:01:00 中国细胞生物学学报 Chinese Journal of Cell Biology 2018, 40(7): DOI: 10.11

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1 :: 中国细胞生物学学报 Chins Journl of Cll Biology 28, 4(7): DOI:.844/j 沙冬青端粒酶逆转录酶基因 (AmTERT) 克隆及表达分析 孙丽春 杨颖 于婷乔 孙玉萍 高海波 2 王瑾瑜 3 门煜 卢存福 * 陈玉珍 * ( 北京林木分子设计育种高精尖创新中心, 北京林业大学生物科学与技术学院, 林木育种国家工程中心, 北京 83; 2 临沂大学生命科学学院, 临沂 276; 3 清华大学分析测试中心, 北京 84) 摘要利用分段克隆法从沙冬青中得到一条全长为 p 的端粒酶逆转录酶基因 (AmTERT), 并对 AmTERT 进行了系统的生物信息学分析 结果表明, AmTERT 编码 53 个氨基酸, 蛋白相对分子质量为 kd, 等电点为 9.49, 属于稳定性较差的亲水性蛋白 未发现跨膜结构存在, 定位预测结果显示其在细胞质膜及线粒体上有定位, 同时发现其有单分型 (NLS-monoprtit) 和双分型 (NLS-iprtit) 细胞核定位信号, 而在原生质体中的瞬时表达实验结果表明 AmTERT 定位在细胞核中 该氨基酸序列共有 47 个潜在磷酸化位点, 氨基酸比对结果显示, AmTERT 与大豆 TERT 相似性高达 75% 另外, AmTERT 蛋白具有端粒酶逆转录酶的保守功能结构域 (TRBD 及 RT), 并存在潜在的 Akt 激酶磷酸化位点, 暗示其可能通过磷酸化作用发挥调节自身或其他基因的功能 荧光定量 PCR 结果显示, AmTERT 在根中表达量较茎和叶组织都高, 盐 干旱 热及低温胁迫均能导致沙冬青幼苗根和叶中 AmTERT 的表达量升高, 说明植物细胞端粒酶可能和动物细胞一样具有应激保护功能 综上, 研究结果表明, 沙冬青端粒酶可能存在非端粒功能 关键词沙冬青 ; 端粒酶 ; AmTERT; 非生物胁迫 Cloning n Exprssion Anlysis of Tlomrs Rvrs Trnsripts (AmTERT) Gn from Ammopiptnthus mongolius Sun Lihun, Yng Ying, Yu Tingqio, Sun Yuping, Go Hio 2, Wng Jinyu 3, Mn Jingyu, Lu Cunfu *, Chn Yuzhn * ( Bijing Avn Innovtion Cntr for Tr Bring y Molulr Dsign, Collg of Biologil Sins n Biothnology, Ntionl Enginring Lortory for Tr Bring, Bijing Forstry Univrsity, Bijing 83, CHin; 2 Collg of Lif Sins, Linyi Univrsity, Linyi 276, CHin; 3 Anlysis n Tsting Cntr, Tsinghu Univrsity, Bijing 84, CHin) Astrt A sgmnt loning mtho ws us to lon tlomrs rvrs trnsripts gn (AmTERT) of p in lngth from Ammopiptnthus mongolius, n systmti ioinformti nlysis of th tlomrs rvrs trnsripts gn (AmTERT) ws rri out. Th rsults show tht AmTERT no protin of 53 mino is with rltiv molulr wight of kd n n isoltri point of 9.49, whih ws poorly stl hyrophili protin. No trnsmmrn strutur ws foun. Th loliztion nlysis rsults show tht 收稿日期 : 接受日期 : 国家自然科学基金 ( 批准号 : ) 山东省自然科学基金 ( 批准号 : ZR24CL3) 高等学校学科创新引智计划 ( 批准号 : B37) 长江学者和创新团队发展计划 ( 批准号 : IRT347) 和北京市自然科学基金 ( 批准号 : 626) 资助的课题 * 通讯作者 Tl: , E-mil: luunfu@jfu.u.n; Tl: , E-mil: hnyuzhn@jfu.u.n Riv: Dmr 3, 27 Apt: April 3, 28 This work ws support y th Ntionl Nturl Sin Fountion of CHin (Grnt No ), Shnong Nturl Sin Fountion (Grnt No.ZR24CL3), Projt (B37), Progrm for Chngjing Sholrs n Innovtiv Rsrh Tm in Univrsity (IRT347) n Bijing Muniipl Nturl Sin Fountion (626) *Corrsponing uthors. Tl: , E-mil: luunfu@jfu.u.n; Tl: , E-mil: hnyuzhn@jfu.u.n

2 2 研究论文 it ws proly lot on th plsm mmrn n in mitohonri, n lso h NLS-monoprtit n NLSiprtit nulr loliztion signls. This mino i squn hs totl of 47 potntil phosphoryltion sits n th rsult of mino i lignmnt show tht th similrity twn AmTERT n soyn TERT ws s high s 75%. In ition, AmTERT protin hs th onsrv funtionl omins of tlomrs rvrs trnsripts (TRBD n RT), n on puttiv Akt phosphoryltion sits in AmTERT tht onform to th onsnsus motif ws prit. Fluorsn