CN111793123A - 一种肌肉生长抑制素mstn的突变体及其应用 - Google Patents

一种肌肉生长抑制素mstn的突变体及其应用 Download PDF

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    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N5/00—Undifferentiated human, animal or plant cells, e.g. cell lines; Tissues; Cultivation or maintenance thereof; Culture media therefor
    • C12N5/10—Cells modified by introduction of foreign genetic material
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    • C12Q2600/124—Animal traits, i.e. production traits, including athletic performance or the like
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    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q2600/00—Oligonucleotides characterized by their use
    • C12Q2600/156—Polymorphic or mutational markers

Abstract

本发明涉及基因工程及遗传育种技术领域，具体涉及一种肌肉生长抑制素MSTN的突变体及其应用。本发明提供的MSTN蛋白突变体，具有如SEQ ID NO.1所示的氨基酸序列。所述突变体能够明显促进动物的骨骼肌的生长发育，携带本发明所述的MSTN突变体的动物的肌纤维密度显著提高，动物表现明显的双肌臀性状，产肉量也可随之增加。本发明提供的MSTN蛋白突变体及其编码基因可在实践中用于制备双肌臀表型动物模型或用于双臀肌性状动物的遗传育种。

Description

一种肌肉生长抑制素MSTN的突变体及其应用
技术领域
本发明涉及基因工程及遗传育种领域，具体涉及一种肌肉生长抑制素(MSTN)的突变体及其应用。
背景技术
肌肉生长抑制素(myostatin，MSTN)，又称GDF-8，属于TGFβ(transforming growthfactor beta)超家族的成员。McPherron等克隆了不同物种的myostatin基因的cDNA序列,经分析发现，小鼠、大鼠、人、猪、鸡和火鸡的myostatin蛋白的C-末端区域的氨基酸序列的同源性高达100％。1999年，Stratil等克隆出了猪的myostatin基因，猪Myostatin基因含有3个外显子和2个内含子。Myostatin蛋白含有376个氨基酸残基，主要包括三个部分，N末端的信号肽序列，一个含有4个氨基酸残基(RSRR)的蛋白酶水解位点，C末端的含有109个氨基酸残基的成熟区序列。Myostatin对骨骼肌的生长发育具有明显的负调控作用。
目前，已在不同物种中发现MSTN基因序列的不同突变类型导致了Myostatin蛋白活性的降低，进而导致骨骼肌肥大的现象。皮尔蒙特牛的MSTN基因在第三外显子上有一个碱基的错义突变,导致Myostatin蛋白的C端成熟肽区域的半胱氨酸被酪氨酸替换，不能形成具有正常生物学活性的Myostatin的C端成熟肽蛋白，该突变造成双肌牛的臀部、大腿和上臂等部位的骨骼肌异常发达，其骨骼肌的含量比普通牛高出20％-25％。比利时兰牛的MSTN基因的第三外显子上有11个碱基的缺失，导致移码突变，翻译过程提前终止，使得Myostatin蛋白的C端成熟肽部分仅仅只有7个氨基酸，剩下的102个氨基酸(274～375)全部缺失，不能形成具有正常生物学活性的C端成熟肽蛋白。特赛尔绵羊的MSTN基因的3’UTR区域存在一个G到A的碱基突变，这部分序列恰好是mir1和mir206的靶向序列，因此导致mir1和mir206的活性受损，Myostatin蛋白的活性受到了明显的抑制，特赛尔绵羊的骨骼肌含量显著提高。惠比特犬的MSTN基因的第三外显子上存在两个碱基对的缺失，MSTN基因出现了移码突变，Myostatin蛋白的翻译提前终止，无法形成具有正常生物学功能Myostatin蛋白。在人类也发现MSTN基因的第一内含子的碱基突变导致Myostatin的mRNA序列的剪切方式出现错误，使得Myostatin蛋白失去了正常的生物学活性。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种肌肉生长抑制素(MSTN)的突变体及其应用。
