楊加偉程小玲龍朝康
(1.遵義醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)教研室,遵義 563000;2.遵義醫(yī)學(xué)院細(xì)胞生物學(xué)教研室,遵義 563000)
馬鈴薯塊莖特異性啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)的人白細(xì)胞介素-12的遺傳轉(zhuǎn)化研究
楊加偉1程小玲2龍朝康1
(1.遵義醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)教研室,遵義 563000;2.遵義醫(yī)學(xué)院細(xì)胞生物學(xué)教研室,遵義 563000)
為獲得高效表達(dá)人白細(xì)胞介素-12(hIL-12)蛋白的轉(zhuǎn)基因馬鈴薯植株,利用根瘤農(nóng)桿菌侵染法將前期構(gòu)建的馬鈴薯塊莖特異性啟動(dòng)子Ppatatin驅(qū)動(dòng)的hIL-12植物表達(dá)載體導(dǎo)入馬鈴薯,通過共培養(yǎng)、篩選、分化等過程獲得轉(zhuǎn)基因植株,并結(jié)合PCR、RT-PCR、GUS染色及ELISA分析對(duì)轉(zhuǎn)基因植株進(jìn)行鑒定。結(jié)果顯示,獲得12個(gè)馬鈴薯轉(zhuǎn)基因株系,PCR檢測(cè)表明其中的10個(gè)株系目的基因已導(dǎo)入馬鈴薯基因組,轉(zhuǎn)基因陽性率為83%;RT-PCR分析表明其中的7個(gè)株系外源基因在轉(zhuǎn)錄水平成功獲得表達(dá),ELISA分析表明其中的5個(gè)株系有明顯的蛋白水平表達(dá)。對(duì)這7個(gè)株系后代的檢測(cè)表明外源基因成功表達(dá)且具有良好的遺傳穩(wěn)定性。
Ppatatin啟動(dòng)子;人白細(xì)胞介素-12;轉(zhuǎn)基因馬鈴薯;植物生物反應(yīng)器
隨著基因工程技術(shù)的不斷發(fā)展,利用植物表達(dá)系統(tǒng)生產(chǎn)藥用蛋白已成為現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的研究熱點(diǎn)[1-3]。植物生物反應(yīng)器由于具有操作簡(jiǎn)便、產(chǎn)物活性高、成本低、易擴(kuò)大規(guī)模等優(yōu)點(diǎn),在細(xì)胞因子、生長(zhǎng)因子、抗體及疫苗等藥用蛋白表達(dá)生產(chǎn)領(lǐng)域獲得了廣泛的研究和應(yīng)用[1]。人白細(xì)胞介素-12(hIL-12)是由單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞分泌的一種約為75 kD的糖蛋白細(xì)胞因子,由1個(gè)約35 kD的小亞基和1個(gè)約40 kD的大亞基通過二硫鍵連接[4]。hIL-12的生物學(xué)功能包括:增強(qiáng)細(xì)胞毒性反應(yīng),誘導(dǎo)INF-γ、IL-2及腫瘤壞死因子TNF-α的生成,以及抗血管生成和抗腫瘤效應(yīng)等,在先天免疫和適應(yīng)性免疫過程中起著關(guān)鍵作用[4-6],在臨床上將有著廣闊的應(yīng)用前景和巨大的應(yīng)用價(jià)值。
利用植物生物反應(yīng)器高效表達(dá)生產(chǎn)hIL-12,降低hIL-12的生產(chǎn)成本,具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。但是,相比微生物等表達(dá)系統(tǒng)的高效性,植物表達(dá)系統(tǒng)由于外源蛋白表達(dá)量相對(duì)較低,限制了發(fā)展[7]。對(duì)植物表達(dá)系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)外源基因的啟動(dòng)子進(jìn)行優(yōu)化,如選擇植物自身的組織特異性強(qiáng)啟動(dòng)子等,是提高外源基因表達(dá)量的常用手段之一[8,9]。在本論文的前期研究中,克隆了馬鈴薯塊莖特異性的高效啟動(dòng)子Ppatatin并構(gòu)建其驅(qū)動(dòng)的hIL-12植物表達(dá)載體[10]。本研究將前期構(gòu)建的載體通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)化馬鈴薯,旨在獲得陽性轉(zhuǎn)基因植株,以期為下一步利用馬鈴薯高效表達(dá)生產(chǎn)hIL-12蛋白奠定基礎(chǔ)。