quntittiv PCR nlysis show tht AmTERT xprss muh mor in roots thn in stms n lvs. Furthrmor, AmTERT xprssion inrs unr slt, rought, hot n ol strss, initing tht tlomrs might losly ssoit with gnomi stility. Our rsrh rsults impli tht Ammopiptnthus mongolius tlomrs might hv th non-tlomr funtions, n provi som nw Hints for furthr stuy to rvl th funtions of plnt tlomrs. Kywors Ammopiptnthus mongolius; tlomrs; AmTERT; ioti strss 端粒酶作为稳定端粒长度的一种酶, 在维持真核生物染色体末端 DNA 完整性中发挥着重要作用 目前的研究认为, 端粒酶由三个主要部分构成, 即端粒酶逆转录酶 (tlomrs rvrs trnsripts, TERT) 端粒酶 RNA(tlomrs RNA, TER) 和端粒酶相关蛋白 (tlomrs-ssoit protin, TEP) [] 端粒酶行使维持端粒长度时, 是以端粒酶逆转录酶 (TERT) 为催化亚单位, 以端粒酶 RNA(TER) 为模板, 利用逆转录方式来 [2] [3] 补充细胞分裂增殖时丢失的端粒结构 Shmit 等在利用活细胞成像技术实时监测端粒酶招募端粒的动态过程中发现, 人的端粒酶招募端粒的过程发生在细胞分裂周期的 S 期, 并且这一过程都依赖于端粒酶蛋白 TERT 与端粒蛋白 TPP 的直接相互作用 端粒酶逆转录酶 (TERT) 具有逆转录活性, 是端粒酶活性的限速因子 端粒酶的组分最早是在游仆虫中发现的, 之后在人 小鼠等真核生物中也被发现, 而 TERT 基因序列最早是在芽殖酵母中发现的, [4] 随后在纤毛虫中也成功克隆到了此基因 TERT 基 [5] 因具有高度保守性, Fitzgrl 等根据该基因序列保守性较高的原理, 依 htert 序列设计引物, 克隆到拟南芥 TERT 的 DNA 序列 研究发现, 人成纤维细胞和视网膜色素细胞转 TERT 基因后, 细胞增殖能力 [6] 增强 但是, 当端粒酶延长端粒以后, 切除 htert [7] 基因, 细胞的寿命反而会更长 现有的一些研究表明, 端粒酶尤其是端粒酶逆转录酶 (TERT) 亚基, 除了维持端粒长度和染色体稳定之外, 还具有非端粒的 [8] 功能 对端粒酶非端粒功能的研究有助于全面了解端粒酶的功能 目前, 已经在多种植物中获得 TERT 基因, 而关于 TERT 功能的研究多集中在动物细胞, 植物方面的 研究很少, 并且目前未见到关于木本植物 TERT 的研 究报道 沙冬青隶属豆科蝶形花亚科沙冬青属, 为荒 漠特有超旱生常绿灌木, 是第三纪古地中海热带气候 孑遗物种, 我国北方沙漠中唯一常绿阔叶灌木, 国家 三级濒危保护植物 [9] 沙冬青生长环境气候干旱, 年 降水量小于 2 mm, 年平均蒸发量达 3 mm, 季节 性极端温度从冬季约 3 C 到夏季超过 4 C 其自 然分布区域为高盐度的沙质或石质土壤 该物种对 恶劣环境的耐受性使其成为研究抗逆基因和相关机 制的重要植物资源 [] 现有的一些研究表明, 沙冬 青表现出对干旱 高盐度 高温和冰冻胁迫的高度 耐受性 [-2] 而沙冬青端粒酶是否具有抵御极端环 境而保护基因组稳定性, 是一个值得研究的问题 本研究克隆了沙冬青的端粒酶逆转录酶基因 (AmTERT), 进行了系统的生物信息学分析, 分析了 AmTERT 的理化性质和结构特征 同时, 研究了盐 干旱 热及低温胁迫条件下沙冬青幼苗的根和叶中 AmTERT 的表达, 为进一步探究沙冬青端粒酶在极 端环境中行使端粒及非端粒功能提供了可靠证据 材料与方法. 材料 在本实验室前期沙冬青花发育转录组数据库 中筛得端粒酶逆转录酶基因 AmTERT 序列信息 试 验材料为沙冬青 (Ammopiptnthus mongolius) 幼苗, 种子于 23 年采集自内蒙古阿拉善左旗, 保存在 2 C 冰箱中.2 试剂及仪器 聚乙二醇 (PEG4) MS 培养基 氯化钠购自 北京蓝弋化工产品有限责任公司 ; 强力植物 RNA 提取

3 孙丽春等 : 沙冬青端粒酶逆转录酶基因 (AmTERT) 克隆及表达分析 3 试剂盒 (PowrPlnt RNA Isoltion Kit with DNs) 购 自拜尔迪生物科技公司 ; 反转录试剂盒 [QuntSript RT Kit(KR3)] 荧光定量试剂盒 [SYBR Prmix Ex Tq TM II(Prft Rl Tim)] 及 Trns-T 克隆菌株购 自 TIANGEN 公司 ; DNA 内切酶 BmH I 和 Kpn I 购自 NEW ENGLAND BioLs(NEB) 公司 ; DNA 聚合酶 TrnsStrt FstPfu Fly DNA Polymrs 及 peasy - Blunt 测序载体购自 TrnsGn Bioth 公司 ; 表达载 体 pcambia23 由本实验室构建保存 ; 纤维素酶 (Clluls R-) 离析酶 (Mrozym R-) 购自 Solrio 公司 所用到的仪器包括 : 低温离心机 (Eppnorf) 旋涡混合器 液氮 研钵 8 C 冰箱 2 C 冰箱 PCR 仪 (TECHNE) 微量移液器 (Eppnorf) 紫外分 光光度仪 (NnoDrop2) icylr Thrml Cylr 荧光定量 PCR 仪 (Bio-RAD, USA) 及 AR-si 激光扫描 共聚焦显微镜 (Ti-E/Ti-U/Ti-S, Nikon, Jpn) 等.3 胁迫处理沙冬青幼苗 将在 MS 培养基中培养 4 天的幼苗 (25 C 恒温, 6 h 光照 /8 h 黑暗, 7% 湿度 ) 长出 2 片子叶时处理及 取材 低温处理, 沙冬青幼苗放入 2 C 培养室中, 分 别在处理 天时取样 ; 热处理, 将沙冬青 幼苗置于 45 C 环境下, 分别在处理 h 时取样 将在珍珠岩中培养 4 天的沙冬青幼苗 (25 C 恒温, 6 h 光照 /8 h 黑暗, 7% 湿度 ), 长出 2~4 片子 叶时处理及取材 干旱处理, 用 2% 的聚乙二醇 (PEG4) 溶液灌浇, 每 2 天浇 次, 分别在处理 天时取样 ; 盐处理, 用 2 mmol/l 的 NCl 溶液灌 浇, 每 2 天浇 