瑞氏木霉分子生物学研究进展

瑞氏木霉（Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ ｒｅｅｓｅｉ）是自然界中普遍存在并有重要经济意义的一种丝状真菌。从瑞氏木霉的转化系统、基因克隆、基因表达调控、过量产生同源和异源重组蛋白等方面对瑞氏木霉分子生物学研究进展情况进行了综述。     

丝状真菌瑞氏木霉生产重组蛋白的分子生物学研究进展

瑞氏木霉是自然界中普遍存在并有重要经济意义的一种丝状真菌,作为工业生产菌株生产多种水解酶类已有多年历史。本文报道了用基因工程手段对瑞氏木霉进行遗传改造,构造具新性状的重组菌株,用以过量产生同源和异源蛋白类物质的分子生物学研究进展。包括利用ＣＢＨＩ基因的强启动子在瑞氏木霉中过量表达瑞氏木霉内切葡聚糖酶、小牛凝乳蛋白酶、人抗体片段、哈茨木霉几丁质酶、Ｈｏｒｍｏｃｏｎｉｓｒｅｓｉｎａｅ葡萄糖淀粉酶等同源和异源蛋白以及利用在葡萄糖上强表达的启动子生产纤维素酶等遗传工程进展情况。     

瑞氏木霉木糖醇脱氢酶基因的分离与鉴定

将在木聚糖上生长的瑞氏木霉(Trichoderma reesei)RutC-30的cDNA文库全部质粒转化已携带有毕赤氏酵(Pithia stipitis)木糖还原酶基因的重组酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)菌株H475,在H475中构建了瑞氏木霉的cDNA表达亚文库。在以木糖为唯一碳源的选择性酵母合成培养基上,从该亚文库中筛选到瑞氏木霉木糖醇脱氢酶cDNA基因．该基因片段长为1．3kb。Southern、Norhern印迹杂交分析和蛋白质凝胶电泳结果表明该基因确实来源于瑞氏木霉,所编码蛋白质分子量约为40kDa。携带有毕赤氏酵母木糖还原酶和瑞氏木霉木糖醇脱氢酶基因的重组酵母能够在以木糖为唯一碳源的培养基上生长,并能将90％以上的木糖转化为木糖醇、乙醇和其它副产品。     

瑞氏木霉表达黑曲霉葡萄糖氧化酶

利用高表达分泌纤维素酶的真菌瑞氏木霉表达重组的黑曲霉葡萄糖氧化酶。在大肠杆菌DH5α中构建瑞氏木霉纤维素酶CBHI启动子和CBHI信号肽基因黑曲霉葡萄糖氧化酶基因瑞氏木霉纤维素酶CBHI终止子构巢曲霉的甘油醛3磷酸脱氢酶启动子大肠杆菌抗潮霉素B磷酸转移酶基因构巢曲霉色氨酸C终止子pUC19(命名为pCBHGOD)质粒,线性化后用瑞氏木霉纤维素酶CBHI启动子和CBHI信号肽基因黑曲霉葡萄糖氧化酶基因瑞氏木霉纤维素酶CBHI终止子构巢曲霉的甘油醛3磷酸脱氢酶启动子大肠杆菌抗潮霉素B磷酸转移酶基因构巢曲霉色氨酸C终止子(命名为CBHGOD)核酸片段转化瑞氏木霉QM9414原生质体。用PCR扩增方法筛选出同源重组葡萄糖氧化酶基因的瑞士木霉突变株。用麦杆诱导瑞氏木霉突变株,生产黑曲霉葡萄糖氧化酶,Westernblot分析重组的葡萄糖氧化酶分子量与Sigma公司的天然黑曲霉葡萄糖氧化酶一致,生产的重组酶活性25umL,相当于Sigma公司葡萄糖氧化酶标准品的产量为0.5gL。瑞氏木霉可用于生产黑曲霉葡萄糖氧化酶。     