肌肉生长抑制素MSTN的活性与动物骨骼肌生长发育的调控作用关系复杂，尽管MSTN对于骨骼肌生长发育起负调控的作用，但是，MSTN基因的缺失或MSTN活性的丧失对于肌肉生成发育的促进作用并不明显。肌肉MSTN基因的不同形式的低活性突变体，对于骨骼肌生长发育以及肌肉的含量水平的影响存在较大差异。本发明通过对绵羊的MSTN基因进行随机的基因突变，筛选得到一种绵羊MSTN的突变体，该突变体为缺失了野生型MSTN成熟肽(如SEQ ID NO.3所示)的第73位半胱氨酸，即含有信号肽的MSTN全长蛋白(Protein ID:NP_001009428.1)的第339位半胱氨酸；该MSTN突变体的编码基因为缺失了野生型MSTN成熟肽基因(如SEQ ID NO.4所示)的第3外显子的269-271位，即含有信号肽的MSTN全长基因编码区(Gene ID:443449)的第1016-1018位，所述MSTN突变体能够明显提高动物的肌纤维密度，携带MSTN突变体的动物具有明显的双肌臀性状。
第一方面，本发明提供一种肌肉生长抑制素MSTN蛋白突变体，具有如下任意一种氨基酸序列：
(1)如SEQ ID NO.1所示的氨基酸序列；
(2)如SEQ ID NO.1所示的氨基酸序列经一个或多个氨基酸替换、缺失或插入得到的具有相同功能蛋白的氨基酸序列。
本发明中，如SEQ ID NO.1所示的MSTN蛋白突变体为缺失了如SEQ ID NO.3所示的绵羊野生型MSTN蛋白成熟肽的第73位半胱氨酸，即含有信号肽的MSTN蛋白全长的第339位半胱氨酸。
本领域技术人员应该理解，根据不同动物MSTN蛋白的保守性和同源性，将其它动物的MSTN蛋白中通过同源比对获得的与如SEQ ID NO.3所示的MSTN蛋白的第73位半胱氨酸相对应的氨基酸缺失后获得的具有相同功能的其它动物的MSTN蛋白突变体也在本发明保护范围内。
第二方面，本发明提供编码所述MSTN蛋白突变体的基因。
具体地，所述编码MSTN蛋白突变体的基因具有如下任意一种核苷酸序列：
(1)如SEQ ID NO.2所示的核苷酸序列；
(2)如SEQ ID NO.2所示的核苷酸序列经一个或多个核苷酸替换、缺失或插入得到的具有相同功能蛋白的核苷酸序列。
本发明中，如SEQ ID NO.2所示的MSTN蛋白突变体的编码基因为缺失了如SEQ IDNO.4所示的绵羊野生型MSTN成熟肽编码基因第三外显子的269-271位，即含有信号肽的MSTN全长基因编码区的第1016-1018位。
第三方面，本发明提供包含编码所述MSTN蛋白突变体的基因的生物材料。
作为优选，所述生物材料包括重组DNA、载体、宿主细胞、工程菌。
本领域技术人员应当理解，本发明所述的载体可以为用于克隆、表达等各种基因编辑的载体，只要含有本发明所述基因或本发明所述的载体，均在本发明的保护范围之内。
第四方面，本发明提供编码所述MSTN蛋白突变体的基因或包含所述基因的生物材料在如下任意一方面的应用：
(1)在提高动物肌肉含量或促进动物肌肉发育中的应用；
(2)提高动物产肉量中的应用；
(3)在制备基因编辑动物或在双肌臀动物遗传育种中的应用。
本发明中，所述应用为将所述动物的MSTN编码基因突变为本发明所述的编码MSTN蛋白突变体的基因。
本发明中，所述动物可以为各种家畜、家禽以及其它大型或小型哺乳动物。
作为优选实施方式，本发明所述的动物为猪、牛、羊、马、鸡、狗、小鼠、大鼠等。
第五方面，本发明提供一种双肌臀动物的遗传育种方法，为将所述动物的MSTN编码基因突变为本发明所述的编码MSTN蛋白突变体的基因。
第六方面，本发明提供含有所述MSTN突变体或利用所述双肌臀动物的遗传育种方法制备得到的基因编辑动物。
第七方面，本发明还提供一种绵羊，其携带如SEQ ID NO.2所示的MSTN突变体的编码基因。
本发明的有益效果在于：本发明通过随机突变和筛选得到了一种MSTN蛋白突变体，该突变体能够明显促进动物骨骼肌的生长发育。携带本发明所述的MSTN突变体的动物的肌纤维密度显著提高(携带MSTN突变体的绵羊的肌纤维密度提高50％以上)且慢肌纤维比例显著提高，动物出现明显的双肌臀表型，进而产肉量也显著增加。本发明提供的MSTN蛋白突变体及其编码基因可在实践中用于构建双肌臀表型动物模型或用于双臀肌性状动物的遗传育种。
附图说明
图1为本发明实施例1中MSTN基因打靶位点的结构示意图，图中序列包含基因组相应的打靶位点以及该位点的PAM区段。
图2为本发明实施例3中MSTN基因和蛋白的突变序列比对，其中，A为野生型绵羊MSTN基因的序列和突变体MSTN基因序列比对，WT代表野生型序列，#3005代表基因编辑绵羊，-3代表3个碱基的缺失；B为野生型MSTN蛋白和MSTN蛋白突变体的氨基酸序列比对，#3005代表基因编辑绵羊，aa代表氨基酸。
图3为本发明实施例3中MSTN突变绵羊(尾部标记有圆点或胸部标记有圆点)与半同胞基因编辑阴性绵羊个体(无圆点标记)的体况对比图，其中，A为绵羊身体后视图，B为臀部局部放大图，C为绵羊前视图，D为MSTN突变绵羊侧视图。
图4为本发明实施例3中MSTN突变绵羊(MSTN-/-)与半同胞基因编辑阴性绵羊(MSTN+/+)的后臀肌和背最长肌的肌肉切片图，其中A为MSTN突变绵羊(MSTN-/-)的后臀肌肌肉切片图；B为半同胞基因编辑阴性绵羊(MSTN+/+)的后臀肌肌肉切片图；C为MSTN突变绵羊(MSTN-/-)的背最长肌肌肉切片图；D为半同胞基因编辑阴性绵羊(MSTN+/+)的背最长肌肌肉切片图。
