qa-3稀有密码子和mRNA结构改造及其在大肠杆菌中的高效表达

奎尼酸脱氢酶的高表达是奎尼酸生物合成的代谢工程研究的关键和基础。粗糙脉孢菌基因组中编码奎尼酸脱氢酶的基因qa-3在大肠杆菌中不表达,根据大肠杆菌密码子使用频率分析qa-3基因,发现有27个稀有密码子,其中编码Arg(R)的有8个,编码Gly(G)的有9个。编码精氨酸的AGG(AGA)两个稀有密码子紧密相连(R区),另外还有个相对比较集中的GGG密集区G区。进一步通过计算机分析其qa-3基因mRNA二级结构,发现改变5′和3′末端个别碱基对其二级结构的影响很大,可以使mRNA的自由能由野生型的-374.3kJ/mol降低到最小-80.5kJ/mol,从而大大减少mRNA两端二级结构的产生,而仅仅改变R区和G区的稀有密码子自由能变化很小。通过对该基因密码子改造和优化5′和3′末端对其mRNA二级结构的影响,在大肠杆菌中表达真菌的基因qa-3,并测到了奎尼酸脱氢酶活性,为构建产奎尼酸工程菌株奠定基础。     

L-乳酸脱氢酶基因克隆及功能分析

构建了一株产D ,L_乳酸的乳杆菌 (Lactobacillussp .)MD_1的基因文库。利用乳酸脱氢酶和丙酮酸裂解酶缺陷的EscherichiacoliFMJ14 4作为宿主 ,通过互补筛选分离克隆到乳酸脱氢酶基因 (ldhL)。核酸序列分析表明 ,该基因以ATG为起始密码子编码 316个氨基酸残基组成的蛋白质 ,预测的分子量为 33 84kD ;5′端存在典型的启动子结构 ,3′端的终止子是不依赖于 ρ因子的转录终止子。ldhL编码的蛋白质有 3个保守区域 ,其中Gly13～Asp50保守区域是NADH的结合位点 ,Asp73～Ile10 0和Asn12.3～Arg15.4保守区是酶的活性部位。该ldhL和其他乳杆菌的ldhL基因和编码的氨基酸序列相似性较低 ,核苷酸序列相似性最高仅为 64.1% ,氨基酸序列相似性最高仅为 68.9% ,是新的L_乳酸脱氢酶基因     

来源于酸热脂环酸杆菌的嗜酸性α-淀粉酶的表达研究

从嗜酸耐热的酸热脂环酸杆菌Alicyclobacillusacidocaldarius中克隆到α_淀粉酶的基因 (amy) ,该基因全长 390 3bp ,编码130 1个氨基酸 ,理论分子量约 140kD。将基因amy分别克隆到大肠杆菌E .coli表达载体pET-2.2b(+)和毕赤酵母P .pastoris表达载体pPIC9α ,并在大肠杆菌和毕赤酵母中得到了表达 ,表达产物具有淀粉酶的活性。对酵母中表达的酶蛋白AMY进行了纯化 ,并初步研究了它的酶学性质 ,它的作用最适pH3.2 ,在pH 2.5～4.6范围内 ,酶活性保留 50%以上 ,它的最适温度65℃ ,在 70℃下处理 30min ,酶活性维持50%以上 ,基本保留了天然酶蛋白的耐热性和嗜酸性。位于基因amy内部 +1174～+3288bp的基因片段amy′全长 2115bp ,编码705个氨基酸 ,在E .coli表达后依然具有淀粉酶的活性。     

稀有密码子对proUK基因在大肠杆菌中高表达的影响

AGG/AGA密码子在proUK基因中出现的频率高达2%,大肠杆菌中现有的编码tRNA UCU的argU基因不能满足proUK高表达的需要。本文研究了argU基因剂量对proUK表达的影响,结果表明带有argU基因的中等拷贝数质粒能促进proUK基因表达。     

改造稀有密码子提高SEA蛋白表达量

利用重叠PCR技术突变了sea基因上一个稀有密码子簇,将此段中稀有密码子全部更换成E.coli最常用密码子,得到sea^m。将sea和sea^m分别克隆于7ZTS表达载体上,并转化JM109（DE3）菌株。结果表明,sea基因的表达十分微弱,而sea^m基因的表达量十分高,约占菌体总蛋白的15 ％。表达产物在体内具有一定的抗肿瘤活性。     

