CN103911381A - 羊kap基因在改良蚕丝机械性能和染色性能中的应用及其重组表达载体 - Google Patents

羊kap基因在改良蚕丝机械性能和染色性能中的应用及其重组表达载体 Download PDF

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赵爱春
张阳
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Abstract

本发明公开了羊毛角蛋白相关蛋白KAP基因在改良蚕丝机械性能和染色性能中的应用及其重组表达载体,将羊毛角蛋白相关蛋白KAP在家蚕中重组表达后KAP与茧丝的主体——丝素——融合表达,在丝腺分泌丝素的过程中,KAP蛋白就能稳定均匀地分布在丝素之中,因此能改善蚕丝的机械性能和染色性能,为利用茧丝大量生产新型医用和军事材料等高附加值绢丝素材打下良好的理论和实践基础。

Description

羊KAP基因在改良蚕丝机械性能和染色性能中的应用及其重组表达载体
技术领域
本发明属于生物技术领域,特别涉及一种涉及羊KAP基因在改良蚕丝机械性能和染色性能中的应用及其重组表达载体。
背景技术
中国是一个蚕丝大国,也是古代丝绸之路的发源地。家蚕是目前世界上人类利用的最成功和最悠久的经济昆虫之一,家蚕的驯化、饲养已有约五千年历史。到目前为止蚕业所获得的蚕茧仍是一种重要的纺织工业原料之一。作为纺织材料,蚕丝虽然具有吸湿性好、保暖性强等优点,但也存在摩擦强度、屈曲强度差于合成纤维、绢丝材料易生折皱和不够结实、丝绸织物水洗日晒后易变黄褪色等固有的缺点。如果能有效地克服蚕丝这些固有的缺点,将会大大改善蚕丝的品质,推动丝绸织物的更高端、更广泛应用。此外,作为一种理想的生物材料,蚕丝因其具备独特的力学性能、良好的生物相容性、可缓慢生物降解等特性在近年来受到广泛关注。但该类研究中茧丝均需经过脱胶、溶解、透析、成膜等过程,不仅技术流程复杂,而且容易失去蚕丝原有的优良特性。因此,寻找一种简单有效的直接获取成品材料的茧丝改良方法对蚕丝作为生物材料和克服茧丝固有缺点具有重要意义。
近十年来,家蚕转基因技术的建立及成熟为蚕丝的新用途开发及性能改良提供了新途径。特别是家蚕滞育品种转基因技术和家蚕高效丝腺表达系统的建立,使我们通过这些技术体系创制力学性能和染色性能等综合品质优良的茧丝家蚕转基因实用品系而克服茧丝易生折皱和染色性能差等固有缺点成为可能。遗憾的是,到目前为止,利用蜘蛛丝改善蚕丝机械性能的研究中得到的蚕丝机械性能虽有一定的提高,但综合性能如同时兼顾韧性、刚性、弹性等与天然蜘蛛丝特性仍有一定的差距,而有关转基因改良茧丝染色性能研究报道还未曾见。
羊毛也是纺织工业的重要原料,它具有弹性好、吸湿性强、保暖性好等优点。与蚕丝等其他纤维相比,羊毛的强度较低,但断裂伸长率高,可达40%,这一特性使羊毛制品具有良好的弹性,不易生折皱,是羊毛得到广泛应用中不可缺少的特性之一。另外,与蚕丝等其他纤维相比,羊毛具有优良的染色性能,这也是羊毛到广泛应用中不可缺少的另一个特性。这两个特性都与羊毛蛋白的结构和氨基酸组成有密切关系。
基于以上考虑和我们的研究基础,本发明利用家蚕滞育品种转基因技术体系和家蚕丝素重链表达系统在家蚕实用品种中表达重组羊毛角蛋白相关蛋白(KAP,keratin-associate protein)来改善蚕丝的染色性能与机械性能,创制高性能茧丝素材。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的之一在于提供羊KAP基因在改良蚕丝机械性能和染色性能中的应用;本发明的目的之二在于提供改良蚕丝机械性能和染色性能的重组表达载体。
为实现上述发明目的,提供如下技术方案:
1、 羊毛角蛋白相关蛋白KAP基因在改良蚕丝机械性能和染色性能中的应用。
优选的,所述羊毛角蛋白相关蛋白KAP基因的核苷酸序列如SEQ ID NO.1或SEQ ID NO.2所示。
优选的,所述羊毛角蛋白相关蛋白KAP基因编码的氨基酸如SEQ ID NO.3或SEQ ID NO.4所示。
