CRISPR-Cas9系统介导的工业酵母营养缺陷型菌株构建

以组氨酸营养缺陷型菌株构建为例,在前期分离、诱变和筛选得到的安琪酵母工业菌株衍生菌株K-a中试用CRISPR-Cas9系统进行基因修饰。针对菌株K-a为单倍体、ura3和对潮霉素B敏感的特点,构建了以URA3为选择标记的Cas9表达载体YCplac33-Cas9、以hph NT1为选择标记的gRNA表达载体pRS42H-gHIS1,使用PCR方法合成donor DNA片段。使用醋酸锂法制备感受态细胞K-a (YCplac33-Cas9)、将pRS42H-gHIS1和donor DNA共转化,涂布(CMG~(-URA)+300μg/ml潮霉素B)平板,经表型筛选和PCR产物测序证明筛选平板生长菌落为目的转化子K-a (his1)的比例为74. 4%,初步建立了适于利用CRISPR/Cas 9系统进行基因修饰的工业菌株宿主平台和相应的简便、快速进行基因修饰的操作技术流程。     

CRISPR-Cas9系统在疾病模型中的应用

规律成簇间隔短回文重复（CRISPR）及相关核酸内切酶（Cas）系统是最近发现的一种关于RNA指导核酸内切酶的基因编辑技术,这一技术的发现促进了生物学和医学研究的发展。CRISPR-Cas9系统的简便性使其广泛应用于细胞基因组编辑、动物模型的构建及疾病模型的基因治疗。现就CRISPR-Cas9系统的结构特点、作用机制及应用进行了综述。     

嗜热链球菌CRISPR-Cas系统的检测

【目的】CRISPR-Cas系统为嗜热链球菌抵抗噬菌体等外源基因元件提供获得性免疫,分析NCBI中已公开发表全基因组序列的9株嗜热链球菌所含CRISPR-Cas系统的数目和类型,对实验室相应菌株的CRISPR-Cas系统进行检测。【方法】利用生物信息学方法对NCBI中9株已测序嗜热链球菌所含CRISPR-Cas系统进行分析,根据其Cas基因序列设计引物,对实验室嗜热链球菌菌株的Cas基因进行扩增、测序,分析实验室6株嗜热链球菌的CRISPR-Cas系统情况。【结果】9株标准菌株均含不同数目的CRISPR-Cas系统,其类型主要为Ⅱ-A型、Ⅲ-A型和Ⅰ-E型,各类型的标志Cas基因高度保守。6株供试菌中,S4仅含Cas9基因,其它5株均含有Cas9基因、Cas10基因和Cas9*基因,79和KLDS3.0207还含有Cas3基因。【结论】可根据标准菌株高度保守的Cas基因设计引物,预测未知嗜热链球菌所含CRISPRCas系统的数目和类型。S4仅含1个Ⅱ-A型CRISPR-Cas系统,其它5株均含有2个Ⅱ-A型CRISPR-Cas系统和1个Ⅲ-A型CRISPR-Cas系统,此外,79和KLDS3.0207均含有1个Ⅰ-E型CRISPR-Cas系统。     

古菌Pyrococcus furiosus嗜热α-淀粉酶基因在酿酒酵母中的表达*

用PCR方法从嗜热古菌Pyrococcusfuriosus的基因组DNA中扩增出胞外α 淀粉酶成熟肽结构基因 ,插入 pUC19中构建成质粒 pUC19 amy。将 pUC19 amy外源片段接入酿酒酵母表达载体 pYX2 12多克隆位点 ,构建成载体 pYX2 12 amy ,电转化酿酒酵母W 30 3 1A。转化子成功表达出有活性的高嗜热α 淀粉酶。重组酶具有与P. furiosus产生的胞外α 淀粉酶相似的酶学性质 :最适 pH为 5 0 ,最适温度约为 90℃ ,在 12 1℃下热处     

