CN103114089A - 源于里氏木霉的强启动子及其表达载体和应用 - Google Patents

源于里氏木霉的强启动子及其表达载体和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种源于里氏木霉的强启动子及其应用。本发明从里氏木霉(Trichoderma reesei)中分离克隆得到强启动子以及与该强启动子相对应的终止子,其核苷酸序列分别为SEQ ID No.1和SEQ ID No.2所示。本发明还提供了包含有该强启动子和与该强启动子相对应的终止子的重组表达载体及含有该重组表达载体的转化子。本发明进一步公开了它们在里氏木霉中蛋白同源或异源表达、基因定位方面的应用。

Description

源于里氏木霉的强启动子及其表达载体和应用
技术领域
本发明涉及一种真菌蛋白表达的强启动子,尤其涉及从里氏木霉中分离、克隆得到的强启动子,还涉及包含有该强启动子和终止子的质粒载体及含有该质粒载体的转化子,以及他们在里氏木霉中蛋白同源或异源表达、基因定位方面的应用,本发明属于源于里氏木霉中启动子的分离与应用领域。
背景技术
里氏木霉(Trichoderma reesei)是一种广泛存在自然界的嗜温腐生真菌,可以分泌多种酶类,包括纤维素酶、半纤维素酶以及蛋白酶和淀粉酶,尤其是纤维素酶含量很高,分泌的纤维素酶多年来已广泛应用于饲料、制糖、化纤、造纸,等行业中(Feed Industry,2003,24(1))。近年来,随着能源危机的出现,利用生物质纤维素生产生物乙醇燃料是目前解决燃料危机的有效方式之一。
纤维素酶是由葡萄糖内切酶(EC.3.2.1.4,)葡萄糖外切酶(EC.3.2.1.91)和β-葡萄糖苷酶(EC.3.2.1.2)三种主要成分组成的诱导性复合酶系。在里氏木霉所产生的纤维素酶中,内切葡聚糖苷酶和外切葡聚糖苷酶的比例相对较高,而β-葡萄糖苷酶的比例极低。在实际生产中,生物质纤维素的降解最终是由β-葡萄糖苷酶水解纤维素降解过程中释放的纤维二糖降解成葡萄糖,从而去除其对另外两种纤维素酶组成部分的阻遏作用,是纤维素水解过程中的最后一步,也是最关键的限制因素。但里氏木霉中β-葡萄糖苷酶活低成为大规模工业化生产纤维素酶的瓶颈因素。提高里氏木霉中的β-葡萄糖苷酶的活力成为整体提高里氏木霉纤维素酶活力以及其水解能力的关键。里氏木霉中β-葡萄糖苷酶基因的稳定高效表达进而提高酶活,已成为各国研究人员努力公关的项目之一。针对上述问题,一些研究人员致力于传统方式的菌种改造上,通常采用诱变育种方式获得高产菌株,来提高β-葡萄糖苷酶的酶活,虽然也取得了一定的进展(乐易林等,2005;张秋卓等,2009;韩承业等,2010;覃玲灵,2011),但该方式得到的菌株常存在菌种退化、突变问题,而且筛选工作量大,周期长,诱变菌株在生产中并没有得到很好的应用。
目前对于里氏木霉的研究主要集中在基因的诱导表达获得目的产物上,尤其是在各种分泌性目的蛋白类,对于菌种本身的研究较少。基因诱导表达中,最重要的工作是基因表达的第一阶段即转录过程,转录的“开关”启动子决定转录的起始位点,基因表达的程度,在里氏木霉中,广泛使用编码外切葡聚糖酶的基因cbh1的启动子,应用该启动子可提高目的基因的表达量,也可提高某种纤维素酶组分的产量(T Liu et al.2008,Z Rahmanet al.2009,J Zhang et al.2010,O Ribeiro et al.2010,Y Zhong etal.2011,L Ma et al.2011,LN Qin et al.2012),但cbh1启动子是一个诱导型的启动子,必须在诱导条件下才能强启动目的基因的表达,另外,该启动子与里氏木霉中其他参与纤维素酶调控的转录因子存在相互作用。因此,采用cbh1启动子往往并不一定能高效表达目的基因,因此找到一种能够高强度并稳定表达的强启动子尤为重要。
