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第二军医大学学报 2011年11月第32卷第11期 http://www.ajsmmu.cn
Academic Journal of Second Military Medical University,Nov.2011,Vol.32,No.11
DOI:10.3724/SP.J.1008.2011.01186 ·论 著·
16SrRNA在肉毒梭菌分型鉴定中的应用
卢卫嘉,毛晓燕*,熊 颖,张 超,王建锋
兰州生物制品研究所,兰州730046
[摘要] 目的 建立一种快速、可靠的对肉毒梭菌进行分型鉴定的手段。方法 以从 LCL063、830110、LC175、
LCL155、66418、N153、61082、ALASKA、IWANAI共9株梭菌中提取的基因组DNA为模板,利用16SrRNA特异性引物分别
进行PCR扩增并进行T-A克隆转化、测序。通过Clustal和 Mega软件分析16SrDNA序列,以NJ法和 MP法构建进化树,
分析其种属特异性。结果 16SrRNA分型结果可判断出LCL063、830110、LCL175为产E型毒素的酪酸梭菌。IWANAI与
ALASKA株为E型肉毒梭菌。与传统分型鉴定得到的结果一致。结论 16SrRNA在肉毒梭菌分型鉴定中具有快速、准确
的优势,随着核糖体库的不断完善,有望成为细菌分型鉴定的标准依据。
[关键词] 16SrRNA;肉毒梭菌;进化树;细菌分型技术
[中图分类号] R 372 [文献标志码] A [文章编号] 0258-879X(2011)11-1186-03
16SrRNA in identification and typing of Clostridium botulinum
LU Wei-jia,MAO Xiao-yan*,XIONG Ying,ZHANG Chao,WANG Jian-feng
Lanzhou Institute of Biological Products,Lanzhou 730046,Gansu,China
[收稿日期] 2011-08-15 [接受日期] 2011-10-09
[作者简介] 卢卫嘉,硕士,助理研究员.E-mail:sky41629595@163.com
*通信作者(Corresponding author).Tel:0931-8316230,E-mail:maoxiaoyan2002@163.com
[Abstract] Objective To establish a rapid,reliable method for identifying and typing of Clostridium botulinumusing 16S
rDNA sequencing and phylogenetic tree construction.Methods Clostridium genome templates were extracted from 9strains,
including LCL063,830110,LC175,LCL155,66418,N153,61082,ALASKA,and IWANAI;16SrRNA genes were amplifed
by PCR with the 16SrRNA specific primers,and then the PCR products were cloned to pGEM -T Easy vector and sequenced.
Finally,the sequence of 16SrDNA was analyzed by Clustal and Megaprogram;the phylogenetic trees were constructed by
Neighor joining and Maximum parsimony.Results It was found that LCL063,830110,and LCL175were BONT/E producing
Clostridium butyricums;IWANAI and ALASKA were Clostridium botulinumtype E.The results of the present method were
consistent with those of the conventional method.Conclusion 16SrRNA sequencing combined with phylogenetic tree analysis
is a rapid and accurate method in Clostridium botulinumidentification,and the method may serve as a criterion for bacterial
typing with the completion of ribosomal RNA data bank.
