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文章信息
- 张奇文, 凌晨, 马勋, 杜冬冬, 钱凌霄, 李红欢
- ZHANG Qi-Wen, LING Chen, MA Xun, DU Dong-Dong, QIAN Ling-Xiao, LI Hong-Huan
- 单增李斯特菌新疆分离株lmo0160基因克隆及序列分析
- Cloning and sequence analysis of lmo0160 gene of Listeria monocytogenes strain from Xinjiang
- 微生物学通报, 2017, 44(12): 2905-2913
- Microbiology China, 2017, 44(12): 2905-2913
- DOI: 10.13344/j.microbiol.china.170495
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文章历史
- 收稿日期: 2017-07-06
- 接受日期: 2017-09-11
- 优先数字出版日期(www.cnki.net): 2017-09-11
李斯特菌属包括单增李斯特菌(Listeria monocytogenes,LM或L. monocytogenes)、伊氏李斯特菌(L. ivanovii)、英诺克李斯特菌(L. innocua)、威尔斯李斯特菌(L. welshimeri)、西尔李斯特菌(L. seeligeri)和格氏李斯特菌(L. grayi) 6种菌[1],在李斯特菌属中,LM是唯一能引起人和动物发病的重要食源性人畜共患病病原菌。20世纪90年代,LM已被世界卫生组织(WHO)列为仅次于大肠杆菌O157、沙门氏菌、志贺氏菌后的第四大重要的食源性致病菌[2]。
LM是革兰氏阳性短杆菌,是一种常见的食源性致病菌,广泛分布于自然界中,有较强的环境适应性,可在低温、高盐、酸碱等不利的环境条件下生长繁殖[3],通过多种途径进入食品及食品加工环境。LM作为一种具有侵袭性的胞内寄生菌,可穿越宿主肠道屏障、胎盘屏障、血脑屏障,入侵宿主机体后可在吞噬细胞和非吞噬细胞内存活并大量增殖。临床上引起肠胃炎、脑膜炎、败血症、流产等症状,尤其对新生儿、妊娠母畜和免疫功能不全者的发病率和死亡率均较高[4]。LM的感染过程主要包括:抵抗宿主体内环境的应激、侵袭、感染及胞间扩散等,这些都与LM的一系列毒力因子表达及调控相关。
LM共表达2 853种蛋白,其中133种属于表面蛋白[5]。LM表面蛋白的数量和类型比其他任何细菌都丰富,这些表面蛋白在LM感染机体过程中起着重要的作用。其中有一类表面蛋白,其前体蛋白C端含有保守基序LPXTG (Leu-Pro-X-Thr-Gly),这些蛋白由分选酶Sort A通过识别LPXTG保守基序,将蛋白共价结合到细胞壁肽聚糖上,呈现在细胞表面,在感染机体过程中发挥重要毒力作用[6]。
对标准株EGD-e全基因组序列分析发现,该菌株含有41个LPXTG保守基序蛋白,但目前仅有部分蛋白的功能被研究。Popowska等[7]对Lmo0327的研究发现,该蛋白具有胞壁质酶水解活性,缺失后不会降低侵染和黏附人胚胎上皮细胞的水平,但在细胞分裂和胞壁质翻转中起到重要作用。Cummins等[8]通过小鼠口腔感染Lmo0842缺失株,明显减少了在小鼠肝脏和脾脏的载菌量,但并未证实Lmo0842缺失后对Caco-2细胞的侵袭具有增强的作用。Pucciarelli等[9]研究发现,Lmo0433 (InlA)与宿主受体E-cadherin特异性结合可介导LM对上皮细胞的黏附、侵入,提前终止InlA蛋白表达可显著降低LM对宿主细胞黏附和侵袭能力,证实了该蛋白结构完整性对黏附侵袭能力及致病力起到关键作用。表面蛋白Lmo0160是预测的41个蛋白之一,其功能目前尚未研究。本研究对LM90SB2菌株lmo0160基因进行PCR扩增、克隆及测序,并对其编码蛋白进行生物信息学分析,为探讨lmo0160基因在LM90SB2致病和生存中的功能奠定基础。
1 材料与方法 1.1 菌株和质粒单增李斯特菌LM90SB2分离自新疆某羊场患李斯特菌病绵羊脑组织,血清型为4b型;大肠杆菌(Escherichia coli) DH5α购自北京全式金生物技术有限公司。