在钙离子敏感性方面与RCH1遗传互作的酿酒酵母基因的筛选

酿酒酵母ScRCH1是白念珠菌CaRCH1的同功基因,作为人体溶质转运蛋白SLC10A7的同源蛋白,两者都是细胞质膜上钙离子内流的抑制因子。为了研究酿酒酵母RCH1与基因组中其他基因之间的遗传互作,利用合成遗传阵列(Synthetic Genetic Array,SGA)方法构建了RCH1分别与其他非必需基因之间的双基因缺失株文库。钙离子表型筛选表明RCH1与17个基因之间存在遗传互作,其中4个基因BUD9、THR1、RAS2和CPR7在钙离子敏感性方面的功能以前没有报道过。这些结果为深入研究Rch1对钙离子稳态的调控提供了参考。     

基于内源III-B型CRISPR-Cas系统构建超嗜热火球菌Pyrococcus yayanosii A1的基因敲降系统

【目的】亚氏火球菌(Pyrococcusyayanosii)A1菌株的最适生长温度为98°C,最适生长压力为5.2×104Pa,是研究此类严格厌氧、超嗜热和兼性嗜压古菌的环境适应性机制的良好材料。本研究基于P. yayanosii A1基因组中III-B型CRISPR-Cas系统,旨在建立可应用于此类古菌的基因表达敲降系统(geneknock-downsystem)。【方法】人工构建的mini-CRISPR簇,由内源性CRISPR簇Group1的重复序列(repeats)和待敲降的淀粉酶基因(PYCH_13690)中的原间隔序列(protospacer)组成。将该mini-CRISPR簇插入到具有辛伐他汀抗性的穿梭载体p LMOShhp中,使之转录与目的基因m RNA匹配的cr RNA,引导Cmr复合物对其进行切割。【结果】使用高静水压(HHP)诱导型启动子Phhp诱导mini-CRISPR簇表达时,淀粉酶基因的m RNA数量在5.2×104Pa静水压时下调到原来的67.05%,在1.0×102Pa静水压时下调为原来的49.69%;而使用组成型启动子Phmtb诱导mini-CRISPR簇表达时,淀粉酶基因的m RNA数量在5.2×104Pa静水压时下调为原来的58.48%,在1.0×102Pa静水压时下调为原来的23.97%。使用鲁戈氏碘液显色法对这两类基因表达敲降突变菌株的培养物中残留的淀粉含量进行分析,结果显示突变菌株的淀粉降解能力明显降低。【结论】在P. yayanosii A1中建立了基于内源Ⅲ-B型CRISPR-Cas系统的基因敲降系统,可以用于抑制此类超嗜热嗜压古菌体内基因的表达。     

CRISPR/Cas9介导靶向敲除拟南芥GGB基因突变体的鉴定

GGB是抗旱负调控基因。为了获得拟南芥ggb突变体材料,构建了以拟南芥U6启动子驱动GGB sgRNA的CRISPR/Cas9基因组编辑载体。将构建好的编辑载体利用农杆菌介导的浸花法转化野生型拟南芥。对转基因后代GGB基因的测序结果分析发现,在靶位点处有缺失4个碱基和增加1个T碱基的2种突变体产生。分别对野生型拟南芥和上述2种ggb突变体进行半定量RT PCR分析结果显示,突变体材料中几乎检测不到GGB基因表达,说明获得了GGB基因敲除突变体。对野生型和ggb突变体叶片失水率、耐旱表型及单株种子量的测定结果表明,与野生型相比,拟南芥GGB基因突变后,叶片失水率显著减少,抗旱性明显增强,而单株种子量却并没有改变。研究表明,GGB是一种理想的作物分子育种的候选靶基因,获得的突变体为今后从农作物中克隆的GGB同源基因进行功能互补验证提供了有用的遗传材料。     

RTSV和Glh在药用野生稻中的物理定位

药用野生稻具有多种抗病虫性,是水稻品种改良重要的种质资源之一.本研究采用与栽培稻遗传图第4连锁群中与RTSV和Glh紧密连锁的RFLP标记RZ262及其筛选出来的BAC克隆作探针,对药用野生稻进行荧光原位杂交,供试探针均被定位于药用野生稻第4染色体短臂的中部,百分距分别为74.86±3.72和73.98±4.44,信号检出率为7.6%和45.1%.BAC克隆和RFLP标记探针杂交位置几乎一致,说明在栽培稻和野生稻中RFLP标记RZ262都存在同一BAC克隆的大插入片段中,药用野生稻与抗性基因RTSV和Glh的同源顺序就在第4染色体信号出现的相应位置,从而为作物育种开发和利用野生资源的抗性基因提供了理论依据.     