来源于Bacillus subtilis的中性植酸酶基因的克隆及在大肠杆菌中的表达

通过PCR的方法从Bacillus subtilis基因组中克隆了中性植酸酶基因nphy,DNA全序列分析表明其结构基因全长1152个核苷酸(编码383个氨基酸),5′端有一编码26个氨基酸的信号肽序列。去除信号肽编码序列的nphy克隆到大肠杆菌IPTG诱导表达载体pTYB40上,在大肠杆菌中得到了高效表达,表达量达到大肠杆菌可溶性蛋白的40%以上,表达产物具有生物学活性,证实了克隆到的中性植酸酶的编码基因有正常的生物学功能。     

毕赤酵母的密码子用法分析

通过分析Pichia pastoris的28个蛋白编码基因的同义密码子使用情况并计算该酵母的密码子用法,首次确定出P.pastoris的19个高表达优越密码子。这些结果经与已知的Saccharomyces cerevisiae及Kluyveromyces lactis的密码子用法基本相似,但在氨基酸谷氨酸的密码子选择上截然相反,提示这可能属于P.pastoris所偏爱的密码子用法。     

大肠杆菌ppsA和tktA基因的串联表达

ppsA和tktA是芳香族氨基酸生物合成中心途径的两个关键酶基因,在大肠杆菌中,ppsA基因编码磷酸烯醇式丙酮酸合成酶A（PpsA）,该酶催化丙酮酸合成磷酸烯醇式丙酮酸;tktA基因编码转酮酶A,该酶在磷酸戊糖途径中生成4-磷酸赤藓糖起主要作用。采用PCR方法从大肠杆菌K-12株中扩增到ppsA和tktA,并实现了两基因的高效表达,其中ppsA活性提高了10.8倍,tktA活性提高了3.9倍,当这两个基因串联在一个质粒上导入大肠杆菌进行表达时,PpsA的活性变化较大（2.1～9.1倍）,TktA的活性相对稳定（3.9～4.5倍）,且这两个基因单独表达和串联表达都能使芳香族氨基酸生物合成共同途径中关键中间产物DAHP的产量提高,且串联表达比单独表达较高。     

口蹄疫病毒China/99基因组RNA序列测定及比较分析

测定了1999年我国口蹄疫流行毒株(China/99, Tibet)基因组全序列, China/99基因组RNA全长8173个核苷酸(nt), 开放阅读框含盖6999 nt, 编码2332个氨基酸的聚合蛋白. 5′和3′非翻译区(UTR)分别长1081和93 nt. China/99与12株参考株基因组序列比较发现: China/99与英国2001年流行毒、海南和西藏1999年流行毒1d基因的序列同源性高达97%以上, 均属泛亚毒株; 在牛和猪FMDV的功能未知区、p2和p3区存在较为显著的核苷酸序列差异, 3a基因最为显著; l, 1a, 1b, 2a, 2c, 3b和3d基因没有核苷酸缺失或插入现象, 属于病毒必需基因; 口蹄疫病毒S片段、功能未知区和内部核糖体进入位点(IRES)二级结构均可分为3种类型. S片段和3′UTR折叠成一个三叶草类似结构.     

豌豆乙酰羟酸还原异构酶基因结构、蛋白活性分析及其调控机制研究

用PCR方法获得了G2豌豆AAIR基因的核DNA序列, 分析表明该基因由8个内含子和9个外显子组成, 其中3个内含子带有特征性的富A/T内源启动子区. 分子杂交试验表明, 短日照条件下G2豌豆中AAIR的表达不受生殖生长的影响, 开花前后都维持较高水平的表达. 长日照条件下, 植株开花后AAIR的表达水平迅速下降. AAIR基因表达强度的变化与豌豆乙酰羟酸还原异构酶的活性变化规律相一致. 用乙酰羟酸还原异构酶缺陷型大肠杆菌做功能互补实验发现, 带有豌豆AAIR cDNA的细菌能够在缺少分枝氨基酸的M9培养基上生长, 表明该基因产物确实具有乙酰羟酸还原异构酶活性. 进一步的研究表明, 豌豆AAIR基因产物能显著提高野生型大肠杆菌合成分枝氨基酸的能力. 凝胶阻滞实验表明, AAIR基因的内含子中的富A/T区能与豌豆核蛋白提取物发生特异性结合. 该蛋白在不衰老的短日照G2豌豆顶芽中一直保持稳定表达, 但在迅速衰老的长日照豌豆顶芽中, 开花后该蛋白就迅速降低直至完全消失. 因此, AAIR基因内源启动子区与核蛋白的特异性结合可能是调控该基因表达的重要机制.     

