長葉紅砂咖啡酸-O-甲基轉(zhuǎn)移酶(RtCOMT)基因的克隆及蛋白純化

張慧榮，馮 杰，趙萍萍，王迎春

(內(nèi)蒙古大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，呼和浩特 010021)

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長葉紅砂咖啡酸-O-甲基轉(zhuǎn)移酶(RtCOMT)基因的克隆及蛋白純化

張慧榮，馮 杰，趙萍萍，王迎春

(內(nèi)蒙古大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，呼和浩特 010021)

長葉紅砂(Reaumuriatrigyna)是內(nèi)蒙古東阿拉善-西鄂爾多斯地區(qū)特有雙子葉鹽生小灌木，有極強(qiáng)的耐鹽抗旱性，入藥可以治療濕疹、皮炎等疾病，具有一定的藥用價(jià)值?？Х人?O-甲基轉(zhuǎn)移酶(RtCOMT)是一個(gè)重要的甲基化酶，主要調(diào)控木質(zhì)素合成過程中中間產(chǎn)物及木質(zhì)素的變化?；诟咄繙y序結(jié)果，利用RT-PCR技術(shù)克隆獲得長葉紅砂COMT(RtCOMT)基因，構(gòu)建RtCOMT原核表達(dá)載pET32a-RtCOMT，并將其轉(zhuǎn)化大腸桿菌,重組陽性菌經(jīng)IPTG誘導(dǎo)和SDS-PAGE電泳檢測。結(jié)果表明：RtCOMT基因開放閱讀框長1 023 bp，編碼340個(gè)氨基酸，推測蛋白分子質(zhì)量37.24 ku，理論等電點(diǎn)(pI)6.71，發(fā)現(xiàn)該基因在大腸桿菌中正常表達(dá)得到與預(yù)期大小一致的融合蛋白。采用Ni-IDA His-Bind親和層析方法對(duì)RtCOMT重組蛋白進(jìn)行純化,體外獲得目的蛋白。

長葉紅砂；COMT基因；原核表達(dá)；蛋白純化

木質(zhì)素是包圍在維管束細(xì)胞和厚壁細(xì)胞壁外的一類聚合物, 主要由阿魏酸、 松柏醇和芥子醇3種單體組成，因組成單體不同,可將木質(zhì)素分為紫丁香基木質(zhì)素(S-木質(zhì)素)，愈創(chuàng)木基木質(zhì)素(G-木質(zhì)素)和對(duì)羥基苯基木質(zhì)素(H-木質(zhì)素) 3種類型[1]。木質(zhì)素作為植物生長發(fā)育中的一種植物次生代謝產(chǎn)物,不僅能維持植物結(jié)構(gòu)、輸導(dǎo)水分和養(yǎng)料,同時(shí)對(duì)植物抗倒伏、抗病和抗逆性也有重要影響[2]。但木質(zhì)素過高會(huì)增加工業(yè)污染, 降低動(dòng)物對(duì)飼草的消化吸收率,同時(shí)也影響一些作物的品質(zhì)[3]。因此,通過基因工程技術(shù)從分子水平調(diào)控木質(zhì)素含量和成分的研究在生產(chǎn)實(shí)際中具有重大現(xiàn)實(shí)意義和產(chǎn)業(yè)前景。