优选的,所述重组表达载体含有表达如SEQ ID NO.1或SEQ ID NO.2所示核苷酸序列的表达框。
更优选的,所述表达框的启动子为家蚕丝素重链启动子。
本发明中,h表示小时,min表示分钟。
本发明的有益效应在于:本发明首次设计优化并人工合成了适用于在家蚕体内表达的羊毛角蛋白相关蛋白KAP (KAP4.3或KAP5.4),并利用piggyBac转座子结合家蚕丝素重链表达系统在家蚕丝腺中高效表达合成的羊毛角蛋白相关蛋白KAP(KAP4.3或KAP5.4),从而获得了可稳定在茧丝蛋白中融合表达KAP4.3或KAP5.4基因的转基因家蚕系,进而提高茧丝的染色性能好与机械性能强。本发明还具有如下优点:
本发明根据家蚕基因组序列数据中内源基因表达序列密码子的偏好性,对羊毛角蛋白相关蛋白KAP基因序列进行了优化设计,使人工合成的KAP基因(KAP4.3或KAP5.4)更有利于在活体家蚕个体中表达;②本发明中表达KAP基因的形式为家蚕丝素重链融合表达,令KAP基因与茧丝的主体——丝素——融合表达,在丝腺分泌丝素的过程中,KAP相关蛋白就能稳定均匀地分布在丝素之中,再经过吐丝过程的压榨结晶,使得KAP蛋白与丝素牢固的结合,即使在缫丝和生丝精炼的过程中,KAP蛋白也不会因为脱胶而流失;③用本发明的KAP4.3或KAP5.4基因的蚕丝生产出的纤维织物,能改善并克服普通蚕丝染色性能差,易掉色等多年来蚕丝工业生产中无法克服的缺点;并且还能提高茧丝的机械性能,实验表明转基因茧丝无毒且生物相容性满足生物材料的基本要求;④对本发明创造的转羊毛角蛋白相关蛋白KAP相关基因茧丝材料的研究,在阐明决定丝纤维机械特性等关键因素的科学理论方面也具有重要意义,将为进一步利用茧丝大量生产新型医用和军事材料等高附加值绢丝素材打下良好的理论和实践基础。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚,本发明提供如下附图:
图1为家蚕转基因重组载体pBac{3×P3-DsRed;FibH-KAP4.3-LBS}和pBac{3×P3-DsRed;FibH-KAP5.4-LBS}结构示意图。
图2转基因家蚕茧丝及非转基因茧丝机械性能对比分析结果图(A: 抗拉强度;B: 伸长率;C: 抗拉强度统计结果;D:伸长率统计结果 )。
图3双活性染料上染转基因家蚕和非转基因家蚕茧丝上染率及固色率比较图。
图4单活性染料上染转基因家蚕和非转基因家蚕茧丝上染率及固色率比较图。
图5转基因家蚕和非转基因家蚕茧丝总固色率比较结果图。
具体实施方式
下面将结合附图,对本发明的优选实施例进行详细的描述。实施例中未注明具体条件的实验方法,通常按照常规条件,例如分子克隆实验指南(第三版,J. 萨姆布鲁克等著)中所述的条件,或按照制造厂商所建议的条件。
实施例1
一、羊毛角蛋白相关蛋白(keratin-associated proteins,KAP)的序列优化
本发明根据家蚕基因组序列数据中内源基因表达序列密码子的偏好性,对来源于羊的KAP基因序列(基因登录号:GI:238637219和GI:57164397)进行优化设计,优化后的核苷酸序列如SEQ ID NO.1和SEQ ID NO.2,分别命名为KAP4.3和KAP5.4,其氨基酸序列如SEQ ID NO.3和SEQ ID NO.4所示。
二、构建家蚕转基因重组载体
依据目前家蚕公知公用基于piggyBac转座载体的转基因技术的要求,构建家蚕转基因重组载体pBac{3×P3-DsRed;FibH-KAP4.3-LBS}(图1A)和pBac{3×P3-DsRed;FibH-KAP5.4-LBS}(图1B)。