基于CRISPR/Cas9系统构建绵羊VASA基因敲入载体及验证

本研究旨在探索VASA基因在绵羊睾丸发育中的表达变化,并通过构建VASA基因敲入载体,为下一步进行绵羊生殖细胞体外诱导分化研究提供基础。采集性成熟前后即3月龄（3-month-old,3M）和9月龄（9-month-old,9M）绵羊睾丸组织,利用实时荧光定量PCR （quantitative real-time PCR,qPCR）和Western blotting技术分析VASA基因的差异表达,并利用免疫组织化学技术对VASA基因的表达定位进行分析。设计靶向VASA基因的向导RNA （guide RNA,gRNA）,并构建同源重组载体,进行质粒转染绵羊耳成纤维细胞。结合CRISPR/dCas9技术对VASA基因进行激活,进一步验证载体效率。结果表明,VASA基因随着绵羊睾丸发育,表达水平极显著增加（P<0.01）,且主要定位在精母细胞和圆形精子细胞中。利用CRISPR/Cas9系统构建了VASA基因敲入载体,联合pEGFP-PGK puro-VASA载体转染耳成纤维细胞,CRISPR/dCas9系统激活后,耳成纤维细胞成功表达VASA基因。结果提示,VASA基因在绵羊睾丸发育和精子发生中发挥潜在功能,且通过CRISPR/Cas9系统可在体外构建VASA基因敲入载体,为下一步探究VASA基因对绵羊雄性生殖细胞的发育和分化提供有效的研究手段。     

铁皮石斛泛素结合酶DoUBC9的克隆鉴定与表达分析

目的:本研究旨在探讨泛素结合酶UBC9在铁皮石斛原球茎发育过程中的分子机制,方法:利用生物信息学手段,从已获得的铁皮石斛基因组中鉴定出UBC9基因,命名为DoUBC9,并利用RACE技术,克隆出DoUBC9 3’端,通过与基因组序列拼接,获得完整序列。结果:本研究首次从铁皮石斛基因组中运用生物信息学的方法,鉴定出DoUBC9,并通过RACE技术克隆后拼接,得到完整的DoUBC9,基因全长为7176bp,CDS长为447bp,共编码148个氨基酸。亚细胞定位预测结果表明,DoUBC9大概率分布于分泌囊泡和质膜上。序列比对和进化树分析表明,铁皮石斛Do UBC9和其他物种中的UBC9拥有高度保守的UBCc结构域,进化关系高度保守。qRT-PCR分析表明,在不同组织部位中,DoUBC9在愈伤组织中的表达量最高、叶中表达量最小;在原球茎发育过程中,在P1时期具有最高表达量,其他各时期表达量较小,表明该基因可能促进了植物体的细胞快速分裂与生长。结论:通过分子建模方式,首次构建出DoUBC9蛋白的基本模型,并通过不同的评价方式确定了以人泛素结合酶E2 H结构(2Z5D)为模板的为最优模型。     

Plasmid stability in recombinant Saccharomyces cerevisiae

Because of many advantages, the yeast Saccharomyces cerevisiae is increasingly being employed for expression of recombinant proteins. Usually, hybrid plasmids (shuttle vectors) are employed as carriers to introduce the foreign DNA into the yeast host. Unfortunately, the transformed host often suffers from some kind of instability, tending to lose or alter the foreign plasmid. Construction of stable plasmids, and maintenance of stable expression during extended culture, are some of the major challenges facing commercial production of recombinant proteins. This review examines the factors that affect plasmid stability at the gene, cell, and engineering levels. Strategies for overcoming plasmid loss, and the models for predicting plasmid instability, are discussed. The focus is on S. cerevisiae, but where relevant, examples from the better studied Escherichia coli system are discussed. Compared to free suspension culture, immobilization of cells is particularly effective in improving plasmid retention, hence, immobilized systems are examined in some detail. Immobilized cell systems combine high cell concentrations with enhanced productivity of the recombinant product, thereby offering a potentially attractive production method, particularly when nonselective media are used. Understanding of the stabilizing mechanisms is a prerequisite to any substantial commercial exploitation and improvement of immobilized cell systems.     