次, 分别在处理 天时取样 采用混合取样法, 每个处理做 3 次生物重复, 即 每个处理水平处理 3 盆 / 瓶幼苗, 每个重复分别取 3 株 沙冬青幼苗的根 叶部分, 样品用锡纸包裹, 液氮速 冻, 8 C 保存.4 提取沙冬青总 RNA 并反转录获得基因组 DNA 用强力植物 RNA 提取试剂盒 (PowrPlnt RNA Isoltion Kit with DNs) 提取沙冬青总 RNA, 具体步 骤按照说明书操作, 提取得到的 RNA 质量和完整性 用 % 的琼脂糖凝胶电泳检测 RNA 浓度用核酸定 量仪 NnoDrop2 测定, 之后保存于 8 C 冰箱备 用 用反转录试剂盒 [QuntSript RT Kit(KR3)] 反 转录获得沙冬青总 DNA, 具体步骤按照说明书操作, 并用 Atin 引物 ( 表 ) 进行 PCR 验证 DNA 的质量 将获得的 DNA 保存在 2 C 冰箱备用, DNA 使用过程中, 尽量避免多次冻融.5 沙冬青 AmTERT 基因 PCR 扩增以.4 中得到的 DNA 为模板, 利用 Vtor NTI.2.5 软件对实验室前期沙冬青花发育转录组数据库中拼接比对得到的 AmTERT 的 CDS 序列进行分析, 得到全长为 p 的开放阅读框 (ORF), 根据此 ORF 设计克隆引物, 但是由于常规的 PCR 方法未能有效扩增出目的片段, 所以采用分段克隆的方式来获得完整的 AmTERT 基因的 ORF 序列 分段克隆具体方案如下 ( 图 ) () 序列分析, 通过生物分析软件 DNAMAN 对 AmTERT 基因 ORF 序列进行酶切位点分析, 所选酶切位点需具备以下特点 : () 酶切位点在基因 ORF 序列内为单一酶切位点 ; () 酶切位点序列不含有简并碱基 ; () 酶切位点的位置尽可能靠近基因 ORF 序列的中间部位 最终选择的酶切位点为 A I, 位于 AmTERT 基因 ORF 序列 786 p 处 (2) 设计引物, 分别扩增 A I 酶切位点前后 2 段 AmTERT 基因序列, 2 段基因序列均需包含 A I 酶切位点, 可适当延长序列长度以找到合适的扩增引物, 最终选择的引物对 S+2A( 表 ) 扩增扩增 AmTERT 基因 ORF 序列 ~ 822 p, 其中上游引物 S 设计带有内切酶 Kpn I 的酶切位点 用引物对 3S3+A( 表 ) 扩增 AmTERT 基因 ORF 序列 72~3 459 p, 下游引物 A 设计带有内切酶 BmH I 的酶切位点 使用 DNA 聚合酶 TrnsStrt FstPfu Fly DNA Polymrs 进行扩增反应, PCR 反应程序为 95 C 预变性 2 min, 然后按 95 C 变性 2 s 6 C 退火 2 s 72 C 延伸 min, 循环 35 次 产物用 % 的琼脂糖凝胶分离后回收, 分别用 DNA 内切酶 A I 单酶切得到包含 AmTERT 基因 ORF 序列 ~ 786 p 及 786~3 459 p 的 2 段序列, 经 % 的琼脂糖凝胶分离并回收后用 DNA 连接酶连接, 获得 AmTERT 全长序列, 连接 peasy - Blunt 载体后送往华大基因公司进行测序.6 构建荧光蛋白融合表达载体将上述测序正确的 peasy -Blunt-AmTERT 用对应内切酶进行酶切后连接表达载体 pcam- BIA23, 连接反应使用 T4 DNA 连接酶 (NEB) 之后转化 Trns-T 克隆菌株并进行测序 表达载体 pcambia23 大小为 p, 载体本身不含启

4 4 研究论文 p A I ( 786 p) 72 p 822 p AmTERT (ORF: p) 图 分段克隆法克隆 AmTERT 基因示意图 Fig. Th shmti of lon AmTERT y sgmnt loning mtho 动子序列和 GFP 序列, 在多克隆酶切位点 (multipl loning sits, MCS) 区 EoR I 和 S I 酶切位点间插入 CMV 35S 启动子序列 (678 p), 在 Pst I 和 Hin III 酶切位点间插入 GFP 序列 (77 p), pcambia23- GFP 载体大小 37 p 载体 pcambia23-am- TERT-GFP 表达的蛋白为融合蛋白 AmTERT-GFP, 在 AmTERT 蛋白 C- 端通过 4 个甘氨酸连接 GFP 蛋白, 通过检测细胞内 GFP 蛋白荧光信号来间接研究 TERT 蛋白的亚细胞定位.7 AmTERT 蛋白在沙冬青原生质体中瞬时表达将上述测序正确的 pcambia23-amtert- GFP 融合质粒及 pcambia23 质粒利用 PEG 介导法转入沙冬青原生质体中 沙冬青原生质体游离方法如下 : 称取.2 g 纤维素酶 (Clluls R-).8 g 离析酶 (Mrozym R-), 加入到 2 ml 酶储液 (.4 mol/l 甘露 2 mmol/l MES 2 mmol/l KCl) 中, 55 C 水浴 min, 冷却后加入 CCl 2 ( mmol/l), BSA(.%),.45 μm 微孔过滤, 制成酶解液, 移入 ml 小烧杯中备用 取 4 周大的沙冬青幼苗子叶 ( 健康 生长状况良好的肥厚叶片 ), 约 5 片子叶, 用镊子去除上下表皮, 置于酶解液中, 锡箔纸包裹避光, 23 C 5 r/min 酶解 h, 之后于 23 C 静置 2 h 期间每隔.5 h 镜检 次 酶解完全后用 ~2 目筛子过滤, 将滤液置于 5 ml 离心管中, 4 C 6 g 离心 5 min 弃上清, 沉淀用 4 ml 冰浴的 W5 溶液 (54 mmol/l NCl 25 mmol/l CCl 2 5 mmol/l KCl 2 mmol/l MES) 轻轻吹散洗涤, 4 C g, 离心 3 min 弃上清, 沉淀再次用 4 ml 冰浴的 W5 溶液重悬, 冰上放置 3 min, 23 C g 离心 min 弃上清, 沉淀用 mmg 溶液 (.4 mol/l 甘露醇 4 mmol/l ME 5 mmol/l MgCl 2 ) 重悬, 每一个转化加 μl mmg 溶液 取 ~2 μg 质粒于.5 ml EP 管中, 加入 μl 原生质体, 轻柔混匀 加入 μl 4% PEG-C 溶液, 轻柔混匀, 放置 2~3 min 加入 44 μl W5 溶液, 轻柔混匀, 23 C g 离心 min 弃上清, 加入 5 μl W5 溶液, 轻柔混匀, 移入清洗干净且用 W5 溶液润 洗过的 6 孔板中, 用 W5 溶液补足 ml, 稍微混匀 23 C 锡箔纸包裹避光培养 2 h 加入固定液(4% 多聚甲醛 ) 固定 5 min 后加入 DAPI( μg/ml) 染色 3 min, 加入 4 ml W5 溶液, 6 g 离心 3 min, 弃上清后再次加入 4 ml W5 溶液, 6 g 离心 3 min 在 AR-si 激光扫描共聚焦显微镜 (Ti-E/Ti-U/Ti-S, Nikon, Jpn) 下观察 激发光波长分别为 : GFP, 488 nm; 叶绿素自体荧光, 663~738 nm; DAPI, 36 nm.8 AmTERT 生物信息学分析 AmTERT 蛋白的基本理化性质由在线软件 ExPASy-ProtPrm( org/protprm/) 进行预测 ; 用 TMHMM( 预测 AmTERT 蛋白的跨膜结构 ; Pritprotin( 预测蛋白的二级结构 ; ExPASy-ProtSl( org/protsl/) 预测疏水性 ; TrgtP V. 