Genome Sequencer FLX引领快速基因组测序时代的到来

焦磷酸法最早是应用在检测DNA甲基化和SNP位点分析的一项技术, 在2005年底, 此技术被用来进行基因组序列的测定, 已经成为下一代高通量测序中最成熟的一种技术。本篇文章着重介绍了采用焦磷酸测序法的罗氏公司最新一代高通量基因组测序系统GS FLX的技术原理, 操作过程和广泛的应用范围。     

Genome Sequencer FLX引领快速基因组测序时代的到来

焦磷酸法最早是应用在检测DNA甲基化和SNP位点分析的一项技术,在2005年底,此技术被用来进行基因组序列的测定,已经成为下一代高通量测序中最成熟的一种技术.本篇文章着重介绍了采用焦磷酸测序法的罗氏公司最新一代高通量基因组测序系统GS FLX的技术原理,操作过程和广泛的应用范围.     

原核生物多样性研究的新工具

原核生物在自然界中分布广泛、数量巨大,参与多种全球性的物质循环和能量传递。然而,长期以来对其多样性的测度受到研究技术的限制。随着高通量测序、生物芯片等新技术的不断更新,原核生物多样性研究途径也在不断变化。目前,用于环境中原核生物多样性研究的高通量测序技术主要有Genome Sequencer FLX(GS FLX)测序系统和Illu-mina Genome Analyzer测序系统;而高通量芯片则以GeoChip为代表。但这些新兴技术手段各自的特点不同,得到的大量序列信息如何用于原核生物多样性测度以及哪些多样性测度手段适用,是研究人员需要面对的问题。因此,本文总结和比较了目前最新的研究手段和程序工具,并归纳了适应目前技术条件的原核生物多样性的主要研究途径。     

基于Roche 454 GS FLX高通量测序的叶城沙蜥基因组微卫星特征分析

叶城沙蜥Phrynocephalus axillaris是我国特有的一种小型爬行动物,广泛分布于新疆塔里木盆地、吐鲁番-哈密盆地和甘肃敦煌盆地。本研究利用Roche 454 GS FLX高通量测序技术进行叶城沙蜥微卫星位点筛选,获得了91 190条高质量序列。用Krait搜索微卫星位点,共得到1～6个碱基重复类型的完美型微卫星序列29 890个。不同类型微卫星中,单碱基重复类型数目最多,有14 630个,占总数的48. 95%,其次是二碱基,约占28. 60%,四碱基、三碱基、五碱基和六碱基分别占10. 73%、10. 48%、0. 92%和0. 32%。二碱基微卫星中AC重复类型数量最多,三碱基、四碱基、五碱基和六碱基中分别是ATC、AAAT、AAAAT和AATCCC。叶城沙蜥完美型微卫星中数量最多的11种重复拷贝类型分别为C、A、AC、AG、AAAT、ATC、AT、AAT、ATAG、AGG和AAC。本研究深化了对叶城沙蜥基因组的了解,并为以后开发和筛选大量高质量微卫星标记提供了数据支持,也为利用微卫星标记研究叶城沙蜥种群遗传结构和谱系地理模式奠定了基础。     

大腹园蛛次壶腹腺丝的表达

基于大腹园蛛次壶腹腺丝Minor Ampullate Spidroin全长编码基因最新报道,研究了该基因的表达。利用PCR扩增该基因重复区一段长1 348 bp的片段P1,融合his-tag标签,构建酵母表达载体,在毕赤酵母菌GS115进行表达。同时构建大肠杆菌表达载体,在大肠杆菌BL21(DE3)中进行表达。SDS-PAGE和Western blotting检测结果表明,P1在两种表达系统中均可实现表达。研究结果显示:P1在GS115中的表达经优化后产量、产率有较大提高,且远高于BL21(DE3)中的表达,相应的纯化效率GS115也远高于对照BL21(DE3)的表达。研究表明酵母表达系统更适合重复度高、且富含Gly/Ala的天然蛛丝蛋白基因的表达,为表达全长天然MiSp编码序列提供前期实验基础,也为大规模蛛丝蛋白的重组表达建立了平台。     

野生大豆根瘤GmGS1γ基因序列分析及原核表达

旨在明确大豆谷氨酰胺合成酶(Glutamine synthetase,GS)基因家族各成员的结构特点及功能。利用同源克隆的方法从野生大豆根瘤克隆Gm GS1γ基因。生物信息学分析表明,ORF为1 071 bp,与大豆GS1γ(AF363022.1)部分序列的相似性为100%,与序列号为X81700.1相似性为99%。该序列具备植物GS的两个保守结构域,GS beta-Grasp功能区(17-97 aa)和GS催化功能区(103-350 aa)。系统发生树表明该基因编码的GS可能属于胞质2型同工酶。该基因可以在大肠杆菌DE3.0中表达,蛋白分子量为44 k D。     

