发表
联系我们

登录

需要订阅 JoVE 才能查看此. 登录或开始免费试用。

本文内容

  • 摘要
  • 摘要
  • 引言
  • 研究方案
  • 结果
  • 讨论
  • 披露声明
  • 致谢
  • 材料
  • 参考文献
  • 转载和许可

摘要

本协议描述了一种高效的方法, 用于提取和定量的咖啡因在细胞悬浮液中的表达水平和评价咖啡因合酶酶活性的实验过程。编码这种酶的基因。

摘要

咖啡因 (13, 7-trimethylxanthine) 是一种嘌呤生物碱, 目前流行饮料, 如咖啡和茶。这种次生代谢产物被认为是一种化学防御, 因为它具有抗菌活性, 被认为是一种天然杀虫剂。咖啡因也可以产生负面的化感作用, 防止周围植物的生长。此外, 世界各地的人们使用咖啡因的镇痛和刺激作用。由于对咖啡因技术应用的兴趣, 这种化合物的生物合成途径的研究已经发展。这些研究主要集中于了解调节咖啡因生物合成的生物化学和分子机制。体外组织培养已成为研究这种生物合成途径的有用系统。本文将介绍一步一步的协议, 以量化咖啡因和测量的转录水平的基因 (CCS1) 编码咖啡因合成酶 (CS) 的细胞悬浮液, 以及它的活动。

引言

咖啡因是咖啡1属植物 biosynthesized 的次生代谢产物。这生物碱属于甲基黄嘌呤家庭并且被认为作为一个化工厂防御, 因为它可能采取行动反对病原体和草食动物的有害作用2,3。此外, 这种代谢物负责的刺激性能的咖啡饮料, 这是普遍消费全球4,5。由于其特性, 一些研究小组对咖啡因6,7的生物合成途径和分解代谢有兴趣。目前, 植物体外细胞/组织培养作为评价咖啡因积累的替代品, 在不同的生物和非生物学的战略8,9。

咖啡因的生物合成涉及 7-甲基黄嘌呤的水解释放从相应的核糖核苷, 其次是有序的n-methylations 在位置3和1。特定的s-甘基蛋氨酸 (SAM) 依赖 n-甲基 (NMT) 催化甲基化在位置 7, 而可可碱合酶 (TS) 和 CS 分别参与3和 1-methylations, 生产可可碱和咖啡因。对不同 NMTs 基因编码的研究, 使人们了解调节咖啡因生产的机制10,11。CS 具有n-甲基活性, 催化了咖啡因11生物合成途径的最后两个步骤。在咖啡树幼苗中, 光辐射可以增加 CS 的活性, 从而增加咖啡因的生物合成。最近, 我们发现, 在光照射下维持细胞悬浮液是评价产生非生物胁迫因子影响咖啡因生物合成途径的最佳条件.8。这些研究中获得的信息可能在代谢工程和系统生物学中的应用, 以最大限度地研究这种体外系统中的咖啡因生物合成途径。

鉴于获得合适的咖啡因生物合成模型的优点, 我们优化了咖啡因在细胞悬浮液中的提取条件. 还有可能制定一个有用的协议来研究酶活性, 以及评估咖啡咖啡因合酶 1 (CCS1) 编码这种酶的基因转录水平的方法学步骤。在此, 我们报告了一个协议, 以提取和量化的咖啡因在C.

