張宏江,趙春超,許文鑫,杭 偉,崔紅利,李潤(rùn)植
(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)分子農(nóng)業(yè)與生物能源研究所,山西太谷030801)
化石能源的過(guò)度開(kāi)采以及煤炭、石油等的大量使用是造成化石能源枯竭、全球氣候變暖的主要原因。溫室效應(yīng)的“罪魁禍?zhǔn)住盋O2是植物光合作用所必需的底物材料,光合作用過(guò)程中,綠色植物可以在光能作用下,將所吸收的CO2和空氣中的水分轉(zhuǎn)化成碳水化合物并且釋放出O2。微藻是一種誕生于億萬(wàn)年前并且普遍存在于地球上的光合自養(yǎng)綠色植物[1],它可以利用光合作用高效吸收CO2,并將其轉(zhuǎn)化為對(duì)人類有益的高附加值活性成分,如高蛋白、多糖、蝦青素和生物柴油等[2-4]。近年來(lái),微藻由于其具有光合效率高、繁殖速度快、生長(zhǎng)周期短等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是解決能源危機(jī)和治理環(huán)境污染問(wèn)題的最佳選擇。
三酰甘油(TAGs)是真核生物能量?jī)?chǔ)存的主要形式,同時(shí)也是生物柴油原材料的理想來(lái)源[5]。植物體內(nèi)的TAGs 合成主要有2 種途徑:一種是乙酰輔酶A(acyl-CoA)依賴型,也稱肯尼迪途徑;另一種是不依賴于乙酰輔酶A 的代謝途徑[6]。其中,肯尼迪途徑中TAGs 的合成主要是在3 種?;D(zhuǎn)移酶的作用下將底物acyl-CoA 順序?;礁视头肿樱℅lycerol-3-phosphate)sn-1、sn-2、sn-3 位點(diǎn)的過(guò)程[7]。這3 種?;D(zhuǎn)移酶依次為甘油三磷酸酰基轉(zhuǎn)移酶(Glycerol-3-phosphateacyltransferase,GPAT)、溶血磷脂酸酰基轉(zhuǎn)移酶(Lyso-phosphatidic acidacyltransferase,LPAT)和二酰甘油?;D(zhuǎn)移酶(Diacylglycerol acyltransferase,DGAT)[8]。其中,DGAT 將酰基CoA 上的?;糠洲D(zhuǎn)移到二?;视停―AG)的sn-3 位置,從而完成TAGs 的最終合成,是TAGs 合成過(guò)程中的唯一關(guān)鍵限速酶[9-10]。目前,根據(jù)DGAT功能域、亞細(xì)胞定位等差異將其分為4 種類型:DGAT1、DGAT2、DGAT3 和WS/DGAT[11-12]。其中,DGAT1 和DGAT2 是結(jié)合在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上并編碼內(nèi)嵌于膜酯雙分子層的微粒體酶,二者具有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);而DGAG3 和WS/DGAT 是最近剛發(fā)現(xiàn)的具有DGAT 活性的酶,DGAT3 是一種可溶性酶,WS/DGAT 除了具有DGAT 活性外還具有催化臘酯(Wax ester)合成的活性[12-13]。
雨生紅球藻(Haematococcus pluvialis)是一種單細(xì)胞真核綠藻,在脅迫條件下(如高溫、高光和N脅迫等),雨生紅球藻細(xì)胞形態(tài)由快速生長(zhǎng)的綠色營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色厚壁孢子狀態(tài)[14-15],此時(shí)蝦青素在藻細(xì)胞內(nèi)大量積累以抵御不良環(huán)境。天然蝦青素具有極強(qiáng)的抗氧化性,抗氧化能力是維生素C 的65 倍,是β- 胡蘿卜素的54 倍[16]。相較于其他產(chǎn)蝦青素來(lái)源(紅法夫酵母、南極磷蝦等),雨生紅球藻具有生長(zhǎng)速度快、蝦青素產(chǎn)量高(達(dá)細(xì)胞干質(zhì)量的4%)等優(yōu)點(diǎn),是公認(rèn)的天然蝦青素的理想來(lái)源[17];此外,其還可以有效清除氧自由基[17],具有延緩衰老的功效,目前已被廣泛應(yīng)用于化妝品、食品等行業(yè)。