毕赤酵母STE13基因敲除对GGH表达及其生物活性的影响

目的:重组毕赤酵母GS115/pPIC9K-GGH表达的人胰高血糖素样肽-1-人血清白蛋白融合蛋白[(GLP-1 A2G)2-HSA,GGH]的细胞活性测评结果显示生物活性较低,这可能与其表达过程中蛋白降解有一定关联.通过对毕赤酵母GS115 STE13基因的敲除,获得一株完整表达蛋白GGH的毕赤酵母宿主,并进一步提高其表达产物GGH的生物活性.方法:采用基于PCR技术介导的Cre-Loxp系统重组技术成功敲除宿主菌GS115的STE13基因,得到一株STE13缺陷型菌株GS115/D13,并通过细胞活性测评系统检测GS115/D13表达产物GGH的生物活性.结果:通过对STE13基因缺陷型菌株GS115/D13与出发菌株GS115/W发酵表达对比,显示GS115/D13菌株表达融合蛋白GGH生物活性有明显提升,且表达量提高了25.8％,两菌株生长无明显差异.结论:STE13基因的敲除成功缓解了GGH表达过程中的降解问题,并相对出发菌株GS115/W大幅度提高了蛋白生物活性.     

基于454 GS FLX高通量测序的四川山鹧鸪基因组微卫星特征分析

为了有效地保护四川山鹧鸪Arborophila rufipectus这一中国特有珍稀濒危鸟类,本研究采用454 GS FLX对该物种基因组测序,首次利用微卫星搜索软件搜索并初步统计和分析基因组微卫星序列,共搜索到l~6个碱基重复类型的完美型微卫星335 263个。不同类型微卫星中,单碱基重复类型数目最多,为197 913个,约占总数的59.03%,其次是四碱基、三碱基、六碱基、二碱基和五碱基,分别约占微卫星总数的13.59%、8.39%、7.55%、6.49%和4.95%。单碱基微卫星中A重复类型数量最多,两碱基中AC最多,三碱基中AAC,四碱基中AAAC最多,五碱基中AAACA最多,六碱基中AGGGTT最多。A、AGGGTT、AAAC、AC、AAAT、AAC、C、AG、AAAG、AAACA、AAT、AGG、AT、AGC、AAGG、CCG是在所搜索到的四川山鹧鸪微卫星中数量最多的16种重复拷贝类型。本研究深化了对四川山鹧鸪基因组的认识和了解,并为以后开发和筛选大量高质量微卫星标记提供数据支持,也为利用微卫星标记研究更加有效地保护和管理四川山鹧鸪这一珍稀濒危动物奠定了基础。     

基于454 GS FLX高通量测序的南疆沙蜥微卫星特征分析及其候选引物设计

南疆沙蜥Phrynocephalus forsythii是我国特有的一种小型爬行动物,分布于塔里木盆地。利用Roche 454 GS FLX高通量测序对该物种基因组测序,获得了55 909条高质量序列。利用Krait搜索并初步统计和分析基因组微卫星序列,共得到1～6个碱基重复类型的完美型微卫星12 109个。不同类型微卫星中,四碱基重复类型数目最多,有4 037个,约占总数的33.34%,其次是二碱基,约占总数的28.09%,再是三碱基、单碱基、五碱基和六碱基,分别约占总数的18.72%、13.91%、4.48%和1.46%。单碱基微卫星中C最多,二碱基微卫星中AC最多,三碱基、四碱基、五碱基和六碱基中最多的分别是AAC、AAAT、AAAAT和AACCCT。AC、AAAT、C、AG、A、AAC、AAT、AAAC、ACC和ACG是数量最多的10种重复拷贝类别。挑选部分三、四碱基重复类型的微卫星序列设计了100对可用于后续对南疆沙蜥微卫星标记开发的候选引物。本研究开启了对南疆沙蜥基因组微卫星特征的了解,为利用微卫星标记研究南疆沙蜥种群遗传结构奠定了基础。     

