CN108728457B - 一种海藻糖合成酶基因优化序列及其应用 - Google Patents

一种海藻糖合成酶基因优化序列及其应用 Download PDF

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CN108728457B CN201810666253.0A CN201810666253A CN108728457B CN 108728457 B CN108728457 B CN 108728457B CN 201810666253 A CN201810666253 A CN 201810666253A CN 108728457 B CN108728457 B CN 108728457B
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    • C12N15/63Introduction of foreign genetic material using vectors; Vectors; Use of hosts therefor; Regulation of expression
    • C12N15/70Vectors or expression systems specially adapted for E. coli
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C12Y204/01Hexosyltransferases (2.4.1)
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    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N2800/00Nucleic acids vectors
    • C12N2800/22Vectors comprising a coding region that has been codon optimised for expression in a respective host

Abstract

本发明提供了一种海藻糖合成酶基因优化序列,包含如SEQ ID No.1所示的DNA序列。所述海藻糖合成酶基因优化序列表达的氨基酸包含如SEQ ID No.2所示的序列。本发明的海藻糖合成酶基因优化序列,通过密码子优化,在不改变最终氨基酸序列的基础上,将灰色链霉菌来源海藻糖合成酶基因序列中大肠杆菌稀有密码子或低频密码子均进行合理优化,突破了异源基因在大肠杆菌中的基因翻译瓶颈,提高了基因翻译效率,实现了在大肠杆菌中高产量可溶性表达,解决了大肠杆菌异源表达效率低的问题,大大降低海藻糖合成酶的生产成本。本发明可提高海藻糖合成酶的工业产值,降低生产成本。

Description

一种海藻糖合成酶基因优化序列及其应用
技术领域
本发明属于生物工程领域,具体涉及一种海藻糖合成酶基因优化序列及其制作方法和应用。
背景技术
海藻糖合成酶(Trehalose Synthase)通过分子内转苷作用,可催化麦芽糖中两个葡萄糖分子α,α-1,4-糖苷键转变成葡萄糖α,α-1,1-糖苷键,从而生成海藻糖。已报道利用生物酶法合成海藻糖存在TPS/TPP、TS、TreY/TreZ、TreP、TreT等5种途径。其中海藻糖合成酶途径(TS途径,又称Tres途径)仅需一种酶一步酶反应,在海藻糖的工业化生产中,相比传统酵母细胞提取法及其他生物合成途径具有底物廉价、工艺简单、易于调控等显著优点,是生物酶法工业化合成海藻糖研究的热点。
来源于灰色链霉菌Streptomyces griseus subsp. Griseus的海藻糖合成酶转化效率高、反应速度快,葡萄糖副产物少。但该酶在天然的灰色链霉菌中属于胞内酶,表达量极低,需浓缩上千倍才能检测到海藻糖合成酶活性(一种灰色链霉菌海藻糖合成酶基因及其应用,CN 102533801 A)。大肠杆菌(Escherichia coli) 繁殖迅速、培养简单、遗传背景清楚、表达系统成熟,利用基因工程法构建大肠杆菌工程菌株来表达灰色链霉菌海藻糖合成酶,有望解决这一问题。
外源蛋白在大肠杆菌中的表达差异,除受表达条件的直观影响外,外源基因自身特性的影响也至关重要。其中密码子的选择是左右表达量的参数之一,基因表达水平高低与嗜好密码子的使用程度之间存在较强的相关性。
密码子适应指数(Codon Adaption Index,CAI)反映基因编码区所有同义密码子中某一指定密码子的使用频率与最优密码子频率相符合的程度。取值范围在0-1之间,表达量较高的基因常具有较高的CAI值,表达量较低的基因则具有较低的CAI值,一般建议高表达优化CAI取值0.8-1.0范围。密码子使用频率分布(Condon Frequency Distribution,CFD),如基因序列出现有使用频率小于30 %的密码子,存在阻碍基因高效表达可能性。GC含量是鸟嘌呤和胞嘧啶所占DNA 4种碱基的比率。GC含量随DNA来源物种不同而异。GC含量高低影响DNA的密度,GC含量高,相应DNA密度也高,加热及加碱均不易使之变性,GC含量理想的比例范围是30 %-70 %。