L24突变核糖体通过翻译终止调控λN基因的表达

从翻译延伸和终止两个方面研究了大肠杆菌核糖体蛋白质L24突变抑制Lambda噬菌体N基因表达的分子机理. 结果表明: 在lacZ和GST(谷胱苷肽巯基转移酶)为报道基因的表达质粒中, 通过lacZ和GST分别与λN 融合得到lacZ-λN和GST- λN融合基因, 它们在L24突变菌株中产生的β-半乳糖苷酶和谷胱苷肽巯基转移酶的活性分别下降至野生型T83菌株的1/4和1/2左右; 改变GST- λN融合基因的翻译终止密码子附近的序列, 能使GST-融合蛋白的产量恢复到T83菌株的水平. 原因可能是L24突变核糖体参与组成的翻译终止复合物有功能上缺陷, 在翻译终止某些基因, 如λN基因时, 能使核糖体暂停在终止密码子附近, 减慢翻译终止, 影响λN基因的表达. 其中, λN 基因终止密码子上游仅2个密码子的改变可消除L24突变对λN基因表达的抑制.     

外源基因pheA,aroG和tyrB在苯丙氨酸合成途径中的共表达

利用基因工程技术提高了短杆菌的苯丙氨酸合成途径中关键酶活性,大幅度地增加了生物合成苯丙氨酸的产量。首先采用聚合酶链反应(PCR)从大肠杆菌的氟代苯丙氨酸抗性变异菌株基因组中扩增到与苯丙氨酸合成相关的aroG,pheA和tyrB 3个基因。其中aroG编码3-脱氧-2-阿拉伯庚酮糖-7-磷酸合成酶(DS),pheA编码双功能酶蛋白-分枝酸变位酶(CM)和预苯酸脱水酶(PD),tyrB编码转氨酶(AT)。设计不同的酶切位点,利用质粒pUC118的多克隆位点,将3个基因按不同的顺序组合串联,然后插入穿梭质粒pCZ.10,导入短杆菌中表达。结果表明3个大肠杆菌基因在短杆菌中能够表达。其中以aroG-pheA-tyrB顺序串联而构建的黄色短杆菌工程菌株1311-GAB中的DS酶活力提高4.5倍,CM提高4.2倍,PD提高2.7倍,AT提高3.2倍;它的苯丙氨酸合成量提高2.35倍。     

猪α1-干扰素的基因改造与高效原核表达

poIFNα1基因中含有大量的大肠杆菌稀有密码子,为了获得高表达,使用了大肠杆菌的偏爱密码子,人工合成了poIFN|α1成熟蛋白编码基因。在保留编码蛋白序列的同时,使其5′端A+T的含量增加到最大限度,并将其终止密码子改为TAA。将合成的poIFNα1成熟蛋白编码基因插入原核单纯表达载体pRLC中,转化大肠杆菌DH5α。实现了poIFNα1在大肠杆菌中的高效表达,表达产物以包涵体形式存在。纯化的包涵体经含DTT的6 mol/L盐酸胍的变性液溶解及含GSHGSSG的复性液复性处理,复性后的表达产物浓缩后经凝胶层析纯化,细胞病变抑制法测定表明,重组poIFNα1具有较高的抗病毒活性,约为6.4x10⁶u/mg。      

