分枝杆菌中基因敲除操作工具研究进展

致病性分枝杆菌仍然是人类健康的重要威胁。相对于传统模式原核生物,在分枝杆菌中进行基因敲除一直是一个难题。文章介绍了分枝杆菌中用于基因敲除的转运载体和序列特异性重组系统的研究进展,并进一步介绍了新近发展的分枝杆菌重组工程在基因敲除中的应用。最后,对分枝杆菌基因敲除系统的发展历程进行了回顾,并对未来的发展方向进行了展望。     

结核分枝杆菌同源重组基因敲除系统的构建和应用

【目的】结核分枝杆菌同源重组效率很低,突变株的构建需要半年之久。本研究的目的在于构建一种用于在结核分枝杆菌中进行基因快速敲除、且易于筛选的高效同源重组系统。【方法】野生型结核分枝杆菌转化含有SacB反向选择标记、且能诱导表达两种同源重组酶gp60和gp61的质粒pSL002。然后分别将靶基因的两个同源臂克隆入到含有hyg(潮霉素)抗性基因和gfp(绿色荧光蛋白)基因的重组质粒pSL001中,再将靶基因同源臂-loxP-hyg-gfp-loxP片段从pSL001切下,转化含有pSL002的野生型结核分枝杆菌,一步得到双交换突变株。再将含有SacB反向选择标记、且表达Cre重组酶的质粒pSL003转化入结核分枝杆菌双交换突变株中,切除两个loxP之间的hyg抗性基因和gfp基因,得到无痕缺失突变株。最后利用含有2%蔗糖的琼脂糖平板去除含有SacB反向选择标记的质粒pSL002和pSL003。【结果】在结核分枝杆菌中成功构建了高效同源重组系统,利用该系统构建了rv1364c、pstP跨膜区、pstP胞外区三个突变株,得到双交换突变株的效率为25%-62.5%,从双交换突变株得到无痕缺失突变株的效率为100%。通过gfp作为荧光标记基因,利用NightSea BlueStar蓝光手电筒和滤光眼镜,可以对平板上的基因缺失株直接进行快速判定。【结论】该同源重组系统利用gp60和gp61重组酶,在时间上将在结核分枝杆菌中无痕缺失突变株的构建从6个月缩短到3个月。这是目前为止在结核分枝杆菌中构建突变株最快且效率最高的方法,为加速分枝杆菌功能基因组的研究提供了新的遗传工具。     

结核分枝杆菌EF4敲除菌株的构建

EF4是一个由 lepA 基因编码的与蛋白质翻译密切相关的延伸因子,在细菌中高度保守,但其确切功能和分子机制尚不清楚,在结核分枝杆菌中的功能至今未见报道。为探索EF4在结核分枝杆菌中的功能,需构建一株结核分枝杆菌 lepA 基因敲除株。本研究以结核分枝杆菌H37Ra全基因组DNA为模板,设计并通过聚合酶链反应(polymerase chain reaction,PCR)扩增 lepA 基因左、右臂,连接到p0004S质粒,构建同源重组质粒p0004S-Δ lepA 。然后,通过噬菌体体外包装,将p0004S-Δ lepA 质粒连接到phAE159质粒,构建phAE159-Δ lepA 噬菌体包装质粒。在耻垢分枝杆菌mc 2155中大量扩增噬菌体并受结核分枝杆菌侵染进行同源重组,筛选阳性克隆,从基因组和蛋白质表达水平检测该突变株中 lepA 基因及EF4蛋白表达。PCR结果显示,敲除株基因组中 lepA 基因已被潮霉素抗性基因成功替换,蛋白免疫印迹结果显示该敲除株中无EF4表达,表明其为成功构建的Ra Δ lepA 。生长曲线分析显示,正常培养条件下,结核分枝杆菌野生株与敲除株生长趋势一致。敲除株与野生株在菌落形态上有一定差异,相比于野生株,Ra Δ lepA 菌落颜色发黄,凸起偏厚,生长过程中生物膜皱褶较少。耐胁迫能力分析显示,与野生株相比,Ra Δ lepA 耐热、抗去垢剂、抗氧化能力无显著差异,但耐酸性环境能力明显增强。本研究利用噬菌体介导的重组法成功构建了结核分枝杆菌 lepA 基因敲除株,为后续研究结核分枝杆菌EF4的功能提供了重要基础。     