雨生紅球藻中蝦青素主要以蝦青素單酯和蝦青素雙酯的形式存在,少量以游離形式存在。有研究表明,雨生紅球藻受到外界脅迫時(shí),油脂含量會(huì)隨之增加[18]。超微結(jié)構(gòu)顯示,雨生紅球藻產(chǎn)生的蝦青素酯在蝦青素積累期儲(chǔ)存于富含TAGs 的油體中[18]。有研究表明[19],DGAT 可能是催化蝦青素酯化的關(guān)鍵酶。此外,萊茵衣藻、三角褐指藻和小球藻來(lái)源的DGAT 都具有恢復(fù)DGAT 缺陷型酵母H1246菌株合成三酰甘油能力的活性[20-21]。然而,雨生紅球藻中的DGAT 目前尚未見(jiàn)報(bào)道。
本研究以同源克隆的方法獲得雨生紅球藻中DGAT 基因,并利用生物信息學(xué)手段對(duì)其理化性質(zhì)、高級(jí)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系進(jìn)行分析,以期為雨生紅球藻蝦青素酯化問(wèn)題研究提供理論依據(jù)。
1.1.1 試驗(yàn)藻種及培養(yǎng)條件 試驗(yàn)所用藻種為雨生紅球藻Flotow 1844(購(gòu)自Dunstaffnage Marine Laboratory),現(xiàn)保存于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)分子農(nóng)業(yè)與生物能源研究所。所用藻種培養(yǎng)基為BG11 培養(yǎng)基,藻種培養(yǎng)于人工氣候培養(yǎng)箱,培養(yǎng)條件設(shè)置為溫度(23±1)℃、光/ 暗周期12 h/12 h、白天光照強(qiáng)度1 400 lx,并且每8 h 搖晃一次。
1.1.2 試驗(yàn)設(shè)備 研究所用儀器為:高壓蒸汽滅菌鍋Panasonic MLS-3781L(日本松下電器產(chǎn)業(yè)株氏會(huì)社);超凈工作臺(tái)Boxun BJ-CD(上海博迅實(shí)業(yè)有限公司);人工氣候培養(yǎng)箱BIC-400(上海博訊實(shí)業(yè)有限公司);電泳儀JY-SPCT(北京君意東方電泳設(shè)備有限公司);凝膠成像儀、PCR 儀BIO-RAD(伯樂(lè)生命醫(yī)學(xué)產(chǎn)品(上海)有限公司);分光光度計(jì)Nano Drop 2000(美國(guó)賽默飛世爾科技公司)。
1.2.1 總RNA 的提取及cDNA 的獲得 雨生紅球藻總RNA 通過(guò)TRizol 法提取[22],并根據(jù)所提取的雨生紅球藻RNA 的濃度利用反轉(zhuǎn)錄試劑盒(Prime-ScriptTMRT)獲得cDNA 模板。為避免實(shí)驗(yàn)過(guò)程中樣品污染,操作人員應(yīng)佩戴口罩及頭套,所用離心管均為提取RNA 專用離心管。另外,將所提取的RNA保存于-80 ℃冰箱。
1.2.2 同源克隆及RACE 擴(kuò)增 對(duì)來(lái)自萊茵衣藻CC3491、小球藻ATCC 30412 以及三角褐指藻的DGAT2 進(jìn)行序列比對(duì),從而獲得高度保守序列;在此基礎(chǔ)上,利用CODEHOP 軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)雨生紅球藻DGAT2 的2 段同源克隆引物(F1、R1 和F2、R2)。以獲得的雨生紅球藻cDNA 為模板,按照TaKaRa LA TaqR擴(kuò)增體系進(jìn)行PCR 擴(kuò)增,從而獲得雨生紅球藻HaeDGAT2-3 的同源克隆片段。RACE cDNA 模板的制備按照試劑盒(SMARTerTMRACE cDNA Amplication Kit)說(shuō)明書進(jìn)行。