利用片段互补技术重建
5-烯醇丙酮酰莽草酸 -3-磷酸合成酶活性
5 技术领域
本发明涉及利用片段互补技术重建 5-浠醇丙酮酰莽草酸 -3-磷酸合酶 (5 -enolpyruvyl-shikimate-3 -phosphate synthase, EPSPS)活 4生的方法。 更具体 地, 本发明涉及大肠杆菌 EPSPS及其突变后获得的草甘膦抗性 EPSPS的 重建,本发明还涉及恶臭假单胞菌草甘膦抗性 EPSPS的重建。
0
背景技术
随着转基因植物的大规模种植, 转基因植物的生物安全控制 (biological confinement)越来越受到关注。 Wruad等 . Proc Natl Acad Sci U S A 2004, 101 , (40), 14533-8观测到抗草甘膦的 CP4 EPSPS的编码基因可以从转基因植物中 5 传播到 20公里以外的作物中, 甚至传播到杂草中, 因此对转基因植物实行生 物安全控制对于防止超级杂草等的产生十分必要。
转基因植物外源基因扩散的方式主要有以下几种: 转基因植物花粉的传 播,转基因植物作为野生亲缘种花粉的受体形成杂种,转基因植物的 DNA可 能造成的基因扩散。 目前有了一些控制转基因植物外源基因扩散的方法, 例 0 如, (1)物理隔离, 主要是距离隔离以便阻断外源基因通过花粉的扩散; (2)遗 传控制, 包括: (a)雄性不育(male sterility) ; (b)基因组不相容性 (Genome
;' · incompatibility) , 即将特定的外源基因整合到作物的与杂草不相容的基因组 上; (c)母系遗传 (maternal inheritance), 其将外源基因转入植物的叶绿体中, 使这些基因进行母系遗传, 因此不会通过花粉的传播而扩散入其它物种, 该 5 方法在烟草上已经取得了初步的成功 (Daniell等, Nat Biotechnol 1998, 16, (4), 345-8); (d)种子木育(seed sterility); (e) Transgenic mitigation (TM), 利用与目 的基因紧密连锁、 对于转基因植物有利或中性、 而对于野草生存不利 (如防止 种子散落和降低种子二次休眠等)的 TM基因防止超级杂草 (superweed)的产 生。
0 Ye, G. N.等. Plant J 2001 , 25, (3), 261-70和 Chin, H. G.等 Pwc Natl Acad
Sci USA 2003, 100, (8), 4510-5提出了一种新的控制抗草甘膦转基因的方法,
其将 EPSPS基因分成两段, 使之分别与表达 DnaE内含肽 (intein)的基因串联 并共表达, 利用内含肽的自我拼接功能形成完整的 EPSPS , 从而使大肠杆菌 或烟草获得对草甘膦的耐受性。 但是内含肽编码基因本身作为外源基因被引 入转基因植物也可能会引发其它的风险, 例如成为被扩散的转基因等。
蛋白酶消化产生或者通过基因表达生成的蛋白质片段可以在体内或体外 重建成具有完整蛋白功能的复合体, 这被称之为蛋白质片段互补 (protein fragment complementation)或蛋白重建 (protein reconstitution)技术 (例 ^口, Hakansson, Μ·等. Curr Protein Pept Sci 2002, 3, (6), 629-42; Braun, Μ·等. Bacteriol 2003, 185, (18), 5508-18·)。对氨酰 tRNA合成酶等蛋白进行的片段互 补研究表明, 发生片段互补的蛋白片段分拆位点大多发生在非保守区域。 蛋 白能够重建意味着该蛋白内的非共价作用十分特异, 从而使蛋白片段有利于 形成的天然的结构(Shiba, K.等. Proc Natl Acad Sci USA 1992, 89, (5), 1880-4; Shiba, K.等. J Biol Chem 1992, 267, (32), 22703-6)。 此外, 蛋白能够发生片段 . 互补表明, 即使共价键断开, 该蛋白仍能保持比较稳定的结构。 两个发生片 段互补的肽链之间存在的各种非共价作用(如氢键、盐桥及疏水作用)在保持蛋 白结构稳定方面起着很大的作用(Nelson, K. E.等, Complete genome sequence and comparative analysis of the metabolically versatile Pseudomonas putida KT2440. Environ Microbiol 2002, 4, (12), 799-808)。
我们利用这种蛋白重建技术在体内和体外重建了有活性的 EPSPS , 对草 甘膦具有耐受性的 EPSPS也可以通过这种方法重建。 EPSPS的片段互补可用 于转基因植物从而增加转基因植物安全性, 降低超级杂草形成的可能性。 发明概述
本发明涉及 5-烯醇式丙酮酰莽草酸 -3-碑酸合酶 (EPSPS)的蛋白片段, 其 是选自 EPSPS片段对的一种片段, 组成所述片段对的两种片段可以连接成全 长 EPSPS , 并且这两种片段不借助任何连接结构可以通过互补而重建 EPSPS 活性。 优选, 所述片段对的分割点位于 EPSPS的选自下列的结构中: 折叠单 元之间的连接区中、 α螺旋与 β折叠之间的连接区中、 两个 β折叠之间、 β折 叠中、 或 α螺旋中, 优选位于折叠单元之间的连接区中, 例如, 在折叠单元 1和 6, 2和 6, 3和 4, 4和 5 , 以及 3和 5之间的连接区中; 更优选该分割 点是在折叠单元 1, 2 , 3 , 4, 或 5的内部, 例如, 在折叠单元 3的两个 β折
叠之间的连接区中, 在折叠单元 4的 α螺旋中, 在折叠单元 2的 β折叠中, 在折叠单元 1的 α螺旋与 β折叠之间, 在折叠单元 5的 α螺旋和 β折叠之间 的连接区中, 或者在折叠单元 5的两个 β折叠之间的连接区中, 或者在 ^叠 单元 5的 β折叠中。
在本发明的实施方案中, 所述 EPSPS是野生型 EPSPS或其添加、 缺失、 和 /或 代一或多个氨基酸残基所得的 EPSPS活性变体,优选是大肠杆菌野生 型 EPSPS (其全长氨基酸序列和核苷酸序列是本领域已知的,可以参见序列表) 或其草甘膦抗性 EPSPS 活性变体, 或者优选是恶臭假单胞菌 C¾ewifowo«os /7Μ//ί α)草甘膦抗性 EPSPS , 例如恶臭假单胞菌 CGMCC 0739(参见中国专利申 请 02117991.3)的 EPSPS (其全长氨基酸序列和核苷酸序列见 SEQ ID NO:2)。
更具体地,本发明的蛋白片段优选是选自大肠杆菌 EPSPS的以下片段对 的一种片段: N67/C68 , N85/C86 , N104/C105, N154/C155, N182/C183, N184/C185, N218/C219, N224/C225, N227/C228, N259/C260, N298/C299, N371/C372, N376/C377, N383/C384(这里所述的 N67/C68片段对, 表示由 N 端片段 N67和 C端片段 C68所组成的片段对, 其中 N67是指 EPSPS序列中 从 N末端到第 67位残基之间的 N端片段, C68是指 EPSPS序列中从第 68 位残基到 C末端之间的 C端片段。其它片段对表示法依此类推),或优选是选 自恶臭假单胞菌 CGMCC 0739 的 EPSPS 的以下片段对的一种片段: N208/C209 , N214/C215 , N219/C220, N222/C223, N224/C225(这里所述的 其中 N208是指 EPSPS序列中从 N末端到第 208位残基之间的片段, C209 是指 EPSPS序列中从第 209位残基到 C末端之间的片段,其它片段对表示法 依此类推)。
