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基于cry1Ac表達調控元件的蘇云金芽孢桿菌表達載體構建

2012-01-01 00:00:00鄭葉偉星彭東海孫明
湖北農業科學 2012年2期

摘要:通過克隆cry1Ac基因BtI-BtII啟動子、SD序列以及終止子,并引入pET28a的His標簽和多克隆位點,在穿梭載體pHT304的基礎上構建了一個蘇云金芽孢桿菌表達載體pBMB1A。將cry1Ac以及具有非典型BtI-BtII啟動子的cry2Ab、cry5Ba、cry6Aa、cry7Ba、cry55Aa 6個基因裝載到該表達載體上,轉入BMB171構建了重組菌株,通過復紅簡單染色后的顯微鏡鏡檢結果表明,重組菌株BMB1A-1Ac、BMB1A-5Ba、BMB1A-7Ba和BMB1A-55Aa均能形成正常晶體,SDS-PAGE結果也證實這4個重組菌株的重組質粒均能表達出目的蛋白。同時,選取重組菌株BMB1A-1Ac來考察His標簽對Cry1Ac殺蟲活性的影響,生物活性測定結果顯示重組菌株的LC50值與對照菌株相比無明顯差異。該載體可用于快速克隆表達不同類別的Cry蛋白。

關鍵詞:蘇云金芽孢桿菌;表達載體;cry基因;BtI-BtII啟動子

中圖分類號:Q782;Q939.96 文獻標識碼:A 文章編號:0439-8114(2012)02-0400-06

Construction of Bacillus thuringiensis Expression Vector by Using Regulatory

Elements from cry1Ac Gene

ZHENG Wen,YE Wei-xing,PENG Dong-hai,SUN Ming

(College of Life Science and Technology/State Key Laboratory of Agricultural Microbiology, Huazhong Agricultural University,

Wuhan 430070, China)

Abstract: A Bacillus thuringiensis expression vector named pBMB1A was constructed by cloning BtI-BtII promoter, SD-sequence, and transcription terminator of cry1Ac gene, and adding His-tag and the following multiple cloning sites (MCS) from pET28a into the shuttle vector pHT304. Cry1Ac and other five cry genes with atypical BtI-BtII promoter including cry2Ab, cry5Ba, cry6Aa, cry7Ba, cry55Aa were cloned into pBMB1A. Microscopic observation showed that the recombinant strains containing Cry1Ac, Cry5Ba, Cry7Ba and Cry55Aa could form parasporal inclusion bodies; And SDS-PAGE proved that all of them could produce the corresponding major insecticidal crystal proteins bands. Meanwhile, Cry1Ac was selected to determine the effect of His-tag on its insecticidal activity, and the bioassay result showed that there was no significant difference between the LC50 of the recombinant strain and the control strain. The expression vector constructed was suitable for rapid cloning and expression of different cry genes.

Key words: Bacillus thuringiensis; expression vector; cry gene; BtI-BtII promoter

蘇云金芽孢桿菌(Bacillus thuringiensis,Bt),是一種革蘭氏陽性土壤芽孢桿菌,屬于蠟狀芽孢桿菌群(Bacillus cereus Group),在形成芽孢的同時,菌體內會產生不同形狀的伴胞晶體蛋白,稱為殺蟲晶體蛋白[1],簡稱Cry蛋白。Cry蛋白的殺蟲活性使以Bt為主要成分的生物殺蟲劑得到了廣泛應用,同時Bt也是轉基因資源的一種重要的基因來源。Bt產品的持續使用引發了人們對于昆蟲抗性的憂慮,研究者采用多種策略來延緩或者克服抗性,如使用多種Cry毒素、生物避難所以及高劑量或次高劑量的毒素[2]。而新基因的克隆和表達仍然是Bt研究領域的一個熱點。截至2011年5月5日,Cry蛋白編碼基因已增至68群570種cry基因和3群35種cyt基因(http://www.lifesci.sussex.ac.uk/home/Neil_Crickmore/Bt)。

