铜绿假单胞菌噬菌体elys基因推定及功能验证

摘要

研究背景与意义:
　　 二十世纪九十年代人类基因组计划(human genome projeet,HGP)的提出及完成,极大地促进和带动了一系列生物基因组计划的蓬勃发展。截止到目前为止,GenBank已经登录了数千种生物的基因组序列,并且还有数百种生物的基因组测序正在进行之中。在登录的基因组数据中,有的完成了初步注释,有的仅仅是完成了测序工作。尽管测序工作进展神速,但基因功能研究明显滞后,这给科研工作者提出了新的课题。因此,基因功能研究成为了后基因组学或功能基因组学时代的艰巨任务之一。
　　 本室在前期工作中分离鉴定了3株铜绿假单胞菌噬菌体,分别命名为PaP1、PaP2和PaP3(pseudomonas aeruginosa phage)。目前,溶源性噬菌体Pap2和PaP3全基因组测序及基因初步注释工作已经完成,并提交到GenBank。裂解性噬菌体Pap1基因组也已经完成了部分测序。根据分析,这三种噬菌体所预测的基因中大多数为功能未知基因。因而,展开对这些基因的分析及功能验证成为我们面临的重要任务。
　　 在功能基因研究中,我们首先把目标集中在与噬菌体裂解细菌有关的基因上。这是因为,噬菌体是以细菌为宿主的病毒,噬菌体在感染宿主菌时,必须穿过细菌的细胞壁肽聚糖层,或者将其核酸注入到宿主菌体内进行复制。噬菌体在完成复制、组装后,又必须破坏宿主肽聚糖层,释放子代噬菌体,进而感染新的细菌。因此,噬菌体完成其繁殖,必须“一进一出”两次穿越宿主菌的细胞壁屏障。与单链(DNA/RNA)噬菌体不同的是,双链DNA噬菌体感染宿主的结果,往往最终杀死宿主菌。因此,噬菌体在感染过程中必然产生一种能够破坏宿主细胞壁肽聚糖层的相关酶类。而细胞壁是细菌赖以生存的基础,能够破坏细胞壁的酶类也就有可能成为潜在的抗感染药物。
　　 根据文献报道,控制双链DNA噬菌体进出宿主细胞的物质是一种由噬菌体编码的蛋白,称作内溶素或者肽聚糖解聚酶(Endolysin或者Lysin,简写为elys)。内溶素作为一种酶蛋白,可以破坏噬菌体宿主菌的细胞壁肽聚糖。因而,内溶素有可能成为某些致病细菌特别是耐药性致病菌的潜在的抗感染药物。另外,大部分噬菌体的内溶素由于缺少信号肽不能够穿透宿主细胞膜,通常需要噬菌体编码的一种穴蛋白(Holin)辅助才能够穿过宿主细胞膜,进入周间质进而作用于宿主细胞壁肽聚糖层。因此,对于噬菌体内溶素及穴蛋白进行广泛深入的研究不但有助于了解噬菌体与宿主的相互作用、揭示生命的多样性,而且将内溶素作为生物制剂,应用于噬菌体治疗(phagetherapy)也有重要的研究意义。
　　 材料与方法:
　　 收集GenBank中已经登录的全部铜绿假单胞菌双链DNA噬菌体基因组序列(含我室提交的噬菌体PaP2和PaP3基因组序列)及我室未提交的噬菌体PaP1部分基因组序列。首先,初步分析各基因组组成特点,并进行比较基因组分析;其次,通过对所有基因组可能编码的ORF进行BLAST检索,从而推定所有可能的内溶素及穴蛋白基因;再次,对发现的铜绿假单胞菌噬菌体内溶素及穴蛋白进行比较、归类、三级结构预测、系统发生进化分析及跨膜结构域预测;最后,克隆、表达推定的铜绿假单胞菌噬菌体PaPl内溶素基因,纯化基因表达产物,分析这些表达产物对底物肽聚糖的降解活性及抑菌作用,通过实验证实推定的内溶素的生物学功能。
　　 结果与讨论:
　　 1.铜绿假单胞菌噬菌体基因组比较:经过搜集整理,共有20种铜绿假单胞菌双链DNA噬菌体基因组序列。除10种铜绿假单胞菌噬菌体基因组已完成了初步注释外,其余铜绿假单胞菌噬菌体基因组仅仅是完成了测序工作,未作任何注释。通过对基因组序列比较分析,除这三对噬菌体外,其它铜绿假单胞菌噬菌体基因组序列相互之间相似性极低。这三对噬菌体分别是PA7与PA16、119X与PaP2、SD1-M与phhiKZ,其中噬菌体PA7与PA16基因组序列之间相似性达99％以上,噬菌体119X和PaP2基因组序列之间相似性为93％,噬菌体SD1-M与phiKZ基因组序列之间相似性为99％。这些相似性的序列有的表现为大片段完全相同,呈嵌合体状态;有的表现为突变碱基呈点状分散,且基因组两端序列变化显著。这种结构模式表明,噬菌体基因组的进化与其它物种的进化类似,分为渐变式和爆发式。其中爆发式进化可以用模块进化理论(modular evolution)来解释:基因或蛋白的进化并不是通过连续的一个个的核苷酸或者氨基酸的替换,而是通过装配已经存在的编码蛋白多肽的核苷酸区段完成的,而进化的结果则表现在噬菌体基因组呈镶嵌型结构,且基因组两端序列变化显著。