丝状真菌瑞氏木霉外源基因表达系统的构建

采用PCR技术体外扩增获得了瑞氏木霉外切葡聚糖纤维二糖水解酶Ⅰ (CBHⅠ )启动子和终止子序列 .并以大肠杆菌质粒pUC1 9为骨架 ,在该启动子和终止子序列间加入多克隆位点 ,构建了瑞氏木霉强表达整合型载体pTRIL .以质粒pAN7 1为模板 ,体外扩增了带有潮霉素磷酸转移酶(hph)基因的DNA片段 ,将hph插入pTRIL的cbh1启动子和终止子序列之间 ,构建了Pcbh1 hph Tcbh1表达盒 .用此表达盒转化瑞氏木霉C30原生质体 ,在潮霉素平板上得到 1 5株抗性转化子 .对其中的H1转化子进行了PCR和Southern印迹分析 ,证实hph基因确实整合到转化子染色体DNA上 ,并在Pcbh1 启动子控制下进行高效表达 .转化子H1对潮霉素抗性达 1 5 0mg L ,比出发菌株提高 2倍 .瑞氏木霉强表达整合型载体pTRIL的构建成功为开展瑞氏木霉分子生物学研究以及进一步的工程菌株构建工作奠定了基础     

带有木糖还原酶基因和木糖醇酶基因的重组酿酒酵母的构建

采用双载体系统,将携带有瑞氏木霉木糖醇脱氢酶基因的表达质粒ｐＡＪ４０１－ｘｄｈ１转化已带有树干毕赤氏酵母木糖还原酶基因的重组酿酒酵母Ｈ４７５,构建了同时带有毕赤氏酵母木糖还原酶基因和瑞氏木霉木产基因的重组酿酒酵母ＨＸ１,研究了重组酿酒酵母ＨＸ１对木听转化利用情况。     

瑞氏木霉内切葡聚糖酶Ⅲ基因的克隆及在酿酒酵母中的表达

采用刚果红染色法从瑞氏木霉cDNA文库中分离到一株具有CMCase活性的阳性克隆 ,测序结果显示该基因所编码的蛋白质为瑞氏木霉内切葡聚糖酶Ⅲ (EGⅢ )。对重组酿酒酵母所产生的EGⅢ进行了酶学性质分析 ,其最适pH为 5 0 ,最适温度为 60℃。检测了酿酒酵母蛋白质分泌系统组分SSO2和SEB1对EGⅢ分泌的影响。结果表明 ,在可过量表达蛋白质分泌系统组分SSO2的酿酒酵母H837中 ,EGⅢ的分泌量最高。由此分析 ,酿酒酵母SSO2蛋白可能在EGⅢ的分泌中 ,是一个限速步骤。通过PCR方法删除EGⅢ基因 5′端非翻译区的 98bp核苷酸序列使EGⅢ表达量提高了 5 3倍。这提示我们 ,瑞氏木霉的EGⅢ基因在酿酒酵母细胞中表达时 ,其mRNA 5′端先导序列中可能存在影响该基因表达水平的调控序列。     

带有木糖还原酶基因和木糖醇脱氢酶基因的重组酿酒酵母的构建

采用双载体系统,将携带有瑞氏木霉木糖醇脱氢酶基因的表达质粒pAJ401－Xdh1转化已带有树干毕赤氏酵母木糖还原酶基因的重组酿酒酵母H475,构建了同时带有毕赤氏酵母木糖还原酶基因和瑞氏木霉木糖醇脱氢酶基因的重组酿酒酵母HX1。研究了重组酿酒酵母HX1对木糖的转化利用情况。     

木霉属7个中国新记录种（英文）

报道木霉属7个中国新记录种:厚木霉、地中海木霉、矩孢木霉、近渐绿木霉、多孢木霉、特里克木霉和渐绿木霉。厚木霉分离自上海;地中海木霉、矩孢木霉、多孢木霉和特里克木霉分离自新疆;近渐绿木霉和渐绿木霉分离自四川;结合ITS、tef1-α和形态学特征进行鉴定。     

康氏木霉基因组DNA提取方法的比较研究

采用3种常规DNA提取方法提取瑞氏木霉基因组DNA。结果表明:冷冻研磨CTAB法更适合此真菌DNA的提取,试剂盒提取的总DNA纯度和浓度也较高,但是价格昂贵,饱和酚抽提法提取的DNA浓度不高,且易有降解现象,不适合分子生物学操作的要求。     