研究方案

1. 咖啡因在咖啡细胞悬浮液中的提取。

  1. 使用C. 咖啡细胞悬浮液9。保持悬浮由双周亚文化在 Murashige 和 Skoog 培养基在 pH 值4.3 与恒定的 100 rpm 震动25°c 在连续的光之下 (8.3 瓦特/m2)。
  2. 用11µm 孔滤纸和傅书礼漏斗在真空过滤下收获细胞。
  3. 用鳞片将收集到的细胞的新鲜重量进行登记, 用铝箔包裹, 将它们冷冻在液氮中, 并保持在-80 摄氏度直到分析。
  4. Lyophilize 冷冻细胞材料为72小时。
  5. 登记冻干细胞的重量, 以估计干重产量。
  6. 将粉状物料存放在可重复使用的聚乙烯袋中 (9 厘米 x 7.5 厘米)。浸渍的材料, 以细粉和储存在干燥, 直到使用。
  7. 测量0.5 克的干细胞物质的分析尺度, 并添加到一个玻璃瓶 (25 毫升)。
    1. 在冻干细胞中加入10毫升丙酮, 混合在三十年代的涡旋搅拌机中均匀化。然后, 用铝箔封住瓶子。
    2. 混合在 100 rpm 使用一个转子在室温 (25 °c) 为5小时。
  8. 将所有材料转移到15毫升圆锥管和离心机在 1.3万 x g 10 分钟. 将液相转移到一个新的管, 并减少在室温下的通风罩干燥。
  9. 并用重悬25µL 丙酮的样品。

2. 用薄层层析法 (TLC) 评价咖啡因的条件. 密度测定

  1. 将先前悬浮咖啡因提取物的1µL 应用于固定相。
    注: 硅胶板 (F254) 用作固定相。在应用样品之前, 在色谱室 (14 厘米 x 12 厘米 x 9.5 厘米) 上, 用10毫升的氯仿-甲醇 [9:1 伏/v] 开发了板材, 并在室温下干燥。图 1显示了应用样品的色谱板的特性。在研制该板材之前, 该室用溶剂饱和30分钟。薄层板应处理使用手套, 以避免污染。
  2. 用10毫升的流动相环己烷丙酮 [40:50 v/v], 在色谱室中开发薄层层析。
    注: 这种混合物允许咖啡因的分离在保留因素 (Rf) 0.34。
    1. 从房间中取出薄层色板, 让它在室温下完全干燥。
  3. 在短波长紫外光中可视化咖啡因波段 (UV, 254 nm)。使用紧凑型紫外线灯。此外, 在这一步, 使用护目镜与紫外线防护。
  4. 通过密度 273 nm 量化咖啡因含量。该仪器采用色谱软件进行控制。

3. 核糖核酸 (RNA) 分离

  1. 用过滤纸 (11 µm 孔径) 从步骤1.1 和真空滤液中取细胞悬浮液。
  2. 收集过滤纸上的蜂窝材料, 在分析天平上称量0.5 克的蜂窝材料, 并将其包装在铝箔上。冷冻样品与液体 N2。
  3. 浸渍用液态氮瓷砂浆中的细胞样品, 加入1毫升的 RNA 分离试剂直至均匀化。
    注: 在300摄氏度的消音器炉内对瓷迫击炮进行杀菌消毒6小时, RNA 分离试剂含有苯酚、异硫氰酸胍等成分。
    1. 将样品的500µL 转移到无菌离心管 (1.5 毫升)。加入300µL 氯仿-异戊醇 (24:1) 和 300 ul 平衡苯酚 (pH 8.0)。
  4. 将样品与涡旋搅拌机混合, 然后将其离心在 2万 x g 15 分钟, 在4摄氏度。
  5. 转移 300 ul 的上部阶段到一个离心管。添加 200 ul 的异丙醇。在-20 摄氏度孵育1小时的管子。
  6. 离心管在 1.2万 x g 10 分钟在4摄氏度, 然后醒酒液相。
    1. 加入1毫升乙醇 (70%), 形成试管中的颗粒。离心机在 1.2万 x g为10分钟和醒酒。重复此步骤两次。
  7. 在室温下干燥样品1.5 小时 (25 摄氏度)。并用重悬 RNA 提取物与 25 ul 焦碳酸二乙基 (DEPC) 处理的水。
    注: 用于 RNA 提取, 使用 0.1% DEPC 的水处理。

