glmS核糖开关研究进展

glmS核酶是存在于革兰氏阳性细菌中,对葡糖胺-6-磷酸(GlcN6P)的合成起反馈抑制作用的核糖开关。同时,glmS核糖开关是一种位于glmS基因5′非翻译区的自剪切核酶。glmS核糖开关/核酶通过结合GlcN6P后自剪切抑制下游基因glmS的表达。对glmS核糖开关结构和功能的研究将有助于开发新的抗生素作用靶点。本文对glmS核糖开关的结构和功能进行阐述并介绍glmS核糖开关近年来的研究进展和应用。     

从碳代谢流角度新解代谢工程策略

代谢工程通过改造微生物代谢过程,进而利用微生物生产各种有用的医药、化学产品及工业原料.本文从细胞代谢中碳代谢流的角度入手,将代谢工程的传统与新型策略进行分类解析.其中,传统代谢工程手段主要对目标代谢路径的关键酶进行改造,通过过表达或基因敲除增大目的代谢路径碳代谢流.然而,在代谢路径改造需要进行多基因表达的情况下,传统手段在如何最佳表达多种酶使碳流通畅上会受到很大限制.本文提出利用高碳流路径,通过简单基因改造以获得高效目标产物生产的新策略.同时,随着合成生物学与系统生物学的发展,精细调控多基因表达成为可能.本文进一步举例讨论了代谢工程中粗略与精细调控基因表达水平对碳流的影响,以期对教学与前沿科研有助.     

茶碱激活型RNA分子开关的构建及在枯草芽胞杆菌中调节外源基因表达的性能

枯草芽胞杆菌Bacillussubtilis在工业生物技术以及合成生物学领域作为一种重要的微生物可广泛用作代谢工程、重组蛋白表达以及新型基因电路的底盘。在B. subtilis中构建基于非编码RNA的高精准调节元件,能够实现不依赖蛋白质因子的基因表达调控,丰富B.subtilis基因表达通用工具。通过基因工程手段,设计了基于茶碱适体域的核糖开关E和适体核酶AZ调节元件,并与不同的B.subtilis内源组成型启动子适配,构建出茶碱激活型基因表达控制元件。测定这两种调节元件与6种组成型启动子组合匹配下报告基因GFP的荧光强度,鉴定并分析各调控元件的工作性能。并进一步以红色荧光蛋白mCherry和普鲁兰酶两种不同的异源蛋白验证核糖开关或适体核酶与启动子的最优组合。结果表明,同一种RNA调节元件与不同启动子组合呈现不同水平的调控效率。在核糖开关与启动子的组合中,启动子PsigW和核糖开关E组合(sigWE)对GFP表达的诱导率最高,达到16.8。在适体核酶与启动子的组合中,AZ与启动子P43、PrpoB组合(P43AZ和rpoBAZ)的诱导率最高,分别达到了6.1和6.2。进一步验证结果显示,sigWE调控mCherry的诱导率最高(9.2),而P43E调控普鲁兰酶的诱导率最高(32.8),产酶水平达到了81U/mL。核糖开关和适体核酶对GFP、mCherry、普鲁兰酶均能实现调控,但是不同元件组合的调控性能有所差异,对不同基因的调控效果也不尽相同。     

核糖开关的研究及应用

核糖开关是一类自然界中天然存在的适配子,通过结合小分子代谢物调控基因的表达。它位于特定的mRNA非编码区,可以不依赖任何蛋白质因子而直接结合代谢物并发生构象变化,在转录和翻译水平上参与调控生物的基本代谢途径。目前已知核糖开关不仅广泛存在于细菌的代谢相关基因中,还存在于某些真菌和植物中。对核糖开关的深入研究将为基因功能研究、生物传感器研发以及新型抗菌药物开发等提供新的途径。     

里氏木霉Set2通过调控转录因子Ypr1的表达进而控制sorbicillinoids的生物合成

【目的】Sorbicillinoids是里氏木霉合成的一类重要的天然活性物质,具有抗肿瘤、抗氧化及抗病毒等多种生物活性。本研究主要是为了阐明TrSet2在里氏木霉sorbicillinoids合成调控过程中的生物学功能及其作用机制。【方法】基于生物信息分析技术鉴定里氏木霉TrSet2编码基因。采用基因敲除和过表达手段,分别构建Trset2基因敲除和过表达菌株并评估其sorbicillinoids合成能力。同时在Trset2基因敲除菌株中,过表达转录激活因子Ypr1,明确TrSet2和Ypr1之间的调控关系。【结果】Trset2基因敲除菌株完全丧失了合成sorbicillinoids的能力。相反,过表达Trset2导致sorbicillinoids合成的水平显著增加。进一步研究发现,在Trset2基因敲除菌株中过表达转录激活因子Ypr1逆转了其不能合成sorbicillinoids的表型。【结论】本研究明确了TrSet2在里氏木霉合成sorbicillinoids过程中的正向调控作用,其作用机制是通过控制转录因子Ypr1的表达水平实现的。这为基于调控机理控制里氏木霉发酵过程中sorbic...     