灰色链霉菌密码子偏好性与大肠杆菌存在着很大差别,因此来源于灰色链霉菌的海藻糖合成酶的基因在大肠杆菌中的表达量低,工业上急需能够在大肠杆菌中高表达的新海藻糖合成酶基因。
发明内容
针对灰色链霉菌中海藻糖合成酶含量低,来源于灰色链霉菌的海藻糖合成酶的基因在大肠杆菌中的表达效率低的问题,本发明提供一种在大肠杆菌中高可溶性表达的海藻糖合成酶基因优化序列。
本发明的另一目的是提供一种含有上述海藻糖合成酶基因优化序列的表达载体。
本发明的再一目的是一种含有上述海藻糖合成酶基因优化序列的大肠杆菌基因工程菌株。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案。
一种海藻糖合成酶基因优化序列,包含如SEQ ID No. 1所示的DNA序列。
所述海藻糖合成酶基因优化序列的两端还包括至少一对核酸内切酶酶切位点;优选为NcoI酶和XhoI酶。
所述海藻糖合成酶基因优化序列表达的氨基酸包含如SEQ ID No. 2所示的序列。
一种含有上述海藻糖合成酶基因优化序列的重组表达载体。所述重组表达载体的质粒含有信号肽的编码基因。所述信号肽优选为pelB信号肽。所述重组表达载体的质粒选自pET-20b(+)、pET-22b(+)、pET-25b(+)、pET-26b(+)或pET-27b(+)。
一种含有上述海藻糖合成酶基因优化序列或表达载体的大肠杆菌基因工程菌株。所述大肠杆菌宿主菌选自BL21(DE3)、BLR(DE3)、BL21-Gold(DE3)、Tuner(DE3)、HMS174(DE3)、C43(DE3)、NovaBlue(DE3)或Rosetta gammi (DE3)菌株。
一种上述海藻糖合成酶基因优化序列、重组表达载体或大肠杆菌基因工程菌株在生产灰色链霉菌来源海藻糖合成酶中的应用。
一种采用上述海藻糖合成酶基因优化序列、重组表达载体或大肠杆菌基因工程菌株生产灰色链霉菌来源海藻糖合成酶的方法,包括以下步骤:
(1)以IPTG为诱导剂,诱导培养含有海藻糖合成酶基因优化序列的重组表达载体的大肠杆菌基因工程菌株;
(2)收集诱导培养后的菌体,然后裂解菌体、分离纯化获得灰色链霉菌来源海藻糖合成酶。
步骤(1)中,所述IPTG的终浓度为0.2-1mM;诱导时间为4-20h;诱导时的菌悬液OD600为0.8-1.0。
本发明具有以下优点:
本发明的海藻糖合成酶基因优化序列,通过密码子优化,在不改变最终氨基酸序列的基础上,将灰色链霉菌来源海藻糖合成酶基因序列中大肠杆菌稀有密码子或低频密码子均进行合理优化,突破了异源基因在大肠杆菌中的基因翻译瓶颈,提高了基因翻译效率,实现了在大肠杆菌中高产量可溶性表达,解决了大肠杆菌异源表达效率低的问题,大大降低海藻糖合成酶的生产成本。本发明可提高海藻糖合成酶的工业产值,降低生产成本,为企业带来较高经济效益。
附图说明
图1为重组表达载体pET-26b(+)-tres1双酶切后电泳图;
图2为重组菌株BL21/ pET-26b(+)-tres1与BL21/ pET-26b(+)-tres粗酶液SDS-PAGE电泳图片;
图3为重组菌株BL21/ pET-26b(+)-tres1与BL21/ pET-26b(+)-tres粗酶液酶活比较。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明,但本发明不受下述实施例的限制。
实施例1 重组表达载体pET-26b(+)-tres1的构建与鉴定。
以GeneBank中序列号为HQ915641.1的灰色链霉菌海藻糖合成酶(tres)的序列(SEQ ID No.3)为参照,根据密码子的兼并性,在不改变氨基酸组成的基础上,优选大肠杆菌的高频或次高频密码子,对其序列进行改造,将大肠杆菌的某些稀有密码子替换为大肠杆菌偏爱密码子,最后得到的优化后的海藻糖合成酶基因优化序列如SEQ ID NO.1所示;其CAI为0.97,GC含量为54.4 %,CFD>50%。
海藻糖合成酶基因优化序列(tres1)5’端加上NcoI酶切位点(CCATGG),3’端加上XhoI酶切位点(CTCGAG),进行全基因合成。将海藻糖合成酶基因优化序列双酶切后连接同样双酶切后的pET-26b(+)质粒(Novagen公司)。将连接产物以热激法转化大肠杆菌BL21感受态细胞,涂布含卡那霉素的LB平板,37℃培养。挑取单菌落,在含有卡那霉素的LB培养基中培养,碱裂解法提取质粒,经PCR扩增和NcoI I、Xho I双酶切鉴定,阳性质粒获得目的条带,如图1(泳道1为阳性质粒,泳道2为Nco I、Xho I双酶切后的阳性质粒,泳道M为Maker)所示:阳性质粒双酶切后1.5-2kb之间有目的基因条带;将阳性质粒进行测序,测序结果证明优化后的海藻糖合成酶基因已经成功插入到pET-26b(+)质粒中,没有点突变,原核表达载体构建成功,将测序正确的重组载体命名为pET-26b(+)-tres1