1.1 材料
本研究用馬鈴薯材料中薯1號(hào),農(nóng)桿菌菌株EHA105及表達(dá)載體均為本實(shí)驗(yàn)室保存
1.2 方法
1.2.1 表達(dá)載體導(dǎo)入根瘤農(nóng)桿菌 將-80℃保存的農(nóng)桿菌菌株EHA105取出活化并接種培養(yǎng)至OD600=0.5,5 000 r/min離心5 min后去除培養(yǎng)基。向菌體加入預(yù)冷的0.1 mol/L CaCl2(含10%甘油)洗滌兩次后置于冰上。將0.1 mL 細(xì)胞與10 ng質(zhì)粒DNA混勻后冰浴30 min,-70℃放置10 min,42℃水浴熱激1 min,最后冰浴2 min,加入800 mL YM液體培養(yǎng)基,175 r/min 28℃搖床培養(yǎng)2 h后取少量涂在含25 μg/mL卡那霉素+利福平的LB平板上,28℃培養(yǎng)2 d。挑取單菌落至LB液體培養(yǎng)基培養(yǎng)后,提取質(zhì)粒,利用前期工作中啟動(dòng)子克隆時(shí)所用的引物[10]Ppatatin-f 5'-TGCGTATTAGTTTTAGCGACGA-3'和 Ppatatin-r 5'-GTTGGTGCTTTGAGCATATAAC-3'引物進(jìn)行PCR鑒定。
1.2.2 馬鈴薯遺傳轉(zhuǎn)化 馬鈴薯遺傳轉(zhuǎn)化參照文獻(xiàn)[11]并加以改進(jìn)。將陽性重組農(nóng)桿菌于28℃振蕩培養(yǎng)過夜,菌體離心沉淀后用適量MS液體培養(yǎng)基重新懸浮。將馬鈴薯無菌苗置于22℃光照8 h黑暗16 h的人工氣候箱中進(jìn)行試管薯誘導(dǎo),2-3個(gè)月后將生長(zhǎng)至直徑約0.5 cm的試管薯取出,倒入MS液體培養(yǎng)基浸泡20 min。用刀片將薯球橫切至1-2 mm左右厚的薄片,置于菌液中輕微搖動(dòng)5-10 min后,取出薄片,吸干菌液,轉(zhuǎn)入共培養(yǎng)基上(MS+AS 50 mg/L)培養(yǎng)2 d。培養(yǎng)后將薯片轉(zhuǎn)至篩選分化培養(yǎng)基上(MS+100 μg/mL卡那霉素+ 500 μg/mL羧芐青霉素+5 μmol/L IAA)在22℃光照16 h黑暗8 h的條件下培養(yǎng),待分化出苗后轉(zhuǎn)移至MS培養(yǎng)基上進(jìn)行生根壯苗和移栽。
1.2.3 基因組DNA提取與PCR鑒定 參照文獻(xiàn)[12]的方法提取馬鈴薯葉片基因組DNA,以基因組DNA為模板,利用引物npt-F:5'-TATTCGGCTATGACTGGGCAC-3'和npt-R:5'-GTCGATGAATCCAGAAAAGCG-3'進(jìn)行擴(kuò)增。反應(yīng)體系為:20 ng模板、2 μL 10×PCR buffer、0.5 μL dNTPs(1 0 mmol/L)、0.5 μL引物(10 μmol/L)、1 U Taq酶,并補(bǔ)水至20 μL。PCR擴(kuò)增程序:94℃ 5 min;94℃ 30 s,58℃ 30 s,72℃ 30 s,30個(gè)循環(huán);72℃充分延伸5 min。
