陳思涵 錢 靖 彭杰軍 魯宇文 鄭紅英 林 林 燕 飛 陳劍平
(1. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院,安徽 合肥 230036;2. 浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院病毒學(xué)與生物技術(shù)研究所,浙江 杭州 310021;3. 寧波大學(xué)植物病毒學(xué)研究所,浙江 寧波 315211)
由于植物也是一個(gè)生產(chǎn)成本低廉、相對(duì)較為安全的高性價(jià)比 “綠色工廠”,且植物體內(nèi)可以進(jìn)行蛋白折疊、復(fù)合體裝配以及糖基化等翻譯后修飾過程,因此植物中表達(dá)外源蛋白的研究也成為熱點(diǎn)之一[1]。植物表達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用于商業(yè)模式存在許多技術(shù)瓶頸,增加植物體內(nèi)重組蛋白產(chǎn)量是難點(diǎn)之一。為提高植物體內(nèi)目的蛋白的表達(dá)產(chǎn)量,科研工作者分別從蛋白形成、分泌運(yùn)輸、降解3個(gè)方面展開研究[2]。首先在轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄后水平進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),使用強(qiáng)啟動(dòng)子、增加內(nèi)含子、5′-UTR等方式可以有效增加mRNA的轉(zhuǎn)錄水平,保證外源基因mRNA的表達(dá)量及穩(wěn)定性,從而增加重組蛋白表達(dá)量[3-4]。同時(shí)利用病毒沉默抑制子抑制目的蛋白mRNA降解,也能有效促進(jìn)重組蛋白表達(dá)量的增加[5]。但隨后研究發(fā)現(xiàn),部分蛋白出現(xiàn)較高的mRNA水平,較低的蛋白產(chǎn)量,研究表明該類重組蛋白可能被植物蛋白降解系統(tǒng)快速降解[6]。這可能與蛋白分泌運(yùn)輸有關(guān),植物體內(nèi)部分細(xì)胞區(qū)域富含多種蛋白水解酶,目的蛋白一旦處于此類區(qū)域?qū)⒈豢焖俳到?,如合成蛋白從?nèi)質(zhì)網(wǎng)運(yùn)輸?shù)礁郀柣w等細(xì)胞器后會(huì)導(dǎo)致蛋白降解[7]。在目的蛋白N或C端添加信號(hào)肽,通過改變外源蛋白定位可抑制降解速率, ER定位以及葉綠體內(nèi)表達(dá)外源蛋白能有效抑制降解[8-9]。根據(jù)蛋白水解酶的降解功能及目的蛋白的表達(dá)特性,如在植物細(xì)胞BY-2培養(yǎng)液中添加蛋白穩(wěn)定劑,或者共表達(dá)蛋白酶抑制子如SlCDI (Cathepsin D inhibitor)[10]、proteinase inhibitor II (I20家族)、Serine proteae inhibitor (I12家族) 等均能一定程度提高外源蛋白的表達(dá)量[11-12]。除此之外,通過沉默蛋白水解酶基因的方式也能提高外源蛋白表達(dá),如CysP6沉默可以使外源蛋白表達(dá)量增加1.6倍;在BY-2細(xì)胞系中NtCP、NMMP1、NtSP等缺失也可以有效提高外源蛋白表達(dá)量[13-14]。由此可見,植物外源蛋白表達(dá)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)過程,抑制蛋白降解過程是有效解決外源蛋白表達(dá)量的重要方式。