本发明还涉及编码本发明所述蛋白片段的核酸分子, 携带该核酸分子的 表达载体, 包含所述核酸分子或表达载体的细胞。 优选所述细胞是植物细胞。 本发明还涉及一种重建 EPSPS的方法,该方法包括在无任何连接结构存 在的奈件下, 利用本发明的蛋白片段或核酸分子或表达载体来重建 EPSPS活 性。
本发明还涉及一种拆分 EPSPS或 EPSPS核酸分子的方法, 包括在无任 何连接结构存在的条件下, 拆分出本发明的蛋白片段, 或核酸分子。 该方^
中所选择的拆分点优选位于 EPSPS的下列结构中:折叠单元之间的连接区中、 α螺旋与 β折叠之间的连接区中、 两个 β折叠之间、 β折叠中、 或 α螺旋中, 优选位于折叠单元之间的连接区中, 例如, 在折叠单元 1和 6, 2和 6, 3和 4, 4和 5, 以及 3和 5之间的连接区中。 更优选在折叠单元 1 , 2 , 3 , 4, 或 5的内部, 例如, 折叠单元 3的两个 β折叠之间的连接区中, 折叠单元 4的 α 螺旋中, 折叠单元 2的 β折叠中, 折叠单元 1的 α螺旋与 β折叠之间, 折叠 单元 5的 α螺旋和 β折叠之间的连接区中, 或者折叠单元 5的两个 β折叠之 间的连接区中, 或者在折叠单元 5的 β折叠中。 还更优选位于选自下列的位 置之间:大肠杆菌 EPSPS的 67-68、 85-86、 104-105、 154-155、 182-183、 184-185、 218-219、 N224-C225、 N227-C228、 259-260、 298-299、 371-372 , 376-377 或 383-384位置之间,或恶臭假单胞菌 CGMCC 0739的草甘膦抗性 EPSPS的 208-209 214-215、 219-220、 222-223、 或 224-225位置之间。
本发明还涉及本发明所述的 EPSPS片段或重建 EPSPS活性的方法或拆 分 EPSPS的方法在控制转基因植物安全性方面的应用。 发明内容
本发明人基于 EPSPS的结构, 在有可能不影响 EPSPS酶活性的结构区 域中设计了分拆位点。 本发明人还构建了表达 EPSPS拆分片段的表达载体, 并证明 EPSPS片段在大肠杆菌体内可以互补 EPSPS活性。 因此, 本发明的 EPSPS片段以及重建 EPSPS的方法可以应用于生物安全控制领域。
EPSPS及其结构
5-烯醇丙酮酰莽草酸 -3-磷酸合成酶 (EPSPS)是芳香族氨基酸合成-莽草酸 合成途径中的关键酶, 存在于藻类、 高等植物、 细菌、 真菌及寄生虫的 apicomplexan 中, 它催化一分子的莽草酸 -3-磷酸 (S3P)和磷酸烯醇式丙酮酸 (PEP)生成 5-烯醇式丙酮酸莽草酸 -3-磷酸 (EPSP)。
如图 2所示, EPSPS由两个结构域组成, 其中一个结构域包括标示为 1, 2和 6的三个对称的蛋白折叠单元, 另一个结构域包括标示为 3, 4和 5的三 个对称的蛋白折叠单元。 每个单元由两个平行的 α螺旋和四个 β折叠组成。 参见 Stallings, W. C.等. Proc Natl Acad Sci USA 1991 , 88, (1 1), 5046-50。
已知 EPSP合酶在无酶底物时, 形成 "开放,, (open)构象, 而与 S3P、 草 甘膦 +S3P 形成复合物晶体结构时, "开放" 构象转换成 "闭合 "(close)构象
(Schonbrunn, E.等. Proc Natl Acad Sci 2001 , 98, (4), 1376-80)。 Mcdowell 等(·/ Biomol NMR 2004, 28, (1), 1 1-29, 2004)利用 rotational-echo double-resonace NMR技术, 结合 EPSP合酶与 S3P和草甘膦复合体的晶体结 构, 对其进行调整, 得到符合液体 NMR结果的三维结构。
通过化学修饰、基因突变、 结构分析等各种方法, EPSP合酶中底物的结 合位点和催化位点的研究现在已经比较深入 (Schonbrunn, E.等, 出处同上; Mcdowell 等, 出处同上; Anderson, K. S.等. J Biol Chem 1990, 265, (10), 5567-72; Huynh, Q. K. 等 J Biol Chem 1988, 263,(24), 1 1636-9; Huynh, Q. K. 等 J Biol Chem 1988, 263,(2), 735-9; Padgette, S. R. 等 J Biol Chem 1988, 263, (4), 1798-802; Padgette, S. R. 等 Arch Biochem Biophys 1988, 266,(1), 254-62; Eschenburg, S.等 J Biol Chem 2003, 278, (49), 49215-22 ; Mizyed, S. 等 Biochemistry 2003, 42, (23), 6986-95; Shuttleworth, W. A. 等 Biochemistry 1994, 33, (23), 7062-8; Shuttleworth, W. A. 等 Arch Biochem Biophys 1996, 334, (1); 37-42; Shuttleworth, W. A. 等 oc/zew W^y 1999, 38, (1 ), 296-302; Stauffer, M. E. 等 Biochemistry 2001 , 40, (13), 3951-7; Stauffer, M. E. 等 FEBS Lett 2001, 499, (1-2), 182-6; McDowell, L. M. 等 Biochemistry 2004, 43, (21), 6606-1 1)。
此外, Schonbrunn等提出 Lys-22 , Arg-124, Asp-313 , Arg-344, Arg-386 和 Lys-411 参与 PEP结合, Arg-27等参与 S3P结合, Arg-100, Asp-242和 Asp-384 在酶结合底物由开放构象转换成闭合构象时起着重要作用(尸 ra ra 2000, 40, (2), 290-8; Biochemistry 2000, 39, (9), 2164-73; Pwc Natl Acad Sci US 2000, 97, (12), 6345-9)。
拆分位点的选择
本发明人基于 EPSPS的结构,在有可能不影响 EPSPS酶活性的结构区域 中设计了分拆位点。
当分拆位点位于蛋白折叠单元之间时, 共价键的断裂和甲硫氨酸的插入 一般不会影响蛋白质天然结构的形成。 分拆的蛋白片段依靠蛋白内的非共价 作用及两个肽链之间存在各种非共价作用如氢键、 盐桥及疏水作用等形成天 然的蛋白结构, 从而可以重建蛋白功能。 分拆位点位于折叠单元之间, 互补 片段二级结构的形成一般不会被影响, 因此更容易发生片段互补。 在实施方 案中, 大肠杆菌. EPSPS有 7个分拆位点位于折叠单元之间的连接区域中, · 拆产生的蛋白片段有 6对可以互补形成 EPSPS活性, 而且它们的互补活性都
比较好。 恶臭假单胞菌有 3个分拆位点在折叠单元之间的连接区域中, 所形 成的 3对片段都可以互补 EPSPS活性。
