mRNA翻译起始区二级结构优化提高(R)-羰基还原酶的表达及催化效率

为了提高近平滑假丝酵母(Candida parapsilosis CCTCC M203011)的(R)-羰基还原酶在大肠杆菌中的表达水平及催化效率,对酶编码基因mRNA翻译起始区中+1～+78区进行二级结构的优化,并构建了相应的突变体。优化后mRNA翻译起始区的发夹结构明显减少,自由能显著下降(由原始的?9.5kcal/mol降至?5.0kcal/mol),使酶蛋白的表达水平及粗酶比活力分别比优化前提高了4～5倍和61.9%。在高底物浓度(5.0g/L2-羟基苯乙酮)下,优化突变株不对称转化效率较高,产物(R)-苯基乙二醇的光学纯度和产率分别为93.1%e.e.和81.8%,比优化前提高了27.5%和40.5%。研究结果表明:优化mRNA翻译起始区的二级结构,克服蛋白翻译启动的空间位阻,不仅能促进翻译的顺利进行,使目标蛋白得到高效表达,而且有利于蛋白空间结构的正确折叠,有效提高酶蛋白活力及生物催化功能。     

基于体外分子进化技术提高弯曲芽孢杆菌CCTCC 2015368 β-淀粉酶的热稳定性

运用体外分子进化技术易错PCR方法,高通量筛选热稳定性提高的弯曲芽孢杆菌Bacillus flexus CCTCC2015368β-淀粉酶突变体。利用LB琼脂淀粉板显色、96-孔板DNS法测酶活和酶标仪检测等,最终筛选到了一株热稳定性显著提高的突变体D476N。野生型和突变体D476N分别纯化后,酶学性质测定表明:突变体D476N的最适pH为6.5,与野生型相比降低了0.5。突变体D476N和野生型的最适温度均为55℃,突变体D476N在55℃下的半衰期为35 min,比野生型提高了95%。突变体D476N的T_(50)值比野生型提高4℃。突变体D476N的K_m值为97.98μmol/L,是野生型(85.86μmol/L)1.14倍;突变体稳定性提高的同时,催化活力相对于野生型有略微下降。通过SWISS-MODEL同源模拟野生型和突变体D476N的三维结构,并通过PyMol软件分析,发现突变后的氨基酸残基Asn476位于蛋白质表面的loop环上,通过MOE软件计算,D476N的分子自由能(ΔG)为106.01kcal/mol,比野生酶降低10.3%,这一结果与蛋白质分子自由能和热稳定性呈负相关的理论相符。     

Liddle综合征触发蛋白ENaC的PY模体突变型的结合肽段的筛选

Liddle综合征是一种常染色体显性、盐敏感型的高血压综合征,其分子发病机制研究认为是上皮钠离子通道(epithelial Na+channel,ENaC)的β亚基或γ亚基的胞质侧羧基端区域低频率的点突变或缺失突变导致肾远曲小管钠离子重吸收增加.本研究提出了一种从分子水平上治疗Liddle综合征的设想,即构建一种可识别Liddle综合征患者中ENaC蛋白突变的PY模体的人工泛素连接酶E3,使其结合并降解突变的ENaC蛋白,从而使肾远曲小管上皮细胞膜上ENaC的表达数量和活性恢复.而识别PY突变体的E3,可通过用患者中的PY突变体筛选随机多肽文库获得与之结合的随机肽段,用其替换PY模体天然配体蛋白Nedd4的WW结构域,从而得到一个新的人工E3.本研究中以一种Liddle综合征突变型Y620H为诱饵蛋白,筛选新型随机多肽文库,获得了1个至少能与2种PY突变体(Y620H和P618L)特异性结合的随机肽段,为进一步构建可降解ENaC突变体的人工E3积累了重要的实验数据.     