在同源克隆片段的基礎(chǔ)上獲得5′端和3′端引物(5′RACE R3、R4 和3′RACE F3、F4)。以RACE cDNA 為PCR擴(kuò)增模板,以5′端和3′端引物為PCR 擴(kuò)增引物獲得目的基因兩端(5′端和3′端)的片段。通過(guò)DNAStar SeqMan 軟件對(duì)中間以及5′端和3′端RACE 片段進(jìn)行拼接獲得雨生紅球藻HaeDGAT 基因cDNA 序列全長(zhǎng),并據(jù)此設(shè)計(jì)表達(dá)框引物(F5、R5)。所用引物信息如表1 所示,均由上海生工生物工程有限公司合成。
表1 引物信息
雨生紅球藻HaeDGAT2-3 氨基酸序列是通過(guò)序列處理在線工具包(SMS)(http://www.bio-soft.net/sms/),將獲得的HaeDGAT2-3 的核苷酸翻譯而來(lái),開(kāi)放閱讀框的查找是通過(guò)在線ORFfinder 軟件(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/orffinder/)對(duì)目的基因進(jìn)行;通過(guò)在線軟件ProtParam(http ://web.expasy.org/protparam/)對(duì)雨生紅球藻HaeDGAT2-3 的理化性質(zhì)進(jìn)行分析;跨膜域及疏水區(qū)的預(yù)測(cè)是通過(guò)在線軟件TMHMM(http://www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM/)及ProtScale(http ://web.expasy.org/protscale/)進(jìn)行;雨生紅球藻HaeDGAT2-3 及其他物種來(lái)源的DGAT2 蛋白保守功能域通過(guò)NCBI 的CCD 在線軟件(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/cdd/)進(jìn)行預(yù)測(cè);二級(jí)結(jié)構(gòu)及三級(jí)結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)分別通過(guò)SOPMA(http://metadatabase.org/wiki/SOPMA) 和 SWISS-MODEL(http://swissmodel.expasy.org/)進(jìn)行;多序列比對(duì)是通過(guò)本地軟件BioEdit 進(jìn)行分析;系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)是通過(guò)Clustal W 軟件進(jìn)行序列比對(duì),再通過(guò)本地軟件MEGA 7.0 進(jìn)行繪制,最終通過(guò)在線軟件EvolView(https://www.evolgenius.info/)進(jìn)行修飾。
由圖1 可知,泳道1 從上往下依次是28SrRNA、18S rRNA 和5S rRNA 等3 個(gè)條帶,其中,28S rRNA、18S rRNA 條帶帶型清晰,5S rRNA 條帶較模糊,說(shuō)明所提RNA 質(zhì)量較好;NanoDorp 2000 測(cè)定總RNA濃度是850 ng/μL,A260/A280及A260/A230值分別為1.8~2.0 和1.9~2.0,說(shuō)明所提RNA 質(zhì)量較好,可進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn);泳道2 和3 大小分別為482、773 bp;泳道4和5 大小分別為667、1 149 bp。
