一种海葵神经毒素基因SR1及其应用.pdf

本发明涉及一种海葵神经毒素基因Sr1及其编码的蛋白，以及该蛋白在制备治疗心血管疾病药物中的应用。本发明用RT－PCR的方法，从玫瑰红绿海葵触手总RNA中分离得到的海葵神经毒素基因Sr1，其DNA序列如序列表中<400>1序列所示。该基因编码的蛋白(重组海葵神经毒素Sr－p1)，其氨基酸序列如序列表中<400>2序列所示。本发明的重组海葵毒素蛋白具有强心作用和抗心律失常作用，可用于制备治疗心血管疾病药物。

1.  用RT-PCR的方法从玫瑰红绿海葵触手总RNA中分离得到的海葵神经毒素基因Sr1，其DNA序列如序列表中<400>1序列所示。

2.  权利要求1所述基因编码的蛋白Sr-p1，其氨基酸序列如序列表中<400>2序列所示；该蛋白等电点为8.22，分子量为4991道尔顿。

3.  如权利要求2所述的蛋白Sr-p1，其特征在于该蛋白是通过表达载体pETTRX-Sr1在大肠杆菌中以胞内可溶的形式表达的。

4.  如权利要求3所述的蛋白Sr-p1，其特征在于所述表达载体pETTRX-Sr1是建立以硫氧环蛋白为融合伴体，中间插入His的亲和标记位点及蛋白酶3C识别位点的高效表达载体，该系统使Sr1基因在大肠杆菌中以胞内可溶的形式表达，表达量达到150mg/L。

5.  权利要求2，3或4所述的蛋白在制备治疗心血管疾病药物中的应用。

一种海葵神经毒素基因Sr1及其应用
技术领域
本发明涉及一种海葵神经毒素基因Sr1及其编码的蛋白，以及该蛋白在制备治疗心血管疾病药物中的应用。
背景技术
海葵(anthopleura)，属腔肠动物门(soelenterata)，珊瑚纲(anthozoa)，是海洋中较原始的动物类。在长期的生物进化过程中，为了抵御敌害及捕获食物，海葵触手的刺丝囊能够分泌多种海葵毒素，基本上是多肽类毒素，对人和动物有多种生理活性作用。根据海葵毒素的生理功能将其分为3类：海葵神经毒素、海葵溶细胞素及海葵钾离子通道抑制剂。
国外对海葵神经毒素的研究始于七十年代。1976年美国夏威夷大学Shibata等人从黄海葵(Anthopleura xanthogrammica)中分离纯化了Ap-A和Ap-B二种毒素，发现有增强心肌收缩的作用；1977年，Tanaka等对Ap-A的氨基酸序列进行了测定；随后，又有多种海葵神经毒素被发现，并做了氨基酸序列测定，以及二级、三级结构的分析。1992年，Gallagher等根据天然的Ap-B的氨基酸序列，体外合成了编码Ap-B的基因，在大肠杆菌中进行了重组表达，重组蛋白与天然的Ap-B在氨基酸组成、序列、二级结构、高压液相图谱及生物活性方面相同。海葵神经毒素的药理研究结果显示，这类毒素专一地和钠离子通道膜蛋白3位点结合，能延迟钠通道的失活。一方面，毒素作为分子探针可用于钠通道的生物学研究；另一方面，毒素对心肌组织产生非常强的正性收缩作用，而且，对实验动物的心率和血压没有影响；另外，海葵毒素还具有抗心律失常的作用，它能够延长心肌细胞复极过程中的有效不应期和动作电位时程，属3类抗心律失常作用。因此，研究开发海葵神经毒素用于治疗心衰和心律失常，是一项很有意义的工作。
海葵在我国海域分布较广，但产量较少。我国的海葵种类主要有：黄海葵(Anthopleuraxanthogrammica)、纵条肌海葵(Haliplanella luciae)、日本侧花海葵(Anhopleura Japonica)、太平洋侧花海葵(Anthopleura pacifica)、暗侧花海葵(Anthopleura nigrescens)、青岛侧花海葵(Aanthopleura Qingdaoensis)、华丽黄海葵(anthopleura elegantissima)、须毛细指海葵(Metridium dianthus)、疣海葵(Adamsia palliata)、红海葵(Actinia equina)等。目前，国内对海葵神经毒素的研究报道较少。对我国特有的海葵资源进行研究，发现新的有应用前景的强心类及抗心律失常海葵毒素，进行基因重组、表达，具有很重要的意义。