发明内容
鉴于上述状况,本发明目的之一在于提供一种从里氏木霉(Trichoderma reesei)中所分离、克隆的强启动子RPL。
本发明的另一目的在于构建一种含有该强启动子RPL和与其对应的终止子的质粒载体及其包含该质粒载体的任何转化子。
本发明的目的之三是将含有该强启动子RPL和与其对应的终止子的质粒载体应用于里氏木霉中控制蛋白在体内的强烈表达,以及应用于关键目的基因的定位。
为实现上述目的,本发明一方面提供了一种从里氏木霉(Trichoderma reesei)中所分离、克隆的强启动子RPL,其多核苷酸序列为(a)或(b)所示:
(a)、SEQ ID No.1所示的多核苷酸序列;
(b)、与SEQ ID NO:1的互补序列在严谨杂交条件能够进行杂交的多核苷酸,该多核苷酸仍具有启动子的功能或活性。
优选的,本发明所述的从里氏木霉(Trichoderma reesei)中所分离强启动子为SEQ ID No.1所示的多核苷酸序列。
本发明从里氏木霉(Trichoderma reesei)中所分离、克隆的强启动子RPL的基因序列中没有TATA框,在-80~-110bp处的富含GCCACACCC或GGGCGGG序列的GC框基因序列,富含GC框赋予该启动子高速转录起始频率,同时该启动子基因序列远隔部位富有AT碱基对,能加速转录起始的频率,该基因序列特点决定了启动子RPL在里氏木霉的菌丝、孢子的生长阶段均可以高强度启动,快速持续高效稳定的启动RNA聚合酶进行转录过程。
本发明还提供了对应于该从里氏木霉(Trichoderma reesei)中所分离、克隆的强启动子RPL的终止子,该终止子的多核苷酸序列为SEQ ID No.2。
本发明进一步提供了一种在真菌或里氏木霉中表达外源基因的重组表达载体或表达盒以及含有该重组表达载体或表达盒的重组宿主菌株或转化子。
该重组表达载体或表达盒包括:本发明所分离的强启动子、待转录的外源基因序列以及终止子;其中,待转录的外源基因序列位于强启动子下游,终止子位于待转录的外源基因序列的下游。
所述的待转录的外源基因可以是编码纤维素酶、半纤维素酶、蛋白酶或淀粉酶的各种多核苷酸序列。
将本发明所分离的强启动子可操作的与待转录的外源基因相连接,可以指导或调控待转录的外源基因在真菌或里氏木霉中进行转录或表达。例如,将本发明的启动子可操作的与编码纤维素酶的核苷酸序列相连接(其中,该编码纤维素酶的核苷酸序列还与3′非编码区可操作的连接,所述的3′非编码区可以包含终止子序列、mRNA切割序列等)得到可以在真菌或里氏木霉中表达纤维素酶的重组表达载体。
将本发明所述启动子与待转录的异源性DNA序列进行可操作的连接,即得到在真菌或里氏木霉中转录或表达所述待转录的外源基因的重组表达载体。可以采用任何常规的转化方法(例如,直接摄取、转导、f配对或所属领域中已知的其它方法)将所述的重组表达载体转化到真菌或里氏木霉中,得到相应的转化子或重组宿主菌株。
本发明所分离的强启动子RPL在里氏木霉的菌丝、孢子的生长阶段均可以高强度启动,快速持续高效稳定的启动RNA聚合酶进行转录过程,进一步的,本发明提供了包含强启动子RPL和与其对应的终止子的质粒载体在里氏木霉中蛋白同源或异源表达、基因定位方面的应用。
里氏木霉中蛋白同源或异源表达是指该强启动子不仅可以启动RNA聚合酶促使转录表达里氏木霉菌体内各个组织蛋白及其分泌的胞内或胞外蛋白,还可以是非组织或分泌蛋白,没有同源性的外源基因或蛋白。
本发明所涉及到的术语定义
除非另外定义,否则本文所用的所有技术及科学术语都具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所了解相同的含义。虽然在本发明的实践或测试中可使用与本文所述者类似或等效的任何方法、装置和材料,但现在描述优选方法、装置和材料。
