羅 輝,陳 潔,邵 敏,曾 菲,萬 力,朱圓玉,胡有生,3
萬安玻璃紅鯉魚PKR的克隆鑒定與系統(tǒng)進(jìn)化分析[4]
羅 輝1,陳 潔1,邵 敏1,曾 菲2,萬 力1,朱圓玉1,*胡有生1,3
(1. 井岡山大學(xué)醫(yī)學(xué)部,江西,吉安 343009;2.吉安縣疾病預(yù)防控制中心,江西,吉安縣 343100;3.南昌大學(xué)撫州醫(yī)學(xué)院,江西,撫州 344000)
本研究以萬安玻璃紅鯉魚為材料,通過同源克隆的方法克隆了萬安玻璃紅鯉魚雙鏈RNA激活的蛋白激酶(PKRCcvwPKR),并首次克隆到CcvwPKR的剪接異構(gòu)體。CcvwPKR全長為2145 bp,編碼714個氨基酸,CcvwPKR剪接異構(gòu)體全長1431 bp,編碼476個氨基酸。CcvwPKR的剪接異構(gòu)體是CcvwPKR第477個密碼子的G突變?yōu)門(gaa477taa),從而使得CcvwPKR的翻譯提前終止。氨基酸序列比對和空間結(jié)構(gòu)SMART預(yù)測顯示,CcvwPKR和CcvwPKR剪接異構(gòu)體都含有三個雙鏈RNA結(jié)合模體(dsRBM),CcvwPKR剪接異構(gòu)體缺失PKR的C端的激酶結(jié)構(gòu)域。系統(tǒng)進(jìn)化分析表明,萬安玻璃紅鯉魚PKR在進(jìn)化上與鯉魚和鯽魚密切相關(guān)。萬安玻璃紅鯉魚和目前已有研究的鯉科魚類PKR一樣,分子結(jié)構(gòu)都含有三個dsRBM,三個dsRBM使得其具有更強(qiáng)的結(jié)合dsRNA的作用,推測可能與其較強(qiáng)的抗病能力有關(guān)。
萬安玻璃紅鯉魚;雙鏈RNA依賴的蛋白激酶; 基因克??;基因鑒定
雙鏈RNA(dsRNA)依賴的蛋白激酶(PKR),是細(xì)胞中重要的dsRNA傳感器,能夠識別并結(jié)合病毒dsRNA,引起抗病毒免疫反應(yīng)。PKR也可識別并結(jié)合細(xì)胞在各種刺激作用下產(chǎn)生的內(nèi)源性的dsRNA,并引起的抗腫瘤免疫反應(yīng)。PKR結(jié)合dsRNA后,發(fā)生二聚化活化,活化后的PKR可磷酸化真核細(xì)胞初始化因子2α(subunt of eukaryotic intiation factor 2,eIF-2α),從而抑制蛋白翻譯的起始,抑制病毒繁殖或引起腫瘤細(xì)胞的凋亡[1-2]。
PKR的結(jié)構(gòu)包括N端的dsRNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域(dsRNA-binding domain,dsRBD),主要介導(dǎo)PKR與dsRNA的結(jié)合并引起PKR的二聚化活化,因此其識別和結(jié)合dsRNA的能力就直接影響PKR的活化,所以又稱為PKR的活性調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域;PKR的C端為激酶結(jié)構(gòu)域(Kinase Domain,KD),其主要作用是在dsRBD二聚化牽引下進(jìn)行二聚化和自磷酸化活化,然后活化的KD可以催化PKR的各種底物磷酸化引發(fā)下游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)反應(yīng)。如PKR可使eIF-2α磷酸化抑制蛋白翻譯的起始,也可以通過NF-κB途徑活化轉(zhuǎn)錄引起免疫細(xì)胞因子的表達(dá)。