从所有已经纯化的海葵神经毒素一级结构来看，大部分为46～49个氨基酸，称为长链神经毒素，分子量在5kDa左右；另一些分子量在3kDa左右的多肽，称为短链神经毒素。目前文献报道的海葵长链神经毒素已有20多种，氨基酸序列比较可以看出其共性为：存在6个Cys残基；3对二硫键；多肽链末端都是亲水性氨基酸。这些海葵神经毒素根据来源又可以分为两类：来源于海葵科的Type-I类毒素称为海葵肽类毒素(Actiniid)；而来源于刺海葵科的Type-II类毒素称为刺海葵肽类毒素(Stichodactylid)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新的海葵神经毒素基因Sr1及其编码的蛋白。
本发明的另一目的在于提供上述基因的蛋白在制备治疗心血管疾病药物中的应用。
本发明用RT-PCR的方法，从玫瑰红绿海葵触手总RNA中分离得到的海葵神经毒素基因Sr1，其DNA序列如序列表中<400>1序列所示。
上述本发明基因Sr1编码的蛋白(重组海葵神经毒素，命名为Sr-p1)，其氨基酸序列如序列表中<400>2序列所示；该蛋白等电点为8.22，分子量为4991道尔顿。
该蛋白是通过表达载体pETTRX-Sr1在大肠杆菌中以胞内可溶的形式表达的。
所述表达载体pETTRX-Sr1是建立以硫氧环蛋白为融合伴体，中间插入His的亲和标记位点及蛋白酶3C识别位点的高效表达载体，该系统使Sr1基因在大肠杆菌中以胞内可溶的形式表达，表达量可达150mg/L。
本发明所选择的海葵属于玫瑰红绿海葵(Sagartia rosea)，采自采自广西北海涠洲岛。
玫瑰红绿海葵触手cDNA文库的构建：首先分离海葵触手，提取总RNA。然后比较已发现的海葵神经毒素，它们的氨基酸组成及序列有很大的保守性，依据Ap-B两端的保守氨基酸序列，设计简并引物，运用RT-PCR方法，扩增得到目的条带，将目的条带连接到T载体，并转化E.coli挑选重组克隆。
本发明通过对以上重组克隆大规模序列测定，从中得到了1个新的编码玫瑰红绿海葵毒素的克隆，命名为Sr1(其DNA序列如序列表中<400>1序列所示)。新基因编码47个氨基酸的成熟肽(其氨基酸序列如序列表中<400>2序列所示)，等电点为8.22，分子量为4,991道尔顿，具有典型的海葵神经毒素一级结构的特征，分子内含有6个半胱氨酸，形成3对二硫键。
本发明通过设计了一对引物，将编码侧花海葵神经毒素的新基因Sr1用PCR方法从T载体上扩增出来，克隆到原核融合表达载体pETTRX上，构建成表达质粒并将其转化大肠杆菌BL21(DE3)。此表达载体(pETTRX-Sr1)以T7为启动子，采用分子伴侣TRX为融合伴体，帮助重组蛋白正确折叠，以可溶的形式表达，TRX的C端有柔链区和6×His结构，便于利用固定化金属配体亲和层析进行纯化。所设计的上游引物含有蛋白酶3C位点，以便外源蛋白单体的获得。通过对培养时间，诱导时间，温度等条件的摸索和优化，融合蛋白的表达量可达到150mg/L，并且基本上处于可溶状态。
本发明还摸索和优化了重组Sr-p1蛋白的纯化条件，表达产物的超声裂解液经Ni²⁺Chelating Sepharose亲和色谱层析，得到纯度较高的融合蛋白，融合蛋白经3C蛋白酶切割和进一步地G50凝胶柱层析，可得到纯度在95％以上的成熟重组海葵神经毒素蛋白。
本发明获得的重组海葵神经毒素具有生物活性。该重组海葵神经毒素对大鼠离体心房具有强烈的促进收缩作用。对重组海葵神经毒素进行的活性实验，检测Sr-p1重组蛋白对大鼠离体心房的作用，发现用药后的大鼠心房收缩明显增强，最高可增强258.33％。此外，它还有3类抗心律失常作用，能够延长大鼠心肌细胞有效不应期17％。因此，本发明的重组海葵毒素蛋白具有强心作用和抗心律失常作用，可用于制备治疗心血管疾病药物。
由本发明的含有Sr1海葵神经毒素成熟肽编码序列的表达质粒pETTRX-Sr1经Kpn I/Not I双酶切，可得到191bp的片段，即为侧花海葵神经毒素Sr1成熟肽编码序列(其中包含蛋白酶3C识别位点)。
本发明的表达质粒的复制方法：参照Sambrook(Sambrook，et al.1989，Molecular cloing.Cold Spring Harbor Labroratory Press.USA)方法，按CaCl₂法在E.Coli.DH5α或BL21(DE3)菌株中转化质粒，用含氨苄青霉素(100μg/mL)的LB培养基转化细菌，碱法提取质粒。
附图说明
图1为本发明的海葵神经毒素蛋白和Ap-A类的几个毒素蛋白的比较结果，其中“*”表示相同；“:”表示差异较小；“.”表示差异明显；空格表示完全不同。
图2为玫瑰红绿海葵触手总RNA电泳结果。
