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      綿羊肺源大腸桿菌cyaA基因的分子特征及抗原性分析

      2024-10-31 00:00:00操義恒賈開文黨士榮胡亞輝王巧梅俞杰郭云霞周霞黃新鐘發(fā)鋼韓猛立吳桐忠張倩
      江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2024年17期

      摘要:為研究綿羊肺源大腸桿菌cyaA基因的分子特征、抗原性及其遺傳進(jìn)化關(guān)系,采用PCR技術(shù)對綿羊肺源大腸桿菌XJ10菌株的cyaA基因進(jìn)行擴(kuò)增、克隆并測序,應(yīng)用定量PCR檢測cyaA基因在不同培養(yǎng)階段的mRNA表達(dá)量,利用在線軟件對其進(jìn)行編碼蛋白分子特征、抗原性及其遺傳進(jìn)化分析。結(jié)果顯示,cyaA基因全長2 547 bp,編碼848個氨基酸;cyaA基因在細(xì)菌對數(shù)期的mRNA表達(dá)量最高,其次是穩(wěn)定期及遲緩期,在衰亡期的mRNA表達(dá)量最低;氨基酸序列分析發(fā)現(xiàn),分子式為C4 389H6 759N1 193O1 273S30,理論分子質(zhì)量為97.57 ku,理論等電點為5.82,為酸性親水性蛋白,穩(wěn)定性較低;二級結(jié)構(gòu)中α-螺旋、無規(guī)則卷曲、延伸鏈和β-折疊所占比例分別為42.81%、39.03%、14.27%和3.89%。AC蛋白無信號肽與跨膜區(qū),保守結(jié)構(gòu)域位于1~848位氨基酸,屬于腺苷酸環(huán)化酶超家族,具有14個開放閱讀框,存在81個磷酸化位點。AC蛋白B細(xì)胞優(yōu)勢表位共16個,分別位于第44~51、61~65、248~250、259~267、296~304、355~366、436~439、456~456、476~481、489~490、540~559、589~597、634~640、717~722、766~773、806~806區(qū)段;遺傳進(jìn)化分析發(fā)現(xiàn)大腸桿菌 XJ10菌株AC蛋白與志賀氏菌AC蛋白相似性最高。本試驗結(jié)果為進(jìn)一步研究大腸桿菌AC蛋白的功能及其作為大腸桿菌疫苗候選抗原奠定了基礎(chǔ)。

      關(guān)鍵詞:綿羊肺源大腸桿菌;cyaA基因;分子特征;抗原性;遺傳進(jìn)化

      中圖分類號:S855.1+2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

      文章編號:1002-1302(2024)17-0058-07

      收稿日期:2023-07-19

      基金項目:新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)重點領(lǐng)域科技攻關(guān)計劃(編號:2021AB012、2019AB029)。

      作者簡介:操義恒(1997—),男,湖北孝感人,碩士,主要從事動物傳染病診斷與防治研究。E-mail:1050830806@qq.com。

      通信作者:周 霞,博士,教授,主要從事人畜共患病致病機(jī)制與防控研究,E-mail:32123004@qq.com;黃 新,碩士,研究員,主要從事動物傳染病診斷與防治研究,E-mail:419824643@qq.com。