木質(zhì)素合成以苯丙酸起始,經(jīng)過一系列羥基化、甲基化、連接、還原反應(yīng)最終生成上述3種甲基化程度不同的木質(zhì)素單體。木質(zhì)素合成途徑中的結(jié)構(gòu)基因主要包括CAD(肉桂醇脫氫酶)、C4H(肉桂酸 4-羥化酶)、CCR(肉桂酰CoA還原酶)、COMT、CCoAOMT(咖啡酰CoA氧甲基轉(zhuǎn)移酶)、PAL(苯丙氨酸解氨酶)、4CL(桂皮酰：輔酶A連接酶)等[4]。其中，咖啡酸-O-甲基轉(zhuǎn)移酶(caffeic acid-O-methyltransferase，COMT; EC 2.1.1.68)是一種重要的甲基化酶，可催化咖啡酸、5-羥基松柏醛和5-羥基松柏醇甲基化分別生成阿魏酸、芥子醛和芥子醇,參與 S-木質(zhì)素的合成[5-6]。目前，已經(jīng)從擬南芥[7]、煙草[8]、柳枝稷[9]、豌豆[10]和銀合歡[11]等不同植物中分離獲得COMT基因，對(duì)其功能進(jìn)行研究結(jié)果表明，COMT通過基因表達(dá)和酶活性變化，不僅調(diào)控木質(zhì)素(主要是S-木質(zhì)素)合成過程中中間產(chǎn)物及木質(zhì)素含量的變化，而且可以影響酚類等其他植物次生代謝產(chǎn)物的生成，在植物生長發(fā)育過程中發(fā)揮著重要作用[12]。

長葉紅砂 (Reaumuriatrigyna),又名黃花紅砂、黃花琵琶柴,隸屬于檉柳科(Tamaricaceae)琵琶柴屬(ReaumuriaLinn. ),為古地中海殘遺珍稀小灌木,是亞洲中部地區(qū)東阿拉善-西鄂爾多斯特有種,為該地區(qū)重要牧草之一[13]。該植株高10～30 cm，葉肉質(zhì)，表皮內(nèi)柵欄組織發(fā)達(dá)，保衛(wèi)細(xì)胞細(xì)胞壁明顯加厚，葉和幼莖上均布有鹽腺，與外界進(jìn)行離子交換，保持體內(nèi)鹽離子組分與生存土壤的離子組分一致，具有極強(qiáng)的耐鹽性和抗旱性，并且其果實(shí)可以入藥治療濕疹、皮炎等疾病，具有一定的藥用價(jià)值[14]。筆者利用Illumina測序技術(shù)，對(duì)長葉紅砂進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組深度測序，搭建了長葉紅砂轉(zhuǎn)錄組信息平臺(tái)，獲得351條與次生代謝途徑相關(guān)的差異表達(dá)基因，通過基因注釋，發(fā)現(xiàn)長葉紅砂中黃酮類化合物的合成和代謝被顯著激活[15]。

本試驗(yàn)從長葉紅砂中克隆獲得RtCOMT基因,對(duì)其序列及結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。在蛋白水平上研究RtCOMT基因功能，構(gòu)建RtCOMT基因原核表達(dá)載體 pET-32a-RtCOMT,并將其轉(zhuǎn)化大腸桿菌，進(jìn)行體外蛋白誘導(dǎo)表達(dá)。用His-Tag 親和層析柱純化,獲得目的蛋白,為進(jìn)一步研究RtCOMT酶活性奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 長葉紅砂幼苗的培養(yǎng)及脅迫處理

長葉紅砂種子用w=10%次氯酸鈉浸泡15 min，然后用滅菌水沖洗3次。消毒后的種子播種在MS培養(yǎng)基，在室溫25 ℃，濕度70%，光周期為16 h光照/8 h黑暗，光強(qiáng)為3 000 lx條件下培養(yǎng)15 d。當(dāng)幼苗長到約10 cm高度時(shí)，被轉(zhuǎn)移到1/2 MS培養(yǎng)液中，培養(yǎng)15 d后收獲材料迅速保存在液氮中備用。

1.2 長葉紅砂RNA提取和cDNA合成

取0.1 g長葉紅砂幼苗用液氮快速研磨，按MiniBEST Plant RNA Extraction Kit (TaKaRa,大連,中國)試劑盒說明書進(jìn)行操作，提取的RNA沉淀室溫晾干，用適量無RNase水溶解，采用超微量分光光度計(jì)檢測總RNA濃度，電泳檢測其完整性。質(zhì)量好的總RNA參照Clontech公司的SMARTTM RACE cDNA Amplification試劑盒中First-Strand cDNA Synthesis步驟合成長葉紅砂cDNA第一鏈。

