Error-prone PCR获得EPSP酶突变基因提高水稻的草甘膦抗性

将通过Error-prone PCR方法获得的表达水稻EPSP酶突变基因epsp102和未经修饰的水稻epsp基因分别导入籼稻恢复系明恢86,获得转化克隆84个和109个。对T1、T2代转基因水稻三叶期和分蘖期喷施草甘膦,各选出4个对草甘膦高抗性的T3代材料,进行分子鉴定。对其中的3个株系进行农艺性状考察,并各选1个株系作为父本与其他优良恢复系进行杂交,进一步考察epsp和epsp102基因在不同遗传背景下的抗性和农艺性状表现。Southern结果显示:epsp的整合拷贝数为2～3拷贝,epsp102拷贝数为1～2拷贝。萌发种子、三叶期及分蘖期对草甘膦抗性检测显示:转基因萌发种子对草甘膦的抗性提高15倍;三叶期对草甘膦的抗性提高3～4倍。分蘖期剂量效应检测结果显示:非转基因对照在施0.1倍以上的致死剂量农达时,植株显著失水,而转基因株系水分生理正常。两地两季的农艺性状考察显示:与对照相比转基因株系的穗数明显增多,转基因株系ep-3和ep102-20结实率和单株重与对照没有显著差异;以ep-3和ep102-20作父本,与4个恢复系杂交的F2代对草甘膦的抗性没有降低,两个组合的结实率显著增加,SK/ep-3组合结实率显著下降,其余组合的结实率与对照持平。

Error-prone PCR致哈茨木霉几丁质酶突变的条件优化

运用Error-prone PCR对哈茨木霉几丁质酶基因(Chit42)进行人工突变。在常规PCR基础上,通过提高体系中Mg2+浓度,适当加入一定浓度Mn2+,调节四种dNTP(dATP、dGTP、dCTP、dGTP)浓度,得到产生明显突变效果的试验条件。在Error-prone PCR中,使用5.0 mmol·L-1Mg2+,0.5 mmol·L-1Mn2+,0.04 mmol·L-1dATP和dGTP,1.5 mmol·L-1dTTP和dCTP进行扩增后,随机挑选10个克隆测序,累积13 370个碱基,检测到57个突变,平均突变率为0.4%。为产生优良突变株、酶分子定向进化奠定基础。

易错PCR定向进化大幅度提高极耐热β-葡聚糖酶的活性

采用易错PCR方法对来自于极耐热海栖热袍菌的内切葡聚糖酶Cel1B进行定向进化。携带有Cel12B基因的重组质粒pET-20b-Cel12B在固定Mn2+浓度下,通过使用不同浓度的Mg2+优化易错PCR条件,产物构建成pET-20b-Mu-Cel12B重组子,并建立突变体文库,重组子经改进的刚果红平板法筛选,通过透明圈的大小获得了酶活性大幅度提高的突变体3个,突变基因经诱导后的酶活力分别是在同样条件下诱导获得的亲本酶的2.1倍、3.2倍和3.7倍。

基于易错PCR技术定向进化枯草芽孢杆菌β-葡聚糖酶

利用易错PCR技术对来自枯草芽孢杆菌的β-葡聚糖酶基因(bgls)进行改造,并对野生酶和突变酶的酶学性质进行研究。以枯草芽孢杆菌基因组DNA为模板,通过易错PCR技术得到突变基因产物,将其重组于表达载体pET32a(+),构建β-葡聚糖酶基因的突变体文库,通过刚果红平板染色法进行高通量筛选,最终获得两株突变酶,其最适作用温度比野生酶都提高了15℃,最适pH与野生酶基本相同,野生酶酶活力为84.2 U/mL,突变酶酶活力分别为247.3 U/mL和125.1 U/mL,是野生酶酶活的2.9倍和1.5倍。试验获得了具有耐高温高酶活的β-葡聚糖酶,为β-葡聚糖酶的工业化应用奠定基础。

