2009,29(1) 李卫中等 : 组蛋白乙酰转移酶 PCAF 在原核细胞的表达及其生物学活性检测 13 Pharmacia 公司 ; 兔源性乙酰化组蛋白 H3 抗体 HAT 活性分析试剂盒 ( 含 HAT 分析缓冲液 核心组蛋白 乙酰辅酶 A) 购自 Upstate 公司 ;HRP 标记的羊抗小鼠

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1 中国生物工程杂志 ChinaBiotechnology,2009,29(1):12~16 组蛋白乙酰转移酶 PCAF 在原核细胞的 表达及其生物学活性检测 李卫中张丹桂曾俊王革非陈小璇陈幼莹李康生 ( 汕头大学医学院微生物学免疫学教研室汕头 ) 摘要 p300/cbp 相关因子 (p300/cbp?asociatedfactor,pcaf) 是真核细胞内一种重要的组蛋白乙酰转移酶, 它主要通过催化核心组蛋白的乙酰化, 促进特定基因的转录, 参与细胞内多种生物学过程 国内目前尚没有制备出具有生物学活性的组蛋白乙酰转移酶 PCAF 的报道 为此, PCAF 全长 cdna 被克隆入原核表达载体 pgex?5x?1, 通过对诱导条件进行优化, 实现了 PCAF 在大肠杆菌 BL21(DE3) 菌株中的高效可溶性表达并进行了亲和纯化 利用体外乙酰转移酶活性分析实验, 检测到所表达的 GST?PCAF 融合蛋白能够使组蛋白 H3 发生乙酰化 这种具有生物学活性的 PCAF 蛋白的成功制备为进一步研究 PCAF 的转录调控功能以及它与其它蛋白间的相互作用奠定了基础 关键词 p300/cbp 相关因子原核表达乙酰转移酶活性分析中图分类号 Q786 PCAF 即 p300/cbp 相关因子 (p300/cbp? asociatedfactor), 是组蛋白乙酰转移酶家族的一名重要成员, 其主要功能是使组蛋白特定位点的赖氨酸残基 (Lys) 发生乙酰化 组蛋白的乙酰化会降低它与 DNA 链的亲和力, 使核小体结构变得松弛, 促进转录调控因子等与 DNA 链的结合, 有利于基因转录的发生 由此可见,PCAF 在基因表达调控过程中起着十分关键的作用 PCAF 既可以乙酰化游离的组蛋白, 又可以乙酰化核小体结构中的组蛋白, 其乙酰化位点主要在组蛋白 H3 的 14 位赖氨酸, 对 H4 的第 8 位赖氨酸的作用非常弱 [1] 除此之外,PCAF 还可以使一些非组蛋白底物发生乙酰化, 如 p53,nf?κb,myod,notch,smad 蛋白,c? myc,e2f1, 通用转录因子 TFIE TFIF 等 [2~4], 从而参与诸如增殖 分化 凋亡以及 DNA 损伤修复等多种细胞生命过程, 已经发现 PCAF 与乳腺癌 鳞状上皮癌 白血病 淋巴癌 肺癌 黑色素瘤 神经母细胞瘤等肿瘤的收稿日期 : 修回日期 : 国家自然科学基金 ( ) 广东省自然科学基金 ( ) 资助项目 通讯作者, 电子信箱 :ksli@stu.edu.cn 发生发展存在一定的联系 PCAF 也经常被某些病毒组分所利用, 包括腺病毒 E1A 蛋白及 E1B55kDa 蛋白 [5] 人巨细胞病毒早期蛋白 IE86 [6] EB 病毒 EBNA2 抗原 [7] 人类免疫缺陷病毒 Tat 蛋白 [8] [9] 人乳头瘤病毒 E2 蛋白等 它们和 PCAF 相互作用的结果往往有利于病毒在宿主细胞内的复制和增殖, 并参与受感染细胞的恶性转化等过程 这些并无多大关联的病毒蛋白均能靶向于 PCAF, 充分表明这一蛋白在病毒与细胞相互作用过程中的重要性 制备出全长的 具有生物学活性的 PCAF 蛋白是研究其功能的前提条件, 然而截至目前, 国内还没有相关报道 本研究在实现 PCAF 在原核细胞高效表达的同时, 保证了它的组蛋白乙酰转移酶活性, 为以后工作的开展奠定了基础 1 材料与方法 1.1 材料 大肠杆菌 DH5α BL21(DE3) 原核表达质粒 pgex?5x?1 由本科室保存 DL2000marker 限制性内切酶 EcoRI BamH I T4DNA 连接酶购自 TaKaRa 公司 ;GlutathioneSepharose4B 鼠源性 GST 抗体购自