核糖开关的结构和调控机理

一种新发现的RNA分子——核糖开关,通过感知代谢物浓度的变化调控目标基因的表达。它可以调整自身的结构直接结合代谢物小分子,而不需要蛋白因子的参与。在原核生物中发现了大量的核糖开关,在真核生物如植物和真菌中也发现了核糖开关。核糖开关由适体域和表达平台两个功能域组成,能在不同水平调控基因的表达,如转录终止、翻译起始、mRNA剪辑和加工。核糖开关不需要蛋白因子的参与,因此人们认为它可能是古代RNA世界的遗留物。核糖开关作为RNA传感器可以设计成一种基因控制元件,在未来的基因治疗方面可能具有很大的应用前景。     

代谢工程方法改造大肠杆菌生产胸苷

胸苷是抗艾滋病药物司他夫定(3′-脱氧-2′,3′-双脱氢胸苷)和叠氮胸苷的重要前体物质。应用代谢工程方法对大肠杆菌Escherichia coli BL21(DE3)生物合成胸苷进行了研究。通过敲除E.coli BL21嘧啶回补途径的deo A、tdk和udp三个基因,BS03工程菌株能够积累21.6 mg/L胸苷。为了增加合成胸苷前体物核糖-5-磷酸和NADPH的供给,进一步敲除pgi和pyr L使工程菌BS05胸苷的产量提高到90.5 mg/L。而通过过表达胸苷合成途径的ush A、thy A、dut、ndk、nrd A和nrd B六个基因,菌株BS08胸苷的产量能达到272 mg/L。通过分批补料发酵,BS08最终可以积累1 248.8 mg/L的胸苷。本研究结果表明经过代谢工程改造的E.coli BL21具有良好的胸苷合成能力和应用潜力。     

原核启动子文库构建的研究进展

启动子是在转录水平上调节基因表达的关键元件，启动子文库广泛应用在代谢工程和合成生物学专业中，主要用于调节基因表达和优化代谢物生物合成。运用启动子对多基因通路中的基因表达进行合理和精确控制，可显著影响代谢通量分布，优化特定目标代谢物的合成。因此，国内外已有大量关于鉴定天然启动子，构建和设计组成型、诱导型、杂交启动子或人工合成启动子文库的研究。文章简要介绍原核启动子的结构和功能，对基于生物信息学的启动子预测和识别及人工构建启动子文库策略的最新进展进行了归纳总结，以期为原核微生物的代谢工程和合成生物学应用提供帮助。     

核糖核酸调节子的构建与即时检测中的应用*

合成生物学专注于可重复利用模块和元件的工程化设计,并在生物系统中表现出良好的行为和功能。在无细胞蛋白表达系统中,核糖核酸调节子作为即时检测中的重要传感元件,通过靶标分子的诱导使其自身结构发生变化,进而调控下游基因的表达。系统介绍不同类型的核糖核酸调节子及其作用原理,包括一代核糖核酸调节子、toehold开关、功能拓展的核糖核酸调节子和核糖开关。详细阐明构建核糖核酸调节子的设计-测试-分析过程:计算机辅助设计、基因表达测试和结构功能化分析。汇总基于核糖核酸调节子的体外即时检测应用,重点总结toehold开关介导的病原菌核酸检测和核糖开关参与的小分子检测。讨论当前无细胞即时检测的特点、挑战和发展趋势,为开发新型核糖核酸调节子和即时检测工具提供思路和参考。     

工业微生物代谢途径调控的基因敲除策略

基因敲除技术是一项重要的分子生物学技术,在工业微生物代谢工程中具有广泛应用。以下从基因敲除技术的遗传重组原理出发,总结了基因敲除策略的类型、特征和应用,重点介绍了采用线性双链DNA的λRed同源重组系统、使用环状质粒载体介导的单交换或双交换同源重组策略以及采用转座酶介导的转座重组等几种主要的基因敲除方法,进一步展望了基因敲除技术的发展前沿和应用前景。     