1.2 主要试剂和仪器Trans5K DNA Marker、Pfu Polymerase、10×Pfu PCR buffer (含MgCl2),北京全式金生物技术有限公司;细菌基因组DNA提取试剂盒,天根生化科技(北京)有限公司;琼脂糖凝胶电泳回收试剂盒,北京诺维森生物科技有限公司;dNTP mix、ddH2O、pMD19-T载体宝生物工程(大连)有限公司;BHI培养基,青岛高科园海博生物技术有限公司;LB培养基(g/L):胰蛋白胨10.0,酵母提取物5.0,NaCl 10.0,pH 7.4。
生物安全柜,美国Baker公司;CR22E高速冷冻离心机,日本日立公司;隔水式电热恒温培养箱,北京永光明医疗仪器厂;PCR扩增仪,美国Thermo公司;电泳凝胶成像仪,美国Bio-Rad公司。
1.3 引物设计与合成参考菌株LM F2365 (GenBank登录号为AE017262)公布的基因序列,运用Primer 5.0软件设计lmo0160序列特异性引物,预期扩增片段长度为1 708 bp。lmo0160-F:5′-CGGAATTCATGAAGAAACGCACGACAAT-3′ (含EcoR Ⅰ酶切位点和保护碱基);lmo0160-R:5′-AACTGCAGAAATAGCTACGAGCAGTATTCCC-3′ (含Pst Ⅰ酶切位点和保护碱基)。引物由北京六合华大基因科技有限公司合成。
1.4 菌株培养及基因组DNA提取将实验室保存的LM90SB2菌株接种于BHI平板,37 ℃培养16−18 h,挑取单个菌落接种于BHI液体培养基中37 ℃、180 r/min培养16−18 h,用1.5 mL试管收集菌体,参考细菌基因组DNA提取试剂盒说明书提取LM90SB2全基因组DNA,于−20 ℃保存备用。
1.5 PCR扩增目的条带以LM90SB2全基因组DNA为模板,以lmo0160-F和lmo0160-R为上下游引物扩增目的片段。PCR反应体系(50 μL):10×Pfu PCR buffer (含MgCl2) 5.0 μL,dNTP mix (2.5 mmol/L) 2.0 μL,Pfu Polymerase (5 U/μL) 0.5 μL,上下游引物(10 µmol/L)各1.0 μL,DNA模板1.0 μL、ddH2O补足50 μL。PCR反应条件:95 ℃ 5 min;95 ℃ 30 s,60 ℃ 30 s,72 ℃ 2.5 min,35个循环;72 ℃ 10 min。同时设置空白对照组。取7 μL扩增产物于1%琼脂糖凝胶电泳检测。
1.6 目的基因克隆及测序PCR扩增产物经琼脂糖凝胶DNA回收试剂盒回收后,与pMD19-T载体连接过夜,冷热激法将连接产物转化至大肠杆菌DH5α感受态细胞,涂布于含Ampr (100 μg/mL)的LB固体培养基上,37 ℃培养12−16 h。挑取单菌落通过菌液PCR筛选出阳性克隆菌送北京六合华大基因科技有限公司测序。
1.7 生物信息学分析用DNAMAN软件进行序列比对,用Mega 6.0软件构建不同来源菌株lmo0160基因系统进化树;利用ProtParam软件(http://web.expasy.org/protparam/)分析lmo0160基因序列的基本理化性质;利用SignalP 4.1 Server软件(http://www.cbs.dtu.dk/services/SignalP/)预测蛋白质的信号肽;利用TMHMM软件(http://www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM-2.0/)分析蛋白质跨膜结构;利用TargetP 1.1 Server在线软件(http://www.cbs.dtu.dk/services/TargetP/)预测Lmo0160蛋白在细胞内的定位;利用SMART软件(http://smart.embl-heidelberg.de/smart/set_mode.cgi?NORMAL=1)预测蛋白质的结构域;利用SOPMA软件(https://npsa-prabi.ibcp.fr/cgi-bin/npsa_automat.pl?page=npsa_sopma.html)和SWISS-MODEL软件(http://swissmodel.expasy.org/)预测蛋白质二级结构和三级结构。
2 结果与分析 2.1 lmo0160基因PCR扩增及克隆测序利用特异性引物扩增出lmo0160基因序列,经1%琼脂糖凝胶电泳检测得到约1 708 bp片段,目的条带清晰、单一,与预期片段大小一致(图 1)。经测序lmo0160基因序列长为1 708 bp,结果显示获得阳性转化子。在NCBI上对获得的lmo0160基因序列进行分析,该基因开放阅读框为1 428 bp,共编码475个氨基酸。