　　 2.铜绿假单胞菌噬菌体内溶素基因的推定:根据铜绿假单胞菌噬菌体在Genbank登录的序列及基因注释,已有12种内溶素基因被发现与命名。而我们对20种铜绿假单胞菌噬菌体基因组重新分析,新发现8种内溶素基因。这8种噬菌体内溶素基因分别是噬菌体F10的ORF37273～37890、噬菌体的F8 OPF24127～26709及ORF34978～35637、噬菌体M6的ORF13111～13932、噬菌体Pall的ORF21764～22279、噬菌体SD1-M的ORF147382～148161及ORF190416～197138、噬菌体PaP1的ORF25043～25603。
　　 3.铜绿假单胞菌噬菌体内溶素分类:对20种噬菌体内溶素基因编码的氨基酸序列经过clustalw多重序列比对后生成的进化树结果来看,铜绿假单胞菌噬菌体内溶素可以分为4类:包括N-乙酰胞壁酸酶类、葡萄糖苷酶类、转糖基酶类和未知功能类。新发现的8种噬菌体内溶素中,属于N-乙酰胞壁酸酶类的内溶素只有1种,是噬菌体pall的ORF21764～22279编码产物;属于葡萄糖苷酶类的内溶素有2种,分别是噬菌体F8的OR-F34978～35637和F10的ORF37273～37890编码的产物;属于转糖基酶类的内溶素有4种,分别是噬菌体M6的ORF13111～13932、噬菌体F8的ORF24127～26706及噬菌体SD1-M的ORF147382～148161及ORF190416～197138编码的产物均;而噬菌体PaP1的ORF25043～25603编码的产物由于同时与肽链内切酶和酰氨酶在N-端序列上有一定的相似性,目前尚不能归类,本文将之归为未知功能类。
　　 4.铜绿假单胞菌噬菌体穴蛋白基因推定:在20种噬菌体中,已有3种噬菌体编码穴蛋白的基因被注释。我们对20种噬菌体基因组重新分析,新发现了2种穴蛋白基因,分别是噬菌体F10的ORF36944～37276及噬菌体M6的ORF12887～13219。5种穴蛋白的基因序列及编码的氨基酸序列具有共同的基本特征:编码穴蛋白的基因位于内溶素基因的上游;通常含有至少两个疏水区和一段较短的连接序列;蛋白质多肽链氨基酸残基个数在71～111之间。此外穴蛋白基因在噬菌体基因组内与内溶素基因均有多个碱基的重叠现象(genes overlap)。在其它未发现穴蛋白噬菌体的基因组序列中,均能发现一个或几个编码含有跨膜区结构的基因,这些含有跨膜区结构的基因是否是噬菌体穴蛋白的候选基因值得深入研究。
　　 5.噬菌体PaP1内溶素基因-ely的克隆、表达与纯化:本文选择铜绿假单胞菌噬菌体PaP1内溶素基因进行验证。通过对PCR反应体系和条件的优化,以噬菌体Pap1基因组DNA为模板,通过PCR扩增获得噬菌体PaP1内溶素基因全长序列。将该基因构建到表达载体pQE31中,然后转化大肠埃希菌M15(pREP4)并诱导表达。在一定范围内随IPTG浓度的增加,重组蛋白表达率增加,至0.4～0.6mM时基本达到最高峰值,重组蛋白表达最佳诱导时间为6h,重组蛋白表达形式主要以可溶性状态存在。经过Ni-NTA亲和柱层析、UNOsphere-S阳离子交换层析及分子筛脱盐后,获得了与预测分子量大小相符的单一条带的目标蛋白。
　　 6.底物的提取与ELY-6H重组融合蛋白酶活性检测
　　 7.ELY-6H重组融合蛋白的抑菌活性检测
　　 结论
　　 本研究通过对铜绿假单胞菌噬菌体内溶素的基因推定,共发现20种内溶素基因和6种穴蛋白基因,其中8种内溶素基因和2种穴蛋白基因为本研究新发现基因。推定的内溶素基因分属于4个类群:转糖基酶类、N-乙酰胞壁酸酶类、N-乙酰葡萄糖苷酶类和功能未知类。选择一推定的噬菌体PaP1 ely基因进行克隆和表达,同时对表达的ELY-6H重组融合蛋白进行了纯化,得到较纯的重组融合蛋白。对该重组融合蛋白对底物肽聚糖的降解活性检测及抑菌活性检测。结果表明,推定的噬菌体PaP1重组内溶素融合蛋白对铜绿假单胞菌细胞壁肽聚糖具有降解活性,并且对金黄色葡萄球菌活菌具有一定的抑菌活性。该研究从实验方面证实了推定的噬菌体PaP1内溶素基因的生物学功能。但该基因的工程菌表达产物在医学抗感染方面可能不具有直接应用意义。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:英文缩写一览表、氨基酸缩写

前言

第一章 铜绿假单胞菌噬菌体elys和holin基因的推定

前言

第一节 铜绿假单胞菌噬菌体elys基因推定与结构分析

材料

方法

结果

讨论

第二节 铜绿假单胞菌噬菌体穴蛋白基因推定与结构分析

材料

方法

结果

讨论

第二章 铜绿假单胞菌噬菌体PaP1 ely基因的克隆、表达与活性鉴定

前言

第一节 噬菌体PaP1-ely的克隆与表达载体的构建

试剂与材料

实验方法

结果

第二节 噬菌体PaP1重组蛋白ELY-6H的纯化

试剂与材料

实验方法

结果

第三节 噬菌体PaP1重组蛋白ELY-6H的活性鉴定

试剂与材料

方法

结果

本章讨论

全文总结

致谢

参考文献

文献综述一:噬菌体内溶素研究进展

文献综述二:噬菌体内溶素的酶学特性及其应用前景

博士在读期间发表文章