基因组装技术在合成生物学中的应用

基因组装技术是合成生物学领域近年来发展起来的新型技术。它基于大规模基因组数据分析,发现新型的或隐藏的生物活性物质合成基因簇。利用基因组装技术,可提高或激活沉默的生物合成基因簇在微生物中的表达,从而合成潜在的、有价值的生物活性物质。本文旨在阐明最新的体内和体外基因组装技术的设计原理、关键策略及其应用。基因组装技术是合成生物学、代谢工程和功能基因组学研究的重要工具,对生物活性物质的高效生产及合成具有重要意义。     

启动子的选择及优化在酿酒酵母代谢工程中的应用

酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)作为最简单的真核模式生物被广泛应用于生命科学的各项研究中。目前,大多数天然产物的主要生产途径是从原材料中直接提取,该方法效率较低,同时消耗了大量的生物资源,已逐渐被新兴的合成生物学方法所取代。其中通过改造酿酒酵母自身的代谢途径并加入异源代谢途径生产目标天然产物已成为一种高效的资源获取途径。通过对外源基因启动子的优化及改造,调控外源基因在宿主中的表达水平,从而协调宿主自身代谢途径,定向合成目的代谢产物是酵母合成生物学和代谢工程的研究热点。从构建酿酒酵母合成天然产物过程中启动子结构、类型及优化表达的方法进行了综述,为相关研究者利用酿酒酵母作为底盘细胞进行合成生物学的研究提供参考。     

防御假单胞菌H78中sRNA基因crcY/Z正调控藤黄绿菌素合成

防御假单胞菌(Pseudomonas protegens) H78能产生藤黄绿菌素(pyoluteorin, Plt)等多种广谱抗生素,这些抗生素的合成存在复杂的调控机制与网络。本研究旨在研究H78菌株碳分解代谢阻遏调控系统(Cbr/Crc)中两个同源小RNA (small RNA, sRNA)基因crcY和crcZ对Plt合成的调控机制。首先,利用无痕敲除方法构建crcY/Z双基因敲除突变体,发酵分析结果显示crcY/Z双敲除使H78菌株几乎完全丧失Plt的合成;其次,基因互补实验证实crcY或crcZ基因的外源互补能恢复crcY/Z双敲除突变体的Plt合成;最后,利用lacZ报告基因分析技术进一步证实crcY/Z双突变使Plt合成操纵子pltLABCDEFG的表达显著降低。结果表明：防御假单胞菌sRNA基因crcY/Z对Plt合成及基因表达存在显著的正调控作用。本研究将为进一步阐明Plt合成的调控网络及通过代谢工程提高Plt产量奠定基础。     

酿酒酵母代谢工程技术

自20世纪90年代初期诞生以来,代谢工程历经了30年的快速发展。作为代谢工程的首选底盘细胞之一,酿酒酵母细胞工厂已被广泛应用于大量大宗化学品和新型高附加值生物活性物质的生物制造,在能源、医药和环境等领域取得了巨大的突破。近年来,合成生物学、生物信息学以及机器学习等相关技术也极大地促进了代谢工程的技术发展和应用。文中回顾了近30年来酿酒酵母代谢工程重要的技术发展,首先总结了经典代谢工程的常用方法和策略,以及在此基础上发展而来的系统代谢工程和合成生物学驱动的代谢工程技术。最后结合最新技术发展趋势,展望了未来酿酒酵母代谢工程发展的新方向。     

大肠杆菌染色体上严谨型启动子的构建

【背景】启动子的渗漏表达是代谢工程和合成生物学较为关注的问题,探索严谨型启动子使之能像开关一样控制基因的表达有助于解决这一问题。【目的】为避免在质粒上研究启动子带来的弊端,本研究将在染色体上对严谨型启动子进行构建和评价。【方法】基于4种调控元件四环素tetO、乳糖lacO、阿拉伯糖araC和鼠李糖rhaR的序列,以及2种来源的启动子PL和Plac序列,设计和组合构建了6个启动子PtetO2、PtetO3、PlacO2、PlacO3、PlacO+ara和PlacO+rha。应用CRISPR/Cas9系统将这6个启动子序列整合到大肠杆菌ATCC 8739染色体上,利用绿色荧光蛋白(Green fluorescent protein,GFP)的表达,分析这6个启动子的相对表达强度和严谨型控制情况。【结果】GFP表达分析显示,启动子PlacO+rha为最佳严谨型启动子,在无诱导剂时表达为0.02,有诱导剂时最大表达强度为lac Z基因启动子的12倍,相对控制范围为600倍。【结论】研究结果将为代谢工程和合成生物学中的精确调控基因表达奠定良好的应用基础。     

核糖开关与基因表达调控

核糖开关(riboswitch)是近几年基因表达调控研究的一个热点.核糖开关位于mRNA的非翻译区(untranslated regions, UTR),能够直接感受胞内外信号并引起自身二级结构的变化,在转录或后转录（翻译和mRNA稳定性）水平实现对下游相关基因的表达调控,该过程不依赖于包括蛋白质在内的其它任何因子的作用. 根据现已发现的核糖开关所能识别的信号因子类型,可以将其分为4类,即小分子代谢物、金属离子、环境因素及空载tRNA敏感的核糖开关;其中,小分子代谢物敏感的核糖开关是发现和研究最多且最深入的一类. 随着研究的深入,将会有更多的核糖开关被发现,这不仅有助于理解生物进化与环境适应性,而且在生物学基础研究,新型药物的开发以及工业生产领域都将发挥重要作用.     