和 MitoProt II V.4 预测可能存在的亚细胞定位 ; 为了解 AmTERT 与其他植物 TERT 蛋白的亲缘关系, 从 NCBI 数据库搜索和下载了已知植物的 TERT 蛋白序列 研究中选取了几个具有代表性的科属, 包括百合科 豆科 禾本科 葫芦科 葡萄科 蔷薇科 茄科 十字花科 芸香科 苔藓和藻类 采用 MEGA5. 软件, Nighor-Joining 法构建系统树, Bootstrp 值为.9 荧光定量 PCR 分析以沙冬青 Atin 用作内参基因 ( 表 ), 以引物对 T3-S/T3-A 为荧光定量引物, 使用 SYBR Prmix Ex Tq TM II(Prft Rl Tim) 试剂盒, 用 icylr Thrml Cylr 荧光定量 PCR 仪 (Bio-RAD, USA) 进行实时荧光定量分析 PCR 反应体系 ( μl) 为 : 5 μl Prmix Ex Tq(2 ).3 μl 正向引物 ( μmol/l).3 μl 反向引物 ( μmol/l) μl 总 DNA 3.4 μl H 2 O PCR 反应程序为 : 95 C 预变性 9 s, 然后按 95 C 变性 s 6 C 退火 5 s 72 C 延伸 2 s, 循环 4 次 ; 最后, 72 C 延伸 9 s 每个试验设置 3 个生物重复 数据分析按照公式 2 ΔΔCt 计算 结果用软件 Option Monito 3. 分析, 同时用 SPSS 9. 软件进行数据的

5 孙丽春等 : 沙冬青端粒酶逆转录酶基因 (AmTERT) 克隆及表达分析 5 表 所用引物 Tl List of Primrs us 基因 Gn 引物名称 Primr nm 引物序列 Primr squns AmTERT S CGG GAT CCA TGA TGT ATA GAA GGG AAC CGG C 2A TCG GCT GAA GTC TGA GCT TTG AAA A 3S3 GCA CTG TTG CTT GCT TCA AAG ACT G A GGG TAC CAT ACT TGA TGT CCC AAA GCA GAG AGG T3-S GTA CGG ATG GTG GCG AAT CT T3-A TGG GCA TCA CGA AGA ACA GA Atin Atin-S ACC TTG CTG GCC GTG ATT TAA CG Atin-A ATA GTG GAC CCA CCA CTA AGC ACG 下划线标识的是酶切位点 Unrlin is th rstrition sits. 统计分析, 采用单因素方差分析统计方法, P<.5 为 差异具有显著性 2 结果 2. 沙冬青 AmTERT 基因克隆 经分段法克隆得到 2 段 AmTERT 基因序列, 并 连接得到全长 p 序列 ( 图 2), 测序后结果与 转录组数据库中序列 % 一致 将其注册在 NCBI(Ntionl Cntr for Biothnology Informtion) 网站, 序列号为 MG 生物信息学预测显示 AmTERT 序列具有高保 守性 克隆得到的沙冬青端粒酶逆转录酶基因 Am- TERT 的 ORF 为 p, 预测编码 53 个氨基酸, 相 对分子质量为 kd; 等电点为 9.49, 不稳定参 数 5., 总亲水平均系数 (GRAVY) 值为.344, 属 于稳定性较差的亲水性蛋白 AmTERT 基因编码的 蛋白未发现跨膜结构存在 定位预测结果显示, 其在细胞质膜及线粒体上有定位, 同时发现其有单分型 (NLS-monoprtit) 和双分型 (NLS-iprtit) 细胞核定位信号 对 TERT 蛋白质序列中的氨基酸残基潜在的磷酸化位点做出了预测, 结果表明, 该氨基酸序列共有 47 个潜在磷酸化位点, 其中包括 84 个几乎分布在整条多肽链上的丝氨酸 (Sr) 磷酸化位点, 54 个苏氨酸 (Thr) 磷酸化位点和 9 个酪氨酸 (Tyr) 磷酸化位点 通过氨基酸序列比对发现, TERT 蛋白保守性均很高, 其中 AmTERT 与大豆和鹰嘴豆的相似性都达到了 75%, 并且它们都属于豆科 Pritprotin 预测 AmTERT 的二级结构由 26.54% 的 α- 螺旋 8.6% 的 β- 折叠和 64.86% 的无规则卷曲组成 将 Am- TERT 与库中的已知同源蛋白晶体结构比对并进行三维重构, 利用 SWISS-MODEL 预测了 AmTERT 的主链构象 ( 图 4C), 其包含有保守的具有逆转录活性的结构序列 (RT, 图 4B) 及在进化过程中也十分保守 M p M: DL2 mrkr; 2: 扩增产物 ~ 822 p; 3 4: 扩增产物 72~3 459 p; 5: 全长 ORF 扩增产物 (3 459 p) M: DL2 mrkr;,2: PCR mplif p; 3,4: PCR mplif p; 5: full lngth of ORF PCR mplif (3 459 p). 图 2 PCR 扩增 AmTERT 基因 Fig.2 PCR mplifition of AmTERT gn

6 6 研究论文

7 孙丽春等 : 沙冬青端粒酶逆转录酶基因 (AmTERT) 克隆及表达分析 7 氨基酸比对结果及二级结构 其中黑色框标识的是 Akt 激酶磷酸化位点 ; Oryz: 水稻 ; Z: 玉米 ; Ariopsis thlin: 拟南芥 ; Glyin: 大豆 ; Cir: 鹰嘴豆 mino i lignmnt rsults n sonry strutur. th lk ox intifis th Akt kins phosphoryltion sit; Oryz: Oryz stiv; Z: Z mys; Ariopsis thlin: Ariopsis thlin; Glyin: Glyin mx; Cir: Cir ritinum. 图 3 不同物种间 TERT 蛋白的比对结果 Fig.3 Comprison of TERT protins from iffrnt spis