以GeneBank中序列号为HQ915641.1的灰色链霉菌海藻糖合成酶(tres)的序列(SEQ ID No. 3)为参照,根据以上方法步骤,构建重组表达载体pET-26b(+)-tres
实施例2 重组菌株BL21/ pET-26b(+)-tres1的构建与诱导表达。
将实施例1中得到的大肠杆菌表达质粒pET-26b(+)-tres1和pET-26b(+)-tres分别通过CaCl2热激法转入大肠杆菌BL21(DE3)(北京全式金生物技术有限公司)中,LB平板培养基中加入卡那霉素至50 mg/L进行筛选,挑取单菌落进行测序鉴定,构建成功的即为BL21/ pET-26b(+)-tres1或BL21/ pET-26b(+)-tres
挑取含有正确重组阳性质粒的单菌落,接种到含有浓度为50mg/L卡那霉素的LB液体培养基中,37℃,220 rpm振荡培养过夜,按照1%的比例将过夜培养的菌液接种到含50mg/L卡那霉素的新鲜LB液体培养基中,37℃,220rpm振荡培养至菌液浓度OD600约为1.0,立即加入诱导物IPTG至工作浓度1mM,25℃继续培养18h;4℃,12000rpm,离心10min收集菌体。
将离心收集的菌体,PBS清洗两遍,加入LB培养基1/10体积的PBS,充分悬浮菌体。悬浮菌体采用生物样品均质器Precellys 24均质破碎,均质速度5500 rpm,3个循环,每个循环运行时间为15 s,循环间隔10 s。均质液4℃,12000 rpm离心后上清液即为粗酶液。对含优化前基因tres的诱导菌体和含优化后tres1基因的诱导菌体制备的酶液样品进行SDS-PAGE分析,结果如图2所示,其中,M为蛋白分子量标准;tres为含优化前基因tres诱导菌体的总蛋白;tres1为含优化后基因tres1诱导菌体的总蛋白;利用GelDocXR+全自动凝胶成像系统分析,优化前后的蛋白大小为66 KD,与理论值相符。序列优化的重组蛋白占菌体总蛋白的85%以上,且为可溶性蛋白;序列优化前的蛋白仅占菌体总蛋白的53%。
实施例3 海藻糖合成酶的活性比较
将实施例2中制备的2种粗酶液进行酶活性测定,取200 μL酶液加入等量用0.1mol/L pH 6.5磷酸盐缓冲液配制10 %的麦芽糖溶液,24 ℃水浴反应1 h后,沸水浴10 min灭酶终止反应。酶反应产物进行HPLC(Agilent 1200型)分析。HPLC条件:分离柱ZORBAXNH2,4.6×250 mm,5 µm,流动相为乙腈:水=75:25(v/v),柱温:50 ℃,流速1.0 mL/min。海藻糖合成酶酶活力1 U定义:在24 ℃、pH 6.5反应条件下,以10 % 麦芽糖溶液为底物,每1min产生1 μmol海藻糖所需酶量。结果如图3所示:序列优化后基因工程菌株粗酶液18 h取样测定的酶活性为48.9 U/mL,比未优化对照菌株酶活性30.5 U/mL提高了60.3 %。
序列表
<110> 山东省药学科学院
<120> 一种重组海藻糖合成酶基因及其应用
<130> 20180620
<160> 3
<170> PatentIn version 3.5
<210> 1
<211> 1707
<212> DNA
<213> Artificial Sequence
<220>
<223> Artificial Sequence
<400> 1
atgatcgtta acgaaccggt tcacgacacc ttcgaagaca ccccggctaa agaccgtgac 60
ccggactggt tcaaacgtgc tgttttctac gaagttctgg ttcgttcttt ccaggactct 120
aacggtgacg gtatcggtga cctgaaaggt atcaccgcta aactggacta cctgcagtgg 180
ctgggtgttg actgcctgtg gctgccgccg ttcttcaaat ctccgctgcg tgacggtggt 240
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cacacctctg accagcacga atggttccag cagtctcgta ccgacccgga cggtccgtac 420
ggtgactact acgtttgggc tgacgacgac aaacagttcc aggacgctcg tatcatcttc 480
gttgacaccg aaacctctaa ctggaccttc gacccggttc gtaaacagta ctactggcac 540
cgtttcttct ctcaccagcc ggacctgaac tacgaaaacc cggctgttca ggaagaaatc 600
ctggctgctc tgcgtttctg gctggacctg ggtatcgacg gtttccgtgt tgacgctgtt 660
ccgtacctgt accagcgtga aggtaccaac tgcgaaaacc tgccggaaac ccaccacttc 720
