中草药  2014, Vol. 45 Issue (18): 2691-2695
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椪柑柠檬苦素-UDP-葡萄糖基转移酶基因的克隆、分析及表达
罗静, 裴瑾 , 康亚兰, 刘薇, 刘维, 陈翠平, 吴清华    
成都中医药大学药学院 中药材标准化教育部重点实验室, 四川 成都 610075
摘要目的 克隆中药橘核主要来源品种椪柑Citrus reticulata的柠檬苦素-UDP-葡萄糖基转移酶(limonoid-UDP-glucosyl transferase gene,LGT)基因,并进行生物信息学及表达分析为橘核有效成分合成及调控机制研究提供基础。方法 克隆获得LGT序列,通过生物信息学对该基因蛋白的特征进行分析,构建LGT与相关物种LGT的系统进化树,利用RT-PCR分析橘皮、橘肉以及橘核中LGT基因表达量,并进行分析和比较。结果 测序所得椪柑LGT序列全长为1 530 bp,具有1 509 bp的完整开放阅读框,编码502个氨基酸。并对其蛋白二级、三级结构进行了分析和预测。基因表达分析结果发现椪柑LGT基因在橘核中表达量最低,其次为橘皮,表达量最高为橘肉。结论 成功克隆、分析并表达了椪柑LGT基因,为橘核中柠檬苦素类物质合成及调控机制研究提供基础。
关键词椪柑     橘核     柠檬苦素-UDP-葡萄糖基转移酶基因     基因克隆     生物信息学分析    
Cloning, analysis, and expression of limonoid UDP-glucosyl transferase gene in Citri Reticulatae Semen
LUO Jing, PEI Jin, KANG Ya-lan, LIU Wei, LIU Wei, CHEN Cui-ping, WU Qing-hua    
Ministry of Education Key Laboratory of standardization of Chinese herbal medicines of Pharmacy, Chengdu University of Traditional Chinese Medicine, Chengdu 610075, China
Abstract: Objective To cloning limonoid-UDP-glucosyl transferase (LGT) gene in Citrus reticulata, analyze the bioinformations of LGT, and compare the expression to provide the foundation for the composite and regulation mechanism of the active ingredient in Citri Reticulatae Semen. Methods LGT gene was cloned the protein characteristics were analyzed using bioinformatics and constructing phylogenetic tree. The expression of LGT in the different parts was analyzed using real time-PCR. Results A 1 530 bp LGT sequence in in C. reticulata, was obtained, which had a 1509 bp ORF and could encode 502 amino acids. And protein analysis and forecast of its secondary and tertiary structures were carried out. Gene expression analysis revealed the expression of citrus LGT was the lowest in semen, and was followed by skin, and the highest expression of fresh. Conclusion LGT gene of C. reticulata, and is successfully cloned, analyzed, and expressed a basis for the study of matter in the synthesis and regulation of limonoids is provided.
Key words: Citrus reticulata Blanco cv. Ponkan     Citri Reticulatae Semen     limonoid-UDP-glucosyl transferase gene     gene cloning     bioinformations analysis    

橘核Citri Reticulatae Semen为芸香科植物桠柑Citrus reticulata Blanco cv. Ponkan及其栽培变种的干燥成熟种子;具有理气、散结、止痛的功效。临床用于疝气疼痛、睾丸肿痛、乳痈乳癖[1]。橘核的主要化学成分为柠檬苦素类似物如柠檬苦素(limonin)、诺米林(nomilin)等[2],柠檬苦素类似物是以柠檬苦素的化学结构为基本单位的一系列化合物,是一类高度氧化的四环三萜类植物次生代谢产物,具有抗肿瘤、昆虫拒食、抗病毒、镇痛、抗炎、催眠等多种生物活性。可用于功能性食品添加剂、抗癌食品、杀虫剂、饲料添加剂等[3]。主要分布于芸香科和楝科植物体内,特别在柑橘属中含量丰富[4],在柑橘属果实的不同部位中,又以种子中的量最高,其次是果皮,果肉中的量最低[5, 6]。研究表明在柑橘生长和成熟的过程中,柠檬苦素A-环内酯在柠檬苦素-UDP-葡萄糖基转移酶(limonoid- UDP-glucosyl transferase gene,LGT)基因的催化下转变成了无苦味的柠檬苦素类似物[7]LGT基因是柠檬苦素类似物合成过程中重要的基因。