PKR的N端dsRBD往往由1-3個dsRNA結(jié)合模體(dsRBM)串聯(lián)構(gòu)成。哺乳動物PKR的N端dsRBD只有2個串聯(lián)的dsRBMs,即dsRBM1和dsRBM2;少數(shù)魚類含有3個串聯(lián)的dsRBMs,即dsRBM1、dsRBM2和dsRBM3,如斑馬魚、鯽魚、牙鲆、草魚等[3]。其中草魚PKR的dsRBM1被發(fā)現(xiàn)具有典型的dsRBM結(jié)構(gòu)。典型的dsRBM一級結(jié)構(gòu)具有三個高度保守的氨基酸序列,從N端到C端分別是:region1 (NE)、region2 (GPXH)和region3 (KKEAK)序列。其中region3(KKEAK)三個帶正電荷的賴氨酸殘基在與dsRNA結(jié)合中起關(guān)鍵作用。
PKR在脊椎動物各種組織和細(xì)胞中都有組成性表達(dá)。當(dāng)受到病毒侵襲或受到干擾素誘導(dǎo)后表達(dá)會顯著增高,從而引發(fā)機(jī)體抗病毒免疫反應(yīng)。鑒于魚類具有較強(qiáng)的抗病毒免疫功能,研究人員一直在研究其PKR基因并進(jìn)行克隆和鑒定。2008年,多種魚類的PKR基因陸續(xù)被克隆和報道,如斑馬魚、牙鲆等[3]。本研究對江西吉安萬安縣特有魚種萬安玻璃紅鯉魚的PKR(CcvwPKR)進(jìn)行了克隆鑒定。萬安玻璃紅鯉魚具有適應(yīng)范圍廣泛、抗病能力強(qiáng)、生長速度快、肉質(zhì)鮮美等特點(diǎn),是江西省吉安市特色經(jīng)濟(jì)魚種[4]。本研究可為地方特色魚種基因資源保護(hù)和健康養(yǎng)殖奠定基礎(chǔ)。
1.1.1 實(shí)驗(yàn)材料
本研究使用的萬安玻璃紅鯉魚購買于萬安縣玻璃紅鯉魚原種廠。
1.1.2 試劑與工具酶
大腸桿菌(E.coli)DH5α、質(zhì)粒pET32a均為本實(shí)驗(yàn)室保存。T4 DNA連接酶、XhoⅠ限制性內(nèi)切酶、EcolⅠ限制性內(nèi)切酶、KpnⅠ限制性內(nèi)切酶、Hind Ⅲ限制性內(nèi)切酶、dNTP、DL2000 Marker、DL5000 Marker、Taq DNA聚合酶均購于TaKaRa公司。十二烷基硫酸鈉(SDS)、三羥甲基氨基甲烷(Tris),異丙基-6-D硫代半乳糖苷(IPTG)、瓊脂糖(Agarose)、無水乙醇、異丙醇、氯化鈉、DEPC(焦碳酸二乙酯)、氫氧化鈉、無水磷酸二氫鉀、氯化鉀、氨芐青霉素(Ampicillin)、胰蛋白胨、均購于上海生工生物工程有限公司。Poly I:C購買于美國sigma公司。
1.1.3 試劑盒
SanPrep柱式PCR 產(chǎn)物切膠純化試劑盒、SanPrep柱式質(zhì)粒DNA小量抽提試劑盒、SanPrep柱式PCR產(chǎn)物純化試劑盒均購于上海生工生物工程公司;總RNA提取試劑盒、反轉(zhuǎn)錄試劑盒均購于TaKaRa公司;TA克隆試劑盒,購買于北京全式金公司。
1.2.1 引物設(shè)計(jì)和合成
應(yīng)用生物信息學(xué)技術(shù),在NCBI(https://www.