当分拆位点位于 α螺旋与 /或 β折叠之间的连接区域时, 共价键的断裂一 般不会影响到 α螺旋或 β折叠的形成, 而曱硫氨酸的插入对天然结构的形成 的影响一般也没有那么明显, 因而此时片段互补容易发生。 在实施方案中, . 大肠杆菌 EPSPS有 6个分拆位点位于 α螺旋与 β折叠之间的连接区域中, 其 • 中有 5对片段可以互补 EPSPS活性; 另有 1个分拆位点位于 β折叠之间的连 接区域中, 相应片段也可以互补 EPSPS活性。 恶臭假单胞菌有 1个分拆位点 在 β折叠中, 所形成的片段可以互补 EPSPS活性。
当分拆位点位于 α螺旋或 β折叠中时, 只要 α螺旋或 β折叠可以忍受共 价键的断裂和曱石克氨酸的插入, 或者此处的 α螺旋或 β折叠对蛋白的整体功 能并不是十分重要, 则 EPSPS的片段也可以通过片段互补来重建蛋白活性。 在实施方案中, 大肠杆菌 EPSPS有 7个分拆位点位于 α螺旋或 β折叠中, 其 中有 3对片段可以互补 EPSPS活性。 恶臭假单胞菌有 1个分拆位点在 β折叠 中, 所形成的片段可以互补 EPSPS活性。
当 EPSPS在两个结构域中间分拆时, 大肠杆菌 EPSPS的 N端肽链 N240 : 和 C端肽链 C241可以形成复合体而被共纯化出来。 但是该复合体酶活性很 低, 这可能是 N240/C241复合体中只有一对疏水作用区域相互作用, 因此蛋 白结构不稳定。 恶臭假单胞菌有在两个结构域之间测试了 3个分拆位点, '所 形成的片段都基本不能互补 EPSPS活性。 因此,本发明人在 EPSPS的结构域 之间连接区中进行分拆, 所得片段没有能够重建出 EPSPS活性。
总之, 本发明人在大肠杆菌 EPSPS中成功实施了 14个拆分点, 其中 6 个在折叠单元之间的连接区中, 3个在 α螺旋与 β折叠之间的连接区中, 2个 在 β折叠之间的连接区中, 2个在 β折叠中, 1个在 α螺旋中。 通过在这些拆 分点进行拆分, 大肠杆菌 EPSPS的基因被分拆为 Ν片段和 C片段。 将相互 对应的 N片段和 C片段分别在两种相容的质粒上表达。如此得到的 N片段
C片段单独都不表现 EPSPS活性,但在体内,相应的 N片段和 C片段结合可 以互补 EPSPS活性。
类似地, 在另外的实施方案中, 本发明人在恶臭假单胞菌草甘膦抗性 EPSPS 中成功实施了 5个拆分点, 其中 3个在折叠单元之间的连接区中, 1 个在 α螺旋与 β折叠之间的连接区中, 1个在 β折叠中。 如此拆分所得到的
片段同样可以互补 EPSPS活性。
EPSPS的活性能够通过片段互补而重建, 这意味着该蛋白内的非共价作 用十分特异, 从而使片段有利于形成天然的具有 EPSPS功能的结构, 而不会 形成其它的结构。 此外该蛋白能够发生片段互补, 这表明, 断开一些区域中 5 的共价键时, 该蛋白仍旧可以保持结构稳定性, 两个肽链之间不必通过共价 键, 而仅通过各种非共价作用如氢键、 盐桥及疏水作用等紧密结合在一起。 在 EPSPS的片段互补中, 疏水作用可能起着更大的作用。 EPSPS的两个片段 之间存在很强的两对疏水作用区域, 形成两个 "钩子" 将蛋白稳定在一起。 . 本发明共纯化得到了多个由相对应的拆分片段组成的复合体, 但是纯化 10 出的蛋白量却有很大的差异, 这说明片段互补在体内都可以形成, 但是复合 体形成的难易程度是不同的。 有些区域共价键的断裂对蛋白结构的稳定性影 响比较大, 有些区域共价键的断裂对蛋白结构的稳定性影响比较小。 C 端肽 链引入一个曱硫氨酸 (起始密码子所编码的氨基酸)也有可能影响蛋白结构的 稳定性, 从而导致蛋白片段互补不能发生。 ' :
15 大肠杆菌 EPSPS的复合体 N240/C241也可以被大量的共纯化出,但是它 却不能互补大肠杆菌 aro 基因突变菌株 AB2829在限制性培养基上的生长, 这是由于复合体 N240/C241的 EPSPS的活性远低于野生型全长 EPSPS。其活 性的丢失可能有以下两个原因: 一是 N240/C241 的分拆位点与 Asp242十分 接近, Asp242在结合底物引发结构变构过程中起着非常重要的作用,在 C241 0 中引入一个曱硫氨酸可能会影响到 Asp242的功能从而使其酶活性丧失;第二 个原因可能是 N240/C241的分拆位点位于两个结构域的中间, 其形成的复合 :: 体中只有一对疏水作用区域, 虽然它们之间的疏水作用足以使两个蛋白片段 形成复合体, 但由于缺少另外一对疏水区域, 这个复合体的结构可能与野生 蛋白的结构有所不同, 从而使酶活性丧失。 因此, 对分拆位点的选择应基于 5 结构变化对酶活性的影响来考虑。 '
EPSP合酶的在植物细胞中的定位
Bickel等 (Phytochemistry 17: 1 19-124, 1978)发现, 植物的芳香族氨基酸 在叶绿体内进行合成。 Mousdale等随后证明, 植物的 EPSP合酶定位于叶绿 体内膜上(?1& 3,1987, 170:卜6; Plant Physiol., 1987, 83 :229-231 ; J Biol Chem 0 1988 Oct 15;263(29): 15104-9; Mol Gen Genet 1994 Dec 1 ; 245(5):616-22; Mol Gen Genet 1993 Jun; 239(3):416-24)。 Della-Cioppa等 (Bio/Technology 1987(5):
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本发明的 EPSPS片段互补技术可应用于转基因植物, 以防止抗草甘膦基 因的扩散带来的生态风险。 例如, 将 EPSPS的 N端片段在植物核染色体中表 达, 而将其 C端片段在植物的叶绿体中表达。 单独表达的一种 EPSPS片段都 不具有 EPSPS的活性, 因此其基因扩散没有选择优势。 当两种片段的基因共 同表达时, 两个 EPSPS片段可以在叶绿体中发生互补而重建 EPSPS活性,从 而使植物对草甘膦产生抗性。 也可以将编码两个 EPSPS片段的基因插入叶绿 体基因组的不同位置, 在这种情况中, 两种基因共同转移到染色体上的概卓 大大降低, 从而降低转基因扩散发生的概率。 关于控制植物中细胞过程的方 法可参见 WO2004/046359和 WO2004/046360。 附图说明 , 图 1显示 pKU2004的质粒图 。
图 2 EPSPS的结构示意图及分拆位点的选择。 图 2A为 EPSP合酶的拓 朴结构, 图 2B为 EPSP合酶的一个结构单元。
图 3: 质粒构建示意图。 A. 将 EPSPS的 C-末端片段亚克隆到 pKU2100 载体的 Tet启动子之后。 B. 将 EPSPS的 N-末端亚克隆到 pACYC184载体的 Tet 启动子之后。 C. 将 EPSPS 编码基因的 N-末端部分亚克隆到衍生于 pACYC184的质粒载体的 T7启动子之后。 D. 将 EPSPS的 C-末端部分构建到 pET28a载体中, 并且在 C-末端尾部带有 6个 His组成的标签。
图 4: EPSPS片段的蛋白免疫印迹分析。 将表达所示 EPSPS的细胞溶于 SDS样品緩冲液中, 经 SDS-PAGE 和免疫印迹来分析等量蛋白(来自〜 0.8μ 湿重的细胞)和纯化的蛋白。 图中示出了以下纯化蛋白的量: N218/C219 (来自. ~150 ml湿重的细胞), N227/C228 (来自〜 20μβ湿重的细胞), N234/C235(来自