术语“严谨杂交条件”意指在所属领域中已知的低离子强度和高温的条件。通常,在严谨条件下,探针与其靶序列杂交的可检测程度比与其它序列杂交的可检测程度更高(例如超过本底至少2倍。严谨杂交条件是序列依赖性的,在不同的环境条件下将会不同,较长的序列在较高温度下特异性杂交。通过控制杂交的严谨性或洗涤条件可鉴定与探针100%互补的靶序列。对于核酸杂交的详尽指导可参考有关文献(Tijssen,Techniques in Biochemistry and Molecular Biology-Hybridizationwith Nucleic Probes,"Overview of principles of hybridizationand the strategy of nucleic acid assays.1993)。更具体的,所述严谨条件通常被选择为低于特异序列在规定离子强度pH下的热熔点(Tm)约5-10℃。Tm为在平衡状态下50%与目标互补的探针杂交到目标序列时所处的温度(在指定离子强度、pH和核酸浓度下)(因为目标序列过量存在,所以在Tm下在平衡状态下50%的探针被占据)。严谨条件可为以下条件:其中在pH 7.0到8.3下盐浓度低于约1.0M钠离子浓度,通常为约0.01到1.0M钠离子浓度(或其它盐),并且温度对于短探针(包括(但不限于)10到50个核苷酸)而言为至少约30℃,而对于长探针(包括(但不限于)大于50个核苷酸)而言为至少约60℃。严谨条件也可通过加入诸如甲酰胺的去稳定剂来实现。对于选择性或特异性杂交而言,正信号可为至少两倍的背景杂交,视情况为10倍背景杂交。例示性严谨杂交条件可如下:50%甲酰胺,5×SSC和1%SDS,在42℃下培养;或5×SSC,1%SDS,在65℃下培养,在0.2×SSC中洗涤和在65℃下于0.1%SDS中洗涤。所述洗涤可进行5、15、30、60、120分钟或更长时间。
术语“转化子”或“重组宿主菌株”意指包含本发明强启动子RPL和与其对应的终止子的质粒载体的受体细胞,而不管使用何种方法进行插入以产生受体细胞,例如直接吸取、转导或所属领域中已知的其它方法。
术语“多核苷酸”意指单股或双股形式的脱氧核糖核苷酸、脱氧核糖核苷、核糖核苷或核糖核苷酸及其聚合物。除非特定限制,否则所述术语涵盖含有天然核苷酸的已知类似物的核酸,所述类似物具有类似于参考核酸的结合特性并以类似于天然产生的核苷酸的方式进行代谢。除非另外特定限制,否则所述术语也意指寡核苷酸类似物,其包括PNA(肽核酸)、在反义技术中所用的DNA类似物(硫代磷酸酯、磷酰胺酸酯等等)。除非另外指定,否则特定核酸序列也隐含地涵盖其保守修饰的变异体(包括(但不限于)简并密码子取代)和互补序列以及明确指定的序列。特定而言,可通过产生其中一个或一个以上所选(或所有)密码子的第3位经混合碱基和/或脱氧肌苷残基取代的序列来实现简并密码子取代(Batzer等人,Nucleic Acid Res.19:5081(1991);Ohtsuka等人,J.Biol.Chem.260:2605-2608(1985);和Cas sol等人,(1992);Rossolini等人,Mol Cell.Probes8:91-98(1994))。
术语“多肽”、“肽”和“蛋白”在本文中互换使用以意指氨基酸残基的聚合物。即,针对多肽的描述同样适用于描述肽和描述蛋白且反之亦然。所述术语适用于天然产生氨基酸聚合物以及其中一个或一个以上氨基酸残基为非天然编码氨基酸的氨基酸聚合物。如本文中所使用,所述术语涵盖任何长度的氨基酸链,其包括全长蛋白(即抗原),其中氨基酸残基经由共价肽键连接。
术语“启动子”能够在真菌中指导或调控所控制的开放阅读框(ORF)在真菌中的转录或表达,具有持续性、不表现时空特异性。
术语“外源基因”指该DNA序列对该特定的宿主细胞而言属于外来的来源,或若来自相同的原始来源但对该原始序列进行了修饰或改造。