目前對(duì)于植物體內(nèi)外源蛋白的降解研究,主要集中于蛋白水解酶的研究,由于植物體內(nèi)蛋白水解酶具有數(shù)百種,一類蛋白水解酶僅針對(duì)某一類外源蛋白,因此很難找到一種適用性較廣的蛋白水解酶抑制策略。細(xì)胞自噬途徑是普遍存在于植物體內(nèi)的重要蛋白降解途徑,主要通過細(xì)胞內(nèi)雙層膜凹陷形成囊泡結(jié)構(gòu)后,與溶酶體融合成為自噬溶酶體執(zhí)行降解功能。根據(jù)形成自噬體的方式不同可以分為3類:巨自噬、微自噬和伴侶參與的自噬,而在植物中只發(fā)現(xiàn)巨自噬和微自噬[15-16]。自噬途徑涉及30多個(gè)蛋白,Atg5是參與自噬途徑的重要基因,在植物體內(nèi)僅發(fā)現(xiàn)一個(gè),它參與Atg8介導(dǎo)的泛素化系統(tǒng)[17],是自噬途徑的重要蛋白。研究進(jìn)展可知,自噬途徑對(duì)于被UPS (ubiquitin-proteasome system) 標(biāo)記的異常、變性、未折疊或者縮短的有害蛋白或者細(xì)胞器,通過雙層膜包裹降解[18-19]。自噬途徑也可能參與葉綠體、線粒體等內(nèi)含物、細(xì)胞器的降解過程,因此自噬途徑是植物體內(nèi)監(jiān)控外源、內(nèi)源蛋白及細(xì)胞器的重要功能途徑,但目前未有詳細(xì)報(bào)道關(guān)于自噬途徑與外源蛋白表達(dá)的研究。本研究期望通過添加定位信號(hào)、共表達(dá)沉默抑制子、沉默atg5,從RNA、蛋白水平來初步探討3類因素對(duì)外源蛋白表達(dá)的影響,為后續(xù)制定合理的外源蛋白表達(dá)策略提供參考。
根癌農(nóng)桿菌EHA105由浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院病毒與生物技術(shù)研究所吳學(xué)龍?zhí)峁琾CV1300,p25、HC-Pro、根癌農(nóng)桿菌C58C1由本實(shí)驗(yàn)室提供。
根據(jù) (http://nebenfuehrlab.utk.edu/markers/default.htm) 提供的已確認(rèn)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、葉綠體、高爾基體等細(xì)胞器定位的信號(hào)肽序列,以本實(shí)驗(yàn)改造的pCV1300為載體,分別構(gòu)建Gi (Golgi)、ER (Endoplasmie reticulum)、Px (peroxisomes)、Mt (mitochondria)、Pt (plastids)、Ch (chloroplast) 定位載體 (表1)。以本實(shí)驗(yàn)改造的pCV1300為載體,根據(jù)NCBI (KX369397.1) 的Nb-Atg5序列設(shè)計(jì)反向重復(fù)結(jié)構(gòu),雙酶切構(gòu)建atg5局部沉默載體—siatg5。
表1 定位信號(hào)序列Table 1 Sequences of signal location
本實(shí)驗(yàn)所用植物材料均為本氏煙草 (Nicotianabenthamiana)。將本氏煙種子播種于基質(zhì)土 (V(營(yíng)養(yǎng)土)∶V(蛭石) 為1∶3),10 d后發(fā)芽分苗,22 ℃,16 h光培養(yǎng),8 h暗培養(yǎng),20 d左右成苗,選取6~8葉的本氏煙用于農(nóng)桿菌浸潤(rùn)實(shí)驗(yàn)。
將p25、HC-pro、ER-GFP、siatg5等質(zhì)粒電轉(zhuǎn)到EHA105農(nóng)桿菌,28 ℃過夜培養(yǎng)。分別挑取單克隆放在5 mL含有5 μL/mL卡那霉素和利福平5 μL/mL的LB 培養(yǎng)基中,28 ℃過夜培養(yǎng) (280 r/min),次日按照1∶50的比例將1 mL的培養(yǎng)物加到50 mL的含有上述抗生素的培養(yǎng)基中,另加入終濃度為20 μmol/L的乙酰丁香酮 (AS) 和終濃度為10 mmol/L的乙磺酸 (MES)。28 ℃過夜培養(yǎng) (280 r/min) 后,在4 ℃、5 000 r/min的條件下離心20 min收集菌體,該菌體用MMA溶液 (含有終濃度100 μmol/L的AS,終濃度為10 mmol/L MES和終濃度為10 mmol/L的MgSO4) 重懸。按照p25/HC-Pro與ER-GFP終濃度OD600分別為1.000和0.500,siatg5與ER-GFP/Mt-GFP/Pt-GFP/Px-GFP終濃度OD600分別為0.500 0和0.500 0混合,將重懸液在室溫下靜止2~3 h后對(duì)本氏煙進(jìn)行共浸潤(rùn),UV下每隔12 h觀察1次。
