荒漠昆虫小胸鳖甲抗菌肽Attacin基因的克隆及低温表达模式分析

昆虫在低温冷驯化过程中会发生很多基因表达的改变, 从转录组层面上开展广泛的研究有助于全面认识昆虫对冷响应的分子机制。为了对荒漠昆虫小胸鳖甲Microdera punctipennis的 4℃低温转录组数据中一个上调表达的Attacin基因（MpAttacin1）进行深入了解并分析其对低温诱导的响应情况, 本研究通过生物信息学分析对该基因进行了鉴定, 并利用实时荧光定量PCR对其在低温下的mRNA水平进行了检测。结果表明： 获得的MpAttacin1 cDNA长度为523 bp, 包含一个456 bp的开放阅读框和67 bp的5′端非翻译区。MpAttacin1编码含有151个氨基酸残基的多肽, N端含有17个氨基酸的信号肽序列。同源性分析表明, 其氨基酸序列与其他鳞翅目、 双翅目和鞘翅目昆虫的抗菌肽Attacin具有30%~40%的一致性。以邻接法（neighbor-joining, NJ）构建的系统进化树表明, 小胸鳖甲Attacin1与其他鞘翅目昆虫的Attacin起源于共同的祖先, 属于Attacin_C超家族。实时荧光定量PCR分析结果显示, 在4℃与-4℃低温胁迫时, MpAttacin1基因的转录都呈现先升高后降低的应激反应趋势, 但在对低温的响应时间和强度上有所不同。在4℃处理5 h和9 h后, MpAttacin1的表达量分别为对照组的2.3和3.8倍, 而在-4℃处理7 h和9 h后, 分别为对照组的2.4和1.5倍。这些研究表明, 除已知的抗菌功能外, Attacin在昆虫的低温适应过程中可能也发挥着重要的作用。     

荒漠甲虫小胸鳖甲几丁质酶基因MpCht8c的克隆、鉴定与低温表达

为了挖掘荒漠昆虫小胸鳖甲Microdera punctipennis的耐寒性相关基因,从其4℃转录组数据库筛选出差异表达的几丁质酶基因片段394seq2,检测其编码蛋白的几丁质酶活性,研究该基因的表达对低温胁迫的响应情况。采用RACE技术扩增394seq2的5′端和3′端,克隆全长序列,将其ORF构建至原核表达载体pET28a,导入Transetta(DE3)感受态细胞,诱导表达融合蛋白,Western blot法检测表达蛋白的正确性;二硝基水杨酸法测定几丁质酶活性,qRT-PCR技术探究低温表达谱。结果表明,394seq2的5′-UTR为39 bp,3′-UTR为181 bp;ORF为1 140 bp。系统进化树显示该序列与赤拟谷盗几丁质酶8(TcCHT8)聚为一支,命名为MpCht8c。MpCht8c编码379个氨基酸,分子量为41.2 kDa,理论等电点pI为4.67。MpCHT8c含有完整的几丁质酶结构基序,其N端含有几丁质酶催化域,内有一个类18家族几丁质酶的保守基序KXXXXXGGW,中部是一段富PEST的连接区,C端是几丁质酶结合域,属于IV型昆虫几丁质酶。Western blot结果表明His-MpCHT8c在大肠杆菌中正确表达;融合蛋白粗酶液的几丁质酶活性为1.89 U/mL。在4℃冷胁迫0.5 h和5-9 h时Mpcht8c出现两个上调表达峰值,约为对照的2倍。研究表明荒漠昆虫小胸鳖甲的几丁质酶MpCHT8c具有几丁质酶活性,MpCht8c基因的表达可快速响应4℃低温胁迫。研究结果有助于深入研究几丁质酶在小胸鳖甲耐寒性方面的作用机理。     