BAI1基因敲除打靶载体的快速构建

BAI1(脑血管生成抑制因子1)因其具有抑制血管生成的作用而得名,研究表明肿瘤的发生可能与BAI1的低表达有关.为了进一步探索BAI1的作用机制,运用改良的Red重组系统和低拷贝中间载体,利用50 bp的同源重组序列直接从BAC载体中克隆长片段的小鼠基因组序列;将得到的基因组序列再次通过重组和改造,构建了BAI1基因的完全敲除并带有报告基因的打靶载体,为后续的构建BAI1基因敲除小鼠模型、在动物体内研究基因功能奠定了基础.     

GPR126条件性基因敲除载体的快速构建

基因敲除小鼠模型是在动物体内研究基因功能的重要和可靠的手段之一,而构建用于同源重组的基因敲除载体是构建基因敲除小鼠模型的关键一步.条件性基因敲除技术将针对靶基因的修饰作用限制在小鼠的特定发育时期或特定类型的组织细胞中,通过加入具有位点特异性的重组系统,该修饰作用在时间和空间上均处于可调控的状态;条件性基因敲除技术既可以避免某些具有重要功能基因的敲除所带来的早期胚胎致死问题,还可用于精确分析某些多效基因在不同组织或不同发育阶段的特定功能差异.通过合理利用改良的Red重组系统,将两个LoxP位点快速准确地插入到了目标位置,实现了GPR126条件性基因敲除载体的快速构建,为后续的构建GPR126基因敲除小鼠模型、在动物体内研究基因的功能奠定了基础.     

利用细菌人工染色体同源重组对小鼠基因进行条件型敲除

目的:探索通过细菌人工染色体(BAC)同源重组系统构建条件基因敲除载体的高效率方法,提高条件基因敲除小鼠(Flox小鼠)的构建效率。方法:利用作者自己构建的噬菌体重组酶系统,通过BAC同源重组进行条件型基因敲除载体构建工作。首先通过亚克隆构建了一系列载体含有同源臂的靶向质粒,线性化后,打靶片段经电穿孔法转入大肠杆菌内,与相应的BAC同源重组,再经过三步同源重组和一步位点特异性重组,构建小鼠条件型基因敲除载体。结果:高效率构建了小鼠基因的最终条件基因敲除载体。结论:通过BAC同源重组高效构建条件基因敲除载体,为条件基因敲除载体的构建提供了全新思路,并为FLox小鼠的建立,及相应基因在发育、生理、致病机制等方面的功能研究奠定了基础。     

副溶血性弧菌基因敲除方法的建立及应用

目的摸索出一套副溶血性弧菌基因敲除的可靠方案,副溶血性弧菌致病相关基因的敲除对深入研究其致病机制有重要意义。方法通过融合PCR技术将目的基因上下游同源臂融合并克隆到自杀载体pDS132上,将重组质粒转化大肠杆菌S17λpir中,再接合转移到副溶血性弧菌菌株内,经pDS132质粒上sacB基因的反向筛选得到突变株。结果成功构建了副溶血性弧菌RIMD2210633菌株ΔopaR,ΔtoxR和ΔaphA三个基因突变株。结论通过自杀载体同源重组成功获得精确敲除的无痕突变株更有利于基因功能的研究,使后续副溶血性弧菌突变株与野生株的对比研究成为可能。     