图3为玫瑰红绿海葵神经毒素Sr1基因的RT-PCR电泳结果。1：PCR目的条带；2：100bp DNA marker。
图4为含基因Sr1的pETTRX-Sr1表达质粒酶切鉴定图。1：100bp DNA marker；2：pPETTRX-Sr1 Kpn I/Not I双酶切。
图5为重组Sr-p1蛋白诱导表达、亲和层析电泳图。1：经IPTG诱导的pETTRX-Sr1菌体总蛋白；2：诱导菌超声上清总蛋白；3：Ni²⁺亲和层析穿流蛋白峰；4：C液洗脱峰总蛋白；5：D液洗脱峰总蛋白；6：Sigma wide range marker。
图6为重组Sr-p1分子筛层析的SDS-PAGE(Tricine)分析。1：Sigma wide range marker；2：经过亲和层析得到的TRX-Sr-p1融合蛋白；3：TRX-Sr-p1融合蛋白经3C蛋白酶(Prescission protease)切割；4：G-50分子筛峰1；5：G-50分子筛峰2(融合伴体TRX)；6：G-50分子筛峰3(纯化的重组Sr-p1)。
图7为含基因Sr1的重组表达质粒pETTRX-Sr1构建图。
具体实施方式
以下实施例将有助于本领域的普通技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。
实施例一：玫瑰红绿海葵触手总RNA的提取和RT-PCR扩增
总RNA的提取和cDNA合成：分离玫瑰红绿海葵触手，采用异硫氰酸胍法提取触手总RNA，酚/氯仿抽提去除蛋白质。获得100μg毒腺总RNA，其A₂₆₀/A₂₈₀＝2.03，经1％甲醛变性胶电泳检测可见清晰的18s和28s两条带，比值＞1(见图2)，表明总RNA完整性良好。
取1ug总RNA以SMART III olignuclotide(5′-AAGCAGTGGTATCAACGCAGAGTGGCCATTATGGCCGGG-3’)和CDSIII/3’PCR引物(5′-ATTCTAGAGGCCGAGGCGGCCGACATG-d(T)₃₀N_-1N-3’)进行逆转录合成第一链，得到10μlcDNA第一链产物。
引物设计和RT-PCR扩增：依据Ap-B的两端氨基酸序列，用oligo引物设计软件辅助分析，设计出两条简并引物。
Ap-B两端氨基酸序列：(N端)GVPCLCD--------GWCCKK(C端)；
正义链(A1)：5’GG(A/C/T/G)GT(A/C/T/G)CC(A/C/T/G)TG(T/C)(T/C)T(A/C/T/G)TG(T/C)GA 3’；
反义链(A2)：5’(T/C)TT(T/C)TT(A/G)CA(A/G)CACCA(A/C/T/G)CC 3’；
每50μl PCR反应体积加入1μl cDNA单链作为模板，PCR扩增，电泳检测，发现在150bp附近出现预期的特异性扩增带(见图3)，回收此带。
实施例二：重组海葵神经毒素基因序列的测定和分析
将回收的电泳产物连接至T载体，转化DH5α大肠杆菌，挑选重组克隆测序．一共测定了25个克隆，Blast同源分析表明，这25个克隆都是神经毒素基因序列，基因长度都是141bp，各编码47个氨基酸的毒素蛋白，其中有1个毒素蛋白编号为Sr-p1，它和已报导的海葵神经毒素蛋白的氨基酸序列不完全相同，是1个新的毒素蛋白。
目前，已报导的海葵神经毒素有20多种，氨基酸数目介于46-49(另外还有几个毒素的氨基酸残基介于27-31，称短链神经毒素)，其中12个氨基酸保守。根据它们的氨基酸序列又可分为两个亚类，以Ap-A、Ap-B为代表，属第一亚类；以Sh I、Rp I为代表，属第二亚类。两个亚类之间，氨基酸序列的同源性为30％左右，而属同一个亚类的毒素蛋白，氨基酸序列之间的同源性超过60％，我们所发现的这个毒素蛋白属于第一亚类。用Clustalw分析软件，对这个毒素蛋白和Ap-A类的几个毒素蛋白进行多序列比较，结果如图1所示。
从图1可以看出，Sr-p1与Ap-C非常相似，它们之间只是第12位、21位、22位和47位4个氨基酸的差异。与Ap-C的Blast分析结果表明，Sr-p1和Ap-C的同源性是93％。另外，它和As V的序列也很接近，Blast分析结果显示，Sr-p1和AsV的同源性是89％。
在PCR扩增反应中，用普通的Taq酶会出现约10^-4的错配，由于目的片段较小，PCR的循环数不超过30个，降低了错误参入的概率。