大肠杆菌YacG锌指结构的金属结合及功能特性

YacG蛋白是一种能够抑制大肠杆菌促旋酶（E.coli gyrase）活性的内源性小分子蛋白质,仅由65 个氨基酸残基组成。核磁共振(NMR)研究发现,YacG结构中含有1个Cys-X2-Cys-X15-Cys-X3-Cys序列的锌指结构域,然而其作用并不清楚。本研究发现,在添加外源锌或者铁的M9基础培养基中,表达并纯化得到分别含有锌和铁的YacG蛋白,而在同时添加铁和L-半胱氨酸的M9基础培养基中可以纯化得到含有铁硫簇的蛋白质。这表明,YacG不仅是一个锌指蛋白,也是铁结合或铁硫簇结合蛋白。定点突变实验发现,YacG锌指结构中的4个半胱氨酸残基突变后,其结合的锌、铁、铁硫簇的含量都显著下降。这提示,锌结合、铁结合以及铁硫簇结合的位点均位于锌指结构域中的4个半胱氨酸残基。体内YacG过表达实验显示,用IPTG在大肠杆菌体内诱导表达野生型YacG蛋白会导致其生长明显受到抑制,而过表达突变体蛋白（YacG-C12/28S）对其生长的抑制作用将会减弱。体外实验进一步发现,锌结合、铁结合以及铁硫簇结合形式的YacG蛋白对E.coli gyrase促DNA螺旋活性的抑制作用没有明显差别,但是锌指结构突变体蛋白（YacG-C12/28S）对gyrase活性的抑制作用显著减弱。这说明,完整的锌指结构对YacG抑制gyrase活性的功能具有重要作用。此研究有可能为gyrase抑制剂类抗生素药物的研发提供有用的线索。     

贵州地方山羊品种H-FABP基因第3外显子SNP研究

[目的]研究3种贵州地方山羊品种H-FABP基因第3外显子的多态性以及进行该基因多态性生物信息学分析,以期筛选出适合的突变位点,研究其与山羊生长性状关联性影响。[方法]以3种贵州地方山羊品种为试验材料构建DNA池,结合直接测序技术筛选H-FABP基因SNPs,并利用在线软件分析H-FABP基因RNA二级结构及其蛋白二、三级结构。[结果]仅在黔北麻羊和贵州白山羊H-FABP基因第3外显子处分别筛选到T120A和G152C两个SNPs,其中exon3-T120A为导致编码氨基酸发生的Phe→Ile改变的错义突变,而exon3-G152C为苏氨酸(Thr)的同义突变。[结论]exon3-T120A位点影响黔北麻羊H-FABP基因RNA二级结构,最小自由能由-189.40 kcal/mol变为-190.00 kcal/mol,其蛋白二级结构无规则卷曲由49变为48,延伸链由36变为37,exon3-G152C位点仅影响贵州白山羊RNA二级结构,最小自由能变为-185.40 kcal/mol。     

CMG2-Fc 融合蛋白突变体筛选及中和炭疽毒素活性分析

目的:筛选能有效中和炭疽毒素和抵抗炭疽毒素损伤细胞的CMG2-Fc(炭疽毒素受体II-人免疫球蛋白Fc段融合蛋白)突变体。方法:运用FoldX等计算软件分析CMG2与PA晶体学结构,设计能提高CMG2-PA亲和力的突变体分子,并与人IgG1Fc片段构成融合基因,转染CHO-S细胞并通过亲和层析获得CMG2-Fc突变体蛋白,通过亲和力检测和细胞保护实验分析各突变体中和炭疽毒素能力。结果:筛选并表达了8个CMG2-Fc突变体分子,亲和力实验显示其中E117Q突变可明显提高CMG2-Fc与PA的亲和力(KD=1.35×10-11 mol/L),细胞保护实验提示E117Q突变能有效提高CMG2-Fc中和炭疽毒素能力(CMG2-Fc(E117Q)的IC50为15 ng/μL,而wt CMG2-Fc的IC50为50ng/μL)。结论:CMG2-Fc(E117Q)突变体分子可作为拮抗炭疽毒素损伤的炭疽治疗药物分子,进行进一步研究。     