2.2 lmo0160核苷酸序列同源性比对将克隆测序所得LM90SB2的lmo0160核苷酸序列与GenBank上公布的10株不同来源的lmo0160核苷酸序列进行同源性比对。结果显示,LM90SB2的lmo0160核苷酸序列与国际标准株EGD-e株(1/2a型)的相似性为87.2%;与F2365株(4b型,奶酪,美国)、NTSN株(4b型,绵羊脑,中国扬州)、CFSAN008100株(4b型,美国)、CFSAN023463株(4b型,美国)和J2-064株(4b型,美国)相似性均达到99.0%以上;与M7株(4a型,牛奶,中国浙江)相似性为97.2%;与Finland株(1/2a型,美国)、N53-1株(1/2a型,熟火腿,瑞士)和N1546株(1/2a型,鱼,丹麦)相似性均为91.1% (图 2)。
2.3 lmo0160编码氨基酸的同源性比对利用DNAStar软件推导出LM90SB2的lmo0160编码的氨基酸序列,将其与10株不同来源lmo0160编码的氨基酸序列进行同源性比对。结果显示,LM90SB2的lmo0160编码的氨基酸序列与F2365株(4b型,美国)、CFSAN008100株(4b型,美国)、CFSAN023463株(4b型,美国)、J2-064株(4b型,美国)和NTSN株(4b型,中国扬州)相似性为99.2%–99.4%;与M7株(4a型,中国浙江)相似性为96.2%;与国际标准株EGD-e株(1/2a型)、美国Finland株(1/2a型)、瑞士N53-1株(1/2a型)和丹麦N1546株(1/2a型)相似性均为91.8% (图 2)。
2.4 lmo0160基因序列的系统进化分析为了研究LM90SB2 lmo0160基因的分子进化关系,使用Mega 6.0软件,采用邻接法(Neighbor-Joining,NJ),利用自举分析(Bootstrap,1 000次重复)检验各分支的置信度,构建该基因及GenBank中检索到的10株其他来源基因编码区序列的分子系统进化树。如图 3所示,分子系统进化关系与血清型有密切关系,而与菌株来源关系不大。其中LM90SB2与4b血清型菌株(NTSN、F2365、CFSAN023463、J2-064和CFSAN008100)形成一分支,与中国M7株(4a型)聚类成一个类群,它们亲缘性关系较近;而1/2a血清型的国际标准株EGD-e株、Finland1998株、N1546株和N53-1株形成另一个分支,与LM90SB2株亲缘性关系较远。
2.5 Lmo0160蛋白理化性质分析利用ExPASY在线软件中ProtParam工具分析LM90SB2的lmo0160基因编码蛋白的理化性质,该蛋白分子质量约为51.83 kD,其分子式为C2307H3603N589O761S2,含有51个强碱性氨基酸(R、H、K)、73个强酸性氨基酸(D、E)、174个疏水性氨基酸(A、I、L、M、F、P、W、V);极性氨基酸总数301个:177个极性不带电氨基酸(N、C、Q、G、S、T、Y)、51个极性带正电氨基酸(R、H、K)、73个极性带负电氨基酸(D、E);理论等电点(PI)为4.61;带负电荷的残基总数为73个,带正电荷的残基总数为45个;不稳定指数为19.89,根据Guruprasad方法表明Lmo0160蛋白为稳定性蛋白;脂溶指数为75.45,总疏水性平均数为−0.578。ProtScale在线工具进一步预测表明,Lmo0160氨基酸序列中疏水最大值为1.978,最小值为−3.000,大部分氨基酸属于亲水性氨基酸,可见该蛋白属于亲水性蛋白(图 4)。
2.6 Lmo0160蛋白跨膜区及信号肽分析利用TMHMM 2.0 Server在线服务器分析Lmo0160蛋白跨膜结构域,结果显示Lmo0160蛋白无跨膜螺旋,均处于膜外,不存在跨膜结构。利用SignalP 4.1 Server在线服务器分析发现,该蛋白无信号肽序列。
2.7 Lmo0160蛋白结构预测利用ExPASY软件中TargetP程序分析Lmo0160蛋白进行亚细胞定位显示,分泌信号通路位点(SP)占比为0.112,说明该蛋白不属于分泌型蛋白。利用SMART软件对Lmo0160蛋白结构域预测,结果表明,Lmo0160蛋白的100−226位氨基酸为胶原结合域;259−329位和351−420位氨基酸为Cna B结构域(图 5)。利用SOPMA软件预测Lmo0160蛋白的二级结构发现,无规卷曲234个,占49.26%;延伸链139个,占29.26%;α-螺旋58个,占12.21%;β-转角44个,占9.26% (图 6)。SWISS-MODEL分析平台预测该蛋白的三级结构(图 7),进一步验证了二级结构的预测。