用直徑2 cm的打孔器取樣,每個(gè)樣品取4個(gè)亮斑,液氮研磨后加100 μL PBS蛋白提取液,4 ℃裂解12 h后14 000 r/min,4 ℃離心15 min,吸取上清液獲得植物總蛋白,提取液按比例與5 × loading buffer混合,PAGE膠后轉(zhuǎn)膜,Anti-GFP抗體進(jìn)行Western雜交。
用直徑2 cm的打孔器取樣,每個(gè)樣品取4個(gè)亮斑,液氮研磨后,利用Trizol提取總RNA,反轉(zhuǎn)后進(jìn)行半定量檢測(cè)。以UBC為內(nèi)參,GFP為檢測(cè)引物,每個(gè)樣品每對(duì)引物分別準(zhǔn)備4管,擴(kuò)增循環(huán)體系為預(yù)變性94 ℃ 5 min,循環(huán)體94 ℃ 30 s、55 ℃ 30 s、72 ℃ 30 s、4 ℃ 1 min,循環(huán)數(shù)28~34個(gè)。每個(gè)樣品每對(duì)引物分別獲得28、30、32、34個(gè)循環(huán)時(shí)的PCR產(chǎn)物,瓊脂糖膠后檢測(cè)對(duì)照和處理樣品的UBC灰度值,分析UBC一致的情況下,對(duì)照和處理樣品 GFP條帶的灰度值。
mRNA積累量直接決定蛋白的表達(dá)水平,RNA沉默是植物體內(nèi)重要的RNA降解途徑,病毒沉默抑制子能有效抑制RNA沉默過程。本研究利用已知的沉默抑制子p25、HC-Pro,以ER-GFP為研究對(duì)象 (ER-GFP終濃度OD600=0.500),確認(rèn)沉默抑制子對(duì)外源蛋白表達(dá)的影響。將p25、HC-Pro與ER-GFP共浸潤(rùn), UV下觀察GFP熒光的表達(dá)。隨著時(shí)間推移沉默抑制子一側(cè)熒光明顯強(qiáng)于對(duì)照一側(cè),蛋白檢測(cè)顯示p25,HC-Pro能減緩GFP蛋白的降解。以第2天對(duì)照樣品GFP蛋白表達(dá)量為參照,第6天對(duì)照樣品分別下調(diào)至0.35、0.74,第6天沉默抑制子一側(cè)蛋白量(p25/HC-Pro)分別保持在1.56、2.27倍。p25/HC-Pro處理后ER-GFP mRNA在第6天時(shí)僅下調(diào)約20%,而對(duì)照一側(cè)幾乎降解完全 (圖1a,b)。由此表明,p25/HC-Pro通過抑制mRNA降解來保持較高的GFP蛋白表達(dá)量,mRNA的積累能保證較高的外源蛋白表達(dá)。
圖1中:a為p25與ER-GFP共浸潤(rùn)第2~6天,UV、Western blot、半定量檢測(cè)結(jié)果;b為HC-Pro與ER-GFP共浸潤(rùn)第2~6天,UV、Western blot、半定量檢測(cè)結(jié)果。Western blot、mRNA檢測(cè)條帶數(shù)值通過ImageJ計(jì)算出條帶灰度值,將各時(shí)間點(diǎn)對(duì)照與處理樣品蛋白/mRNA數(shù)值均與第2天對(duì)照樣品值比較,第2天對(duì)照樣品記為1。