1.3 長葉紅砂RtCOMT基因克隆

從長葉紅砂轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫[15]中發(fā)現(xiàn)注釋為COMT基因序列，設(shè)計(jì)開放閱讀框引物RtCOMT-F(5′-ATGACACTGCTGAGCG-3′)和RtCOMT-R(5′-TCAATTCTTCAAAAATTCCAT-3′)，以長葉紅砂總cDNA為模板, 按照下列體系進(jìn)行擴(kuò)增:cDNA 1μL,10×TransTaq○R-T buffer 5 μL,dNTP (2.5 mol/L) 4 μL,TransTaq○R-T DNA Polymerase(2.5 U/μL) 1 μL,10 μmol 引物各 1μL,終體積為 50 μL。反應(yīng)程序95 ℃ 5 min;90 ℃ 30 s;58 ℃ 30 s; 72 ℃ 90 s，反應(yīng)30個(gè)循環(huán)，循環(huán)結(jié)束后 72 ℃ 延伸5 min。 經(jīng)10 g/L 瓊脂糖凝膠電泳檢測后,回收目的片段與 pMD-19T 克隆載體連接,轉(zhuǎn)化大腸桿菌感受態(tài)細(xì)胞Trans1-T1(全式金，北京)大腸桿菌中,經(jīng)菌液PCR驗(yàn)證后選擇陽性克隆載體送華大生物技術(shù)公司進(jìn)行測序。

1.4 長葉紅砂RtCOMT原核表達(dá)載體構(gòu)建

利用帶有BamHⅠ(5′-CGCGGATCCATGACACTGCTGAG-3′)和SalⅠ(5′-ACGCGT-CGACTCAATTCTTCAAAAATTC-3′)酶切位點(diǎn)的引物擴(kuò)增RtCOMT序列，與pMD19T simple 載體連接，轉(zhuǎn)化大腸桿菌。經(jīng)酶切、測序驗(yàn)證，挑選陽性克隆載體。用BamHⅠ和SalⅠ酶切陽性克隆載體和表達(dá)載體pET-32a，產(chǎn)物經(jīng)12 g/L瓊脂糖凝膠電泳檢測，回收純化目的片段。將回收的RtCOMT目的片段分別與原核表達(dá)載體線性pET-32a進(jìn)行連接獲得重組質(zhì)粒pET32a-RtCOMT，連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)入大腸桿菌細(xì)胞中，菌液PCR和雙酶切篩選陽性表達(dá)載體后送測序。

1.5 長葉紅砂RtCOMT蛋白誘導(dǎo)表達(dá)

重組質(zhì)粒pET32a-RtCOMT轉(zhuǎn)化E.coliROSETTA表達(dá)菌，挑選陽性單菌落在LB液體培養(yǎng)液中37 °C 、200 r/min過夜培養(yǎng)。新鮮的LB菌液按1∶100的體積比接種到50 mg/L Amp LB液體培養(yǎng)基中進(jìn)行擴(kuò)培，當(dāng) OD600到達(dá)0.6時(shí)，加入IPTG,終濃度到達(dá)0.8 mmol/L，在28 ℃恒溫?fù)u床，200 r/min下繼續(xù)培養(yǎng)4 h進(jìn)行外源蛋白誘導(dǎo)表達(dá)。誘導(dǎo)前后各取1 mL菌液，12 000 r/min離心1min，棄上清。用2×SDS上樣緩沖液重懸菌體后100 ℃煮沸5 min，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的SDS-PAGE 膠電泳檢測結(jié)果。

1.6 長葉紅砂RtCOMT蛋白純化

選取陽性表達(dá)菌株經(jīng)IPTG誘導(dǎo)RtCOMT蛋白表達(dá)，離心收集菌體。用Binding buffer(上海生工生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司)重懸菌液，將重懸液用液氮反復(fù)凍融3次后加入溶菌酶(1 g/L)，冰浴30 min。200～300 W超聲波超聲3 s,間歇5 s,重復(fù)2～3次，4 ℃、15 000 r/min，離心20 min收集上清。用2 mL Binding-buffer預(yù)洗Ni-IDA His-Bind Resin吸附柱(上海生工生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司)然后將收集的上清液移入吸附柱中，流速0.5～1 mL/min進(jìn)行柱層析。然后用Bind-buffer洗脫吸附柱3～5次，直到洗脫液OD280到達(dá)最初水平，然后用Elution-buffer洗脫吸附柱，收集洗脫液，12%的SDS-PAGE 膠電泳檢測結(jié)果。

