家蠶絲氨酸蛋白酶基因BmSP25轉錄分析及其免疫響應

張永紅 朱峰 唐芬芬 邵榆嵐 白興榮

摘要：【目的】分析家蠶絲氨酸蛋白酶（SP）基因序列BmSP25及轉錄情況，明確其表達規律對防御家蠶核型多角體病毒（BmNPV）入侵的免疫應答機制，為揭示BmSPs在家蠶免疫應答方面的功能作用提供理論依據。【方法】克隆BmSP25基因序列，對該基因編碼蛋白的氨基酸序列、分子量、結構域等進行生物信息學分析；利用GeneDoc和MEGA 5.0對BmSP25氨基酸序列進行多序列比對及系統發育進化樹分析，采用半定量RT-PCR對家蠶不同組織和發育時期的BmSP25基因轉錄情況進行分析，并以實時熒光定量PCR檢測BmSP25基因在BmNPV感染家蠶中腸組織中的轉錄水平。【結果】BmSP25基因的ORF全長885 bp，編碼294個氨基酸，其中第1～17位氨基酸為信號肽，去信號肽的分子量為29.1 kD，理論等電點為7.8。BmSP25蛋白由4個α螺旋、15個β折疊和一些無規則卷曲構成；其氨基酸序列同源性比對分析發現，BmSP25（BGIBMGA008514-PA）與蓓帶夜蛾SP序列（GenBank登錄號ADM35105）的同源性最高，為62.1%。BmSP25基因在家蠶中腸組織中特異表達，且在整個幼蟲時期呈持續性表達。BmSP25基因在家蠶感染BmNPV后發生明顯變化，至感染6 h時呈下調趨勢，而在感染3、12和24 h時均呈明顯上調表達。【結論】BmSP25在防御BmNPV入侵家蠶的免疫應答過程中發揮重要作用。鑒于昆蟲SP具有高度保守的底物特異性位點，因此可利用底物類似物、基因定點突變等方式來預防農林害蟲。

關鍵詞： 家蠶；絲氨酸蛋白酶（SP）基因；表達；BmNPV感染；轉錄分析

中圖分類號： S884.51 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2017）06-1093-06

Abstract：【Objective】Sequence and transcription state of serine protease（SP） gene BmSP25 were analyzed， the immune response mechanism of its expression pattern against Bombyx mori nucleopolyhedrovirus（BmNPV） were defined， in order to provide theoretical basis for exploring the function of BmSPs in immune responses of B. mori. 【Method】The sequence of BmSP25 gene was cloned， bioinformatics was used to analyze the amino acid sequence， molecular weight， functional domain of the coding region of this gene. Multiple sequence alignment and phylogenetic analysis of BmSP25 amino acid sequence were conducted by GeneDoc and MEGA5.0 software. BmSP25 gene transcription in different tissues and at different development stages were analyzed by semi-quantitative PCR， and transcription level of BmSP25 mRNA in intestinal tissue inoculated by BmNPV were detected by real-time quantitative fluorescence PCR. 【Result】The full length of BmSP25 open reading frame（ORF） was 885 bp， encoding 294 amino acids， and from the 1st to the 17th ones were signal peptides. The molecular mass without signal peptides were 29.1 kDa and theoretical isoelectric point was 7.8. BmSP25 protein was composed of 4 α-helices， 15 β-folds and some irregular coils. Homology alignment of amino acid showed that BmSP25（BGIBMGA008514-PA） shared the highest homology（62.1%） with SP sequence of Mamestra configurata（GenBank accession number： ADM35105）. BmSP25 gene was specifically expressed in midgut tissues and continuously expressed at the whole larval stage of B. mori. The transcription level of BmSP25 gene was changed after BmNPV inoculation， BmSP25 mRNA was down-regulated at 6 h， but it was up-regulated obviously at 3， 12 and 24 h of inoculation. 【Conclusion】 BmSP25 plays an important role in the process of immune response from intrusion of BmNPV in B. mori. Since insect SP contains highly conserved specificity sites of substrate， substrate analogues and gene site-directed mutation can be utilized to control agricultural and forestry pests.