图5为本发明实施例3中MSTN突变绵羊(MSTN-KO)与半同胞基因编辑阴性绵羊(WT)的后臀肌(Gluteus muscles)和背最长肌(Longissimus dorsi)的肌纤维密度统计图(A)，以及后臀肌肌纤维面积分布图(B)。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的优选实施方式进行详细说明。需要理解的是以下实施例的给出仅是为了起到说明的目的，并不是用于对本发明的范围进行限制。本领域的技术人员在不背离本发明的宗旨和精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和替换。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1绵羊MSTN基因CRISPR/Cas9基因编辑sgRNA的设计
针对绵羊的MSTN基因的设计了1个打靶位点，该靶点位于MSTN基因第三外显子上，其在绵羊基因组中的位置和结构如图1所示，用于打靶的sgRNA序列如SEQ ID NO.5所示。
实施例2绵羊的MSTN基因编辑及基因编辑绵羊的筛选鉴定
从14只供体母羊共获取了134枚受精卵，将采用原核显微注射方法导入Cas9mRNA和MSTN sgRNA(Cas9mRNA和MSTN sgRNA的摩尔浓度比例为1：10)的128枚受精卵移植至31只受体母羊，胚胎移植30天后，经过B超检查，9只受体怀孕，共产羔6只。取羔羊血液提取基因组DNA，采用MSTN检测引物进行PCR扩增，将PCR产物送至公司测序，测序结果显示，共有1只羔羊产生了突变，且为纯合子，基因编辑的阳性率为16.7％。MSTN检测引物序列如下：SEQID NO.6：F：5’-AAGTCAAGGTAACAGACACACC-3’；
SEQ ID NO.7：R：5’-TGTGTTTTAGGAAGCTATGAAC-3’。
表1绵羊的MSTN基因突变效率
Figure BDA0002020400510000061
实施例3MSTN基因的突变体检测和表型分析
将实施例2得到的PCR扩增产物连接T载体后挑取了49个单克隆进行测序，测序结果经与NCBI收录的参考绵羊MSTN基因(登录号NC_019459.2)的核苷酸序列进行比对，发现49个克隆均为MSTN基因第3外显子的269-271位(即含信号肽的MSTN全长基因编码区的第1016-1018位)出现了3个碱基的缺失(如图2的A所示)，对应MSTN蛋白成熟肽的第73位(即含信号肽的MSTN全长蛋白的第339位氨基酸)半胱氨酸发生了缺失(如图2的B所示)；MSTN蛋白突变体的序列如SEQ ID NO.1所述；MSTN基因突变体的序列如SEQ ID NO.2所述；野生型MSTN蛋白成熟肽序列如SEQ ID NO.3所示；野生型MSTN成熟肽编码基因的序列如SEQ IDNO.4所示。
对MSTN突变羔羊和半同胞基因编辑阴性羔羊(MSTN基因型为野生型)同时进行饲养和表型观察，第180天(6月龄)的突变绵羊与同样饲养的半同胞基因编辑阴性绵羊的表型对比结果如图3所示，结果表明，与半同胞基因编辑阴性绵羊相比，MSTN突变绵羊(尾部标有圆点)的臀部肌肉群异常发达和丰满，出现了明显的双肌臀表型。MSTN突变绵羊(MSTN-/-，图4的A)与半同胞基因编辑阴性绵羊(MSTN+/+，图4的B)的后臀肌的肌肉切片图相比可知，MSTN突变绵羊的后臀肌的肌纤维密度显著提高；MSTN突变绵羊(MSTN-/-，图4的C)与半同胞基因编辑阴性绵羊(MSTN+/+，图4的D)的背最长肌的肌肉切片相比可知，MSTN突变绵羊的背最长肌的肌纤维密度显著提高。对MSTN突变绵羊与半同胞基因编辑阴性绵羊的后臀肌和背最长肌的肌纤维密度及肌纤维面积分布进行定量检测，结果如图5所示，与半同胞基因编辑阴性绵羊相比，MSTN突变绵羊的肌纤维密度提高了50％以上(图5的A所示)，慢肌纤维比例显著增加(图5的B)，由于慢肌纤维毛细血管发达，线粒体较多，使得MSTN突变绵羊的运动耐力更强。
本发明提供的携带MSTN蛋白成熟肽的第73位半胱氨酸缺失的MSTN突变体绵羊保存在天津畜牧兽医研究所下属种羊场。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
序列表
<110> 中国农业大学
<120> 一种肌肉生长抑制素MSTN的突变体及其应用
<130> KHP181117405.8
<160> 7
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 1
<211> 374
<212> PRT
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 1
Met Gln Lys Leu Gln Ile Phe Val Tyr Ile Tyr Leu Phe Met Leu Leu
1 5 10 15
Val Ala Gly Pro Val Asp Leu Asn Glu Asn Ser Glu Gln Lys Glu Asn
20 25 30
Val Glu Lys Lys Gly Leu Cys Asn Ala Cys Leu Trp Arg Gln Asn Asn
35 40 45