~500μ§湿重的细胞), N240/C241 (来自 ~4(^g湿重的细胞), N245/C246(来自 ~500μ 湿重的细胞)和 pACYC184/pBR322 (来自〜 50(^g湿重的细胞)。标准分 子量的位置示于图左, 单位为千道尔顿 (kd)。
图 5. EPSPS 的圆二色性光谱分析。 系列 1 为野生 EPSPS, 系列 2 为 N227/C228复合体。
图 6: 表达有不同 EPSPS的大肠杆菌 GraA基因缺陷菌株 AB2829, 在限 制性培养基 (即添加了所示浓度的草甘膦的液体 M63基本培养基)中的生长情 况。
图 7 a大肠杆菌 EPSPS的 SDS-PAGE电泳图。 1 : N218; 2: C219; 3: : EcEPSPS; 4: 共复性 N218 + c219; 5: N218 + c219(单独复性后一起); 6: 分 子量标准。
图 7 b大肠杆菌 EPSPS的 native-PAGE电泳 Western印迹图。 1 : N218 + C219(单独复性后一起); 2: 空白对照; 3: 共复性 N218/C219; 4: 空白 对照; 5: 野生型 EPSPS。 具体实施方式
实施例 1 大肠杆菌 EPSPS的重建
1 材料与方法
1.1 菌株与质粒
用于本实验的菌株和质粒列在表 1中。
表 1. 用于本研究中的细菌菌株和质粒
菌株 /质粒 相关特点 来源 /参考文献 大肠杆菌菌株
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£c。,,.上游部分序列 本工作 pKU2224 pBluscript-S 衍生质粒, 带有 bla基因 本工作 p U2225 pBluscript-S 衍生质粒, 带有 aro ^m下游序列 本工作 p U2227 pBluscript-S 衍生质粒, 带有 CWOA
£c。/,.上下游序列 本工作 p U2228 pBluscript-S 衍生质粒, 带有 aroA w,.上下游序列及 基因 本工作 pKU2229 p 03衍生质粒, 带有 aroA
£ra/,上下游序列及 Wa基因 本工作 pKU2249 pET-28a衍生质粒, 带有 N245-£.co/i' roA, m
R 本工作 p U2250 pET-28a衍生质粒, 带有 C246-E. co" aroA, m
R 本工作 pKU2249 pET-28a衍生质粒, 带有簡 5-£.co" aroA, m
R 本工作 p U2249 pET-28a衍生质粒 , 带有 N245-£.co// aro , m
R 本工作 pKU2249 pET-28a衍生质粒, 带有 N245-E.CO" arok, m
R 本工作 pKU2262 pACYC 184衍生质粒, 带有 N240-araA
fc..
c。,„ Cm
R 本工作 pKU2263 pBR322衍生质粒, 带有 C24卜 araA/;.
∞/,, Ap
R 本工作 pKU2266 pET-28a衍生质粒, 带有 N240-E.co!i arok, Km
R 本工作 p U2267 pACYC184衍生质粒, 带有 T7启动子及 N218-araA
£c。/,, Cm
R 本工作 p U2268 pACYC184衍生质粒, 带有 T7启动子及 Ν240-ί»ΌΑ
Λ.
∞/,, Cm
R 本工作 p U2269 pET-28a衍生质粒, 带有 N227- .co" arok, m
R 本工作 p U2274 pACYC184衍生质粒, 带有 T7启动子及 n-aw
Ecolh Cm
R 本工作 p U2275 pACYC 184衍生质粒, 带有 T7启动子及 N234-araA
£..
c„,,, Cm
R 本工作 p U2276 pET-28a衍生质粒, 带有 C228- .co/ arok, m
R 本工作 p U2277 pET-28a衍生质粒, 带有 C235-£.CO//CTOA, Km
R 本工作 p U2278 pET-28a衍生质粒, 带有 C24 £.co/ arok, m
R 本工作 p U2282 pET-28a衍生质粒, 带有 C246-£:. O/ arok, m
R 本工作 p U2283 pET-28a衍生质粒, 带有 C219-£.co/!' aroA, m
R 本工作 p U2287 pACYC184衍生质粒, 带有 T7启动子及 Ν240-α/ΌΑ 。,,, Cm
R 本工作 p U2289 pACYC 184衍生质粒, 带有 T7启动子及 NSAS-oroA/^,,, Cm
R 本工作
Ap, 氨卞青霉素; Cm, 氯霉素; Km, 卡那審素; R, 抗性; , 删除; .·, 融合;
1.2培养基
LB培养基: 每升所含成分:
胰蛋白胨 10g
酵母提取物 5g
NaCl lOg
补足水并用 2M的 NaOH调至 pH7.0~7.5左右, 固体培养基加 1.5%的琼 脂粉。 使用前 15磅压力, 121 °C高温灭菌 20min后备用。
筛选氨苄青霉素抗性菌株在培养基中加 Ap至 50 g/ml。
筛选卡那霉素抗性菌株在培养基中加 Km至 25 g/ml。
筛选氯霉素抗性菌株在培养基中加 Cm至 25 g/ml。
限制性 M63 培养基: 13.6g/L KH2P04, 0.5mg/L FeS04-7H20 , 20mM (NH4)2S04, 0.4 %葡萄糖, ImM硫酸镁, 0.5mg/L维生素 Bl。
1.3试剂
限制性内切酶, T4DNA连接酶, TaqDNA聚合酶, DNA marker等购于 Takara生物公司。 考马斯亮蓝 G250, 烯醇式丙酮酸 (sigma), 莽草酸 -3-磷酸 (Amrehin教授赠送); HisTrap HP kit (Amersham Biosciences), 羊抗兔 IgG (promega); 其余化学药品均为分析纯试剂。
1.4 遗传学操作
质粒 DNA 的制备、 限制性内切酶的消化、 连接反应、 Tris-硼酸 -EDTA 緩冲液水平琼脂糖电泳、聚丙烯酰胺凝胶电泳及 western杂交等按照标准方法 (Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 2nd edition. (Sambrook, Fritsch and Maniatis, eds.), Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1989)进行。
1.5 质粒构建
a. pKU2008、 pKU2009的构建
用引物 11 : 5, - CGGGATCCAGGTCCGAAAAAAAACGCCGAC 3' 和 引 物 12 : 5' - CGGGATCCATGGAATCCCTGACGTTACA 3' 以 pKU2004为模板, ^"大肠 杆菌的 araA基因进行扩增, 连入 pET28a载体得到 pKU2008, 该质粒编码的 EPSPS为 N端带有 Ηίέ标签的融合蛋白。 将 pKU2008用 Ncol酶切, 自我連 接得到 pKU2009, 该质粒编码的蛋白为大肠杆菌野生型 EPSPS。
b. pKU2100 系列质粒 (编码 EPSPS的 C端肽链)的构建
用引物 13 : 5 '-TGAGTGACTGACTTTAAGAAGGAGATATAC3,和引物
14: 5-CGGGATCCTCACTGATTTTCAATTTCAACAC 3' 以 pKU2009为模板进行 PCR 扩增, 扩增产物经 BamHI酶切连入 pBR322的 EcoR V和 BamH I位点, 得 到质粒 pKU2100。 以 pKU2009为模板,分别以对应引物进行扩增得到编码大