茶树水通道蛋白基因的克隆与表达分析

从茶树中克隆了6个水通道蛋白(aquaporin,AQP)基因的cDNA全长序列,根据序列相似性和系统进化分析结果,分别命名为CsNIP1;1、CsNIP5;1、CsPIP2;1、CsPIP2;2、CsTIP1;1和CsTIP2;2。氨基酸序列特征分析表明,6个基因的编码氨基酸序列长度在250~301个氨基酸残基,分子量在25.186~30.728kD之间;均为疏水性蛋白,并都含有6个跨膜螺旋;6个基因均含有MIP蛋白家族的特征序列HF/I/VNPA/SI/L/VTI/FA/G和NPA(Asn-Pro-Ala)基序,以及类似沙漏状的跨膜三级结构。荧光定量PCR分析显示:这6个基因在根、茎、叶和花中均表达,且在根中的表达水平最高,表明它们与茶树根系的物质转运密切相关;CsAQPs基因的表达受ABA、高盐、干旱和低温胁迫的调控,表明它们可能参与茶树抗逆响应。     

荒漠昆虫小胸鳖甲Ras GTP酶激活蛋白基因 MpRasGAP 的克隆及低温表达分析

【目的】丝裂原活化蛋白激酶 (mitogen activated protein kinase, MAPK)级联是细胞的重要信息传递系统之一,Ras GTP酶激活蛋白（Ras GTPase-activating protein, RasGAP）基因 RasGAP 和c-Jun氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase, JNK）基因 JNK 分别是MAPK信号转导途径的上、下游基因。本研究旨在确定荒漠昆虫小胸鳖甲 Microdera punctipennis RasGAP 及 JNK 基因对低温的响应情况。【方法】从荒漠甲虫小胸鳖甲中克隆获得 RasGAP 基因的cDNA序列,利用生物信息学分析软件分析其氨基酸序列并构建进化树,利用实时荧光定量PCR检测低温胁迫条件下 RasGAP 和 JNK 基因的表达情况。【结果】小胸鳖甲RasGAP cDNA的开放阅读框2 523 bp,命名为 MpRasGAP （GenBank登录号：KM677930）,编码840个氨基酸,分子量96.594 kDa,编码蛋白MpRasGAP属于RasGAP超家族。MpRasGAP与赤拟谷盗 Tribolium castaneum RasGAP的氨基酸序列一致性达89%。小胸鳖甲在4℃和-4℃低温胁迫1 h后,MpRasGAP 的mRNA水平都显著高于室温对照（25℃）。小胸鳖甲在4℃处理3 h或-4℃处理1 h后, MpJNK 的mRNA水平也显著升高。【结论】本研究结果表明小胸鳖甲MpRasGAP 和 MpJNK 的mRNA水平受低温诱导。研究结果有助于深入研究荒漠昆虫在低温下MAPK信号转导途径的作用机制。     

植物的水通道蛋白

对近 3年来植物水通道蛋白的特性、特异性表达、水分运输机制、表达调控、在植物水分关系平衡中的作用以及这一领域研究中的有关问题作了介绍与评述     

荒漠甲虫小胸鳖甲胞外信号调节激酶ERK基因的克隆与低温表达谱分析

昆虫属变温生物,冷胁迫是其最常见的环境刺激。丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号通路与细胞应对外界刺激密切相关,为了解MAPK信号通路在荒漠甲虫小胸鳖甲耐寒机制中的作用,从小胸鳖甲4℃转录组数据中筛选出胞外信号调节激酶(ERK)基因的全长c DNA,命名为Mp ERK。生物信息学分析表明,Mp ERK全长1125 bp,编码374个氨基酸。Mp ERK的理论分子量是43 k Da,含有ERK激酶所共有的磷酸化位点,属于MAPK超家族,与其它物种ERK的一致性达80%以上。实时定量PCR检测Mp ERK基因在低温下的表达谱发现,4℃处理1 h后,Mp ERK基因的表达上调为对照的7.5倍,5 h时达到高峰,为对照的15倍。-4℃处理1 h后,Mp ERK基因的表达上调为对照的8.4倍,5 h时达到高峰,为对照的13.75倍。研究结果表明Mp ERK基因是冷响应的,可能在小胸鳖甲应对低温时发挥信号转导作用。     