喜温嗜酸硫杆菌SM-1的ROS防护机制

【目的】从基因组水平探讨生物冶金微生物——喜温嗜酸硫杆菌(Acidithiobacillus caldus)的活性氧类物质(Reactive oxygen species,ROS)防护机制。【方法】采用罗氏454 GS FLX测序平台对喜温嗜酸硫杆菌SM-1进行全基因组测序,利用NCBI非冗余蛋白数据库、Uniport蛋白数据库对全基因组序列进行功能注释,并采用基因组百科全书数据库(KEGG)进行基因组代谢途径重构,通过比较基因组学方法分析SM-1基因组中参与ROS防护相关的基因及可能的分子机制。【结果】SM-1细胞内的酶促抗氧化系统可用于清除细胞内产生的ROS物质,而非酶促抗氧化系统可用于维持细胞内的还原性内环境;细胞内的DNA损伤修复系统可用于修复DNA的氧化损伤从而保持个体遗传物质的稳定性。此外,SM-1基因组中大量的转座元件可能会增加基因组的可塑性以适应极端冶金环境。【结论】SM-1基因组序列的获得为从整体水平揭示喜温嗜酸硫杆菌适应生物冶金环境ROS氧化损伤的防护机制提供了帮助,对于SM-1的ROS防护机制的认知也为进一步通过遗传改造、提升其在高浓度重金属离子冶金环境中的抗性、提高冶金效率提供了理论指导。     

林肯链霉菌谷氨酰胺合成酶的酶学性质

在分离纯化的基础上,报道了pH、温度和金属离子对林肯链霉菌(Streptomyceslincolnensis)Z-512谷氨酸胺合成酶(GS)活力的影响及GS底物专一性的研究结果.在动力学性质的研究中,发现林肯链霉菌GS在生物合成反应系统中,对底物NH_4CI的饱和曲线不遵守米氏方程.Hill作图呈两相曲线.在NH_4CI浓度低的情况下,Hill系数大于1,具有正协同效应;当NH_4CI浓度增加到一定程度时,Hill系数小于1,具有负协同效应.这说明NH_4CI不仅作为林肯链霉菌GS的底物,而且作为一种效应物调节GS的活性.林肯链霉菌GS对底物Glu及ATP的饱和曲线遵守米氏方程.在不同的激活离子存在下,GS对Glu、ATP的Km值也不同.     

茶树谷氨酰胺合成酶同源基因的克隆及表达分析

在实验室前期构建cDNA幼根文库获得谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase,GS,EC 6.3.1.2)同源序列(contig48)的基础上设计引物,通过SMART RACE技术克隆了该基因cDNA全长序列(命名为GS1-2,GenBank登录号:JQ925873.1)。结果显示:(1)GS1-2基因全长为1 710bp,开放阅读框长1 071bp,编码356个氨基酸,预测蛋白分子质量为39.3kD,理论等电点为5.65;核酸序列分析表明,GS1-2基因与从安吉白茶中克隆的茶氨酸合成酶基因相似性为99%。(2)将GS1-2基因克隆至原核表达载体pET-32a和pMAL-c5x,转化至大肠杆菌,IPTG诱导表达融合蛋白,SDS-PAGE检测结果表明,pET-32a-CsGS1-2转至Rosetta中诱导表达的蛋白与预测蛋白大小一致,主要以包涵体形式存在;而pMAL-c5x-CsGS1-2转化大肠杆菌BL21(DE3)诱导表达可产生可溶性蛋白。(3)进一步构建茶树GS1-2酵母表达载体pYES-DEST52-CsGS1-2并转化至酿酒酵母(WAT11)菌液中,添加底物(谷氨酸钠100μmol/L和盐酸乙胺500μmol/L)震荡培养并离心,UPLC-MS测定酶反应产物结果初步表明,目的蛋白不能催化盐酸乙胺和谷氨酸钠合成茶氨酸,但可以合成谷氨酰胺。     