深海古菌超嗜热α-淀粉酶易错PCR致突变的条件研究

采用易错PCR技术在深海古菌菌株Thermococcus siculiHJ21超嗜热α-淀粉酶基因中引入突变,研究了Mg2+浓度、Mn2+浓度、dCTP和dTTP浓度等条件对突变率的影响。结果表明,在Mg2+浓度为5.0 mmol/L,Mn2+浓度为0.4 mmol/L,dTTP和dCTP浓度为1.5 mmol/L的条件下,碱基突变率为3.2%。

引入易错PCR和DNA-shuffling技术构建单链抗体库

目的引入易错PCR和DNA-shuffling技术构建高库容量的单链抗体库。方法收集不同年龄、性别、健康状态的人的静脉血各5 mL,提取单个核细胞总RNA,反转录为cDNA,PCR扩增VH和VL基因,应用易错PCR对VH和VL基因进行突变,同时用DNA-shuffling技术对全长单链抗体基因进行体外改组,获得的分子与T载体连接,转化E.coli DH5α,选取阳性克隆,经菌落PCR后酶切鉴定抗体库多样性,计算分析单链抗体库容量。结果成功构建了库容量为4.37×1013的单链抗体库,经酶切鉴定,初步判定抗体库多样性良好。结论引入易错PCR和DNA-shuf-fling技术,成功构建了单链抗体库,为后续筛选高亲和力抗体奠定了实验基础。

易错PCR技术提高嗜热酸性Ⅲ型普鲁兰水解酶TK-PUL催化活性的研究

嗜热酸性Ⅲ型普鲁兰水解酶TK-PUL在液化条件下可完全水解淀粉为淀粉糖,在“液化糖化一步法”的淀粉制糖工艺中具有巨大的应用潜力。本研究拟采用易错聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,PCR)技术提高TK-PUL的催化活性。经过两轮易错PCR及高通量筛选,获得了催化活性提高的突变体L538D。与TK-PUL相比,L538D以可溶性淀粉为底物的比酶活力提高了50%,以普鲁兰多糖为底物的比酶活力提高了21%;L538D以可溶性淀粉、普鲁兰多糖为底物的k/K值分别提高了44%、27%。即L538D的α-1,4-糖苷键水解活性和α-1,6-糖苷键水解活性均明显提高,并且其α-1,4-糖苷键水解活性的提高幅度更大。同源模建得到的蛋白质分子结构显示,将TK-PUL中Leu538替换为Asp,可能通过缩短氨基酸残基侧链的长度和减弱氨基酸残基的疏水性,提高了催化活性位点Glu538所在loop结构的柔性,从而提高酶的催化活性。本研究结果表明,TK-PUL中Leu538是影响其催化活性的重要氨基酸残基。

易错PCR技术改造β-环糊精葡萄糖基转移酶的催化特性

β-环糊精是一种环状多糖,可用于改变某些大分子化合物的理化性质,在食品、生物及医药等领域都具有很高的工业应用前景。通过利用β-环糊精葡萄糖基转移酶(β-CGTase),使其作用于淀粉等含有葡萄糖基的多糖化合物,可转化生成β-环糊精。该研究采用易错PCR技术对来源于Paenibacillus campinasensis的β-CGTase进行定向进化,得到酶活力高的突变体,并对突变体进行镍柱亲和纯化与酶学性质分析。实验最终获得了一株突变体Q280L,其酶活力与原始β-CGTase相比提高了42.10%,对β-环糊精的转化率提高了7.60%,最适反应pH值和稳定性均有所变化,底物亲和力提高46.13%。经序列比对及结构分析,发现突变体Q280L与野生β-CGTase相比,第280位氨基酸残基种类以及周围氢键发生变化。该试验结果表明,基于易错PCR技术对β-CGTase基因进行定向进化,可提高酶活力和改善酶学性质,为实现β-环糊精的工业生产提供参考意义。