术语“可操作的连接”指两个或更多个元件之间功能性的连接,可操作的连接的元件可为邻接或非邻接的。
术语“转化”:将外源基因序列引入到宿主细胞或有机体的方法。
术语“表达”:内源性基因或转基因在宿主细胞中的转录和/或翻译。
术语“编码序列”:转录成RNA的核酸序列。
附图说明
图1是含有里氏木霉RPL启动子和终止子的表达载体pCAMBIA1300-RPL的构建流程图;
图2是绿色荧光蛋白GFP重组表达载体pCAMBIA1300-RPLGFP的构成流程图;
图3是孢子明场拍摄图;
图4是孢子荧光观察图;
图5是菌丝明场拍摄图;
图6是菌丝荧光观察图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明,本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的,并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是,在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换,但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
实施例1:从里氏木霉中分离启动子RPL
从里氏木霉菌株QM9414(实验室保存)中提取基因组DNA作为模板,再根据里氏木霉基因组数据库中的信息设计引物,采用高保真PCR获得目的片段。
里氏木霉生殖菌丝细胞基因组DNA的提取
将生长于PDA平板上的里氏木霉菌株QM9414孢子用灭菌水清洗,清洗后用灭菌三层擦镜纸过滤,浓度稀释至孢子含量106个/ml;取1ml孢子悬液接种于含有80ml CM培养基的三角瓶中,28°C,180rpm培养24h。将培养好的菌丝用灭菌三层擦镜纸过滤,并用蒸馏水清洗菌丝2-3次后收集,用吸水纸吸干,冻存于-20°C。将收集得到的菌丝用液氮研磨,2-3次;所得的菌丝粉末转移到1.5ml离心管中,每管加入2%的CTAB 700μL;将1.5ml离心管上下颠倒混匀,65℃保温30min,每隔10min摇匀1次;再加入等体积氯仿:异戊醇(24:1,V/V),平板摇床上轻摇10min后,12000r/min离心10min;取上清,加入等体积异丙醇,颠倒混匀后,室温放置10min,12000r/min离心10min,倒掉上清,加70%的酒精500μL洗沉淀,室温干燥加入50μLTE dd H2O使DNA完全溶解,加入RNase A(10mg/mL),65℃保温30min,最后DNA溶于30μL ddH2O中。
RPL启动子基因片段PCR(聚合酶链式反应)扩增
根据里氏木霉基因组数据库中的信息设计引物序列如下:
PRPLp1:5’-TTggtaccCAAGAGGCCACGGAACAAT-3’
PRPLp2:5’-AAggatccGTTTTGGTGGTGGTCTCTTCTA-3’
小写字体表示对应的酶切位点,上游引物中引入KpnI,下游引物中引入BamHI。
PCR反应条件为:94°C 5分钟,(94°C 30秒,55°C 30秒,68°C 1分30秒)共计35个循环,72°C 10分钟。
PCR反应体系为:里氏木霉基因组DNA1μl,Taq plus聚合酶1μl,浓度100mM引物各0.4μl,Taq plus缓冲液5μl,浓度25mMdNTP1μl,其余用水补足至50μl。将上述反应体系溶液放入PCR扩增仪中进行扩增,94°C,5分钟高温变性,变性中94°C30秒致使DNA双链完全变性,迅速降温至55°C保持30秒,最终升温至72°C 10分钟进行链延伸,待反应完毕,将PCR产物经琼脂糖凝胶电泳后胶回收纯化。
RPL启动子基因的获得