肠杆菌 EPSPS的 C端的碁因 ,将扩增产物连接入 pKU2100的 Ncol和 Bamffl 位点, 分别得到质粒 pKU2102、 pKU2125、 pKU2126、 pKU2130和 pKU2262, 这些盾粒分别编码大肠杆菌 EPSPS的 C端肽链 (表 1, 图 3)。
c pACYC 184系列质粒 (编码 EPSPS的 N端肽链)的构建
以 pKU2009为模板, 分别以对应引物进行 PCR扩增, 得到编码大肠杆 菌 EPSPS的 N端的基因,将扩增产物连接入 pACYC 184的 EcoR V和 Bamffl 位点, 分别得到质粒 pKU2101、 pKU2125、 pKU2126、 pKU2130和 pKU2263 , 这些质粒分别编码大肠杆菌 EPSPS的 N端氨基酸序列 (表 1, 图 3)。
d. pET28a系列表达质粒的构建
将上述 b步骤中构建的 pBR322 系列质粒和 c步骤中构建的 pACYC 184 系列质粒分别用 Ncol和 BamHI酶切, 回收合适片段连接入 pET28a载体中, 得到用于表达 EPSPS的 N端和 C端的 pET28a系列表达质粒 (表 1)。
e. pACYC-T7系列表达质粒的构建
将用于表达 EPSPS的 N端的 pET28a质粒分别用 Bgl II和 Sal I酶切, 回 收所需片段连接入 pACYCl 84载体的 BamHI 和 sal I位点得到 pACYC-T7系 列表达质粒 (表 1, 图 3)。
f. pET28a系列表达质粒 (用于表达 C端 His-taq融合蛋白)的构建
以 pKU2009为模板,分别以对应引物进行扩增得到编码大肠杆菌 EPSPS 相应部分的基因, 将扩增产物用 Xhol和 Ncol酶切后连接入 pET28a载体中 得到 pET28a系列表达质粒, 该系列质粒所编码的 EPSPS的 C端融合有 6个 组氨酸以便于利用镍柱纯化蛋白(图 3)。
g.用于菌株突变的质粒 pKU2229的构建
以大肠杆菌 BL21(DE3)的染色体为模板, 用引物进行 PCR扩增反应, 得 到其 arok基因上游长约 600bp的片段, 将其连入 pBlueScript (stratagene)的 BamHI和 Hindlll位点得 质粒 pKU2223。 以质粒 pBlueScript为模板, 用引 物进行 PCR扩增反应, 得到长约 900bp的 b/α基因, 将其连接入 pBlueScript (stratagene)的 Hindlll和 EcoRI位点得到质粒 pKU2224。以大肠杆菌 BL21(DE3) 的染色体为模板,用引物进行 PCR扩增反应,得到其 aroA基因下游长约 500bp 的片段, 将其连入 pBlueScript (stratagene)的 EcoRI 和 Sail 位点得到质粒 pKU2225。 酶切回收 pKU2225中的片段连接入 pKU2223的 EcoRI和 Sail位 点得到质粒 pKU2227。酶切回收 pKU2224中的片段连接入 pKU2227的 Hindlll
和 EcoRI位点得到质粒 pKU2228。 酶切回收 pKU2228中的 BamHI和 Sail间 的片段连接入 pK03载体中得到质粒 pKU2229。
以上所有构建质粒均测序保证其序列正确。
1.6 突变菌株 BA-的构建.
5 利用 pK03来源质粒 pKU2229将 BL21(DE3)的 awk基因替换为导致氨. 苄青霉素抗性的 b/β基因。 具体步骤为: 将 pKU2229转化入 BL21(DE3)中, 挑取一个转化子稀释后涂布于带有 Ap和 Cm抗生素的 LB固体平板上, 43 "G : : 过夜培养, 由于 pK03 的复制子在 43 °C不能正常起始复制, 因此 pKU2229 只有重组到染色体上, 菌株才能在 43 °C含有 Ap和 Cm抗生素的平板上生长。 10 挑取一个重组后的菌落, 稀释后涂布到含有 5 %蔗糖的仅含有 Ap抗生素的 LB培养基上, 过夜培养。 由于 pK03带有 c B基因, 该基因编码的蛋白质 分解蔗糖后对细菌产生毒性,导致带有 基因的细菌不能在含有 5 %蔗糖 的培养基上生长, 因此在含有 5 %蔗糖及 Ap抗生素的 LB培养基上生长的菌 落, 又一次发生同源重组, 使 araA基因和 ^c B基因丢失。 挑取几个菌落, 15 划线于 Cm平板和 M63平板, 确定 araA基因确实被删除, 提取其总 DNA, 进行 PCR扩增反应以最终确定 b/α基因替换掉 aro 基因。
1.7体内互补实验 转入大肠杆菌 raA基因缺陷的菌株 AB2829中, 然后将其划线于 M63 «·) 0 性固体培养培养基上, 过夜培养检测其生长情况。
1.8 生长曲线实验
将带有质粒 pKU2004、 pKU2006和 pKU2007的大肠杆菌 ara 基因突 ί 菌株 ΑΒ2829接种于 LB液体培养基中过夜培养, 取菌液 4000rpm离心 3分 钟, 用 0.9%生理盐水悬浮, 再次离心, 弃去上清, 并用生理盐水重新悬浮, 5 接入含有 0、 50和 100 mM草甘膦的液体培养基中,初始接菌量为 OD6(X) 0.04, 37°C 过夜培养, 并定时测光吸收 (OD6。。)。
1.9 蛋白的表达与纯化
将带有目的质粒的 菌接入含有相应抗生素的 LB液体培养基中, 在 37°C摇床培养至 OD6。。 0.75左右, 加入终浓度为 0.5 mM的 IPTG, 15°C过夜 0 培养。 将菌液在 4QC、 5000rpm离心 10分钟收集菌体, 按体积比 10: 1重悬至 緩冲液 A(50 mM Tris-HCl (pH 7.8), 0.4 mM DTT)中, 超声波破碎菌体, 4°C,
8000rpm离心 60分钟。
将离心后的上清液用 HisTrap HP kit (Amersham Biosciences)按照使用说 明进行蛋白纯化。 纯化后的蛋白利用 Millipore Biomax membrane (10 kDa)浓 缩于緩沖液 A中, 4QC保存。
5 1.10 EPSPS多克隆抗体的制备
将带有质粒 pKU2008的 BL21(DE3)菌株按以上步骤进行表达纯化,最后 将蛋白浓缩, 重悬于 PBS緩沖液中。 以此蛋白为抗原, 对兔子进行免疫反应,. 经过四次反应, 一次加强反应后取血清 (此过程由中科院遗传所完成), 用 ELASA检测抗体效价后备用。
10 1.11 聚丙烯酰胺凝胶电泳
SDS -聚丙烯酰胺凝胶电泳凝胶的上层浓缩胶浓度为 5 %,下层分离胶浓 度一般为 16 %。 Native -聚丙烯酰胺凝胶电泳凝胶的浓度为 10 %。 凝胶、 电 泳緩冲液的配置及电泳方法参见 Sambrook等, 出处同上。
1.12 圆二色性光谱 (CD spectra)的测定
15 远紫外和近紫外 CD光谱的测量在一台接有恒温水浴循环控制仪的 Jobin
Yvon CD6上进行。 每条曲线是 4 次测量的平均。 测量温度为 8QC。 进行近紫 夕卜圓二色性光语测定时使用 1-cm pathlength cylinder quartz cuvette, 而远紫夕卜 圆二色性光谱测定时使用 0.1 -mm pathlength cylinder quartz cuvette。
1.13 EPSPS片段的蛋白免疫印迹实验
0 转膜及免疫印迹反应方法参见 Sambrook等, 出处同上。 简要步骤为: 蛋 白经过 16 % SDS -聚丙烯酰胺凝胶电泳后转移至硝酸纤维素膜上, 将膜与 ; ' 1 :2000稀释的兔的多克隆抗体杂交, 抗体抗原复合物进一步与结合有辣根过 氧化物酶的第二抗体 -羊抗兔 IgG(promega)反应形成复合物。 显色反应采用 辣根过氧化物酶分解 DAB (华美生物工程公司)的方法, 具体操作见说明书。 5 1.14 EPSPS活性测定