基于易错PCR技术的红酵母D-氨基酸氧化酶的定向进化

采用易错PCR技术对来源于红酵母Rhodotorula gracilis的D-氨基酸氧化酶基因(RgDAAO)进行突变,构建并优化了突变株文库;结合48深孔板的高通量筛选方法,获得突变株M3217,其V_(max)相对于野生型提高了16.8%。对测序结果进行分析,发现突变酶基因序列中有5处点突变,其中3处发生了氨基酸置换,分别为:D242V/Q253R/D304V。利用Swiss-Model对突变株M3217进行三维结构模拟,结果显示所有突变位点都不在催化活性中心的附近,特别是V304的位置在连接F5和F6两个β折叠股的长loop环上。推测D304V这一突变位点很可能增强了RgDAAO二聚体形态的稳定性,或是增强了与辅酶FAD的结合能力,从而间接提高了全酶的催化活力。

易错PCR技术定向进化褐藻胶裂解酶Alg-2的分析

为提高褐藻胶裂解酶活力,采用易错聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,PCR)技术对海洋细菌Tamlanasp.S12中具有代表性的酶组分Alg-2进行体外定向进化。经过2轮易错PCR及96孔板发酵筛选,分别获得2株正突变和2株负突变菌株,其酶比活力分别是亲本(2 675.2 U/g)的162%、241%、53%、11%。酶的动力学分析显示,正突变株P2-81的Km值比亲本降低50%,而负突变株N2-47的Km值比亲本提高106%,表明突变株对底物的亲和力有极大的上升和下降。基因测序及氨基酸序列分析结果表明,Glu、Thr、Ser、Asp和Tyr对褐藻胶裂解酶活力提高起到正面的积极作用,而Lys的突变起到负面的消极作用,后续人工合成的定点突变则进一步证实Asp和Lys的正/负作用。本研究有助于深入理解褐藻胶裂解酶的催化机制,为后续利用理性设计手段改造褐藻胶裂解酶提供理论参考。

易错PCR法提高L-氨基酸脱氨酶全细胞转化L-异亮氨酸生产α-酮-β-甲基正戊酸效率

对奇异变形杆菌Proteus mirabilis中的L-氨基酸脱氨酶进行定向进化,利用易错PCR技术向基因中引入随机突变,建立突变文库来筛选可获得较高α-酮-β-甲基正戊酸产量的突变株。突变株7/23-6最适全细胞转化反应条件是以pH 8.5 Tris-HCl为缓冲液,用900 mmol/L L-异亮氨酸在30℃下进行催化反应21～24 h,其α-酮-β-甲基正戊酸产量可以达到102 g/L,底物转化率达到87%。与对照菌相比,α-酮-β-甲基正戊酸产量和底物转化率均提高了13%,热稳定性提高了36.7%。

分子改造羰基还原酶CpCR提高其催化合成2-苯乙醇能力

该研究对近平滑假丝酵母ATCC 7330羰基还原酶CpCR进行分子改造,以提高其催化合成2-苯乙醇的能力。通过易错PCR构建突变文库,利用2,4-二硝基苯肼高通量筛选阳性突变株,测序确定氨基酸突变位点。再通过蛋白质半理性设计进行虚拟饱和突变,采用定点突变技术进行构建和评价。筛选获得突变体T171F具有更强的催化能力和热稳定性。进一步考察了催化时间、温度、pH值和底物浓度对wtCpCR和T171F催化合成2-苯乙醇的影响。研究表明,酶最适催化合成2-苯乙醇的温度为30℃;T171F最适催化合成2-苯乙醇的pH为6.5;苯乙醛的质量浓度为1000 mg/L时T171F产率可达91.24%,是wtCpCR的2.8倍。此外,突变体T171F相比wtCpCR催化时间由10 h降低到4 h,催化效率得到很大的提高。该研究为羰基还原酶催化合成2-苯乙醇提供科学基础,同时具有一定的应用价值。

