巨型管狀蟲Hsp70 CDS尋找保守區(qū)域設(shè)計(jì)引物CTD553 F/R,經(jīng)PCR產(chǎn)物切膠后克隆測(cè)序得到574 bp的核苷酸序列 (圖2)。通過(guò)優(yōu)化PCR反應(yīng)條件,3'RACE PCR擴(kuò)增得到931 bp核苷酸序列 (圖3-A),5'RACE PCR克隆獲得819 bp核苷酸序列 (圖3-B)。經(jīng)DNA Star軟件進(jìn)行序列拼接,得到全長(zhǎng)為2 336 bp的雙齒圍沙蠶Hsp70 cDNA序列,并提交到 GenBank,登錄號(hào)為HQ449186。
圖2 Hsp70特異性片段擴(kuò)增Fig.2 PCR amplification product of Hsp70 fragment
序列分析顯示,雙齒圍沙蠶Hsp70基因cDNA包括5'非翻譯區(qū)88 bp、3'非翻譯區(qū)286 bp和開放閱讀框?yàn)? 962 bp,整個(gè)開放閱讀框編碼653個(gè)氨基酸。預(yù)測(cè)雙齒圍沙蠶Hsp70的相對(duì)分子質(zhì)量為71 396,理論等電點(diǎn)為5.14,原子總數(shù)為10 036,分子式為C8645H13530N2378O2691S53。對(duì)Hsp70氨基酸序列的跨膜區(qū)進(jìn)行分析,結(jié)果顯示,Hsp70無(wú)明顯跨膜結(jié)構(gòu),推測(cè)其可能是可溶性蛋白。根據(jù)ProtScale預(yù)測(cè)結(jié)果,Hsp70疏水性最大值為1.944,最小值為-3.133,整個(gè)多肽鏈中大多數(shù)氨基酸的分值較低,親水性氨基酸多于疏水性氨基酸,故推測(cè)該蛋白可能為親水性蛋白。氨基酸序列分析表明,Hsp70存在 IDLGTTYS、IFDLGGGTFDVSIL和 IVLVGGSTRIPKIQK 3個(gè)特征基序,并具有簡(jiǎn)并重復(fù)四肽GGMP。Hsp70氨基酸具有ATPase活性區(qū),N端此活性區(qū)的保守性比C端更高。C末端具有以EEVD為特征的基序。
將雙齒圍沙蠶Hsp70序列提交到NCBI中,使用在線Blast軟件進(jìn)行同源性比較。結(jié)果表明,雙齒圍沙蠶Hsp70與褐牙鲆 Paralichthys olivaceus Hsp71同源性為78%,與斑鱒屬Salmo salar Hsp70同源性為78%,與斑馬魚Danio rerio Hsp8同源性為78%,與脊尾白蝦 Exopalaemon carinicaud同源性為77%,與文昌魚Branchiostoma Hsp同源性為76%,與小鼠Mus musculus Hsp8同源性為76%,與長(zhǎng)牡蠣Crassostrea giga Hsc71同源性為77%,與鈴夜蛾屬Helicoverpa Hsp70同源性為76%,與中華絨鰲蟹Eriocheir sinensis Hsp70同源性為77%。雙齒圍沙蠶Hsp70氨基酸序列通過(guò)GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)比較,經(jīng)Clustal W多重序列比對(duì)分析,用Mega 4.1構(gòu)建不同物種Hsp70基因的系統(tǒng)進(jìn)化樹 (圖4)。從圖4可見:雙齒圍沙蠶和龐貝蠕蟲Alvienlla pompejana、可口革囊星蟲Phascolosoma esculenta的Hsp70親緣關(guān)系最近;稻飛虱Nilaparvata lugens和紅火蟻Solenopsis invicta等昆蟲聚為一簇;人Homo sapiens、野豬Sus scrofa、非洲象Loxodonta africana、火雞Meleagris gallopavo、密西西比鱷Alligator mississippiensis、非洲爪蟾Xenopus laevis等脊椎動(dòng)物為一簇。
圖3 雙齒圍沙蠶Hsp70 PCR擴(kuò)增產(chǎn)物電泳圖Fig.3 Electrophoretogram of PCR amplified product of Hsp70 from P.aibuhitensis
圖4 不同物種Hsp70基因的系統(tǒng)進(jìn)化樹Fig.4 The phylogenetic tree of Hsp70 gene in different species