酶活性的测定
(1)取 95 μΐ底液 (在反应体系中浓度为 50 mmol/L HEPE Sbuffer (pH 7.5), 1 mmol/L PEP, 1 mmol/L S3P), 于 28 °C的培养箱中预热 5 min。
(2)加 5 μΐ酶液, 在 28 °C培养箱中放置 1一 20 min (以酶量活性决定时间 0 长短), 加 800 μΐ MG/AM/NP混合 1 min。
(3)加 100 μΐ的 34 %的柠檬酸钠溶液,混合后半小时于 660 nm的分光光
度计上测定 OD值。
1.15 体外互补实验
将 EPSPS的 N端和 C端分别在 BA-中表达, 离心收集菌体后超声波破 碎, 电泳检测目的蛋白是否主要形成包涵体从而聚集在沉淀中。 收集沉淀, 5 先用緩冲液 B(50 mM Tris-HCl (pH 7.8), 1 mM EDTA, 0.05%的 Triton-100)洗 三次, 再用 1M氯化钠溶液洗三次, 再用緩冲液 C(50 mM Tris-HCl (pH 7.8), 1 mM EDTA, 1M尿素)洗三次, 最后用蒸馏水洗三次。 将洗涤完毕后的沉淀加 入还有 8M尿素的緩沖液 A.中, 充分溶解后离心取上清转入透析袋中。 先用 还有 2M尿素的緩沖液 D(50 mM Tris-HCl (pH 7.8), 1 mM GSH, 0.5mM GSSG) 0 透析过夜, 再用緩沖液 D透析 36小时, 最后用 PEG 12000浓缩。 复性产物通 过电泳、 免疫反应及酶活性检测加以分析。
2.大肠杆菌 EPSPS的片段互补结果
2.1 体内功能互补实验
为了检测 EPSPS能否体内表达形成片段互补, 分别将编码 EPSPS的 N 5 端肽链的基因构建在 pACYC184载体上, 而将编码 EPSPS的 C端肽链的基 因构建在 pBR322载体上 (具体构建过程见方法)。然后将这些质粒分别转入大 肠杆菌的 arok基因突变菌株 AB2829中, 通过检测其是否能在 M63限制性 培养基上生长,来确定该基因编码的蛋白片段是否仍具有 EPSPS活性。结果; 仅带有编码 N端或 C端 EPSPS编码基因的 AB2829不能在 M63培养基上生 0 长。
由于 pACYC184和 pBR322质粒分别具有复制子 pl5A and ColEl , 因此 : 这两个质粒可以在同一个细菌中共表达。我们于是将编码 EPSPS的 N端肽链 的 pACYC184系列质粒, 和在同一个位点分拆的编码 EPSPS的 C端肽链的 pKU2100系列质粒,共转化入大肠杆菌的 oA基因突变菌株 AB2829中,将 5 其划线于 M63 限制性培养基平板上 37QC培养。 16 小时后, 分别带有编码 EPSPS的N218/C219(pKU2101/pKU2102)和N227/C228 (pKU2125/pKU2138)
' ' 质粒的 AB2829可以在限制性培养基上生长, 而带有其它三对质粒 pKU2126/ pKU2137(N234/C235), pKU2162/pKU2163(N240/C241)和 pKU2110/pKU2130 (N245/C246)的 AB2829 不能在 M63 培养基上生长。 这说明, EPSPS 片段 0 (N218/C219和 N227/C228)在体内分别表达时, 可以互补形成 EPSPS活性,: 其它三对 EPSPS的片段在体内不能互补 EPSPS活性。
2.2 EPSPS片段复合体的纯化和检测
为了确定是否因为编码 EPSPS片段的基因在体内发生重组而导致合成全 长 EPSPS并恢复 EPSPS活性,将蛋白片段共纯化出来,体外检测酶活性及蛋 白片段大小, 以确定 EPSPS活性恢复确实是因为片段互补的原因。 为此, 构. 建了用于表达 EPSPS片段的质粒, 其中 N端构建于 pACYC184载体上, 而 蛋白 C端构建于 pET28a栽体上, 都由 T7启动子起始转录表达, 其中 EPSPS 的 C端肽链的 C端融合有 6个组氨酸 (质粒构建见方法见上文)。 如果 EPSPS 的两个蛋白片段能够体内重建,形成天然 EPSPS的结构,那么分拆后的 EPSPS 的 N端肽链, 将与相应的 EPSPS C端肽链结合, 并且该复合体可以被镍柱所 吸附而共纯化出来。 为了消除细菌染色体上 aroA基因编码的 EPSPS的影响, 将大肠杆菌 BL21体内编码 EPSPS的 araA基因, 替换为编码 β-内酰胺酶的 基因, 得到 oA基因删除菌株 ΒΑ―。 将相应的两个系列的质粒, 转化入 BA-菌株中共表达。 首先将其划线于涂有 IPTG的 M63平板上, 过夜培养检 测其体内互补情况。 结果与前面一致, 带有 N218/C219、 N227/C228 片段编 码基因的 BA 可以在 M63限制性培养基上生长; 带有其它三对片段编码基 因的 BA―, 不能在 M63限制性培养基上生长。 将 EPSPS的 N端肽链和 C端 肽链在 BA—中分别表达或共表达, SDS-PAGE检测, 结果表明它们均能正者 表达。 用 HisTrap HP kit对共表达的蛋白进行纯化, 纯化后的蛋白 SDS-聚丙 烯酰胺凝胶电泳后, 用制备好的 EPSPS的抗体进行检测 (具体步骤见方法)。 ' 结果如图 4所示, 纯化后的蛋白中不仅有 EPSPS的 C端肽链, 而且也有其 应的 N端肽链。 这些蛋白片段都与预计的片段大小一致, 这说明在体内表达 的 EPSPS的片段, 可以互补形成复合体从而被共纯化出来。 从图中也看出, 共表达的蛋白无论是纯化前还是纯化后都没有全长的蛋白, 这表明体内没有 发生重组, 因此没有形成全长 EPSPS基因。 活性试验也显示, 纯化出的蛋白 都具有 EPSPS活性。 以上的结果表明, EPSPS活性可以由在体内分别表达的 肽链发生片段互补而形成。
EPSPS的 N端肽链和 C端肽链虽然在体内表达量可能有所差异,如 N227 的表达量远大于 C228的表达量, 但是纯化后 N端和 C端蛋白片段的含量几 乎都是 1 : 1 的关系。 从图中也可以看出, 纯化出的 N234/C235、 N245/C246 量远远少于其它三个共纯化的 EPSPS, 这可能是其不能在体内互补 EPSPS活 性以使 AB2829在限制性培养基上生长的原因。 虽然 N240/C241复合体纯化
出的量甚至多于 N218/C219, 但是它却不能互补 AB2829在限制性培养基上 的生长, 这是因为其 EPSPS活性比较低的原因
2.3测定酶活性
为了对 N218/C219、 N227/C228这两个能重建酶活性的复合体进行进一 步的研究, 将上一步用 HisTrap HP kit纯化后 N218/C219、 N227/C228及全长 的 EPSPS用 Sephadex-G75柱进行进一步纯化, 纯化结果表明 N218/C219、 N227/C228及全长的 EPSPS具有同一个洗脱峰, 表明其分子量及结构大致相 同。 随后测定了这三个蛋白的酶活性及对底物的 Km值, 结果如表 2, 从表 中可以看出,片段互补后的 EPSPS复合体 N218/C219及 N227/C228的酶的活 力分别约为全长 EPSPS的 70%和 64 % ,而对底物的亲和力并没有太大的改变, 这表明重建的 EPSPS结构比较稳定。
表 2. EPSPS及重建后 EPSPS的酶学性质
醉 (μΜ) 比活力 b( mol min"1 mg"1) Km [PEP] \μΜ) Km [S3P] d
