碳青霉烯酶OXA72在毕赤酵母中的表达和纯化
作者:韩进,吴大玮,冯进波 作者单位:1. 山东大学齐鲁医院加强医疗科,济南;2. 教育部和卫生部心血管重构与功能研究重点实验室,济南; 3.东营市人民医院呼吸科,山东 东营【摘要】 目的 对我国临床分离的第一株鲍曼不动杆菌产生的碳青霉烯酶OXA72在毕赤酵母表达系统中进行重组表达及分离纯化。方法 提取临床分离的鲍曼不动杆菌菌株40的基因组DNA,PCR扩增oxa72全基因;将oxa72基因双酶切回收后与毕赤酵母表达载体连接,重组质粒分别以PCR、酶切及测序鉴定;电转化法将线性化的重组表达DNA转导入GS115感受态细胞,在Zeocin平板上筛选阳性转化子,并通过PCR和Western进行验证;对阳性克隆进行头孢硝噻吩实验,检测表达OXA72的活性。用镍柱分离纯化OXA72。结果 以该株鲍曼不动杆菌的基因组DNA为模板,用目的引物进行PCR可获得843?bp的特异扩增条带;DNA测序证明核苷酸序列与Genbank公布的oxa72基因序列100%一致;电转化后经Zeocin平板筛选得到一株阳性克隆,SDSPAGE表明重组蛋白的相对分子量在34~43?kDa之间,Westem blot分析显示,重组蛋白能特异地与抗HisTag抗体结合。头孢硝噻吩试验为阳性。纯化得到纯度为95%的重组蛋白,纯化回收率达40%。结论 成功构建了OXA72的表达载体,在毕赤酵母中成功地表达并分离纯化了具有酶活性的OXA72。
【关键词】 碳青霉烯酶OXA72;巴斯德毕赤酵母;表达;纯化
HAN Jin1, WU Dawei1, FENG Jinbo2, GENG Zhiying3, YANG Lei1, LI Qiaorong1
(1. Department of Intensive Care Unit, Qilu Hospital of Shandong University, Jinan 250012, China;
2. Key Laboratory of Cardiovascular Remodeling and Function Research, Chinese Ministry of Education and Chinese Ministry of
Public Health, Jinan 250012, China;3. Dongying People′s Hospital, Dongying 257091, Shandong, China)
To amplify and identify the chromosomal DNA of Acinetobacter Baumanii which is the first isolate producing carbapenemase OXA72 in our country and to express and purify OXA72 in Pichia pastoris. Methods This study amplified the oxa72 gene by PCR using the extracted genomic DNA of the isolate 40 which was obtained from the clinic as a template. After the amplified gene was cloned into vector pGAPZalphaA, linearized recombinant plasmid oxa72pGAPZalphaA was transformed to Pichia pastoris GS115 by electroporation. Then the positive transformants were screened by colony PCR, western blot analysis and Nitrocefin test. Then we purified OXA72 with a nickel column. Results The DNA sequence amplified by PCR from isolate 40 was identical with blaOXA72 (GenBank accession numbers AY739646). One positive transformant had a positive Nitrocefin test. SDSPAGE showed that the relative molecular weight of the recombined protein was 34?kDa43kDa. Western blotting showed the combined protein could specifically bind to the Histag antibody. The recombinant protein was obtained by purification with 95% final purity and 40% recovery rate. Conclusion We successfully expressed and purified the carbapenemase OXA72 in Pichia pastoris.
