【摘要】: 結(jié)核分枝桿菌(Mycobacteria tuberculosis, M. tuberculosis)是引起結(jié)核病的病原體。目前由于該病原體和HIV的協(xié)同作用以及多重耐藥菌株的出現(xiàn),使曾被有效控制的結(jié)核病的發(fā)病率在全球范圍內(nèi)呈上升趨勢(shì),因此,目前尋找新一代的、能有效對(duì)抗這種病原體的藥物已成為試圖控制這種疾病蔓延研究的中心。 細(xì)胞壁是分枝桿菌賴以生存的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),其核心結(jié)構(gòu)mAGP (mycolic acid, arabinogalactan, peptidoglycan)由分枝菌酸、聚阿拉伯糖半乳糖及肽聚糖三種成分組成,其中分枝菌酸和聚阿拉伯糖半乳糖(arabinogalactan, AG)通過(guò)二糖連接分子(L-鼠李糖-D-N-乙酰葡萄糖胺)共價(jià)連接到肽聚糖大分子上。在肽聚糖和二糖連接分子中共有的組成成分是N-乙酰葡萄糖胺,影響它合成的因素都是尋找藥物理想的靶向分子。 N-乙酰葡萄糖胺合成過(guò)程是一系列的酶促反應(yīng)過(guò)程,其中g(shù)lmU (Rv1018)是一種雙功能酶,在其中催化了兩步連續(xù)的反應(yīng),其一為催化1-磷酸-葡萄糖胺生成1-磷酸-N-乙酰葡萄糖胺;其二為催化1-磷酸-N-乙酰葡萄糖胺生成終產(chǎn)物UDP-N-乙酰葡萄糖胺。 本課題利用與結(jié)核分枝桿菌有相同細(xì)胞壁結(jié)構(gòu),但生長(zhǎng)快速且無(wú)致病性的恥垢分枝桿菌(Mycobacterium smegmatis,Sm) mc~2155菌株作為實(shí)驗(yàn)?zāi)P?以glmU基因作為研究對(duì)象,并采用基于同源重組的插入突變方法使glmU基因發(fā)生突變。目的是用基因敲除的方法證明結(jié)核分枝桿菌中g(shù)lmU基因是分枝桿菌生長(zhǎng)過(guò)程中所必需的基因,并對(duì)glmU基因敲除菌株進(jìn)行了一系列的表型變化觀察及細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的聚糖組成成分分析,從而證明glmU基因在分枝桿菌生長(zhǎng)過(guò)程中具有重要作用,這將為其作為研發(fā)抗結(jié)核新藥的靶標(biāo)提供有力的證據(jù)。 本論文獲得以下結(jié)果: 1. Sm glmU基因的擴(kuò)增和克隆 從TIGR基因數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.tigr.org/tdb/)獲得M. smegmatis mc~2155菌株的glmU基因的核苷酸序列。根據(jù)Sm glmU基因的核苷酸序列設(shè)計(jì)引物,用高保真LA Taq DNA聚合酶從mc~2155基因組中擴(kuò)增Sm glmU基因及其上游約500 bp的DNA序列,并將其克隆到pMD18-T的克隆質(zhì)粒上,用BcaBEST測(cè)序引物和M13引物對(duì)Sm glmU基因的兩端進(jìn)行DNA序列測(cè)定,將測(cè)序結(jié)果與已知的Sm glmU基因進(jìn)行相似性比較,得到與mc~2155基因組上Sm glmU基因序列完全一致的克隆質(zhì)粒。 2.條件性復(fù)制質(zhì)粒pPR27-xylE-Sm glmU::KanR的構(gòu)建 將來(lái)自于質(zhì)粒pUC4K的KanR克隆到Sm glmU基因內(nèi)部,產(chǎn)生Sm glmU::KanR突變基因。將Sm glmU::KanR突變基因克隆到pPR27-xylE質(zhì)粒,構(gòu)建出條件性復(fù)制質(zhì)粒pPR27-xylE-Sm glmU::KanR。pPR27攜帶溫度敏感型復(fù)制子,該質(zhì)粒在30°C條件下可以復(fù)制,在42°C條件下不能復(fù)制。pPR27攜帶的sacB基因?yàn)樨?fù)選擇標(biāo)記,該基因表達(dá)產(chǎn)物蔗糖6-果糖基轉(zhuǎn)移酶(Levansucrase)能夠分解蔗糖,產(chǎn)生對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)有害的聚果糖,使細(xì)菌死亡。