2 2009,29(1) 李卫中等 : 组蛋白乙酰转移酶 PCAF 在原核细胞的表达及其生物学活性检测 13 Pharmacia 公司 ; 兔源性乙酰化组蛋白 H3 抗体 HAT 活性分析试剂盒 ( 含 HAT 分析缓冲液 核心组蛋白 乙酰辅酶 A) 购自 Upstate 公司 ;HRP 标记的羊抗小鼠二抗 HRP 标记的羊抗兔二抗 IPTG 和蛋白分子量标准购自碧云天生物技术研究所 ;ECL 化学发光液购自 GE 公司 ; 质粒提取 凝胶回收试剂盒购自北京天根公司, 其他试剂为国产分析纯产品 含全长 PCAFcDNA 的绿色荧光蛋白质粒 pegfp?pcaf 由中国医学科学院医学生物学研究所病毒免疫实验室构建 1.2 方法 重组质粒的构建将 pegfp?pcaf 质粒用 EcoRI 单酶切, 琼脂糖凝胶电泳回收约 2500bp 的产物, 与同样酶切的 pgex?5x?1 载体在 T4 连接酶作用下 16 连接 16h, 转化宿主菌 DH5α 并铺于含 Amp 的 LB 培养基上 挑取菌落进行液体培养后提取质粒, 分别用 EcoRI,BamHI 酶切鉴定, 筛选出的阳性克隆进一步进行 DNA 测序验证, 所构建的原核表达质粒命名为 pgex?pcaf 融合蛋白的诱导表达测序正确的 pgex? PCAF 质粒转化 BL21(DE3) 感受态大肠杆菌, 挑取阳性菌落接种于含氨苄青霉素的 2 YT 液体培养基中, 37 振荡培养过夜 ; 再以 接种量转接到 6 瓶相同抗性的 2 YT 液体培养基中, 振荡培养至 OD 600 达 0.4 左右时, 其中 3 瓶加入诱导剂 IPTG 至终浓度 0.2mmol/L, 另外 3 瓶加入诱导剂 IPTG 至终浓度 1mmol/L; 再分别按如下条件继续振荡培养 :37 4h, 30 4h,25 4h 培养结束后, 取上述培养液 1.5ml, 12500r/min 离心 1min, 去上清 沉淀中加入细菌裂解液 (50mmol/L Tris?HCl,pH8.0,1mmol/L EDTA, 100mmol/LNaCl)400μl, 振荡混匀 再加入终浓度为 1mg/ml 的溶菌酶和终浓度为 10mmol/L 的 PMSF, 置冰上 30min 取 400μl 上述混合液进行超声破碎, 设置功率为 300W, 占空比为 0.5, 时间 2.5min 至菌液清亮后,12500r/min 离心 1min, 分别收集上清和沉淀, 进行 10% 浓度的 SDS?PAGE 电泳 Westernblot 鉴定融合表达的蛋白分别取转化了 pgex?pcaf 质粒并经诱导的 BL21(DE3) 大肠杆菌裂解上清, 以及未转化质粒的正常 BL21(DE3) 大肠杆菌裂解上清, 进行 SDS?PAGE 电泳 蛋白转至硝酸纤维素膜上后, 以脱脂奶粉封闭非特异性结合位点, 加入鼠源性 GST 抗体 ( 稀释 ), 室温反应 3h 后用 TTBS 充分洗膜, 然后与 HRP 标记的羊抗鼠二抗 ( 稀释 ) 反应 1h, 经 ECL 方法显色后观察结果 融合蛋白的纯化将适量诱导后的大肠杆菌悬浮于裂解缓冲液 ( 含 1g/LTritonX?100,1mmol/L PMSF 的 PBS,pH7.4), 冰浴中超声破碎菌体, 直至细菌悬液变得澄清 g 离心 20min, 收集上清液, 与适量 PBS(pH7.4) 平衡后的 Glutathione Sepharose4B 匀浆搅拌混匀后装柱,5 倍体积的 PBS (ph7.4) 洗涤柱子两次后, 用洗脱液 (10mmol/L 还原型谷胱甘肽,50mmol/L 的 Tris?HCl,pH8.0) 洗脱, 收集洗脱液 采用同样方法得到 GST 蛋白 Lowry 法测定纯化后的蛋白质含量 体外乙酰转移酶活性分析在 5μl 的 5 HAT 分析缓冲液 (250mmol/LTris?HCl,pH8.0,0.5mmol/L EDTA,5mmol/LDTT,5mmol/LPMSF) 中分别加入 4μg 核心组蛋白 2μg 乙酰辅酶 A 2μg 纯化的 GST? PCAF 蛋白 ( 对照组中加入 2μg 纯化的 GST) 30 摇床缓慢孵育 1h, 随后进行浓度为 15% 的 SDS?PAGE 胶电泳 蛋白从 PAGE 胶转至硝酸纤维素膜后, 以脱脂奶粉封闭非特异性结合位点, 加入 稀释的抗乙酰化组蛋白 H3 的兔源性一抗, 室温放置 3h TTBS 清洗 3 遍, 用 稀释 HRP 标记的羊抗兔二抗结合 1.5h, 充分洗膜并用 ECL 方法显色 