Key words: Carbapenemase OXA72; Pichia pastoris; Expression; Purification
碳青霉烯酶是指能够明显水解碳青霉烯类抗生素的一类β内酰胺酶。D型β内酰胺酶水解异癋唑青霉素苯唑西林(oxacillin)比水解经典的青霉素例如青霉素G要迅速得多,因此也被命名为OXA[1]。具有碳青霉烯水解活性的OXA,即OXA型碳青霉烯酶有40余种,OXA72是首先在泰国发现的一种D型碳青霉烯酶[2], 2006年我们报道了临床分离的我国第一株能分泌OXA72的鲍曼不动杆菌菌株(菌株40)[3],其基因序列与Genbank公布的oxa72基因序列100%一致。为了进一步研究OXA72的结构、性质和功能特点,本研究构建了OXA72的酵母表达载体,在毕赤酵母中成功的表达并纯化出具有活性的OXA72蛋白。
1 材料与方法
1.1 主要标本与试剂 鲍曼不动杆菌菌株40于2002年自济南军区总医院从一名医院获得性肺炎患者的痰液中分离得到。DH5α大肠杆菌、巴斯德毕赤酵母GS115株和酵母表达质粒pGAPZαA由教育部和卫生部心血管重构与功能研究重点实验室保存。longTaq DNA聚合酶购自北京天根生化科技有限公司;EcoRI、KpnI内切酶、T4 DNA连接酶均购自大连宝生物公司;AvrII内切酶、DNA marker购自Fermentas公司;Zeocin购自Invitrogen公司;His tag selector kit购自Qiagen公司;其它常规试剂均为分析纯产品。
目的引物P1、P2根据Genbank公布的OXA72的基因序列设计,由博尚生物公司合成。P1 5′GCGAATTCATGAAAAAATTTATACTT3′为上游引物,P2 5′GCGGTACCCCAATGATTCCAAGATT3′为下游引物,引物两端用下划线标出的碱基序列分别为EcoRI和KpnI酶切位点。载体引物PGAP Forward和P3′AOX1参见Invitrogen公司操作手册,由北京华大基因研究公司合成。PGAP Forward 5′GTCCCTATTTCAATTGA3′为上游引物,P3′AOX1 5′GCAAATGGCATTCTGACATCC3′为下游引物。
1.2 方法
1.2.1 oxa72基因的扩增和鉴定 提取鲍曼不动杆菌菌株40的总DNA,以之为模板,用目的引物P1、P2进行PCR,反应体系为50?μL,条件为94?℃×5?min 1个循环,94?℃×1?min、48?℃×1?min、72?℃×1?min 35个循环,72?℃×10?min。扩增产物通过1%琼脂糖凝胶电泳检测。
1.2.2 表达载体pGAPZoxa72的构建 PCR扩增产物经EcoRI和KpnI双酶切、回收,连接pGAPZαA,得到重组质粒pGAPZoxa72,转化E coli DH5α,得到E coli DH5α(pGAPZoxa72),扩增后提取重组质粒pGAPZoxa72,以之为模板,用载体引物进行PCR,反应条件为94?℃×5?min 1个循环,94?℃×1?min、54?℃×1?min、72?℃×1?min 35个循环,72?℃×10?min,扩增产物通过1%琼脂糖凝胶电泳检测;重组质粒进行双酶切和测序鉴定。
1.2.3 酵母细胞的转化 用AvrII酶切重组质粒pGAPZoxa72使之线性化,然后电击转化入GS115酵母细胞中,利用含Zeocin的YPDS平板筛选阳性转化子。同时以AvrII线性化的不含oxa72的空质粒pGAPZαA电转化GS115作对照。
1.2.4 阳性转化子的鉴定 提取酵母基因组DNA,以之为模板,用目的引物和载体引物分别进行PCR,反应条件同上,以验证阳性克隆GS115(pGAPZoxa72)和GS115(pGAPZαA)。采用超声法破碎培养72?h的阳性克隆GS115(pGAPZoxa72)和GS115(pGAPZαA)的菌体,然后离心取上清液,与培养上清液一起用无水乙醇沉淀,用His tag antibody做Western blot analysis。
1.2.5 头孢硝噻吩实验 用含有高浓度Zeocin的YPD平板二次划线筛选阳性克隆,挑取单克隆至5?mL?培养液中,30?℃、220?r/min震荡培养72?h,离心,将上清液转移至新EP管中,用等体积YPD培养基重悬菌体,分别向菌体溶液和上清液中滴加一滴头孢硝噻吩,观察溶液颜色的变化,同时以GS115(pGAPZαA)菌株和GS115菌株做对照。
1.2.6 重组蛋白的纯化 采用镍琼脂糖凝胶柱色谱分离重组蛋白。缓冲液平衡镍柱后将20?mL细胞破碎液上样,再用缓冲液洗柱后,分别用50、200?mmol/L咪唑缓冲液进行阶段洗脱,收集各阶段洗脱峰,SDSPAGE电泳,考马斯亮蓝染色检测重组蛋白的分子量大小和纯度。
