青海湖盐单胞菌QHL1 ectABC基因簇克隆鉴定及二氨基丁酸转氨酶基因ectB的异源表达

从青海湖20份水样筛选得到一株优势中度嗜盐菌QHL1,经初步鉴定为盐单胞菌属。设计保守基因ectB的引物,以基因组DNA为模板,PCR扩增获得ectB基因(1269 bp)。利用染色体步移技术,克隆获得四氢嘧啶合成基因簇ectABC及其上下游调控序列。DNAStar软件分析表明ectA、ectB和ectC位于同一个操纵子上,大小分别为579 bp、1269 bp和390 bp,预测分别编码192、422和129个氨基酸的肽链。同源性分析表明:Halomonas sp.QHL1ectABC基因簇所编码的二氨基丁酸转乙酰基酶(EctA)、二氨基丁酸转氨酶(EctB)和四氢嘧啶合成酶(EctC)与Halomonas sp.Nj223 ectABC基因簇所编码的酶蛋白相似性分别达57%、96%和85%。利用分子克隆技术构建二氨基丁酸转氨酶基因ectB的重组表达载体pET-28-ectB,通过限制性内切酶酶切和测序分析,结果表明其目的基因的插入位置、大小和读码框均正确。诱导表达重组菌,SDS-PAGE分析,目的蛋白条带约46 kDa。     

嗜盐细菌中四氢嘧啶和羟基四氢嘧啶的生物合成及其生物学功能

在嗜盐细菌盐适应中,四氢嘧啶(1,4,5,6-四氢-2-甲基-4-嘧啶羧酸)和羟基四氢嘧啶(1,4,5,6-四氢-2-甲基-5-羟基-4-嘧啶羧酸)发挥着十分重要的作用。四氢嘧啶的生物合成以L-天冬氨酸-β-半醛(ASA)为底物,依次由2,4-二氨基丁酸转氨酶(EctB),2,4-二氨基丁酸乙酰基转移酶(EctA)和四氢嘧啶合成酶(EctC)催化反应,分别生成L-2,4-二氨基丁酸(DABA),N-乙酰-L-2,4-二氨基丁酸(ADABA)和四氢嘧啶。羟基四氢嘧啶则由四氢嘧啶羟化酶(EctD)将四氢嘧啶羟基化产生。通常,四氢嘧啶合成基因以ectABC基因簇的形式存在,而羟基四氢嘧啶合成基因ectD单独存在。四氢嘧啶生物合成基因在微生物菌株和转基因经济作物中的表达可以提高其耐盐碱旱等抗逆能力,羟基四氢嘧啶合成基因的表达可以增强宿主耐热和耐干燥的能力。四氢嘧啶类相容性溶质的生物学功能及其潜在应用已成为前沿性研究热点。     

南极深海底泥色盐杆菌属NJS-2 ectABC基因克隆及二氨基丁酸转氨酶ectA基因的表达

从南极深海底泥中分离筛选得到一株中性嗜盐菌Chromhalobacter sp.NJS-2,以该菌株基因组为模板,利用PCR技术扩增出ectABC基因,基因全序列大小为2378bp。OMIGA软件分析该基因序列上含有三个阅读框,大小分别为576bp、1272bp和393bp,预测其分别编码二氨基丁酸乙酰转移酶（EctA）、二氨基丁乙酸转氨酶（EctB）和四氢嘧啶合酶(EctC)。将二氨基丁酸乙酰转移酶ectA基因的PCR扩增产物克隆至表达载体pET-his, 构建重组表达载体pET-his-ectA,并经酶切、PCR鉴定和测序验证,结果表明其目的基因的插入位置、大小和读码框均正确。SDS-PAGE分析,出现大小约21kDa的目的蛋白条带。     

中度嗜盐菌四氢嘧啶合成基因的克隆与功能分析

中度嗜盐菌Bacillus alcalophilus DTY1分离自晋西北黄土高原盐碱土壤, 能够产生耐盐相关的相容性溶质四氢嘧啶。为了研究四氢嘧啶的功能, 克隆了DTY1菌株四氢嘧啶合成基因簇ectABC。ectA、ectB和ectC分别编码169、428和132个氨基酸的肽链, 分别与B. halodurans C-125中的二氨基丁酸乙酰基转移酶(EctA)、二氨基丁酸氨基转移酶(EctB)、四氢嘧啶合成酶(EctC)同源性达59%、81%和81%。将携带该基因簇的4.0 kb片段转入蜡质芽孢杆菌B. cereus Z后, 芽孢杆菌的耐盐度显著提高。HPLC检测发现, 在1.0% NaCl浓度下, 转化菌B. cereus Z-E菌株生成70.1 mg/g四氢嘧啶, 而在5.0%的NaCl浓度下四氢嘧啶的产量高达118.6 mg/g, 显著高于B. alcalophilus DTY1的四氢嘧啶产量。而且随着盐浓度的提高, 四氢嘧啶的合成量也随之提高。由此证明四氢嘧啶参与中度嗜盐菌重要的渗透调节, ectABC的表达受盐诱导。     