蛋白合成后運(yùn)輸?shù)讲煌?xì)胞器,將導(dǎo)致外源蛋白不同程度發(fā)生降解,為確認(rèn)各細(xì)胞器定位對(duì)外源蛋白降解的影響,本研究構(gòu)建內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、葉綠體、線粒體等細(xì)胞器定位載體,確認(rèn)各定位信號(hào)對(duì)蛋白降解的影響。本研究將各細(xì)胞器定位載體農(nóng)桿菌瞬時(shí)轉(zhuǎn)染本氏煙(OD600=1.000),注射后2 d各載體出現(xiàn)不同程度的綠色熒光,第6天時(shí)除ER外,其余細(xì)胞器定位蛋白均已淬滅。各定位載體蛋白檢測(cè)結(jié)果也表明, ER蛋白較為穩(wěn)定,其次為GFP、Ch (第6天GFP、Ch-GFP蛋白分別保持在0.40、0.55)。同時(shí)各載體mRNA表達(dá)量分析表明,ER mRNA降解速度也低于其余樣品 (圖2)。但GI/Px-GFP檢測(cè)結(jié)果顯示,第6天時(shí)mRNA分別保持在0.43、0.33,其蛋白表達(dá)量?jī)H有0.03、0.03,由此可知,高的mRNA表達(dá)水平,并非一定具有較高的蛋白表達(dá)量,細(xì)胞器定位也對(duì)蛋白最終表達(dá)產(chǎn)生影響。本研究顯示ER定位載體蛋白穩(wěn)定性均高于其他定位載體,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位信號(hào)是增加外源蛋白表達(dá)的高效定位信號(hào)。
圖1 p25、HC-Pro抑制外源蛋白mRNA降解Fig.1 Suppressor p25 and HC-Pro inhibited the degradation of exogenous mRNA
圖2 不同定位信號(hào)GFP表達(dá)穩(wěn)定性有明顯差異Fig.2 The significant differences in the expression stability of GFP with different localization signals
圖2中:Western blot、半定量檢測(cè)條帶數(shù)值通過ImageJ檢測(cè)灰度值,將各樣品第4,6天蛋白/mRNA數(shù)值與第2天數(shù)值比較,第2天樣品記為1;各載體浸潤(rùn)第2~6天,UV、Western blot、半定量檢測(cè)結(jié)果,其中Western檢測(cè)上樣量除GI為20 μL外,其余樣品均為10 μL。
atg5沉默抑制外源蛋白降解見圖3。
圖3 atg5沉默抑制外源蛋白降解Fig.3 atg5 silencing inhibited the degradation of exogenous proteins
植物體內(nèi)除監(jiān)控外源RNA的途徑以外,存在眾多蛋白監(jiān)控途徑,自噬途徑是植物體內(nèi)重要的蛋白降解途徑,Atg5是自噬途徑中決定自噬囊泡形成的關(guān)鍵基因,且植物體內(nèi)該家族僅有1個(gè)基因,對(duì)atg5的沉默會(huì)直接導(dǎo)致自噬途徑受阻。將構(gòu)建的siatg5與ER-GFP共浸潤(rùn) (OD600為0.500),以sigus+ER-GFP為對(duì)照組檢測(cè)第2~4天的表達(dá)情況,結(jié)果表明atg5沉默一側(cè)GFP蛋白表達(dá)量明顯高于對(duì)照一側(cè),第4天對(duì)照組蛋白降至0.87,atg5沉默的樣品仍能保持1.12倍表達(dá) (圖3a)。為進(jìn)一步確認(rèn)atg5沉默對(duì)其他易降解蛋白的影響,本研究分別以穩(wěn)定性稍差的Mt/Pt/Px-GFP為研究對(duì)象。結(jié)果表明,atg5沉默部分緩解Mt/Pt/Px-GFP蛋白的降解,第3天時(shí)atg5沉默樣品Mt/Pt/Px-GFP分別為第2天對(duì)照組蛋白量的1.56、2.97、1.56倍 (圖3b,c,d)。mRNA分析表明,atg5沉默沒有對(duì)mRNA的降解速率產(chǎn)生明顯影響。由此可知,atg5沉默能一定程度緩解外源蛋白降解速率。