巴西橡胶树水通道蛋白基因cDNA的克隆及序列分析

采用简并性RT-PCR和RACE技术,从巴西橡胶树(Hevea brasiliensis)中克隆了2个aquaporin基因的全长cDNA,分别命名为HbPIP1和HbPIP2(GenBank登录号分别为GQ479823和GQ479824).测序和生物信息学分析表明,HbPIP1和HbPIP2分别编码287和278个氨基酸,均具有6个跨膜区,包含MIP家族信号序列SGX-HXNPAVT/SFG、高等植物PIP高度保守序列GGGANXXXXGY和TGI/TNPARSL/FGAAI/VI/VF/YN.核酸和氨基酸序列的同源性分析表明,HbPIP1和HbPIP2均属于水通道蛋白基因家族的新成员.     

水稻氯离子通道蛋白基因的克隆及表达分析

从粳稻品种‘武进9998-3’中克隆到1个2 429 bp的cDNA片段,结构分析表明,其开放阅读框编码1个含有808个氨基酸残基的碱性蛋白,有11个疏水跨膜区、1个电压门控的氯离子通道、1个胱硫醚β-合酶结构域和3个与阴离子选择性有关的高度保守区。同源性分析结果显示,其与烟草、拟南芥和水稻‘日本晴’中的CLC蛋白相似程度均在50%以上;该基因导入ScCLC(Gef1)基因缺失的酵母突变株中可使其在NaCl或其他盐酸盐胁迫下的生长得到部分恢复。以上结果表明该cDNA片段是一个新的水稻氯离子通道蛋白基因,命名为OsCLC。Q RealTi me-PCR实验表明,该基因在水稻幼穗、旗叶、叶鞘、根、节、节间、叶、愈伤、芽点中均有基础水平表达,在根中表达最高;在盐胁迫24 h内,OsCLC表达明显上升随后下降,此变化趋势具有时间依赖性。由此说明此基因对盐胁迫产生响应,这为深入研究OsCLC的功能奠定一定的理论基础。     

斜纹夜蛾水通道蛋白1（AQP1）基因的克隆、分子特性和表达分析

水通道蛋白(aquaporin, AQP)是生物体中一种重要的跨膜通道蛋白, 它通过一些中性小分子化合物的运输, 从而参与了昆虫对食物中水分再吸收、抗寒和抗干燥等重要生理机制。为研究斜纹夜蛾中水通道蛋白的基因特征和时空表达特征, 本研究利用同源克隆和RACE技术获得了斜纹夜蛾水通道蛋白1（AQP1）基因的两个转录异构体, 并将其分别命名为SL-AQP1A （GenBank登录号： KC999953）和SL-AQP1B （GenBank登录号： KC999954）,其中SL-AQP1B比SL-AQP1A在推导的编码区5′端连续性缺失81个碱基, 而其他序列完全一致; 同源分析显示推导的SL-AQP1与家蚕为代表的水通道蛋白1具有较高的同源性。拓扑学和三级结构模拟显示其有经典的6个全跨膜结构域、2个半跨膜结构域、2个保守的NPA (asparagine-proline-alanine, 天冬氨酸-脯氨酸-丙氨酸)结构基序及选择性水孔构件ar/R （aromatic arginine, 芳香族精氨酸）。qRT-PCR结果显示, SL-AQP1整体时空表达差异性十分明显, 并且SL-AQP1B的表达量显著高于SL-AQP1A; SL-AQP1在卵期和预蛹期有较高的表达量, 在中肠、马氏管、血淋巴、消化腺中有相对较高的表达量, 暗示其在斜纹夜蛾中存在重要的渗透压调节作用。本文结果为进一步研究水通道蛋白在斜纹夜蛾中的作用提供了一定的分子基础。     

抗利尿激素对肾集合管水通道蛋白的调节

肾集合管主细胞管腔膜AQP2水通道蛋白数量受抗利尿激素（ADH）的调节。当血浆ADH为零值时,管腔膜AQP2数量减少,集合管水通透性降低。当血浆ADH水平升高时,管腔膜AQP2数量增加,集合管水通透性升高。     