1.2.4 RT-PCR分析 切取馬鈴薯幼苗葉片或塊莖置于2 mL離心管,加入500 μL GUS染色液(北京奧博萊),37℃避光染色24 h后,將葉片置于1.5 mL 75%乙醇中常溫脫色24 h,拍照保存染色結(jié)果。用植物總RNA提取試劑盒(TIANGEN)提取馬鈴薯塊莖總RNA后進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄獲得cDNA。反轉(zhuǎn)錄體系和過程如下:總RNA 2 μg,oligo(dT)(100 ng/μL)1 μL,5×buffer 4 μL,dNTP(10 mmol/L)2 μL,RNase inhibitor 20 U,反轉(zhuǎn)錄酶M-MLV(北京博邁德)1 μL,加DEP C處理水至20 μL,42℃反應(yīng)1 h后,-20℃保存?zhèn)溆?。以cDNA為模板,以啟動(dòng)子引物Ppatatin-f和Ppatatin-r檢測(cè)確定有無基因組DNA污染,以hIL-12-F:5'-GCTGATGGATCCTAAGAGGC-3'和 hIL-12-R:5'-TTAGGAAGCATTCAGATAGC-3'為引物進(jìn)行擴(kuò)增檢測(cè)hIL-12基因的表達(dá)。以組成型基因GAPDH 作為內(nèi)參,擴(kuò)增引物為GAPDH-F:5'-ATGAAGGACTGGAGAGGTGG-3'和GAPDH-R:5'-GAAAATGCTTGACCTGCTGT-3'。PCR擴(kuò)增程序?yàn)椋侯A(yù)變性94℃ 2 min;94℃ 30 s,56℃ 30 s,72℃ 30 s,26-30循環(huán);72℃延伸10 min。
1.2.5 ELISA分析 切取馬鈴薯塊莖約0.5 g,加入3 mL可溶性蛋白提取液(0.1 mol/L Tris-HCl,50 mmol/L EDTA,1%蛋白酶抑制劑),冰上研磨至勻漿,12 000 r/min離心10 min,上清液即為可溶性蛋白提取液。利用BCA法測(cè)定蛋白質(zhì)濃度,將待測(cè)樣品稀釋50倍后用人IL-12 Elisa檢測(cè)試劑盒(上海生工)測(cè)定樣品中hIL-12的含量,按照試劑盒說明書進(jìn)行操作。主要步驟包括將蛋白質(zhì)樣品(包括標(biāo)準(zhǔn)品與待測(cè)樣)、生物素標(biāo)記抗體及酶試劑加入hIL-12包被的酶標(biāo)板,混勻后37℃保溫1 h,洗板后加入顯色液,5 min后加入終止液于520 nm測(cè)量OD值。
2.1 馬鈴薯遺傳轉(zhuǎn)化
將前期構(gòu)建的馬鈴薯塊莖特異性啟動(dòng)子Ppatatin驅(qū)動(dòng)的hIL-12表達(dá)載體轉(zhuǎn)化根瘤農(nóng)桿菌EHA105,挑選5個(gè)轉(zhuǎn)化后的單菌落重組子提取質(zhì)粒并進(jìn)行PCR鑒定。結(jié)果顯示,所挑取的5個(gè)轉(zhuǎn)化子均能提取出質(zhì)粒(圖1-A),且均能擴(kuò)增出大小為1 000 bp的Ppatatin啟動(dòng)子條帶,表明表達(dá)載體成功導(dǎo)入農(nóng)桿菌。接著,以馬鈴薯無菌薯球?yàn)橥庵搀w(圖1-B),用刀片將其切至1-2 mm厚度薯片后,置于含表達(dá)載體的農(nóng)桿菌菌液中進(jìn)行侵染,共培養(yǎng)2 d后轉(zhuǎn)至篩選分化培養(yǎng)基。結(jié)果(圖1-C)顯示,大部分侵染后的外植體在篩選分化培養(yǎng)基上生長(zhǎng)良好,在培養(yǎng)約一周后開始出現(xiàn)綠點(diǎn),2-3周左右長(zhǎng)出再生芽。
圖1 農(nóng)桿菌質(zhì)粒鑒定及馬鈴薯遺傳轉(zhuǎn)化階段圖
2.2 馬鈴薯轉(zhuǎn)基因植株培養(yǎng)與陽性檢測(cè)
將篩選分化培養(yǎng)基上長(zhǎng)出的馬鈴薯再生芽轉(zhuǎn)至MS培養(yǎng)基繼續(xù)培養(yǎng),3-4周后幼苗長(zhǎng)至7-8 cm高度(圖2-A),共得到12個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)化再生單株。從轉(zhuǎn)化再生植株幼苗的葉片提取基因組DNA,以npt-F和npt-R為引物擴(kuò)增卡那霉素抗性基因,檢測(cè)轉(zhuǎn)基因植株的陽性率。結(jié)果(圖2-B)顯示,在12株轉(zhuǎn)化再生的植株中,有10株能擴(kuò)增出大小約為600 bp的卡那霉素抗性基因片段條帶,表明為陽性,轉(zhuǎn)基因陽性率為83%。由于導(dǎo)入的表達(dá)載體T-DNA區(qū)還含有CaMV35S啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)的GUS基因[9],因此本研究首先利用GUS染色檢測(cè)外源基因在陽性轉(zhuǎn)基因馬鈴薯中的表達(dá)情況。切取10株陽性植株的幼苗葉片,放入GUS染液中37℃染色24 h后用75%酒精脫色。結(jié)果(圖2-C)顯示,這10株陽性植株葉片有7株染色成功,進(jìn)一步表明表達(dá)載體已導(dǎo)入馬鈴薯基因組且報(bào)告基因在這7株馬鈴薯植株中獲得了表達(dá)。