实施例三：重组海葵神经毒素表达质粒的构建
依据Sr1基因的两端序列合成一对引物，上游引物含Kpn I和Prescission Protease切割位点，下游引物含BamH I切割位点。
上游引物(B1)：5’CGGGGT ACCCTG GAA GTT CTG TTC CAG GGG CCC GGG GTG
                       Kpn I     Precision Protease  site
              CCG TGTTTGTGTGAC3’；
下游引物(B2)：5’CGCGGA TCC TTA TTA TTT TTT GCA GCA CCA GCC AAT G3’；
                     BamH I
以含Sr1基因的pGEM-T Easy质粒(购自Promega公司)为模板，B1、B2为引物PCR扩增，得到特异扩增的单一条带，产物大小在200bp左右。PCR扩增产物先以Kpn I/BamHI的组合克隆到BSK质粒上构建成BSK-Sr1，然后以Kpn I/Not I的组合克隆到原核融合表达载体pPETTRX上，得到重组表达载体pETTRX-Sr1(其构建过程如图7所示)。表达载体pETTRX-Sr1经Kpn I/Not I进行双酶切鉴定(酶切结果见图4)。克隆载体BSK-Sr1和表达载体pETTRX-Sr1中的外源基因经测序鉴定正确。所设计的上游引物中含Pre-scission蛋白酶切割位点，以便切除融合伴侣TRX。
实施例四：重组海葵神经毒素融合蛋白的表达
将pETTRX-Sr1转化大肠杆菌BL21(DE3)。基因工程菌超声裂解上清液经SDS-PAGE电泳分析表明，菌体经诱导后有明显的特异表达产物带，分子量与用软件DNA TOOL5.1预测的理论值18.6kD相符(图5)。
经过对培养时间，诱导浓度，温度等条件的摸索：菌体扩大培养不同时间后诱导表达比较，基因工程菌的培养条件为：接单菌落于50ml氨卞抗性LB培养基中，37℃，250rpm培养过夜，取过夜培养物20ml接种于2L的氨卞抗性LB培养基中，37℃，250rpm培养至OD600＝0.6(扩大培养约2h)，加入100mM IPTG和20％葡萄糖至终浓度分别为1mM和0.2％，25℃，250rpm诱导培养10h后离心收获菌体。经SDS-PAGE电泳分析分析表明，在此条件下Sr-p1融合蛋白的表达量占菌体总蛋白的20％以上，基本上处于可溶状态(图5)。
实施例五：重组海葵神经毒素融合蛋白的纯化及成熟蛋白的获得
将收获的总菌体用TE(pH8.0)洗涤，再用Tis(50mM，pH7.0)悬浮，超声处理后，裂解上清液经Ni²⁺Chelating Sepharose亲和色谱层析一步纯化，经SDS-PAGE分析和薄层扫描分析表明融合蛋白的纯度达到80％(图5)。以1L基因工程菌培养物为材料，最终获得约120mg纯化的融合蛋白。
为了提高重组蛋白的得率和浓度，简化实验步骤，缩短对重组蛋白的处理时间，在用Ni2+亲和色谱层析纯化重组蛋白时，我们采用一步法进行纯化。根据载体质粒pETTRX所表达的外源蛋白与Ni2+亲和柱的结合能力较强的特点，我们选用了较简化的洗脱条件：50mMTris，500mMNaCl，pH7.0(A液)；50mMTris，500mMNaCl，pH6.0(B液)；100mM咪唑，50mMTris，500mMNaCl，pH6.0(C液)；300mM咪唑，50mMTris，500mMNaCl，pH6.0(D液)。重组Sr-p1多肽在D液被洗脱下来(图5)。从SDS-PAGE结果来判断分离效果最好的部分。
利用Folin-酚法测定重组Sr-p1的蛋白浓度，收获浓度在0.7mg/ml以上的洗脱液，加入Precision Protease进行切割，用SDS-PAGE检测酶切结果，可明显看到5kD附近代表成熟Sr-p1的谱带(图6)。将反应液用Ni2+Chelating Sepharose亲和色谱层析柱纯化(条件同前)，收获含成熟Sr-p1的穿流液，并用Sephadex G-50进一步纯化(洗脱液为PBS)，便得纯度在95％以上的成熟重组海葵神经毒素蛋白Sr-p1(图6)。
实施例六：急性毒性实验(LD₅₀)
体重20±2g的NIH小鼠60只，随机分为6组，每组10只，雌雄各半，其中5组为给药组，1组为对照组。腹腔注射给药，1小时内，小鼠出现发呆、抽搐等中毒症状，继续观察7天，用Bliss法计算小鼠的半致死量。结果显示，重组Sr-p1蛋白对小鼠的半数致死量(LD₅₀)为5.3mg/kg。