小麦谷氨酰胺合成酶的原核表达特点

谷氨酰胺合成酶(GS)是植物氮同化的关键酶,为了研究小麦GS同工酶的结构及其表达特点,我们构建了小麦GS1、GSr、GSe、GS2和GS2前体GS2p的原核表达载体,并对表达条件进行了优化。结果表明,尽管小麦GS同工酶氨基酸序列同源性达70%–80%,蛋白质表达却各具特点。30℃诱导3 h后,GSr、GSe及GS2表达量达最大,诱导7 h后GS1表达量达最大,GS2p不表达,表达量依次为GS1(22%)GSr(15%)GS2(12%)GSe(5%);且GSe可溶性表达,GS1主要为可溶性表达,而GSr和GS2为包涵体。30℃诱导3 h,GS同工酶相对转录量为GSr(7.59)GS2(1.84)GS2p(1.66)GSe(1.46)GS1(1.00),酶蛋白质翻译水平与转录水平不一致。mRNA结构分析显示,GS同工酶翻译起始区稳定二级结构的自由能不同:GS1(14.4)GSr(17.2)GS2(22.6)GSe(25.4)GS2p(31.6),自由能越小,翻译起始区结构越不稳定,蛋白表达水平越高。GS1、GSr、GSe和GS2可溶性表达的最佳诱导条件不同,分别是30℃诱导5 h、16℃诱导15 h、37℃诱导5 h及25℃诱导7 h;可溶性表达量为GS1(20%)GSr(13%)GS2(10%)GSe(7%),酶活性为GS1GSeGS2,GSr无活性。可见,GS同工酶的基因序列决定了蛋白质在原核细胞中的表达量、状态及其活性。     

重组人血清白蛋白-干扰素α2b融合蛋白在PichiaPink系统中的表达

目的:比较PichiaPink表达系统和巴斯德毕赤酵母GS115在表达外源蛋白方面的差异,对PichiaPink表达系统的潜在优点进行评价。方法:以重组人血清白蛋白-干扰素α2b融合蛋白(HSA-IFN-α2b)为报告蛋白,构建相关载体,分别转化PichiaPink系统菌株和巴斯德毕赤酵母GS115菌株,诱导HSA-IFN-α2b表达并测定表达水平;通过SDS-PAGE检测HSA-IFN-α2b在PichiaPink系统中的降解程度。结果:PichiaPink系统几乎所有的转化子都可以表达HSA-IFN-α2b,而GS115菌株只有60%的转化子能表达HSA-IFN-α2b;同一种Pink菌株中,整合有高拷贝数表达载体pPink-HC的菌株表达量高于整合有低拷贝数表达载体pPink-LC的菌株;Pink蛋白酶缺陷菌株在复杂培养基(YPD,BMMY)中HSA-IFN-α2b基本没有降解,而在合成培养基(BSM)中降解现象明显。结论:PichiaPink表达系统产生的转化子较GS115菌株产生的转化子易于筛选;PichiaPink系统蛋白酶缺陷菌株可明显减少外源蛋白降解。这些结果为利用PichiaPink表达系统高水平和大规模制备外源蛋白提供了实验依据。     

头状轮生链霉菌谷氨酰胺合成酶的研究 Ⅱ.酶的性质和调节

头状轮生链霉菌(Streptoverticillium caespitosus)谷氨酰胺合成酶(Glutamine synthetase,GS)生物活性的最适pH为7。测活系统中必须加入Mn~(2 )或Mg~(2 ),二者分别作激活离子时得到的酶的参数不同。Mn~(2 )对GS有稳定作用。一些金属离子如Ca~(2 )等强烈地抑制生物活性。GS的最适温度为50℃,对ATP、谷氨酸和NH_4Cl的Km值分别为1.75、2.78和5mmol/L。NH_4Cl的浓度小于10mmol/L时对酶有正协同效应,大于10mmol/L时对酶有负协同效应。GS可被氨阻遏,比活能被硝酸盐促进。一些代谢物对GS有累积反馈抑制作用。发酵过程中加入氨后无“氨休克”现象,高氨条件下的GS不受蛇毒磷酸二酯酶(SVPDE)的作用,所以此酶无腺苷酰化—去腺苷酰化调节。     

氟西汀与三氯生复合暴露对麦穗鱼的毒性效应

为探讨药品和个人护理产品(PPCPs)复合污染对水生生态系统的影响,本试验以东北地区土著鱼类麦穗鱼为试验材料,研究了氟西汀(FLX)与三氯生(TCS)复合暴露对其不同器官的毒性效应.经急性(4 h)与慢性(42 d)复合暴露试验后分别检测麦穗鱼Ⅰ相和Ⅱ相解毒酶、神经系统、消化系统及抗氧化系统等受到的影响.结果表明: 在FLX/TCS复合暴露条件下,麦穗鱼脑部乙酰胆碱酯酶活性受到短暂抑制,肝中细胞色素P450活性持续受到抑制,肠中α-葡萄糖苷酶活性在急性暴露后受到诱导但是长期暴露后被抑制,同时长期复合暴露导致肝中脂质过氧化水平升高.氟西汀和三氯生对麦穗鱼的复合暴露可对麦穗鱼多个器官产生急性毒性应激效应,而随着暴露时间的延长,麦穗鱼可产生一定的适应性,但这种适应作用的机制有待进一步研究.     