EPSPS 44土 2 14 ± 3 45 ± 1
218/219 31 ± 3 18 ± 3 49 ± 3
227/228 28 ± 4 19 ± 3 49 ± 6
以上结果为两次独立实验, 每次实验至少有三个平行。
酶比活力测定 PEP和 S3P的浓度均为 1.0 mM 。
c测定 Km[PEP]时, S3P浓度不变为 1 mM, PEP浓度从 50到 200 μΜ。
d测定 KJS3P]时, PEP浓度不变为 1 mM , S3P浓度从 50到 200 μΜ。
2.4 圓二色性光谱 (CD spectra)的分析
为了确定, 片段互补重建所得的 EPSPS是否与野生型 EPSPS结构一致, 对 EPSPS 及复合体 N227/C228 进行了圆二色性光谱分析。 EPSPS 与 N227/C228的远紫外 CD 光谱基本没有显著差异 (图 5) , 这意味着它们的二 级结构几乎是相同的。 但近紫外 CD 光谱之间有所差异 (图 5), 表明重建的 EPSPS与野生型 EPSPS结构还是有所差异。
2.5 大肠杆菌突变型 EPSPS的体内互补
为了检测突变后的 EPSPS片段是否可以在体内进行功能互补, 分别构建 了质粒 pKU2105和 pKU2333, 它们分别编码大肠杆菌 EPSPS的两个 N端片 段 N218-G96A和 N227-G96A。 将它们与相应的编码 C219和 C228的质粒分 别转入大肠杆菌 arok基因的突变菌株 AB2829(aro A―, 来源于耶鲁大学))中,
在带有不同浓度草甘膦的 M63限制性培养基中检测其生长情况,结果如图 6。 从图中可以看到, 在未加草甘膦的 M63培养基中, 带有不同质粒的 AB2829 均生长良好, 没有明显的差异。 在含有 50 mM草甘膦的 M63培养基中, 表 达有突变的 EPSPS 全酶 (EPSPS-G96A)或突变的互补片段 (N227-G96A/C228 和 N218-G96A/C219)的菌株生长较好, 而表达有野生型 EPSPS或野生互补片 段的菌株生长被阻遏。 表达有 EPSPS-G96A或 N227-G96A/C228的菌株在含 有 lOO mM草甘膦的 M63培养基中仍旧生长良好,而表达有 N218-G96A/C219 的菌株生长稍差,这可能是在体内 N2227-G96A/C228复合体更容易形成的原 因。
2.6 体夕卜 EPSPS 重建
蛋白片段能在体内互补形成有活性的复合体, 那么在体外同样有可能互 补形成有活性的复合体。 为此, 分别表达了 EPSPS的 Ν端肽链 N218和 C端 肽链 C219。 EPSPS片段的大量表达形成包涵体, 对包涵体进行初步纯化后, ' 将它们一起复性 (操作步骤见方法)。复性结束后对其进行电泳分析,结果见图 7。 从图 7a中我们可以看出, EPSPS的各个片段出现在预计的位置, 并没有 全长的 EPSPS。 当将其体外共复性之后, native - PAGE结果可以出现与野 ' 生 EPSPS—致的条带, 将单独复性后的 N218和 C219混合在一起时并没有 此带, 这说明体外 EPSPS共复性后可以互补形成类似于野生 EPSPS的结构。 活性实验也表明, N218/C219共复性可以互补形成 EPSPS活性, 而单独复性 后的 N218和 C219混合在一起并不能互补形成 EPSPS活性。
3. EPSPS的片段互补与结构的关系
3.1 所用的菌株和质粒见下表。
表 3. 用于本研究中的细菌菌株和质粒 _; 菌株 /盾粒 相关特点 来源 /参考文献
大肠杆菌菌株
DH5a supE44AlacU 169hsdR 17recA 1 gyrA96thi- 1 re 1 A 1 Hanahan D., J ol Biol
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AB2829 aroAi^ 耶鲁大学
质粒
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p U2006 pACYC184衍生质粒, 带有 a/OA£∞,,, CmR 本工作
pKU2007 pACYC184衍生质粒, 带有
- G96A, Cm
R 本工作
p U2008 pET-28a衍生质粒, 带有 £.co/ aroA, mR 本工作
pKU2009 pET-28a衍生质粒, 带有 £.co/ araA , KmR 本工作
p U2010 pET-28a衍生质粒, 带有 £co" oroA-G96A, mR 本工作
pKU2011 pET-28a衍生质粒, 带有 £.co/!' <3OA-G96A, KmR 本工作
p U2100 PBR322衍生质粒, 带有 a/OA,:.ra/,, ApR 本工作
pKU2101 pACYC184衍生质粒, 带有 N218-araAE.c。,,, CmR 本工作
p U2102 pBR322衍生质粒, 带有 CS
Ap
R 本工作
p U2103 pACYC184衍生质粒, 带有 N238-araA£.c。/,, CmR 本工作
p U2104 pBR322衍生质粒, 带有 C239-iJroA£∞,,, ApR 本工作
p U2110 pACYC184衍生质粒, 带有 N245-araA£c。/,, CmR 本工作
p U2111 pACYC184衍生质粒, 带有 N259-aAOA£c。„, CmR 本工作
pKU2124 pBR322衍生质粒, 带有€225-αΌΑ£. /,, ApR 本工作
p U2125 pBR322衍生质粒, 带有 C228-aroA£c。/,, ApR 本工作
p U2126 pBR322衍生质粒, 带有
Ap
R 本工作
pKU2129 pACYC184衍生质粒, 带有 N3卜。 TOA£i:。, ,, CmR 本工作
pKU2130 pBR322衍生质粒, 带有 C246-araA£C。/,, ApR 本工作
p U2131 pBR322衍生质粒, 带有 C260-aroA£c。/,, ApR 本工作
p U2135 pBR322衍生质粒, 带有 C299-aTOA 。/,, ApR 本工作
pKU2136 pACYC184衍生质粒, 带有 NZSS-araA/^/,, CmR 本工作
p U2137 pACYC184衍生质粒, 带有
Cm
R 本工作
pKU2138 pACYC184衍生质 , 带有 Ν227-β·οΑ£∞/,, CmR 本工作
p U2139 pACYC184衍生质粒, 带有 N224-。/OA
£c。,,, Cm
R 本工作 pKU2148 pACYC184衍生质粒, 带有 N165-。/OA
£.
c。,,., Cm
R 本工作
pKU2149 pBR322衍生质粒, 带有 C^^aroAs.^, Ap
R 本工作 p U2150 pACYC184衍生质粒, 带有 NS iwoA . , Cm
R 本工作 pKU2151 pBR322衍生质粒, 带有 C372-a/OA
t..
c„/„ Ap
R 本工作 pKU2290 pACYC184衍生质粒, 带有 ~N6T-aroA/.coii, Cm
R 本工作 p U2291 pACYC184衍生质粒, 带有 73-oroAf.en//, Cm
R 本工作 pKU2292 pACYC184衍生质粒, 带有 N84-aroA
t..
c。", Cm
R 本工作 p U2293 pACYC184衍生质粒, 带有 N
Cm
R 本工作 pKU2294 pACYC184衍生质粒, 带有 N154-aroA/j.