2.3 外源基因在轉(zhuǎn)基因馬鈴薯塊莖組織中的表達(dá)檢測(cè)
將所獲得的7株表達(dá)了外源基因的馬鈴薯幼苗取出煉苗3 d,種植在溫室中3個(gè)月左右后獲得轉(zhuǎn)基因馬鈴薯塊莖。首先選取每株植株的1個(gè)塊莖進(jìn)行GUS染色和RT-PCR分析,檢測(cè)外源基因的表達(dá)情況。結(jié)果(圖3-A)顯示,7株陽性植株的塊莖均能很明顯的染色,初步表明外源基因在這7株馬鈴薯植株塊莖中獲得了表達(dá)。提取這7株馬鈴薯植株塊莖RNA并反轉(zhuǎn)錄成cDNA。首先利用啟動(dòng)子DNA引物Ppatatin-f和Ppatatin-r檢測(cè)確定無基因組DNA污染后,利用RT-PCR檢測(cè)hIL-12基因的表達(dá)情況。結(jié)果(圖3-B)顯示,與GUS染色結(jié)果一致,hIL-12基因在這7株馬鈴薯植株均有明顯的表達(dá)。為進(jìn)一步確定外源基因在轉(zhuǎn)錄后的蛋白質(zhì)表達(dá)情況,提取7株馬鈴薯塊莖總蛋白,利用hIL-12抗體進(jìn)行ELISA檢測(cè),結(jié)果(圖3-C)顯示,7株馬鈴薯植株中,3、8、9、10、11號(hào)植株塊莖中有明顯的hIL-12蛋白表達(dá),其中,3號(hào)植株的馬鈴薯塊莖hIL-12表達(dá)量最高,達(dá)到3.74 μg/g可溶性蛋白。最后,為檢測(cè)外源基因在一株植株所有后代中表達(dá)的一致性,選取表達(dá)量最高的3號(hào)植株的所有8個(gè)馬鈴薯薯球進(jìn)行GUS染色和RT-PCR分析,結(jié)果(圖3-D、3-E)顯示GUS基因和hIL-12基因在3號(hào)植株的所有8個(gè)塊莖均有明顯的表達(dá)。
圖2 馬鈴薯轉(zhuǎn)基因植株培養(yǎng)與陽性檢測(cè)圖
圖3 hIL-12基因在轉(zhuǎn)基因馬鈴薯塊莖中的表達(dá)檢測(cè)圖
2.4 外源基因遺傳穩(wěn)定性初步檢測(cè)
選取7個(gè)轉(zhuǎn)基因單株后代的一部分薯球進(jìn)行繁殖,取一片每個(gè)株系后代的幼苗葉片,放入GUS染液中進(jìn)行染色分析,結(jié)果(圖4)顯示所有的葉片均能著色,表明轉(zhuǎn)基因植株在一次無性繁殖后,外源基因的表達(dá)穩(wěn)定。
利用外源重組表達(dá)系統(tǒng)生產(chǎn)的生物技術(shù)藥物已在癌癥、心腦血管疾病、糖尿病等重大疾病的治療方面起著舉足輕重的作用[13]。目前大多數(shù)的生物技術(shù)藥物都是以微生物或者動(dòng)物細(xì)胞系進(jìn)行表達(dá)和生產(chǎn)[14-17]。對(duì)于白細(xì)胞介素這一類的糖蛋白,大腸桿菌系統(tǒng)由于缺乏糖基化等翻譯后修飾,對(duì)其生物學(xué)活性有很大影響,某些產(chǎn)品在商品化前往往需要額外的處理,生產(chǎn)成本增大。而動(dòng)物細(xì)胞系由于操作麻煩,細(xì)胞培養(yǎng)條件苛刻且培養(yǎng)費(fèi)用高,也不是生產(chǎn)重組白細(xì)胞介素的理想表達(dá)系統(tǒng)[1,18]。因此,科學(xué)家們一直在尋找一種低成本同時(shí)又高效的表達(dá)系統(tǒng)來生產(chǎn)白細(xì)胞介素及其它藥用蛋白。自1998年Magnuson等[19]首次報(bào)道用煙草懸浮細(xì)胞表達(dá)了具有活性的人IL-2和IL-4以來,現(xiàn)已有多種白細(xì)胞介素先后在植物中成功表達(dá)。由于植物細(xì)胞具有和哺乳動(dòng)物細(xì)胞相似的轉(zhuǎn)錄、翻譯及翻譯后加工修飾系統(tǒng),所以植物系統(tǒng)表達(dá)的重組白細(xì)胞介素一般能進(jìn)行正確的折疊及二聚化、糖基化等修飾,更易具有生物學(xué)活性[20,21]。而馬鈴薯由于具有遺傳轉(zhuǎn)化體系完善、轉(zhuǎn)化周期較短、無性繁殖技術(shù)成熟、生長(zhǎng)容易產(chǎn)量高等優(yōu)勢(shì),被廣泛用來進(jìn)行藥用蛋白表達(dá)研究[1,9,22-24]。