将PCR胶回收RPL启动子基因产物3μl,pUCM-T载体1μl,T4连接酶1μl,T4连接酶缓冲液1μl混合,其余用ddH2O补足至10μl,应用T4连接酶处理纯化回收后的克隆启动子基因产物和pUCM-T载体,促使RPL启动子基因与pUCM-T基因重组,将重组的pUCM-T载体转染至大肠杆菌DH-5α,挑取阳性克隆,并经菌落PCR及酶切验证,验证正确后送样测序,其核苷酸序列为SEQ ID No.1。
实施例2:相对应于里氏木霉RPL终止子的获得
根据里氏木霉基因组数据库中的信息设计引物,利用高保真PCR获得目的片段RPL终止子。引物序列如下:
TRPLp1:5’-ATtctagaCGAGGAGCTGCTTTCTTAT-3’
TRPLp2:5’-AAgtcgacTTTCTCGTACTGGCAACA-3’
引物序列中小写字体表示对应的酶切位点,上游引物中引入XbaI,下游引物中引入SalI。
PCR反应条件与、反应体系、反应进程同实施例1启动子RPL的PCR扩增的反应条件、反应体系、反应进程相同。
PCR产物经琼脂糖凝胶电泳后胶回收纯化,将PCR胶回收RPL终止子基因产物3μl,pUCM-T载体1μl,T4连接酶1μl,T4连接酶缓冲液1μl混合,其余用ddH2O补足至10μl,应用T4连接酶处理纯化回收后的克隆终止子基因产物和pUCM-T载体,促使RPL终止子基因与pUCM-T基因重组,将重组的pUCM-T载体转染至大肠杆菌DH-5α,挑取阳性克隆,并经菌落PCR及酶切验证,验证正确后送样测序,其核苷酸序列为SEQ ID No.2。
实施例3:构建含有里氏木霉RPL启动子和终止子的表达载体
图1是构建含有里氏木霉RPL启动子和终止子的表达载体的过程。从图中可以看到,表达载体构建过程如下:将原始的pCAMBIA1300质粒用RPL启动子含有的酶切位点KpnI和BamHI双限制性内切酶酶切切后,与RPL启动子(SEQ ID No.1)相连接,连接体系如实施例1或2中的重组载体的连接所述条件体系,构建含有里氏木霉RPL启动子表达载体。连接产物转化至大肠杆菌DH-5α,将含有重组质粒载体的大肠杆菌DH-5α涂于含有卡那霉素抗性的平板上筛选,挑取转化子培养,提取质粒并酶切验证。将验证正确的含有RPL启动子的载体用XbaI和SalI双限制性内切酶酶切,与RPL终止子(SEQ ID No.2)相连接,连接体系如实施例1或2中的重组载体的连接所述条件体系。连接产物转化大肠杆菌DH-5α,转化产物涂于含有卡那霉素抗性的平板上筛选,挑取转化子培养,提取质粒并酶切验证,将构建好的载体命名为pCAMBIA1300-RPL。
实施例4:绿色荧光蛋白GFP重组表达载体的构建
图2是绿色荧光蛋白GFP重组表达载体构建过程,具体如下:
根据已有的GFP序列设计引物,引物序列如下:
GFPp1:5’-ATggtaccATGGTGAGCAAGGGCGAGGAGC-3’
GFPp2:5’-TTtctagaCTTGTACAGCTCGTCCAT-3’
引物序列中小写字体表示对应的酶切位点,上游引物中引入BamHI,下游引物中引入XbaI。
PCR反应条件为:94°C 5分钟,(94°C 30秒,55°C 30秒,68°C 1分30秒)共计35个循环,72°C 10分钟。
连接条件:GFP扩增产物3μl,pUCM-T载体1μl,T4连接酶1μl,T4连接酶缓冲液1μl混合,其余用ddH2O补足至10μl,4°C过夜。
将扩增得到的GFP基因片段连接到pUCM-T载体中,转化至大肠杆菌,并对所得到的转化子提取质粒并酶切验证,经测序鉴定,得到的GFP片段为正确插入片段。重组载体pCAMBIA1300-RPL用BamHI和XbaI双限制性内切酶酶切后,将GFP片段与酶切好的载体连接,并转化至大肠杆菌中。转化产物涂于含有卡那霉素抗性的平板上筛选,挑取阳性转化子培养,提取质粒并用B amHI和XbaI双限制性内切酶酶切验证。验证正确的载体命名为pCAMBIA1300-RPLGFP。