4. RNA 转录与脱氧核糖核酸酶 (DNase) 的孵化

  1. 加入一个无菌离心管, 添加2µg 的总 RNA 提取物。添加 1 ul 10x 反应缓冲器 (100 毫米三盐酸, 25 毫米氯化镁2, 1 毫米 CaCl2)。添加 1 ul 1 U/µL DNase。
    1. 用 DEPC 处理的水将反应带到 10 ul 的最终体积。将样品和离心机简单地混合在 2000 x g上, 1 分钟。
  2. 以37摄氏度孵化样品30分钟。
  3. 停止反应与增加 1 ul 50 毫米二钠 ethylenediaminetetraacetate 二水合物 (Na2EDTA) 和孵化样品在65°c 为10分钟。
  4. 用琼脂糖凝胶电泳分析 RNA 的完整性。
    1. 准备一个标准的1% 琼脂糖凝胶和染色1µL 3x 锂核酸染色溶液。
    2. 将500的 RNA 应用于琼脂糖凝胶, 并运行凝胶。
    3. 使用凝胶照片文档系统可视化 RNA 的完整性。
    4. 用 RNA 作为逆转录酶 cDNA 合成的模板。

5. 补充脱氧核糖核酸 (cDNA) 合成

  1. 在离心管中添加2.5 微克的总 RNA。添加 1 ul deoxythymine (dT) 底漆, 并填补管到 13 ul 最终体积与核酸酶的水。混合样品, 然后离心 2000 x g 1 分钟。
  2. 将样品孵化65摄氏度, 5 分钟, 然后在4°c 2 分钟。
  3. 添加 4 ul 5x 反应缓冲器用于逆转录酶, 2 ul 的核苷酸 triphosphates (dNTPs) 混合 (每 dNTP 10 毫米) 和 1 ul 逆转录酶 (200 U/µL)。轻轻搅拌, 离心机在 2000 x g 1 分钟。
  4. 将样品孵化45摄氏度, 50 分钟, 然后在70°c 10 分钟。
  5. 使用紫外分光光度计量化 cDNA 浓度。
  6. 用 cDNA 作为聚合酶链反应 (PCR) 的模板。
    注: 反应缓冲器分别用作 10x (步进 4.1.1) 和5x 倍浓缩 (步骤 5.3)。

6. 实时定量 PCR (qPCR) 放大基因CCS1

  1. 添加 7.5 ul 的 Taq DNA 聚合酶 2x (0.1 U/毫升) 和0.1 微米5羧基 x 罗丹明 (火箭) 到 PCR 离心管。
    注: 热启动 Taq DNA 聚合酶2x 被用作2x 浓缩溶液。
    1. 添加 5 ul 的无核酸酶水。
    2. 添加 0.75 ul 每10微米向前和反向底漆放大基因CCS1 (AB086414) (向前: 5 '-CCTGTATCCTGCGATGAACA-3 ' 和反向: 5 '-AACACTATCATAGAAGCCTTTG-3 ')。在单独的反应 (向前: 5 '-GTGCCCAACTGGGTTCAA-3 ' 和反向: 5 '-CCTTCCTCCATACCTTCACC-3 ')9, 使用引物为蛋白作为保留的基因。
    3. 添加 600 ng cDNA 模板。
  2. 执行放大反应在50°c 2 分钟和95°c 5 分钟. 孵化反应在实时 PCR 系统为40个周期95°c 为三十年代, 60 °c 三十年代和72°c 为三十年代。
  3. 在三十年代和20°c 孵化样品在50°c 十年代。
  4. 用 PCR 软件对数据进行分析。
  5. 用由 Livak 和 Schmittgen (2001)12描述的 2-ΔΔCT方法计算相对表达式。
    注: 分析包含除 DNA 模板 (无模板控制、NTC) 以外的所有组件的控制反应, 以丢弃被污染的试剂或放大底漆-脂肪酸。

7.咖啡细胞悬浮液总蛋白提取物。

  1. 用中孔过滤纸在真空下过滤细胞悬浮液。
  2. 重1克的蜂窝材料和包装在铝箔。
    1. 用液氮冷冻样品。浸渍在灭菌瓷砂浆中取样, 以获得细粉。
  3. 将样品转移到玻璃瓶中, 加入2.5 毫升萃取缓冲器 (400 毫米三羟甲基) 氨基甲烷盐酸盐 (三盐酸), pH 为 8.0, 含10毫米β巯基乙醇, 5 毫米 Na2EDTA 和 0.5% (w/v) 抗坏血酸钠。
    1. 将样品混合在涡流搅拌机中2分钟。
      注意: 在冰上保存样品是很重要的, 以防止蛋白质变性。
  4. 离心样品在 2万 x g 20 分钟在4°c 和转移500µL 整除数入低温小瓶 (2 毫升)。将样品存放在-72 摄氏度, 直到使用。
  5. 以牛血清白蛋白为标准, 用二辛可宁酸法测定分光光度计中 562 nm 样品的蛋白质浓度。