针对DNA长片段靶标的锌指筛选体系

锌指蛋白能够特异性识别目标DNA序列,常被作为分子靶向因子用于定点核酸编辑以及定点转录调控等方面,具有十分广泛的应用前景.然而,目前常规采用的实验方法得到的锌指蛋白通常结合的目标DNA序列较短,结合能力不强,因而一直难以高效运用在核酸序列与调控蛋白在基因组上的原位互作等方面的研究中.为了解决这个问题,本研究构建了一个高通量筛选系统,利用N4噬菌体gp8毒蛋白和LacZ作为报告基因,以300 bp以上的DNA长片段为靶标,来筛选能够结合多位点的锌指蛋白组合,提高锌指蛋白应用的精确度以及效率.该系统针对小鼠Nrxn-1?启动子区域进行了锌指蛋白文库筛选,得到了具有序列选择特异性的混合锌指蛋白库,并对筛选结果进行了初步功能验证.研究表明,本系统具有简便快捷的特点,不仅大幅度缩短了筛选时间,而且减少了因靶标序列DNA片段较长而不得不反复设计多位点结合锌指蛋白造成的成本浪费;筛选得到的锌指蛋白库具有较高的长片段DNA靶标结合能力和一定的序列特异性,并且能够在真核细胞内特异地结合目标DNA序列.因此,本研究建立的新型锌指筛选系统不仅可以广泛应用于高通量筛选,而且在DNA-蛋白相互作用的研究中也具有重要意义.     

次氯酸与不饱和脂肪酸氧化机制和转化产物的理论研究

摘要 目的：揭示次氯酸与不饱和脂肪酸的氧化反应机制及转化产物。方法：运用Gaussian 16软件包,采用密度泛函方法M06-2X(D3),结合6-31+G(d)基组,在SMD液相水模型水平下进行计算。结果：次氯酸与单不饱和脂肪酸油酸的氧化反应是先形成氯鎓离子中间体,氯鎓离子再与水分子反应生成氯醇,第一步氯鎓离子的形成是控速步骤,其反应活化自由能~8 kcal/mol。环氧化合物和短链的醛是两种转化产物,前者由氯醇脱氯化氢而来,而后者由环氧化合物和氯醇通过系列与次氯酸根的反应而得到,生成它们的控速步骤的反应活化自由能分别为23 和24 kcal/mol。选取两个乙基为取代基的乙烯为油酸模型,其与次氯酸反应的活化自由能仅比油酸高1 kcal/mol。计算得到次氯酸与亚油酸、顺-9,反-11 亚油酸、梓树酸和花生四烯酸模型氧化反应生成氯醇的活化自由能分别是~10、13、16和14 kcal/mol。结论：氯鎓离子中间体机制是次氯酸与不饱和脂肪酸氧化反应的主要机制,反应的活化自由能通常低于15 kcal/mol,意味着此氧化反应动力学上容易发生。氧化产物氯醇能转化为环氧化合物和短链的醛,但活化自由能较高,约23和24 kcal/mol。选取距离双键3个碳以内的结构为不饱和脂肪酸模型,它能够很好地反映不饱和脂肪酸的反应活性。     

锌指蛋白及人工锌指蛋白对微生物代谢影响的研究进展

锌指蛋白由于锌指结构域序列相对保守,识别DNA序列具有高度特异性,所以成为研究较广泛的DNA结合蛋白,但目前对锌指蛋白的研究多集中在真核细胞,而对微生物锌指蛋白,尤其是原核微生物锌指蛋白的研究相对较少。本文综述了近年来微生物锌指蛋白,尤其是原核微生物锌指蛋白的发现及功能的最新研究进展,以及人工锌指蛋白技术在微生物菌株改造中的应用。特定人工锌指蛋白不仅可调控微生物细胞中多基因控制的复杂性状,例如耐热性、乙醇和丁醇耐性、渗透胁迫耐受性等,还可以利用锌指结构域构建DNA脚手架系统,进而构建复合酶系统,从而提高催化效率和代谢物产量。目前报道的用于微生物代谢调控的人工锌指蛋白利用的都是哺乳动物的基因,未来根据不同微生物中天然锌指蛋白的序列进行人工锌指的设计,将拓展人工转录因子技术在微生物全局基因表达调控中的应用。     