雨生紅球藻2 型二酰甘油?;D(zhuǎn)移酶DGAT2(HaeDGAT2-3)的cDNA 序列全長(zhǎng)是在同源克隆的基礎(chǔ)上利用RACE (rapid-amplification of cDNA ends)技術(shù)獲得,NCBI 注冊(cè)號(hào)為MN073496。如圖2所示,HaeDGAT2-3 序列全長(zhǎng)為1 446 bp,編碼區(qū)從248~1 396 bp 共1 149 bp,編碼383 個(gè)氨基酸,其中,5′端非編碼區(qū)(5′-UTR)和3′端非編碼區(qū)(3′-UTR) 長(zhǎng)度分別為247、49 bp。利用NCBI 中的BLASTp 程序?qū)aeDGAT2-3 氨基酸序列進(jìn)行比對(duì)分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),HaeDGAT2-3 基因與衣藻來(lái)源的DGAT2 基因(NCBI 檢索號(hào)為GAX79066.1)相似性最大(54.02%),與小球藻、月牙藻來(lái)源的DGAT2 基因(NCBI 檢索號(hào)分別為QBG05555.1、GBF91693.1)相似性分別達(dá)45.08%和41.82%。
雨生紅球藻HaeDGAT2-3 蛋白基本理化性質(zhì)通過(guò)在線軟件ExPASY 中的ProtParam 工具進(jìn)行分析,結(jié)果顯示,該蛋白分子式為C1844H2824N486O489S17,分子質(zhì)量為40.17 ku,理論等電點(diǎn)為9.36,屬于堿性蛋白。編碼HaeDGAT2-3 蛋白的20 種氨基酸中丙氨酸(Ala)含量最高(13.3%);其次為亮氨酸(Leu)和絲氨酸(Ser),含量分別為10.6%和7.6%;而色氨酸(Trp)和半胱氨酸(Cys)含量偏低,均為1.6%。說(shuō)明該蛋白屬于不穩(wěn)定蛋白。在線分析軟件ProtScale 分析結(jié)果顯示,HaeDGAT2-3 蛋白存在至少3 個(gè)疏水區(qū),屬于疏水蛋白。
雨生紅球藻HaeDGAT2-3 蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)通過(guò)在線軟件SOPMA 進(jìn)行分析,結(jié)果顯示(圖3-A),目的蛋白中無(wú)規(guī)則卷曲所占比例最高(44.87%),其次為α- 螺旋(32.88%),延伸鏈和β- 折疊分別占18.75%和5.71%。圖3-B 為雨生紅球藻DGAT2 的三級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)結(jié)果,圖3-C 為三級(jí)結(jié)構(gòu)所參照模型。
雨生紅球藻HaeDGAT2-3 與其他不同來(lái)源DGAT2 蛋白的保守域通過(guò)NCBI 的在線工具進(jìn)行預(yù)測(cè),結(jié)果顯示(圖4-A),同其他來(lái)源的DGAT2 相同,HaeDGAT2-3 基因也有DGAT 基因的典型LPLAT 家族,暗示HaeDGAT2-3 具有與其他來(lái)源DGAT2 蛋白相似的功能;利用在線分析軟件TMHMMServer 對(duì)雨生紅球藻HaeDGAT2-3 與其他不同來(lái)源DGAT2 蛋白的跨膜域進(jìn)行預(yù)測(cè),結(jié)果顯示(圖4-B),HaeDGAT2-3 蛋白在40—90 位氨基酸區(qū)間內(nèi)有2 個(gè)明顯的跨膜域;對(duì)其他來(lái)源DGAT2 蛋白的跨膜域進(jìn)行分析表明,DGAT2 蛋白有1~3 個(gè)跨膜域。此外,信號(hào)肽分析結(jié)果顯示, 雨生紅球藻HaeDGAT2-3 中無(wú)信號(hào)肽存在。圖4 中DGAT2 序列相關(guān)信息如表2 所示。
表2 DGAT 基因名稱及其登錄號(hào)