林肯链霉菌谷氨酰胺合成酶活力调节的研究

对不同氮源生长条件下林肯链霉菌无细胞粗提液中谷氨酰胺合成酶 (GS)的研究结果表明 ,高浓度NH+4阻遏了GS的生物合成。从不同氮源生长条件下林肯链霉菌中分离纯化了GS ,其性质没有差别。以受腺苷化调节的产气克雷伯氏菌GS作对照 ,林肯链霉菌GS没有明显的氨休克作用 ,经蛇毒磷酸二酯酶处理后 ,其活力没有变化。这些结果都说明林肯链霉菌GS不存在腺苷化共价修饰这一调节方式。反馈抑制作用是林肯链霉菌GS的一种重要的调节方式 ,这种抑制作用是以累积的方式进行的 ,这表明各种抑制剂对GS作用位点不同 ,各种抑制剂对GS的抑制作用是相互独立的。由此推测 ,林肯链霉菌GS是一种变构酶。     

巴斯德毕赤酵母表达系统中甘油阻遏相关基因GR1的分离克隆与鉴定

目的：分离克隆并鉴定巴斯德毕赤酵母表达系统中甘油阻遏相关基因。方法：PCR扩增LacZ基因,克隆至pPLC9载体,构建pPIC9-LacZ表达载体,经Sal I线性化后转化巴斯德毕赤酵母GS115,构建GS115-LacZ模式菌株;用限制酶介导整合（REMI）技术使GS115-LacZ菌体基因组产生随机突变,筛选甘油去阻遏的GS115-LacZ△菌体;Southern blot鉴定GS115-LacZ△基因组,用质粒拯救技术和TAIL-PCR克隆未知基因序列并测序。结果：得到甘油去阻遏的GS115-LacZ△菌体,经Southern blot分析,突变仅发生在1个基因中;通过质粒拯救和TAIL-PCR,分离得到阻遏相关基因GR1,共2863bp,经在线BLAST,发现其编码一种过氧化物酶体自吞噬相关蛋白。结论：分离得到阻遏相关基因GR1,与过氧化物酶体自吞噬相关,提示过氧化物酶体自吞噬相关基因可能对醇氧化酶启动子AOX1的转录活性有影响。     

头状轮生链霉菌谷氨酰胺合成酶的研究 Ⅱ.酶的性质和调节

头状轮生链霉菌(Streptoverticillium caespitosus)谷氨酰胺合成酶(Glutamine synthetase,GS)生物活性的最适pH为7。测活系统中必须加入Mn~(2+)或Mg~(2+),二者分别作激活离子时得到的酶的参数不同。Mn~(2+)对GS有稳定作用。一些金属离子如Ca~(2+)等强烈地抑制生物活性。GS的最适温度为50℃,对ATP、谷氨酸和NH_4Cl的Km值分别为1.75、2.78和5mmol/L。NH_4Cl的浓度小于10mmol/L时对酶有正协同效应,大于10mmol/L时对酶有负协同效应。GS可被氨阻遏,比活能被硝酸盐促进。一些代谢物对GS有累积反馈抑制作用。发酵过程中加入氨后无“氨休克”现象,高氨条件下的GS不受蛇毒磷酸二酯酶(SVPDE)的作用,所以此酶无腺苷酰化—去腺苷酰化调节。     

茶树茶氨酸合成酶基因的酶活性验证与蛋白三维结构分析

针对NCBI上已登录的茶氨酸合成酶与谷氨酰胺合成酶基因序列进行克隆、原核表达与酶活性验证,利用多种生物信息学数据库和软件,对Cs TS与Cs GS基因进行结构、性质和功能预测,采用同源建模法对蛋白三维结构进行预测,比较并预测催化作用位点的差异;用系统进化树分析从裸子植物到高等被子植物的谷氨酰胺合成酶基因序列,推测其进化的演变过程;通过对原核表达的基因工程菌提取粗酶液进行酶活性测定。结果表明:尽管茶树TS与GS序列高度同源,但是原核表达后的融合蛋白仍然显示了不同的催化能力,蛋白一、二级结构分析显示Cs TS与Cs GS差异不大,但是通过同源建模形成的蛋白三级结构分析显示,Cs TS与Cs GS存在3个催化位点上的差异,这可能是导致其酶活性差异的关键。系统进化分析结果首次确定茶氨酸合成酶应为谷氨酰胺合成酶基因家族成员,按照其细胞定位预测应为胞质型GS,其亲缘关系与同为双子叶植物的葡萄、陆地棉、巴西橡胶树、拟南芥较接近。