等温滴定量热法研究核糖开关aac与氨基糖苷类抗生素的相互作用

核糖开关(riboswitch)是位于m RNA非编码区域的RNA元件,可与小分子配体结合导致结构转变,进而调控下游基因的表达。核糖开关aac能够特异性结合氨基糖苷类抗生素,从而调控氨基糖苷类抗生素抗性基因的表达。目前,核糖开关aac与氨基糖苷类抗生素相互作用的位点和机制尚不清楚。作者利用等温滴定量热法对核糖开关aac与氨基糖苷类抗生素的结合亲和力及结合热力学性质进行了研究,并初步探讨了点突变对相互作用的影响。结果发现,西索米星、庆大霉素、G418、奈替霉素和巴龙霉素能够特异性结合核糖开关aac,而阿米卡星、卡那霉素A、链霉素、链丝菌素、新霉胺、新霉素及核糖霉素与核糖开关aac无特异性相互作用;核糖开关aac与氨基糖苷类抗生素的结合热力学性质表明二者通过氢键和范德华力发生相互作用。西索米星滴定核糖开关aac突变体的结果表明,U68和A18位点很可能与氨基糖苷类抗生素形成氢键,A13和A44位点对于相互作用也有影响。这些结果对进一步研究核糖开关aac与氨基糖苷类抗生素相互作用的位点和机制具有重要的参考价值。     

抗癌药物榄香烯的生物合成及关键酶吉马烯A合酶的优化

榄香烯是我国拥有自主知识产权的抗肿瘤药物之一,因其抗肿瘤活性强、作用范围广、毒副作用轻微和不易产生耐药性等优点,被广泛应用于各类恶性肿瘤的临床治疗中。榄香烯的生产主要依靠药用植物温郁金的分离提取。但温郁金的榄香烯含量低、分离纯化难度大、得率低且成本高,严重阻碍了榄香烯的大规模生产与应用。随着合成生物学的发展,利用微生物构建细胞工厂用于生物合成天然药物成为研究热点,也为榄香烯的生产提供了新的思路。近年来,对榄香烯的生物合成研究在不断深入。研究者通过代谢工程、组合生物学和基因工程等手段,阐明榄香烯生物合成途径和关键酶,已经成功克隆了榄香烯生物合成途径上的一些关键酶基因,初步实现榄香烯的异源生物合成。本文以合成生物学研究思维概述榄香烯生物合成途径及其工程菌的优化,重点综述关键酶吉马烯A合酶(germacrane A synthase, GAS)。从限速酶基因的过表达和分流基因的敲除,融合表达酶工程策略、吉马烯A合酶的体外进化几方面,对其生物合成途径的改造策略进行阐述。同时,也分析提高异源生物合成榄香烯产量所面临的问题与挑战,为榄香烯的高效生物合成提供参考。     

核糖开关及其在抗菌药物方面的研究进展

核糖开关是一类与核酸、氨基酸、金属离子、糖类衍生物以及辅酶等特异性配体结合的RNA元件,它与配体结合后通过调控相应下游的基因表达起到控制细胞生命及活动的作用。目前核糖开关是基因调控方面的研究热点,应用于大量筛选工程菌株、构建新型生物传感器以及作为抗菌药作用的新靶点。综述了几种主要的核糖开关(如:嘌呤核糖开关、赖氨酸核糖开关、环二鸟苷酸核糖开关、glm S核糖开关、TPP核糖开关、FMN核糖开关等)在抗菌药物靶点方面的研究进展。     

人工合成启动子文库研究进展

随着合成生物学的发展,人工合成功能元件在代谢工程领域显示出巨大应用潜力。启动子是调控基因转录水平的重要元件,可以利用人工合成启动子文库对代谢途径进行精细调控,使基因适量表达,实现代谢途径的组合优化。文章综述了人工合成启动子文库的研究进展,评述了不同文库的构建策略,讨论了人工合成启动子文库在代谢工程领域的应用,并展望了人工合成启动子文库的发展方向。