准噶尔小胸鳖甲短时低温胁迫响应的转录组分析

【目的】拟步甲科昆虫小胸鳖甲Microdera punctipennis是分布于中国新疆古尔班通古特沙漠的特有物种,具有很强的耐寒性,但其低温响应的分子机制尚不明确。本研究旨在利用转录组测序技术丰富小胸鳖甲的已知基因信息,分析在短时低温胁迫下,上调表达基因的主要类群及参与的主要代谢通路。【方法】利用Trinity软件对分别在4℃低温和25℃(对照)下处理3 h的小胸鳖甲成虫RNA-Seq数据进行从头组装,利用Blast2go软件进行基因注释。通过DESeq和GFOLD软件分析差异表达基因,并对上调表达基因进行GO(Gene Ontology)和KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)代谢途径富集分析。【结果】测序过滤后得到68 165 001个有效读序,51 712个平均长度为984 bp的非冗余基因,其中29 925个基因(约57.87%)有同源序列(E-value10-5),与拟步甲科的赤拟谷盗Tribolium castaneum相应基因相似性最高(核苷酸序列一致性为72.75%)。低温响应上调表达基因有514个,富集到35个GO类群,18个KEGG途径。其中胁迫响应类群、生物调节类群和免疫系统过程类群都占有重要比例,嘌呤代谢、硫胺素代谢、糖酵解/糖异生等代谢通路显著富集。在胁迫响应类群中,热激蛋白Hsp90基因、超氧化物歧化酶(SOD)基因和钙联接蛋白Calnexin基因等8个非生物胁迫相关基因显著上调表达。【结论】荒漠昆虫小胸鳖甲低温转录组揭示,在4℃冷驯化过程中,代谢过程、胁迫响应、生物调节和免疫系统等生物学过程相关基因表达显著上调,其中几个非生物胁迫响应基因提示小胸鳖甲可能从分子伴侣、细胞周期阻滞、线粒体稳定性、抗氧化胁迫等多方面应对低温胁迫。KEGG富集分析所揭示的小胸鳖甲在低温下的转录组代谢通路与其他物种有较大差异。研究结果为后续生物信息学分析及小胸鳖甲耐寒关键基因的发掘及耐寒机制的揭示提供了基础数据。     

荒漠甲虫小胸鳖甲抗冻蛋白的酵母表达及应用

昆虫抗冻蛋白(Antifreeze protein,AFP)的抗冻活性很高,可应用于生物组织和细胞的低温保存。为了在酵母中表达荒漠甲虫小胸鳖甲Microdera punctipennis抗冻蛋白Mp AFP698,并确定其在低温下的保护作用,本文通过构建真核表达载体p PIC9K-Mpafp698,转化巴斯德毕赤酵母GS115,诱导表达小胸鳖甲抗冻蛋白Mp AFP698。利用免疫印迹(Western blotting)分析Mp AFP698蛋白的特异性表达,结果显示Mpafp698基因可整合到酵母基因组中并分泌表达,且酵母自身蛋白很少分泌表达。检测抗冻蛋白的低温保护作用,结果发现,小胸鳖甲抗冻蛋白可显著改善冷冻小鼠肝脏等器官的细胞形态,降低血细胞在4℃的溶血率,提高SF9细胞冻融后的存活率。本研究表明,小胸鳖甲AFP可以在毕赤酵母中分泌表达,便于纯化,有良好的低温保护效果。     

小胸鳖甲热激蛋白基因(Mphsp70)的克隆、序列分析及温度对其表达的影响

采用RACE-PCR技术,从荒漠甲虫小胸鳖甲Microdera punctipennis Kaszab克隆hsp70基因全长cDNA序列,命名为Mphsp70。测序结果表明,序列全长2207bp,该序列覆盖了完整编码区,编码647个氨基酸,分子量大小为70.69ku,理论等电点为5.57(GenBank登录号JF421286.1)。此序列包含142bp的5'端非翻译区和124bp的含有多聚腺苷酸信号序列AATAAA和poly A尾的3'端非翻译区以及1941bp的开放阅读框。该基因无内含子,符合诱导型Hsp70的特征。经BLAST检索分析,由Mphsp70的核苷酸序列推定的氨基酸序列与已知的光滑鳖甲Hsp70高度同源,同源性高达97.22%。通过荧光定量RT-PCR技术研究昆虫受到高温胁迫时该基因的表达,结果表明:经37℃和42℃处理昆虫1h后诱导昆虫体内hsp70的表达,其表达量分别为对照组(25℃)的21.57倍和389.3倍,随着处理时间的延长,表达量降低。该研究结果为深入研究小胸鳖甲的抗逆机理提供了新的思路。     

