大腸桿菌不同SOD調(diào)控序列紅色熒光蛋白報(bào)告基因載體的構(gòu)建及功能鑒定

翁叢叢，方益民，黃潤(rùn)巧，林冬冬，張洪勤，施孟如

（溫州醫(yī)學(xué)院，浙江 溫州 325035，1.生物系；2.生物學(xué)教學(xué)中心）

大腸桿菌不同SOD調(diào)控序列紅色熒光蛋白報(bào)告基因載體的構(gòu)建及功能鑒定

翁叢叢1，方益民1，黃潤(rùn)巧1，林冬冬1，張洪勤2，施孟如2

（溫州醫(yī)學(xué)院，浙江 溫州 325035，1.生物系；2.生物學(xué)教學(xué)中心）

目的：通過(guò)將大腸桿菌BL21中MnSOD、FeSOD以及Cu/ZnSOD調(diào)控序列（包括啟動(dòng)子，-3518～+15 bp）與紅色熒光蛋白（RFP）連接，構(gòu)建成含SOD調(diào)控序列的紅色熒光蛋白報(bào)告基因，用以研究不同SOD啟動(dòng)子對(duì)RFP的調(diào)控作用。方法：采用重組PCR技術(shù)，分別構(gòu)建以MnSOD、FeSOD、Cu/ZnSOD啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)的RFP報(bào)告基因載體，并將構(gòu)建的融合基因通過(guò)T克隆轉(zhuǎn)化入大腸桿菌，通過(guò)不同濃度Cd2+作用，分別誘導(dǎo)RFP表達(dá)。結(jié)果：正確構(gòu)建了三種SOD-RFP融合基因，重組PCR結(jié)果與測(cè)序結(jié)果完全一致；該報(bào)告基因在室溫靜息狀態(tài)下，紅色熒光有微弱表達(dá)，經(jīng)Cd2+誘導(dǎo)后，紅色熒光亮度明顯增強(qiáng)，其中MnSOD調(diào)控序列驅(qū)動(dòng)的RFP表達(dá)最為明顯。結(jié)論：該報(bào)告基因載體的成功構(gòu)建，為研究SOD的基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制和研制檢測(cè)環(huán)境中污染物的微生物傳感器提供了重要基礎(chǔ)和工具。

超氧化物歧化酶；調(diào)控序列；重組PCR；紅色熒光蛋白；基因，報(bào)告；大腸桿菌

當(dāng)處于極端溫度、重金屬等環(huán)境中，生物體氧自由基產(chǎn)生過(guò)多或?qū)ρ踝杂苫宄芰ο陆担踝杂苫ㄟ^(guò)鏈?zhǔn)阶杂苫磻?yīng)損傷細(xì)胞。機(jī)體清除氧自由基的過(guò)程主要包括超氧化物岐化酶（superoxide dismutase，SOD)將氧自由基通過(guò)歧化反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)镠2O2，隨后過(guò)氧化氫酶（CAT）將H2O2轉(zhuǎn)變?yōu)镺2和H2O[4]。SOD是一種廣泛存在于生物體中的金屬酶，根據(jù)其所結(jié)合的金屬離子的不同，可分為MnSOD（SODA）、FeSOD（SODB）、Cu/ZnSOD（SODC）三種類(lèi)型[1-3]。段學(xué)軍等[5]的研究表明，機(jī)體總SOD活性會(huì)隨著重金屬的刺激而增加，然而具體是哪一種SOD起主導(dǎo)作用尚未能闡明。因此，本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用重組PCR技術(shù)，分別構(gòu)建以SODA、SODB、SODC啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)的紅色熒光蛋白（RFP）報(bào)告基因載體，經(jīng)不同濃度Cd2+刺激，誘導(dǎo)RFP基因表達(dá)，通過(guò)檢測(cè)RFP熒光強(qiáng)度變化，從而研究不同SOD啟動(dòng)子在Cd2+誘導(dǎo)下對(duì)RFP的調(diào)控作用。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 RFP報(bào)告基因和菌種：含RFP基因的大腸桿菌BL21由浙江大學(xué)惠贈(zèng)。