圖3中:a為atg5沉默后ER-GFP第2~4天,UV、Western blot、mRNA的表達(dá)變化;b為atg5沉默后Mt-GFP第2~4天,UV、Western blot、mRNA的表達(dá)變化;c為atg5沉默后Pt-GFP第2~4天,UV、Western blot、mRNA的表達(dá)變化;d為atg5沉默后Px-GFP第2~4天,UV、Western blot、mRNA的表達(dá)變化。Western blot、半定量檢測(cè)條帶數(shù)值通過ImageJ檢測(cè)灰度值,將sigus與siatg5的樣品蛋白/mRNA數(shù)值分別與第2天sigus樣品蛋白/mRNA灰度值比較,第2天sigus樣品記為。
植物的生產(chǎn)成本低廉,具有蛋白折疊、翻譯后修飾、可以體內(nèi)形成蛋白復(fù)合體等優(yōu)勢(shì),使植物作為生物反應(yīng)器表達(dá)外源蛋白,成為近幾十年的研究熱點(diǎn)。目前植物表達(dá)系統(tǒng)常用于重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值的藥用蛋白或疫苗的制備等,并在普通煙、本氏煙、水稻細(xì)胞等細(xì)胞或植株中,成功表達(dá)鼠IgG1抗體、hGM-CSF、人類VEGF等[11,20],均產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,但植物表達(dá)系統(tǒng)仍然存在目標(biāo)蛋白表達(dá)量較低的問題。研究表明篩選合適的啟動(dòng)子、添加5′-UTR、增加內(nèi)含子、添加3′-UTR的順式作用元件等方法能增加mRNA的轉(zhuǎn)錄水平,提高mRNA轉(zhuǎn)錄后的穩(wěn)定性,從而促進(jìn)外源蛋白表達(dá)[3-4]。沉默抑制子抑制RNA沉默途徑也是提高mRNA表達(dá)水平的有效手段,本研究也證明p25/HC-Pro與ER-GFP共表達(dá),可以高效抑制mRNA降解,從而使目的蛋白增加1.5~2倍。本研究結(jié)果表明,GI/Px-GFP高的mRNA水平不一定具有較高的蛋白表達(dá),這可能與GI、Px定位有關(guān)[21];內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位能有效降低蛋白降解,第6天時(shí)仍有1.33倍的蛋白表達(dá)。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是一個(gè)多功能管網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),是蛋白合成、折疊、分泌、跨膜運(yùn)輸、脂類、甾醇類生物合成的重要場(chǎng)所。在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上還能通過分子伴侶和蛋白修飾酶,來確保合成蛋白的正確折疊、修飾并裝配到多蛋白復(fù)合體中,因此內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是蛋白合成的重要場(chǎng)所,也是目的蛋白定位的理想工廠。
目前研究顯示外源蛋白降解的原因較為復(fù)雜,可能與細(xì)胞內(nèi)分泌蛋白水解酶、目的蛋白被細(xì)胞吸收、蛋白自身穩(wěn)定性等有關(guān)。植物中存在大量蛋白水解酶,如擬南芥中大約有1 900個(gè)直接或間接參與多肽鏈水解的基因。針對(duì)目的蛋白特性抑制蛋白水解酶也是常用的有效手段,如篩選的CDI (Cathepsin D inhibitor)、Oryzacystatin I、能較好的增加蛋白表達(dá),但對(duì)蛋白性質(zhì)和表達(dá)細(xì)胞器位置有一定偏好性。為增加表達(dá)蛋白穩(wěn)定性,開發(fā)出種子、胚乳、葉綠體等組織和器官中特異表達(dá)外源蛋白的策略[22]。