ctgaaacgtg ttcgtaaaga aatcgacgct aactacccgg acaccgttct gctggctgaa 780
gctaaccagt ggccggaaga cgttgttgac tacttcggtg actacgaaca gggtggtgac 840
gaatgccaca tggctttcca cttcccggtt atgccgcgta tcttcatggc tgttcgtcgt 900
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cagtggggta tcttcctgcg taaccacgac gaactgaccc tggaaatggt taccgacgaa 1020
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ctgcgtaaag acgctccgcc ggcttaa 1707
<210> 2
<211> 568
<212> PRT
<213> Streptomyces griseus subsp. Griseus
<400> 2
Met Ile Val Asn Glu Pro Val His Asp Thr Phe Glu Asp Thr Pro Ala
1 5 10 15
Lys Asp Arg Asp Pro Asp Trp Phe Lys Arg Ala Val Phe Tyr Glu Val
20 25 30
Leu Val Arg Ser Phe Gln Asp Ser Asn Gly Asp Gly Ile Gly Asp Leu
35 40 45
Lys Gly Ile Thr Ala Lys Leu Asp Tyr Leu Gln Trp Leu Gly Val Asp
50 55 60
Cys Leu Trp Leu Pro Pro Phe Phe Lys Ser Pro Leu Arg Asp Gly Gly
65 70 75 80
Tyr Asp Val Ser Asp Tyr Thr Ala Val Leu Pro Glu Phe Gly Asp Leu
85 90 95
Ala Asp Phe Val Glu Phe Val Asp Ala Ser His Gln Arg Gly Met Arg
100 105 110
Val Ile Ile Asp Phe Val Met Asn His Thr Ser Asp Gln His Glu Trp
115 120 125
Phe Gln Gln Ser Arg Thr Asp Pro Asp Gly Pro Tyr Gly Asp Tyr Tyr
130 135 140
Val Trp Ala Asp Asp Asp Lys Gln Phe Gln Asp Ala Arg Ile Ile Phe
145 150 155 160
Val Asp Thr Glu Thr Ser Asn Trp Thr Phe Asp Pro Val Arg Lys Gln
165 170 175
Tyr Tyr Trp His Arg Phe Phe Ser His Gln Pro Asp Leu Asn Tyr Glu
180 185 190
Asn Pro Ala Val Gln Glu Glu Ile Leu Ala Ala Leu Arg Phe Trp Leu
195 200 205
Asp Leu Gly Ile Asp Gly Phe Arg Val Asp Ala Val Pro Tyr Leu Tyr
210 215 220
Gln Arg Glu Gly Thr Asn Cys Glu Asn Leu Pro Glu Thr His His Phe
225 230 235 240
Leu Lys Arg Val Arg Lys Glu Ile Asp Ala Asn Tyr Pro Asp Thr Val
245 250 255
Leu Leu Ala Glu Ala Asn Gln Trp Pro Glu Asp Val Val Asp Tyr Phe
260 265 270
Gly Asp Tyr Glu Gln Gly Gly Asp Glu Cys His Met Ala Phe His Phe
275 280 285
Pro Val Met Pro Arg Ile Phe Met Ala Val Arg Arg Glu Ser Arg Tyr
290 295 300
Pro Val Ser Glu Ile Leu Ala Lys Thr Pro Glu Ile Pro Lys Asn Cys
305 310 315 320
Gln Trp Gly Ile Phe Leu Arg Asn His Asp Glu Leu Thr Leu Glu Met
325 330 335
Val Thr Asp Glu Glu Arg Asp Tyr Met Tyr Ala Glu Tyr Ala Lys Asp