随后用 BandScan 软件对所获条带进行灰度分析 2 结果 2.1 重组质粒的构建及鉴定所构建的质粒被 EcoR I 单酶切为约 2500bp 和 4900bp 两个条带, 被 BamHI 单酶切为 5440bp 和 1960bp 两个条带 ( 图 1), 大小与预期相符 进一步的测序结果表明所获质粒的确为 PCAF 全长 cdna 正向连入 pgex? 5x?1 的原核表达质粒 ( 命名为 pgex?pcaf) 2.2 融合蛋白 GST?PCAF 的表达与纯化 IPTG 诱导后, 经 SDS?PAGE 分析证实, 转化 pgex?5x?1 空质粒的 BL21 工程菌在 26kDa 处表达出了 GST 蛋白 ( 图 2); 而转化了 pgex?pcaf 重组质粒 0.2mmol/LIPTG 浓度和 25 诱导条件下的 BL21 菌在约 120kDa 处出现了一个新的蛋白条带, 同预期分子量一致 (PCAF 本身大小为 94kDa,GST 为 26kDa)( 图 2 第 2 泳道箭头所示 ), 说明已经成功表达出目的蛋白, 目的蛋白既可以以包涵体形式存在于菌体裂解后的沉淀中 ( 图 2 第 6 泳道 ), 也可以以可溶性状态存在于菌体裂解后的上清中 ( 图 2 第 5 泳道箭头所示 ) 进一步经

3 14 中国生物工程杂志 ChinaBiotechnology Vol.29No 图 1 重组质粒的酶切鉴定 Fig.1 Restrictionenzymaticanalysisof recombinantplasmid M:DL2000;1:pGEX?PCAFdigestedbyEcoRI; 2:pGEX?PCAFdigestedbyBamHI 图 3 原核表达蛋白的 Western?blot 检测结果 Fig.3 Westernblotanalysisofprokaryotic expresionprotein 1:UltrasonicsupernatantofBL21(DE3)transformedby pgex?pcaf;2:ultrasonicsupernatantofbl21(de3) 的 H3 组分本身在第 14 位 Lys 存在一定程度的乙酰化, 所以在用抗乙酰化组蛋白 H3 的抗体进行 Westernblot 检测时,GST 蛋白处理的阴性对照组在约 17kDa 处出现了乙酰化组蛋白 H3 条带 ( 图 4a 第 2 泳道 ); 但是与 GST?PCAF 蛋白处理的实验组相比, 后者明显增强了组蛋白 H3 的乙酰化水平 ( 图 4a 第 1 泳道 ) 进一步的灰度扫描显示,GST?PCAF 处理组和 GST 处理组对应条带的灰度比值为 ( 图 4b) 图 2 GST?PCAF 蛋白的表达分析 Fig.2 Analysisofproteinexpresionin E.colibySDS?PAGE M:Mwstandard;1:ThelysateofBL21(DE3)/pGEX?5x?1after induction; 2:The lysate ofbl21(de3)/pgex?pcaf after induction;3:ultrasonicsupernatantofbl21(de3)/pgex?5x?1 afterinduction;4:ultrasonicdepositofbl21(de3)/pgex?5x?1 afterinduction;5:ultrasonicsupernatantofbl21(de3)/pgex? PCAFafterinduction;6:UltrasonicdepositofBL21(DE3)/pGEX? PCAFafterinduction;7:GST?PCAFproteinpurifiedbyGSTafinity chromatography GlutathioneSepharose4B 亲和层析方法纯化后, 可以得到纯度较高的 GST?PCAF 融合蛋白 Lowry 法确定纯化后的 GST?PCAF 蛋白浓度为 320μg/ml 2.3 融合蛋白的 Westernblot 分析 Westernblot 结果显示, 转化了 pgex?pcaf 重组质粒的 BL21(DE3) 大肠杆菌裂解上清能够与 GST 抗体发生特异性反应, 在硝酸纤维素膜上呈现一条约 120kDa 显色带 ( 图 