1.1.2 主要儀器及試劑：Tanon-1600R凝膠成像分析儀（上海天能科技有限公司），PCR梯度擴(kuò)增儀（德國(guó)EPPENGERF，AG），Centrifuge 5415高速冷凍離心機(jī)（德國(guó)，EPPENDORF），RF-5301PC熒光分光光度計(jì)（SHIMADZU），F(xiàn)V1000激光共聚焦顯微鏡（Olympus），柱式瓊脂糖凝膠DNA回收試劑盒（中國(guó)捷瑞生物工程有限公司），T4DNA連接酶（5 U/L）（寶生物工程有限公司），DNA ladder（中國(guó)捷瑞生物工程有限公司），pMD18-T克隆試劑盒（寶生物工程有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 PCR引物：表1中的十個(gè)引物為自行設(shè)計(jì)，根據(jù)GenBank里大腸桿菌BL21（NC_012971）的SODA、SODB、SODC基因調(diào)控序列，及浙江大學(xué)惠贈(zèng)的RFP基因，用Primer Premier 5.0軟件完成引物設(shè)計(jì)，引物由上海捷瑞公司合成（見(jiàn)表1）。

表1 PCR引物及條件

1.2.2 SODA、SODB、SODC以及相應(yīng)重疊區(qū)域的RFP基因的擴(kuò)增：挑取一個(gè)含RFP基因質(zhì)粒的大腸桿菌BL21菌落到100 mL ddH2O中懸浮混勻，100 ℃沸水浴10 min，冰浴3 min，12000 r/min離心5 min，取上清液為DNA模板，以引物SOA-RFP-1L和SODARFP-2R用于擴(kuò)增SODA，SODA-RFP-3L和SOD-RFP-4R用于擴(kuò)增RFP；SODB-RFP-1L和SODB-RFP-2R用于擴(kuò)增SODB，SODB-RFP-3L和SOD-RFP-4R用于擴(kuò)增RFP；SODC-RFP-1L和SODC-RFP-2R用于擴(kuò)增SODC，SODCRFP-3L和SOD-RFP-4R用于擴(kuò)增RFP。PCR反應(yīng)體系：共30μL，10×Buffer 3μL，EX Taq酶1 U（0.2 μL），dNTP(Mg2+)1μL，模板DNA 2μL，ddH2O 22 μL，引物R 1μL，引物L(fēng) 1μL。PCR反應(yīng)條件：94 ℃ 5 min；94 ℃ 40 s，55℃ 40 s，72 ℃ 2 min，擴(kuò)增35個(gè)循環(huán)；最后72 ℃ 20 min。PCR產(chǎn)物于1%瓊脂糖凝膠中電泳。按DNA膠回收純化試劑盒操作說(shuō)明進(jìn)行PCR產(chǎn)物的純化。

1.2.3 SOD調(diào)控序列和報(bào)告基因RFP的連接：分別將上述PCR產(chǎn)物SODA、SODB、SODC和相應(yīng)RFP純化回收后等摩爾混合，作為擴(kuò)增的模板，分別以SODARFP-1L和SOD-RFP-4R，SODB-RFP-1L和SOD-RFP-4R，SODC-RFP-1L和SOD-RFP-4R為引物，反應(yīng)體系和條件均和前面的相同。PCR產(chǎn)物于1%瓊脂糖凝膠中電泳，按DNA膠回收純化試劑盒操作說(shuō)明進(jìn)行PCR產(chǎn)物的純化。所得產(chǎn)物即：SODA-RFP、SODB-RFP、SODC-RFP融合基因。

1.2.4 重組產(chǎn)物與pMD18-T載體的連接及轉(zhuǎn)化：以SOD-RFP的融合基因?yàn)閏ontrol insert，參照TaKaRa pMD18-T Simple Vector 的使用說(shuō)明書(shū)進(jìn)行。將連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)入BL21感受態(tài)細(xì)胞。

1.2.5 SOD-RFP重組子的篩選、鑒定：菌落PCR鑒定：?jiǎn)蝹€(gè)菌落的轉(zhuǎn)化子在200 mL LB液體培養(yǎng)基中振蕩培養(yǎng)1 h，然后直接進(jìn)行PCR，瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)。低溫誘導(dǎo)鑒定：挑取菌落PCR陽(yáng)性的白色菌落，用接種針點(diǎn)種至加入Amp的普通LB平板中，37℃恒溫培養(yǎng)過(guò)夜，放入4 ℃冰箱中低溫誘導(dǎo)，觀(guān)察是否有肉眼可見(jiàn)紅色的菌落。將紅色菌落涂片后，在激光共聚焦顯微鏡558 nm激發(fā)光下，觀(guān)察紅色熒光。基因測(cè)序鑒定：將低溫誘導(dǎo)發(fā)紅的菌種劃板保存，并送至上海桑尼生物科技有限公司進(jìn)行基因測(cè)序鑒定。