xylE基因產(chǎn)物是兒茶酚2, 3-氧化還原酶,它能氧化兒茶酚成黃色的化合物,使菌落呈現(xiàn)金黃色。 3.營(yíng)救質(zhì)粒的構(gòu)建 營(yíng)救質(zhì)粒攜帶正常的M. tuberculosis glmU基因,其作用是在mc~2155 glmU基因敲除菌株中補(bǔ)償突變的glmU基因的功能。本實(shí)驗(yàn)用高保真LA Taq DNA聚合酶分別從M. tuberculosis H37Rv菌株基因組中擴(kuò)增Tb glmU基因,構(gòu)建營(yíng)救質(zhì)粒pCG76-Phsp60-Tb glmU。pCG76為分枝桿菌表達(dá)質(zhì)粒,pCG76攜帶溫度敏感型復(fù)制子,即該質(zhì)粒在30°C條件下可以復(fù)制,在42°C條件下不能復(fù)制。Tb glmU基因的表達(dá)受來(lái)源于分枝桿菌BCG熱休克蛋白60的啟動(dòng)子Phsp60控制。pCG76-Phsp60-Tb glmU營(yíng)救質(zhì)粒用于證明Tb glmU是否為分枝桿菌生長(zhǎng)相關(guān)基因。 4.第一次同源重組突變菌株mc~2155 glmU SCO-1的篩選 將條件復(fù)制性質(zhì)粒pPR27-xylE-Sm glmU::KanR電轉(zhuǎn)化到mc~2155感受態(tài)細(xì)胞中。依據(jù)pPR27-xylE-Sm glmU::KanR質(zhì)粒在30°C時(shí)能復(fù)制,在42°C時(shí)不能復(fù)制,在42°C條件下培養(yǎng)攜帶pPR27-xylE-Sm glmU::KanR質(zhì)粒的mc~2155,迫使pPR27-xylE-Sm glmU::KanR質(zhì)粒的Sm glmU::KanR與mc~2155基因組中的Sm glmU發(fā)生同源重組,使Sm glmU::KanR以及sacB基因、xylE基因整合到mc~2155基因組中。用地高辛標(biāo)記的Sm glmU探針(DIG-Sm glmU)對(duì)經(jīng)過(guò)SmaI酶切的第一次重組菌落的基因組DNA進(jìn)行Southern雜交分析,當(dāng)結(jié)果中出現(xiàn)預(yù)期的雜交條帶為發(fā)生第一次同源重組的突變菌株mc~2155 glmU SCO-1 (the first single crossover)。 5.第二次同源重組突變菌株mc~2155 glmU SCO-2 (glmU基因敲除)的篩選 將攜帶Tb glmU基因的營(yíng)救質(zhì)粒轉(zhuǎn)化到mc~2155 glmU SCO-1感受態(tài)細(xì)胞中,在30°C條件下,在含10 %蔗糖的選擇性LB瓊脂培養(yǎng)基培養(yǎng)轉(zhuǎn)化的mc~2155 glmU SCO-1,由于pPR27-xylE-Sm glmU::KanR的sacB基因和xylE基因也被整合到mc~2155 glmU SCO-1基因組中,sacB基因的表達(dá)產(chǎn)物蔗糖6-果糖基轉(zhuǎn)移酶能水解蔗糖,產(chǎn)生引起mc~2155 glmU SCO-1致死的聚果糖,在這種選擇壓力下,mc~2155 glmU SCO-1基因組中的Sm glmU::KanR與Sm glmU發(fā)生第二次同源重組,將Sm glmU基因、scaB基因以及xylE基因從mc~2155 glmU SCO-1基因組中刪除并被核酸酶水解,基因組中只存在Sm glmU::KanR。營(yíng)救質(zhì)?梢栽趍c~2155 glmU KOT突變菌株中表達(dá)出Tb GlmU蛋白質(zhì),從而補(bǔ)償基因組上失活的Sm GlmU的生物學(xué)作用。同樣地,應(yīng)用Southern印跡方法篩選出mc~2155 glmU SCO-2 (the second single crossover),即Sm glmU基因敲除菌株mc~2155 glmU KOT (glmU knock out,基因敲除)。 6.生長(zhǎng)曲線的測(cè)定 在30°C及42°C條件下,每間隔24小時(shí)測(cè)定mc~2155 glmU KOT突變菌株在600 nm處的光吸收值,并繪制生長(zhǎng)曲線。生長(zhǎng)曲線的結(jié)果表明,對(duì)照的野生型菌株即能在30°C條件下又能在42°C條件下生長(zhǎng);而突變菌株在30°C條件下能夠生長(zhǎng),而在42°C條件下卻失去生長(zhǎng)能力。