      大腸桿菌(Escherichia coli,簡稱E.coli)是人獸共患條件致病的重要病原,也是適應(yīng)能力和致病能力最強(qiáng)的細(xì)菌之一,在臨床中可導(dǎo)致多種宿主發(fā)生疾病,包括牛羊肺炎、禽類氣囊炎、心包炎、輸卵管炎、新生兒腦膜炎、菌血癥、敗血癥等疾?。?-4]。研究顯示,其攜帶脂多糖、毒素、黏附因子、外膜蛋白、毒力島等多種毒力因子,這些毒力因子幫助菌株定殖和入侵宿主組織細(xì)胞,更甚者對其造成損傷,此外一些毒力因子還能使菌株逃避宿主細(xì)胞吞噬作用,刺激宿主產(chǎn)生炎癥反應(yīng)[5-7]。cyaA基因是許多細(xì)菌與毒力大小密切相關(guān)的重要基因之一,其編碼的腺苷酸環(huán)化酶(adenylate cyclase,AC)在大腸桿菌關(guān)于調(diào)節(jié)毒力方面具有重要作用。AC主要作用機(jī)制是催化腺苷三磷酸(adenosine triphosphate,ATP)形成環(huán)腺苷酸(cyclic adenosine monophosaphate,cAMP),cAMP與受體蛋白(cAMP receptor protein,CRP)結(jié)合,形成CRP-cAMP復(fù)合體,可以調(diào)控大腸桿菌多數(shù)基因轉(zhuǎn)錄[8-11]。柴迎錦通過構(gòu)建大腸桿菌XJ10菌株的cyaA基因缺失株,發(fā)現(xiàn)缺失株對昆明鼠的半數(shù)致死量顯著降低,黏附侵襲小鼠肺泡上皮細(xì)胞(TC-1細(xì)胞)的數(shù)量也顯著減少[12]。劉莎莎等研究發(fā)現(xiàn),鼠傷寒沙門菌的cyaA基因缺失后菌株毒力顯著下降,黏附侵襲宮頸癌細(xì)胞(HeLa細(xì)胞)的菌量也顯著減少[13]。此外,有研究發(fā)現(xiàn)敲除cyaA基因的鼠傷寒沙門菌仍具有較好的免疫原性[14-15]。但是在大腸桿菌中cyaA基因編碼的AC蛋白的分子特征以及抗原性還不清楚。因此,本研究對綿羊肺源大腸桿菌XJ10 cyaA基因進(jìn)行克隆、通過軟件分析編碼蛋白分子特征和理化性質(zhì)、蛋白抗原表位和系統(tǒng)進(jìn)化,以期為進(jìn)一步探討大腸桿菌AC蛋白的功能及其作為大腸桿菌疫苗候選抗原奠定理論基礎(chǔ)。

      1 材料與方法

      1.1 菌株及試劑

      本研究于2022年12月在新疆農(nóng)墾科學(xué)院的畜牧獸醫(yī)研究所實驗室中進(jìn)行試驗。試驗使用的大腸桿菌XJ10菌株由筆者所在實驗室的郭強(qiáng)強(qiáng)于2016年由呼吸衰竭死亡的綿羊肺臟中分離。DNA提取試劑盒、DL 4500 DNA Marker、反轉(zhuǎn)錄試劑盒,購自天根生化科技(北京)有限公司;TRIzol試劑,購自生工生物工程(上海)股份有限公司;2×PCR Mix、qPCR試劑盒、pMD19-T載體,購自寶日醫(yī)生物技術(shù)(北京)有限公司;DH5α感受態(tài)細(xì)胞由筆者所在實驗室-80 ℃保存。

      1.2 引物設(shè)計與合成

      參考文獻(xiàn)并根據(jù)GenBank中的大腸桿菌K-12 substr. MG1655的cyaA基因(登錄號:947755)序列為模板,采用Primer 5.0軟件設(shè)計特異性擴(kuò)增引物[12]。引物信息見表1。

      1.3 綿羊肺源大腸桿菌cyaA基因的克隆測序

      純化單菌落在BHI營養(yǎng)肉湯中經(jīng)37 ℃恒溫箱搖床振蕩培養(yǎng)12 h,收集菌液離心后用沉淀提取細(xì)菌DNA。以提取的DNA為模板,利用cyaA引物通過PCR擴(kuò)增cyaA基因,擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)瓊脂糖凝膠驗證為陽性條帶后,通過試劑盒膠回收,回收產(chǎn)物連接pMD19-T載體后轉(zhuǎn)化入DH5α感受態(tài)細(xì)胞內(nèi),通過菌液PCR進(jìn)一步篩選,將陽性菌株送至通用生物(安徽)股份有限公司測序,測序結(jié)果輸入GenBank中進(jìn)行比對。