1.2.6 Cd2+誘導(dǎo)pMD18-T-SOD-RFP在宿主大腸桿菌BL21中表達(dá)：參考文獻(xiàn)[5]，取50 mL LB液體培養(yǎng)基加入50 mL的100 mg/mL Amp+，并接種陽(yáng)性克隆菌，置于37 ℃，200 r/min，培養(yǎng)12 h（過(guò)夜）后，以1:25的比例分別接種到含Cd2+濃度為0.03、0.3、3.0 mg/mL的培養(yǎng)基中，全溫振蕩培養(yǎng)箱200 r/min，37 ℃培養(yǎng)，并于2、5、10、22、28、34、46、52 h八個(gè)時(shí)間點(diǎn)檢測(cè)生長(zhǎng)曲線(xiàn)OD值以及熒光發(fā)光強(qiáng)度。

2 結(jié)果

2.1 SODA、SODB、SODC及RFP片段的擴(kuò)增 分別以SODA-RFP-1L和SODA-RFP-2R，SODB-RFP-1L和SODB-RFP-2R，SODC-RFP-1L和SODC-RFP-2R以及SODRFP-3L和SOD-RFP-4R為引物從含RFP基因的大腸桿菌BL21基因組DNA中分別進(jìn)行擴(kuò)增，1%瓊脂糖凝膠電泳得到長(zhǎng)度分別約為300、200、150、600 bp的條帶（見(jiàn)圖1），與預(yù)期SODA 284 bp、SODB 150 bp、SODC 165 bp、RFP 605 bp大小基本相符。

圖1 SOD調(diào)控序列基因及RFP基因PCR產(chǎn)物電泳結(jié)果

圖2 SOD-RFP PCR產(chǎn)物結(jié)果

2.2 重組擴(kuò)增SOD-RFP融合基因 以第一輪PCR產(chǎn)物純化回收片段為模板，分別以SOD-RFP-1L和SODRFP-4R為引物進(jìn)行擴(kuò)增，瓊脂糖電泳得到大小約為900、800、750 bp的條帶（見(jiàn)圖2），與預(yù)期SODARFP 889 bp、SODB-RFP 755 bp、SODC-RFP 770 bp大小基本相符。

2.3 T-A克隆重組產(chǎn)物的鑒定 將融合基因SODRFP擴(kuò)增純化產(chǎn)物與pMD-18 T載體連接后，轉(zhuǎn)化入BL21感受態(tài)細(xì)胞，取白色單菌落，進(jìn)行菌落PCR和低溫誘導(dǎo)鑒定鑒定，結(jié)果表明重組載體中已插入融合基因SOD-RFP（見(jiàn)圖3），挑取經(jīng)低溫誘導(dǎo)出現(xiàn)紅色的菌落，涂片后，激光共聚焦顯微鏡558 nm激發(fā)光檢測(cè)（×200），可以觀(guān)察到明顯的紅色熒光（見(jiàn)圖4）。從圖4中可以知道，熒光表達(dá)強(qiáng)度以SODA為調(diào)控序列的最強(qiáng)，而以SODC為調(diào)控序列的最弱。

圖3 菌落PCR鑒定

圖4 以SODA（A）、SODB（B）、SODC（C）為調(diào)控序列分別在BL21 E.coli中表達(dá)紅色熒光蛋白的情況

2.4 基因測(cè)序鑒定 將轉(zhuǎn)入SODA-RFP、SODB-RFP、SODC-RFP的大腸桿菌送交上海桑尼生物科技有限公司，對(duì)其質(zhì)粒DNA進(jìn)行序列測(cè)定。測(cè)序結(jié)果通過(guò)在線(xiàn)BLAST（www.ncbi.nlm.nih.gov/Blast）和chromas軟件進(jìn)行序列分析，同源性為100%。

2.5 RFP誘導(dǎo)表達(dá) 分別用濃度為0.03、0.3、3.0 mg/mL的Cd2+及不加Cd2+相當(dāng)量的純凈水進(jìn)行誘導(dǎo)，并于2、5、10、22、28、34、46、52 h八個(gè)時(shí)間點(diǎn)檢測(cè)生長(zhǎng)曲線(xiàn)OD值以及熒光發(fā)光強(qiáng)度，以單位熒光強(qiáng)度（熒光強(qiáng)度與吸光度比值）為縱坐標(biāo)，培養(yǎng)時(shí)間為橫坐標(biāo)，在室溫靜息狀態(tài)下，可見(jiàn)微弱的紅色熒光，經(jīng)Cd2+誘導(dǎo)后，紅色熒光亮度明顯增強(qiáng)，其中0.03、0.3 mg/mL作用下SODA調(diào)控序列驅(qū)動(dòng)的RFP表達(dá)最為明顯，3.0 mg/mL作用下，3種SOD驅(qū)動(dòng)的RFP表達(dá)全部受抑制（見(jiàn)圖5）。