中度嗜盐菌四氢嘧啶合成基因的克隆与功能分析

中度嗜盐菌Bacillus alcalophilus DTY1分离自晋西北黄土高原盐碱土壤, 能够产生耐盐相关的相容性溶质四氢嘧啶。为了研究四氢嘧啶的功能, 克隆了DTY1菌株四氢嘧啶合成基因簇ectABC。ectA、ectB和ectC分别编码169、428和132个氨基酸的肽链, 分别与B. halodurans C-125中的二氨基丁酸乙酰基转移酶(EctA)、二氨基丁酸氨基转移酶(EctB)、四氢嘧啶合成酶(EctC)同源性达59%、81%和81%。将携带该基因簇的4.0 kb片段转入蜡质芽孢杆菌B. cereus Z后, 芽孢杆菌的耐盐度显著提高。HPLC检测发现, 在1.0% NaCl浓度下, 转化菌B. cereus Z-E菌株生成70.1 mg/g四氢嘧啶, 而在5.0%的NaCl浓度下四氢嘧啶的产量高达118.6 mg/g, 显著高于B. alcalophilus DTY1的四氢嘧啶产量。而且随着盐浓度的提高, 四氢嘧啶的合成量也随之提高。由此证明四氢嘧啶参与中度嗜盐菌重要的渗透调节, ectABC的表达受盐诱导。     

新喀里多尼亚弧菌CGJ02-2中四氢嘧啶合成基因簇ectABC的克隆及其功能鉴定

研究旨在克隆新的四氢嘧啶合成基因簇,并对其功能进行鉴定,为应用于四氢嘧啶的生产奠定基础。从新喀里多尼亚弧菌CGJ02-2中克隆获得四氢嘧啶合成基因簇ectABC,ectABC与表达载体pBAD连接后转化至大肠杆菌BW25113中,通过L-阿拉伯糖诱导表达。采用SDS-PAGE和液质联用鉴定重组表达蛋白,利用全细胞催化合成四氢嘧啶,通过高分辨质谱鉴定四氢嘧啶,并从天冬氨酸浓度、KCl浓度、温度和pH 4个方面优化催化条件。结果表明,来自新喀里多尼亚弧菌CGJ02-2 基因组的ectABC大小为2 235 bp。SDS-PAGE显示表达产物中有3个重组蛋白产生, 液质联用鉴定表明其分子量分别与ectA、ectB、ectC的理论分子量一致。高分辨质谱分析发现全细胞催化上清中有四氢嘧啶产生。优化后的最适全细胞催化条件为：天冬氨酸浓度100 mmol·L^-1,KCl浓度100 mmol·L^-1,温度30 ℃,pH 7.0,最优条件下产量为1.11 mg·mL^-1。研究从弧菌中克隆了四氢嘧啶合成基因簇ectABC,并在大肠杆菌BW25113中实现了异源表达和低盐环境下的四氢嘧啶合成,为大规模发酵生产四氢嘧啶奠定了基础。     

中度嗜盐菌DTY1的鉴定及其耐盐机制的初步分析

菌株DTY1分离自山西省五寨县柠条种植区盐碱土壤,可在0~1·2mol/LNaCl的浓度培养基上生长,最适生长温度32℃,最适pH7~10。通过形态观察,生理生化测定与16SrDNA序列分析,将该菌株鉴定为嗜碱芽孢杆菌(Bacillusalcalophilus)。高压液相色谱分析,DTY1菌株在常规LB培养液中能够产生1·40mg/g四氢嘧啶,且在最适盐浓度条件下,盐浓度越高单位干重菌体所产生的四氢嘧啶含量越高。通过PCR介导的方法从DTY1的基因组文库中克隆到四氢嘧啶合成基因ectB。该基因长度为1284bp,编码427个氨基酸的肽链。此肽链与B.haloduransC-125(BAB04638)中二氨基丁酸氨基转移酶同源性达81%。ectB基因可能存在典型的σ70启动子,而且在启动子间有一段明显的23bp的回文序列。     