瑞氏木霉外源基因表达系统中受体菌株的改造

将解除了葡萄糖阻遏的纤维素酶高产菌株瑞氏木霉TrichodermareeseiRutC30经EMS诱变后,在酪蛋白平板上筛选出部分蛋白酶缺陷突变菌株T.reeseiRutC30M3。RutC30M3的胞外蛋白酶活力比亲本株降低约74%,但生长特性、产纤维素酶活力等性状与亲本株相同。用携带潮霉素磷酸转移酶基因(hph)的表达质粒pAN7-1分别转化瑞氏木霉RutC30和RutC30M3原生质体,转化结果显示RutC30M3(pAN7-1)对潮霉素的抗性比RutC30(pAN7-1)提高约20%,而Northernblot分析结果显示在两菌株中潮霉素基因转录水平相似,由此证明宿主菌蛋白酶缺陷对保护重组蛋白免于降解有明显作用。蛋白酶缺陷菌株RutC30M3适于作为瑞氏木霉外源基因表达系统中的受体菌株用于大量生产同源与异源蛋白。     

瑞氏木霉木糖代谢关键酶基因在不同碳源条件下的表达

用20种不同的碳源(包括单一碳源和混合碳源)分别培养瑞氏木霉(Trichoderma reesei)QM9414。通过一系列Northern杂交分析检测瑞氏木霉木糖还原酶(XR),木糖醇脱氢酶(XDH)以及转醛醇酶(TAL)mRNA的表达情况。实验结果证实,槐糖和木二糖是xr和xdh表达的强诱导物,阿拉伯糖和乳糖也有较强的诱导作用。葡萄糖在培养基中的存在阻遏该二基因的表达。当葡萄糖耗尽以后,培养基中不存在任何诱导物的情况下,xr和xdh以一定的基础水平进行转录。相比较,tal基因在每种碳源上都是强表达。     

利用红色荧光蛋白分析里氏木霉合成纤维素酶的机理

以红色荧光蛋白作为报告蛋白研究了里氏木霉的纤维素酶合成机理。构建了里氏木霉的表达盒,通过该表达盒使红色荧光蛋白的基因整合到里氏木霉的基因组DNA上,并受纤维二糖水解酶基因启动子的调控,得到重组菌株T.reeseiTR2。在不同的条件下培养T.reeseiTR2,红色荧光蛋白的表达情况可以反映在不同条件下里氏木霉合成纤维素酶的情况。在诱导的情况下,红色荧光蛋白随时间变化的情况与培养液中纤维素酶活性的变化相似,培养至36h后可以观察到荧光,并且不断增强,到菌丝自溶时荧光减弱。另一方面,诱导后里氏木霉菌丝的各个部位均可以观察到荧光,而且分布均匀,表明菌丝的各个部位在纤维素酶合成过程中所起的作用相同。在非诱导的情况下,培养时间较长时也可以观察到较弱的荧光,表明在此条件下里氏木霉仍可以合成少量的纤维素酶,这一结果为解释纤维素诱导里氏木霉合成纤维素酶的机理提供了另一个试验依据。     

2种纤维素酶水解效果比较及酶蛋白组分分析

比较了自产纤维素酶和商品纤维素酶的水解效果,并采用超滤、层析、SDS-PAGE相结合的方法分析2种纤维素酶蛋白组分的差异。里氏木霉以纸浆为C源合成的自产纤维素酶的水解得率高于商品纤维素酶,自产纤维素酶水解48h的得率为66.24%,商品纤维素酶的得率为52.19%。自产纤维素酶中存在着Cel6A酶组分和XYNⅡ酶组分,而商品纤维素酶中没有检测到这2种酶组分。自产纤维素酶和商品纤维素酶的Cel1A酶组分和Cel7A酶组分间存在着分布和含量上的差异。自产纤维素酶在相对分子质量(2.5～3.5)×104范围内存在着几条蛋白条带,而商品纤维素酶则是在相对分子质量3.5×104附近存在着几条蛋白条带。     

Evaluation of culture conditions for cellulase production by two Trichoderma reesei mutants under solid-state fermentation conditions

Response surface methodology (RSM) was used to evaluate the effects of fermentation parameters for cellulase production by Trichoderma reesei QM9414 and T. reesei MCG77 in solid-state fermentation using rice bran as substrate. Initial pH, moisture content and temperature were optimized using filter paper activity (FPA) as response. Statistical analysis of the results for T. reesei QM9414 showed that only moisture content had significant effect on cellulase activity and had a linear effect on enzyme activity (maximum enzyme activities were obtained at 70% moisture content). The results for T. reesei MCG77 showed that temperature and moisture content were the most significant parameters for cellulase activity. The optimum cellulase production was in the temperature range of 25-30 degrees C and moisture content between 55% and 70%. After the optimization, the FPA in T. reesei MCG77 was increased by 2.5 folds compared to that of T. reesei QM9414.     

