摘要
针对目前信使分子(pp)pGpp提取和合成成本高、时间长、技术难的问题,以现有的体外酶合成(pp)pGpp的方法为基础,建立和优化了新的体外合成技术。结果显示,通过(pp)pGpp合成酶RelA、GppA和YvcI在25 mmol/L Tris-HCl(pH 9.0)、15 mmol/L MgCl2、100 mmol/L NaCl条件下于37 ℃反应30 min,经阴离子交换进一步纯化,即可获得高纯度(pp)pGpp分子。此方法与传统的细菌或植物体内直接提取、现有的体外酶法制备流程相比,具有操作简单、快速、成本低、环境友好等优势,能够满足下游生化分析和结构生物学实验需求,为微生物信号通路及开发新的抗菌药物研究提供物质基础。
植物和细菌处于营养胁迫时,会产生一种由核苷酸代谢产物(pp)pGpp诱导的严谨反
(pp)pGpp作为常用的信号传递分
在细菌中,主要由3种信使分子合成酶(RelA、GppA、YvcI)负责催化合成(pp)pGp
现有的研究中,(pp)pGpp主要来源于植物和细菌的内源提取以及酶生物合
所需菌株为大肠杆菌BL21 (λDE3)和DH5α,枯草芽孢杆菌168 strain。其中,信使分子(pp)pGpp合成酶的基因(relA、gppA)序列来源于大肠杆菌BL21 (λDE3),yvcI来源于枯草芽孢杆菌168 strain。蛋白表达纯化使用大肠杆菌BL21 (λDE3),质粒扩繁使用大肠杆菌DH5α。
1)分子克隆。引物合成和测序由武汉擎科生物有限公司完成,dNTP购买于New England Biolabs公司,Pfu和Taq酶由华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室Yin Lab提供。普通DNA产物回收试剂盒(DP204-02)和普通质粒小提试剂盒(DP103-02)购自天根生化科技(北京)有限公司。
2)蛋白纯化试剂。丙烯酰胺和甲叉双丙烯酰胺(B546018)、Tris SDS pH 6.8(B546022)、Tris SDS pH 8.8(C526033)购自生工生物工程股份有限公司、Tris(V900866)、NaCl(V900058)、咪唑(V900153)购买于Sigma公司。
3)信使分子合成试剂。ATP(A600020)和GTP(A620250)购于生工生物工程股份有限公司,Tris、MgCl2、NaCl试剂均购买于Sigma公司。
4)主要仪器。蛋白纯化仪(ÄKTA™ pure 25,GE Healthcare)、制冷型台式真空离心浓缩仪(北京中科科尔仪器有限公司)。
负责合成(pp)pGpp的3种酶基因来源于大肠杆菌BL21 (λDE3)和枯草芽孢杆菌(168 strain)。将大肠杆菌 BL21 (λDE3)和枯草芽孢杆菌(168 strain)菌株分别涂布无抗生素的LB平板,培养6~8 h;随后挑取多菌落于50 μL超纯水,100 ℃煮5 min破碎细胞壁,12 000 r/min离心5 min后,取5 μL的上清作为模板进行PCR反应,获得DNA片段;将DNA片段装载于pET15D或pET21b,进行菌落PCR反应,选取阳性克隆测序,确定基因序列,进行质粒提取。
将构建好的质粒转入大肠杆菌BL21(λDE3)感受态细胞中,接入10 mL含有相应抗性的LB培养基中,于37 ℃、200 r/min摇床培养12 h。再按照1∶100的比例将其接入1 L LB培养基中,200 r/min、37 ℃培养4~5 h至OD600达到1.0左右;将温度降至16 ℃诱导14~16 h。
使用高压破碎的方式破碎细菌,使细菌细胞壁和细胞膜破碎,释放胞质中的蛋白。破碎好的菌液,14 000 r/min 4 ℃冷冻离心1 h,离心后取上清。因pET15D载体的N端融合6×His纯化标签或pET21b载体C端融合8×His纯化标签,通常使用Ni柱亲和层析获得目的蛋白,随后进一步使用Source Q 10-100进行纯化,获得高纯度的信使分子(pp)pGpp合成酶。
以ATP和GTP为原料,通过RelA催化合成G5P,再由焦磷酸激酶GppA水解G5P生成G4P,最后磷酸水解酶YvcI水解G5P或G4P生成G3P。
1)RelA的催化反应。RelA以ATP和GTP为原料,将底物ATP- 5′端的焦磷酸转移到GTP的3′端上,取代羟基的位置,合成产物AMP和pppGpp。
2)GppA的催化反应。GppA以pppGpp为底物,降解其5′端的γ-磷酸基团,催化生成产物ppGpp。
3)YvcI的催化反应。YvcI以pppGpp和ppGpp为底物,降解5′端的γ和β-磷酸基团,催化生成产物pGpp。
Rel
与传统信使分子提取分离不同,不需要使用有机试剂萃取,采取更为环保安全的方式进行纯化。根据底物和产物所带电荷不同,利用Source Q 10-100对信使分子进一步分离提纯,其中A buffer:25 mmol/L Tris pH 8.0,B buffer:25 mmol/L Tris pH 8.0,1 mol/L NaCl。
将负责合成(pp)pGpp的3种酶基因relA、gppA、yvcI,从E.coli BL21 (λDE3)和Bacillus subtilis 168 strain基因组中克隆到pET15b或pET21D载体上,进行蛋白表达和纯化。如