基因打靶技术的研究进展

基因打靶技术是一项新兴的分子生物学技术,是利用外源DNA与受体细胞染色体DNA上的同源序列之间发生重组,并整合在预定位点上,从而改变细胞遗传特性的方法。它的产生是遗传工程领域的一次革命,为发育生物学、分子遗传学、免疫学及医学等学科提供了一个全新的、强有力的研究手段。目前基因打靶技术在研究基因的结构和功能、表达与调控,转基因及基因治疗等方面均取得了进展。但基因打靶技术仍存在一些问题,主要是打靶的效率太低。本文综述了基因打靶技术的原理、操作程序并对提高基因打靶效率的可能途径进行了探讨。 Progress on Gene Targeting LIU Hong-quan1,DAI Ji-xun1,YU Wen-gong2,YANG Kun-feng1 1.Ocean University of Qingdao,College of Marine Life Sciences,Qingdao 266003,China; 2.Institute of Marine Drugs and Foods,Qingdao 266003,China Abstract:Gene targeting is a rising technology in molecular biology,which is defined as the introduction of exogeneous DNA to specific site in genome by homologous recombination,and consequently change the hereditary character of the cell.This technology provides a new and powerful means for research in developmental biology,molecular genetics,immunology and medicine.Progresses have been made in exploring gene structure and function,gene expression and regulation,transgene and gene therapy with the application of gene targeting.But there are some problems in gene targeting,especially for the low efficiency.This article just provided a review of the principle and program of gene targeting,and discussed the possible approaches to increase the efficiency of gene targeting. Key words：gene targeting;homologous recombination;targeting vector;targeting efficiency     

分枝杆菌细胞裂解液催化甾体激素C_(1,2)位脱氢反应的研究

9β,11β-环氧-17α,21-二羟基-16β-甲基孕-1,4-二烯-3,20-二酮(Ⅳ)是生产9-氟甾体激素的关键前体,以9β,11β-环氧-17α,21-二羟基-16β-甲基孕-4-烯-3,20-二酮-21-醋酸酯(Ⅰ)为底物合成Ⅳ是工业化生产Ⅳ的重要方法。通过比较分枝杆菌全细胞转化法与细胞裂解液转化法,发现分枝杆菌全细胞只能将Ⅰ转化为9β,11β-环氧-17α,21-二羟基-16β-甲基孕-4-烯-3,20-二酮(Ⅱ),而细胞裂解液可以有效地将Ⅰ转化为Ⅳ,其反应机制为底物Ⅰ自发水解为中间体Ⅱ,Ⅱ在C_(1,2)位脱氢酶(KSTD)的催化作用下发生C_(1,2)位脱氢反应生成产物Ⅳ。为进一步提高产物Ⅳ的转化率,利用基因工程手段在分枝杆菌中分别过表达编码KSTD的关键基因:kst D、kst D3和kstD_M,提高脱氢反应效率,结果表明1 g/L底物Ⅰ在pH7.0的重组菌株MS136-kst D_M细胞裂解液中反应45h,Ⅳ的转化率为78.4%,比出发菌株提高了38.9%;并优化缓冲液pH,提高反应速率,结果表明1 g/L底物Ⅰ在pH7.5的重组菌株MS136-kstD_M细胞裂解液中反应45 h,Ⅳ的转化率为92.8%,比出发菌株提高了63.4%。     

兽疫链球菌透明质酸分解酶基因的敲除

以透明质酸分解酶基因（Hyl）为改造目标, 利用同源重组技术获得 Hyl基因敲除的重组菌。首先以兽疫链球菌的基因组DNA为模板扩增出部分透明质酸分解酶基因（Hyl-1）,然后将其克隆到载体pMD19-T上,再以质粒pUC19为模板, PCR扩增得到氨苄青霉素抗性基因,通过反向PCR将其插入Hyl-1基因的中部,得到基因敲除载体pMD19T-SA。该载体与质粒pBR322分别用EcoRⅠ、PstⅠ双酶切后进行连接,得到基因敲除的重组载体pBR322 SA,PCR 及限制性酶切分析,构建的敲除载体与设计结果相符。最后,利用这两种敲除载体通过同源重组技术得到一株重组菌,经PCR 及酶活鉴定,这株菌的Hyl 基因已缺失。     