3), 表明该蛋白的确为携带 GST 融合头的 PCAF 蛋白 而正常的 BL21(DE3) 裂解上清不能与 GST 抗体发生反应 2.4 体外检测 GST?PCAF 的组蛋白乙酰转移酶活性 [10] 采用 Kuninger 等的方法并进行了适当改进, 由于选用了从鸡红细胞中提取的天然核心组蛋白, 其中 图 4 融合蛋白的体外乙酰转移酶活性分析 Fig.4 Invitroacetylationasaysoffusionprotein (a)westernblotresult(b)grayscaleanalysis;1:thepurified proteinofgst-pcaf;2:thepurifiedproteinofgst;ac-h3: TheacetylatedhistoneH3 3 讨论 近年来, 组蛋白乙酰化 / 去乙酰化在基因转录调控中的作用越来越受到人们的重视 PCAF 作为一种重要的组蛋白乙酰转移酶, 可以和细胞内的多种组分以及某些病毒蛋白相互作用, 产生复杂的生物学效应 得到有活性的 PCAF 蛋白是研究其功能的前提条件 PCAF 蛋白全长 832 个氨基酸, 分子量较大, 因此在原核细胞内表达其一部分截短片段要比表达完整蛋白容易 目前国外虽然有个别报道表达了全长 PCAF 蛋白 [11], 但多数情况下只是截取其中一段序列 ( 如第 352 ~832 位氨基酸或 352~685 位氨基酸 ) 进行表达 [12~14] 因为上述序列中包含了乙酰转移酶活性结构域, 所以表达出的截短蛋白仍然具有一定生物学活性

4 2009,29(1) 李卫中等 : 组蛋白乙酰转移酶 PCAF 在原核细胞的表达及其生物学活性检测 15 而为了更全面地研究 PCAF 结构与功能的关系以及最大程度地发挥 PCAF 的活性, 需要保留其所有的氨基酸组分 本文构建了含 PCAF 全长 cdna 序列的原核表达质粒 pgex?pcaf, 该质粒中携带的谷胱甘肽巯基转移酶 (GST) 融合头一方面可以增加 PCAF 蛋白的可溶性, 防止包涵体的形成, 另一方面, 有利于通过亲和层析的方法对融合蛋白进行纯化 通过 GST?PCAF 蛋白的诱导条件进行摸索及优化, 发现尽管在不同的 IPTG 浓度 (0.2mmol/L,1mmol/L) 和培养温度 (37,30, 25 ) 下,GST?PCAF 都能够在大肠杆菌 BL21(DE3) 得到表达, 但较高的温度和诱导剂浓度下融合蛋白的可溶性差, 易形成包涵体, 不利于活性的发挥 而 mmol/L 的 IPTG 浓度是经过摸索得到的最佳条件, 尽管此时仍有一些目的蛋白以包涵体形式存在于沉淀中, 但上清中 120kDa 条带的出现表明, 部分目的蛋白已经实现可溶性表达 利用商业化 GST 抗体对菌体裂解物上清进行 Westernblot 检测, 进一步确定 120kDa 处新出现的条带的确是所需要的 GST?PCAF 蛋白 对组蛋白乙酰转移酶活性进行分析的方法目前主要有以下几种 : 最常见的是利用 3 H 或 14 C 标记的乙酰辅酶 A 作为乙酰基的供体, 使组蛋白乙酰化并因此带上放射性标记, 再通过液闪仪计数的方法计算同位素的掺入效率, 以此来计算组蛋白乙酰转移酶的活性 [15] 这种方法尽管敏感性很高, 但是存在放射性危害, 实验费用昂贵并需要特殊的同位素检测设备, 因此一般的实验室难以普及 第二种方法的原理是, 组蛋白乙酰化使乙酰辅酶 A 失去乙酰基形成辅酶 A 后, 在丙酮酸脱羧酶的作用下与丙酮酸反应再次生成乙酰辅酶 A, 同时使 NAD 转变为 NADH,NADH 可以还原四唑氮染料而直接可以在 340nm 处检测 [16] 第三种方法利用了一种特殊染料 CPM[7?diethylamino?3?