青海湖盐单胞菌Ectoine合成基因簇ectABC的重组共表达

盐单胞菌属(Halomonas)通过胞内积聚有机相容溶质(Compatible solutes)来抵抗胞外的高盐渗透压。为了探究相容溶质Ectoine合成代谢相关基因的结构特征和异源共表达的可能性, 以青海湖盐单胞菌Halomonas sp. QHL1为材料, 通过高效液相色谱(HPLC)分析不同盐梯度下QHL1胞内Ectoine的积聚量, 并借助于染色体步移技术(Genome walking)捕获QHL1菌株的Ectoine生物合成基因簇ectABC, 利用分子克隆技术分析ectABC基因簇的异源重组表达(E.coli BL21)。研究结果表明: 胞内Ectoine的积聚量随着培养基中Na+浓度的增加而增加, 最大积聚量为167.1 mg/g细胞干重(1.0 mol/L Na+), 但菌体生长却受到高浓度Na+的强烈抑制作用。QHL1的ectABC操纵子全长序列为3580 bp, 结构基因ectA(579 bp)、ectB(1269 bp)与ectC (390 bp)串联排列。基于生物信息学预测分析, 两个启动子(70与38因子控制)和若干未知功能的保守模序(Motifs)存在于QHL1的ect操纵子上游。构建重组表达载体pET-28-ectABC, 并在E.coli BL21中异源表达ectABC基因簇(2438 bp)。SDS-PAGE结果显示EctA、EctB和EctC分别为27.2、52.5 和 20.8 kD, 与预测结果一致, 表明ectA、ectB和ectC基因能在E. coli BL21中实现异源共表达, 为构建Ectoine合成代谢基因整合的系统代谢工程, 并实现低盐发酵控制和过量化生产提供了重要的理论基础。       

四氢嘧啶吸收缺陷突变株高效制备四氢嘧啶

【目的】为进一步提高四氢嘧啶(1,4,5,6-四氢-2-甲基-4-嘧啶羧酸;1,4,5,6-tetrahydro-2-methyl-4-pyrimidinecarboxylic acid;ectoine)合成效率,【方法】利用步移PCR方法克隆了Halomonas salina DSM 5928T四氢嘧啶特异性转运蛋白(ectoine-specific transporter;TeaABC)编码基因teaABC,Red重组技术构建了四氢嘧啶吸收缺陷突变株H.salina DSM 5928T(teaABC-)。【结果】H.salina DSM 5928T(teaABC-)10 L发酵罐的四氢嘧啶发酵,四氢嘧啶总浓度9.10(±0.08)g/L,合成效率为9.93(±0.09)g/L.d。【结论】四氢嘧啶吸收缺陷突变株H.salina DSM 5928T(teaABC-),解除了四氢嘧啶吸收对其合成的负反馈调节,从而显著提高了四氢嘧啶合成效率。     

菠菜甜菜碱醛脱氢酶基因的克隆和序列分析

以耐盐的菠菜mRNA为模板,经反转录合成甜菜碱醛脱氢酶(BADH)基因第一链cDNA。在人工合成的两端引物引导下,通过多聚酶链式反应(PCR),扩增获得双链cDNA。把重组有BADH基因的pUC19转化至E.coli DH5α菌株,亚克隆后测定了基因的全序列。所得到的BADH基因全长序列为1491bp,编码497个氨基酸。与文献报道的相比较,核苷酸序列同源性99.8％,氨基酸序列同源性达99.6％。在此基础上,构建了BADH基因的高等植物表达载体。     

Cloning and heterologous expression of ectoine biosynthesis genes from Bacillus halodurans in Escherichia coli

The genes involved in the biosynthetic pathway of ectoine (2-methyl-1,4,5,6-tetrahydropyrimidine-4-carboxylic acid) from Bacillus halodurans were cloned as an operon and expressed in E. coli. Analysis of the deduced ectoine biosynthesis cluster amino acid sequence revealed that the ectoine operon contain 2,389 bp, encoded by three genes; ectA, ectB and ectC that encode proteins of 189, 427 and 129 amino acids with deduced molecular masses of 21,048, 47,120 and 14,797 Da respectively. Extracts of induced cells showed two bands at 41 kDa and 17 kDa, possibly corresponding to the products of the later two genes. However the expression of ectA gene could not be ascertained by SDS-PAGE. The activity of the ectA protein was confirmed by an acylation assay. The transgenic E. coli accumulated upto 4.6 mg ectoine/l culture. This is the first report of an engineered E. coli strain carrying the ectoine genes of the alkaliphilic bacterium, B. halodurans.     