8 8 的端粒酶 RNA 的绑定结构域 (Tlomrs_RBD)( 图 4A) 基于不同植物的 TERT 氨基酸序列, 使用 MEGA5. 软件用 Nighor-Joining 法构建 NJ 进化树, 研究中选取了几个具有代表性的科属 : 包括百合科 豆科 禾本科 葫芦科 葡萄科 蔷薇科 茄科 十字花科 芸香科 苔藓和藻类, 其中黑色圆圈标识的是 Am- TERT 氨基酸序列 在对各物种氨基酸序列进行格式化处理后, 使用 Clustl W 软件对获取的全部 TERT 蛋白序列进行多序列比对, 通过筛选和去除结果中的低相似性冗余序列 利用筛选后的序列比对结果, 使用 PhyML 构建系统发育树 (Bootstrp=), 得到不同物种 TERT 氨基酸序列的系统进化关系 ( 图 5) 系统进化结果表明, TERT 在同一类群中的保守性极强 如 TERT 基因在黄瓜 香瓜等的分支中具有高度的保守性 (ootstrp 99), 而上述均属于葫芦科植物, 也即 TERT 基因的系统进化关系与其所在物种的系统进化关系保持了一致 其他如水稻 小麦等为主的禾本科, 大豆 菜豆等为主的豆科, 番茄 烟草等为主的茄科也都反映出了类似的情况, 也即同一科属物种的 TERT 的亲缘关系都较近 2.3 AmTERT 亚细胞定位利用 PEG 介导法将 pcambia23-amtert- GFP 融合质粒及 pcambia23 质粒导入沙冬青原生质体, 瞬时表达结果显示, AmTERT 主要定位在细胞核中 ( 图 6B) 研究论文 2.4 基因表达分析 2.4. 不同组织 ( 器官 ) 中的表达差异利用实时荧光定量 PCR 技术分析了 AmTERT 在培养 4 天的沙冬青幼苗根 茎和叶中的表达量, 结果显示, AmTERT 在根中的表达水平均高于茎及叶组织, 其中在茎组织中表达量较低 ( 图 7) AmTERT 响应盐 热 干旱及冷胁迫在不同的非生物胁迫处理下, AmTERT 的响应模式存在差异, 即使在同一逆境下, 在不同组织间的表达模式也不同 在 NCl 胁迫下, AmTERT 在叶中的表达水平在 ~ 天呈现轻微的下降趋势, 后明显升高, 在处理 2 天时达到最大值, 而后降低 ; 而在处理 ~4 天时, Am- TERT 在根中的表达呈现先和缓升后再到达最大值, 后恢复至正常水平的趋势, AmTERT 在根中的表达量同样高于叶 ( 图 8E 和 8F) 在渗透(PEG) 胁迫下, 沙冬青幼苗的根和叶组织中 AmTERT 受 PEG6 胁迫诱导, 表达量呈逐渐上升趋势, 在 4 天时均达到最大值, 而后降低, 根中的表达量始终显著高于叶片组织 ( 图 8A 和 8B) 在 2 C 低温胁迫下, 叶组织中 AmTERT 的表达水平在 ~ 天呈现轻微的下降趋势, 后明显升高, 在 4 天时达到最大值 根组织中处理 ~ 天呈现先下降而后在 2~8 天之间逐渐升高的趋势 叶组织中 AmTERT 表达量的达峰时间比根组织中早 ( 图 8G 和图 8H) 在 45 C 高温胁迫下, 叶组织中 AmTERT 的表达水平在 A C B A: AmTERT 的端粒酶 RNA 结合结构域 (RTBD) 三维结构模型 ; B: AmTERT 的逆转录活性区域 (RT) 三维结构模型 ; C: AmTERT 三维结构模型 A: th thr-imnsionl struturl mol of th tlomrs RNA ining omin (RTBD) of AmTERT; B: th thr-imnsionl struturl mol of th rvrs trnsriptionl tivtion rgion of AmTERT; C: th thr-imnsionl struturl mol of AmTERT. 图 4 AmTERT 三维结构模型 Fig.4 Thr-imnsionl strutur igrm mol of AmTERT

9 孙丽春等 : 沙冬青端粒酶逆转录酶基因 (AmTERT) 克隆及表达分析 Cmlin stiv Cpsll rull 73 Nsli pniult 97 Ariopsis thlin Brssi olr vr. olr Brssi rp 85 Populus uphrti Populus trihorp 99 Citrus sinnsis 99 Citrus lmntin Prunus mum 99 Prunus prsi Frgri vs susp. vs Cjnus jn Cir ritinum mmopiptnthus mongoli Phsolus vulgris Arhis urnnsis Glyin soj Glyin mx 97 Glyin mx Cuumis stivus Cuumis mlo Solnum lyoprsium Solnum turosum Physomitrll ptns 99 Cstrum lgns Cstrum lgns Niotin sylvstris Niotin tomntosiformis 98 Niotin tum 54 Iris ttorum Dorynths xls Musri rmnium Sill pruvin Host rtifoli 97 Host rtifoli Ostroous turi Ostroous luimrinus Agilops tushii Tritium urrtu Horum vulgr Brhypoium isthyon Z mys Stri itli Oryz stiv Jponi Group Oryz stiv 97 Sorghum iolor 图 5 多种植物 TERT 系统进化树分析 Fig.5 Phylognti tr onstrut y TERT protin squns in plnts (A) Bright fil Chilorophyll GFP DAPI Mrg (B) A: pcambia23-gfp 质粒在原生质体中的瞬时表达 ; B: pcambia23-amtert-gfp 融合质粒在沙冬青原生质体中的瞬时表达 比例尺 = μm A: trnsint xprssion of GFP in protoplsts; B: trnsint xprssion of AmTERT-GFP in protoplsts. Br= μm. 图 6 AmTERT 蛋白瞬时表达 Fig.6 Trnsint xprssion of AmTERT protin ~ 天呈现轻微的下降趋势, 后明显升高, 在根组织中 2~4 h 内没有明显差异, 在 6 h 时骤然升高至峰值后逐渐下降 根组织中 AmTERT 的表达水平在 4 h 时出现峰值, 而后骤然下降 值得注意的是, 根组织中的表达量达峰时间早于叶组织, 且在峰值时的表达量 远高于叶组织中的表达量 ( 图 8C 和图 8D) 3 讨论在大多数真核生物中, TERT 蛋白包含 4 个功能 域 : 端粒酶 N- 末端功能域 (tlomrs N-trminl mo-