Key words： Bombyx mori； serine protease（SP） gene； expression； BmNPV inoculation； transcription analysis

0 引言

【研究意義】絲氨酸蛋白酶（Serine protease，SP）是一類以絲氨酸為活性中心的蛋白水解酶，在昆蟲體內消化、生長發育、免疫應答等方面發揮著重要作用（Rawlings and Barrett，1993；Krem and Di Cera，2002；Zou et al.，2006）。家蠶SP基因家族包括BmSPs及其同源體BmSPHs（Xia et al.，2004），是家蠶先天性免疫中免疫通路級聯的關鍵酶類（Hedstrom，2002），因此研究BmSPs基因家族成員對揭示其參與家蠶免疫應答功能具有重要意義。【前人研究進展】昆蟲體液免疫中的SP參與酚氧化酶原激活級聯，能激活以無活性前體形式存在的酚氧化酶原（Prophenoloxidase，proPO）形成有活性的酚氧化酶（Phenoloxidase，PO），進而催化家蠶合成醌類物質及黑色素以防御病原微生物入侵（Cerenius et al.，2008）。BmSPs含有修剪結構域clip，該結構域含有高度保守TAAHC、DIAL和GDSGGP的活性位點（Perona and Craik，1995），剪切羧基端的一些特殊氨基酸即可活化proPO（Zou et al.，2006；陳建平等，2012）。Xia等（2007）研究發現，BmSPs基因家族中以BmSP82基因在正常家蠶體內的轉錄水平最高，當家蠶感染核型多角體病毒（Bombyx mori nucleopolyhedrovirus，BmNPV）后該基因呈下調表達；Tanaka等（2008）鑒定了參與家蠶免疫應答的BmSPs和BmSPHs基因，并證實其某些成員基因在中腸特異表達，在正常家蠶體內主要參與食物消化。Zhao等（2010）利用家蠶基因組數據庫并依據其他物種的SPs基因序列共鑒定出143個基因，分別標記為BmSP1～ BmSP143，其中包括51個BmSPs和94個BmSPHs。BmSPs基因功能廣泛，因其在家蠶體內不同組織和發育時期的表達差異，進而發揮著不同的功能（Srinivasan et al.，2006）。BmSPs基因家族中某些成員在家蠶中腸特異表達，如BmSP2基因在防御BmNPV方面發揮著重要作用（Nakazawa et al.，2004）、BmSP36和BmSP141基因參與家蠶食物消化過程（劉華偉等，2016；Liu et al.，2016）。【本研究切入點】BmSPs除了在食物消化方面發揮作用外，還參與防御BmNPV侵染的免疫應答過程，但至今鮮見有關BmSPs基因免疫功能機理研究的報道。【擬解決的關鍵問題】研究分析BmSP25基因序列及其轉錄情況，并結合BmNPV侵染明確其表達規律對防御BmNPV的免疫應答機制，為揭示BmSPs在家蠶免疫應答方面的功能作用提供理論依據。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

家蠶品種大造和BmNPV均由云南省農業科學院蠶桑蜜蜂研究所保存提供。家蠶喂食桑葉，按當地的常規管理模式進行科學飼養；BmNPV使用濃度5.27×106 PIB/mL。主要試驗試劑：MiniBEST Universal RNA Extraction Kit、M-MLV反轉錄試劑盒、PCR相關試劑、實時熒光定量SYBR Primix Ex TaqTM II （Tli RNaseH Plus）試劑盒購自寶生物工程（大連）有限公司，凝膠回收試劑盒及其他化學試劑購自生工生物工程（上海）股份有限公司。

1. 2 試驗方法

1. 2. 1 家蠶樣品采集 家蠶飼養至五齡第3 d時收集其幼蟲頭、血液、表皮、中腸、脂肪體、馬氏管、氣管、絲腺、精巢和卵巢等組織樣品；家蠶飼養過程中，收集蟻蠶到上蔟不同發育時期的家蠶個體；在BmNPV處理試驗中，家蠶按常規方法飼養至五齡起蠶后隨機分成兩組，其中，試驗組每頭家蠶添食10.0 μL病毒懸浮液（5.27×106 PIB/mL），對照組添食等量ddH2O。分別采集添食后3、6、12和24 h的家蠶中腸組織，3次重復，每個重復至少取5頭家蠶，采集樣品置于-80 ℃保存備用。

1. 2. 2 家蠶總RNA提取及cDNA合成 將收集的家蠶組織樣品經液氮研磨，參照MiniBEST Universal RNA Extraction Kit總RNA提取試劑盒說明提取RNA。以紫外分光光度計測定總RNA濃度和純度，保留OD260/OD280在1.80～2.00的樣品，根據M-MLV反轉錄酶使用說明將抽提的RNA反轉錄合成cDNA。