1.7 生物信息學(xué)分析

用NCBI-ORF Finder(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/gorf/orfig.cgi)找出RtCOMT基因開放閱讀框，Primer primer 5設(shè)計(jì)引物。用clustalx軟件和Mega 5.0軟件比較長葉紅砂與其他植物COMT蛋白質(zhì)同源性，構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹。用ProtParam( http://web.expasy.org/protparam/)程序分析RtCOMT理化性質(zhì)，用ExPASy中的SOPMA(http://www.ncbi.nlm.nih.gov)和Web-based SWISS-MODEL server(http://www.swissmodel.expasy.org)分析RtCOMT蛋白結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與分析

2.1 長葉紅砂RtCOMT基因克隆

從長葉紅砂轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫中發(fā)現(xiàn)功能注釋為COMT蛋白的基因序列(unigene22419)，其長度為1 380 bp，通過ORF-Finder軟件預(yù)測其開放閱讀框，利用RT-PCR技術(shù)克隆獲得長葉紅砂RtCOMT基因編碼區(qū)序列，該序列長1 023 bp，起始密碼子ATG，終止密碼子TGA，編碼340個(gè)氨基酸。將RtCOMT與其他物種COMT蛋白進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化樹分析發(fā)現(xiàn)，RtCOMT和野茶樹(ADN27527.1)、丹參、(AEO14870.1)、木本棉(KHG13754.1)、鷹嘴豆(XP004502769.1)、毛白楊(AFZ78575.1)和梅花(XP008234634.1)等植物COMTs序列有58%～65%同源性，其中，與野茶樹同源性最高為65%(圖1)。

圖1 RtCOMT和其他植物COMT系統(tǒng)樹進(jìn)化分析

2.2 長葉紅砂RtCOMT蛋白質(zhì)理化性質(zhì)及結(jié)構(gòu)分析

經(jīng)RtCOMT蛋白理化性質(zhì)分析，推測其蛋白分子質(zhì)量37.24 ku，理論等電點(diǎn)6.71。蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)分析顯示,RtCOMT蛋白中有16 處α-螺旋,占序列全長的43.36%;有15 處β-轉(zhuǎn)角,占序列全長的10.03%;27處無規(guī)則卷曲,占序列全長的28.32% ，另外還有18.29%的延伸結(jié)構(gòu)(圖2-A)。氨基酸序列比對(duì)發(fā)現(xiàn)RtCOMT的181-277氨基酸屬于依賴S-腺苷甲硫氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶結(jié)構(gòu)域(sadenosyllmethionine-dependent methy-trans-ferases，SAM)，與其他植物COMT蛋白序列一致，RtCOMT蛋白包含COMT保守殘基LVDVGGGTGA。與紫花苜蓿蛋白結(jié)構(gòu)比對(duì)，推測RtCOMT催化殘基為H246D274E305(圖2-B)。

圖2 長葉紅砂RtCOMT蛋白序列及結(jié)構(gòu)分析

2.3 長葉紅砂RtCOMT基因原核表達(dá)載體的構(gòu)建

RtCOMT基因陽性克隆載體經(jīng)雙酶切，得到與RtCOMT基因的開放閱讀框核苷酸數(shù)相符，含有粘性末端的目的條帶，將其與表達(dá)載體pET32a連接，構(gòu)建原核表達(dá)載體pET32a-RtCOMT。將重組表達(dá)載體pET32a-RtCOMT轉(zhuǎn)化E.coli感受態(tài)細(xì)胞中培養(yǎng)，挑選單克隆菌落，進(jìn)行PCR 陽性單克隆鑒定，結(jié)果都擴(kuò)增出約1 000 bp的基因片段，與預(yù)測大小相符。然后對(duì)陽性菌落進(jìn)一步雙酶切鑒定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)載體pET32a-RtCOMT酶切后都產(chǎn)生2條片段，一條與目的基因大小相符，另外一條和載體大小相符(圖3)。

