UVC诱导的嗜盐细菌(Halococcus hamelinensis)溶解基质的DNA损伤修复的分子鉴定.doc
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1、Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology 102 (2011) 140145UVC诱导的嗜盐细菌(Halococcus hamelinensis)溶解基质的DNA损伤修复的分子鉴定摘要:我们从鲨鱼湾(澳大利亚西部)的有生命的叠层石分离到了嗜盐古细菌(Halococcus hamelinensis),众所周知这些嗜盐古细菌抑制暴露在极端的盐度,干旱和UV辐射的条件下。现代叠石层被认为是地球上早期生命的同源物,并且也因此乘务了现代叠石层的存在位置,并且Halococcus hamelinensis是用来检测古细菌对高强度UV辐射的最
2、特别,以及最合适的候选对象。把这种有机体暴露于高剂量(上限500 J/m 2)的标准杀菌UVC(254nm)辐射下,并且评估了包括存活、TT环丁烷嘧啶二聚体(CPDs)的形成 、以及DNA修复在内的所有效应。结果显示,Hcc. Hamelinensis能够在高强度的UVC辐射下生存,并且完整的细胞表现出增加的DNA保护水平(通过春化DNA),有机体会部分屏蔽来进行类似细菌的核酸切除修复(NER)基因:uvrA, uvrB, uvrC,也包括光聚酶phr2基因。这4种基因已经全部发现了,并且我们还调查研究了光照或者黑暗条件下,这些基因再修复过程中的表达水平的变化,通过实时定量PCR(Real-T
3、ime (qRT) PCR)的方式链检测这种水平的变化。在两种修复条件下,在本研究中我们获得的和呈现的数据显示uvrA, uvrB, 和 uvrC基因会受到正调节。在暗修复过程中光聚酶phr2基因会被诱导,而在光照条件下的修复过程中光聚酶phr2基因呈20倍的增长。本研究中呈现出来的数据是对Halococcus(盐球菌属)在暴露在高强度UVC水平后的不同修复机制的进行的第一次分子生物学研究。关键词: 嗜盐古细菌 ;DNA损伤 ;修复机制 ;UVC辐射 ;太空生物学1 引言保护和修复它们的DNA过程,对有机体维持它们的基因组是非常关键的。UVR是最普遍的环境诱变剂,在地球生命进化的过程中是一种重
4、要的环境控制控制因子,并且它们对现代日常生活有着深远的影响1。然而,除了它的有害效应之外,UVR在生命进化的过程中起着着非常重要的作用,他是一种有效的天然存在的诱变因素,能够是有机体产生遗传多态现象,是生命进化的基础1,2。 生命蓬勃发展的远古时代(3.82.5 Ga ago), 有机体不得不应对UV辐射的(220 nm)的影响,UV辐射带来的生物学影响要比先前(290 nm)高1000倍,由于缺乏平流层的臭氧层,臭氧层是在2 Ga之前形成的,它充当着一种有效的UV屏障3,4。 在远古时代也存在嗜盐古细菌,因此成为我们用于高UVC辐射对微生物影响的最佳研究对象。现如今,嗜盐古细菌正在剧烈的太阳
5、辐射造成的蒸发态高盐极端环境下生长5。我们已经广泛研究了古生菌中盐杆菌科的一些典型代表,它们对于高UVR辐射的反应(例如., 嗜盐杆菌属sp. 69 和 沃氏富盐菌10)。这个家族的成员是通过优化它们自身的基因组和蛋白质组的结构来降低UVR引起的损伤11。例如,嗜盐菌NRC-1不仅能够在高剂量的UVC辐射的情况下生长,并且还具有有效的机制来检测和修复UVR辐射引起的DNA损伤9,12。对盐杆菌科的其他成员也做了类似的研究,对盐球菌属的研究还比较少。虽然盐球菌属实非常好的有机体来研究环境耐受性,尤其是它们独特的细胞壁组成使它们能够与很好的应对环境应激因素13,14。大体上而言,远古的没有细胞壁的
