CN112574993B - 一种拮抗酿酒酵母基因组位置效应的调控元件及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种拮抗酿酒酵母基因组位置效应的调控元件及其应用。所述的调控元件，其核苷酸序列如SEQ ID NO.1所示。本发明发现酿酒酵母gal80位点附近染色体存在特殊结构，可能存在非HM位点(交配型分配位点)沉默效应的其它类型的位置效应，本发明尝试在基因顺序为crtE‑crtB‑crtI合成途径两端加上TEF2的转录激活区域，结果表明，TEF2的转录激活区域确实可以拮抗gal80位点的未知位置效应，可以显著提高番茄红素的含量。同时，也表明其拮抗作用主要是阻止了位置效应对合成途径中基因转录的影响。

Description

一种拮抗酿酒酵母基因组位置效应的调控元件及其应用
技术领域
本发明涉及微生物技术领域，特别涉及一种拮抗酿酒酵母基因组位置效应的调控元件及其应用。
背景技术
在酿酒酵母中，基因在基因组中的位置对基因的表达有着重要的作用，其位点往往会影响基因的转录。通常情况下，通过调控内源或者外源基因的表达是构建微生物细胞工厂的主要方式。在改造过程中，为了进行稳定的大规模生产，将外源基因或合成途径整合进基因组是最常采用的方法。然而，在微生物细胞中基因的复制和转录会受到染色体结构的控制。这种现象被称作位置效应，通常表现为基因在不同位点呈现出不同的转录水平。这种现象在众多微生物种都有发现，包括工业生产中常用的酿酒酵母。
由于在工业生产中的广泛应用，酿酒酵母位置效应已有众多研究。例如，以LacZ为报告基因，20个位点可以呈现8.7倍的差异；同样以LacZ为报告基因，在18个位点中可以呈现14倍的差异。为了获得基因组组学水平的位置效应，分别以GFP和RFP为报告基因，考察了482个和1044个位点的位置效应。这些研究都是以单个基因为报告基因，以一条合成途径为报告基因的还未见报道。并且，这些研究只是呈现不同位点的差异，并没有提出如何解决低表达位点的办法。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种可以拮抗酿酒酵母基因组位置效应的调控元件。
本发明首先选择了12个基因组位点，以番茄红素合成途径为报告基因，考察位置效应；并发现了合成途径中的基因顺序对转录也存在显著影响；最后，提出用绝缘子来拮抗低表达位点的位置效应。
所述的调控元件，其核苷酸序列如SEQ ID NO.1所示。
本发明的第二个目的是提供上述调控元件在拮抗酿酒酵母基因组gal80位点的位置效应中的应用。
优选，是在插入酿酒酵母基因组gal80位点位置的基因转录表达元件两端加上上述调控元件。
优选，是在基因顺序为crtE-crtB-crtI的基因转录表达元件两端加上调控元件。
本发明的第三个目是提供一种调控酿酒酵母基因组位置效应的方法，其是在酿酒酵母基因组gal80位点的插入或两端各插入调控元件。
优选，是在基因转录表达元件两端加上调控元件，然后再插入酿酒酵母基因组gal80位点。
优选，是在基因顺序为crtE-crtB-crtI的基因转录表达元件两端加上调控元件，然后再插入酿酒酵母基因组gal80位点。
本发明的第四个目的是提供一种高产番茄红素的酿酒酵母菌，其是将crtI、crtE、crtB置于启动子下，然后按照crtI、crtE、crtB的顺序连接融合，插入到酿酒酵母基因组gal80位点处。
本发明发现酿酒酵母gal80位点附近染色体存在特殊结构，可能存在非HM位点(交配型分配位点)沉默效应的其它类型的位置效应，本发明尝试在基因顺序为crtE-crtB-crtI合成途径两端加上TEF2的转录激活区域，结果表明，TEF2的转录激活区域确实可以拮抗gal80位点的未知位置效应，可以显著提高番茄红素的含量。同时，也表明其拮抗作用主要是阻止了位置效应对合成途径中基因转录的影响。
附图说明
图1是不同基因组位点对外源合成途径的影响。(A)外源合成途径整合示意图；(B)基因组位点对番茄红素含量的影响，其中ARS416d，106a等代表不同基因组位点；(C)不同位点外源途径各基因转录情况，其中ARS416d，106a等代表不同基因组位点。
图2是不同基因顺序对外源合成途径的影响。(A)不同外源合成途径基因顺序整合示意图；(B)不同顺序对番茄红素含量的影响；EBI,菌株PE13，基因顺序为crtE-crtB-crtI；IEB,菌株PE14基因顺序为crtI-crtE-crtB；BIE,菌株PE01，基因顺序为crtB-crtI-crtE。(C)不同顺序各基因转录情况。