因而說(shuō)明了結(jié)核分枝桿菌的glmU基因?yàn)榉种U菌生長(zhǎng)相關(guān)基因。 7.溫度轉(zhuǎn)換后生長(zhǎng)曲線和菌落形成單位(CFU)曲線的繪制 mc~2155 glmU KOT菌株和野生型的mc~2155菌株在30°C條件下生長(zhǎng)至OD600為0.09,然后轉(zhuǎn)變溫度為42°C后繼續(xù)生長(zhǎng),每隔24小時(shí)測(cè)定其在600 nm的吸光度值,并繪制生長(zhǎng)曲線。溫度轉(zhuǎn)換后的生長(zhǎng)曲線結(jié)果顯示,野生型的mc~2155菌株,溫度的轉(zhuǎn)換對(duì)其生長(zhǎng)沒(méi)有明顯的影響;而mc~2155 glmU KOT菌株,在轉(zhuǎn)變溫度后的24小時(shí)之內(nèi),細(xì)菌會(huì)繼續(xù)生長(zhǎng),并達(dá)到吸光度值的最高值;然而繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)間,細(xì)菌不再生長(zhǎng),其吸光度值持續(xù)下降。對(duì)mc~2155 glmU KOT菌株同時(shí)進(jìn)行對(duì)可活菌落進(jìn)行計(jì)數(shù)的菌落形成單位(colony forming unit, CFU)測(cè)定,結(jié)果表明mc~2155 glmU KOT菌株的吸光度值與CFU具有相同的趨勢(shì),即都在轉(zhuǎn)變溫度后的24小時(shí)左右達(dá)到最高值,接下來(lái)持續(xù)下降。此結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)glmU基因?yàn)榉种嵘L(zhǎng)所必需的基因,且mc~2155 glmU KOT菌株在溫度轉(zhuǎn)變后光吸收值的降低是由于細(xì)菌的死亡。 8.應(yīng)用顯微鏡技術(shù)對(duì)細(xì)胞形態(tài)的觀察 mc~2155 glmU KOT菌株的生長(zhǎng)條件與CFU測(cè)定實(shí)驗(yàn)中細(xì)菌的生長(zhǎng)條件相同,收獲細(xì)菌后,應(yīng)用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察其形態(tài)。光鏡的結(jié)果顯示,當(dāng)細(xì)胞生長(zhǎng)在30°C時(shí)細(xì)胞呈野生型細(xì)菌般的長(zhǎng)棒狀;但當(dāng)細(xì)胞的生長(zhǎng)溫度轉(zhuǎn)變?yōu)?2°C后,雖然初始時(shí)細(xì)胞依然能維持棒狀,但細(xì)胞長(zhǎng)度卻變的比野生型的細(xì)胞短很多;隨著在42°C生長(zhǎng)時(shí)間的增加,細(xì)胞逐漸開(kāi)始變?yōu)榍蛐?并且時(shí)間越長(zhǎng)球形細(xì)胞所占的比例越大。掃描電子顯微鏡的結(jié)果則更清晰地顯示細(xì)胞形態(tài)的變化,當(dāng)mc~2155 glmU KOT菌株生長(zhǎng)在30°C時(shí),細(xì)胞呈典型的棒狀;當(dāng)在42°C生長(zhǎng)一定時(shí)期后,細(xì)胞變短,并有球形趨勢(shì)產(chǎn)生;隨著在42°C生長(zhǎng)時(shí)間的延長(zhǎng),細(xì)胞由短棒狀逐漸變?yōu)榍蛐?并且細(xì)菌細(xì)胞壁局部出現(xiàn)缺損,在胞外低滲透壓的影響下,細(xì)胞腫脹、裂解甚至死亡。因此活性GlmU缺陷導(dǎo)致細(xì)菌細(xì)胞壁合成障礙,從而對(duì)細(xì)胞的形態(tài)產(chǎn)生影響,并最終導(dǎo)致細(xì)胞裂解、死亡。 9.應(yīng)用氣相色譜對(duì)細(xì)胞壁糖組分的分析及應(yīng)用高效液相Dionex陰離子交換層析對(duì)阿拉伯糖組分分析 mc~2155 glmU KOT菌株生長(zhǎng)在30°C至其吸光度值為0.09后,轉(zhuǎn)移到42°C生長(zhǎng)3天,提取細(xì)菌細(xì)胞壁的核心組分-分枝菌酸-聚阿拉伯半乳糖-肽聚糖(mycolic acid, arabinogalactan, peptidoglycan, mAGP),然后應(yīng)用氣相色譜(Gas Chromatography, GC)分析mAGP中糖的組成成分。