当前位置: 首页 > 期刊 > 《中国免疫学杂志》 > 1999年第9期
编号:10258130
人白细胞介素4在大肠杆菌中的优化表达①
http://www.100md.com 《中国免疫学杂志》 1999年第9期
     作者:黄 欣 赵忠良 曹雪涛

    单位:第二军医大学免疫教研室,上海200433

    关键词:人白细胞介素4;基因表达;大肠杆菌;优化表达

    中国免疫学杂志990908 摘 要 目的:通过优化设计利用大肠杆菌表达人白细胞介素4(IL-4)并提高其表达量。方法:根据原核翻译起始序列的局部二级结构自由能,设计了AUG上下游序列,并在人IL-4基因下游插入部分大肠杆菌LacZ序列以提高mRNA的稳定性。结果:成功地构建了人IL-4的高效表达克隆,命名为pLCM182-hIL4。SDS-PAGE分析显示所表达的重组IL-4蛋白质占细菌总蛋白的30%。目的基因下游没有插入LacZ序列所构建的表达克隆pCZH-hIL4在大肠杆菌中的表达量则占细菌总蛋白的20%左右。结论:所设计的优化表达方法对人IL-4基因的表达是成功的,在细胞因子的工程化表达中,优化设计对基因的表达量至关重要。
, 百拇医药
    中国图书分类号 R392.11

    The optimizing expression of human interleukin 4 in E.coli

    HUANG Xin,ZHAO Zhong-Liang,CAO Xue-Tao.

    Department of Immunology,Second Military Medical University,Shanghai 200433

    Abstract Objective:Gene expression of cytokines in E.coli has become a routine method to get recombinant cytokines.The human interleukin 4(hIL-4) was expressed in E.coli at low levels that had not exceeded 10%.It is possible to evaluate its expression level by local sequence design.Methods:In the present study,the region around the start codon was designed based upon free energy of RBS local second structure,and partial sequence of E.coli LacZ gene was inserted in the downstream region to improve the statility of the expressing gene.Thus the constructed expression vector with hIL-4 was very efficient and was terminated pLCM182-hIL4.Results:The expressed hIL-4 was up to 30% of total bacterial protein,and the expression level decreased to 20% if the hIL-4 gene was not followed with that partial LacZ gene.Conclusion:The data showed that the optimized methods adopted was successful in hIL-4 expression and indicated optimizing design would be effective in improving gene expression levels of cytokines.
, 百拇医药
    Key words Human interleukin 4 Gene expression E.coli Optimizing expression

    人白细胞介素4(interleukin-4,IL-4)是一重要的免疫活性调节分子,主要由Th2细胞产生,在T细胞、B细胞、巨噬细胞的增殖分化及功能调控方面起重要的作用[1-3]。近年来发现IL-4在树突状细胞扩增培养中至关重要[4],而树突状细胞作为一种体内最强的抗原提呈细胞在抗肿瘤、抗感染免疫中具有不可忽视的作用,随着对其相关机制的进一步认识,IL-4可能会显示出更多的研究和应用价值。利用大肠杆菌来表达细胞因子目前已成为常规手段,对于人IL-4的表达也已有报道,但表达量较低[5,6](约5%~10%的水平)。本研究根据前人研究基因表达的经验,利用计算机辅助设计起始密码子(AUG)上下游的序列,根据该局部二级结构的自由能来选择对表达影响最小的局部序列,以提高基因表达时的翻译水平。同时,在目的基因的下游插入部分大肠杆菌LacZ序列试图以此来提高mRNA的稳定性,从而进一步提高基因的表达量。
, http://www.100md.com
    1 材料与方法

    1.1 实验材料

    1.1.1 质粒和菌株 克隆、测序、表达一体化载体pLCM182由本室构建[7];大肠杆菌DH5α购自Gibco。

    1.1.2 主要实验试剂 淋巴细胞分离液(ρ=1.077)购自Sigma;异硫氰酸胍购自Fluka;反转录采用Gibco Superscript Preamplification试剂盒;各种工具酶均为Promega公司产品;人IL-4标准品购自Gibco(5×106 U/mg)。

    1.1.3 主要实验材料 正常成人外周血来自作者本身。PCR引物:上游ATAATGCACAAGTGCGATATCACCTTA;下游TTGGATCCTCAGCTCGAACACTTTGAATA由Cybersyn公司合成。
, 百拇医药
    1.2 方法

    1.2.1 PCR引物的设计与载体的选择 利用计算机辅助设计起始密码子(ATG)上下游序列,根据局部二级结构的自由能来选择对表达影响较小的局部序列,选择从SD到ATG的局部序列为AATTA。本室构建的克隆、测序、表达一体化载体pLCM182在其多克隆位点后携带部分大肠杆菌的LacZ序列,该序列具有一定的稳定mRNA的作用。