2.4 長葉紅砂RtCOMT蛋白誘導(dǎo)表達(dá)及純化

將原核表達(dá)重組載體pET32a-RtCOMT導(dǎo)入E.coli表達(dá)菌中Rossetta(DE3)中，命名為pET32a-RtCOMT/Rosetta。經(jīng)IPTG誘導(dǎo)處理，在分子質(zhì)量約60 ku處檢測到帶有His標(biāo)簽的RtCOMT融合表達(dá)蛋白，除去23 ku的融合蛋白標(biāo)簽，其大小與理論值相符(圖4，泳道2)。融合蛋白帶有6×His標(biāo)簽，可與吸附柱中鎳離子相互作用而結(jié)合到親和介質(zhì)上。本研究將裂解的上清菌液加樣到Ni-IDA吸附柱中，蛋白充分結(jié)合到介質(zhì)上，先用洗滌緩沖液洗滌雜蛋白(圖4，泳道3和4)，再用洗脫緩沖液將RtCOMT重組蛋白洗脫下來獲得一條清晰的目的蛋白條帶，與IPTG誘導(dǎo)后RtCOMT表達(dá)重組蛋白的條帶大小一致(圖4，泳道6和7)。

圖3 陽性重組質(zhì)粒的菌落PCR和雙酶切鑒定

圖4 SDS-PAGE 分析RtCOMT在大腸桿菌中過表達(dá)及純化過程

3 討 論

Joshi等[16]將甲基轉(zhuǎn)移酶(OMTs，O-Methyltransferases)分為2種，一種低分子質(zhì)量甲基轉(zhuǎn)移酶 (23～27 ku), 催化活性依賴Mg2+，并且不能將咖啡酸作為催化底物。而另外一種恰恰相反，分子質(zhì)量較高(36～43 ku), 催化活性不依賴Mg2+,可以甲基化多種底物包括咖啡酸。COMT屬于后者，是苯丙烷代謝途徑[phenyl propanoid (PP) pathway]中關(guān)鍵酶之一，不僅能調(diào)控木質(zhì)素積累，而且能影響黃酮類、酚類和生物堿等化合物合成[17]。因此，在植物生長發(fā)育過程中，COMT對(duì)其木質(zhì)化程度、組織顏色和果實(shí)成熟等生理活動(dòng)都有影響。目前已經(jīng)從多種植物中克隆獲得COMT基因并且對(duì)其蛋白結(jié)構(gòu)和催化功能進(jìn)行深入研究[11]。紫花苜蓿中，已經(jīng)通過晶體學(xué)分析MsCOMT蛋白結(jié)構(gòu)，確定其保守序列、SAM結(jié)合位點(diǎn)和催化位點(diǎn)[18]。本研究通過序列分析和蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測發(fā)現(xiàn)，RtCOMT包含S-腺苷甲硫氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶結(jié)構(gòu)域、保守殘基(LVDVGGGTGA)和催化位點(diǎn)等COMT蛋白關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。

大腸桿菌能高效、低廉且穩(wěn)定表達(dá)外源蛋白，已經(jīng)有多種植物基因轉(zhuǎn)入大腸桿菌中正常表達(dá)，發(fā)揮其生物學(xué)功能[19]。研究證明，在煙草(38～43 ku)[8]，苜蓿(41～43 ku)[20]，山楊(40 ku)[21]和甘蔗(39 ku)[22]等植物中COMT是一種可溶性蛋白，能在大腸桿菌中功能表達(dá)。本研究證明長葉紅砂COMT基因也可在大腸桿菌中正常表達(dá)，生成約37 ku的可溶性蛋白，與其他植物COMT蛋白大小相似。目前通過純化模式植物和農(nóng)作物中COMT蛋白，體外獲得目的蛋白，對(duì)其蛋白晶體結(jié)構(gòu)和催化能力有了深入了解[8, 18]。本研究采用pET32a(+)表達(dá)載體進(jìn)行原核表達(dá),得到的體外重組蛋白R(shí)tCOMT是帶有6個(gè)His-Tag的融合蛋白。His-Tag序列的組氨酸與固定化金屬離子(通常為Ni2+或Cu2+)具有親和力，且不影響目的蛋白的天然結(jié)構(gòu)和活性。因此，用Ni-IDA His-Bind方法對(duì)RtCOMT重組蛋白進(jìn)行純化,獲得RtCOMT蛋白可直接用于功能檢測，為深入探索RtCOMT蛋白功能奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