实施例七：重组Sr-p1蛋白对大鼠离体心房的强心实验
重组Sr-p1的生物活性参照Shibata的方法，采用大鼠离体心房进行检测。结果发现，重组Sr-p1具有增强大鼠心肌收缩的能力。对心肌收缩力增强的程度用以下方法计算：心房收缩增加百分率＝(给药后的心房收缩幅度-给药前的心房收缩幅度)/给药前的心房收缩幅度×100％，重组Sr-p1能明显增强大鼠离体心房的收缩能力，与西地兰(去乙酰毛花苷C)比较，其作用更强(数据见表1)。
            表1    重组Sr-p1对大鼠离体心房增强收缩结果(n＝6 x±s)
剂量分组                       给药后对离体心房收缩增加百分率(％)
(mol/L)                 1min            3min               5min
西地兰(20μg/ml)        3.75±4.12      10.85±6.23        15.16±10.04
高剂量Sr-p1(2.0×10^-8) 52.78±23.41    108.22±45.42      122.35±45.93
中剂量Sr-p1(2.0×10^-9) 12.69±15.33    30.72±25.62       39.59±23.14
低剂量Sr-p1(2.0×10^-10) 6.18±7.14      10.98±10.18       12.74±11.44
                                序列表
<110>中山大学
<120>一种海葵神经毒素基因Sr1及其应用
<160>2
<210>1
<211>141
<212>DNA
<213>玫瑰红绿海葵(Sagartia rosea)
<220>
<221>mat peptide
<222>(1)…(141)
<400>1
ggg gtg ccg tgt ttg tgt gac agt gac ggt ccg aga gtg aga ggc aat  48
Gly Val Pro Cys Leu Cys Asp Ser Asp Gly Pro Arg Val Arg Gly Asn
1               5                   10                  15
acc tta tca gga aca tac tgg ttg gcc ggc tgc cca tcc ggt tgg cat  96
Thr Leu Ser Gly Thr Tyr Try Leu Ala Gly Cys Pro Ser Gly Try His
            20                  25                  30
aac tgc aag gcc cat gga ccg acc att ggc tgg tgc tgc aaa aaa     141
Asn Cys Lys Ala His Gly Pro Thr Ile Gly Try Cys Cys Lys Lys
        35                  40                  45
<210>2
<211>47
<212>PRT
<213>玫瑰红绿海葵(Sagartia rosea)
<220>
<221>mat peptide
<222>(1)…(47)
<400>2
Gly Val Pro Cys Leu Cys Asp Ser Asp Gly Pro Arg Val Arg Gly Asn
1               5                   10                  15
Thr Leu Ser Gly Thr Tyr Try Leu Ala Gly Cys Pro Ser Gly Try His
            20                  25                  30
Asn Cys Lys Ala His Gly Pro Thr Ile Gly Try Cys Cys Lys Lys
        35                  40                  45