人工锌指蛋白介导调控的里氏木霉纤维素酶生产

里氏木霉Trichoderma reesei Rut-C30是目前研究最广泛的纤维素酶生产菌,选育高产纤维素酶的里氏木霉菌株有助于提高木质纤维素资源生物炼制的经济性。利用人工锌指蛋白文库转化T.reeseiRut-C30,筛选获得了两株高产纤维素酶的突变株T. reesei M1和M2,与出发菌株比较,突变株M1和M2滤纸酶活分别提高100%和53%,且M1突变株外泌蛋白量提高69%,M2内切纤维素酶活提高64%。实时定量PCR分析结果表明,与对照菌株相比,突变株M1和M2中主要纤维素酶基因转录均上调,但不同酶基因在两株菌中有不同的变化特征。此外,纤维素酶抑制转录因子基因ace1在两株突变株中都转录下调,而纤维素酶正调控转录因子基因xyr1仅在M1突变株中上调。以上结果表明,不同人工锌指蛋白对纤维素酶活性的影响具有多样性。对这些突变体中人工锌指蛋白靶基因进行深入分析,为进一步深入探究里氏木霉纤维素酶合成调控的机理,以及利用代谢工程选育更高效的产酶菌株提供了基础。     

基于空腔填充效应构建伯克霍尔德菌脂肪酶LipA的热稳定性突变体

【目的】中温伯克霍尔德菌胞外脂肪酶LipA在工业领域具有重要的应用价值。利用蛋白质工程技术来提高其热稳定性,对开发脂肪酶LipA酶制剂及提高其应用范围及应用效果,具有重要的意义。【方法】利用生物信息学软件Castp、Voronoia和Cave分析LipA分子中存在的空腔及其组成氨基酸残基;利用FoldX软件构建上述氨基酸残基的突变体电子文库,并基于空腔效应(体积变小)、自由能变化值(降低)和空间结构特点等对前述突变体电子文库进行筛选。从突变体电子文库中选择具有代表性的突变体,通过基因工程技术,引入突变。经诱导表达后,实验验证并筛选出热稳定性的突变体。【结果】构建了一个由58个突变体组成的电子文库;并对其中17个代表性的突变体进行了实验验证;筛选到2个热稳定性有明显提高的突变体LipA-His15Pro和LipA-Ala210Val;其叠加突变体LipA-His~(15)Pro/Ala~(210)Val的T50~(12)较野生型LipA提高了8°C,在55°C下的半衰期较野生型脂肪酶LipA提高了23.1倍。【结论】基于空腔填充技术构建热稳定性伯克霍尔德菌胞外脂肪酶LipA突变体,是一种行之有效的策略。     

人小肠三叶因子缺失半胱氨酸57突变体的构建及其生物活性

用 PCR方法构建了一个不能形成二聚体的 C端缺失半胱氨酸 57的 h ITF突变体 .将其克隆到大肠杆菌表达载体 p GEX- 4T- 1中 ,ITPG诱导表达 ,融合蛋白经 Glutathione- Sepharose 4B亲和层析 ,凝血酶酶切和 Sephacryl S 1 0 0纯化 ,得到突变体蛋白 .SDS- PAGE,氨基酸组成 ,飞行质谱 ,N端氨基酸序列测定结果与期望值一致 .研究表明突变体的生物学活性有所降低 .对胃蛋白酶作用的稳定性降低 .     

锌指蛋白的设计及其应用

人工设计的锌指蛋白一般包括两个结构域：DNA结合结构域和效应结构域。DNA结合结构域主要采用对DNA序列特异性识别结合的C2H2型锌指结构域,而功能结构域常常采用某些转录激活结构域、转录抑制结构域或某些酶的活性结构域。这样进行设计的锌指蛋白就可以在特定的核酸序列上行使相应的功能,这对于目的基因的表达调控及蛋白质与核酸的相互作用研究提供了新的思路。     