图1 信使分子合成酶的体外表达纯化
Fig.1 In vitro expression and purification of messenger molecule synthase
图A、图B和图C分别是Rel
RelA以ATP和GTP为原料,催化ATP的5′端β位磷酸基团断裂,转移到GTP的3′端取代羟基,合成信使分子G5P(

图2 信使分子合成酶活性测定
Fig.2 Messenger molecular synthase activity assay
A:RelA催化GTP合成信使分子G5P; B:GppA催化G5P合成信使分子G4P,YvcI催化G5P合成信使分子G3P; C:3种信使分子酶合成示意图。A:RelA catalyzes the synthesis of the messenger molecule G5P from GTP. B:GppA catalyzes the synthesis of messenger molecule G4P from G5P,and YvcI catalyzes the synthesis of messenger molecule G3P from G5P. C:Schematic diagram of the synthesis of three messenger molecules.
1)pH对信使分子G5P合成的影响。反应体系中的pH依次为Bis-tris pH 6.0,Tris-HCl pH 7.0、8.0、9.0,Glycine pH 10.0,Rel

图 3 pH对信使分子G5P合成的影响
Fig.3 The effect of pH on the synthesis of the messenger molecule G5P
2)金属离子对信使分子G5P合成的影响。如

图 4 金属离子对信使分子G5P合成的影响
Fig.4 Effects of metal ions on the synthesis| of messenger G5P
3)反应时间对信使分子G5P合成的影响。如

图 5 反应时间对信使分子G5P合成的影响
Fig.5 The effect of reaction time on the synthesis of messenger molecule G5P
4)酶浓度对信使分子G5P合成的影响。在Tris-HCl pH 9.0、添加M

图 6 酶浓度对信使分子G5P合成的影响
Fig.6 The effect of enzyme concentration on the synthesis of the messenger molecule G5P
5)反应时间对信使分子G4P合成的影响。为提高合成效率,在RelA催化合成反应10 min后,直接加入GppA或YvcI继续反应合成G4P或G3P。这样,只需一步纯化就可以获得目标产物,避免了二次纯化的损失。因此,本研究在Rel

图 7 反应时间对信使分子G4P合成的影响
Fig.7 The effect of reaction time on the synthesis of messenger molecule G4P
6)酶浓度对信使分子G4P合成的影响。在Tris-HCl pH 9.0、添加M

图 8 酶浓度对信使分子G4P合成的影响
Fig.8 The effect of enzyme concentration on thesynthesis of messenger G4P
7)反应时间对信使分子G3P合成的影响。在Tris-HCl pH 9.0、添加M

图 9 反应时间对信使分子G3P合成的影响
Fig.9 The effect of reaction time on the synthesis of messenger molecule G3P
8)酶浓度对信使分子G3P合成的影响。如

图 10 酶浓度对信使分子G3P合成的影响
Fig.10 The effect of enzyme concentration on the synthesis of messenger G3P
(pp)pGpp信使分子参与嘌呤合成通路,与嘌呤合成蛋白结合(Gmk)并抑制其功能。蛋白样品中不能存在DTT,所以纯化蛋白全程不添加DTT,并且分子筛纯化时,补加10 mmol/L MgCl2(即25 mmol/L Tris-HCl pH 8.0,150 mmol/L NaCl,10 mmol/L MgCl2),与此同时冻干的信使分子也溶解于此试剂。采用信使分子滴定嘌呤合成蛋白的方法(20∶1)进行ITC(isothermal titration calorimetry)实验。ITC验证了嘌呤合成蛋白(Gmk)与信使分子(pp)pGpp发生了强烈互作(

图 11 信使分子(pp)pGpp与Gmk的互作验证
Fig.11 Interaction verification of messenger molecule (pp)pGpp and Gmk
如

图 12 合成通路优化
Fig.12 Synthetic pathway optimization
合成信使分子成本对比分析结果(
注: 表中下划线所示价格为上海玉博生物科技有限公司所售信使分子的价格。Note:The price indicated by the underline in the table is the price of the messenger molecule sold by Shanghai Yubo Biotechnology Co.,Ltd.
选择合适的pH和金属离子是信使分子合成酶发挥功能的关键,但其他因素也是影响信使分子体外合成的重要因素。体外合成信使分子容易出现蛋白杂质,因此,本方法在终止反应时,为使蛋白变性而不引入其他有机试剂,防止其他杂质对信使分子纯度的影响。另外,本研究体外合成的信使分子经验证,可以运用到ITC分析。Takahashi
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