Adaptation to low temperature and regulation of gene expression in antarctic psychrotrophic bacteria

Exposure to extremes of temperatures cause stresses which are sometimes lethal to living cells. Microorganisms in nature, however, are extremely diverse and some of them can live happily in the freezing cold of Antarctica. Among the cold adapted psychrotrophs and psychrophiles, the psychrotrophic bacteria are the predominant forms in the continental Antarctica. In spite of living in permanently cold area, the antarctic bacteria exhibit, similar to mesophiles, ‘cold-shock’ response albeit at a much lower temperatures, e.g., at 0–5°C. However, because of permanently cold condition and the long isolation of the continent, the microorganisms have acquired new adaptive features in the membranes, enzymes and macromolecular synthesis. Only recently these adaptive modifications are coming into light due to the efforts of various laboratories around the world. However, a lot more is known about adaptive response to low temperature in mesophilic bacteria than in antarctic bacteria. Combined knowledge from the two systems is providing useful clues to the understanding of basic biology of low temperature growing organisms. This article will provide an overview of this area of research with a special reference to sensing of temperature and regulation of gene expression at lower temperature.     

Characterization of two copper/zinc superoxide dismutases (Cu/Zn-SODs) from the desert beetle Microdera punctipennis and their activities in protecting E. coli cells against cold

Superoxide dismutases (SODs) are crucial in scavenging reactive oxygen species (ROS); however, studies regarding SOD functions in insects under cold conditions are rare. In this paper, two novel Cu/Zn-SOD genes in the desert beetle Microdera punctipennis, an extracellular copper/zinc SOD (MpecCu/Zn-SOD) and an intracellular copper/zinc SOD (MpicCu/Zn-SOD), were identified and characterized. The results of quantitative real-time PCR showed that MpecCu/Zn-SOD expression was significantly up-regulated by 4 °C exposure for 0.5 h, but MpicCu/Zn-SOD was not. Superoxide anion radical (O₂•^-) content in beetles under 4 °C exposure for 0.5 h showed an initial sharp increase and fluctuated during the cold treatment period, which was consistent with the relative mRNA level of MpecCu/Zn-SOD. The total SOD activity in the beetle was negatively correlated to the O₂•^- content with a correlation coefficient of −0.437. An E. coli system was employed to study the function of each MpCu/Zn-SOD gene. The fusion proteins Trx-His-MpCu/Zn-SODs were over expressed in E. coli BL21 using pET32a vector, and identified by SDS-PAGE and Western blotting. The transformed bacteria BL21(pET32a-MpecCu/Zn-SOD) and BL21(pET32a-MpicCu/Zn-SOD) showed increased cold tolerance to −4 °C as well as increased SOD activity compared to the control BL21(pET32a). The relative conductivity and malondialdehyde content in the two MpCu/Zn-SODs transformed bacteria under −4 °C were significantly lower than the control BL21(pET32a). Furthermore, BL21(pET32a-MpecCu/Zn-SOD) had significantly higher SOD activity and cold tolerance than BL21(pET32a-MpicCu/Zn-SOD) under −4 °C treatment, and had lower conductivity than BL21(pET32a-MpicCu/Zn-SOD). In conclusion, low temperature led to the accumulation of O₂•^- in M. punctipennis, which stimulated the expression of extracellular MpCu/Zn-SOD gene and the increase of total SOD activity. E. coli overexpressing Trx-His-MpCu/Zn-SODs increased resistance to cold treatment-induced oxidative stress. Our findings will be helpful in further study of Cu/Zn-SOD genes in insect cold-tolerance.