圖4 GUS染色法檢測(cè)第二代馬鈴薯轉(zhuǎn)基因植株外源基因的表達(dá)
但是,相比于商業(yè)化的生物反應(yīng)器的高效性,植物生物反應(yīng)器的外源蛋白表達(dá)量較低。Gutie'rrez-Ortega等[25]早在2004年便在煙草中成功表達(dá)了具有生物學(xué)活性的hIL-12蛋白,但表達(dá)量?jī)H為30 ng/g鮮重;在本實(shí)驗(yàn)室的前期研究中,利用組成型的CaMV35S啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)hIL-12基因在馬鈴薯中表達(dá),獲得了具有生物學(xué)活性的重組蛋白,但表達(dá)量非常低[26,27]。因此,如何提高外源蛋白在植物中的表達(dá)量引起不少研究者的關(guān)注。常用的手段包括:利用植物自身的組織特異性強(qiáng)啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)外源基因[9];將外源蛋白帶上不同亞細(xì)胞定位的標(biāo)簽增加其表達(dá)等[24]。如:Park等[9]利用Ppatatin啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)IL-2的表達(dá),表達(dá)量得到大大提高;而Ma等[24]則在需要表達(dá)的IL-4基因后融合細(xì)胞質(zhì)定位的KDEL標(biāo)簽,也達(dá)到了提高表達(dá)量的目的。在本論文前期研究中選擇的Ppatatin啟動(dòng)子,其下游基因表達(dá)產(chǎn)物是一類分子量約為40 kD的糖蛋白,其在馬鈴薯塊莖可溶性總蛋白中的含量高達(dá)40%,而在其它組織中的含量極少[28],因此該啟動(dòng)子是馬鈴薯塊莖組織中高效特異啟動(dòng)子。本研究選用前期構(gòu)建好的表達(dá)載體[9],利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)的方式,將表達(dá)載體轉(zhuǎn)入馬鈴薯細(xì)胞中,得到了10個(gè)陽性轉(zhuǎn)基因馬鈴薯株系。RT-PCR分析結(jié)果顯示10個(gè)陽性株系中的7個(gè)株系成功在轉(zhuǎn)錄水平表達(dá)了hIL-12基因。ELISA分析表明,其中5個(gè)株系在蛋白水平有大量的表達(dá),在每克可溶性蛋白中重組蛋白的表達(dá)量最高可達(dá)到3.7 μg。另外,還有兩個(gè)株系在RNA水平檢測(cè)到了hIL-12表達(dá)但在蛋白水平的表達(dá)不明顯,可能是由于外源mRNA表達(dá)量較低影響了外源基因的翻譯,現(xiàn)已和其它株系一并種植并擬對(duì)其下一代進(jìn)一步進(jìn)行檢測(cè)。此外,3號(hào)植株的所有8個(gè)馬鈴薯薯球均能檢測(cè)到外源基因的表達(dá),初步表明同一株植株的所有塊莖中,外源基因的表達(dá)具有一致性。
植物基因組遺傳的復(fù)雜性,外源基因在轉(zhuǎn)基因植物中的遺傳穩(wěn)定性頗受關(guān)注,而藥用蛋白基因的遺傳穩(wěn)定性是影響植物生物反應(yīng)器生產(chǎn)效率的決定因素之一[7]。由于馬鈴薯的繁殖方式以無性繁殖為主,因此選擇馬鈴薯作為生物反應(yīng)器也可以在一定程度上避免因有性繁殖帶來的遺傳穩(wěn)定性問題。為驗(yàn)證本研究實(shí)驗(yàn)材料的遺傳穩(wěn)定性,利用GUS染色對(duì)無性繁殖的第二代植株的外源基因表達(dá)情況進(jìn)行了檢測(cè)。結(jié)果顯示,所檢測(cè)的所有材料均能明顯染色,初步表明本研究的外源基因在馬鈴薯植株中具有非常好的遺傳穩(wěn)定性。