      1.4 綿羊肺源大腸桿菌在不同生長時間cyaA基因的轉(zhuǎn)錄水平檢測

      吸取200 μL “1.3”節(jié)中過夜培養(yǎng)的菌液轉(zhuǎn)入20 mL BHI液體培養(yǎng)基中振蕩培養(yǎng),分別于2 h(遲緩期)、5 h(對數(shù)期)、10 h(穩(wěn)定期)、24 h(衰亡期)吸取2 mL菌液,經(jīng)TRIzol法提取大腸桿菌XJ10 RNA,并反轉(zhuǎn)錄為cDNA,利用cyaA-in引物通過熒光定量PCR檢測菌株cyaA基因的mRNA轉(zhuǎn)錄水平。使用16S rRNA基因為內(nèi)參基因,采用相對比較ΔCT(Qr=2-ΔΔCT)法計算cyaA基因的相對轉(zhuǎn)錄水平。

      1.5 腺苷酸環(huán)化酶分子特征及理化性質(zhì)分析

      使用表2中的相關(guān)網(wǎng)頁對大腸桿菌AC蛋白的分子特征和理化性質(zhì)、親疏水性、二三級結(jié)構(gòu)、跨膜結(jié)構(gòu)區(qū)、信號肽、保守結(jié)構(gòu)域和開放閱讀框的位置、磷酸化位點、抗原性進(jìn)行分析。

      1.6 AC氨基酸序列系統(tǒng)進(jìn)化分析

      將大腸桿菌XJ10菌株的cyaA基因推導(dǎo)的AC氨基酸序列與GenBank中已知的10多株不同細(xì)菌的AC氨基酸序列進(jìn)行比對。利用Mega 7.0軟件根據(jù)NJ(neighbor-joining)法構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(Bootstrap 值為1 000)。

      2 結(jié)果與分析

      2.1 cyaA基因的擴(kuò)增、克隆及測序結(jié)果

      由圖1可知,綿羊肺源大腸桿菌XJ10 cyaA基因擴(kuò)增產(chǎn)物大小約2 547 bp,與預(yù)期片段大小相符,測序結(jié)果和大腸桿菌K-12 substr. MG1655菌株的cyaA基因相似性為100%。

      2.2 綿羊肺源大腸桿菌在不同生長時期cyaA基因的轉(zhuǎn)錄水平分析

      由圖2可知,綿羊肺源大腸桿菌XJ10 cyaA基因的轉(zhuǎn)錄水平在對數(shù)期的表達(dá)量最高,其與遲緩期、衰亡期的表達(dá)量差異在0.001水平上顯著,與穩(wěn)定期的表達(dá)量差異顯著(P<0.05);其次是穩(wěn)定期,其與衰亡期的差異極顯著(P<0.01),再其次是遲緩期,在衰亡期的表達(dá)量最低。

      2.3 腺苷酸環(huán)化酶理化性質(zhì)分析

      綿羊肺源大腸桿菌XJ10 cyaA基因全長 2 547 bp,編碼848個氨基酸,利用ProtParam分析大腸桿菌AC蛋白,結(jié)果顯示,大腸桿菌XJ10 的AC蛋白分子式為C4 389H6 759N1 193O1 273S30,總原子數(shù)為13 644,理論分子質(zhì)量為97.57 ku,理論等電點5.82,為酸性蛋白,不穩(wěn)定性指數(shù)為45.12,屬于不穩(wěn)定蛋白。由表3可知,該蛋白由20種氨基酸組成,出現(xiàn)頻率較高的氨基酸殘基有Leu(12.4%)、Ser(7.4%)、Glu(7.1%)、Val(6.7%)和Arg(6.6%),出現(xiàn)頻率較低的氨基酸殘基有Trp(1.9%)、Met(1.8%)和Cys(1.8%),不含Pyl和Sec??偸杷云骄担℅RAVY)是-0.290,屬于親水性蛋白,通過ProtScale在線工具進(jìn)一步預(yù)測發(fā)現(xiàn),大腸桿菌XJ10的AC蛋白親水區(qū)域大于疏水區(qū)域,為親水性蛋白,與其預(yù)測結(jié)果一致(圖3)。