Hsp70基因在不同生物體內(nèi)均有分布,具有較高的保守性。Flynn等[17]研究表明,Hsp70氨基酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)近N端具有相對(duì)分子質(zhì)量為45 000的高度保守結(jié)構(gòu)域,該結(jié)構(gòu)域具有ATPase活性;Hsp70氨基酸一級(jí)結(jié)構(gòu)近C端具有相對(duì)分子質(zhì)量為25 000的底物結(jié)合結(jié)構(gòu)域,包括相對(duì)分子質(zhì)量為15 000的p2夾層結(jié)構(gòu)和相對(duì)分子質(zhì)量為10 000的螺旋結(jié)構(gòu)亞區(qū)。Hsp70家族具有 IDLGTTYS、IFDLGGGTFDVSIL和 IVLVGGSTRIPKIQK 3個(gè)特征基序[18-21]以及C末端具有EEVD特征基序。本試驗(yàn)中,克隆獲得的雙齒圍沙蠶Hsp70序列也具有這些特征基序。
Hsp70 C末端的GGMP重復(fù)功能目前尚不清楚,相關(guān)資料表明,可能是分子伴侶因子的結(jié)合位點(diǎn)[22],Piano等[23]認(rèn)為只有 Hsc70 才有 GGMP 四肽重復(fù)。但Boutet等[18]發(fā)現(xiàn),食用牡蠣Crassostrea gigas的Hsp70和Hsc70氨基酸序列C末端均含有GGMP重復(fù)。目前報(bào)道的Hsp70有的含有GGMP四肽重復(fù)[18,24],有的則沒有[23,25]。甚至同一物種會(huì)出現(xiàn)有或沒有兩種情況[22,26-27]。對(duì)本研究中克隆獲得的雙齒圍沙蠶Hsp70序列結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),在其C末端具有GGMP四肽重復(fù),對(duì)此末端重復(fù)功能還需要進(jìn)一步研究。
根據(jù)不同物種Hsp70氨基酸序列的比對(duì)分析結(jié)果,進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化分析。結(jié)果顯示,稻飛虱和紅火蟻等昆蟲聚為一簇,人、野豬、非洲象、火雞、密西西比鱷、非洲爪蟾等脊椎動(dòng)物為一簇,雙齒圍沙蠶和龐貝蠕蟲、可口革囊星蟲的Hsp70親緣關(guān)系最近。這與雙齒圍沙蠶生物進(jìn)化情況相一致,可為今后環(huán)節(jié)動(dòng)物門的系統(tǒng)學(xué)和進(jìn)化研究提供重要的參考依據(jù)。
利用Hsp70作為分子生物標(biāo)記,是目前海洋生物的一個(gè)熱點(diǎn)研究領(lǐng)域[28-29]。Kilemade 等[30]研究發(fā)現(xiàn),虹鱒魚體內(nèi)Hsp70的表達(dá)水平與水生環(huán)境中2,4-二氯苯胺的含量有關(guān),認(rèn)為水生生物體內(nèi)Hsp70的表達(dá)水平可以作為水生環(huán)境毒性的指標(biāo)。Veldhuizen-Tsoerkan等[31]將地中海貽貝Mytilus galloprovincialis放在污染水中,結(jié)果發(fā)現(xiàn),經(jīng)水體污染物誘導(dǎo)的貽貝Hsp高度表達(dá)。Snyder等[32]觀察到貽貝和鮑魚Haliotis rufescens暴露在高熱和化學(xué)藥品超標(biāo)的水體中,其體內(nèi)的Hsp70、Hsp90和Hsp60含量均發(fā)生顯著變化。由此看出,Hsp70在防御應(yīng)急中發(fā)揮一定的作用。筆者將進(jìn)一步對(duì)其功能進(jìn)行分析,以期對(duì)多毛類耐受環(huán)境污染的分子調(diào)控機(jī)制進(jìn)行深入研究,為建立海洋沉積質(zhì)污染早期生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)測(cè)評(píng)和評(píng)價(jià)方法提供重要的參考依據(jù)。
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