本研究利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)的遺傳轉(zhuǎn)化方式獲得了轉(zhuǎn)hIL-12基因的陽性馬鈴薯植株,GUS染色、RTPCR分析和ELISA分析均表明大部分植株中均有外源基因的表達(dá),且經(jīng)過一次繁殖后其表達(dá)穩(wěn)定。
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(責(zé)任編輯 馬鑫)
Genetic Transformation of Human IL-12 Driven by Tuber-specific Promoter from Potato(Solanum tuberosum)
YANG Jia-wei1CHENG Xiao-ling2LONG Chao-kang1
(1. Department of Biochemistry,Zunyi Medical University,Zunyi 563000;2. Department of Cellular Biology,Zunyi Medical University,Zunyi 563000)
To obtain transgenic potato plants that express human interleukin 12(hIL-12)protein,the early-constructed plant expression vector driven by Ppatatin of potato tuber-specific promotor was transformed into potato by Agrobacterium-mediated transfection,followed by co-cultivation,screening and differentiation,and the transgenic plants were acquired. Techniques of PCR,RT-PCR,GUS staining,and ELISA analysis were performed for the identification of transgenic plants. The results showed that 12 transgenic lines were obtained,and in the 10 transgenic lines the target gene was in the potato genome,i.e.,positive rate was 83%. RT-PCR analysis illustrated that exogenous genes expressed successfully in 7 transgenic lines at mRNA level,moreover,ELISA data showed that 5 transgenic lines presented the high level of hIL-12 protein expression. In addition,the expression of hIL-12 was genetically stable in these 7 transgenic potato lines.
promoter Ppatatin;human IL-12;transgenic potato;plant bioreactor
10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2016.05.029
2015-07-20
貴州省科學(xué)技術(shù)基金項(xiàng)目(黔科合J字[2013]2324),遵義醫(yī)學(xué)院博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目(F-587)
楊加偉,男,博士,副教授,研究方向:醫(yī)藥生物技術(shù);E-mail:yangjw@zmc.edu.cn