通過(guò)本地軟件BioEdit 對(duì)HaeDGAT2-3 氨基酸序列和其他來(lái)源的DGAT2 進(jìn)行比對(duì)分析,結(jié)果顯示(圖5),HaeDGAT2-3 氨基酸序列中共包含7 個(gè)保守的功能基序,分別為YFP、PH、PR、GGE、RGFA、VPFG 和G 基序。在YFP 基序中,所有序列前2 個(gè)氨基酸皆為YF,而只有HaeDGAT2-3、AtDGAT2、CzDGAT2D 等7 個(gè)序列在第3 個(gè)氨基酸位置上為苯丙氨酸(Phe);在PH 基序中,只有CzDGAT2D、CrDGAT2D、AtDGAT2 和GmDGAT2 等4 個(gè)序列第3 個(gè)氨基酸位置上的甘氨酸(Gly,G)被絲氨酸(Ser,S)所取代,暗示這4 個(gè)氨基酸序列在功能上相似;在PR 基序中,雨生紅球藻來(lái)源的HaeDGAT2-3 氨基酸序列同高等植物來(lái)源的DGAT(AtDGAT2 和GmDGAT2)在第1 個(gè)位置上的氨基酸保持一致,第2 個(gè)位置上的氨基酸在所測(cè)試序列中散亂分布,只有氨基酸序列相對(duì)特殊的微擬球藻來(lái)源的NoDGAT2K 在第4 個(gè)位置上的氨基酸是甘氨酸(Gly,G),其余全都是精氨酸(Arg,R);在GGE 基序中,所有序列都含有完整的GGE 基序,但是在2 個(gè)位置上的氨基酸并不保守,而只有CzDGAT2D、CrDGAT2D、AtDGAT2 和GmDGAT2 這4 個(gè)氨基酸序列在這2 個(gè)位置上的氨基酸保持一致,再一次暗示其功能相似;在基序RGFA 中,雨生紅球藻HaeDGAT2-3 異亮氨酸(Ile,I)替換了苯丙氨酸(Phe,F(xiàn)),這可能是造成功能差異的關(guān)鍵原因;VPFG 基序相比其他基序有很大的差異性,相對(duì)不保守;在基序G 中,所有氨基酸序列都有完整的G 基序,相對(duì)保守。從圖5 的分析結(jié)果可以看出,HaeDGAT2- 3 與CrDGAT2A、CzDGAT2A和CzDGAT2B可能具有相同的功能。
為進(jìn)一步研究雨生紅球藻來(lái)源的HaeDGAT2-3與其他來(lái)源DGAT 的進(jìn)化關(guān)系,從NCBI 數(shù)據(jù)庫(kù)以及已發(fā)表的文獻(xiàn)中搜集到53 條DGAT 序列,包括微藻、菌類和高等植物來(lái)源的DGAT1s、DGAT2s、DGAT3s 和WS/DGATs 等4 種不同類型的二酰甘油?;D(zhuǎn)移酶,在序列比對(duì)的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化分析,結(jié)果顯示(圖6),4 種不同類型的DGATs分別聚為一支,而且微藻、菌類和高等植物來(lái)源的DGAT 在各自的類群中明顯分開(kāi);值得注意的是,HaeDGAT2-3 與CrDGAT2A、CzDGAT2A和CzDGAT 2B聚為一個(gè)小支,暗示它們具有相同的功能,進(jìn)一步驗(yàn)證了多序列比對(duì)的預(yù)測(cè)結(jié)果。圖6 進(jìn)化樹(shù)所有序列的相關(guān)信息列于表2。
雨生紅球藻是一種單細(xì)胞綠色微藻,被認(rèn)為是天然蝦青素的理想來(lái)源[5],并且其產(chǎn)生的蝦青素以蝦青素單酯和蝦青素雙酯的形式存儲(chǔ)于富三酰甘油(TAGs)的油體中。二酰甘油?;D(zhuǎn)移酶(DGAT)是依賴于乙酰輔酶A(acyl-CoA)合成TAG 的肯尼迪途徑中催化TAG 生物合成最后一步的關(guān)鍵限速酶[9-10],目前,已有大量來(lái)源于不同物種(包括高等植物、微藻和真菌)的DGAT 被用來(lái)探究DGAT 的表達(dá)與脂肪酸含量及成分的變化關(guān)系,研究發(fā)現(xiàn),高等植物中續(xù)隨子來(lái)源的EiDGAT2 基因可以提高煙草葉片中的總脂含量[23],紫蘇來(lái)源的PfDGAT1 被發(fā)現(xiàn)可以恢復(fù)TAG 缺陷型酵母H1246 重新合成油脂的能力[24];高山被包霉來(lái)源的MaDGAT 基因以及毛霉菌來(lái)源的McDGAT 基因被證實(shí)具有恢復(fù)H1246合成油脂的能力,但它們有著不同的底物偏好性[25-26];此外,萊茵衣藻、微擬球藻、三角褐指藻等微藻來(lái)源的DGAT 也相繼被發(fā)現(xiàn)具有催化TAG 合成的能力[5,21,27]。然而,雨生紅球藻來(lái)源的DGAT2 并未見(jiàn)報(bào)道。