酵母Sirtuins在细胞寿命中的作用

酿酒酵母(以下简略为酵母)作为寿命分析模型广泛应用于寿命研究领域。酵母寿命分析方法有两种,分别是复制型酵母寿命分析法和时序型酵母寿命分析法。目前,通过酵母寿命分析模型已识别出包括SIR2在内的多个寿命调节基因。SIR2是目前较好的被确立起来的寿命调节基因,具有NAD依赖型脱乙酰化酶的活性,从原核生物到真核生物都有良好的保守性。Sirtuins (Sir2蛋白家族的总称)在细胞内具有功能上的多样性,其中包括对于压力耐受的调节、基因转录的调节、代谢通路的调节以及寿命调节作用等。Sir2是Sirtuins家族最早发现的成员,其功能是参与异染色质结构域转录的沉默调节,同时还参与复制型酵母寿命的调节。已证明,SIR2的缺失会缩短酵母的寿命,基因表达的增高会延长寿命。Sir2的高等真核生物的同源蛋白也被证实参与衰老相关疾病的调节。本文中,我们将阐述Sir2以及Sir2的酵母同源蛋白Hst1-Hst4的功能,以及由它们调节的酵母寿命。     

双孢蘑菇酪氨酸酶基因在酿酒酵母中的异源表达及其酶学特性

【目的】在酿酒酵母中异源表达双孢蘑菇来源的酪氨酸酶基因PPO2,并研究酪氨酸酶在酿酒酵母胞内及胞外的酶学特性。【方法】提取双孢蘑菇总RNA,通过RT-PCR克隆酪氨酸酶基因PPO2,构建表达载体pSP-G1-PPO2,并转化至酿酒酵母进行表达,采用镍亲和层析纯化蛋白并研究其酶学性质。【结果】在酿酒酵母中正确表达了大小为65 kDa的酪氨酸酶蛋白。重组酶能催化底物酪氨酸产生黑色素。体外活性测定表明,酪氨酸酶催化最适温度为45°C,以酪氨酸和多巴为底物时最适pH分别为7.0和8.0。在酿酒酵母中测得底物酪氨酸浓度低于2.5 mg/mL时,黑色素的产量与底物浓度呈现正相关性。【结论】来源于双孢蘑菇的酪氨酸酶基因PPO2在酿酒酵母中成功表达,重组酶具有良好的酶学特性。利用酪氨酸酶产物黑色素的产量与底物浓度呈现正相关性这一特性,可将其作为细胞酪氨酸产量的传感器,为高通量筛选酪氨酸高产菌株提供了思路。     

Crabtree-negative characteristics of recombinant xylose-utilizing Saccharomyces cerevisiae

For recombinant xylose-utilizing Saccharomyces cerevisiae, ethanol yield and productivity is substantially lower on xylose than on glucose. In contrast to glucose, xylose is a novel substrate for S. cerevisiae and it is not known how this substrate is recognized on a molecular level. Failure to activate appropriate genes during xylose-utilization has the potential to result in sub-optimal metabolism and decreased substrate uptake. Certain differences in fermentative performance between the two substrates have thus been ascribed to variations in regulatory response. In this study differences in substrate utilization of glucose and xylose was analyzed in the recombinant S. cerevisiae strain TMB3400. Continuous cultures were performed with glucose and xylose under carbon- and nitrogen-limited conditions. Whereas biomass yield and substrate uptake rate were similar during carbon-limited conditions, the metabolic profile was highly substrate dependent under nitrogen-limited conditions. While glycerol production occurred in both cases, ethanol production was only observed for glucose cultures. Addition of acetate and 2-deoxyglucose pulses to a xylose-limited culture was able to stimulate transient overflow metabolism and ethanol production. Application of glucose pulses enhanced xylose uptake rate under restricted co-substrate concentrations. Results are discussed in relation to regulation of sugar metabolism in Crabtree-positive and -negative yeast.     