10 研究论文.45.4 Rt St.35 Lf Rt St Lf tissus Rt: 根 ; St: 茎 ; Lf: 叶 所呈现的数据代表平均值 ±S.D., 误差线表示 3 个生物重复 2 - Ct 的标准误差 不同小写字母表示不同组织间表达量差异显著 (P<.5) Rt: root; St: stm; Lf: lf. Error rs init th S.D. s on thr Thnil rplits. Dt prsnt rprsnt th mn±s.d., Error rs init th S.D. s on thr Biologil rplits. 图 7 AmTERT 在沙冬青不同组织中的表达模式 Fig.7 Exprssion profils of AmTERT in iffrnt tissus tif, TEN) 端粒酶 RNA 结合功能域 (tlomrs RNA ining motif, TRBD) 逆转录酶功能域(tlomrs rvrs trnsripts motifs, RT) 和 C- 末端扩展功能域 (tlomrs C-trminl motif, CTE) [3] TEN 功能域对端粒招募端粒酶至关重要, 且参与催化端粒重复序列合成, 增加酶的整体活性并赋予持续合成重 [4-8] 复序列的能力 ; TRBD 功能域提供端粒酶 RNA 与 [9] 端粒酶逆转录酶 TERT 的相互作用位点 ; RT 功能域含有端粒酶活性位点, 与逆转录转座子 (rtrotrnsposon) 和逆转录病毒逆转录酶 (rtrovirlrvrs trnsriptss) 的 RT 功能域具有明显的同源性 ; 但并 [2-2] [22] 不是所有真核生物都含有全部的 4 个功能域, 如赤拟谷盗 (Triolium stnum)tert 蛋白没有发现端粒酶 N- 末端功能域 TEN [23], 而线虫 (Cnorhitis) 的 TERT 蛋白中缺少 CTE 本研究中预测结果显示, AmTERT 具有保守的端粒酶 RNA 结合结构 TRBD 和逆转录活性结构域 RT, 并且其氨基酸序列与其他物种同源性很高, 揭示测序所得序列的可靠性很高 同时, 二级结构及三维结构预测结果显示出以上两个功能结构域的蛋白结构中, 端粒酶 RNA 结合结构 TRBD 涵盖 3 个 α- 螺旋和 2 个 β- 折叠, 而 RT 结构域包含 6 个 α- 螺旋和 3 个 β- 折叠 ( 基因全长中共预测出 7 个 α- 螺旋和 5 个 β- 折叠 ), 即 AmTERT 的复杂结构多集中于具有特殊功能的部位 但是, 有趣的是, 在 AmTERT 的 CTE 包含了连续的 α- 螺旋, 这可能暗示其具有某些特殊的功能 另外, 磷酸化是细胞内一种普遍的调节方式 对 AmTERT 潜在磷酸化位点预测结果显示其存在 Akt PKA PKC CKII EGFR 2 等多种酶潜在磷酸化位点 其中 Akt 又称 PKB 或 R, 保守序列模式为 : XXRXRXXS/TXX 预测结果显示, Akt 位点位于 AmTERT 蛋白的第 92~98 氨基酸之间, 对应的氨基酸序列为 : RSRPFSW 之前的研究表明, 人 TERT 和小鼠的 TERT 都具有蛋白激酶 Akt 的磷酸 [24] 化位点, 这些位点的磷酸化参与调节端粒酶活性, [25] [26] 同样的磷酸化位点在水稻和烟草 BY-2 细胞的 TERT 序列中也能检测到, 并且参与了端粒酶活性的调节, 但是在拟南芥的 AtTERT 中没有检测到 因此 AmTERT 可能存在与拟南芥不同的端粒酶活性调控机制, AmTERT 可能通过磷酸化或去磷酸化的作用调节自身或其他基因的功能, 同时磷酸化位点的预测与分析为今后研究其功能提供了重要依据 [27] Sntos 等首先通过 TrgtP V. 和 MitoProt II V.4 软件预测了人类 TERT 蛋白 N- 端存在一个线粒体定位信号, 随后构建 htert-egfp 融合蛋白表达载体转化成纤维细胞 (NHF), Mitotrkrr 标记线粒体, htert-egfp 融合蛋白与 Mitotrkrr 共定位, 且在线粒体组分中检测到端粒酶活性, 首次证明 [28] htert 能够定位到线粒体 Sykorov 等的研究中曾报道植物 TERT 蛋白的 TEN 端存在保守的 NLS, 这与我们的预测结果一致 对 AmTERT 的定位预测结果显示, 其具有 2 个核定位序列 (NLS), 同时原生质

11 孙丽春等 : 沙冬青端粒酶逆转录酶基因 (AmTERT) 克隆及表达分析 A-Drought-RT 2.5 B-Drought-Lf tim/ tim/ C-Ht-Rt D-Ht-Lf g g f h h tim/h tim/h E-Slt-Rt tim/ F-Slt-Lf tim/ G-Cool-Rt Drought: 干旱处理 (PEG); Slt: 盐处理 (NCl); Col: 冷处理 (2 C); Ht: 热处理 (45 C); Rt: 根 ; Lf: 叶 ; 所呈现的数据代表平均值 ±S.D., 误差线表示 三个生物重复 2 - Ct 的标准误差, 不同小写字母表示同一处理条件下不同时间点表达量差异显著 (P<.5) 纵坐标 (rltiv gn xprssion) 表示与 未处理材料中 AmTERT 表达量 ( 基准为 ) 比较 Drought: rought trtmnt (PEG); Slt: slt trtmnt (NCl); Col: Col trtmnt (2 C); Ht: ht trtmnt (45 C); Rt: root; Lf: lf; Dt prsnt rprsnt th mn±s.d., Error rs init th S.D. s on thr iologil rplits, iffrnt smll lttrs init signifnt iffrn t.5 lvl. Rltiv gn xprssion lvls wr ompr with untrt mtril ontrol (Bslin=). 