基于易错PCR的β-甘露聚糖酶体外分子定向进化研究

采用易错PCR方法,对β-甘露聚糖酶进行体外分子定向进化,通过调整dNTP比例和加入不同浓度的Mn2+,向β-甘露聚糖酶中随机引入突变,构建突变文库,并对筛选得到的突变菌株的突变酶酶学性质进行研究.结果表明:在突变文库的构建过程中,当Mn2+浓度为0.01 mmol/L时,阳性转化率最高,达到80%,氨基酸的突变个数为2.0个,符合易错PCR突变文库的构建原则;经过两轮易错PCR构建的突变文库库容量约为4000,从中筛选出的突变毕赤酵母菌X-33/pGAPZαA-GwMan26A-27的突变酶GwMan26A-27具有耐酸、耐高温且酶活力较高的特性;与突变前相比,GwMan26A-27具有较宽的酶促反应温度范围和适宜pH值范围,热稳定性和pH稳定性均有较大提升;在胃蛋白酶液和胰蛋白酶液中水浴2 h,GwMan26A-27的消化酶稳定性较突变前也均有所提升.

易错PCR定向进化技术提高蒙古黄芪病程相关蛋白AmPR-10核酸酶活性的研究

以分子伴侣skp修饰的蒙古黄芪病程相关蛋白AmPR-10(Astragalus membranaceus pathogenesis-related protein-10)全基因为模板,通过易错PCR定向进化技术构建突变体文库,以酵母tRNA为底物建立高通量筛选方法,获得了核酸酶活性提高的AmPR-10突变体。经一轮定向进化后,突变体A4的核酸酶活性比野生型提高45%;测序结果显示,突变体A4基因序列在465位增加了1个碱基A,进而由移码突变引起了多肽序列的提前终止,使得突变体A4 C末端缺失了3个氨基酸;从空间上看,AmPR-10基因的突变减小了其C末端α螺旋对空腔的遮蔽作用,有利于目的蛋白与配体或底物的结合。该研究结果对AmPR-10核酸酶活性机制的探讨具有重要意义,为抗病抗逆黄芪植株的培育奠定了理论基础。

基于易错PCR技术的短小芽孢杆菌YZ02脂肪酶基因BpL的定向进化

利用易错PCR技术对短小芽胞杆菌(Bacillus pumilus)YZ02脂肪酶基因BpL进行两轮定向进化研究,分别获得最佳突变株BpL1-7和BpL2-1369,其脂肪酶活力比出发酶分别提高了2倍和6倍。序列分析表明,突变体BpL2-1369有4个碱基发生了突变:T61C/C147T/A334G/T371A,其中有3个碱基突变导致了氨基酸的改变。通过SWISS-MODEL数据库模拟脂肪酶的结构显示,3个突变氨基酸分别位于第1个α螺旋的第3个氨基酸、第4和第5个β折叠之间的转角以及第5个β折叠的第1个氨基酸位置。将野生型脂肪酶基因BpL和进化后的基因BpL2-1369的高效表达产物经Ni-Agarose柱和Sephadex-G75纯化后,酶学性质测定表明:突变脂肪酶的比活力比野生型脂肪酶提高了1.31倍,Km值由8.24mmol/L降低至7.17mmol/L;在pH>8.0时的稳定性较野生型脂肪酶有所提高。

D-泛解酸内酯水解酶的定向进化

易错PCR结合DNA改组方法向D泛解酸内酯水解酶基因中引入突变,并构建突变体库。利用酶的催化特点和产物特性建立了基于平板初筛和高效液相复筛的两步法D泛解酸内酯水解酶活性筛选系统。用该筛选系统以酶活力和pH稳定性为指标对突变体库进行筛选,最终获得一株酶活力高且在低pH条件下稳定性好的突变体MutE861。该突变体的酶活力是野生型酶的5.5倍。对突变体和野生型酶在pH6.0和pH5.0条件下的残余酶活进行对比,在这两种pH条件下,突变体酶的酶活残留分别为75%和50%,而野生型酶只能保持原来的40%和20%。通过软件对突变体MutE861酶基因和野生型酶基因进行分析对比,发现突变体MutE861酶基因发生了三处点突变,其中突变使两处氨基酸取代,另一处为沉默突变,未引起氨基酸的变化。