      2.4 腺苷酸環(huán)化酶蛋白結(jié)構(gòu)分析

      利用SOPMA預(yù)測大腸桿菌XJ10 AC蛋白二級結(jié)構(gòu),結(jié)果(圖4)表明,大腸桿菌XJ10的AC蛋白二級結(jié)構(gòu)由α-螺旋(42.81%)、β-折疊(3.89%)、延伸鏈(14.27%)和無規(guī)則卷曲(39.03%)組成。通過SWISS-MODEL預(yù)測大腸桿菌XJ10 AC蛋白三級結(jié)構(gòu),結(jié)果(圖5)表明,該蛋白序列與PDB數(shù)據(jù)庫中多功能毒力效應(yīng)蛋白相似性最高為11.32%,該蛋白主要由α-螺旋所形成的三維立體結(jié)構(gòu)組成。

      2.5 腺苷酸環(huán)化酶信號肽、跨膜區(qū)及保守結(jié)構(gòu)域分析

      TMHMM預(yù)測大腸桿菌XJ10 AC蛋白跨膜區(qū),由圖6-A可知,大腸桿菌XJ10 AC蛋白的序列無跨膜區(qū)域。通過SignaIP軟件分析大腸桿菌XJ10 AC蛋白信號肽,由圖6-B可知,大腸桿菌XJ10 AC蛋白無信號肽,屬于非分泌蛋白。NCBI分析大腸桿菌XJ10 AC蛋白的保守結(jié)構(gòu)域和開放閱讀框的位置,由圖6-C、圖6-D可知,其保守結(jié)構(gòu)域位于1~848位氨基酸,屬于腺苷酸環(huán)化酶超家族,具有14個開放閱讀框。

      2.6 腺苷酸環(huán)化酶磷酸化位點預(yù)測

      蛋白質(zhì)磷酸化是常見的翻譯后修飾,可以很好地調(diào)控蛋白質(zhì)的活性,在DNA損傷修復(fù)、細(xì)胞凋亡方面發(fā)揮重要作用。由圖7可知,NetPhos預(yù)測大腸桿菌XJ10 AC蛋白存在81個潛在的磷酸化位點,分別為55個絲氨酸磷酸化位點,20個蘇氨酸磷酸化位點,6個酪氨酸磷酸化位點。

      2.7 腺苷酸環(huán)化酶抗原性預(yù)測分析

      利用ABCpred和IEDB對大腸桿菌XJ10 AC蛋白氨基酸序列進(jìn)行分析,得到B細(xì)胞表位序列,取其共有多肽序列,最終預(yù)測大腸桿菌XJ10 AC蛋白B細(xì)胞優(yōu)勢表位16個,分別位于第44~51、61~65、248~250、259~267、296~304、355~366、436~439、456~456、476~481、489~490、540~559、589~597、634~640、717~722、766~773、806~806區(qū)段(表4)。

      2.8 腺苷酸環(huán)化酶遺傳進(jìn)化分析

      將大腸桿菌XJ10 cyaA基因序列推導(dǎo)的AC蛋白氨基酸序列與GenBank中已知的19多株不同種屬的腺苷酸環(huán)化酶序列進(jìn)行比對分析,由圖8可知,大腸桿菌XJ10株的腺苷酸環(huán)化酶與志賀氏菌腺苷酸環(huán)化酶相似性最高,其次與鼠傷寒沙門氏菌、腸炎沙門氏菌、檸檬酸桿菌、肺炎克雷伯菌等相似性較高,在系統(tǒng)進(jìn)化樹上處在一個分支。