基于磷脂酶水解圈定向筛选高效聚对苯二甲酸乙二醇酯降解酶

【目的】目前自然环境中聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate, PET)废弃物的积累严重威胁生态健康,因此PET的降解问题已成为全球性的热点问题。生物酶法降解PET技术以其绿色环保而备受关注,但天然PET降解酶的催化活性普遍偏低,亟待进一步定向改造。现阶段定向进化为快速提高PET降解酶催化性能提供了可能,其中筛选方法是成功获得高性能突变体的关键所在。本研究旨在提出一种新型高效灵敏的筛选方法并应用于褐色喜热裂孢菌(Thermobifida fusca)来源角质酶Tfu-0883的定向改造,以期快速获得PET降解活性提高的突变体。【方法】基于易错PCR构建突变体文库,涂布于卵黄磷脂平板,以水解圈的大小作为筛选指标获得PET降解活性提高的突变体;对突变体进行酶学定性并筛选出潜在的分子改造位点,最终获得高性能突变体。【结果】从卵黄磷脂平板中挑取水解圈直径最大的单菌落,即突变体H10(N2D/D94H/A149E),其PET降解能力是野生型的1.5倍,最适温度与pH分别为60℃和8.0。突变体H10中第2位和第149位氨基酸残基远离底物结合凹槽,其突变会导致酶蛋白稳定性下降;第94位氨基酸残基则位于底物结合凹槽附近,由负电荷氨基酸Asp突变为正电荷氨基酸His,有利于吸附在带负电荷的PET表面,是突变体H10降解能力提升的关键因素;随后将野生型的第94位氨基酸残基Asp分别突变为His及同为正电荷且空间位阻更小的Lys和Arg,突变体D94H、D94K和D94R对PET降解能力均有提升,其中,突变体D94K降解PET能力是野生型的3.6倍。【结论】本研究基于磷脂酶水解圈构建了一种新的PET降解酶定向筛选方法,以此获得了降解活性提高的突变体,并证实角质酶Tfu-0883第94位氨基酸残基位点具有提升其PET降解活性的潜在能力。     

应用计算机软件辅助重组hbFGF 基因的筛选

目的：尝试通过计算机的辅助筛选基因重组组合,期望能减少人工筛选的工作量并得到高表达的蛋白。方法：从影响表达的两个因素即翻译起始区陬的二级结构自由能和翻译起始区的密码子偏好性问题研究入手,对部分核苷酸进行了突变,利用RNA二级结构预测软件DNASISv2．5对hbFGF的陬区起始密码子开始前35个核苷酸进行了分析,筛选出预期表达量高的组合并在实验中加以验证。结果：从32种突变方式中筛选出10条自由能绝对值最低的序列做引物,克隆至表达载体上,得到了两株高表达菌株。结论：利用计算机辅助设计可以优化和筛选实验结果,提高工作效率,降低具体实验的工作量。     

短链壬基酚聚氧乙烯醚脱氢酶脱氢催化机理

【目的】为研究短链壬基酚聚氧乙烯醚脱氢酶(sNPEO-DH)的脱氢氧化机制(基因克隆于Ensifer sp.AS08),我们进行了以下实验。【方法】采用同源序列比对及同源建模的方法筛选出与其辅酶黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)异咯嗪基邻近的4个氨基酸残基。以定点突变方法分别构建了突变体,并进行了重组蛋白的表达纯化和酶活力测定。【结果】野生型和突变体的酶学动力学实验表明,突变体N90A和N509A对亲水性底物聚乙二醇(PEG1000)的相对活性分别降低为51%和89%,对疏水性底物sNPEO的活性分别降低为26%和40%,说明氨基酸残基N90和N509可能与底物的结合相关。突变体H465A的相对活性丧失了90%以上,突变体N507A完全丧失活性;瞬时"停-流"检测实验进一步证明N507A突变体阻断了底物向FAD传递质子的过程,突变体H465A阻断了对FAD还原形成的FADH2脱氢再生的过程。【结论】以上结果说明N507和H465为sNPEO脱氢酶活性中心中参与对底物氧化脱氢及FADH2脱氢再生进行下一次反应的催化位点。     

半胱氨酸脱硫酶突变体H104Q,E156Q,D180G,Q183E和K206A通过改变对磷酸吡哆醛的结合影响酶活性

大肠杆菌半胱氨酸脱硫酶（cysteine desulfurase,IscS）是一类依赖磷酸吡哆醛（pyridoxal phosphate,PLP）的同质二聚体的酶.IscS能催化游离底物L-半胱氨酸脱硫,生成L-丙氨酸和单质硫.在此催化过程中,可形成与酶结合的半胱氨酸过硫化物中间物,并出现了7种具有不同特征性吸收峰的中间反应物.为了研究PLP的结合及中间反应物的形成及累积,对IscS中与PLP结合相关,及IscS半胱氨酸活性口袋中特定氨基酸残基位点（His104,Glu156,Asp180,Gln183和Lys206）进行定点突变,结果发现：1）IscS突变体H104Q、D180G、Q183E、K206A对PLP的结合能力具有不同程度的减弱,酶的活性明显降低甚至消失,PLP与蛋白结合的特异吸收峰消失,或发生明显偏移并出现新的吸收峰,且这些新出现的吸收峰又与蛋白形成的各种中间反应物的吸收峰一致|2）IscS突变体E156Q的活性增高,PLP与蛋白结合的吸收峰明显增加.这些结果都表明,IscS氨基酸残基可通过影响PLP的结合及质子转移引起催化过程中不同中间反应物的形成及累积,同时提高或降低蛋白的活性.     