1. 2. 3 BmSP25基因序列分析 參照家蠶基因組數據庫（http：//silkworm.genomics.org.cn/）設計BmSP25基因的擴增引物（表1）。以家蠶中腸組織cDNA為模板進行PCR擴增，擴增程序：95 ℃預變性4 min；95 ℃ 30 s，60 ℃ 30 s，72 ℃ 1 min，進行35個循環；最后72 ℃延伸10 min。PCR產物經膠回收試劑盒回收，純化后連接至pMD19-T載體并轉化大腸桿菌DH5α，以M13/M13R引物對擴增驗證陽性克隆，陽性菌液送至生工生物工程（上海）股份有限公司測序。采用在線分析軟件對BmSP25基因編碼蛋白的分子量、等電點（http：//web.

expasy.org/compute_pi/）、信號肽（http：//www.cbs.dtu.dk/

services/SignalP/）、功能結構域（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/wrpsb.cgi）、蛋白質二級結構（http：//bioinf.cs.ucl.ac.uk/ psipred/）和三級結構（https：//swissmodel.expasy.org/）進行預測；利用GeneDoc對BmSP25與其他物種的SP進行多序列比對分析，以MEGA 5.0（Tamura et al.，2011）的鄰接法（Neighbor-joining）構建系統發育進化樹（Bootstrap 1000次重復檢驗其可靠性）。

1. 2. 4 BmSP25時空轉錄情況分析 以Bmactin3為內參基因，設計BmSP25基因半定量RT-PCR擴增引物（表1），以蟻蠶至五齡第7 d幼蟲各組織器官cDNA為模板進行PCR擴增，擴增程序：94 ℃預變性4 min；94 ℃ 30 s，72 ℃ 30 s，進行31個循環；最后72 ℃延伸10 min。擴增產物用1.0%瓊脂糖凝膠電泳進行檢測。

1. 2. 5 BmNPV感染家蠶后BmSP25基因轉錄分析

設計BmSP25基因實時熒光定量PCR擴增引物（表1）。以不同時段的兩組家蠶中腸組織cDNA為模板、Bmactin3為內參基因進行實時熒光定量PCR檢測，參照SYBR Primix Ex TaqTM II（Tli RNaseH Plus）試劑盒說明配制反應體系（20.0 μL），即SYBR預混液10.0 μL，ROX Reference Dye 0.4 μL，10 μmol/L上、下游引物各0.4 μL，模板1.0 μL，ddH2O 7.8 μL。擴增程序：95 ℃預變性30 s；95 ℃ 30 s，60 ℃ 30 s，進行40個循環。每個樣品3次重復，收集試驗組和對照組目的基因與內參基因的Ct進行統計分析，并采用2-△△Ct計算目的基因的相對表達量（Livak and Schmittgen，2001）。

2 結果與分析

2. 1 BmSP25基因克隆與序列分析結果

根據家蠶基因組數據庫設計擴增BmSP25基因的特異性引物，以家蠶五齡第3 d的中腸組織cDNA為模板進行PCR擴增，目的基因片段測序結果顯示，BmSP25基因的ORF全長885 bp，編碼294個氨基酸。其中，第1～17位氨基酸為信號肽，為分泌型蛋白。經NCBI Conserved Domain Search在線分析發現，第54～288位氨基酸為類胰蛋白酶絲氨酸蛋白酶結構域（Trysin-like serine protease domain），去除信號肽后，其分子量為29.1 kD，理論等電點為7.8。利用PSIPRED Server在線預測BmSP25蛋白質的二級結構，結果表明，BmSP25蛋白由4個α螺旋、15個β折疊和一些無規則卷曲構成（圖1）；通過SWISS-MODEL同源建模預測其三級結構，發現BmSP25蛋白的三級結構（圖2）與其二級結構特征一致，蛋白結構以β折和無規則卷曲為主。

BmSP25氨基酸序列（BGIBMGA008514-PA）與 NCBI上登錄的其他昆蟲SP進行多序列比對分析，結果顯示，各序列中均含有SP高度保守的3個催化活性位點（His57、Asp102和Ser195），與活性相關的AAHC和GDSGGPL及形成二硫鍵的3對半胱氨酸殘基也較保守（圖3）。其中，BmSP25與蓓帶夜蛾SP序列（GenBank登錄號ADM35105）的同源性最高，為62.1%。采用MEGA 5.0的鄰接法（Neighbor-joining）構建基于SP序列的系統發育進化樹（圖4），結果顯示，鱗翅目昆蟲蛋白酶聚為兩支（Clade I和Clade II），其中BmSP25與蓓帶夜蛾、草地貪夜蛾、玉米螟和小蔗螟的SP序列在親緣關系上較近。

