八肋游仆虫新型编程性核糖体移码基因ARF1的研究

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移码发生在从大肠杆菌到哺乳动物的所有生物体中,移码有两种主要类型:一种是基因中非3倍数的核苷酸的插入或缺失导致核苷酸序列与相对应的氨基酸序列的正常关系发生改变,产生无功能的蛋白。另一种是编程性核糖体移码(PRF)。PRF是一种重编码现象,是指翻译中的核糖体在特定的位置从起始的0读框转换到+1或-1读框并继续翻译的过程,产生的蛋白是有功能的。研究表明,-1 PRF在病毒和细胞内基因表达中起非常重要的调控作用。+1PRF基因也陆续在细菌、酵母以及人等真核生物中被报道,之前的研究表明在纤毛类原生动物游仆虫中一些蛋白的合成需要+1PRF。  八肋游仆虫(Euplotes octocarinatus)是一种典型的原生动物淡水纤毛虫,实验室前期对八肋游仆虫转录组进行了分析,发现大约有11.4%的+1PRF基因,将预测的3700个+1 PRF基因进行分析鉴定,发现其中3489条+1PRF基因具有典型的游仆虫移码模体序列(5′-AAA-TAR-3′),此外还有211条是含有不同类型滑动序列的新型+1PRF基因,其中最多的滑动序列为5′-TTT-TAR-3′,有54条基因。为了进一步研究八肋游仆虫中新型的+1PRF基因的序列、移码机制以及移码对其基因功能的影响,本研究从八肋游仆虫基因库中选取了一个滑动序列为TTT-TAA-C的+1PRF基因,即ADP核糖基化因子1(ARF1)基因进行进一步的分析,获得的主要结果如下:  1.八肋游仆虫ARF1基因的克隆与序列分析。根据预测的八肋游仆虫ARF1基因(EoARF1)序列,设计特异引物,以游仆虫基因组和cDNA为模板进行PCR扩增,得到EoARF1基因的开放阅读框序列,接着利用端粒引物扩增,最终获得 EoARF1基因全序列。利用软件对全序列进行分析,结果显示,EoARF1基因全长为984 bp,其中5’UTR长39bp,3’UTR长318 bp,基因编码区全长为565 bp,无内含子,编码区有两个开放阅读框,第一个读框编码ARF1的前109个氨基酸,而从328 bp起的第二个开放读框编码ARF1剩余的78个氨基酸。两个读框衔接处为七核苷酸滑动序列TTT-TAA-C。氨基酸序列比对分析显示EoARF1基因在移码前编码的蛋白只包含GXXXXGKT和DLGG两个保守结构域,而NKAD和CAL结构域位于移码位点之后,因此序列分析表明该基因翻译过程中只有通过一次+1移码才会产生一个包括所有结构域的完整蛋白。  2.八肋游仆虫ARF1基因表达的分析验证。为了验证EoARF1是+1PRF基因,将EoARF1基因编码区插入到双荧光素酶报告基因中,构建了能在酵母中进行表达的重组质粒pDB722-ARF1,同时构建了阳性对照pDB722-ARF1-T和阴性对照pDB722-ARF1-S,使其通读或终止。利用双荧光素酶报告检测体系进行移码效率的测定,结果显示,pDB722-ARF1的移码效率约为5.86%,阴性对照的移码效率<0.01%。初步证明,EoARF1基因确实是在翻译过程中需要通过+1 PRF来编码合成完整的 ARF1蛋白。此外对七核苷酸滑动序列TTT-TAA-C进行突变,结果表明,滑动序列破坏之后,移码效率明显降低,证明移码发生在该区域。  3.八肋游仆虫ARF1重组蛋白的表达纯化。为了对EoARF1的功能进行研究,构建了重组表达质粒pET28a-ARF1,并在大肠杆菌BL21中进行了表达,利用亲和层析和凝胶柱层析进行纯化,获得了高纯度的EoARF1蛋白,经Western blot检测为阳性。  4.八肋游仆虫ARF1重组蛋白与嘌呤核苷酸的相互作用。利用荧光光谱法检测了 EoARF1重组蛋白与嘌呤核苷酸的相互作用。结果显示,表达纯化的 EoARF1蛋白能够与嘌呤核苷酸相互作用,且与鸟嘌呤核苷酸作用强弱顺序为GTP>GDP>GMP,此外EoARF1蛋白与GDP的结合强度大于与ADP的结合。进一步表明,EoARF1基因通过+1 PRF表达的蛋白具有与嘌呤核苷酸结合的活性。  本研究首次从八肋游仆虫中克隆了ARF1基因,证实了+1 PRF候选基因EoARF1在游仆虫体内的真实存在,并且有转录产物;利用双荧光素酶报告体系,证明了EoARF1基因确实是在翻译过程中通过+1 PRF编码合成了完整的 ARF1蛋白;将EoARF1在大肠杆菌中进行了表达纯化,表达出的蛋白能够与嘌呤核苷酸相互作用,从功能上说明了EoARF1只有通过+1 PRF才能产生结构域完整的有功能的蛋白。为进一步研究游仆虫中的编程性移码机制提供了实验数据。
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