其详细制备方法如下:人工合成的KAP4.3和KAP5.4基因,分别连接于pUC57载体质粒;通过BamHI/XbaI双酶切pUC57载体质粒,分别回收得到相应的KAP4.3和KAP5.4基因片段,然后将其连接进相同酶切的pSL-LBS-EGFP+Fib-H P3载体(pSL-LBS-EGFP+Fib-H P3载体参见公开号为CN1912116A的中国专利),即用KAP4.3或KAP5.4替换EGFP基因序列,分别得中间载体pSL{FibH-KAP4.3-LBS}和pSL{FibH-KAP5.4-LBS};随后通过AscI/FseI双酶切pSL{FibH-KAP4.3-LBS}和pSL{FibH-KAP5.4-LBS}载体,分别回收FibH-KAP4.3-LBS和FibH-KAP5.4-LBS序列,然后将其连接进相同酶切的pBac{3×P3-DsRed}载体,即得到转基因重组载体pBac{3×P3-DsRed;FibH-KAP4.3-LBS}和pBac{3×P3-DsRed;FibH-KAP5.4-LBS}。其构建获得的转基因重组载体以眼和神经特异的启动子3×P3启动的红色荧光蛋白(DsRed)的表达盒,红色荧光蛋白作为筛选标记,其后含有表达优化后KAP基因的家蚕丝素重链表达系统,该系统利用家蚕丝素重链启动子(FibH)启动KAP4.3或KAP5.4基因在家蚕丝腺中特异表达,并与丝素重链融合表达(家蚕丝素重链启动子参见公开号为CN1912116A的中国专利)。
实施例 2
用商业化滞育家蚕品系871作为原始材料,亲代蚕卵经16℃低温催青处理以解除子代蚕卵的滞育;然后取10~15nL浓度为400ng/μL的重组载体pBac{3×P3-DsRed;FibH-KAP4.3-LBS}与辅助质粒pHA3PIG的混合液注射至解除滞育的247粒G0代蚕卵中,用无毒胶水封口以后置于25℃、相对湿度为85%的环境中催青孵化,孵化获得177头G0代蚁蚕,然后将蚁蚕用桑叶饲养至化蛾,获得36头G0代蚕蛾,将获得的蚕蛾通过回交或自交共获得22圈G1代蚕卵,用Olympus®电动宏观荧光显微镜观察,经筛选获得1个发红色荧光的蛾圈,共获得15头在眼部发红色荧光的阳性转基因家蚕,其转化效率为4.5%。将获得的阳性转基因家蚕饲养至上蔟采茧并进一步自交选纯,即获得能稳定遗传的在蚕茧中表达KAP4.3基因的转基因品系。然后检测转基因茧丝的机械性能,结果如图2所示。结果显示,转基因茧丝强度和弹性分别为非转基因家蚕品系871茧丝的1.6倍和2.2倍。再采用双活性染料上染转基因KAP4.3系家蚕和非转基因871家蚕的茧丝,结果如图3所示。结果表明,转基因KAP4.3系茧丝比非转基因对照871系茧丝上染率下降,但转基因KAP4.3系茧丝的固色率可达84.52%,显著高于非转基因对照871系茧丝。接着用单活性染料上染转基因KAP4.3系家蚕和非转基因871系家蚕茧丝,结果如图4所示。结果显示,单活性染料染色与双活性染料染色结果相似,转基因KAP4.3系茧丝上染率(约60%)依旧低于非转基因对照871系茧丝,但转基因KAP4.3系茧丝的固色率显著地超出非转基因871系,达到81.32%。经计算当采用双活性染料时,转基因KAP4.3系比非转基因871系茧丝总固色率略有下降,但均在60%以上,无显著差异(图5A)。当采用单活性染料时,转基因KAP4.3系比非转基因871系茧丝总固色率显著提高,可达50%,接近采用双活性染料时茧丝总固色率,染色性能变化显著(图5B)。上述结果显示,获得的转基因KAP4.3系茧丝的机械性能和染色固色性能与非转基因871系茧丝相比,都得到了显著的提高。
实施例 3
用商业化滞育家蚕品系871作为原始材料,亲代蚕卵经16℃低温催青处理以解除子代蚕卵的滞育;用10~15nL浓度为400ng/μL的重组载体pBac{3×P3-DsRed;ibH-KAP5.4-LBS}与辅助质粒pHA3PIG的混合液注射至解除滞育的234粒G0代蚕卵中,用无毒胶水封口以后置于25℃、相对湿度为85%的环境中催青孵化,孵化获得126头G0代蚁蚕,然后将蚁蚕用桑叶饲养至化蛾,获得17头G0代蚕蛾,将获得的蚕蛾通过回交或自交共获得10圈G1代蚕卵,用Olympus®电动宏观荧光显微镜观察,经筛选获得1个发红色荧光的蛾圈,共获得6头在眼部发红色荧光的阳性转基因家蚕,其转化效率为4.5%。将获得的阳性转基因家蚕饲养至上蔟采茧并进一步自交选纯,即获得能稳定遗传的在蚕茧中表达KAP5.4基因的转基因品系。然后检测转KAP5.4基因茧丝的机械性能,结果如图2所示。结果显示,转基因茧丝强度和弹性分别为非转基因家蚕品系871茧丝的1.33倍和2.33倍。