      3 討論與結(jié)論

      AC最早是在大腸桿菌代謝相關(guān)的阻遏過程中發(fā)現(xiàn),屬于膜整合蛋白,主要分布在細(xì)胞的各類膜上,包括細(xì)胞質(zhì)膜、核膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜。AC的氨基和羧基端朝向細(xì)胞質(zhì),膜胞質(zhì)面有2個催化結(jié)構(gòu)域和2個膜整合區(qū),是一種轉(zhuǎn)錄激活蛋白[12,16]。細(xì)菌中的cAMP結(jié)合CRP后,CRP中的C螺旋和鉸鏈區(qū)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,從而激活CRP家族的轉(zhuǎn)錄因子,cAMP-CRP復(fù)合體結(jié)合靶啟動子上的特異序列,使DNA結(jié)構(gòu)變化彎曲,促使RNA聚合酶激活轉(zhuǎn)錄。此外,CRP作為一種全局調(diào)節(jié)因子,與cAMP結(jié)合活化后,可將某些質(zhì)粒和毒力島整合到現(xiàn)有的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中,調(diào)控細(xì)菌相關(guān)基因的表達(dá),從而增強(qiáng)細(xì)菌的致病力。有研究發(fā)現(xiàn),在鼠疫耶爾森氏菌中,CRP直接激活纖溶酶原激活劑的表達(dá),促進(jìn)跳蚤叮咬后的鼠疫傳播,cAMP-CRP還能調(diào)節(jié)Ⅲ型分泌系統(tǒng)相關(guān)蛋白質(zhì)的表達(dá)分泌,幫助細(xì)菌更易進(jìn)入宿主細(xì)胞,造成宿主感染[17-18]。

      隨著生物信息學(xué)技術(shù)與相關(guān)在線軟件的應(yīng)用與發(fā)展,使本研究可更加直觀和全面地分析蛋白結(jié)構(gòu)及其特征,簡單快捷地對各類蛋白進(jìn)行鑒定,從而快速地表達(dá)純化蛋白,為研制開放新疫苗奠定基礎(chǔ)。本研究利用生物信息學(xué)在線軟件對大腸桿AC蛋白的分子特征和理化性質(zhì)、親疏水性、二三級結(jié)構(gòu)、跨膜結(jié)構(gòu)區(qū)、信號肽、保守結(jié)構(gòu)域和開放閱讀框的位置、磷酸化位點、抗原性進(jìn)行分析。結(jié)果表明,大腸桿菌XJ10的AC是不穩(wěn)定的親水性蛋白,不易與水分子形成氫鍵;二級結(jié)構(gòu)中無規(guī)則卷曲的含量占比39.03%,利于嵌合抗體,具有很好的抗原潛力;無信號肽序列和跨膜區(qū)域表明AC蛋白可高效表達(dá);蛋白保守結(jié)構(gòu)域位于1~848位氨基酸,并且在不同種屬細(xì)菌內(nèi)相對保守;存在81個潛在的磷酸化位點,可能參與細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)以及相關(guān)蛋白定位。

      有研究發(fā)現(xiàn),在我國4家百日咳疫苗生產(chǎn)廠中,有2個廠家產(chǎn)品含有較高含量的AC,并且AC更多地存在于菌體內(nèi)而不是可溶性表達(dá)于培養(yǎng)液上清中[19]。百日咳桿菌的AC保護(hù)性免疫原性依賴于CyaC對983位賴氨酸的修飾,通過修飾影響蛋白分子構(gòu)象,從而暴露出免疫優(yōu)勢表位[20]。通過在AC的N-末端插入二肽,獲得無或低AC活性的AC,當(dāng)修飾后的AC與無細(xì)胞百日咳疫苗共同免疫小鼠時,可提高無細(xì)胞百日咳疫苗的免疫原性,影響輔助性T淋巴細(xì)胞的分化,協(xié)助宿主清除肺部定殖的百日咳桿菌[21]。本研究利用生物信息學(xué)在線軟件ABCpred和IEDB對大腸桿菌XJ10 AC抗原表位進(jìn)行預(yù)測,對兩者預(yù)測結(jié)果進(jìn)行分析,共得到16個具有優(yōu)勢的抗原表位區(qū)域,分別位于第44~51、61~65、248~250、259~267、296~304、355~366、436~439、456~456、476~481、489~490、540~559、589~597、634~640、717~722、766~773、806~806區(qū)段。以上結(jié)果可為大腸桿菌亞單位疫苗的研制提供參考依據(jù)。

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