    1.2.2 人IL-4基因的克隆 正常成人外周血经梯度离心(梯度离心液ρ=1.077)后,收集交界层的PBMC,以Hank's液洗3遍后,以1×106在含20 μg/ml PHA的PRMI1640培养基中培养,置于37℃,5%CO2中培养48 h后收集细胞,以异硫氰酸胍一步抽提法得总RNA后反转录。PCR参数为95℃ 20 s;55℃ 30 s;72℃ 30 s,共40个循环。特异扩增条带根据人IL-4基因中所包含的酶切点初步鉴定。
, 百拇医药
    1.2.3 人IL-4基因在载体中的定向克隆 克隆、测序、表达一体化载体由本室构建,将pLCM182用EcoR Ⅱ BamH I 酶切,制备成一平一粘的载体片段;同时PCR产物也经BamH I酶切制备成一平一粘的基因片段。两个片段在T4 DNA 连接酶的催化下于16℃连接过夜,连接产物转化DH5α感受态菌。挑取阳性转化子作小量制备及酶切鉴定。能被Pst I单酶切下一约260 bp片段的克隆为阳性克隆。

    1.2.4 人IL-4在大肠杆菌中的诱导表达 取鉴定为阳性的克隆菌在32℃下培养至平台期,以1%转接至SOB、LB、2×YT中,在32℃振摇至OD值约为0.4时,迅速转入42℃中继续振摇4 h,收集细菌以SDS-PAGE分析人IL-4的表达。

    1.2.5 表达的IL-4生物学活性的检测 挑选一表达克隆在2×YT中诱导表达后收集菌体,重悬在约1/5体积的裂解缓冲液中(50 mmol/L Tris-HCl pH8.0;1 mmol/L EDTA;100 mmol/L NaCl,1 mmol/L PMSF)超声粉碎后收集碎片,用含4 mol/L尿素的裂解缓冲液洗3遍,溶于8 mol/L的尿素中,在4℃存放过夜,以PBS梯度透析后测定生物学活性。生物学活性测定用MTT法,反应性细胞株为TF1,人IL-4的标准品为Gibco产品。
, http://www.100md.com
    2 结 果

    2.1 人IL-4基因的PCR扩增及酶切鉴定 以PHA刺激的正常成人PBMC的mRNA为模板,经PCR扩增出一约400 bp的条带,该条带经Pst I酶切后产生两个大小分别为150和250 bp的片段,初步确定其为人IL-4基因(图1)。

    图1 人IL-4基因片段的PCR扩增结果

    Fig.1 Identification of PCR amplified hIL-4 gene fragment

    Note:lane1,DNA marker;lane2,PCR amplified hIL-4 gene fragment;lane3,the amplified fragment digested with Pst I
, http://www.100md.com
    2.2 人IL-4基因的定向克隆、测序及表达 PCR片段经DNA聚合酶补平后BamH I酶切,制备成基因片段。载体pLCM182则以EcoR V和BamH I双酶切后制备成载体片段。在T4 DNA连接酶作用下连接载体片段和基因片段。转化感受态大肠杆菌后挑选阳性转化子,经Pst I酶切后能产生一360 bp左右片段的克隆为阳性克隆。用ABI 377自动测序仪直接以M13mp18测序引物测序,结果克隆的人IL-4基因序列与发表序列完全吻合,将其命名为pLCM-hIL4。携带pLCM-hIL4的大肠杆菌经热诱导后在SDS-PAGE上显示一分子量为14 kD左右高表达蛋白带(图2),该带经激光灰度扫描测定占细菌总蛋白的30%以上,该基因在SOB、2×YT和LB中均可高表达。

    图2 人IL-4的表达结果

    Fig.2 Expression of hIL-4
, http://www.100md.com
    Note:lane 1~3,pLCM-hIL4 expressed in LB,2×YT and SOC,respectively; lane 4,protein MW marker

    2.3 人IL-4表达产物的生物学活性测定 将包涵体初步纯化后所获得的蛋白用人IL-4反应性细胞株TF1以MTT法测定其生物学活性。其粗制品即显示出明显的生物学活性,比活性约为5×104 U/mg蛋白,经离子交换和HPLC进一步纯化的蛋白比活性可为106 U/mg,并成功地应用于人树突状细胞的培养。