图3是绝缘子对外源途径的影响。(A)绝缘子使用示意图(B)绝缘子对番茄红素含量的影响，其中EBI是未插入绝缘子Insulator的，EBI-ins是插入绝缘子Insulator；(C)绝缘子对外源合成途径各基因转录影响。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
如无特殊说明，本发明实施例中所涉及的试剂均为市售产品，均可以通过商业渠道购买获得。
实施例中酿酒酵母培养基为YPM培养基：酵母提取物10g/L，蛋白胨20g/L，葡萄糖20g/L，磷酸二氢钾10g/L，七水硫酸镁5g/L，硫酸钾3.5g/L，磷酸钠2.5g/，TMS溶液1ml/L(六水氯化镁250mg/L，二水氯化钙104.5mg/L，mg/L，五水合硫酸铜0.4mg/L，碘化钠0.08mg/L，四水合氯化锰0.1mg/L，二水合钼酸钠0.5mg/L，硼酸1mg/L，六水合氯化钴0.3mg/L，七水硫酸锌6.25mg/L，七水合硫酸亚铁3.5mg/L，余量为水)，余量为水。其配制方法是将各个成分混合均匀，灭菌制得。
实施例1基因组位点对外源合成途径的影响
为了考察基因组位置效应，本发明以番茄红素合成途径为一个转录模块，选择12个基因组位点进行外源合成途径的基因组整合。以申请号201910267866.1，发明名称为一种重组酵母菌株及其应用中实施例1构建的pHCas9M-gRNA质粒为模板，分别使用引物列表2中的引物构建YDR448W，YGR240C，YGR038W，YPRCΔ15，YPRCt3，YORWΔ22，ARS308a，911b，720a，gal80，106a，ARS416d位点的基因组整合质粒(表1)；crtE、crtB、crtI模块以发明专利201910267866.1中构建的模块为模板，使用引物列表中相关引物扩增针对不同位点的功能模块。将不同位点的模块与对应的基因组整合质粒，进行不同位点的基因组整合，整合的基因顺序为crtB-crtI-crtE(图1A)。
按标准的番茄红素测定方法进行各菌株番茄红素含量测定。如图1B所示，各菌株的番茄红素含量与其所在的基因组位点显著相关，不同位点之间呈现出3.8倍差异，含量在0.3到1.2mg/g细胞干重范围内。而合成途径中各基因转录水平有58倍的差异(图1C)。同时我们发现番茄红素含量最高的菌株中，crtE基因也呈现出最高的转录量。
其中荧光定量P C R测定crtI、crtB和crtE基因的表达量，具体步骤如下，P C R的反应体系为：C h a m QUniversal SYBR qPCR Master Mix 10μL，正向引物和反向引物各0.4μL，Template cDNA 1μL，水补加至20μL；两步法反应程序为：95℃预变性30s；95℃变性10s、60℃退火、延伸30s，以上循环40次，溶解曲线：95℃15s；95℃60s、60℃15s。
crtI、crtB和crtE基因荧光定量PCR引物为：
Figure BDA0002844644080000051
实施例2外源合成途径中基因顺序对类胡萝卜素合成的影响
实施例1中番茄红素合成途径基因顺序为crtB-crtI-crtE的途径整合于酿酒酵母的gal80位点菌株为BIE(PE00)。以引物列表中对应引物分别扩增crtE，crtB，crtI功能模块，与酿酒酵母的gal80位点基因组整合质粒，进行基因顺序为crtE-crtB-crtI合成途径的基因组整合，构建菌株EBI(PE13)。以引物列表中对应引物分别扩增crtI，crtE，crtB功能模块，与酿酒酵母的gal80位点基因组整合质粒，进行基因顺序为crtI-crtE-crtB合成途径的基因组整合，构建菌株IEB(PE14)。
菌株EBI、菌株BIE、菌株IEB的外源合成途径基因顺序整合示意图如图2A所示。
按标准的番茄红素测定方法(在YPM培养基摇瓶发酵条件下)，对上述构建的菌株EBI、菌株BIE、菌株IEB合成番茄红素的含量进行测定。另外对各菌株中的crtI、crtE、crtB基因通过荧光定量PCR测定三个基因的转录情况。
各菌株番茄红素的产量如图2B，由图2B可知，菌株IEB的番茄红素的含量最高，优于菌株BIE和菌株EBI。
图2C为构建的菌株EBI、菌株BIE、菌株IEB菌株的crtI、crtB和crtE基因的转录量。各菌株中各基因的转录量不相同，其中番茄红素的含量最高菌株IEB中，其crtE转录量最高，其次是菌株BIE，最低是菌株EBI，与番茄红素的含量相一致。