8.咖啡因合成酶的酶法测定

  1. 在含有200µM sam 的离心管中制备反应混合物, 4.07 kBq 甲基 [3H]-SAM, 200 µM 可可碱, 200 µM 氯化镁2, 5 µM 咖啡因。在 pH 值为8.0 的情况下, 将体积增加到200µL, 100 毫米三盐酸。
  2. 将离心管放在冰上, 加入含有7-9 毫克蛋白质的可溶性分数的体积。然后, 在恒温浴/循环器中, 通过涡旋和孵育30分钟, 在30摄氏度处进行混合。对于一批样品, 在1分钟内以重复的方法孵化每个样品, 给予足够的时间在30分钟的确切时间内停止对所有样品的反应。
    1. 加入1毫升氯仿以停止反应, 然后用涡流搅拌机摇动样品。用涡旋搅拌机3分钟摇动样品, 去除溶剂中的放射性咖啡因。
  3. 离心机样品在 1.1万 x g为5分钟, 并且仔细地恢复容量900µL。然后, 将样品转移到闪烁瓶中。
  4. 蒸发氯仿, 在室温下25摄氏度完成干燥。将5毫升的闪烁液体添加到瓶子中, 并混合样品。
  5. 分析在闪烁计数器中加入咖啡因的放射性物质。

结果

根据图 1所示的方案, 通过对样品进行色谱分析, 对通过本工艺获得的咖啡因提取物进行了薄层定量分析。为了量化细胞提取物中咖啡因的含量, 使用了这种化合物的各种商业标准的曲线 (图 2A)。用 273 nm 的最大吸收峰值 (图 2B) 分析了咖啡因的吸光度模式, 在薄层色谱板上, 咖啡因的峰值分离显示出0.34 和0.39 ...

讨论

我们在这里提出了评价咖啡因含量, CS 活动和转录水平的最佳条件在体外植物组织培养, 如细胞悬浮的C. 阿拉伯咖啡。以前的报告已经证实, 在光照射下维持细胞和在培养基中存在可可碱, 是提高咖啡因含量的合适参数, 从而可以评价咖啡因分离方法。采用反相高效液相色谱法 (RP)。目前, 很少有报道使用一种简单而快速的方法和经济优势来研究细胞悬浮液中的咖啡因生物合成。在这里, ...

披露声明

作者没有什么可透露的。

致谢

我们实验室的工作由委员会 Ciencia y Tecnología (CONACyT 219893) 的赠款提供给 SMTHS。这项研究还得到了 CONACyT 和 Sistema 全国 Investigadores (4422) 授予 RJPK (37938 号) 的奖学金的支持。作者感谢 CIATEJ 在撰写本手稿时使用了它的安装。特别感谢 Víctor 博士的所有建议在分子生物学科和 Valentín 门多萨, 国际金融公司, UNAM 的设施在拍摄这篇文章。