图 8 AmTERT 在不同胁迫条件下的表达模式 Fig.8 profils of AmTERT unr ioti strss H-Cool-Lf tim/ tim/ 体瞬时表达结果也显示, AmTERT 主要定位在细胞核中, 细胞质膜上也有较弱的定位 另外也预测到 AmTERT 蛋白具有线粒体及细胞质膜定位信号, 但其是否能进入线粒体并参与调节线粒体氧化应激功 [29] 能需进一步实验验证 不过, 在 Zhov 等的实验 中, 除了通过构建荧光融合蛋白证明拟南芥 TERT 蛋白及其结构域主要定位于细胞核和核仁内, 并且预测到有线粒体定位信号存在, 也观察到拟南芥 TERT 的 CTE 端出现较弱的细胞质定位, 猜测可能是由于 NLS 的优势作用效果导致 TERT 在细胞质中的定位

12 2 研究论文 较弱 荧光实时半定量 PCR(qRT-PCR) 结果表明, AmTERT 在培养 4 天的沙冬青幼苗的不同组织表达模式不同, 在根中表达量较茎和叶都高, 茎中表达量极少 前人的研究结果显示, 与脊椎动物一样, 植物 TERT 的转录水平在分裂旺盛的细胞中较高, 包括植物的幼苗 根和芽的分生区 花以及悬浮细胞培养物 同时, 端粒酶活性研究也显示, 在 TERT 表达差 [3] 的器官如成熟的叶片中几乎检测不到酶活性 研究表明, 端粒酶除了端粒 DNA 的合成作用外, 还具有其他的生物学功能, 包括促进 DNA 修复 抗细胞凋亡 基因表达调控和保护线粒体完整性等非 [8,3] [32] 端粒功能 张徐俞等的研究表明, 在盐胁迫条件下, 沙冬青细胞端粒酶活性的维持对细胞响应应激保护 维持染色体 DNA 稳定性具有一定的作用 [33] 另外, 刘颖等较为详细地介绍了 TERT 与基因的表达调节及肿瘤发生和 TERT 与线粒体功能调控相关的端粒酶非端粒功能 沙冬青幼苗的根和叶中的 AmTERT 在非生物胁迫条件下都表现出了表达量上调, 其中根对胁迫的响应更为明显 这些结果暗示, 沙冬青端粒酶逆转录酶 AmTERT 可能具有非端粒功能 综上, 沙冬青端粒酶逆转录酶 AmTERT 具有端粒酶逆转录酶保守结构域 : 端粒酶 RNA 结合结构域 (TRBD) 及端粒酶逆转录活性结构域 (RT) 同时, 还含有多种潜在激酶磷酸化位点, 可能参与沙冬青端粒酶的端粒和非端粒功能的调节, 并和动物细胞一样具有应激保护和响应 DNA 损伤的非端粒功能 但具体的胁迫响应机制需进一步研究 参考文献 (Rfrns) Blkurn E, Grir CJ. Tlomrs n tlomrs: th pth from miz, Ttrhymn n yst to humn nr n ging. Nt M 26; 2(): 万向, 马跃, 曹立亭, 许李丽, 王海珍, 何吉春. 端粒酶的功能 结构与调控的研究进展. 广东畜牧兽医科技 (Wn Xing, M Yu, Co Liting, Xu Lili,Wng Hizhn, H Jihun. Rsrh progrss on funtionl strutur n rgultion of tlomr. Gungong Animl Sin n Vtrinry Sin) 2; 35(5): Shmit J, Zug A, Ch T. Liv ll imging rvls th ynmis of tlomrs rruitmnt to tlomrs. Cll 26; 66(5): Lnvy TS, Morris DK, Sh J, Blsurmnin B, Lunl V. Snsn mutnts of shromys rvisi with ft in tlomr rplition intify thr itionl st gns. Gntis 996; 44(4): Fitzgrl MS, Rih K, Go F, Rn S, MKnight TD, Shippn DE. Disruption of th tlomrs tlyti suunit gn from riopsis intivts tlomrs n ls to slow loss of tlomri DNA. Pro Ntl A Si USA 999; 96(26): Bonr AG, Oulltt M, Frolkis M, Holt SE, Chiu CP, Morin GB, t l. Extnsion of lifspn y introution of tlomrs into norml humn lls. Sin 998; 279(2): Wls CP, Holt WE, Oulltt, t l. Asn of n rssoit hngs in humn shyrio n prthryroi tissu. Grontol 22; 37(4): Chioi I, Monllo C. Tlomr-inpnnt funtions of tlomrs in nuli, ytoplsm, n mitohonri. Front Onol 22; 2(33): 马世威, 马玉明. 半荒漠的空间分布及景观生态总析. 干旱区 研究 (M Shiwi, M Yuming. Sptil istriution n lnsp ologil nlysis of smi srt. Ari Zon Rsrh) 998; 7(4): Wu Y, Wi W, Png X, Wng X, Zhng H, Dong B, t l. Comprtiv trnsriptom profiling of srt vrgrn shru, Ammopiptnthus mongolius, in rspons to rought n ol strsss. BMC Gnomis 24; 5(): 67. Wng W, Chn J, Li J, Zhng Y, Sho Z, Kui B. Extrorinry umultions of ntioxints in Ammopiptnthus mongolius (Lguminos) n Ttrn mongoli (Zygophyll) istriut in xtrmly strssful nvironmnts. Bot Stu 27; 48: Liu JQ, Qiu MX. Eologil, physiologil n ntomil trits of Ammopiptnthus mongolius grown in srt