The Gene Encoding CuZn-Superoxide Dismutase from Bacillus cereus 905 and Its Expression in Escherichia coli

The Gene Encoding CuZn-Superoxide Dismutase from Bacillus cereus 905 and Its Expression in Escherichia coli

利用植物有益内生细菌进行植物病害生物防治和提高作物产量是当前农用微生物研究的一个热点。在我国，以植物有益内生细菌为主体的植物微生态制剂已经进入田间的农业生产应用，取得了良好的经济和生态效益。细菌在植物上发挥其功能的关键是细菌可以在作用部位很好的定殖。研究发现，在细菌与植物相互作用时，会引起该区域的氧自由基浓度的急剧升高；同时植物也会代谢分泌出一些酚类物质，这些物质都会产生氧自由基[1，2]。在该环境中定殖的细菌必须克服这种氧自由基对细胞的毒性。

超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）是细胞抗氧自由基毒性的一种关键酶。SOD广泛存在于生物体内，催化O·2歧化为H2O2 和O2。按照结合的不同金属离子，SOD主要分为Mn-SOD、Fe-SOD和CuZn-SOD[3]。其中，Mn-SOD和Fe-SOD在细胞体内发挥功能，而CuZn-SOD定位在胞壁空间或者胞外以清除细胞膜外的氧自由基[4]。

Bacillus cereus 905是本研究室从小麦体内分离获得的一株具有很好的促生和防病效果的细菌，在小麦体内及根围定殖能力强。为分析其定殖的分子机制，根据已公布的蜡样芽孢杆菌的全基因组序列及本实验室已获得的B.cereus M22的CuZn-SOD基因[5]，推测在B.cereus 905中也存在CuZn-SOD基因。本研究试图从氧自由基毒性角度探讨CuZn-SOD在细菌与宿主相互作用时发挥的重要功能。

1 材料与方法? 基金项目：“863”计划资助项目（2006AA10A211）。

比对Genbank发表的几个B.cereus菌株的CuZn-SOD基因序列，根据两端高度保守的序列设计引物，利用PCR方法扩增B.cereus 905的CuZn-SOD基因全长（sodC）。构建表达载体pET-22b-sodC，转化Escherichia coli BL21（DE3），IPTG诱导表达，化学抑制法验证蛋白种类。

2 结果与分析

以B.cereus 905的基因组DNA为模板进行PCR，得到了B.cereus 905的CuZn-SOD基因全长（sodC）。该基因由537 bp组成，编码179个氨基酸残基。根据该蛋白的分子量大小和pET-22b载体中的多克隆位点上游pelB前导序列和下游His-tag序列，预测表达出的蛋白大小约为23kD。序列比对发现其与B.cereus M22同源性高至96%[5]，BLAST结果也显示其与其他的几株蜡样芽孢杆菌的CuZn-SOD基因的同源性在90%以上。在sodC推定的179个氨基酸残基中，甘氨酸（G）含量最高，达到12.29%（22/179，mol/mol），且在序列中均匀分布。在推定氨基酸序列中，不含酪氨酸（Y）和色氨酸（W），这与其他CuZn-SOD序列特征一致。

构建表达载体pET-22b-sodC，转化Escherichia coli BL21（DE3），IPTG诱导表达，NBT反相染色后，较未诱导样品相比，诱导后的细胞裂解液出现一条明显的亮带，表明该基因表达出的蛋白表现出SOD活性（图1）。SOD酶活测定也发现诱导后细胞裂解液的SOD酶活有了显著的提高，化学抑制法得出诱导出的SOD蛋白经KCN和H2O2处理后，其活性受到很大程度上的抑制，而氯仿/乙醇对其活性没有影响，确定了诱导表达出的蛋白为CuZn-SOD（图2）。

Figure 1 Enzymatic activity tests of E.coli BL21(pET-22b-sodC) by Native-PAGE

Figure 2 Identification of CuZn-SOD with chemical inhibitant methods

3 讨论

超氧化物歧化酶普遍存在于所有的需氧生物中，从最低等的原核生物到高度复杂的人脑，都存在SOD的防御反应。B.cereus 905是一种植物内生细菌。有数据发现在细菌与植物互作及植物体内都可能有超氧阴离子的存在。B.cereus 905很可能依靠其CuZn-SOD的活性清除胞外的氧自由基以保证该细菌可以在植物体内很好的定殖。作为非病原菌的植物内生细菌，CuZn-SOD可能在其侵入及定殖过程中扮演着重要角色，更明确的结论需要下一步基因缺失后的定殖能力的比较分析。