本研究设计特异性引物,从椪柑中成功克隆获得LGT基因分析并表达了椪柑LGT基因。结果发现椪柑LGT基因在橘核中表达量最低,其次为橘皮,表达量最高为橘肉。旨在探索LGT基因表达量差异,为柠檬苦素类物质合成及调控机制研究提供基础。

1 材料与方法 1.1 材料

椪柑于2013年12月采于四川省蒲江县,由成都中医药大学裴瑾教授鉴定为芸香科植物椪柑Citrus reticulata Blanco cv. Ponkan,果实洗净,经乙醇擦拭及DEPC水处理,将果皮、果肉、橘核分离后立即放入液氮中保存,带回实验室,于-80 ℃冰箱保存。用于RNA提取。

Trizol总RNA提取试剂(TIANGEN),2×Taq PCR MasterMix(TIANGEN),ddH2O(TIANGEN),cDNA反转录试剂盒(TOYOBO),THUNDERBIRD SYBR qPCR Mix(TOYOBO),多功能DNA纯化回收试剂盒(BioTeke)。

1.2 RNA提取和cDNA合成

使用Trizol总RNA提取试剂分别提取橘皮、橘肉以及橘核中总RNA。凝胶电泳检测为3条带的总RNA进行反转录,反转录反应按cDNA合成试剂盒说明书进行。

1.3 LGT基因克隆与测序

根据文献报道[8]LGT基因,使用软件Primer Primer 5.0、在线软件http://www.yeastgenome.org/cgi-bin/web-primer设计引物,见表 1。以cDNA为模板,使用2×Taq PCR MasterMix分别进行PCR扩增,扩增体系20 μL:2×Taq PCR MasterMix,10μL;正向引物,1 μL;反向引物,1 μL;cDNA模板,5 μL;dd H2O 3 μL。考察扩增条件为94 ℃,3 min;30循环(94 ℃,30 s;55~65 ℃,30 s;72 ℃,1 min);72 ℃,5 min。PCR结果凝胶电泳检测,多功能DNA纯化回收试剂盒(BioTeke)纯化回收PCR产物,由上海生工生物工程有限公司测序。

表 1 引物设计 Table 1 Primer design
1.4 LGT生物信息学分析

使用在线软件http://www.ncbi.nlm.nih.gov/gorf/gorf.html,找出LGT基因的开放阅读框(open reading frame,ORF),并获得其编码蛋白质序列;使用在线软件http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi,将结果与NCBI中已登录的类似物种进行对比分析;使用软件MEGA 5.1将结果相似性达90%以上的物种LGT构建进化树;使用在线软件http://web.expasy.org/protparam/,分析其编码蛋白质序列的一级结构。运用SOPMA软件http://npsa- pbil.ibcp.fr/cgi-bin/npsa_automat.pl?page=npsa_sopma. html预测椪柑LGT蛋白的二级结构。使用SWISS-MODEL软件http://swiss model. exp-asy. org/workspace/对其三级结构进行分析。

1.5 椪柑橘皮、橘肉、橘核LGT基因的表达

查阅文献报道[9],得到LGT基因的real-time PCR引物序列和内参基因β-actin的RT-PCR引物序列,见表 2。扩增体系20 μL:Thunderbird SYBR qPCR Mix,10 μL;正向引物1 μL;反向引物1 μL;cDNA模板,5 μL;dd H2O,3 μL。考察引物扩增曲线、熔解曲线及标准曲线,考察RT-PCR条件:95 ℃,2 min;40个循环(94 ℃,15 s;55~65 ℃,45 s;60 ℃,45 s)。65~95 ℃进行熔解曲线分析,每个温度以每步0.5 ℃上升。确定条件后测试果实不同部分LGT基因表达量和β-actin基因的表达量。数据通过Bio-Rad cycle IQ进行分析,用2-△△Ct法获得LGT基因的相对表达量。

表 2 β-actinLGT基因引物序列 Table 2 Primer sequences of β-actin and LGT genes
2 结果与分析 2.1 RNA提取结果

Trizol法提取所得RNA紫外分光光度法测定A260A280A260/A280为2.0,凝胶电泳检测可见清晰3条带,可用于后续实验,见图 1

图 1 Trizol法提取RNA凝胶电泳图 Fig.1 Gel electrophoresis of RNA extracted by Trizol
2.2 LGT基因克隆及测序结果

引物2在扩增条件:94 ℃,3 min;30 循环(94 ℃,30 s;58 ℃,30 s;72 ℃,1 min);72 ℃,5 min下,可以得到1 000 bp左右的产物,见图 2。测序结果为1 530 bp的序列。