of Chin. J Intgr Plnt Biol 982; 24: Blkurn EH, Collins K. Tlomrs: n RNP nzym synthsizs DNA. Col Spring Hr Prspt Biol 2; 3(5): Jurzyluk J, Nouwns, AS, Holin JK, Ams TE, Lovrz GO, Prkr MW, t l. Dirt involvmnt of th TEN omin t th tiv sit of humn tlomrs. Nuli Ais Rs 2; 39(5): Rort AR, Collins K. Humn tlomrs omin intrtions ptur DNA for TEN omin-pnnt prossiv longtion. Mol Cll 2; 42(3): Ekrt B, Collins K. Rols of tlomrs rvrs trnsripts n- trminl omin in ssmly n tivity of ttrhymn tlomrs holonzym. J Boil Chm 22; 287(6): Shmit JC, Dly AB, Ch TR. Intifition of humn TERT lmnts nssry for tlomrs rruitmnt to tlomrs. Elif 24; 3: Wu RA, Collins K. Humn tlomrs spiliztion for rpt synthsis y uniqu hnling of primr-tmplt uplx. Emo J 24; 33(8): Li CK, Mithll JR, Collins K. RNA ining omin of tlomrs rvrs trnsripts. Mol Cll Biol 2; 2(4): Lingnr J, Hughs TR, Shvhnko A, Mnn M, Lunl V, Ch TR. Rvrs trnsripts motifs in th tlyti suunit of tlomrs. Sin 997; 276(532): Nkmur TM, Ch TR. Tlomrs tlyti suunit homologs from fission yst n humn. Sin 997; 277(5328): Sýkorová Ev, Fjkus. Strutur-funtion rltionships in tlomrs gns. Mol Biol Cll 29; (7): Gillis AJ, Shullr AP, Skorlks E. Strutur of th Triolium

13 孙丽春等 : 沙冬青端粒酶逆转录酶基因 (AmTERT) 克隆及表达分析 3 stnum tlomrs tlyti suunit TERT. Ntur 28; 455(723): Kng SS, Kwon T, Kwon DY, Do SI. Akt protin kins nhns humn tlomrs tivity through phosphoryltion of tlomrs rvrs trnsripts suunit. J Biol Chm 999; 274(9): Oguhi K, Tmur K n Tkhshi H. Chrtriztion of Oryz stiv tlomrs rvrs trnsripts n possil rol of its phosphoryltion in th ontrol of tlomrs tivity. Gn 24; 342(): Yng SW, Jin E, Chung IK, Kim, WT. Cll ylpnnt rgultion of tlomrs tivity y uxin, sisi i n protin phosphoryltion in too BY-2 suspnsion ultur lls. Plnt J 22; 29(5): Sntos JH, Myr JN, Skorvg M, Ann LA, Vn Houtn B. Mitohonril htert xrts fr-ril-mit mtdna mg. Aging Cll 24; 3(6): Sykorov E, Fjkus J. Strutur-funtion rltionships in tlomrs gns. Cll 29; (7): Zhov D, Fojtov M, Dvorkov M., Mozgov I, Lrmontov I, Psk V, t l. Strutur-funtion rltionships uring trnsgni tlomrs xprssion in Ariopsis. Physiol. Plntrum 23; 49: Anrw DL, Nlson, Mrk A, Bilstin, Dorothy E, Shippn. Plnt Tlomrs n Tlomrs. Springr Sin+Businss Mi Nw York 24 S.H. Howll (.), Molulr Biology. Th Plnt Sins 2. 3 Ding D, Zhou J, Wng M, Cong, YS. Implitions of tlomrinpnnt tivitis of tlomrs rvrs trnsripts in humn nr. FEBS J 23; 28(4): 张徐俞, 王瑾瑜, 郑广顺, 张俊琦, 卢存福. 盐胁迫下沙冬青细胞端粒酶活性的变化与 DNA 稳定性的关系. 生物技术通讯 (Zhng Xuyu, Wng Jinyu, Zhng Gunshun, Zhng Junqi, Lu Cunfu. Effts of slt strss on Tlomrs tivity in rltion to DNA stility of Ammopiptnthus mongolius lls. Biothnology Bulltin) 24; (): 刘颖, 吴晓飞, 门景煜, 卢存福. 端粒酶的非端粒功能研究进展. 中国细胞生物学学报 (Liu Ying, Wu Xiofi, Mn Jingyu, Lu Cunfu. Dvlopmnt of non-tlomr funtion of tlomrs. Chins Journl of Cll Biology) 26; 5: 64-6.

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