Lys Ser Ser Arg Leu Glu Ala Ile Lys Ile Gln Ile Leu Ser Lys Leu
50 55 60
Arg Leu Glu Thr Ala Pro Asn Ile Ser Lys Asp Ala Ile Arg Gln Leu
65 70 75 80
Leu Pro Lys Ala Pro Pro Leu Arg Glu Leu Ile Asp Gln Tyr Asp Val
85 90 95
Gln Arg Asp Asp Ser Ser Asp Gly Ser Leu Glu Asp Asp Asp Tyr His
100 105 110
Val Thr Thr Glu Thr Val Ile Thr Met Pro Thr Glu Ser Asp Leu Leu
115 120 125
Ala Glu Val Gln Glu Lys Pro Lys Cys Cys Phe Phe Lys Phe Ser Ser
130 135 140
Lys Ile Gln His Asn Lys Val Val Lys Ala Gln Leu Trp Ile Tyr Leu
145 150 155 160
Arg Pro Val Lys Thr Pro Thr Thr Val Phe Val Gln Ile Leu Arg Leu
165 170 175
Ile Lys Pro Met Lys Asp Gly Thr Arg Tyr Thr Gly Ile Arg Ser Leu
180 185 190
Lys Leu Asp Met Asn Pro Gly Thr Gly Ile Trp Gln Ser Ile Asp Val
195 200 205
Lys Thr Val Leu Gln Asn Trp Leu Lys Gln Pro Glu Ser Asn Leu Gly
210 215 220
Ile Glu Ile Lys Ala Leu Asp Glu Asn Gly His Asp Leu Ala Val Thr
225 230 235 240
Phe Pro Glu Pro Gly Glu Glu Gly Leu Asn Pro Phe Leu Glu Val Lys
245 250 255
Val Thr Asp Thr Pro Lys Arg Ser Arg Arg Asp Phe Gly Leu Asp Cys
260 265 270
Asp Glu His Ser Thr Glu Ser Arg Cys Cys Arg Tyr Pro Leu Thr Val
275 280 285
Asp Phe Glu Ala Phe Gly Trp Asp Trp Ile Ile Ala Pro Lys Arg Tyr
290 295 300
Lys Ala Asn Tyr Cys Ser Gly Glu Cys Glu Phe Leu Phe Leu Gln Lys
305 310 315 320
Tyr Pro His Thr His Leu Val His Gln Ala Asn Pro Lys Gly Ser Ala
325 330 335
Gly Pro Cys Thr Pro Thr Lys Met Ser Pro Ile Asn Met Leu Tyr Phe
340 345 350
Asn Gly Lys Glu Gln Ile Ile Tyr Gly Lys Ile Pro Gly Met Val Val
355 360 365
Asp Arg Cys Gly Cys Ser
370
<210> 2
<211> 1125
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<213> 人工序列(Artificial Sequence)
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gcatgcttgt ggagacaaaa caataaatcc tcaagactag aagccataaa aatccaaatc 180
ctcagtaagc ttcgcctgga aacagctcct aacatcagca aagatgctat aagacaactt 240
ttgcccaagg ctcctccact ccgggaactg attgatcagt acgatgtcca gagagatgac 300
agcagcgacg gctccttgga agacgatgac taccacgtta cgacggaaac ggtcattacc 360
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195 200 205
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260 265 270
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275 280 285
Asp Phe Glu Ala Phe Gly Trp Asp Trp Ile Ile Ala Pro Lys Arg Tyr