然后采用双活性染料上染转基因KAP5.4系家蚕和非转基因871家蚕茧丝,结果如图3所示。结果表明,转基因KAP5.4系茧丝比非转基因对照871系茧丝上染率略有下降,但转基因KAP5.4系茧丝的固色率高于非转基因对照871系茧丝,并具有显著性差异。用单活性染料上染转基因KAP5.4系家蚕和非转基因871系家蚕茧丝,结果如图4所示。结果显示,转基因KAP5.4系茧丝上染率和固色率与非转基因871系茧丝相比无显著性差异。经计算当采用双活性染料时,转基因KAP5.4系比非转基因871系茧丝总固色率基本相同,无显著差异(图5A)。当采用单活性染料时,转基因KAP5.4系比非转基因871系茧丝总固色率略有提高,但无显著性差异(图5B)。综合结果显示,虽然转基因KAP5.4系茧丝的染色固色性能与非转基因871系茧丝相比并没有较大提高,但是其机械性能得到了显著的提高。
因此,将羊KAP基因改良后在家蚕中重组表达后能够提高茧丝的机械性能和染色性能。
<110> 西南大学
<120> 羊KAP基因在改良蚕丝机械性能和染色性能中的应用及其重组表达载体
<160> 4
<210> 1
<211> 933
<212> DNA
<213> KAP4.3基因序列
<220>
<223>
<400> 1
atggtgtcat cttgctgtgg tagcgtttgc tccgaccaat cgtgtggaag aagtctgtgc 60
caggaaacat gttgccgccc ttcatgttgc caaactacct gttgccgtac gacatgttac 120
aggccatctt gcggcgtcag ctcctgttgc agacctgtat gttgccagcc cacttgtcct 180
cgcccaacct gctatatctc gagttgttca cgtccgtctt gctgtgtgag ctcctgcggt 240
tcgagttgtt acaggcccac gggatgcatt tcatcttgtt atagacctca atgctgtcag 300
ccagtttgct gtcaaccgac atgcccccgc cctacttgtt gcataagctc ctgtcgtcca 360
aggtgctgtc agccggtctg ctgtcaaccc acctgcccta gaccaacgtg ttgcatctcg 420
agttgttacc gcccgtcatc ttgcggcagc tcctgtggtt cgagttgcta tcgtcccaca 480
ggatgtattt catcttgcta caggcctcag tgttgccaac cagtatgttg ccagccgact 540
tgtagcagac ccacctgctg tatatcctcg tgctatcgcc ctcaatgttg ccagccagtg 600
tgttgccaac cgacgtgtcc ccgtcctaca tgctgtatca gttcatgcta caggccatct 660
agctgtggct cctcgtgcgg tagttcatgt tatagaccga cttgctgtat ttctagctgc 720
cgcccccgtt gttgccagcc tgtttgttgc caaccatcct gtccgaggat atcgagttgc 780
tgtagaccct catgctactc tagctcctgt tgccgccctt cgtgctgctt gcgtccagtc 840
tgcggtagag tatcctgcca caccacgtgc tacaggccaa cctgcgtgat tagcacttgc 900
cccagaccag tttcatgccc ttcatcttgc tgc 933
<210> 2
<211> 573
<212> DNA
<213> KAP5.4基因序列
<220>
<223>
<400> 2
atgggttgct caggatgttc tggcggttgc ggaagctcct gtggcggttg cggatcgtgt 60