(4?maleimidylphenyl)?4? methylcoumarin], 它能够和辅酶 A 反应生成一种加合物并在 469nm 处发出荧光, 从而可以用分光光度计检测 [17] 后两种方法的主要缺点是敏感性较低 [10] 研究采用了一种在 Kuninger 等基础上改进的方法, 即利用抗乙酰化组蛋白 H3 的抗体来检测乙酰化程度, 之所以选用这一抗体是因为 PCAF 乙酰化位点主要在组蛋白 H3 的第 14 位 Lys 此外, 该方法的主要优点是没有放射性危害 不需要特殊实验设备和试剂 价格较低 尽管该方法的敏感性也不高, 但对于制备的高纯度 PCAF 而言, 已能够满足实验要求 通过这一方法检测发现, 所表达的 GST?PCAF 融合蛋白能够使组蛋白 H3 乙酰化, 表明该融合蛋白具有生物学活性, 同时 GST 的存在并没有使 PCAF 的组蛋白乙酰转移酶活性丧失, 这也与其它报道相一致 综上所述, 成功实现了 PCAF 在原核细胞的表达, 制备了可溶性的 具有生物学活性的 GST?PCAF 蛋白 在此基础上, 可以利用 GSTpul?down 等技术来研究 PCAF 与其它蛋白 ( 如转录调控因子 病毒组分等 ) 的相互作用, 有助于阐明基因表达调控的机制和了解病毒的致病过程 ; 通过筛选对 PCAF 的乙酰转移酶活性具有抑制性的小分子药物, 还可以用于肿瘤等相关疾病治疗方面的研究 参考文献 [1]SchiltzRL,MizenCA,VasilevA,etal.Overlappingbut distinctpaternsofhistoneacetylationbythehumancoactivators p300andpcafwithinnucleosomalsubstrates.jbiolchem, 1999,274(3):1189~1192 [2]SakaguchiK,HereraJE,SaitoS, etal. DNA damage activatesp53throughaphosphorylation?acetylationcascade. GenesDev,1998,12(18):2831~2841 [3]SheppardKA,RoseDW,HaqueZK,etal.Transcriptional activationbynf?kappab requiresmultiplecoactivators.mol CelBiol,1999,19(9):6367~6378 [4]PatelJH,DuY,ArdPG,etal.Thec?MYConcoproteinisa substrateoftheacetyltransferaseshgcn5/pcafandtip60. MolCelBiol,2004,24(24):10826~10834 [5]HamamoriY,SartoreliV,OgryzkoV,etal.Regulationof histoneacetyltransferasesp300andpcafbythebhlhprotein twistandadenoviraloncoproteine1a.cel,1999,96(3):405 ~413 [6] BryantL A, Mixon P, Davidson M, etal. Thehuman cytomegalovirus86?kilodaltonmajorimmediate?earlyprotein interacts physicaly and functionaly with histone acetyltransferasep/caf.jvirol,2000,74(16):7230~7237 [7]WangL,GrosmanSR,KiefE.Epstein?Barvirusnuclear protein,2 interactswith p300, CBP, and PCAF histone acetyltransferasesinactivationofthelmp1promoter.procnatl AcadSciUSA,2000,97(1):430~435 [8] BenkiraneM, Chun R F, XiaoH, etal. Activation of integratedprovirusrequireshistoneacetyltransferase:p300and P/CAFarecoactivatorsforHIV?1Tat.JBiolChem,1998,273 (38):24898~24905 [9]LeeD,HwangSG,Kim J,etal.Functionalinteraction betweenp/cafandhumanpapilomaviruse2protein.jbiol Chem,2002,277(8):6483~6489

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