黑曲霉诱变株Aspergillus niger T21糖化酶产量提高的分子基础

黑曲霉Aspergillus niger T21是以A.niger AS3.795为出发株经诱变获得的糖化酶高产菌株,产量比原株提高10~17倍.Northern分析知T21的糖化酶mRNA含量约为AS3. 795的20倍,表明糖化酶基因(glaA)转录水平的提高是糖化酶产量提高的主要原因.以编码葡糖苷酸酶(GUS)的E.coli uidA为报告基因,分别与T21和AS3.795的glaA 5′调控区融合后,引入A.niger,根据转化子GUS酶活性测定结果,T21glaA 5′调控区的启动子活性是AS3.795相应启动子活性的3倍多,提示cis调控的改变是T21glaA转录水平提高的重要原因之一,但trans调控的改变是T21glaA转录水平提高的更重要的原因. 作为trans调控研究的第1步,进行了T21glaA 5′调控区的功能分析,结果表明,ATG上游-408 ~-513间的约100 bp区域与 glaA基因高水平表达相关.     

极端嗜热菌海栖热袍菌α-葡萄糖醛酸酶的高效表达和重组酶的纯化

α-葡萄糖醛酸酶作为木聚糖降解的限速酶之一,在木聚糖类半纤维素的生物转化中起着重要的作用。海栖热袍菌Thermotoga maritima是一个嗜极端高温的厌氧细菌,其产生的极耐热性酶类具有非常可观的工业应用前景。但热袍菌属Thermotoga的基因在大肠杆菌中的表达一般较困难。研究了T. maritima中的极耐热性α葡萄糖醛酸酶基因在大肠杆菌不同菌株中的表达水平及纯化技术。结果表明,稀有密码子AGA、AGG和AUA限制了该基因在大肠杆菌中的表达,在大肠杆菌BL21-CodonPlus(DE3)RIL可得到高效表达,重组蛋白表达量达20%,比酶活比野生菌株提高5倍;重组蛋白经热处理和金属Ni²⁺的亲和层析提纯后,达到了电泳纯,提纯倍数为5.1倍,收率为55.1%。对重组菌诱导表达条件的研究表明,营养丰富的TB培养基有助于重组菌的生长, 重组菌生长至OD₆₀₀为0.7～0.8时添加IPTG诱导5h后重组蛋白的表达量最高。     

地中海拟无枝菌酸菌U32中amrC/amkC基因的序列分析及在大肠杆菌中的表达

从力复霉素SV产生菌——地中海拟无枝菌酸菌(Amycolatopsis mediterranei)U32的硝酸盐同化基因簇的上游克隆了一个2.6kb的Eco-RI—XhoI DNA片段并测定其序列。序列分析表明,该DNA片段编码两个完整的开放阅读框架(ORF),ORF2的起始密码子GTG与ORF1的终止密码子TGA在TG处重叠。ORF1编码一个含224个氨基酸的多肽,它同放线菌中典型的应答调节蛋白包括AfsQ1和MtrA有很高的同源性;ORF2编码一个含472个氨基酸的蛋白,它同包括AfsQ2和MtrB在内的组氨酸激酶同源。ORF1和ORF2有可能构成典型的双组份信号传导系统,分别命名为amrC和amkC。在T7启动子的控制下,完整的amrC和去除子N端一个可能的跨膜区的amkC在大肠杆菌中分别得到了高效表达,表达蛋白的分子量分别为30kD和46kD,与推测蛋白的分子量一致。     

力复霉素产生菌地中海拟无枝菌酸菌U32丙氨酸脱氢酶基因克隆及表达

丙氨酸脱氢酶(EC1411)可逆催化丙氨酸脱氨生成丙酮酸和NADH。它是生物体内的氨基酸代谢和氨同化途径的关键酶。在地中海拟无枝菌酸菌(Amycolatopsis mediterranei)U32中,丙氨酸脱氢酶的活力与力复霉素的生物合成有负相关现象,其活力受KNO3全局效应的调控。根据结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis)和天蓝链霉菌(Streptomyces coelicolor)的丙氨酸脱氢酶氨基酸的保守序列和地中海拟无枝菌酸菌U32对氨基酸密码子的使用偏好,设计一对简并PCR引物。以此引物从地中海拟无枝菌酸菌U32中扩增到一555bp的片段,并以此片段为探针从地中海拟无枝菌酸菌U32 基因组cosmid文库中成功的克隆到了丙氨酸脱氢酶结构基因(ald)。它编码了一个371个氨基酸的蛋白质,基因的GC含量为72.5％,符合链霉菌的基因结构特征。在起始密码子的上游6个碱基处,有一典型的链霉菌核糖体结合位点(RBS)：AGGAGG,第75位的氨基酸为赖氨酸,是丙酮酸结合位点。以pET28b为载体,在E.coli BL21(DE3)中高效表达了ald基因。用IPTG在22℃时诱导得到的丙氨酸脱氢酶活力最高。用HisTag柱纯化了表达的丙氨酸脱氢酶。酶学性质研究表明该酶专一性以LAla和NAD(H)为底物。     