6、细菌,几乎所有分类群体的细菌中(除了少数几个除外),它们的肽聚糖中含有很多的化学变化形成坚硬的细胞壁14。盐球菌属的细胞壁的脂类的组成是无极性的氨基糖、糖醛酸、和一种特殊的甘露糖醛酸、葡萄糖醛酸的混合物14。我们认为它们有能力生存与不理的环境条件下,例如低盐(NaCl)环境15,地下盐矿床16以及模拟火星大气17,18。此外,目前的研究比较感兴趣的物种,我们从现代叠石层中分离到了嗜盐菌,它们能够在高强度的UVR环境下很好的生长19。生存与高的UVR水平下需要依赖于3种因子:回避,防护以及修复能力20,21。有机体会使用沙,蒸发岩以及其他形式的屏蔽无来保护自己免受太阳辐射的损伤22。例如,当有1
7、mm后的岩石的覆盖有机体就可以生存与高剂量的UVC辐射下23,24。对于有机体来说,保护作用是一种刺激重要的关键因子,例如一些蓝细菌,它们能够产生类胞素类氨基酸(MAAs)以及色素scytonemin来保护他们免受310nm-370nm长度的UVR射线的影响25,26。修复UV诱导的损伤时第三种关键因子,它可以使有机体重建遗传信息成为可能。UV诱导的DNA损伤包括,DNA链的断裂,由于UVB或者UVC辐射直接影响产生的光产物,或者通过活性氧簇的光化学产物产生间接的损伤,它们的修复机制还要依赖于他们的损伤类型。在自然条件下,UVB诱导的两种主要的光产物是环丁烷嘧啶二聚体(CPD)其中最常见的是胸
8、腺嘧啶二聚体,和(64)光产物9。 以下介绍了几种细胞检测和修复DNA损伤的机制。在细菌和真核生物中以核酸切除修复(NER)为主,并且很多学者也对这方面做了大量的研究27,28。简单的说,细菌的NER包括4种关键蛋白:UvrA 和 UvrB (用于是被DNA损伤), UvrC (作为外切核酸酶在损伤的任何一端形成切口)和 UvrD (一种DNA 解旋酶 II) 9。之前已经表明了UvrA, UvrB, 和 UvrC蛋白对UVR诱导的Hbt. sp. NRC-1损伤的修复是至关重要的29。 一种替代复杂的核酸切除修复多步路径的修复方式是,光复活作用,这是一种耗能低的,更直接的,因此这也是一种不容
9、易产生错误的逆转嘧啶二聚体变成它们的单体形式的修复机制30,31。光聚酶是分类学上广泛存在的,包括脊椎动物(例如:鱼),爬行类动物和有袋类动物31。此外,我们知道的一些其他的修复路径是:碱基切除修复(BER)和DNA选择切除修复(AER),这两种修复方式在其他的一些文献中都已经有了详细的描述28,32。 就我们已知的各种修复路径,我们使用嗜盐细菌作为模式生物来研究,远古光能自养型细菌时如何修复UVC诱导的DNA损伤的。为了无别光复活修复作用和光独立的修复机制,我们对比了有光和无光情况下它们的修复机制。细菌类的核酸切除修复基因的调节,我们已经检测了光聚酶基因,以及我们将会讨论这些基因在模式有机体
10、中存在光照时的相关调节。 2 材料与方法2.1 生长条件把嗜盐细菌培养在20 ml的改良的DSM 97培养基中,该培养基中包括2.6 M NaCl ,并且加入7.23 g MgCl26H2O和2.70 g CaCl 22H2O(1L的条件)19,是在通气的条件下培养的。培养物置于37 的条件下,振荡培养,并且有光照培养至指数增长期(510 8 cells/ml)。样品首先暴露于光照下,然后用2.6 M TN buffer (2.6 M NaCl 和100 mM Tris; pH 7.5)清洗样品3次来去除菌种生长的培养基。通过分光光度计的测量证实纯的TN-buffer在254nm的波长下没有光
11、吸收能力(数据为显示出来)。 2.2 暴露在UVC辐射下将10 mL 的洗过的样品置于培养皿(直径为 90 mm)中,用GE杀菌灯等UVC来照射该培养皿。所有的实验都在生物学层面上重复了3次。UVC光线的强度是42 W/cm 2 ,波长为254 nm , 用高分辨率的光谱仪(HR4000, Ocean Optics)进行测量。 UVC辐射的量是根据1mW/m 2 /s = 1 mJ/m2公式计算出来的。把样品先暴露在(往往要达到30min才能达到高的通量)含有白光照射的房间里面,然后再用UV照射,分别为:0, 25, 50, 75, 100, 150, 200, 300, 400, 和500