Ydj1p锌指结构突变体对底物结合影响的分子动力学模拟分析

Ydj1p是酵母细胞质中一种主要的I型Hsp40分子伴侣,Ydj1p锌指结构在传递底物给Hsp70时发挥重要的作用,锌指结构域的两个锌离子结合位点区域(ZBDⅠ和ZBDⅡ)与半胱氨酸形成配位键对底物传递中维持结构稳定非常重要。本研究通过分子动力学手段对Ydj1p与各锌指结构突变体进行了模拟,分析ZBDⅠ突变体关键残基C143S、C201S,ZBDⅡ突变体关键残基C162S、C185S的突变影响Hsp40与Hsp70的底物传递。分析结果表明,当锌指部位的氨基酸发生突变,不仅能影响Ydj1p的结构稳定性,也能影响底物的传递,并且锌指结构Ⅰ突变体和锌指结构Ⅱ突变体之间也具有明显差异。通过结合能量的分析以及构象变化比对,揭示了Ydj1p以及各锌指结构突变体底物结合能力的强弱,这与生化实验研究了Ydj1p锌指结构与Hsp70合作,帮助多肽传递的功能是至关重要的结果较为相近。     

L1.LtrB内含子编码蛋白反转录结构域关键催化位点分析及功能验证

【目的】筛选影响Ll.LtrB内含子编码蛋白(Intron encoded protein,IEP)反转录功能的关键催化位点,并获得无反转录活性的IEP突变体。【方法】首先,利用NCBI数据库,通过序列比对及同源建模方法筛选影响IEP反转录功能的关键氨基酸催化位点;然后,对筛选获得的关键催化位点进行定点突变,同时以Targetron载体为模板,构建无反转录功能的突变型Targetron打靶系统;最后,以大肠杆菌lacZ基因为例,体内验证IEP突变体的功能及其对Ⅱ型内含子"归巢"效率的影响。【结果】筛选到C164和G214两个位点是影响内含子编码蛋白反转录功能的关键氨基酸残基,并获得C164K和G214W两个突变体。体内功能分析表明,此两个位点突变完全失活了Ⅱ型内含子的"归巢"功能。【结论】筛选并获得了失活反转录功能的Ll.LtrB内含子编码蛋白突变体,为深入研究Ⅱ型内含子的结构和"归巢"机理奠定了基础。     

肌球蛋白轻链激酶CaM结合位点突变体的构建

目的:平滑肌肌球蛋白轻链激酶(myosin light chainkinase,MLCK)具有激酶活性和非激酶活性,在平滑肌收缩过程中起着关键酶调控的作用.为探寻MLCK的非激酶活性区域对MLCK活性的影响,本实验利用分子生物学技术构建了肌球蛋白轻链激酶CaM结合位点突变体,并纯化出重组的MLCK表达的蛋白质,为深入研究MLCK的非激酶活性在调节平滑肌收缩过程中的分子机制提供了实验基础.方法:利用野生型MLCK全长的cDNA序列设计CaM结合位点的突变引物,利用PCR技术进行定点突变,获得CaM结合位点的突变体(△CaM/MLCK).在大肠杆茵中表达重组CaM结合位点的突变体(△CaM/MLCK),通过亲和层析及凝胶过滤进行分离纯化重组蛋白,SDS-PAGE检测表达及纯化的重组蛋白.结果:构建重组MLCK钙调蛋白结合位点突变体(△CaM/MLCK),△CaM/MLCK在大肠杆菌中以可溶形式大量表达并得到纯化.结论:成功构建重组MLCK钙调蛋白结合位点突变体(△CaM/MLCK)并获得纯化的表达蛋白质.