ncbi.nlm.nih.gov/)基因信息庫中檢索鯉魚PKR基因序列然后ORF Finder(http://www.ncbi.nlm.nih.gov
/gorf/gorf.html)分析其基因編碼PKR的cDNA開放閱讀框ORF,并進(jìn)行序列比對分析和引物設(shè)計(jì)。利用在線軟件SMART、ORF Finder、ClustalX(http://bips.u-strasbg.fr/fr/Doeumeniation/ClustalX)進(jìn)行蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測分析,分析不同的dsRBM和不同物種的dsRBM 其氨基酸序列保守性規(guī)律。根據(jù)序列比對結(jié)果對萬安玻璃紅鯉魚的dsRBM的保守區(qū)域進(jìn)行預(yù)測分析,并根據(jù)分析結(jié)果選擇特定區(qū)域進(jìn)行PCR引物設(shè)計(jì)。
表1 本研究所用到的主要的引物
Table 1 The primary primers applicated in the study
引物名稱引物序列(5’to3’)用途 M13FM13RPKR-ORF-FPKR-ORF-RTgt aaa acg acg gcc agtCag gaa aca gct atg accAtg gag tct ttg tcc gggTta gat cgt cct gat gtc ttt at通用引物通用引物PKR ORFPKR ORF
1.2.2 萬安玻璃紅鯉魚PKR基因TA的克隆
1.2.3 萬安玻璃紅鯉魚PKR基因序列分析
提取萬安玻璃紅鯉魚肝總RNA,反轉(zhuǎn)錄合成cDNA,使用同源引物擴(kuò)增CcvwPKR的ORF并構(gòu)建到pET32a送測序,根據(jù)測序結(jié)果設(shè)計(jì)RACE引物,用RACE引物擴(kuò)增5'和3'端,并用TA克隆方法構(gòu)建送測序,將 5' RACE 和3' RACE 及ORF測序結(jié)果通過 DNAMAN 6.0 軟件進(jìn)行序列拼接,獲得萬安玻璃紅鯉魚PKR的cDNA 全長??寺〉玫降娜f安玻璃紅鯉魚PKR基因序列的多序列比對和系統(tǒng)進(jìn)化分析。利用NCBI(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/)檢索牙鲆,草魚、人類、牛、馬等14個物種PKR的全長cDNA序列,將得到的PKR氨基酸序列進(jìn)行SMART空間結(jié)構(gòu)預(yù)測,進(jìn)而獲得PKR的N端序列。用ClusatlX軟件對這些N端序列進(jìn)行多序列比對。將序列比對結(jié)果的fasta文件用MEGA-X繪制進(jìn)化樹(Neighbor joining tree)。
利用同源克隆技術(shù),以鯉魚PKR為參照設(shè)計(jì)引物,通過PCR擴(kuò)增萬安玻璃紅鯉魚PKR,將克隆所得基因序列輸入NCBI中進(jìn)行比對,比對結(jié)果顯示成功克隆出萬安玻璃紅鯉魚PKR基因序列及萬安玻璃紅鯉魚PKR剪接異構(gòu)體的基因序列,并由此分別翻譯兩者的氨基酸序列。如圖1所示,萬安玻璃紅鯉魚PKR全長2145 bp,編碼714個氨基酸殘基;萬安玻璃紅鯉魚PKR剪接異構(gòu)體基因序列全長1431 bp,是由萬安玻璃紅鯉魚PKR基因序列于第477個密碼子發(fā)生無義突變,提前終止產(chǎn)生(gaa477taa),編碼了476個氨基酸殘基。根據(jù)所得到的萬安玻璃紅鯉魚PKR與其剪接異構(gòu)體的基因序列比較發(fā)現(xiàn),萬安玻璃紅鯉魚PKR基因序列1432G>T突變,導(dǎo)致第477位密碼子發(fā)生無義突變,即谷氨酸突變?yōu)榻K止密碼子,產(chǎn)生了萬安玻璃紅鯉魚剪接異構(gòu)體;蛋白空間結(jié)構(gòu)預(yù)測結(jié)果表明,克隆所得到的萬安玻璃紅鯉魚剪接異構(gòu)體為萬安玻璃紅鯉魚PKR提前終止導(dǎo)致其缺失了C端的KD,也就是說萬安玻璃紅鯉魚PKR剪接異構(gòu)體只含有N端的dsRBD,如圖1。
