花生蛋白激酶基因AhSTK的克隆与序列分析

来源 :山东农业科学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lpucicy
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  摘要:从优质花生鲁花14的cDNA文库中发现一条序列,全长为1 399 bp,3′端含有polyA尾,通过blastx搜索得知其为蛋白激酶基因,命名为AhSTK。以该花生cDNA序列为模板设计引物,克隆得到花生AhSTK基因。序列分析表明,AhSTK基因的开放阅读框长度为1 080 bp,编码359个氨基酸,预测其分子量为389 kD,等电点为642,编码的蛋白质无信号肽,无跨膜结构,预测定位于细胞质。与其他植物中蛋白激酶的氨基酸序列比对发现,与大豆GmSTK蛋白同源性最高。器官特异性分析发现,该基因在花生根中表达量较高,而在花中表达量较低。花生AhSTK基因的克隆为进一步研究其生物学功能和应用奠定了基础。
  关键词:花生;蛋白激酶;AhSTK蛋白;序列分析;器官特异性表达
  中图分类号:Q785文献标识号:A文章编号:1001-4942(2013)01-0009-05
  蛋白激酶是一类磷酸转移酶,在真核生物中其作用是将ATP的γ磷酸基团转移到底物特定的氨基酸残基上,使蛋白质磷酸化。目前在很多植物中发现并分离出了蛋白激酶,如拟南芥[1]、玉米[2]、小麦[3]、豌豆[4]、烟草[5]、紫花苜蓿[6]、大豆[7]、番茄[8]、水稻[9]等,这些蛋白激酶的磷酸化过程被证实参与植物中的许多信号途径,包括抵抗高盐、干旱和低温等恶劣条件的反应,调节植物组织、器官的正常发育,保持植物正常生理功能,参与激素信号传递等。
  Stone和Walker根据蛋白激酶催化区域氨基酸序列的相似性,将植物蛋白激酶分为5大组,分别为①AGC组:以cAMP(环腺苷酸)依赖的蛋白激酶PKA、cGMP(环鸟苷酸)依赖的蛋白酶PKG及钙和磷脂依赖的蛋白激酶PKC为代表,以受第二信使(如cAMP、cGMP、DAG和Ca2+)激活为特征;②CaMK组:包括Ca2+/CaM依赖的蛋白激酶CaMK、Ca2+依赖而CaM不依赖的蛋白激酶CDPK等,依赖第二信使是该组蛋白激酶的普遍性;③CMGC组:包括MAPK(分裂原激活的蛋白激酶)、CDK(周期素依赖的蛋白激酶)等,相对于前2组蛋白激酶依赖于第二信使,该组激酶作用于下游的磷酸化级联系统;④传统的PTK组:为酪氨酸蛋白激酶,目前在植物中尚未发现纯粹的酪氨酸蛋白激酶,但并不意味着Tyr残基的磷酸化对植物不重要。二重特异性蛋白激酶如MAPKK在植物中的发现,证明了Tyr残基的磷酸化可能在高等植物中具有重要的生理作用;⑤其它组:如类受体蛋白激酶RLKs及乙烯信号转导元件CTRl(胞质级联蛋白激酶MAPKKK)等[10]。一般由蛋白激酶催化的磷酸化反应中接受磷酸基的部位是丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸的羟基。蛋白激酶在信号转导中主要有两个方面的作用:一是通过磷酸化调节蛋白质活性,磷酸化和去磷酸化是大多数信号通路组分可逆激活的共同机制,一些蛋白质磷酸化后具有活性,一些则去磷酸化后具有活性;二是通过蛋白质的逐级磷酸化,使信号逐级放大,引起细胞反应[11]。
  对植物蛋白激酶的研究开始较晚,主要集中在对受体蛋白激酶的研究上,其他类蛋白激酶的研究还处于初级阶段。随着在越来越多植物中发现蛋白激酶,它在植物生长发育、抗逆性、激素及钙信号传导等的作用研究也越来越深入。这为了解植物生长发育及抗逆性机制,改良植物尤其是农作物表观性状或抗逆性等方面提供了必要的条件[12]。
  花生是我国重要的油料和经济作物之一,种植面积约5025×104 hm2,总产量居世界首位[13]。花生在其生长过程中经常会遭受不同的生物和非生物胁迫,严重影响植物的生长发育,并对农业生产造成极大的负面影响[14]。通过对花生AhSTK基因及其编码蛋白的分析与研究,可以了解其参与的信号途径及其生理功能,为增强花生抗逆性、调节花生生长发育及提高花生产量提供一定的理论基础。