从上面可以看出，将合成途径中基因的顺序变成crtE-crtB-crtI进行基因组整合时，番茄红素的含量会显著降低，这预示着合成途径中基因的顺序可能会对代谢途径各基因的转录造成影响。这一点与理论不太相符，因为酿酒酵母中大部分基因是一个独立的转录本，彼此之间没有影响。我们构建的番茄红素合成途径也是这样，三个基因分别有各自的启动子和终止子，理论上变换顺序，彼此之间不会产生影响，也不会存在转录的差异。为了更清楚了解合成途径中基因顺序对基因转录的影响，我们又构建了crtI-crtE-crtB顺序的菌株，三种不同基因顺序的菌株番茄红素含量呈现出14倍的差异。经基因转录分析，不同基因顺序造成了30倍转录差异。这说明gal80位点附近染色体存在特殊结构，可能存在非HM位点(交配型分配位点)沉默效应的其它类型的位置效应。
实施例3绝缘子对外源合成途径的影响
位置效应的存在为外源合成途径的构建带来了不可预期的结果，那么怎么去消除或削弱位置效应就显得尤为重要，因为在前面的结果中，我们也可以看到，在同一位点不同的基因也会存在不同的转录特性，这就说明位置效应可能还存在特异性。我们尝试在基因顺序为crtE-crtB-crtI合成途径两端加上TEF2的转录激活区域(绝缘子，核苷酸序列为ccctgccggctgtgagggcgccataaccaaggtatctatagaccgccaatcagcaaactacctccgtacattcatgttgcacccacacatttatacacccagaccgcgacaaa，具体核苷酸序列如SEQ ID NO.1所示)，用引物列表中对应引物扩增含有绝缘子的crtE，crtB，crtI功能模块，利用实施例1中类似的整合方法进行基因组整合，具体基因顺序整合示意图如图3A所示，图3A中的Insulator代表TEF2的转录激活区域。参照实施例1进行番茄红素的产量测定和各基因转录量测定，具体结果如图3所示，结果表明，TEF2的转录激活区域确实可以拮抗gal80位点的未知位置效应，可以显著提高番茄红素的含量(7倍，图3B)。同时，也表明其拮抗作用主要是阻止了位置效应对合成途径中基因转录的影响(提高10倍，图3C)。
以上对本发明所提供的一种调控元件对基因组位置效应拮抗作用进行了详细介绍。本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，比如在基因组其它低表达位点进行绝缘子调控，或利用其它强启动子的转录激活区域，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
表1：本发明使用菌株和质粒
Figure BDA0002844644080000071
Figure BDA0002844644080000081
表2：本发明所使用引物
Figure BDA0002844644080000082
Figure BDA0002844644080000091
Figure BDA0002844644080000101
Figure BDA0002844644080000111
序列表
<110> 广东省微生物研究所（广东省微生物分析检测中心）
<120> 一种拮抗酿酒酵母基因组位置效应的调控元件及其应用
<160> 1
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 1
<211> 113
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 1
ccctgccggc tgtgagggcg ccataaccaa ggtatctata gaccgccaat cagcaaacta 60
cctccgtaca ttcatgttgc acccacacat ttatacaccc agaccgcgac aaa 113

Claims (4)

1.一种拮抗酿酒酵母基因组位置效应的调控元件，其特征在于，所述的调控元件，其核苷酸序列如SEQ ID NO.1所示。
2.权利要求1所述的调控元件在拮抗酿酒酵母基因组gal80位点的位置效应中的应用，是在插入酿酒酵母基因组gal80位点位置的基因顺序为crtE-crtB-crtI的基因转录表达元件两端加上权利要求1所述的调控元件。
3.一种调控酿酒酵母基因组位置效应的方法，其特征在于，是在基因顺序为crtE-crtB-crtI的基因转录表达元件两端加上权利要求1所述的调控元件，然后再插入酿酒酵母基因组gal80位点。
4.一种高产番茄红素的酿酒酵母菌，其特征在于，是分别将crtI、crtE、crtB置于启动子下，然后按照crtI、crtE、crtB的顺序连接融合，插入到酿酒酵母基因组gal80位点处。
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