2 结 果
2.1 oxa72基因的PCR扩增结果 1%琼脂糖凝胶电泳显示PCR扩增得到约843?bp的oxa72基因,且未见非特异性扩增条带。
2.2 表达载体pGAPZoxa72的构建 1%琼脂糖凝胶电泳显示,用载体引物进行PCR扩增pGAPZoxa72,得到的片段长度约为1?340?bp;双酶切pGAPZoxa72得到约840?bp和约3?kb的两片段(图1),与预期一致;用载体引物对pGAPZoxa72测序,将测序序列进行blast,结果显示,克隆的oxa72基因与Genbank中oxa72基因序列(GenBank accession number AY739646 )完全一致;这表明oxa72的酵母表达载体构建成功。
2.3 重组酵母GS115(pGAPZoxa72)的筛选和鉴定 挑取含有Zeocin的YPDS平板上的阳性转化子并扩增,提取其DNA为模板,用目的引物和载体引物分别做PCR,分别得到约843?bp和1?340?bp片段,该转化子即为阳性克隆GS115(pGAPZoxa72)(图1);以不含oxa72的空质粒pGAPZαA电转化GS115作为对照,所得到的阳性克隆为GS115(pGAPZαA),以此为模板用目的引物扩增时无特异性产物,用载体引物则可扩增出约540?bp的片段。用培养72?h的GS115(pGAPZoxa72)的蛋白浓缩提取物做Western blot可以得到单一的特异条带(图2),这说明重组蛋白能特异地与抗HisTag抗体结合,而对照组GS115(pGAPZαA)则无特异条带。
2.4 头孢硝噻吩实验 分别滴加头孢硝噻吩后,含有oxa72基因的阳性克隆GS115(pGAPZoxa72)的菌体悬液和上清液均可在10?min内由淡黄色变为红色,而不含oxa72基因的阳性克隆GS115(pGAPZαA)及未转化的GS115菌株的菌体悬液和上清液均不变色(图3),观察时间延长至半小时以上亦无改变,这表明,菌体和上清液中均有OXA72蛋白的表达,且所表达的OXA72碳青霉烯酶均有活性。
3 讨 论
不动杆菌属对碳青霉烯类抗生素的耐药机制复杂,产生碳青霉烯酶是其重要的耐药机制之一[4]。碳青霉烯酶按照Ambler分子分类可分为A、B、D 3类[5],其中D类碳青霉烯酶即OXA型碳青霉烯酶,迄今共发现了40余种[610]。基因序列分析可把OXA型碳青霉烯酶分为八族[2],常见的有两族:一族以OXA23和OXA27为代表,两者具有99 %的基因序列同源性;另一族以OXA24、OXA25、OXA26和OXA40为代表,具有98%的同源性;两族之间的同源性仅为60%。OXA72属于第二族,是由泰国首先报道的D型碳青霉烯酶。本研究从一名医院获得性肺炎患者的痰标本中分离的产OXA72的鲍曼不动杆菌菌株,是在我国首次发现[3]。该患者无出国旅游史,产生的OXA72可能是由于亲代基因发生突变所至。近年,Wang H[11]等在北京地区也发现了一株产OXA72的不动杆菌菌株,其他国家尚未见类似报道。
OXA72在细菌中表达量较少,没有特异性抗体,不易纯化,因此制备出纯化的OXA72是进一步研究OXA72的结构、性质及功能特点的前提。巴氏毕赤酵母(Pichia pastoris, Pp)是单细胞真核生物,它既具有蛋白加工、折叠、翻译后修饰等高等真核表达系统的许多优点,又具有操作简单、快捷的原核表达系统的优点,而且它不产生有毒产物[12],是表达外源蛋白的合适宿主,已有多种细菌、真菌和高等动植物基因在其中成功表达,如破伤风毒素C片段。本研究选用的表达载体pGAPZαA以组成型强启动子PGAP(三磷酸甘油醛脱氢酶启动子)为启动子[13],在发酵时不需甲醇等诱导条件,具有操作工艺简单、表达量高等优点;产物所携带的His标签也有利于产品的纯化和生产。
本研究成功地构建了OXA72的毕赤酵母表达载体,首次在酵母中表达了具有活性的碳青霉烯酶OXA72,获得了纯度较高的重组OXA72,有助于为进一步开展对OXA72的结构和功能的研究。
【参考文献】
[1] 〖ZK(#]Bush K, Jacoby G A, Medeiros A A. A functional classification scheme for blactamases and its correlation with molecular structure[J]. Antimicrob Agents Chemother, 1995, 39(6):12111233.
[2] WaltherRasmussen J, Hiby N. OXAtype carbapenemases[J]. J Antimicrob Chemother, 2006, 57(3):373383.