酿酒酵母SRP40基因对细胞耐受性影响的研究

【目的】本论文研究酿酒酵母srp40³⁹突变基因对酵母细胞异丁醇耐受性的影响。【方法】首先,以酿酒酵母野生型W303-1A和突变株EMS39染色体DNA为模板克隆野生型SRP40基因和srp40³⁹突变基因;然后,将野生型SRP40基因和srp40³⁹突变基因分别连接到质粒YCplac22上,构建质粒YCplac22-SRP40和YCplac22-srp40³⁹。将质粒YCplac22-SRP40、YCplac22-srp40³⁹以及YCplac22空质粒分别转化入野生型酿酒酵母W303-1A中,分别得到W303-1A-SRP40工程菌、W303-1A-srp40³⁹工程菌和W303-1A-control工程菌。将3株工程菌分别置于含1.0%异丁醇、1.3%异丁醇、8.0%乙醇和0.5%异戊醇的CM培养基中进行发酵,测定细胞密度(OD₆₀₀)和生长情况,并计算2–10 h的比生长速率（μ）。将3株工程菌于55°C热激4 min后做稀释...     

代谢工程改造酿酒酵母合成植物萜类D-柠檬烯的策略

植物萜类化合物是以异戊二烯为结构单位的一大类植物天然的次生代谢产物。D-柠檬烯属于单萜类化合物,由于它具有抑菌、增香、抗癌、止咳、平喘等多种功能,已被广泛应用于食品、香料、医疗等行业。目前D-柠檬烯的工业生产主要是从植物的果皮或者果肉中提取的,但提取方法存在着分离纯化复杂、产率低、能耗大等缺点。而本世纪初合成生物学技术的兴起,为微生物异源合成天然活性化合物带来了全新的理念与工具,打破了物种间的界限,使微生物异源合成D-柠檬烯成为现实。构建定向、高效的异源合成D-柠檬烯的微生物细胞工厂,实现微生物发酵法替换传统的植物提取法,具有重要的经济与社会效益。本文主要回顾了近几年利用代谢工程改造酿酒酵母异源合成萜类化合物取得的成就,阐述了以酿酒酵母作为底盘微生物,利用代谢工程和合成生物学的手段构建高产D-柠檬烯的合成策略。     

Diaminotoluenes induce intrachromosomal recombination and free radicals in Saccharomyces cerevisiae

The carcinogenicity of aniline-based aromatic amines is poorly reflected by their activity in short-term mutagenicity assays such as the Salmonella typhimurium reverse mutation (Ames) assay. More information about the mechanism of action of such carcinogens is needed. Here we report the effects on DEL recombination in Saccharomyces cerevisiae of the carcinogen 2,4-diaminotoluene and its structural isomer 2,6-diaminotoluene, which is reported to be non-carcinogenic. Both compounds are detected as equally mutagenic in the Salmonella assay. In the absence of any external metabolizing system both compounds were recombinagenic in the DEL assay, with the carcinogen being a more potent inducer of deletions than the non-carcinogen. In the presence of Aroclor-induced rat liver S9, however, the carcinogen 2,4-diaminotoluene became a 2-fold more potent inducer of deletions, and the non-carcinogen 2,6-diaminotoluene was rendered less toxic and no induced recombination was observed. 2,4-Diaminotoluene is distinguished from its non-carcinogen analog in the DEL assay, therefore, on the basis of a preferential activation of the carcinogen in the presence of a rat liver microsomal metabolizing system. Free radical species are produced by several carcinogens and have been implicated in carcinogenesis. We further investigated whether exposure of yeast to either 2,4-diaminotoluene or 2,6-diaminotoluene resulted in a rise in intracellular free radical species. The effects of the free radical scavenger N-acetylcysteine on toxicity and recombination induced by the two compounds and intracellular oxidation of the free radical-sensitive reporter compound dichlorofluorescin diacetate were studied. Both 2,4- and 2,6-diaminotoluene produced free radical species in yeast, indicating that the reason for the differential activity of the compounds for induced deletions is not reflected in any difference in the production of free radical species.     

高效合成葡萄糖二酸酿酒酵母工程菌的构建

葡萄糖二酸是天然存在的一种重要二元酸,其在医疗保健和化工工业等领域具有很高的实际应用价值,因此被称为"最具价值的生物炼制产品之一".以酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)为底盘微生物,文中考察了过量表达肌醇转运蛋白Itr1、融合表达肌醇加氧酶和葡萄糖醛酸脱氢酶以及弱化表达葡萄糖6-磷酸脱氢酶基因...