12、J/m 2,室温条件下。 在暴露在UV辐射之后,立即将样品置于冰上,用铝箔覆盖在上面来阻止光酶性的修复,然后再立即进行处理,使修复反应的发生铝达到最低。为了确定辐射后的存活率,我们把样品进行了几个不同梯度的稀释,再把这些稀释了的样品置于改良的DSM 97的琼脂平板上,37 条件下培养2周。2周后,通过数菌落形成单位(cfu)来确定它们的存活率。 2.3 DNA的分离使用先前描述的XS-buffer的方法来分离DNA 33。简单的说,将细胞沉淀重悬于500L XS-buffer (1% 乙基磺酸钾, 100 mM TrisHCl pH 7.4, 20 mM EDTA pH 8, 1% SDS 和
13、800 mM 乙酸铵)。样品进行强烈的涡旋振荡,并且在65 条件下培养120min,然后用酚氯仿(25:24:1)提取DNA,乙基用异丙醇法纯化DNA34。纯化的DNA重悬于100L dH 2 O,保存于-30下待用。2.4 胸腺嘧啶环丁烷嘧啶二聚体的鉴别 根据Sinha 等实验记录中的一些试验方法来检测嘧啶二聚体35。使用SpectraMax Plus 384 (Molecular Devices) 分光光度计(OD 260nm of 1.0 equals 50 ng of DNA)对纯化的DNA进行定量检测。用1/10体积1 M NaOH的样品使样品变性,在80条件下培养30min。将等量
14、的样品(200ng)涂到浸湿的Amersham Hybond TM -LFP膜上,将膜置于80条件下烘干30min。室温下,将膜置于PBS-T buffer + 5% ECL(先进的TM阻塞反应物GE Healthcare)中1h,使非特异性的结合位点被阻塞。然后把膜再置于37下2h使它含有初级抗体(小鼠抗胸腺嘧啶二聚体, Kamiya Biomedical;用PBS-T1:3000 进行稀释)。然后用PBS-T将膜清洗3次,并且在二级抗体中培养1h(羊抗小鼠IgG 含有Cy3, Kamiya Biomedical; 用PBS-T + 5% ECL advanced TM blocking r
15、eagent 进行1:1000)。再次对膜进行清洗,并且在Typhoon Trio Scanner (Amersham Bioscience)直接观察嘧啶二聚体。2.5 修复机制 为了确定细菌类的NER途径以及目前在有机体中发现的光聚酶基因phr2,我们分别设计了简要的引物来保护细菌类的核酸切除修复的基因uvrA, uvrB, 和 uvrC,也设计了光聚酶基因phr2的引物。我们从NCBI数据库中获得的一些一些抑制蛋白质的序列,我们使用了ClustalW来鉴别它们中的高度保守的区域并且进行排列。把这些排列好的区域提交到网络引物设计的程序CODEHOP,依据保守区域产生了一些简并的引物36 (T
16、able 1)。我们根据梯度PCR的条件扩增了不同的基因:最初94变形3min;94:20s,6555(退火梯度温度)30s,72:1.5min(循环34次);最后72延伸10min。扩增的查无进行1%的琼脂糖凝胶电泳来进行观察(染色使用的是: GelStar Nucleic Acid Gel Stain)。后来的PCR扩增,将其产物进行TOPOTA克隆(试剂盒),根据说明书进行操作。筛选阳性克隆,用说明书中提供的T7和T3引物进行序列分析。为了对序列的统一性进行鉴定,把得到数据与NCBI数据库中的序列进行核对37。序列中与uvrA, uvrB, uvrC 和 phr2有高度相似性的,把它用于
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