圖5 SODA/B/C-RFP在4種不同Cd2+濃度下的單位菌量熒光強(qiáng)度

3 討論

隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展和人們生活水平的提高，人工合成化學(xué)物質(zhì)的種類(lèi)及用量急劇增加，農(nóng)藥、化肥、重金屬、工業(yè)廢水、生活垃圾等大量排入環(huán)境，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重污染[6-10]。惡劣環(huán)境的脅迫往往使自然界的生物體機(jī)體內(nèi)活性氧代謝失衡，產(chǎn)生大量的超氧陰離子自由基，使機(jī)體內(nèi)的酶失活，進(jìn)而影響生物體生長(zhǎng)。SOD作為生物機(jī)體防御過(guò)氧化損傷系統(tǒng)的關(guān)鍵酶之一，在真核及原核細(xì)胞中廣泛存在分布，它對(duì)于清除氧自由基，防止氧自由基破壞細(xì)胞的組成、結(jié)構(gòu)和功能，保護(hù)細(xì)胞免受氧化損傷具有十分重要的作用。

RFP是人們從珊瑚蟲(chóng)中克隆的一種與綠色熒光蛋白（GFP）同源的熒光蛋白。它無(wú)需底物存在，可在558 nm激發(fā)光下發(fā)射紅光，具有靈敏度高、耐受多種苛刻環(huán)境條件等特點(diǎn)[11-12]。它作為一種新興的、具有重要意義的分子標(biāo)記，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于生物傳感器、生物發(fā)光材料和光化學(xué)等領(lǐng)域，有著巨大的應(yīng)用價(jià)值[13]。我們以RFP作為報(bào)告基因，通過(guò)觀(guān)察紅色熒光強(qiáng)度來(lái)反映體內(nèi)SOD的活性，了解三種SOD調(diào)控序列對(duì)RFP的調(diào)控作用。

本實(shí)驗(yàn)將含啟動(dòng)子和操縱子的Cu/ZnSOD、FeSOD、MnSOD基因調(diào)控序列與RFP報(bào)告基因通過(guò)重組PCR技術(shù)[14]進(jìn)行融合，構(gòu)建了一個(gè)有效地報(bào)告基因載體，較之傳統(tǒng)的DNA重組技術(shù)，重組PCR不僅克服了小片段回收困難的問(wèn)題，而且使重組體的形成過(guò)程完全不依賴(lài)于限制性?xún)?nèi)切酶和連接酶，大大簡(jiǎn)化了片段連接過(guò)程，從根本上擺脫了DNA 片段內(nèi)部酶切位點(diǎn)的束縛。

構(gòu)建的三種SOD-RFP融合基因在室溫靜息狀態(tài)下有微弱的紅色熒光，經(jīng)不同濃度重金屬鎘誘導(dǎo)后，熒光強(qiáng)度均明顯增加，表明其總SOD變化趨勢(shì)與段學(xué)軍等[5]的研究結(jié)果相符。本實(shí)驗(yàn)證實(shí)，SOD活性的變化主要是由SODA的表達(dá)變化引起的，SODA作為調(diào)控序列對(duì)后續(xù)報(bào)告基因的調(diào)控作用更加明顯。該報(bào)告基因載體的成功構(gòu)建，為研究SOD的基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制提供重要的基礎(chǔ)和工具。

目前，環(huán)境污染物的測(cè)定主要有理化分析方法和生物學(xué)方法[15]。利用SOD啟動(dòng)子的這種誘導(dǎo)性表達(dá)性能，通過(guò)對(duì)紅色熒光強(qiáng)度的檢測(cè)，我們能夠把構(gòu)建的報(bào)告基因載體轉(zhuǎn)入大腸桿菌作為檢測(cè)水體環(huán)境中刺激因子的微生物傳感器，對(duì)重金屬、可溶性有機(jī)物等污染物進(jìn)行初篩。由于實(shí)驗(yàn)材料價(jià)廉易得，不需要昂貴的儀器設(shè)備和復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)手段，簡(jiǎn)單快速，易操作，成本低，更易在欠發(fā)達(dá)地區(qū)或基層檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行。

[1] 田春美,鐘秋平.超氧化物歧化酶的現(xiàn)狀研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)熱帶醫(yī)學(xué),2005,5(8):1730-1732.

[2] 陳淮揚(yáng),劉望荑.從超氧化物歧化酶的分布與結(jié)構(gòu)看其分子進(jìn)化[J].生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展,1996,23(5):408-412.