本研究通過(guò)同源克隆方法獲得了雨生紅球藻DGAT2 的同源片段及同源克隆引物,并在此基礎(chǔ)上通過(guò)RACE 擴(kuò)增技術(shù)獲得雨生紅球藻HaeDGAT2-3的cDNA 序列全長(zhǎng)1 446 bp,編碼383 個(gè)氨基酸,其中,丙氨酸(Ala)含量最高,為13.3%。此外,雨生紅球藻HaeDGAT2-3 蛋白分子質(zhì)量為40.17 ku,理論等電點(diǎn)為9.36。二級(jí)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果顯示,無(wú)規(guī)則卷曲所占比例最高,為44.87%。根據(jù)NCBI中的BLASTp分析結(jié)果顯示,雨生紅球藻來(lái)源的DGAT2 與萊茵衣藻、小球藻和月牙藻來(lái)源的DGAT2 相似性均在40%以上,分別達(dá)54.02%、45.08%和41.82%,說(shuō)明其功能具有相似性。DGAT1s 和DGAT2s 雖然在分子結(jié)構(gòu)上有很大的差異,屬于2 個(gè)不同的基因家族,但在功能水平上卻是一致的。DGAT1s 一般具有8~9 個(gè)跨膜域,而DGAT2s 中跨膜域相對(duì)較少,一般為1~3 個(gè)。比如,紫蘇、小球藻來(lái)源的DGAT1 都有9 個(gè)跨膜螺旋區(qū)[27-28],續(xù)隨子來(lái)源的DGAT2 有2 個(gè)跨膜區(qū)[24]。本研究發(fā)現(xiàn),HaeDGAT2-3 蛋白具有2 個(gè)跨膜區(qū),符合DGAT2 家族序列特點(diǎn)。保守域分析結(jié)果顯示,雨生紅球藻來(lái)源的DGAT2 具有同其他DGAT2來(lái)源相同的LPLAT 家族。
此外,本研究對(duì)HaeDGAT2-3 與微藻、高等植物和細(xì)菌來(lái)源的DGAT 進(jìn)行多序列比對(duì),結(jié)果表明,同其他物種來(lái)源的DGAT2 相同,HaeDGAT2-3也具有7 個(gè)功能域;在這7 個(gè)功能域中,YFP、RGFA和VPFG 基序的保守性較低。同時(shí),CzDGAT2D、CrDGAT2D、AtDGAT2 和GmDGAT2 這4 個(gè)氨基酸序列具有很高的相似性。值得注意的是,在第5 個(gè)基序RGFA 中,HaeDGAT2-3 蛋白中異亮氨酸(Ile,I)替換了苯丙氨酸(Phe,F(xiàn)),暗示HaeDGAT2-3 基因可能具有不同的功能。系統(tǒng)進(jìn)化分析結(jié)果表明,HaeDGAT2-3 基因確實(shí)屬于DGAT2 家族,并且與CrDGAT2A、CzDGAT2A 和CzDGAT2B 聚為同一個(gè)小支,暗示其具有相同的功能。
本研究在同源克隆的基礎(chǔ)上利用RACE 擴(kuò)增技術(shù)首次獲得了雨生紅球藻中2 型二酰甘油?;D(zhuǎn)移酶DGAT2 的cDNA 序列全長(zhǎng),并利用生物信息學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行分析,結(jié)果顯示,HaeDGAT2-3 蛋白分子式為C1844H2824N486O489S17,分子質(zhì)量為40.17 ku,編碼區(qū)全長(zhǎng)1 149 bp,共編碼383 個(gè)氨基酸。功能域分析表明,其可能具有催化TAG 合成的功能。同其他來(lái)源的DGAT2 相同,HaeDGAT2-3 也具有7 個(gè)保守的功能域,而在RGFA 基序中,HaeDGAT2-3表現(xiàn)出一定的特異性,暗示其功能可能不盡相同。進(jìn)化樹(shù)分析結(jié)果表明,其與已經(jīng)報(bào)道的具有TAG合成功能的DGAT2 相似性極高,暗示其可能亦具有合成TAG 的功能。本試驗(yàn)結(jié)果可為進(jìn)一步了解雨生紅球藻中蝦青素酯化機(jī)制提供參考。