    3 讨 论

    利用原核表达系统表达人IL-4早有报道,van Kimmenade A 等[5]利用Trp启动子,Batchikova N V等利用tac启动子[9]和李晨等利用PRPL启动子[6]均有成功表达,所获得的人IL-4在非糖基化状态下亦具有生物学活性;尤其是李晨所构建的表达载体通过温度诱导法表达人IL-4,相对Trp启动子系统和tac启动子系统不仅能更好地促进目的基因的表达,还避免了表达产物后期处理过程中去除诱生剂等问题[6]。但是,他们所采用的表达系统表达量较低,仅为5%~10%。
, 百拇医药
    外源基因在原核表达系统中受到的影响因素很多,包括启动子强度,SD序列和转录终止序列,SD序列到ATG之间的距离,密码子的使用频率,表达产物的稳定性。Batchikova N V曾经对翻译起始部分的核糖体结合位点对人IL-4表达的影响作了一定的探讨,证实该序列对表达的重要作用[7,8]。在本实验中,所采用的启动子为强启动子PL,SD序列为AGGAG,质粒的转录终止序列为rrnBT1T2;为了提高人IL-4的表达量,在计算机的辅助下,根据局部二级结构的自由能来选择对表达影响最小的局部序列,所设计的SD序列到ATG之间的序列为AATTA;研究表明AUG前的3个核苷酶以UAU、CUU组合为最佳,一定要避免AGG、UUC、UCA[9],而在以前的表达体系中,很可能是由于在AUG前出现了C而导致了表达量较低。

    PCR引物所扩增的序列为去除了信号肽的编码序列,同时还在目的基因的下游插入部分大肠杆菌LacZ序列,试图以此来提高mRNA的稳定性。结果这一优化表达设计使人IL-4的表达量提高到30%,且非常稳定,而后利用同样原理对人白细胞介素17进行优化表达设计也获得了同样的结果。当目的基因下游没有插入LacZ的部分序列时,表达量略低,约占细菌总蛋白的20%,说明所插入的这部分序列在表达人IL-4时有助于提高表达量。
, 百拇医药
    通过对人IL-4的表达,我们认为,在以原核表达系统表达真核基因时,进行表达的优化设计是十分必要的。同一基因在不同的表达设计下会产生不同的结果,所以对单个基因而言,在许多可能的表达因素改变之后,其表达绝不千篇一律,更不用说表达不同基因时。也正是因为在基因表达过程中各种已知、未知因素使我们很难预料其结果,对表达进行优化设计才显得尤其重要。通过对表达的优化设计,不仅可能提高目的基因的表达量,更重要的是还将有助于我们了解基因表达过程中的调节因素,从而使基因表达技术日益成熟。

    ①本研究受国家“863”项目(BH-03-01-03)资助

    作者简介:黄 欣,女,26岁,博士生,主要从事分子免疫学研究;

    赵忠良,男,35岁,博士后,分子生物学博士,主要从事分子生物学、分子免疫学的研究;

    曹雪涛,男,34岁,博士,教授,博士生导师,主要从事肿瘤免疫研究
, 百拇医药
    4 参考文献

    1 Lee F,Yokota T,Otsuka T et al. Isolation and characterization of a mouse interleukin cDNA clone that expresses B-cell stimulatory factor 1 activities and T-cell- and mast-cell-stimulating activities.Proc Natl Acad Sci USA,1986;83:2061

    2 Noma Y,Sideras P,Naito T et al. Molecular cloning of cDNA encoding the murine IgG1 induction factor by a novel strategy using SP6 promoter.Nature,1986;319:640
, 百拇医药
    3 Yodota T,Otsuka T,Mosmann T et al. Isolation and characterization of a human interleukin cDNA clone homologous to mouse B-cell stimulatory stimulatory factor 1 that expresses B-cell- and T-cell-stimulatory activities.Proc Natl Acad Sci USA,1986;83:5894

    4 Romani N,Grrner S,Brang D et al. Proliferating dendritic cell progenitors in human blood. J Exp Med,1994;180:83

    5 van Kimmenade A,Bond M W,Schumacher J H et al. Expression,renaturation and purification of recombinant human interleukin 4 from Escherichia coli.Eur J Biochem,1988;173:109
, 百拇医药
    6 李 晨,张智清,郑 蕾 et al. 人白细胞介素4在大肠杆菌中表达.中华微生物学和免疫学杂志,1990;10(2):137

    7 Gurevich A I,Esipov R S,Kachalina T A et al. Dependence of the level of gene expression in E.coli on the structure of the translation initiationsgegment.Bioorg Khim,1995;21:282

    8 Batchikova N V,Kulagina M A,Lutsenko S V et al. Expression of a synthetic gene for human interleukin-4 in E.coli cells preparation of abiologically active protein.Bioorg Khim,1992;18:660

    9 Min K T, Kim M H,Lee D S.Search for the optimal sequence of the ribosome binding site by random loigonucleotide-directed mutagenesis.Nucleic Acids,1988;16:5075

    〔收稿日期:1998-02-15 修稿日期:1998-12-14〕, http://www.100md.com