[3] Patel RN, Singh N,Shukla KK, et al. Synthesis, structure and biomimetic properties of Cu(II) - Cu(II) and Cu(II) - Zn(II)binuclear complexes:possible models for the chemistry of Cu-Zn superoxide dismutase[J].J Inorg Biochem,2005,99(2):651-663.

[4] Stefan IL,Irwin F.The effects of superoxide dismutase on H2O2formation[J]. Free Radic Biol Med,2007,42(10):1464-1469.

[5] 段學(xué)軍,閔航. 稻田土壤細(xì)菌對(duì)重金屬鎘的氧化應(yīng)激反應(yīng)研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2005,5(2):50-53.

[6] Zikic RV,Stain A, Saicic ZS, et al. The activities of superoxie dismutase, catalase and ascorbic acid content in the liver of goldfish(Carassius auratus gibelio Bloch) exposed to cadmium[J]. PhysiolRes,1996, 45(6):479-481.

[7] Caceresa T, Hea W, Naidu R,et al. Toxicity of chlorpyrifos and TCP alone and in combination to Daphnia carinata:The influence of microbial degradation in natural water [J].Water Res,2007,41 (19):4497-4503.

[8] Zaidi BR, Hinkey LM, RodriGuez NR, et al. Biodegradation of toxic chemicals in Guayanilla Bay, Puerto Rico[J]. Mar Pollut Bull,2003,46 (4):418-423.

[9] Erikssone E, Baun A, Scholes L, et al. Selected stormwater priority pollutants:a European perspective[J].Sci Total Environ,2007,383(1-3):41-51.

[10]Fatta D, Michael C, Michaelidou C, et al. Pesticides,volatile and semivolatile organic compounds in the inland surface waters of Cyprus[J].Desalination,2007,215(1-3):223-236.

[11]Baird GS,Zacharias DA,Tsien RY.Biochemistry,mutagenesis,and oligomerization of DsRed, a red fluorescent protein from coral[J]. Proc Natl Acad Sci USA,2000,97(22):11984-11989.

[12]Chalfie M,Tu Y, Eusk irchen G,et al.Green fluorescent protein as a maker for gene expression [J]. Science,1994,263(5148):802-805.

[13]Heim R,Cubitt AB,Tsien RY. Improved green fluorescence[J].Nature,1995,373(6516):663-664.

[14] 王皓,康現(xiàn)江,王琦,等.重組PCR技術(shù)研究進(jìn)展和應(yīng)用[J].中國(guó)生物工程雜志,2007,5(27):355-363.

[15]Ren S,Assessing wastewater toxicity to activated sludge:recent research and developments[J]. Environ Int,2004,30(8):1151-1164.

Construction and functional identification of red fluorescent protein reporter gene vector driven by different SOD regulatory sequence inE.coli

WENG Congcong*，F(xiàn)ANG Yimin，HUANG

Runqiao，LIN Dongdong，ZHANG Hongqin，SHI Mengru.﹡
*Biology Department of Wenzhou Medical College，Wenzhou，325035

Objective:To construct red fluorescent protein(RFP)reporter gene vectors driven by different SOD regulatory sequence inE.colithrough fusing MnSOD，F(xiàn)eSOD，Cu/ZnSOD regulatory sequence and RFP gene in BL21E.coli.Methods:Red fluorescent protein(RFP)reporter gene and MnSOD，F(xiàn)eSOD，Cu/ZnSOD regulatory sequence were fused using recombinant PCR technology. And then the SOD-RFP genes connected with pMD18-T plasmid were transfered intoE.coli. The RFP expressed after stimulated by different concentrations Cd2+respectively.Results:Three SOD-RFP fusion genes were correctly constructed，which were proved by DNA sequencing；the reporter gene expressed a little of red flouresecent protein in the resting state at room temperature，but more red flouresecent intensity was obviously increased after Cd2+induction and SODA regulatory sequence was the most obviously RFP expression driven.Conclusion:The red fluorescent protein reporter gene vetors driven by different SOD regulatory sequence inE.colihave been constructed successfully with a sensitive response to Cd2+stimulation. This system provides an important basis and convenient tool for the further study of the regulatory mechanism of SOD gene expression and development of microbial sensor to detect the environmental pollutants.

superoxide dismutase；regulatory sequence；recombinant PCR；red fluorescent protein；reporter gene；E.coli

Q78

A

1000-2138（2012）01-0048-05

2011-05-03

翁叢叢（1988-），女，浙江瑞安人，本科生。

指導(dǎo)老師：施孟如，實(shí)驗(yàn)師，Email：dreamlike007@163.com。

丁敏嬌）

·高教研究·