青花菜雄性不育相关基因BoDHAR的克隆与表达分析

以一个与甘蓝显性核不育相关的差异表达片段的序列为信息探针,通过在NCBI与TAIR网站数据库中进行同源EST序列搜索,经人工拼接、RT-PCR、PCR 克隆与序列分析,获得了青花菜脱氢抗坏血酸还原酶DHAR dehydroascorbate reductase 基因的 cDNA 与 DNA 全长序列,命名为BoDHAR。并利用双链接头介导 PCR 的染色体步行技术（genome walking）克隆了其上游 644bp 的5′端序列。所获的BoDHAR基因全长 1486bp,存在两个内含子,DNA 编码区序列633bp,编码210个氨基酸;序列分析表明：BoDHAR与同源基因AT1G195701cDNA 序列有 82.3% 的一致性,推导的氨基酸序列有 79.6% 的一致性;编码的水溶性蛋白存在多个磷酸化位点;5′端上游区存在明显的转录调控序列。半定量RT-PCR结果表明：BoDHAR 在可育系花蕾中的表达量明显高于不育系花蕾,在花药中的表达明显高于其它部位。     

携带SHV类超广谱β-内酰胺酶的吉戈菲肠杆菌北京株的研究

用接合转移的遗传学方法证实了临床分离菌株吉戈菲肠杆菌(Enterobactergergoviae)3773含有一约60kb的可转移质粒,又用测耐药表型、酶水解率及基因片段杂交等方法证实了该质粒上有一编码产生超广谱β-内酰胺酶(Esbla)的基因.其大肠杆菌接合子除了头霉甲氧塞吩(cefoxitin)和亚胺硫霉素(imipenem)外,几乎对所有测定的β-内酰胺类药物都表现耐药,β-内酰胺酸抑制剂——棒酸(clavulanate)可抑制此Esbla的活性.携带此Esbla基因的质粒的一片段可与SHV-1的一结构基因片段杂交,说明此酶是SHV类的Esbla.     

大肠杆菌ptsG基因敲除及其缺陷株生长特性研究

在大肠杆菌磷酸转移酶系统中,葡萄糖主要由ptsG基因编码的酶ⅡCB^Glc转运入细胞。利用代谢工程技术构建ptsG基因缺陷株,有望降低葡萄糖的摄取速率,减少乙酸累积,促进菌体生长。运用PCR技术,扩增出两翼与ptsG基因上下游序列同源,中间为氯霉素抗性基因的DNA片段。经电转化,将外源DNA片段分别转入Escherichia coli DH5α、JM109中。在Red重组酶的作用下,外源DNA片段与染色体上同源区域重组,将基因ptsG敲除,构建ptsG基因缺陷株DH5αP、JM109P。在LB培养基中,ptsG基因缺陷株的生长状况与亲株无明显差异。在含有葡萄糖的LB培养基中,DH5αP、JM109P的最高菌密度分别是对照菌株DH5α、JM109的3.47倍和4.25倍,ptsG基因缺陷株对葡萄糖的摄入量也明显高于对照菌株。重组蛋白肿瘤坏死因子（TNF）在DH5αP、JM109P中的表达量分别占全菌蛋白的24.3%、20.8%,A600分别为8.28、7.62,TNF在缺陷株中单位体积的表达量明显高于对照菌株。以上结果说明,大肠杆菌ptsG基因缺陷株具有良好的生长能力和表达外源蛋白的能力,在大肠杆菌高密度发酵研究方面具有良好的应用前景。