  本试验从优质花生鲁花14 cDNA文库中获得了AhSTK基因, 利用PCR方法获得AhSTK基因目的片段,对其进行生物信息学分析,为今后的转基因工作奠定基础。1材料与方法
  11试验材料
  111植物材料试验材料为优质花生品种鲁花14,种植于山东省农业科学院实验农场。
  112试验试剂RNA 的CTAB 提取液由本实验室配制,参照《分子克隆实验指南》(Sambrook and Russell, 2002);DNA回收试剂盒(TIANGEN),反转录试剂盒(Fermentas),rTaq酶(Takara),T4 DNA Ligase(Takara),其他常规化学试剂均为国产分析纯。
  113载体及菌株T3克隆载体、大肠杆菌(Escherichia coil)DH5α均购于全式金。
  114引物的合成目的基因的克隆引物和花生内参基因Actin的克隆引物(上海生工公司合成)。
  12试验方法
  121AhSTK基因序列的获得通过对花生EST序列(EG0288151、ES7036391、ES7037731、ES7229771、GO3267121、GO3322971)进行电子拼接得到AhSTK基因序列。
  122花生总RNA的提取、纯化及反转录取适量花生根、茎、叶、幼嫩种子、花加入液氮研磨,用CTAB法提取总RNA。按照Fermentas公司的反转录试剂盒操作步骤进行反转录,得到完整的cDNA。所有cDNA样品均保存于-20℃冰箱中备用。
  123目的基因的获得与克隆以该序列为模板,利用上游引物AhSTK-S和下游引物AhSTK-A克隆该基因。 PCR扩增反应程序为: 94℃预变性5 min;94℃变性30 s, 55℃退火30 s,72℃延伸1 min 30 s,35个循环;72℃终延伸10 min。PCR产物用10%琼脂糖凝胶电泳检测。将与目的基因大小一致的PCR产物回收,回收的目的片段连入T3克隆载体测序。   124质粒的提取、DNA片段的回收 分别采用TIANGEN公司的普通质粒小提试剂盒和琼脂糖凝胶DNA回收试剂盒进行。
  125目的基因序列分析目的基因序列采用NCBI数据库ORF Finder(http://wwwncbinlm
  nihgov/gorf/gorfhtml) 在线分析获得开放阅读框,使用Primer50翻译获得氨基酸序列,登陆网站http://webexpasyorg/protparam/推测目的蛋白的分子质量和等电点,信号肽、跨膜区的预测分别通过网站http://wwwcbsdtudk/services/SignalP/ 和http://wwwcbsdtudk/services/TMHMM/获得,从http://wwwncbinlmnihgov/Structure/cdd/wrpsbcgi网站获得AhSTK蛋白的保守结构域,亚细胞定位预测分析在http://wwwbioinfotsinghuaeducn/SubLoc/上进行。将预测的AhSTK蛋白序列与GenBank中其他植物的AhSTK蛋白通过DNAMAN进行序列比对,构建系统进化树。
  126器官特异性表达分析内参基因Actin的扩增:以反转录产物cDNA为模板,利用上游引物Actin-S和下游引物Actin-A克隆Actin基因。PCR扩增反应程序为:94℃预变性5 min;94℃变性30 s,52℃退火30 s,72℃延伸40 s,28个循环;72℃终延伸10 min。PCR产物用15%琼脂糖凝胶电泳检测。通过调整各模板量,使不同样品扩增的Actin的量一致。
  AhSTK基因的扩增:以摸索好的cDNA模板量和循环数、最佳扩增条件来扩增单一的目的条带。PCR扩增反应程序为:94℃预变性5 min;94℃变性30 s,53℃退火30 s,72℃延伸1 min 40 s,32个循环;72℃终延伸10 min。PCR产物用10%琼脂糖凝胶电泳检测。
  2结果与分析
  21AhSTK基因序列的克隆