ggcggttgcg gaagttcatg ttgcgtgcct gtttgttgct gtaaaccagt ctgctgttgc 120
gtaccggctt gttcttgcag ctcctgtggc aagggtggat gcggctcgtg tggtggaagt 180
aaaggcggtt gctcatcttg tggaggcagc aagggttcct gtggatcgtg cggtggatgt 240
ggaagttctt gttgcaaacc cgtgtgttgc tgtgttcctg tctgctcttg tagctcctgc 300
ggcaagggtg gatgtggctc gagttgcggt ggatcaaaag gcggttgtgg atcttgcggc 360
ggtagcaagg gaggctgtgg ttcctgcgga ggatgtggtt cgggatgcgg accaagttgt 420
tgcgtaccgg tgtgttgctg tgttcccgcc tgctcatgtt ctagctgcgg taaaggtggt 480
tgtggttcct gcggatgttc gcaaagttct tgctgtagac cttgctgcag ccagtcatcc 540
tgctgcgtcc ctgtatgctg ccaacgcaag atc 573
<210> 3
<211> 311
<212> PRT
<213> KAP4.3氨基酸序列
<220>
<223>
<400> 3
Met Val Ser Ser Cys Cys Gly Ser Val Cys Ser Asp Gln Ser Cys
1 5 10 15
Gly Arg Ser Leu Cys Gln Glu Thr Cys Cys Arg Pro Ser Cys Cys
20 25 30
Gln Thr Thr Cys Cys Arg Thr Thr Cys Tyr Arg Pro Ser Cys Gly
35 40 45
Val Ser Ser Cys Cys Arg Pro Val Cys Cys Gln Pro Thr Cys Pro
50 55 60
Arg Pro Thr Cys Tyr Ile Ser Ser Cys Ser Arg Pro Ser Cys Cys
65 70 75
Val Ser Ser Cys Gly Ser Ser Cys Tyr Arg Pro Thr Gly Cys Ile
80 85 90
Ser Ser Cys Tyr Arg Pro Gln Cys Cys Gln Pro Val Cys Cys Gln
95 100 105
Pro Thr Cys Pro Arg Pro Thr Cys Cys Ile Ser Ser Cys Arg Pro
110 115 120
Arg Cys Cys Gln Pro Val Cys Cys Gln Pro Thr Cys Pro Arg Pro
125 130 135
Thr Cys Cys Ile Ser Ser Cys Tyr Arg Pro Ser Ser Cys Gly Ser
140 145 150
Ser Cys Gly Ser Ser Cys Tyr Arg Pro Thr Gly Cys Ile Ser Ser
155 160 165
Cys Tyr Arg Pro Gln Cys Cys Gln Pro Val Cys Cys Gln Pro Thr
170 175 180
Cys Ser Arg Pro Thr Cys Cys Ile Ser Ser Cys Tyr Arg Pro Gln
185 190 195
Cys Cys Gln Pro Val Cys Cys Gln Pro Thr Cys Pro Arg Pro Thr
200 205 210
Cys Cys Ile Ser Ser Cys Tyr Arg Pro Ser Ser Cys Gly Ser Ser
215 220 225