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<210> 4
<211> 1128
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gcatgcttgt ggagacaaaa caataaatcc tcaagactag aagccataaa aatccaaatc 180
ctcagtaagc ttcgcctgga aacagctcct aacatcagca aagatgctat aagacaactt 240
ttgcccaagg ctcctccact ccgggaactg attgatcagt acgatgtcca gagagatgac 300
agcagcgacg gctccttgga agacgatgac taccacgtta cgacggaaac ggtcattacc 360
atgcccacgg agtctgatct tctagcagaa gtgcaagaaa aacccaaatg ttgcttcttt 420
aaatttagct ctaagataca acacaataaa gtagtaaagg cccaactgtg gatatatctg 480
agacctgtca agactcctac aacagtgttt gtgcaaatcc tgagactcat caaacccatg 540
aaagacggta caaggtatac tggaatccga tctctgaaac ttgacatgaa cccaggcact 600
ggtatttggc agagcattga tgtgaagaca gtgttgcaaa actggctcaa acaacctgaa 660
tccaacttag gcattgaaat caaagcttta gatgagaatg gtcatgatct tgctgtaacc 720
ttcccagaac caggagaaga aggactgaat ccttttttag aagtcaaggt aacagacaca 780
ccaaaaagat ctaggagaga ttttgggctt gattgtgatg agcactccac agaatctcga 840
tgctgtcgtt accctctaac tgtggatttt gaagcttttg gatgggattg gattattgca 900
cctaaaagat ataaggccaa ttactgctct ggagaatgtg aatttttatt tttgcaaaag 960
tatcctcata cccatcttgt gcaccaagca aaccccaaag gttcagccgg cccttgctgt 1020
actcctacaa agatgtctcc aattaatatg ctatatttta atggcaaaga acaaataata 1080
tatgggaaga ttccaggcat ggtagtagat cgctgtgggt gctcatga 1128
<210> 5
<211> 24
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 5
gacatctttg taggagtaca gcaa 24
<210> 6
<211> 22
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 6
aagtcaaggt aacagacaca cc 22
<210> 7
<211> 22
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 7
tgtgttttag gaagctatga ac 22

Claims (10)

1.一种肌肉生长抑制素MSTN蛋白突变体，其特征在于，具有如下任意一种氨基酸序列：
(1)如SEQ ID NO.1所示的氨基酸序列；
(2)如SEQ ID NO.1所示的氨基酸序列经一个或多个氨基酸替换、缺失或插入得到的具有相同功能蛋白的氨基酸序列。
2.编码权利要求1所述的MSTN蛋白突变体的基因。
3.根据权利要求2所述的基因，其特征在于，具有如下任意一种核苷酸序列：
(1)如SEQ ID NO.2所示的核苷酸序列；
(2)如SEQ ID NO.2所示的核苷酸序列经一个或多个核苷酸替换、缺失或插入得到的具有相同功能蛋白的核苷酸序列。
4.包含权利要求2或3所述基因的生物材料。
5.根据权利要求4所述的生物材料，其特征在于，包括重组DNA、载体、宿主细胞、工程菌。
6.权利要求2或3所述基因或权利要求4或5所述生物材料在提高动物肌肉含量或促进动物肌肉发育中的应用。
7.权利要求2或3所述基因或权利要求4或5所述生物材料在提高动物产肉量中的应用。
8.权利要求2或3所述基因或权利要求4或5所述生物材料在制备基因编辑动物或在双肌臀动物遗传育种中的应用。
9.根据权利要求6～8任一项所述的应用，其特征在于，所述应用为将所述动物的MSTN编码基因突变为权利要求2或3所述的基因。
10.一种双肌臀动物的遗传育种方法，其特征在于，将所述动物的MSTN编码基因突变为权利要求2或3所述基因。
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