近年來,快速發展的第二代測序技術產生了大量的Bt基因組序列,加快了研究者對Cry蛋白編碼基因資源的發掘。然而從這些基因組序列中快速地克隆、表達Cry蛋白編碼基因并不容易。其難點在于第二代測序技術產生的序列相對比較短,很多Cry蛋白編碼基因的序列信息不完整,對那些僅包含完整開放閱讀框(ORF),而啟動子和終止子序列不完整的cry基因的表達是相當繁瑣的。同時在Bt中,有部分cry基因利用自身啟動子無法表達,則需要替換成其他cry基因的啟動子。還有將cry基因裝載到大腸桿菌表達載體中進行表達的,但是不能形成正常的晶體而是產生包涵體。也有利用cry基因的啟動子及其調控元件進行其他單個基因的表達(如cry,vip,aiiA等),但是利用同一載體進行多個不同類型cry基因的表達則未見報道[3]。

蘇云金芽孢桿菌Cry蛋白的表達涉及許多因素,如cry基因啟動子活性、mRNA穩定性、不同cry基因的協同表達以及伴胞晶體的形成等方面[4]。BtI-BtII啟動子是蘇云金芽孢桿菌Cry蛋白編碼基因最為普遍、典型的一類強啟動子,許多cry基因,除cry1A,cry1B、cry2A、cry4A、cry4B以及位于操縱子中的cry11Aa、cry15Aa都含有一個啟動子BtI或雙啟動子BtⅠ-BtⅡ[4]。另外,很多cry基因的轉錄終止子含有反向重復序列(Inverted-repeat sequence,IRS),富含GC且能夠形成穩定的莖環結構(Stem-loop structure),它通過阻止3′-5′核酸外切酶對mRNA的降解,增加cry基因mRNA的穩定性,從而促進cry基因的表達[5,6]。通過比較不同cry基因轉錄終止子的結構發現,許多cry基因如cry1、cry2Ab、cry3A、cry4Ba、cry7Ba1等的終止區含有一個反向重復序列,說明這種結構普遍存在于Bt中[3]。

本研究利用cry1Ac基因表達調控元件構建一個可快速克隆表達不同類別Cry蛋白的通用載體,以加速新型Cry蛋白編碼基因的發掘與利用。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 菌株與質粒 實驗采用的菌株與質粒信息見表1。

1.1.2 培養基 LB培養基:蛋白胨10 g/L,酵母粉5 g/L,NaCl 10 g/L,pH 7.0~7.2;固體培養基加瓊脂16 g/L。ICPM培養基:蛋白胨6 g/L,葡萄糖5 g/L,CaCO3 1 g/L,MgSO4 0.5 g/L,KH2PO4 0.5 g/L,pH 7.0;固體培養基加瓊脂16 g/L。大腸桿菌在37°C LB培養基中培養;蘇云金芽孢桿菌在28°C ICPM培養基中培養。在上述相應培養基中加入抗生素,用于轉化子的篩選或重組菌株的培養。各抗生素終濃度為,氨芐青霉素(Amp):100 μg/mL;紅霉素(Erm):25 μg/mL;卡那霉素(Kan):50 μg/mL。

1.1.3 酶和試劑 各種限制性內切酶、T4 DNA連接酶、Fast pfu DNA聚合酶、dNTPs、各種DNA分子量標準等均為TaKaRa公司產品,蛋白質分子量標準SM0661為Promega公司產品;其他主要生化試劑購自上海生工生物工程有限公司、武漢天源生物科技公司。PCR引物合成由上海Invitrogen公司完成,測序由北京奧科生物公司完成。

1.1.4 PCR引物 實驗所用引物序列和相應的功能見表2。

1.2 方法

DNA操作:質粒的提取、酶切、凝膠電泳、回收純化、連接、常規轉化大腸桿菌DH5α以及PCR反應,均參照文獻[7]的方法。蘇云金芽孢桿菌的感受態細胞的制備,參照文獻[8]的方法。蘇云金芽孢桿菌的電轉化,參照文獻[9]的方法。Cry蛋白的SDS-PAGE分析,參照文獻[10]的方法。蘇云金芽孢桿菌的復紅簡單染色,參照文獻[11]的方法。生物測定:以棉鈴蟲(Helicoverpa armigera)初孵幼蟲為供試昆蟲,參照文獻[12]的方法。