材料

NameCompanyCatalog NumberComments
Murashige & Skoog Basal salt mixturePhytoTechnology LaboratoriesM524Packge Size: 50 L
Reagent (mg/L)
Ammonium Nitrate (1650)
Boric acid (6.2)
Calcium chloride, anhydrous (322.2)
Cobalt Chloride•H2O (0.025)
Cupric Sulfate•5H2O (0.025)
Na2EDTA•2H2O (37.26)
Ferrous Sulfate•7H2O (27.8)
Magnesium Sulfate, Anhydrous (180.7)
Manganese Sulfate•H2O (16.9)
Molybdic Acid (Sodium Salt)• 2H2O (0.25)
Potassium Iodide (0.83)
Potassium Nitrate (1900)
Potassium Phosphate, Monobasic (170)
Zinc Sulfate•7H2O (8.6)
Supplemented with
myo-inositol (100)
thiamine (10)
cysteine (25)
sucrose (30000)
2,4-dichlorophenoxyacetic acid (3)
6-benzylamine purine (1)
CaffeineSIGMAC0750-5GSTANDARD-5g
TheobromineSIGMAT450020 g
CAMAG TLC Scanner-4CAMAG27.62
WinCATS Planar Chromatography Manager softwareCAMAG1.4.10Software
Isoamyl alcohol (24:1)SIGMAC-0549500 mL
CyclohexaneJALMEXC4375-131 L
AcetoneJ.T. BAKER9006434 L
MethanolJ.T. BAKER9093-034 L
ChloroformJALMEXC-4425-153.5 L
TLC silica gel 60 F254Merck1.05554.0001TLC plate
β-mercaptoethanolM6250SIGMA100 mL
(+)-sodium L- ascorbateA4034SIGMA100 g
Trizma baseSIGMAT60661 Kg
Hydrochloric acid 36.5-38%J.T. Baker9535-052.5 L
Pierce BCA Protein Assay KitThermo scientific232227Kit
Methyl [3H]-S-adenosyl methioninePerkin ElmerNET155Specific activity of 15 Ci/mmol
Liquid scintillation vialsSIGMAZ253081
Thermostatic bath/circulatorCole Parmer60714
Micro centrifugue tubeEppendorfTube of 1.5 mL
Cryogenic vialsHeathrow ScientificHS23202A2 mL
Centrifuge 5804Eppendorf5804 000925
VortexThermolyneLR 5947
Porcelain mortarFisherbrandFB961B
Filter paperWhatmanZ274844Porosity medium
PicofugeStratagene4005502000 x g
Analytical balanceANDHR-120Model HR-120
Scintillation counterBeckman Coulter6500
Gel photodocumentation systemBio-RadChemic XRSModel Chemic XRS
Compact UV lampUVP95002112UVGL-25
Scienceware HDPE Buchner funnelSIGMA2419907Type 37600 mixer
TRIzol reagentThermo scientific15596-018200 mL
ReverdAid Reverse transcriptaseThermo scientific#EP044110000 U
Oligo (dT)18 primerThermo scientific#S0131100 µM
DNase I, RNase-freeThermo scientific#EN05251000 U
Magnesium chlorideThermo scientificEN05251.25 mL
Ethylenediaminetetraacetic acidThermo scientificEN05251 mL
dNTP mixThermo scientificR0191R0191
SYBR Green qPCR Master Mix (2X)Thermo scientificK0251For 200 reactions of 25 µL
PikoRealThermo scientific2.2Software
Phenol, pH 8.0, equilibrated, Molecular Biology Grade, UltrapureUSBJ75829100 mL
Isopropyl alcoholKaral20401 L
Ethyl alcoholSIGMA641751 L
Diethyl pyrocarbonateSIGMAD5758100 mL
Lab RotatorLW ScientificMod. LW210