本實(shí)驗(yàn)中以mc~2155 glmU KOT菌株生長(zhǎng)在30°C的細(xì)菌作為對(duì)照。GC結(jié)果表明,在活性GlmU缺失的mc~2155 glmU KOT菌株的mAGP中,阿拉伯糖含量明顯增加,半乳糖含量略有增加但不明顯;對(duì)照菌株與mc~2155野生型菌株相比沒(méi)有顯著不同。 用堿裂解法移除mAGP中的分枝菌酸和肽聚糖,使之成為可溶性的聚阿拉伯半乳糖(arabinogalactan, AG)。采用來(lái)自纖維單胞菌(Cellumonas gelida)的阿拉伯糖內(nèi)切酶消化可溶性AG,并應(yīng)用Dionex陰離子交換層析柱分析被內(nèi)切酶消化的樣品,結(jié)果表明,mc~2155 glmU KOT菌株主要產(chǎn)生峰Ara2和Ara6;但也有明顯的Ara4峰產(chǎn)生。Ara4峰的存在,說(shuō)明有結(jié)構(gòu)缺陷的AG,既LAM (lipoarabinomannan)樣AG生成。此外,在mc~2155 glmU KOT菌株內(nèi),當(dāng)活性GlmU缺失時(shí),Ara2/Ara6與Ara2/Ara4的峰面積比值減小,由此可說(shuō)明反映了聚阿拉伯糖末端分支的Ara4和Ara6峰面積相對(duì)增大,表明了聚阿拉伯糖末端的分支有增多。 結(jié)論: 本研究以恥垢分枝桿菌mc~2155菌株作為實(shí)驗(yàn)?zāi)P妥C明結(jié)核分枝桿菌Tb glmU基因的生長(zhǎng)相關(guān)性。構(gòu)建了攜帶Sm glmU::KanR突變基因的條件性復(fù)制質(zhì)粒pPR27-xylE-Sm glmU::KanR,并將其轉(zhuǎn)化入mc~2155,用Southern印記方法篩選出發(fā)生第一次同源重組的mc~2155 glmU SCO-1菌株。 構(gòu)建了攜帶Tb glmU基因的營(yíng)救質(zhì)粒,并用營(yíng)救質(zhì)粒轉(zhuǎn)化mc~2155 SCO-1,當(dāng)Tb glmU基因表達(dá)時(shí),mc~2155 glmU SCO-1基因組中的Sm glmU::KanR突變基因與Sm glmU基因發(fā)生第二次同源重組,用Southern印記方法篩選出發(fā)生第二次同源重組的mc~2155 glmU KOT突變菌株,即Sm glmU基因敲除菌株。 mc~2155 glmU KOT在30°C和42°C條件下的生長(zhǎng)曲線,證實(shí)了結(jié)核分枝桿菌glmU為分枝桿菌生長(zhǎng)所必需的基因;同時(shí)溫度轉(zhuǎn)換后生長(zhǎng)曲線和CFU曲線的結(jié)果也進(jìn)一步印證了glmU基因在分枝桿菌內(nèi)的生長(zhǎng)必要性。 通過(guò)顯微鏡技術(shù)對(duì)細(xì)胞形態(tài)的觀察表明,當(dāng)活性GlmU不足時(shí)可導(dǎo)致細(xì)胞形態(tài)發(fā)生改變,由典型的長(zhǎng)棒狀變短、變圓;當(dāng)活性GlmU缺失時(shí),能導(dǎo)致細(xì)胞壁局部缺損,由于滲透壓的影響而導(dǎo)致細(xì)胞腫脹變圓,并裂解死亡。 GC與Dionex的結(jié)果共同說(shuō)明了在mc~2155 glmU KOT菌株的細(xì)胞壁內(nèi),當(dāng)缺失活性GlmU時(shí),半乳糖含量沒(méi)有明顯變化;而阿拉伯糖含量明顯增加,且其增加是來(lái)自于具有分支的阿拉伯糖末端的增多。由此推斷在活性GlmU缺失的mc~2155 glmU KOT菌株中,負(fù)責(zé)合成聚阿拉伯糖末端分支的阿拉伯糖基轉(zhuǎn)移酶EmbA和EmbB的表達(dá)量降低或功能異常,因而造成mAGP中聚阿拉伯糖末端的改變。 本研究為N-乙酰葡萄糖胺作為研發(fā)抗結(jié)核新藥的理想靶標(biāo)提供了有力的證據(jù);證實(shí)活性GlmU的缺失能抑制細(xì)菌的擴(kuò)增,并且會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌因缺乏活性GlmU而裂解、死亡。所獲得的Sm glmU基因敲除菌株可作為篩選GlmU抑制劑的細(xì)胞模型來(lái)篩選先導(dǎo)化合物,以便發(fā)現(xiàn)新一代的抗結(jié)核藥物。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】:大連醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】:博士