2 結果與分析

2.1 表達載體pBMB1A的構建

載體的構建示意圖見圖1。以YBT-1520總DNA為模板,擴增得到cry1Ac終止子,經Kpn I和EcoRⅠ雙酶切插入到穿梭載體pHT304上,得到載體pHT304-T。以兩者之間有20個堿基重疊互補的PB1A2、PB1A3為內引物,先分別以YBT-1520總DNA為模板、質粒pET28a為模板,擴增得到cry1Ac啟動子序列(BtⅠ-BtⅡ啟動子)、His標簽及其后的多克隆位點(MCS),將兩個片段純化后混合作為模板,并以PB1A1、PB1A4為引物對用SOE法擴增,得到cry1Ac啟動子與pET28a的編碼區從ATG定點連接。再經SphⅠ和KpnⅠ雙酶切插入到載體pHT304-T上,轉化并對轉化子抽提質粒,酶切驗證正確后,將此構建的表達載體命名為pBMB1A(圖2)。

2.2 不同類別cry基因重組質粒的構建

以YBT-1520總DNA為模板,擴增得到cry1Ac和cry2Ab的完整ORF。以YBT-1518總DNA為模板,擴增得到cry5Ba、cry6Aa和cry55Aa的完整ORF。以YBT-978總DNA為模板,擴增得到cry7Ba的完整ORF。cry1Ac片段經Bam HⅠ和SalⅠ雙酶切,其余片段均經Bam HⅠ和XhoⅠ雙酶切,插入到載體pBMB1A多克隆位點處得到重組質粒pBMB1A-1Ac、 pBMB1A-2Ab、 pBMB1A-5Ba 、pBMB1A-6Aa、pBMB1A-7Ba、pBMB1A-55Aa,轉化之后對轉化子進行酶切驗證,結果正確(圖3)。以上質粒電轉化BMB171,挑取正確轉化子,得到重組菌株BMB1A-1Ac、BMB1A-2Ab、BMB1A-5Ba、BMB1A-6Aa、BMB1A-7Ba、BMB1A-55Aa。

2.3 重組菌株的晶體形成及蛋白表達檢測

重組菌株BMB1A-1Ac、BMB1A-2Ab、BMB1A-5Ba、BMB1A-6Aa、BMB1A-7Ba、BMB1A-55Aa以及對照菌株BMB1A、BMB304-1Ac、BMB304-5Ba、BMB304-6Aa、 BMB304-7Ba、 BMB304-55Aa在ICPM固體平板上培養72 h后,刮取菌體進行復紅簡單染色。顯微鏡鏡檢發現,BMB1A-1Ac可以產生明顯的菱形晶體,與對照菌株BMB304-1Ac一致。BMB1A-5Ba和BMB1A-7Ba也能產生大量菱形晶體,與利用自身啟動子表達的對照菌株BMB304-5Ba和BMB304-7Ba一致。重組菌株BMB1A-55Aa可以產生長米粒形晶體,與對照菌株BMB304-55Aa相同。另外,在重組菌株BMB1A-2Ab和BMB1A-6Aa上未觀察到晶體的形成,但是對照菌株BMB304-6Aa利用自身啟動子能夠表達米粒形晶體(圖4)。

之后,收集重組菌株BMB1A-1Ac、BMB1A-2Ab、 BMB1A-5Ba、 BMB1A-6Aa、 BMB1A-7Ba 、BMB1A-55Aa以及對照BMB1A、BMB304-1Ac菌體,進行SDS-PAGE檢測。結果顯示BMB1A-1Ac產生約130kD的蛋白帶,與正對照BMB304-1Ac一致。BMB1A-5Ba產生約140kD的蛋白帶、BMB1A-7Ba產生約130kD的蛋白帶、BMB1A-55Aa產生約45kD的蛋白帶,與預期結果一致。而沒有觀察到晶體形成的BMB1A-2Ab沒有預期的約70kD的蛋白帶,同樣,BMB1A-6Aa也沒有54kD的蛋白帶產生(圖5)。