实施例5:RPL启动子启动荧光蛋白在里氏木霉体内强烈表达
农杆菌介导ATMT法转化pCAMBIA1300-RPLGFP重组载体到里氏木霉中:采用冻融法转化,即将pCAMBIA1300-RPLGFP载体转入到农杆菌AGL1中。从新鲜培养的LB平板(含50μg/ml卡那霉素)上挑选一农杆菌单菌落接种于5ml含卡那霉素的LB中,28°C 200rpm过夜培养;第二天将200-400μl培养液转移到5ml含200μmol/L AS和50μg/ml卡那霉素的诱导液体培养基AIM中,OD值约0.15,28°C培养5-6h使OD600达到0.5-0.6。
里氏木霉孢子的收集:用5ml灭菌蒸馏水从培养10d的PDA平板上洗下孢子,在装有无菌玻璃珠的试管中,涡旋振荡后,三层擦镜纸过滤后,5000rpm离心,用无菌水清洗两次后,用血球计数板计数。
共转化:将100μl培养好的农杆菌AGL-1菌液和100μl稀释好的里氏木霉孢子悬浮液混合,然后均匀涂布混合液于铺有硝酸纤维素膜(NC)的AIM平板上,20°C共培养48h;将膜剪成小片,在选择性培养基PDA上25°C培养,直到转化子出现。选择性培养基中含200μg/ml潮霉素、400μg/ml头孢霉素、60μg/ml链霉素。转化子长出后,再在含有200μg/ml潮霉素的PDA平板上再次筛选。
荧光观察:
将再次筛选得到的转化子接到PDA平板上,28°C培养2-3天,至新鲜孢子长出。牙签挑取转化子于载玻片上,置于激光共聚焦显微镜下观察。
图3是孢子明场拍摄影像,图4是孢子荧光观察图,图5是菌丝明场拍摄影像,图6是菌丝荧光观察图,通过共聚焦显微镜观察发现,在里氏木霉的孢子和菌丝中均有强烈的荧光表达,证明本发明所分离的RPL启动子可以在里氏木霉的孢子和菌丝中强烈启动GFP的稳定高效表达。
以上结合具体实施方案对本发明进行了说明。不过,这些实施方案仅是说明性的,其对本发明的保护范围并不构成任何限制。本领域技术人员理解,在不超出或偏离本发明保护范围的情况下,本发明的技术方案及其实施方式有多种修饰、改进或等价物,这些均应落入本发明的保护范围内。
Figure IDA00002530347300011
Figure IDA00002530347300021

Claims (10)

1.一种从里氏木霉(Trichoderma reesei)中所分离、克隆的强启动子,其特征在于,其多核苷酸序列为(a)或(b)所示:
(a)、SEQ ID No.1所示的多核苷酸序列;
(b)、与SEQ ID NO.1的互补序列在严谨杂交条件能够进行杂交的多核苷酸,该多核苷酸具有启动子的功能或活性。
2.从里氏木霉(Trichoderma reesei)中所分离、克隆的与权利要求1所述强启动子相对应的终止子,其特征在于:该终止子的多核苷酸序列为SEQ ID No.2所示。
3.含有权利要求1所述强启动子的重组表达载体。
4.含有权利要求2所述终止子的重组表达载体。
5.一种重组表达载体,其特征在于,包括:权利要求1所述的强启动子、待转录的外源基因以及终止子;其中,待转录的外源基因序列位于强启动子下游,终止子位于待转录的外源基因序列的下游。
6.按照权利要求5所述的重组表达载体,其特征在于:所述的待转录的外源基因是编码纤维素酶、半纤维素酶、蛋白酶或淀粉酶的任意一种多核苷酸序列;所述终止子的多核苷酸序列为SEQ ID No.2所示。
7.含有权利要求3-6任何一项所述重组表达载体的宿主细胞。
8.权利要求1所述的强启动子在指导外源基因在真菌细胞中转录或表达中的应用。
9.权利要求1所述的强启动子在定位外源基因在真菌细胞中表达位置中的应用。
10.权利要求3-6任何一项所述重组表达载体在真菌细胞中表达外源基因或定位外源基因在真菌细胞中表达位置中的应用。
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