[3] 耿治英,刘宇,吴大玮,等.耐碳青霉烯鲍曼不动杆菌碳青霉烯酶的研究[J].中华检验医学杂志, 2006, 29(1):80.
[4] 耿治英,吴大玮.不动杆菌耐碳青霉烯类抗生素机制的研究进展[J]. 国外医药.抗生素分册, 2005(4):4146.
[5] Galleni M, LamotteBrasseur J, Rossolini G M, et al. Standard numbering scheme for class betalactamases[J]. Antimicrob Agents Chemother, 2001, 45(3):660663.
[6] Donald H M, Scaife W, Amyes S G, et al. Sequence analysis of ARI1, a novel OXAβlactamase, responsible for imipenem resistance in acinetobacter baumanii 6B92[J]. Antimicrob Agents Chemother, 2000, 44(1):196199.
[7] Bou G, Oliver A, MartinezBeltran J . OXA24, a novel class D betalactamase with carbapenemase activity in an Acinetobacter baumannii clinical strain[J]. Antimicrob Agents Chemother, 2000, 44(6):15561561.
[8] AfzalShah M, Woodford N, Livermore D M, et al. Characterization of OXA25, OXA26, and OXA27, molecular class Dβlactamases associated with carbapenem resistance in clinical isolates of Acinetobacter baumannii[J]. Antimicrob Agents Chemother, 2001, 45(2):583588.
[9] LopezOtsoa F, Gallego L, Towner K J, et al. Endemic carbapenem resistance associated with OXA40 carbapenmase among Acinetobacter baumannii isolates from a hospital in northern Spain[J]. J Clin Microb, 2002, 40(12):47414743.
[10] 〖ZK(#]Da Silva G J, Quinteira S, Bértolo E, et al. Longterm dissemination of an OXA40 carbapenemase producing Acinetobacter baumannii clone in the Iberian Peninsula[J]. J Antimicrob Chemother, 2004, 54(1):255258.
[11] Wang H, Guo P, Sun H, et al. Molecular Epidemiology of Clinical Isolates of Carbapenem Resistant Acinetobacter spp. from Chinese Hospitals[J]. Antimicrob Agents Chemother, 2007, 51(11):40224028.
[12] Cregg J M, Cereghino J L, Shi J Y, et al. Recombinant protein expression in Pichia pastoris[J]. Mol Biotechnol, 2000, 16(1):2352.
[13] Waterham H R, Digan M E, Koutz P J, et al. Isolation of the Pichia pastoris glyceraldehyde 3phosphate dehydrogenase gene and regulation and use of its promoter[J]. Gene, 1997, 186(1):3741.