Cys Gly Ser Ser Cys Tyr Arg Pro Thr Cys Cys Ile Ser Ser Cys
230 235 240
Arg Pro Arg Cys Cys Gln Pro Val Cys Cys Gln Pro Ser Cys Pro
245 250 255
Arg Ile Ser Ser Cys Cys Arg Pro Ser Cys Tyr Ser Ser Ser Cys
260 265 270
Cys Arg Pro Ser Cys Cys Leu Arg Pro Val Cys Gly Arg Val Ser
275 280 285
Cys His Thr Thr Cys Tyr Arg Pro Thr Cys Val Ile Ser Thr Cys
290 295 300
Pro Arg Pro Val Ser Cys Pro Ser Ser Cys Cys
305 310 311
<210> 4
<211> 195
<212> PRT
<213> KAP5.4氨基酸序列
<220>
<223>
<400> 4
Met Gly Cys Ser Gly Cys Ser Gly Gly Cys Gly Ser Ser Cys Gly
1 5 10 15
Gly Cys Gly Ser Cys Gly Gly Cys Gly Ser Ser Cys Cys Val Pro
20 25 30
Val Cys Cys Cys Lys Pro Val Cys Cys Cys Val Pro Ala Cys Ser
35 40 45
Cys Ser Ser Cys Gly Lys Gly Gly Cys Gly Ser Cys Gly Gly Ser
50 55 60
Lys Gly Gly Cys Ser Ser Cys Gly Gly Ser Lys Gly Ser Cys Gly
65 70 75
Ser Cys Gly Gly Cys Gly Ser Ser Cys Cys Lys Pro Val Cys Cys
80 85 90
Cys Val Pro Val Cys Ser Cys Ser Ser Cys Gly Lys Gly Gly Cys
95 100 105
Gly Ser Ser Cys Gly Gly Ser Lys Gly Gly Cys Gly Ser Cys Gly
110 115 120
Gly Ser Lys Gly Gly Cys Gly Ser Cys Gly Gly Cys Gly Ser Gly
125 130 135
Cys Gly Pro Ser Cys Cys Val Pro Val Cys Cys Cys Val Pro Ala
140 145 150
Cys Ser Cys Ser Ser Cys Gly Lys Gly Gly Cys Gly Ser Cys Gly
155 160 165
Cys Ser Gln Ser Ser Cys Cys Arg Pro Cys Cys Ser Gln Ser Ser
170 175 180
Cys Cys Val Pro Val Cys Cys Gln Arg Lys Ile
185 190 195

Claims (5)

1.羊毛角蛋白相关蛋白KAP基因在改良蚕丝机械性能和染色性能中的应用。
2.根据权利要求1所述的应用,其特征在于:所述羊毛角蛋白相关蛋白KAP基因的核苷酸序列如SEQ ID NO.1或SEQ ID NO.2所示。
3.根据权利要求1所述的应用,其特征在于:所述羊毛角蛋白相关蛋白KAP基因编码的氨基酸如SEQ ID NO.3或SEQ ID NO.4所示。
4.改良蚕丝机械性能和染色性能的重组表达载体,其特征在于:所述重组表达载体含有表达如SEQ ID NO.1或SEQ ID NO.2所示核苷酸序列的表达框。
5.根据权利要求4所述的重组表达载体,其特征在于:所述表达框的启动子为家蚕丝素重链启动子。
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