本研究從長葉紅砂中克隆得到RtCOMT基因的編碼區(qū)序列長1 023 bp，編碼340個(gè)氨基酸，推測蛋白分子質(zhì)量37.24 ku，理論等電點(diǎn)為 6.71。構(gòu)建RtCOMT原核表達(dá)載pET32a-RtCOMT，并將其轉(zhuǎn)化大腸桿菌。重組菌經(jīng)IPTG誘導(dǎo)和SDS-PAGE電泳檢測，觀察到60 ku融合蛋白表達(dá)，與預(yù)期蛋白大小一致。采用Ni-IDA His-Bind親和層析方法對(duì)RtCOMT重組蛋白進(jìn)行純化,體外獲得目的蛋白。

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(責(zé)任編輯：成 敏 Responsible editor:CHENG Min)

Cloning and Purification of Caffeic Acid O-methyltransferase (RtCOMT) fromReaumuriatrigyna

ZHANG Huirong, FENG Jie, ZHAO Pingping and WANG Yingchun

(College of Life Sciences, Inner Mongolia University, Hohhot 010021, China)

Reaumuriatrigynais a small shrub grown in the Eastern Alxa-Western Ordos area of Inner Mongolia.R.trigynahas a vital ecological function for its remarkable tolerance to salt and drought. Additionally,R.trigynais a traditional herb to cure eczema, dermatitis and other diseases. Caffeic acid O-methyltransferase (COMT) is an important methyltransferases which involved in synthesis of S-lignin, and plays significant roles in various physiological processes in plant life cycle. We isolated an open reading frame (ORF) ofRtCOMT, constructed expression vectors ofRtCOMTand transformed it intoE.colilines. The ORF ofRtCOMTwas 1 023 bp which encodes a protein with 340 amino acids and characterized predicted isoelectric point (pI) 6.71 and molecular mass 37.24 ku. The overexpression and purification recombinant protein were extracted and analyzed by sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE), the result showed that size of the recombinant protein was consistent with the predicted . The His-tagged recombinant proteins of RtCOMT were purified by Ni-IDA His-Bind to obtainRtCOMTin vitro, it is necessary for further study in protein structure and catalytic function ofRtCOMT.

Reaumuriatrigyna; Caffeic acid O-methyltransferase (COMT); Prokaryotic expression; Protein purification

ZHANG Huirong,female,Ph.D student.Research area:plant resistance and molecular biology, functional components.E-mail: 523537961@qq.com

WANG Yingchun, female,professor.Research area:plant resistance and molecular biology, functional components.E-mail: ycwang@imu.edu.cn

日期：2016-10-20

2015-06-10

2015-08-31

國家自然科學(xué)基金(31360063)；內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃(NMGIRT1401)。

張慧榮，女，在讀博士，從事植物分子與抗逆生物學(xué)。E-mail：523537961@qq.com

王迎春，女，教授，從事植物分析與抗逆生物學(xué)。E-mail: ycwang@imu.edu.cn

Q943.2

A

1004-1389(2016)10-1529-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1220.S.20161020.1655.032.html

Received 2015-06-10 Returned 2015-08-31

Foundation item National Natural Science Foundation of China (No.31360063); Program for Innovative Research Team in Universities of Inner Mongolia Autonomous Region(No.NMGIRT1401).