3 讨论
细菌表面蛋白参与细胞各种生理和生化过程的调节,其结构与功能十分复杂。例如参与细菌生长、应激、耐受环境压力胁迫、致病性、黏附与侵袭宿主细胞、免疫防御等重要过程。同样,表面蛋白对LM也至关重要,可使其广泛生存于不同环境中,包括食物和真核细胞胞质[10-12]。EGD-e含有133个表面蛋白,根据不同的锚定系统和潜在结构域,将其表面蛋白分为4种,分别为LPXTG表面蛋白、疏水性尾部蛋白、GW蛋白和脂蛋白[13]。其中LPXTG表面蛋白可通过分选酶Sort A锚定到细菌细胞壁表面,在感染机体过程中发挥重要毒力作用[14]。
对LM参考菌株全基因组进行生物信息学研究,预测LM表面有41个LPXTG基序蛋白。目前,国内外已有研究者对部分LPXTG基序蛋白进行了初步研究,如InlA (Lmo0433)[15]、InlF[16]、InlJ[17-19]、Lmo2085[20]、Vip (lmo0320)[21]、LapB (lmo1666)[22-23]、InlH (lmo0263)[24]、Lmo0327[7]、Lmo0842[25]、Lmo1413[13]、Lmo1290[26]、P60[27]等,但Lmo0130、Lmo0160、Lmo0610、Lmo0842、Lmo0880、Lmo0159、Lmo2714等这些LPXTG基序蛋白功能未见相关报道。本试验采用PCR方法从LM90SB2菌株克隆lmo0160基因,经测序、拼接和比对后获得lmo0160全长序列1 708 bp,开放阅读框为1 428 bp,共编码475个氨基酸。同源性比对分析显示:LM90SB2菌株lmo0160核苷酸序列与4b血清型菌株相似性较高,为99.0%−99.1%,其次与4a血清型菌株相似性为97.2%,与1/2a血清型菌株相似性为87.2%−91.1%;而其编码氨基酸序列相似性均较高,为91.8%−99.4%。系统进化树结果显示,LM90SB2菌株lmo0160基因与4b血清型菌株亲缘关系较近,处在同一分支上。lmo0160基因同源性和进化树结果发现,同一血清型菌株lmo0160基因序列相似性高且聚集在同一进化分支上,提示lmo0160基因可能在不同血清型菌株中有一定变异,利用lmo0160基因构建进化树可将同一血清型聚类。本试验结果与童文彬[28]利用肠道病毒的核苷酸序列构建进化树判断毒株血清型的结果一致。
LM90SB2菌株Lmo0160蛋白的理化性质分析显示,该蛋白是一种偏酸性(PI理论值为4.61)、稳定(不稳定指数为19.89 < 40.00为稳定性蛋白)、亲水性蛋白质。Lmo0160蛋白结构域分析显示,该蛋白无跨膜区域,无信号肽区域,但含有3个结构域;Lmo0160蛋白二级结构预测发现,该蛋白是含有234个无规卷曲(49.26%)、139个延伸链(29.26%)、58个α-螺旋(12.21%)、44个β-转角(9.26%)的混合模型,其中以无规则卷曲为主;Lmo0160蛋白具有多个高亲水性区域,由此推断该蛋白具有B细胞表位形成的结构基础。
金黄色葡萄球菌Cna黏附素由Cna基因编码,该黏附素能够结合胶原蛋白,在细菌侵袭过程中起重要作用[29]。Elasri等[30]研究发现,骨骼中的金黄色葡萄球菌表面蛋白Cna可通过结合宿主的胶原蛋白,黏附于组织(如软骨)表面后侵袭骨骼,最终引起人和动物的关节炎和骨髓炎。Hienz等[31]构建的Cna基因缺失株可减弱结合胶原蛋白的能力,同时在小鼠毒力试验中发现其毒力减弱。Cna基因序列由一个非重复A域和重复B域组成,Cna A域决定Cna的活性,Cna B域由B1−B4重复序列组成,该域既不结合胶原蛋白,又不影响黏附素的活性,但Cna A通过Cna B的介导作用结合胶原蛋白[32-35]。Lmo0160蛋白结构域预测显示,该蛋白含有1个胶原蛋白结合域(第100–226位)和2个Cna B域,分别位于第259−329位和351−420位,推测该蛋白可能参与细菌的黏附过程,在LM90SB2的致病过程中发挥重要作用。这为正确认识Lmo0160蛋白的结构、功能、分类、作用部位等特性提供参考。
本研究首次克隆了lmo0160基因,并利用生物学软件对其结构进行预测,为今后研究该蛋白在LM90SB2菌株的致病作用及其机制提供了理论基础。但要确定该基因的具体功能,还需通过构建lmo0160基因缺失株并进行动物试验和侵袭细胞来进一步验证。
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