简单节杆菌3-甾酮-△1 -脱氢酶基因的克隆表达及定点突变研究

目的:将来源于简单节杆菌的3-甾酮-△~1-脱氢酶(3-ketosteroid-Delta(1)-dehydrogenase,KSDD)在大肠杆菌中进行表达,获得具有活性的脱氢酶;利用计算机预测KSDD的三级结构,并通过定点突变确定酶的关键位点以期优化脱氢酶的活性及性质。方法:克隆简单节杆菌编码KSDD的基因ksdd构建原核表达载体,以Escherichia coli BL21(DE3)为表达宿主构建重组菌并诱导表达,HPLC法检测重组酶催化4-AD脱氢的转化率;通过SWISS-MODEL同源建模分析KSDD结构,对预测的催化关键位点氨基酸残基进行定点突变并研究突变后重组酶的活性变化。结果:成功构建了表达脱氢酶KSDD的重组菌E.coli pET-22-ksdd,21℃下诱导表达后,重组酶对4-AD的转化率为27%;通过SWISS-MODEL同源建模预测出脱氢酶结构并对4个关键位点进行定点突变设计,获得突变子Y120R、Y320L、Y488F和G492Y。突变子Y120R和Y488F失活,证明其为酶的活性位点;突变子Y320L的转化率与野生型基本一致,但37℃反应条件下稳定性有所提高;突变子G492Y对4-AD的转化率是野生型的1.2倍,37℃条件下稳定性有所提高,是突变后氨基酸位点疏水性增加和周围静电作用改变所导致。结论:目前对简单节杆菌3-甾酮-△~1-脱氢酶结构分析及催化机理相关的研究较少,本研究验证了KSDD的活性位点,优化了酶的稳定性,为进一步对酶的性质进行定向改造打下了基础。     

细菌内同源重组法构建靶向Survivin 的腺病毒载体的研究

目的:研究细菌内同源重组法构建靶向Survivin的腺病毒载体及其体外扩增表达。方法:将survivin基因克隆至穿梭质粒载体中,特异性酶切后回收、连接、转化,构建负载survivin片段的重组腺病毒载体。提取重组病毒基因酶切鉴定后,包装成病毒,并扩增到所需滴度。行Western blotting鉴定,观察重组腺病毒载体在真核细胞的表达。结果:(1)重组穿梭质粒的Mlu I酶切鉴定结果显示,酶切结果均与相应的载体及目的片段的大小相符合,基因测序结果基本一致。(2)凝胶电泳产生了两条大约15 kb和8.5kb的片段,由图2可知重组腺病毒质粒酶切充分完全,且回收率较高。(3)重组腺病毒载体转染AD293细胞24 h后已出现细胞病变效应,病变细胞细胞核变大。(4)D260/OD280的值为1.92,表明重组腺病毒纯度较高。(5)AD293细胞病毒上清中有能与抗Survivin单抗反应的蛋白,其相对分子质量与理论值相吻合,阴性对照组无对应条带出现。结论:本方法成功构建表达了含Survivin的重组腺病毒载体,为进一步进行Survivin基因功能的研究提供了实验基础和理论支持。     

Deletion of ULS1 confers damage tolerance in sgs1 mutants through a Top3-dependent D-loop mediated fork restart pathway