將萬安玻璃紅鯉魚PKR的氨基酸序列與GenBank中14種其他動物(如牙鲆、草魚、人類、牛、馬等)PKR的N端進(jìn)行序列比對(如圖3)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),萬安玻璃紅鯉魚PKR的N端氨基酸序列與鯉魚的氨基酸序列具有高度相似性。同時,序列比對發(fā)現(xiàn),萬安玻璃紅鯉魚PKR的N端和草魚PKR、鯽魚PKR、鯉魚PKR、尼羅羅非魚PKR及牙鲆PKR的N端比其他PKR的N端氨基酸序列要更長,都含有三個dsRBMs;而每個dsRBM所含有的三個與dsRNA結(jié)合密切相關(guān)的保守氨基酸序列(NE、GPXH、KKEAK)則有差異。其中魚類PKR的N端第一個dsRBM的三個保守氨基酸序列一致性更高,而其它動物的dsRBM的三個保守氨基酸序列則一致性較差,特別是第二dsRBM一致性更低,結(jié)果如圖2。
圖中包括萬安玻璃紅鯉魚PKR(CcvwPKR)、草魚PKR(ClPKR)、紅鰭東方鲀PKR(TrPKR)、尼羅羅非魚PKR(OnPKR)、鯉魚PKR(CcPKR)、鯽魚PKR(CaPKR)、牙鲆PKR(PoPKR)、三刺魚PKR(GaPKR)、人類PKR(HsPKR)、黑猩猩PKR(PtPKR)、馬PKR(EcPKR)、牛PKR(BtPKR)、小家鼠PKR(MmPKR)、褐家鼠PKR(RnPKR)、野豬PKR(SsPKR)
圖2 萬安玻璃紅鯉魚及相關(guān)物種PKRN端序列比對分析
Fig.2 Sequence alignment of the N-terminal of PKR in CcvwPKR and related species
將實(shí)驗(yàn)所得萬安玻璃紅鯉魚PKR及萬安玻璃紅鯉魚PKR剪接異構(gòu)體的氨基酸序列輸入SMART(http://smart.embl-heidelberg.de/)進(jìn)行蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測。結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)CcvwPKR與其剪接異構(gòu)體間的區(qū)別在于萬安玻璃紅鯉魚PKR剪接異構(gòu)體缺失了C端的KD。CcvwPKR的N端dsRBD中含有3個dsRBMs(dsRBM1:8-74aa;dsRBM2:100-168aa;dsRBM3:213-279aa),這些dsRBMs都含有60~70個氨基酸,與目前相關(guān)文獻(xiàn)報道一致;且CcvwPKR結(jié)構(gòu)和大多數(shù)鯉科魚類一樣,具有3個dsRNA結(jié)合模體[5],如圖3和圖4。
圖3 萬安玻璃紅鯉魚PKR蛋白SMART預(yù)測結(jié)構(gòu)閾示意圖
DSRM為萬安玻璃紅鯉魚PKR的3個雙鏈RNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域,分別是dsRBM1,sRBM2,dsRBM3,標(biāo)尺顯示蛋白各結(jié)構(gòu)對應(yīng)的氨基酸數(shù)量。在標(biāo)尺為300左右的三個深灰色四邊形代表低復(fù)雜度區(qū)域
Fig4 Schematic diagram of the CcvwPKR transcript variant protein structure predicted by SMART
系統(tǒng)進(jìn)化分析顯示CcvwPKR與魚類PKR在進(jìn)化上處于同一分支。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),CcvwPKR與CcPKR位于同一進(jìn)化分支,說明CcvwPKR和CcPKR兩者進(jìn)化上高度同源,兩者在進(jìn)化上具有密切的關(guān)系。另外,CcvwPKR在進(jìn)化上剛好位于CaPKR和CcPKR之間,說明CcvwPKR在進(jìn)化上不僅與CcPKR關(guān)系密切,而且與CaPKR和CiPKR也有比較近的親緣關(guān)系。相對而言,CcvwPKR與其它魚類PKR則在進(jìn)化上關(guān)系較遠(yuǎn),比如GaPKR、OnPKR、PoPKR和TrPKR等,結(jié)果如圖5。