雖然內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或葉綠體定位可以大量表達(dá)蛋白,但過量表達(dá)蛋白會(huì)造成細(xì)胞器受到脅迫,過量蛋白的表達(dá)會(huì)導(dǎo)致未折疊蛋白過量積累,并被蛋白降解系統(tǒng)識(shí)別[23]。其中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成蛋白的過程能被ERAD (ER-associated degradation) 機(jī)制監(jiān)控,該系統(tǒng)能將錯(cuò)誤和未折疊蛋白通過26S泛素化蛋白酶體降解。研究表明內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白大量表達(dá)會(huì)造成UPR (Unfold protein response),UPR隨后能觸發(fā)自噬途徑,植物細(xì)胞利用自噬途徑降解未折疊蛋白[24-25]。葉綠體是具有雙層膜結(jié)構(gòu)的重要細(xì)胞器,研究表明葉綠體及內(nèi)含物也與自噬途徑有密切相關(guān),受到脅迫的葉綠體能被自噬途徑所吞噬[26],由此可知,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、葉綠體雖然是理想的外源蛋白表達(dá)場(chǎng)所,但由于自身容量限制及細(xì)胞的調(diào)控機(jī)制,過量表達(dá)外源蛋白也能被植物內(nèi)源監(jiān)控系統(tǒng)——自噬途徑所識(shí)別調(diào)控。自噬途徑是普遍存在于真核生物中調(diào)控細(xì)胞正常生理活動(dòng)的重要途徑,由于該途徑涉及眾多生物活動(dòng),并且與人類癌癥、腫瘤等密切相關(guān),自噬途徑也成為近期研究的熱點(diǎn),但目前外源蛋白表達(dá)與植物自噬途徑的關(guān)聯(lián)研究尚未明確。
自噬途徑是植物體內(nèi)重要監(jiān)控機(jī)制,除參與ER脅迫、葉綠體降解等過程外,自噬系統(tǒng)可能在翻譯后修飾過程如泛素化、乙?;?、磷酸化作用都起到調(diào)節(jié)作用[27]。因此自噬途徑在外源蛋白表達(dá)過程中,可能參與蛋白分泌、降解以及翻譯后修飾等過程,基于自噬途徑的重要性,本研究針對(duì)自噬途徑重要基因Atg5與外源蛋白降解過程進(jìn)行初步研究。結(jié)果表明,沉默atg5會(huì)導(dǎo)致ER/Mt/Pt/Px等多種細(xì)胞器定位蛋白表達(dá)量不同程度的增加,自噬途徑可能對(duì)多種細(xì)胞器定位蛋白起到監(jiān)控作用。Toyooka等研究發(fā)現(xiàn)Cytb5 (cytochrome b5) 融合RFP在BY-2中過表達(dá),能定位于空泡內(nèi),當(dāng)自噬途徑被抑制該定位消失,表明外源蛋白可能受自噬途徑調(diào)控,本研究atg5沉默實(shí)驗(yàn)也進(jìn)一步驗(yàn)證此推測(cè)[28]。由此可知,自噬途徑可能指導(dǎo)外源蛋白的降解過程,但自噬途徑對(duì)外源蛋白的具體調(diào)控機(jī)制,還有待于做進(jìn)一步研究。
植物作為生物反應(yīng)器由于成本低,操作簡(jiǎn)單一直被廣泛應(yīng)用,但由于外源蛋白表達(dá)不穩(wěn)定和表達(dá)量低等問題,成為限制植物蛋白表達(dá)系統(tǒng)規(guī)?;a(chǎn)的瓶頸。本研究通過共表達(dá)沉默抑制子、添加定位信號(hào)、沉默atg5,進(jìn)一步明確內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位可以提高外源蛋白的穩(wěn)定性;沉默抑制子可以延緩mRNA的降解提高蛋白表達(dá)量;而atg5沉默能有效抑制外源蛋白降解。因此根據(jù)外源蛋白表達(dá)要求改變細(xì)胞器定位,同時(shí)結(jié)合沉默抑制子以及抑制自噬途徑等方式相結(jié)合,可能有效保證外源蛋白的穩(wěn)定高效表達(dá)。