参考文献

  1. Ferruzzi, M. G. The influence of beverage composition on delivery of phenolic compounds from coffee and tea. Physiolgy & Behavior. 100 (1), 33-41 (2010).
  2. Majhenič, L., Škerget, M., Knez, &. #. 3. 8. 1. ;. Antioxidant and antimicrobial activity of guarana seed extracts. Food Chemistry. 104 (3), 1258-1268 (2007).
  3. Sledz, W., Los, E., Paczek, A., Rischka, J., Motyka, A., Zoledowska, S., Lojkowska, E. Antibacterial activity of caffeine against plant pathogenic bacteria. Acta Biochimica Polonica. 62 (3), 605-612 (2015).
  4. Lipton, R. B., Diener, H. C., Robbins, M. S., Garas, S. Y., Patel, K. Caffeine in the management of patients with headache. Journal of Headache and Pain. 18 (1), 1-11 (2017).
  5. De Mejia, E. G., Ramirez-Mares, M. V. Impact of caffeine and coffee on our health. Trends in Endocrinology & Metabolism. 25 (10), 489-492 (2014).
  6. Uefuji, H., Tatsumi, Y., Morimoto, M., Kaothien-Nakayama, P., Ogita, S., Sano, H. Caffeine production in tobacco plants by simultaneous expression of three coffee N-methyltrasferases and its potential as a pest repellant. Plant Molecular Biology. 59 (2), 221-227 (2005).
  7. Denoeud, F., Carretero-Paulet, L., Dereeper, A., Droc, G., Guyot, R., Pietrella, M., Aury, J. M. The coffee genome provides insight into the convergent evolution of caffeine biosynthesis. Science. 345 (6201), 1181-1184 (2014).
  8. Kurata, H., Matsumura, S., Furusaki, S. Light irradiation causes physiological and metabolic changes for purine alkaloid production by a Coffea arabica cell suspension culture. Plant Science. 123 (1-2), 197-203 (1997).
  9. Pech-Kú, R., Muñoz-Sánchez, J. A., Monforte-González, M., Vázquez-Flota, F., Rodas-Junco, B. A., González-Mendoza, V. M., Hernández-Sotomayor, S. T. Relationship between aluminum stress and caffeine biosynthesis in suspension cells of Coffea arabica L. Journal of Inorganic Biochemistry. 181, 177-182 (2018).
  10. Huang, R., O'Donnell, A. J., Barboline, J. J., Barkman, T. J. Convergent evolution of caffeine in plants by co-option of exapted ancestral enzymes. Proceedings of the National Academy of Sciences. 113 (38), 10613-10618 (2016).
  11. Mizuno, K., Okuda, A., Kato, M., Yoneyama, N., Tanaka, H., Ashihara, H., Fujimura, T. Isolation of a new dual-functional caffeine synthase gene encoding an enzyme for the conversion of 7-methylxanthine to caffeine from coffee (Coffea arabica L.). FEBS letters. 534 (1-3), 75-81 (2003).
  12. Kato, M., Mizuno, K., Fujimura, T., Iwama, M., Irie, M., Crozier, A., Ashihara, H. Purification and characterization of caffeine synthase from tea leaves. Plant Physiology. 120 (2), 579-586 (1999).
  13. Livak, K. J., Schmittgen, T. D. Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2(-Delta Delta C(T)) Method. Method. 25 (4), 402-408 (2001).
  14. Kurata, H., Achioku, T., Furusaki, S. The light/dark cycle operation with an hour-scale period enhances caffeine production by Coffea arabica cells. Enzyme and Microbial Technology. 23 (7-8), 518-523 (1998).
  15. Sartor, R. M., Mazzafera, P. Caffeine formation by suspension cultures of Coffea dewevrei. Brazilian Archives of Biology Technology. 43 (1), 1-9 (2000).
  16. Koshiro, Y., Zheng, X. Q., Wang, M. L., Nagai, C., Ashihara, H. Changes in content and biosynthetic activity of caffeine and trigonelline during growth and ripening of Coffea arabica and Coffea canephora fruits. Plant Science. 171 (2), 242-250 (2006).
  17. Schimpl, F. C., Kiyota, E., Mayer, J. L. S., de Carvalho Gonçalves, J. F., da Silva, J. F., Mazzafera, P. Molecular and biochemical characterization of caffeine synthase and purine alkaloid concentration in guarana fruit. Phytochemistry. 105, 25-36 (2014).
  18. Perrois, C., Strickler, S. R., Mathieu, G., Lepelley, M., Bedon, L., Michaux, S., Privat, I. Differential regulation of caffeine metabolism in Coffea arabica (Arabica) and Coffea canephora (Robusta). Planta. 241 (1), 179-191 (2015).

转载和许可

请求许可使用此 JoVE 文章的文本或图形

请求许可

探索更多文章

140CSS1

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

政策

使用条款

隐私

联系我们

向图书馆推荐

JoVE 新闻简报

科研

教育

发表

图书馆员

关于 JoVE

版权所属 © 2025 MyJoVE 公司版权所有，本公司不涉及任何医疗业务和医疗服务。