用萬安玻璃紅鯉魚PKR(CcvwPKR)和草魚PKR(ClPKR)、紅鰭東方鲀PKR(TrPKR)、尼羅羅非魚PKR(OnPKR)、鯉魚PKR(CcPKR)、鯽魚PKR(CaPKR)、牙鲆PKR(PoPKR)、三刺魚PKR(GaPKR)、人類PKR(HsPKR)、黑猩猩PKR(PtPKR)、馬PKR(EcPKR)、牛PKR(BtPKR)、小家鼠PKR(MmPKR)、褐家鼠PKR(RnPKR)、野豬PKR(SsPKR)的氨基酸序列構(gòu)建PKR家族的進(jìn)化樹,箭頭顯示的是CcvwPKR
本研究首次克隆CcvwPKR,并進(jìn)一步克隆到CcvwPKR剪接異構(gòu)體基因序列。通過對CcvwPKR分析,表明CcvwPKR的dsRBD具有3個dsRNA結(jié)合模體(dsRBMs,8-74aa,100-168aa,213-279aa),這與哺乳動物只有2個dsRNA結(jié)合模體不同,但與斑馬魚、鯽魚、草魚等鯉科魚類一致[6]。某些魚類PKR的N端dsRBD含有三個dsRBM是否具有更強(qiáng)的結(jié)合dsRNA作用,從而具有更強(qiáng)調(diào)節(jié)其C端KD的激活作用,總體上是否具有更強(qiáng)的抗病毒免疫功能?這需要在不同物種的PKR之間進(jìn)行比較,但目前尚缺乏一個有效比較的細(xì)胞分子模型。
CcvwPKR剪接異構(gòu)體是CcvwPKR的第477號密碼子gaa點(diǎn)突變?yōu)榻K止密碼子taa,從而使得蛋白翻譯提前終止。通過對CcvwPKR剪接異構(gòu)體蛋白結(jié)構(gòu)進(jìn)行SAMART預(yù)測,結(jié)果顯示CcvwPKR剪接異構(gòu)體只含有dsRBD,而缺乏C端的KD。這是第一個被發(fā)現(xiàn)缺失激酶結(jié)構(gòu)域的PKR。Dey M.等利用定向刪除或突變方法去除PKR的N端后,單獨(dú)C端仍具有功能[7]。PKR的N端dsRBD被證實(shí)具有結(jié)合病毒dsRNA的作用,使細(xì)胞內(nèi)可發(fā)揮作用的病毒dsRNA量減少,從而抑制病毒的繁殖[8]。dsRBD也可以和細(xì)胞在脅迫條件下產(chǎn)生的內(nèi)源dsRNA結(jié)合,活化的PKR可以激活炎性體,導(dǎo)致細(xì)胞的凋亡[9]。有研究表明,PKR的N端也能與單鏈RNA結(jié)合,因此推測,PKR可能通過與單鏈的mRNA結(jié)合,從而抑制其翻譯模板功能[10]。體外實(shí)驗(yàn)證實(shí),缺失KD的PKR的N端也具有結(jié)合dsRNA和單鏈RNA的功能[10-11]。是否缺失KD的CcvwPKR剪接異構(gòu)體在體內(nèi)也能結(jié)合病毒dsRNA抑制病毒繁殖、結(jié)合內(nèi)源dsRNA激活炎性體、結(jié)合單鏈RNA調(diào)控mRNA的蛋白翻譯,這些都需要進(jìn)一步的研究證實(shí)。綜上所述,CcvwPKR剪接異構(gòu)體缺失激酶結(jié)構(gòu)域的特點(diǎn),可能與其存在不依賴激酶活性的抗病毒功能或翻譯調(diào)控機(jī)制有關(guān)。
萬安玻璃紅鯉魚(Var.)是由鯉魚演變過來的一個魚種,在PKR的氨基酸序列比對上兩者氨基酸的一致性是92.9%,其中N端的一致率是95.3%,C端的一致率是91.3%,并且CcvwPKR的C端激酶區(qū)有一段27個氨基酸序列的插入,說明萬安玻璃紅鯉魚從鯉魚演變過來是一個長期的過程。
萬安玻璃紅鯉魚是江西省吉安市萬安縣的特色魚種。萬安玻璃紅鯉魚除了肉質(zhì)鮮美,它還具有一定的觀賞性,是江西省的特色經(jīng)濟(jì)魚種[4]。因此克隆CcvwPKR,研究其抗病毒免疫功能特點(diǎn),可為地方特色魚種基因資源保護(hù)和疾病預(yù)防提供有用的信息。
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GENE CLONE, IDENTIFICATION AND PHYLOGENETIC ANALYSIS OF PKR FROMVAR.