[Key words] 16SrRNA;Clostridium butyricum;phylogenetic tree;bacterial typing techniques
[Acad J Sec Mil Med Univ,2011,32(11):1186-1188]
核糖体RNA(rRNA)是生物体蛋白质翻译的重
要组成部分,原核生物含有3种rRNA:5S、16S、
23S,大小分别为120、1 500、3 000bp左右。20世
纪,研究者们在对生物进行编目的工作中发现:16S
rRNA及其类似的rRNA作为生物系统发育指标最
为合适[1]。其主要具有以下几点优势:(1)所有细胞
共有;(2)功能同源;(3)既有可变序列又有保守序
列;(4)分子大小适宜操作;(5)序列的变化与进化距
离相适宜。随着近年来网络资源的不断丰富,核糖
体数据库也日益完善,将未知菌株的16SrRNA通
过生物信息学的方法进行比对并分型鉴定的技术也
越来越受到人们的重视[2-4]。
本研究对梭菌保藏中心(国家级菌种保藏中心)
的9株梭菌提取了基因组DNA,设计合成了梭菌特
异性的16SrRNA引物对,通过PCR扩增出9株菌
株的16SrDNA并测序,将测序结果使用Clustal和
Mega软件构建系统进化树分析其种属特异性并与
传统分型鉴定方法做对比。
1
材料
关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料
和方法
1.1 菌 株 与 试 剂 LCL063、830110、LC175、
LCL155、66418、N153、61082、ALASKA、IWANAI
等9株梭菌由兰州生物制品研究所梭菌专业实验室
提供,梭菌专用培养液由实验室自行配制;DH5α菌
第11期.卢卫嘉,等.16SrRNA在肉毒梭菌分型鉴定中的应用 ·1187 ·
株购于Invitrogen公司。
LA Taq酶购自TaKaRa公司,pGEM-T Easy
购自Novagen公司;SDS、蛋白酶 K 购自Sigma公
司。CTAB/NaCl溶液、氯仿:异戊醇(241)、酚
氯仿异戊醇(25241)、异丙醇、70%乙醇、Tris
-EDTA(TE)、NaCl等均为国产试剂。
引物合成、序列测定由上海生工生物工程服务
技术有限公司完成。
1.2 细菌培养 使用梭菌专用培养液对9株梭菌
30℃厌氧培养48h。
1.3 细菌基因组DNA的提取 100ml细菌过夜
培养液,5 000×g离心10min,去上清液。加9.5
ml TE悬浮沉淀,并加0.5ml 10%SDS、50μl 20
mg/ml蛋白酶 K,混匀,37℃保温1h。加1.5ml 5
mol/L NaCl,混匀。加1.5ml CTAB/NaCl溶液,
混匀,65℃保温20min。用等体积酚氯仿异戊
醇(25241)抽提,5 000×g离心10min,将上清
液移至干净离心管。用等体积氯仿异戊醇(24
1)抽提,取上清液移至干净管中。加1倍体积异丙
醇,颠倒混合,室温下静置10min,沉淀 DNA。
5 000×g离心10min,小心弃去上清,超净台风干
管内残余液体,70%乙醇漂洗后,吸干,溶解于1ml
TE,-20℃保存。
1.4 PCR扩增16SrDNA 序列 分别以得到的细
菌基因组DNA为模板,采用针对绝大部分细菌的上
游引物F1(序列为5′-AGA GTT TGA TCC TGG
CTC AG-3′;8-27)和梭菌特异性的下游引物R4
(序列为5′- ACG GAT ACC TTG TTA CGA
CTT-3′;1512-1492)[5-6],以TaKaRa公司的LA
Taq酶PCR扩增得到16SrDNA序列。PCR反应
条件为:94℃预变性5min;94℃1min,55℃1min,
72℃150s,共20个循环;72℃再延伸10min。
1.5 T-A克隆 将9条16SrDNA序列克隆入
pGEM-T Easy载体中,按《分子克隆实验指南》[7]
操作转化入DH5α菌株,培养皿划线培养后挑取单
克隆,测序。
1.6 系统进化树分析 从GenBank已公布序列中
随机挑选肉毒梭菌 A、B、E、F型以及酪酸梭菌16S
rDNA的基因序列各1条,分别命名为BONT A、
BONT B、BONT E、BONT F、NCIMB8082。以耶尔
森鼠疫杆菌(BZGL)和大肠杆菌(E.coli)的16S