Ectoine, the compatible solute of Halomonas elongata, confers hyperosmotic tolerance in cultured tobacco cells

1,4,5,6-Tetrahydro-2-methyl-4-pyrimidinecarboxylic acid (ectoine) functions as a compatible osmolyte in the moderate halophile Halomonas elongata OUT30018. Ectoine is biosynthesized by three successive enzyme reactions from aspartic beta-semialdehyde. The genes encoding the enzymes involved in the biosynthesis, ectA, ectB, and ectC, encoding L-2,4-diaminobutyric acid acetyltransferase, L-2, 4-diaminobutyric acid transaminase, and L-ectoine synthase, respectively, have been previously cloned. To investigate the function of ectoine as a compatible solute in plant cells, the three genes were individually placed under the control of the cauliflower mosaic virus 35S promoter and introduced together into cultured tobacco (Nicotiana tabacum L.) cv Bright Yellow 2 (BY2) cells. The transgenic BY2 cells accumulated a small quantity of ectoine (14-79 nmol g(-1) fresh weight) and showed increased tolerance to hyperosmotic shock (900 mOsm). Furthermore, the transgenic BY2 cells exhibited a normal growth pattern even under hyperosmotic conditions (up to 530 mOsm), in which the growth of the untransformed BY2 (wild type) cells was obviously delayed. These results suggest that genetically engineered synthesis of ectoine results in the increased hyperosmotic tolerance of cultured tobacco BY2 cells despite the low level of accumulation of the solute.     

Role of Ngamma-acetyldiaminobutyrate as an enzyme stabilizer and an intermediate in the biosynthesis of hydroxyectoine.

Strain CHR63 is a salt-sensitive mutant of the moderately halophilic wild-type strain Halomonas elongata DSM 3043 that is affected in the ectoine synthase gene (ectC). This strain accumulates large amounts of Ngamma-acetyldiaminobutyrate (NADA), the precursor of ectoine (D. Cánovas, C. Vargas, F. Iglesias-Guerra, L. N. Csonka, D. Rhodes, A. Ventosa, and J. J. Nieto, J. Biol. Chem. 272:25794-25801, 1997). Hydroxyectoine, ectoine, and glucosylglycerate were also identified by nuclear magnetic resonance (NMR) as cytoplasmic organic solutes in this mutant. Accumulation of NADA, hydroxyectoine, and ectoine was osmoregulated, whereas the levels of glucosylglycerate decreased at higher salinities. The effect of the growth stage on the accumulation of solutes was also investigated. NADA was purified from strain CHR63 and was shown to protect the thermolabile enzyme rabbit muscle lactate dehydrogenase against thermal inactivation. The stabilizing effect of NADA was greater than the stabilizing effect of ectoine or potassium diaminobutyrate. A (1)H NMR analysis of the solutes accumulated by the wild-type strain and mutants CHR62 (ectA::Tn1732) and CHR63 (ectC::Tn1732) indicated that H. elongata can synthesize hydroxyectoine by two different pathways-directly from ectoine or via an alternative pathway that converts NADA into hydroxyectoine without the involvement of ectoine.     

南极深海底泥中度嗜盐菌盐单胞菌属Nj223 ectC基因的克隆表达及ectoine合成酶性质分析

从南极深海底泥中筛选得到一株中度嗜盐菌Halomonas sp.Nj223,利用PCR技术,以该菌株基因组为模板,扩增出ectC基因。将目的基因的PCR扩增产物克隆至表达载体pET-his。经酶切、PCR鉴定、测序验证结果表明,目的基因插入的位置、大小和读码框均正确,表达载体构建成功。经SDS-PAGE分析,出现预期大小的目的蛋白条带。分离纯化复性的ectoine合成酶后测定其酶活力,在体外验证了ectoine的部分生物合成途径。进一步分析了pH和温度对酶活的影响发现,该酶最适pH为8.0,最适温度为25℃。     

Functional expression of the ectoine hydroxylase gene (thpD) from Streptomyces chrysomallus in Halomonas elongata

The formation of hydroxyectoine in the industrial ectoine producer Halomonas elongata was improved by the heterologous expression of the ectoine hydroxylase gene, thpD, from Streptomyces chrysomallus. The efficient conversion of ectoine to hydroxyectoine was achieved by the concerted regulation of thpD by the H. elongata ectA promoter.