LUO Hui1,CHEN Jie1,SHAO Min1,ZENG Fei2,WAN Li1,ZHU Yuan-yu1,*HU You-sheng1,3
2. School of Medicine, Jinggangshan University, Ji’an, Jiangxi 343009, China; Center for Disease Control and Prevention of Ji’an xian , Jiang xi, 343100, China;3. Fuzhou Medical College, Nanchang University, Fuzhou, Jiangxi 344000, China)
In this study, PKR (CcvwPKR) fromvar.was cloned by homologous clone methods, and CcvwPKR transcript variant was cloned for the first time. The full-length of CcvwPKR was 2145 bp, coded 714 amino acids, and the full-length of CcvwPKR transcript variant was 1431 bp, coded 476 amino acids. The translation of CcvwPKR transcript variant was terminated ahead of CcvwPKR at codon 477 with a point mutation G to T (gaa477taa). Amino acids sequences alignment and protein space structures prediction by SMART indicated that they all harbored three dsRBMs. Furthermore, the C terminal kinase domain of CcvwPKR transcript variant was deleted at codon 477 with point mutation. Phylogenetic analysis indicated that CcvwPKR was closely related to common carp and crucian carp. Consistent with the studied PKR of other cyprinidae fishes, they all had three dsRBMs, it implied that they had stronger ability of dsRNA binding and robust antiviral features.
var.; PKR; gene clone; gene identification
168085(2021)06-0035-06
Q785
A
10.3669/j.issn.1674-8085.2021.06.007
2021-07-30;
2021-09-08
國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31560595);井岡山大學(xué)博士科研啟動項(xiàng)目(2019);井岡山大學(xué)2020年校級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(214);井岡山大學(xué)2021年省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(80)
羅 輝(1971-),男,江西吉水人,副教授,碩士,主要從事生物化學(xué)與分子生物學(xué)研究(E-mail: luohui9898@163.com);
陳 潔(2001-),江西贛州人,女,井岡山大學(xué)醫(yī)學(xué)部預(yù)防醫(yī)學(xué)專業(yè)2018級本科生(E-mail:1656063927@qq.com);
邵 敏(2000-),女,貴州盤州人,井岡山大學(xué)醫(yī)學(xué)部預(yù)防醫(yī)學(xué)專業(yè)2017級本科生(E-mail:1985173904@qq.com);
曾 菲(1997-),女,江西吉水人,主要從事疾病預(yù)防控制研究(E-mail:1031281322@qq.com);
萬 力(2000-),男,江西撫州人,井岡山大學(xué)醫(yī)學(xué)部臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)2019級本科生(E-mail:1401288775@qq.com);
朱圓玉(1999-),女,江西萍鄉(xiāng)人,井岡山大學(xué)醫(yī)學(xué)部藥學(xué)專業(yè)2018級本科生(E-mail:11253844678@qq.com);
*胡有生(1968-),男,江西吉水人,副教授,博士,主要從事分子免疫學(xué)研究(E-mail:huyousheng68@163.com).