易错PCR技术提高中性内切葡聚糖酶活性

近年来随着纤维素酶在食品加工工业中具有广阔应用前景,而纤维素酶的工业应用一直受酶活性低,成本高的限制。为了提高中性内切葡聚糖酶的活性,作者利用易错PCR技术对来自枯草芽胞杆菌（Bacillus subtilis）C-36的内切葡聚糖酶基因进行定向进化研究,构建了在大肠杆菌中的突变体库。通过刚果红平板筛选,获得了酶活性提高的突变株F-10,活力比亲本酶提高4.2倍。序列分析表明：F-10有5个碱基发生突变,两个氨基酸突变：D212V和T307S。SDSPAGE条带,表明基因表达正确,而表达量较原始菌株显著增加。酶学性质分析,表明该酶的最适反应pH为5.6,最适反应温度为45℃,在pH 4.5~10.0范围内50℃保温30 min可保持80%的剩余酶活,在60~75℃酶活力相对稳定,可保持在最高酶活的80%以上,当温度高于75℃时,酶开始变性失活,酶活力迅速下降。研究获得了酶活性提高的内切葡聚糖酶菌株,为进一步在分子水平研究内切葡聚糖酶的功能和其应用打下了基础,也为高酶活酶分子在其他高表达系统的表达提供了基础材料。

易错PCR研究进展及应用

易错PCR是目前最简单、有效的一种基因体外随机诱变技术,是农业、工业、生物制药等领域获得优异基因的重要手段。本文综述了易错PCR的基本原理、方法、发展历程,以及该技术的最新研究成果、成功应用领域,并提出了目前存在的问题和可能解决途径。

通过随机突变提高抗TNF-α单链抗体的亲和力

目的:提高抗TNFα单链抗体(scFv)的亲和力。方法:应用错配PCR技术在抗TNFαscFv基因中引入随机突变,再通过DNA交换(shuffling)使引入的点突变进一步重排组合,构建突变噬菌体抗体库。采用硫氰酸盐洗脱法对抗体库进行淘筛。挑选活性得到改良的克隆,用斑点ELISA法及硫氰酸盐洗脱ELISA法评估其亲和力的改善。结果:对PCR错配的突变库筛选未得到亲和力明显改善的抗体变种,经DNA交换进一步构建变种库后,筛选获得1个亲和力提高的克隆,其相对亲和指数为1.37mol/L,较亲本抗体的相对亲和指数0.48mol/L有明显提高。结论:通过错配PCR和DNA交换引入随机突变构建抗体库,可有效地提高scFv的亲和力。

黑曲霉β-甘露聚糖酶ManA耐热突变体的筛选

为了改造黑曲霉(Aspergillus niger)来源的β-甘露聚糖酶ManA,获得耐热性高的突变体。利用易错聚合酶链式反应(PCR)技术对构建的表达质粒pGAPZαA-manA进行随机突变,将突变文库转化至毕赤酵母(Pichia pastoris)GS115,表达筛选耐热性高的突变体,并进一步对突变位点进行定点突变,筛选其他耐热性高的突变体。结果表明,ManA的H283R与H283K突变体相对于野生型在耐热性方面有显著提升,75℃加热30 min其相对酶活由26.66%分别提升至76.95%和83.57%;在pH 3.0~9.0的条件下,50℃保存24 h,H283K突变体与野生型的相对酶活均在90%以上,H283R突变体在pH 3.0时的相对酶活下降到了84.72%,两个突变体的最适温度、pH及比酶活与野生型没有明显差异。说明β-甘露聚糖酶ManA的283位组氨酸(H283)对其耐热性较为关键,将该位点突变为精氨酸(R)和赖氨酸(K)时,ManA的耐热性得到显著提升。