∞/,, Cm
R 本工作 p U2295 pACYC184衍生质粒, 带有 W82-amA, '(,ii, Cm
R 本工作 p U2296 pACYC184衍生质粒, 带有 Νΐδ αΌΑ,;.™,,, Cm
R 本工作 p U2297 pACYC184衍生质粒, 带有 6-aroA
R.
coii, Cm
R 本工作 pKU2298 pACYC184衍生质粒, 带有 N383-ijroA
£c。/,, Cm
R 本工作 p U2299 pB 322衍生质粒, 带有 C68-araA£
∞/,
:, Ap
R 本工作 pKU2300 pBR322衍生质粒, 带有 C74-araA
c。,,., Ap
R 本工作 pKU2301 pBR322衍生质粒, 带有 C86-CTOA£
C。,,., Ap
R 本工作 pKU2302 pBR322衍生质粒, 带有 C 105-aroAi;.
cnli, Ap
R 本工作 p U2303 pBR322衍生质粒, 带有 C155-aroA
£c。/,, Ap
R 本工作 pKU2304 pBR322衍生盾粒, 带有 CI 83-aOA/;.
C0,, Ap
R 本工作 pKU2305 pBR322衍生质粒, '带有 C185-aTOA£
C„,,, Ap
R 本工作 p U2306 pBR322衍生质粒, 带有 C377-araA
£c„", Ap
R 本工作 p U2307 pBR322衍生质粒, 带有 C384-aroA .
c„/,, Ap
R 本工作
Ap, 氨卞青審素; Cm, 氯審素; R,抗性。
3.2培养基
参看本实施例 1.2节。
. 3.3试剂
限制性内切酶, T4DNA连接酶, DNA聚合酶, DNA marker等购于 Takara 生物公司。 其余化学药品均为分析纯试剂。
3.4 遗传学操作
质粒 DNA的制备、 限制性内切酶的消化、 连接反应、 Tris-硼酸 -EDTA 緩沖液水平琼脂糖电泳、 按照标准方法进行 (Maniatis 等, 1982)。
3.5 质粒构建
a. pBR322 系列盾粒 (编码 EPSP合酶 C端肽链)的构建
以 pKU2009(大肠杆菌 arok基因)为模板, 分别以对应引物 (进行扩增 得到编码大肠杆菌 EPSP合酶 C端的基因, 将扩增产物连接入 pKU2100的 Ncol和 BamHI位点, 得到编码 EPSP合酶 C端肽链系列质粒 (表 3)。
b. pACYC 184系列质粒 (编码 EPSP合酶 N端肽链)的构建
以 pKU2009或 pGMO为模板, 分别以对应引物进行扩增得到编码大 肠杆菌 EPSP合酶 N端的基因, 将扩增产物连接入 pACYC 184的 EcoR V和 BamHI位点, 分别得到编码 EPSP合酶 N端肽链系列质粒 (表 3)。
以上所有构建质粒均测序保证其序列正确。
3.6体内互补实^ r
将 3.5 a中构建的 pBR322系列质粒和 b中构建的 pACYC1 184系列质粒 分别转入或相对应两个质粒共转入大肠杆菌 flroA基因缺陷的菌株 AB2829 中, 然后将其划线于 M63限制性固体培养培养基上, 过夜培养检测其生长情 况。
3.7 结果
基于大肠杆菌 EPSPS的结构一共设计了 21个分拆位点, 进行了 EPSPS 片段互补研究。 有三个分拆位点在 α螺旋上, 其中 N31/C32和 N245/C246都 不能互补大肠杆菌 araA基因突变菌株 ΑΒ2829在限制性培养基上的生长, 而 N105/C106 互补情况较差; 有三个拆分位点在 β折叠上, 其中 N73/C74和 N238/C239不能互补 EPSP酶活性, 而 N224/C225可以互补 AB2829在限制 性培养基上的生长; 有 5个在 β折叠或 α螺旋之间的连接区域上, 其中仅有 N165/C166不能互补 ΑΒ2829在 Μ63培养基上的生长,而其它四对 EPSPS的 片段都可以互补 EPSPS活性; 分拆位点在两个折叠单元之间的有 6个, 其中 仅有 N234/C235不能互补 EPSPS的活性, 其它五对片段都能互补 AB2829在 M63培养基上的生长, 而且互补情况较好。
表 4 大肠杆菌 EPSPS片段互补
EPSPS片段 分拆位点所在区域 互补情况
N端 N端 C端 N端 +
N31 C32 α螺旋
N67 C68 两个 β折叠之间
N73 C74 β折叠
N85 C86 折叠单元 3和 4之间 - - + + +
N104 C105 α螺旋 - - - + / -
N154 C155 折叠单元 4和 5之间 - - + + +
N165 C166 α螺旋与 β折叠之间 - - - -
N182 C183 α螺旋与 β折叠之间 - - +
N184 C185 α螺旋与 β折叠之间 -一 - + +
N218 C219 两个 β折叠之间 - - ― + +
N224 C225 β折叠 - - +
N227 C228 折叠单元 3和 5之间 - - ― + + +
N234 C235 折叠单元 3和 5之间 - - - -
N238 C239 β折叠 - - - -
N240 C241 两个结构戈之间 -一 - -
N245 C246 α螺旋 - - - -
N259 C260 β折叠 - - - +
N298 C299 折叠单元 2和 6之间 - - - + + +
N371 C372 折叠单元 1和 6之间 - - - + + +
N376 C377 折叠单元 1和 6之间 - - 一 + + +
N383 C384 α螺旋与 β折叠之间 - - - +
-, 不能生长; + , 可以生长<
实施例 2 恶臭假单胞菌草甘膦抗性 EPSPS的片段互补
利用恶臭假单胞菌 CGMCC 0739的草甘膦抗性 EPSPS基因进行片段互补 实验。 所用的质粒, 培养基, 菌株, 以及实验步骤都参见实施例 1。 通过在 含有 lOOmM草甘膦的培养基上生长来检测重建的酶活性。
表 5 恶臭假单胞菌草甘膦抗性 EPSPS的片段互补
EPSPS片段 分拆位置 互补情况
N208/C209 α螺旋与 β折叠之间
N214/C215 β折叠中
N219/C220 折叠单元之间
N222/C223 折叠单元之间
N224/C225 折叠单元之间 + +
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( -3V OVO VOX VVD VOO 0丄丄 丄丄 333 IVO ODD ~ :(lH^e)t£3dd
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LZZD/9ZZR nZD/ΠΖΝ.
£ZD/i£ZR
6TZZ00/S00ZN3/X3d CCSC90/900Z OAV
ρρΝ2243' (BamHI): 5'- CGG GAT CCT CAA TAT ACA TTC CCG GCT TTG-3' ppC2255' (Ncol): 5,- CAT GCC ATG GAT GAA ACG AAA ATG CAA CG-3'
N233/C234
ppN2333' (BamHI): 5'- CGG GAT CCT CAG GTG TAT CGT TGC ATT TTC G-3' ppC2345'(NcoI): 5,- CAT GCC ATG GTA GAA GGC GAC TGG AGC G-3'
N234/C235
ppN2343' (BamHI): 5,- CGG GAT CCT CAT ACG GTG TAT CGT TGC ATT TTC- ppC2355' (Ncol): 5,- CAT GCC ATG GAA GGC GAC TGG AGC GGT GG-3'
N236/C237
ppN2363' (BamHI): 5'- CGG GAT CCT CAG CCT TCT ACG GTG TAT CGT TG-3' ppC2375'(NcoI): 5'- CAT GCC ATG GAC TGG AGC GGT GGT GCT TT-3'