2. 2 BmSP25基因時空轉錄分析結果

通過半定量RT-PCR檢測BmSP25基因在五齡第3 d家蠶各組織中的表達情況，結果顯示，BmSP25基因在中腸組織中特異表達（圖5-A）。對家蠶蟻蠶至五齡第7 d整個幼蟲時期進行表達譜分析，結果發現BmSP25基因在整個家蠶幼蟲時期呈持續性表達（圖5-B）。

2. 3 BmNPV感染家蠶后BmSP25基因的轉錄分析結果

以添食ddH2O的五齡起蠶為對照組、BmNPV感染的五齡起蠶為試驗組，利用實時熒光定量PCR檢測BmSP25基因在家蠶中腸組織中的轉錄水平，結果（圖6）顯示，與對照組相比，試驗組家蠶感染BmNPV 3 h后BmSP25基因轉錄水平開始升高，至感染6 h時表現為下調表達，但感染12和24 h時檢測發現又呈明顯上調表達。說明BmSP25基因表達受病原微生物BmNPV入侵的影響。BmNPV侵染家蠶的第一道屏障是中腸，結合BmSP25基因在中腸組織中的特異表達，認為其在防御BmNPV侵染方面發揮重要作用。

3 討論

SP在昆蟲體內主要參與消化、發育和免疫應答等生理過程。本研究成功克隆獲得BmSP52基因（BGIBMGA008514-TA），其基因序列由5個外顯子和4個內含子組成，編碼區全長885 bp，編碼294個氨基酸，其中第1～17位氨基酸為信號肽，去信號肽的分子量為29.1 kD，理論等電點為7.8。氨基酸多序列比對分析結果表明，BmSP52與蓓帶夜蛾的SP序列同源性最高（62.1%）；而系統發育進化樹顯示，家蠶與夜蛾科昆蟲（蓓帶夜蛾與草地貪夜蛾）、螟蛾科（玉米螟與小蔗螟）蛋白酶同聚在Clade II分支上。胰蛋白酶類的SP底物特異性位點主要是189S/189G-216G-226G/226A（Perona and Craik，1995），BmSP25與螟蛾科（玉米螟與小蔗螟）在底物特異性位點189G處高度保守，與多序列比對分析結果和系統發育進化樹分析結果一致。鑒于昆蟲SP具有高度保守的底物特異性位點，因此可利用底物類似物、基因定點突變等方式來預防農林害蟲。

BmSP52基因在家蠶中腸組織中特異表達，且在整個幼蟲時期呈持續性表達。中腸是昆蟲消化食物和吸收營養的主要器官，也是抵御BmNPV等病源微生物入侵的重要場所。中腸消化液含有多種抗BmNPV的相關蛋白，如家蠶脂肪酶（Bmlipase-1）（Ponnuvel et al.，2003）、BmSP2（Nakazawa et al.，2004）、家蠶還原型輔酶II氧化還原酶（NADPH-oxidoreductase-like）（Selot et al.，2007）、紅色熒光蛋白（Red fluorescent protein）（Sunagar et al.，2011）和堿性胰蛋白酶Trypsin（Ponnuvel et al.，2012）。SP在昆蟲免疫應答過程中主要參與信號調控，在病原微生物入侵時激活細胞信號轉導路徑，如激活昆蟲免疫反應的核心細胞信號Imd和Toll通路（Hultmark，2003），進而誘導抗菌肽合成（Weber et al.，2003）。本研究結果表明，BmSP52基因轉錄水平在家蠶感染BmNPV后發生明顯變化，在感染6 h時呈下調趨勢，而在感染3、12和24 h時均呈明顯上調表達，表明BmSP52基因表達受病原微生物BmNPV誘導而參與家蠶幼蟲免疫應答過程。由于BmSP25與BmSP36、BmSP141具有高度保守胰蛋白酶的底物特異性基序，故推測BmSP25在家蠶中腸食物消化方面也發揮重要作用，但具體原理有待進一步驗證。

4 結論

BmSP25在家蠶中腸組織中特異表達，且在整個幼蟲期呈持續性表達，尤其在防御BmNPV入侵的免疫應答過程中發揮重要作用。鑒于昆蟲SP具有高度保守的底物特異性位點，因此可利用底物類似物、基因定點突變等方式來預防農林害蟲。

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（責任編輯 蘭宗寶）