【學(xué)位授予年份】:2007
【分類號(hào)】:R52;R378
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相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條
1 張文利;活性GlmU在分枝桿菌中生長(zhǎng)必需性及其缺失后對(duì)細(xì)胞壁完整性影響的研究[D];大連醫(yī)科大學(xué);2007年
2 李新娜;關(guān)于人類肽聚糖識(shí)別蛋白的實(shí)驗(yàn)研究[D];中國(guó)醫(yī)科大學(xué);2004年
3 蘇建國(guó);櫛孔扇貝兩種模式識(shí)別受體基因的克隆與表達(dá)的研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院(海洋研究所);2005年
4 張七斤;L.casei Zhang抗感染及免疫協(xié)同作用的研究[D];內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué);2006年
5 陳益國(guó);金葡菌肽聚糖模擬肽疫苗候選保護(hù)性作用的初步研究[D];南方醫(yī)科大學(xué);2011年
6 楊柳;原子力顯微鏡用于細(xì)胞表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的研究以及單堿基錯(cuò)配的檢測(cè)[D];湖南大學(xué);2008年
7 吳騰飛;溶解性轉(zhuǎn)糖酶C(LtgC)功能部位對(duì)淋球菌生長(zhǎng)的影響[D];吉林大學(xué);2010年
8 姚鋒;文昌魚(yú)肽聚糖識(shí)別蛋白基因的表達(dá)及功能[D];中國(guó)海洋大學(xué);2012年
9 倪多嬌;櫛孔扇貝抗氧化酶基因的克隆與表達(dá)分析[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院(海洋研究所);2007年
10 董妍玲;魚(yú)腥藻PCC7120外膜蛋白的鑒定及功能研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院(水生生物研究所);2007年
相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條
1 朱麗;植物乳桿菌細(xì)胞壁肽聚糖微膠囊化及體內(nèi)緩釋效果評(píng)價(jià)[D];黑龍江大學(xué);2011年
2 鄒明明;乳酸桿菌DM9811肽聚糖的分離提取及免疫活性的研究[D];大連醫(yī)科大學(xué);2011年
3 盛琴;枯草芽孢桿菌肽聚糖的提取及其對(duì)小鼠免疫功能的影響[D];四川農(nóng)業(yè)大學(xué);2011年
4 楊代群;棉鈴蟲(chóng)中肽聚糖識(shí)別蛋白PGRP-C的基因克隆及表達(dá)模式[D];華中師范大學(xué);2012年
5 王秀華;肽聚糖對(duì)對(duì)蝦免疫因子的作用及在對(duì)蝦養(yǎng)殖中的應(yīng)用[D];中國(guó)海洋大學(xué);2002年
6 孫濤;嗜酸乳桿菌細(xì)胞壁肽聚糖的分離提取及其免疫活性的研究[D];吉林農(nóng)業(yè)大學(xué);2007年
7 艾正亞;綠色熒光蛋白標(biāo)識(shí)小鼠胸腺免疫抑制作用的研究[D];江南大學(xué);2005年
8 史冬瑤;糖尿病大鼠肺泡巨噬細(xì)胞TLR2的表達(dá)及對(duì)肽聚糖反應(yīng)性的研究[D];中國(guó)醫(yī)科大學(xué);2009年
9 武京國(guó);結(jié)核分枝桿菌Rv3627c基因的克隆表達(dá)與功能分析[D];大連醫(yī)科大學(xué);2009年
10 李麗燕;羅格列酮對(duì)肽聚糖作用下及高糖本身對(duì)大鼠腹膜間皮細(xì)胞TLR2表達(dá)的影響[D];中國(guó)醫(yī)科大學(xué);2008年
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本文編號(hào):
2306566