图 2 PCR产物凝胶电泳图 Fig.2 Gel electrophoresis of PCR products
2.3 LGT生物信息学分析结果

测序分析表明,椪柑LGT基因全长1 530 bp,包含一段1 509 bp的ORF,编码502个氨基酸组成的蛋白,见图 3

图 3 椪柑LGT基因编码的氨基酸序列 Fig.3 Amino acid sequence encoded by LGT gene in C. reticulata

将该蛋白通过NCBI上的Blastp比对发现,该蛋白属于葡萄糖基转移酶基因家族。比对结果显示,椪柑LGT基因与100余种NCBI上登录的植物有相似性,其中与同科植物甜橙Citrus sinensis L.、阿尔及利亚橘C. clementina Hort. ex Tan、葡萄柚C. paradise Macf. 的相似性分别达100%、99%、98%。将相似性达90%以上的比对结果用MEGA5.1构建进化树,见图 4

图 4 椪柑LGT基因与相似物种的系统进化树 Fig.4 Phylogenetic tree of LGT gene of C. reticulata and other related species

通过ProtParam预测LGT蛋白分子式为C4585H7642N1530O1932S328,相对分子质量为125 629.8,理论等电点为4.99。对该氨基酸序列进行亲疏水性分析,结果见图 5,横坐标表示氨基酸残基的序号,纵坐标表示残基的疏水、亲水特性,正值为疏水,负值为亲水。椪柑LGT蛋白中疏水性最大值为2.111,最小值为-0.567,总平均疏水指数(GRAVY)为0.711,预测其为疏水性蛋白。SOPMA软件预测椪柑LGT蛋白的二级结构为α-螺旋占40.24%,β-转角占4.18%,无规则卷曲占41.04%,延伸链占14.54%,结果见图 6。SWISS-MODEL对其三级结构进行预测,结果见图 7

图 5 LGT蛋白质疏水性分析 Fig.5 Analysis of hydrophobic LGT protein
图 6 LGT蛋白二级结构预测图 Fig.6 Two-dimensional structure prediction of LGT protein 蓝色-α-螺旋 红色-折叠 绿色-β-转角 紫色-卷曲 blue-α-helix red-turn green-β-extended strand purple-coil
图 7 LGT蛋白三级结构预测图 Fig.7 Three-dimensional model prediction of LGT protein
2.4 椪柑LGTRT-PCR表达结果

引物序列可用于RT-PCR,条件考察结果是LGT扩增条件:95 ℃,2 min;30 c循环(95 ℃,15 s;57 ℃,45 s;60 ℃,45 s),β-actin扩增条件为95 ℃,2 min;30 循环(95 ℃,15 s;57 ℃,45 s;60 ℃,45 s),65~95 ℃进行熔解曲线分析,每个温度以每步0.5 ℃上升。

选择β-actin为内参基因,每个样品做4个重复,用2-ΔΔCt法对样本基因进行表达差异相对定量分析。在本研究中选择橘核的表达为校准样本,橘皮和橘肉为待测样本。根据所得结果橘肉中LGT基因表达量较高,约为橘核表达水平的1.477 5倍(图 8)。

图 8 LGT基因相对表达量 Fig.8 Relative expression histogram of LGT gene
3 讨论

研究克隆获得的椪柑LGT,序列全长为1 530 bp,具有1 509 bp的完整ORF,编码502个氨基酸。将该蛋白通过NCBI上的Blastp比对发现,该蛋白属于LGT家族。预测LGT蛋白分子式为C4585H7642N1530O1932S328,相对分子质量为125 629.8,理论等电点为4.99。并对该基因进行了生物信息学分析,为椪柑LGT基因提供了更多更详尽的信息。

研究发现椪柑LGT基因表达存在一定的器官组织特异性,在橘肉中表达量最高,有研究表明柠檬苦素类物质在橘核中的量最高,其次是果皮,果肉中量最低[5]。在今后研究中,可以同时结合化学成分研究,找出基因表达与化学成分的的关联性,为进一步研究该基因的功能及其在柠檬苦素类物质合成过程中的作用及其调控机制研究提供更多的信息。

开展柠檬苦素类物质代谢工程研究,进而利用细胞工程生产柠檬苦素类物质前景良好。深入探讨柠檬苦素类物质合成代谢的关键酶的作用及调控机制,期望以基因工程手段干预增加柠檬苦素类物质的量成为现实。为最终实验利用基因工程结合细胞工程生产柠檬苦素类物质生产奠定理论基础。

参考文献
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