Alternatives to Trichoderma reesei in biofuel production

Mutant strains of Trichoderma reesei are considered indisputable champions in cellulase production among biomass-degrading fungi. So, it is not surprising that most R&D projects on bioethanol production from lignocellulosics have been based on using T. reesei cellulases. The present review focuses on whether any serious alternatives to T. reesei enzymes in cellulose hydrolysis exist. Although not widely accepted, more and more data have been accumulated that demonstrate that fungi belonging to the genera Penicillium, Acremonium and Chrysosporium might represent such alternatives because they are competitive to T. reesei on some important parameters, such as protein production level, cellulase hydrolytic performance per unit of activity or milligram of protein.     

里氏木霉与黑曲霉混合发酵产纤维素酶及其水解特性

研究了利用里氏木霉和黑曲霉混合培养产纤维素酶,以黑曲霉孢子悬浮液的不同活化浓度及不同的活化时间来寻找2个菌种发挥最大协同作用的结合点以及所产纤维素酶的水解特性。以里氏木霉单一培养和黑曲霉单一培养为参照进行对比研究。底物为农林废弃物之一的玉米秸秆,经过蒸气爆破预处理后,用作产酶C源。结果表明:黑曲霉孢子悬浮液活化浓度为10个/mL,活化时间为12 h时,滤纸酶比酶活最高,达3.32 U/mL,高于里氏木霉单一培养的2.25 U/mL,β-葡萄糖苷酶比酶活达1.32 U/mL,高于里氏木霉单一培养的0.57 U/mL。为进一步验证混合菌产纤维素酶的水解效果,利用混合菌产纤维酶的酶液及里氏木霉产纤维素酶的酶液进行酶水解实验,当酶用量为20 U/g绝干纤维素,底物质量浓度为100 g/L条件下水解48 h,混合菌所产酶液酶解得率达70.00%,高于里氏木霉所产酶液的酶解得率63.05%。实验表明里氏木霉与黑曲霉混合培养产酶是可行的,并优于单一菌种培养。     

敲除组蛋白去乙酰化酶基因hdac对里氏木霉纤维素酶表达的调控作用

[背景]里氏木霉(Trichoderma reesei)是木霉属中产纤维素酶最具代表性的真菌之一,表观遗传调控是不涉及DNA序列变化的可遗传变化,组蛋白去乙酰化是其中一种。组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase,HDAC)负责脱乙酰化,敲除去乙酰化酶基因可引起菌株孢子、菌丝及纤维素酶活性等的一系列改变。[目的]通过敲除里氏木霉组蛋白去乙酰化酶基因(histone deacetylase,hdac)建立了里氏木霉hdac缺失突变株(T.reesei△hdac),以研究对纤维素酶基因表达的调控作用。[方法]利用Split-Maker技术构建了组蛋白去乙酰化酶基因敲除表达盒,并转化了里氏木霉T.reesei QM9414。经PCR及Southern blotting验证正确后,对突变体T.reesei△hdac连续7 d检测滤纸酶活(filter paper activity,AFP)、羧甲基纤维素钠酶活(carboxymethyl cellulase activity,CMCA),利用RT-qPCR检测纤维素酶及其相关基因cbh1、egl1和xyr1的表达。[结果]突变体T.reesei△hdac两种酶活力均显著高于出发菌株,分别高出8.00、30.00 IU/mL。突变体T.reesei△hdac纤维素酶及其相关基因cbh1、egl1和xyr1的转录水平分别为出发菌株T.reesei QM9414的6.50、6.01和4.51倍。[结论]里氏木霉中纤维素酶的基因表达明显受到组蛋白去乙酰化酶基因(hdac)的调控,这为研究里氏木霉表观遗传调控对纤维素酶的影响提供了新的证据。