340 345 350
Pro Arg Met Arg Ala Asn Ile Gly Ile Arg Arg Arg Leu Ala Pro Leu
355 360 365
Leu Asp Asn Asp Arg Asn Gln Ile Glu Leu Phe Thr Ala Leu Leu Leu
370 375 380
Ser Leu Pro Gly Ser Pro Ile Leu Tyr Tyr Gly Asp Glu Ile Gly Met
385 390 395 400
Gly Asp Asn Ile Trp Leu Gly Asp Arg Asp Ala Val Arg Thr Pro Met
405 410 415
Gln Trp Thr Pro Asp Arg Asn Ala Gly Phe Ser Ser Ser Asp Pro Gly
420 425 430
Arg Leu Tyr Leu Pro Thr Ile Met Asp Pro Val Tyr Gly Tyr Gln Val
435 440 445
Thr Asn Val Glu Ala Ser Met Ala Ser Pro Ser Ser Leu Leu His Trp
450 455 460
Thr Arg Arg Met Ile Glu Ile Arg Lys Gln Asn Pro Ala Phe Gly Leu
465 470 475 480
Gly Glu Tyr Thr Glu Leu Pro Ser Ser Asn Pro Ala Val Leu Ala Phe
485 490 495
Thr Arg Glu Tyr Lys Asp Asp Leu Val Leu Cys Val His Asn Phe Ser
500 505 510
Arg Phe Ala Gln Pro Thr Glu Leu Asp Leu Arg Ser Phe Asn Gly Arg
515 520 525
His Pro Val Glu Leu Ile Gly Gly Val Arg Phe Pro Ala Ile Gly Gln
530 535 540
Trp Pro Tyr Leu Leu Thr Leu Ala Gly His Gly Phe Tyr Trp Phe Arg
545 550 555 560
Leu Arg Lys Asp Ala Pro Pro Ala
565
<210> 3
<211> 1707
<212> DNA
<213> Streptomyces griseus subsp. Griseus
<400> 3
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ctgcgtaaag acgctccgcc ggcttaa 1707

Claims (9)

1.一种经序列优化的海藻糖合成酶基因,其特征在于,核苷酸序列如SEQ ID No.1所示。
2.一种含有如权利要求1所述的海藻糖合成酶基因的重组表达载体,其特征在于,所述重组表达载体的质粒选自pET-20b(+)、pET-22b(+)、pET-25b(+)、pET-26b(+)或pET-27b(+)。
3.根据权利要求2所述的重组表达载体,其特征在于,重组表达载体含有信号肽的编码基因。
4.根据权利要求3所述的重组表达载体,其特征在于,所述信号肽为pelB信号肽。
5.一种含有如权利要求1所述的海藻糖合成酶基因或如权利要求2所述的重组表达载体的大肠杆菌基因工程菌株。
6.根据权利要求5所述的大肠杆菌基因工程菌株,其特征在于,所述大肠杆菌基因工程菌株的宿主菌选自BL21(DE3)、BLR(DE3)、BL21-Gold(DE3)、Tuner(DE3)、HMS174(DE3)、C43(DE3)、NovaBlue(DE3)或Rosetta gammi (DE3)菌株。
7.一种如权利要求1所述的海藻糖合成酶基因、如权利要求2所述的重组表达载体或如权利要求5所述的大肠杆菌基因工程菌株在生产灰色链霉菌来源海藻糖合成酶中的应用。
8.一种采用如权利要求1所述的海藻糖合成酶基因、如权利要求2所述的重组表达载体或如权利要求5所述的大肠杆菌基因工程菌株生产灰色链霉菌来源海藻糖合成酶的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)以IPTG为诱导剂,诱导培养含有海藻糖合成酶基因优化序列的重组表达载体的大肠杆菌基因工程菌株;
(2)收集诱导培养后的菌体,然后裂解菌体、分离纯化获得灰色链霉菌来源海藻糖合成酶。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,步骤(1)中,所述IPTG的终浓度为0.2-1mM;诱导时间为4-20h;诱导时的菌悬液OD600为0.8-1.0。
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