2.4 重組菌株的生物活性測定

重組菌株BMB1A-1Ac和對照菌株BMB304-1Ac在ICPM液體培養基中培養48 h后收集發酵液。取樣進行SDS-PAGE電泳確定伴胞晶體蛋白濃度。然后將發酵液做兩倍梯度稀釋,以棉鈴蟲初孵幼蟲進行生物活性測定。重組菌株BMB1A-1Ac的LC50值為10.1 ng/mL,與對照菌株LC50值16.0 ng/mL相比無明顯差異(表3)。

3 討論

蘇云金芽孢桿菌殺蟲晶體蛋白的表達涉及許多因素,利用一些促進蛋白表達的調控機制:轉錄水平(芽孢依賴型強啟動子BtI-BtII),轉錄后水平(STAB-SD序列、3′端莖環結構強終止子)以及翻譯水平(SD序列),構建了一個蘇云金芽孢桿菌表達載體pBMB1A。進一步將cry1Ac以及具有非典型BtI-BtII啟動子的cry2Ab、cry5Ba、cry6Aa、cry7Ba、cry55Aa 6個基因裝載到該表達載體上,轉入BMB171構建了重組菌株,通過復紅簡單染色后的顯微鏡鏡檢結果表明重組菌株BMB1A-1Ac、BMB1A-5Ba、BMB1A-7Ba和BMB1A-55Aa均能形成正常晶體,SDS-PAGE結果也證實這4個重組菌株對應的重組質粒均能表達出目的蛋白。同時,選取重組菌株BMB1A-1Ac來考察His標簽對Cry1Ac殺蟲活性的影響,生物活性測定結果顯示重組菌株的LC50值與對照菌株相比無明顯差異。

在蘇云金芽孢桿菌中,合成的大分子量Cry蛋白(130~140kD)如Cry1和Cry4等,由于具有與蛋白毒性無關但又富含半胱氨酸的C-半段,通過其分子間二硫鍵能自動正確組裝形成伴胞晶體[13]。另外Cry1蛋白的C-半段不僅影響晶體形成,而且可以提高Cry2Aa和Cry3Aa蛋白的表達量[3]。正因為如此,利用本載體表達大分子量的Cry1Ac、Cry5Ba、Cry7Ba,仍能夠形成正常的菱形晶體,而且對于小分子量的Cry55Aa也能形成正常的長米粒形晶體。另外,已有研究發現,輔助蛋白p19、p20、ORF1和ORF2等能有效促進Cry蛋白編碼基因的表達和伴胞晶體的形成[14],例如cry2A和cry2C上游都含有ORF1和ORF2兩個開放閱讀框,它們與cry2基因位于同一個操縱子中[15],而Crickmore等認為cry2Aa的表達及晶體的形成必須有ORF2的參與[16]。實驗表達cry2Ab基因也未能成功,很可能是因為缺少ORF1和ORF2的幫助。另外cry6Aa基因未能成功表達,有報道是因為位于cry6Aa基因下游的ORF2負調控晶體蛋白編碼基因的表達[17],猜測cry6Aa有可能需要其他基因的調控作用,也可能該基因具有自身啟動子的特異性,利用其他類型啟動子無法表達。

利用cry1Ac基因表達調控元件構建了一個表達載體,經驗證,該載體適用于不同類別cry的表達。該載體可快速批量克隆表達出Cry蛋白,加速新型殺蟲晶體蛋白基因的發掘和利用。今后將對載體進行優化,擴大該載體的應用范圍,比如在載體上插入輔助蛋白基因等,以利于那些需要輔助蛋白參與的晶體蛋白的表達。

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