Homologous recombination (HR)-based repair during DNA replication can apparently utilize several partially overlapping repair pathways in response to any given lesion. A key player in HR repair is the Sgs1-Top3-Rmi1 (STR) complex, which is critical for resolving X-shaped recombination intermediates formed following bypass of methyl methanesulfonate (MMS)-induced damage. STR mutants are also sensitive to the ribonucleotide reductase inhibitor, hydroxyurea (HU), but unlike MMS treatment, HU treatment is not accompanied by X-structure accumulation, and it is thus unclear how STR functions in this context. Here we provide evidence that HU-induced fork stalling enlists Top3 prior to recombination intermediate formation. The resistance of sgs1Δ mutants to HU is enhanced by the absence of the putative SUMO (Small Ubiquitin MOdifier)-targeted ubiquitin ligase, Uls1, and we demonstrate that Top3 is required for this enhanced resistance and for coordinated breaks and subsequent d-loop formation at forks stalled at the ribosomal DNA (rDNA) replication fork block (RFB). We also find that HU resistance depends on the catalytic activity of the E3 SUMO ligase, Mms21, and includes a rapid Rad51-dependent restart mechanism that is different from the slow Rad51-independent HR fork restart mechanism operative in sgs1Δ ULS1+ mutants. These data support a model in which repair of HU-induced damage in sgs1Δ mutants involves an error-prone break-induced replication pathway but, in the absence of Uls1, shifts to one that is higher-fidelity and involves the formation of Rad51-dependent d-loops.     

Efficient switching of mycobacteriophage L5-based integrating plasmids in Mycobacterium tuberculosis

We previously used a mycobacteriophage L5-derived integrating vector to demonstrate that glnE and aroK are essential genes in Mycobacterium tuberculosis by showing that we were unable to excise the integrated vector when it carried the only functional copy of these genes. We tested three systems to replace the integrated copy with alternative alleles. The most efficient method was to transform the strain with a second copy of the integrating vector. Excision of the resident vector and integration of the incoming vector occurred at an extremely high efficiency. This technique will allow us to study the role and functionality of essential genes in this important human pathogen.     

Functional attributes of the Saccharomyces cerevisiae meiotic recombinase Dmc1

The role of Dmc1 as a meiosis-specific general recombinase was first demonstrated in Saccharomyces cerevisiae. Progress in understanding the biochemical mechanism of ScDmc1 has been hampered by its tendency to form inactive aggregates. We have found that the inclusion of ATP during protein purification prevents Dmc1 aggregation. ScDmc1 so prepared is capable of forming D-loops and responsive to its accessory factors Rad54 and Rdh54. Negative staining electron microscopy and iterative helical real-space reconstruction revealed that the ScDmc1-ssDNA nucleoprotein filament harbors 6.5 protomers per turn with a pitch of ～106 Å. The ScDmc1 purification procedure and companion molecular analyses should facilitate future studies on this recombinase.     

重组人磷脂酶D1/腺病毒表达载体的构建与表达

将磷脂酶D1基因及其功能缺陷点突变基因从真核表达载体pCGNPLD1亚克隆至带有绿色荧光标记蛋白的穿梭质粒pAdTrackCMV中;再与腺病毒骨架载体一起在大肠杆菌BJ5183中进行同源重组;阳性重组子经PacⅠ线性化后,转染入病毒组装细胞系293细胞,成功构建磷脂酰胆碱专一性磷脂酶D1重组腺病毒; 并用该病毒颗粒感染嗜铬细胞瘤细胞PC12细胞,高效表达磷脂酶D1蛋白。证明大蛋白基因,如磷脂酶D1基因的同源重组腺病毒表达构建切实可行,为研究其在细胞内的生理功能提供了有力工具。     

结核分枝杆菌RD1区研究进展

RD1区是结核分枝杆菌(MTB)在长期传代过程中丢失的重要保护性抗原,RD1区仅存在于致病性分枝杆菌中,而在卡介苗(BCG)及环境分枝杆菌中缺失。RD1区基因全长9.5kb,共有9个开放读码框,分别编码9个蛋白。RD1区是MTB毒力的关键因素之一,同时RD1区存在一种新分泌表达体系,能保证ESAT6和CFP10蛋白分泌表达。RD1区蛋白有较强的免疫原性,在MTB的预防和诊断中将可能发挥巨大作用,并有可能成为筛选抗MTB药物的理想靶抗原。