rDNA作为2个对照外群,与1.5项下测序正确的9
条16SrDNA序列一起,构建系统进化树。首先使
用Clustal软件将15条序列进行完全比对,然后分
别用程序提供的邻接法(NJ)和最大简约法(MP)计
算序列的进化距离;将得到的结果使用 Mega程序
构建系统进化树,数据自展重抽样次数为1 000次。
2 结 果
2.1 PCR扩增16SrDNA 序列 PCR扩增产物行
1%琼脂糖凝胶电泳,结果见图1。
图1 9株梭菌rRNA PCR产物1%凝胶电泳图
Fig 1 1%sepharose electrophoresis of Clostridium botulinumrRNA PCR products
1:LCL063;2:830110;3:LC175;4:LCL155;5:66418;6:N153;7:61082;8:ALASKA;9:IWANAI;M:DL2000marker
2.2 系统进化树分析 构建的系统进化树如图2、
3所示,可以看出,菌株LCL063、830110、LCL175、
LCL155的进化距离较近,且此4株菌株与 Gen-
Bank上公布的1株酪酸梭菌NCIMB8082处于同一
个分支下,故可判断此5株细菌在进化谱系上具有
较近的亲缘关系。IWANAI、ALASKA与GenBank
上公布的E型肉毒菌株E3株的亲缘关系也较高。
根据本科室的梭菌菌种保藏
记录
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以及对此9株菌株
所做的生化鉴定以及形态学分析,LCL063、830110、
LCL175为产生E型肉毒毒素的酪酸梭菌,LCL155
为我们已经鉴定证实的1株酪酸梭菌[8]。IWANAI
与ALASKA株为E型肉毒梭菌,这与进化树所展
示出的结果相一致。
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图2 邻接法构建系统进化树
Fig 2 Phylogenetic tree constructed by Neighor joining
图3 最大简约法构建系统进化树
Fig 3 Phylogenetic tree constructed by Maximum parsimony
3 讨 论
构建系统进化树的方法主要有距离法、简约法、
似然法,以及贝叶斯推断的统计学方法。当所考虑
的谱系间进化速率可变时,距离法中的 NJ法特别
适用。NJ法能给出枝长最小平方估计的序列,即能
最真实地反映序列间的真实距离。NJ法有6种计
算方法,通常选择p-distance。MP法在序列非常
相似以及序列数目较小的情形下较适用[9]。
随着核糖体 RNA 库的日益完善,根据16S
rRNA序列构建进化树并以此作为细菌分型的依据
已经被广泛使用。本研究所选择的9株菌株中,
LCL063、830110、LCL175是能产生E型肉毒毒素
的酪酸梭菌,且在生化及形态学上与E型肉毒梭菌
很难区别,需要专业人员大量的经验积累,这曾一度
给本实验室造成了困扰。但是从本研究结果中可以
很清楚地判定此3株菌的种属特异性。
目前传统的肉毒菌株鉴定需要生化及形态学的
方法以及血清型试验,且耗时较长(有时需要1~2
d,甚至更长的时间),并且需要大量的动物实验验
证,具有一定的人为主观性以及不确定性,这就需要
工作人员有相对丰富的工作经验以及实验技能。
16SrRNA在肉毒梭菌的分型鉴定中,具有高效、快
速、客观性强的优点,如果将构建TA克隆测序的阶
段改为指纹图谱酶切,那么整个试验的操作时间将
以小时计算,这在对于肉毒中毒的临床治疗以及突
发事件的快速处理上将具有无可比拟的优势。
目前,一些研究结构建立了专门用于核糖体序列
分析的数据库,其中最著名的是美国密歇根州立大学
的RDP数据库(http://www.cme.msu.edu/RDP/),
该数据库目前包括了1 483 016多个细菌及古细菌的
小亚单位rRNA序列,并且还在不断的丰富中。
随着相关数据库的不断完善以及生物信息学软
件的不断进步,基于16SrRNA为基础的细菌分型鉴
定工作将成为细菌分型鉴定中越来越重要的依据。
[参 考 文 献]
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[本文编辑] 商素芳