  在对花生cDNA文库进行大规模测序获得的序列中,我们发现一条编码一种蛋白激酶的序列。在NCBI中进行Blast比对,找到6条同源性较高的EST序列(EG0288151、ES7036391、ES7037731、ES7229771、GO3267121、GO3322971)。通过电子拼接,可以把这7条EST序列拼接为一条具有完整读码框的花生蛋白激酶基因序列。该序列全长1 399 bp,5′UTR 为52 bp,3′UTR为267 bp,读码框1 080 bp(图1)。
  22AhSTK基因序列分析
  通过NCBI中的ORF Finder分析知,AhSTK基因具有完整的开放阅读框(ORF),在扩增片段的36 bp处有起始密码子ATG,在1 113 bp处有终止密码子TAA(见图1),因此该基因编码的蛋白质有359个氨基酸,其相对分子量约为389 kD,等电点为642。
  通过NCBI软件分析该蛋白的保守结构域,发现从70到265氨基酸之间含有以cAMP(环腺苷酸)依赖的蛋白激酶PKA的保守催化结构域(图3),催化ATP的γ磷酸基团转移到底物特定的丝氨酸/苏氨酸或酪氨酸的羟基上,使蛋白质磷酸化,引起下一个激酶的反应,以此使信号从细胞表面传递到靶蛋白,引起细胞反应。
  根据http://prositeexpasyorg/分析保守结构域,67到347氨基酸之间是蛋白激酶的结构域,从81处的缬氨酸到96处的赖氨酸之间是ATP结合域,193处的异亮氨酸到205处的异亮氨酸之间是丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶活性域。
  根据以上分析推测,AhSTK基因编码的蛋白催化ATP的γ磷酸基团转移到底物特定的丝氨酸/苏氨酸羟基上,属于PKA。如多数蛋白激酶一样,此类蛋白激酶自身受到严格的调节,当cAMP不存在时呈非活性形式,与其它蛋白激酶不同的是,活化配体cAMP结合到特异的调节亚基(R)上引起构型的改变从而导致全酶的解离,经活化而解离的催化亚基(C)和所有真核生物的蛋白激酶有着广泛相似的结构序列。
  23AhSTK蛋白的信号肽与亚细胞定位分析
  经过SignalP40软件分析,发现AhSTK蛋白没有信号肽;用TMHMM20分析得知,该蛋白不含跨膜结构域;亚细胞定位分析显示该蛋白位于细胞质。
  24AhSTK蛋白的系统进化树分析
  利用DNAMAN软件将该基因氨基酸序列与其他六种植物氨基酸序列进行比对,发现有很高的同源性,其中与大豆中的GmSTK蛋白同源性最高,其次是苜蓿(图4)。
  25AhSTK的器官特异性表达分析
  我们进一步分析了AhSTK基因在花生不同器官的表达情况,结果(图5)表明,AhSTK基因在根中表达量最高,在幼嫩种子中次之,花中表达量最低。
  本研究从花生中克隆并鉴定了AhSTK基因。用NCBI中的ORF Finder找出该基因具有完整的开放ORF,编码359个氨基酸,从70到265氨基酸之间含有蛋白激酶保守的催化结构域,从81处的缬氨酸到96处的赖氨酸之间是ATP结合域,193处的异亮氨酸到205处的异亮氨酸之间是丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶活性域,属于cAMP(环腺苷酸)依赖的蛋白激酶PKA。同源性比对发现与其他植物中的蛋白激酶有很高的同源性,挑选相似性较高的序列进行多序列比对,发现这些蛋白在蛋白激酶保守结构域处序列非常相似;系统进化分析得知花生AhSTK蛋白与大豆GmSTK亲缘关系较近,其次是苜蓿。亚细胞定位预测显示其定位在细胞质;半定量分析得出其在根中表达量最高。这类蛋白在植物中调节离子通道活性的功能研究得较清楚,但其参与调节基因的表达及响应外界高盐、干旱等刺激还有待进一步研究。本实验只对花生中AhSTK基因及其蛋白序列做了克隆与分析,对其功能的研究还需进一步探索。参考文献:   [1]Ferreira P C, Hemerly A S, Villarroel R, et al The Arabidopsis functional homolog of P34cdc2 protein kinase[J] Plant Cell, 1991, 3(5):531-540
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