基于异戊烯基焦磷酸异构酶的改造及表达优化提高异戊二烯产量

异戊二烯是最简单的萜烯类化合物,是橡胶、食品、医药和化妆品工业的重要原料。在微生物中构建甲羟戊酸(mevalonate,MVA)代谢途径是目前生产异戊二烯及其衍生萜烯的有效途径,但关键酶的活性和表达水平会限制异戊二烯的合成。针对关键酶-异戊烯基焦磷酸异构酶(isopentenyl diphosphate isomerase,IDI)的活性低等问题,该研究从酶工程、启动子工程和核糖体结合位点(ribosome binding site,RBS)工程3个方面对IDI的表达进行了优化。首先在大肠杆菌中建立了异戊二烯生产体系,挑选肺炎链球菌来源的IDI进行蛋白质建模和结构分析,计算得到了活性热点Met146并对其进行点突变。经过改造得到1株突变体Met146His,其将异戊二烯的产量提升至820.46 mg/L。接着针对该突变株进行启动子优化和RBS优化,最终得到的优化菌株将异戊二烯的产量提升至862.79 mg/L,是出发菌株的2.58倍。结果证明,对于IDI进行酶分子改造和表达优化以提高酶活性并调控表达水平,是提高异戊二烯产量的有效策略。IDI的优化也可以应用于异戊二烯的下游产物,如倍半萜和二萜等的生物合成。

玉米异戊烯基焦磷酸异构酶基因的克隆及其功能分析

以玉米嫩叶为材料,采用RT-PCR技术克隆了植物萜类物质前体生物合成过程最后一个关键酶——异戊烯基焦磷酸异构酶(IPI)基因的全长cDNA,命名为ZmIPI(GenBank登录号为AY738148),该基因cDNA全长为1 382 bp,包含1 104 bp的开放阅读框,编码367个氨基酸残基.颜色互补分析表明ZmIPI能推动工程菌XL1-Blue+pTrcZmIPI+pAC-BETA超量表达β-胡萝卜素,证实ZmIPI具有典型的IPI基因的功能.

大豆异戊烯焦磷酸异构酶基因的电子克隆及生物信息学分析

利用电子克隆方法获得大豆异戊烯焦磷酸异构酶基因(IPI)的cDNA序列,并采用生物信息学方法对该基因及其编码蛋白的一般理化性质、疏水性、信号肽、二级结构和亚细胞定位等方面进行了预测和分析。结果表明,大豆异戊烯焦磷酸异构酶基因的cDNA序列全长1384bp,包含一个906bp的ORF,编码301个氨基酸。大豆IPI酶为一亲水性的非分泌蛋白,α-螺旋和无规则卷曲是其主要的二级结构,该酶定位于叶绿体。

金花茶异戊烯焦磷酸异构酶基因全长cDNA的克隆与生物信息学分析

为深入研究金花茶花瓣类胡萝卜素合成的分子机理,在成功提取金花茶花瓣总RNA的基础上,利用同源克隆和RACE技术克隆得到了异戊烯焦磷酸异构酶基因的cDNA序列全长,命名为CnIPI。碱基序列分析表明:CnIPI基因全长916bp,包含有一个长度为747bp编码248个氨基酸的开发阅读框。生物信息学分析表明:该基因编码的CnIPI蛋白质分子量为27.97kD,为稳定亲水性蛋白,无信号肽;CnIPI蛋白的二级结构以无规则卷曲为主,β-折叠所占比例最少;CnIPI蛋白含有一个典型的异戊烯焦磷酸异构酶结构域。氨基酸序列同源性分析结果表明:CnIPI蛋白与茶、月季、杜鹃等植物IPI蛋白的同源性高于86%。CnIPI基因的克隆使全面理解金花茶花瓣类胡萝卜素合成的分子途径取得了新的突破,为进一步深入研究CnIPI基因的功能及金花茶花瓣类胡萝卜素合成的分子机理奠定了良好的理论基础。

向日葵异戊烯焦磷酸异构酶基因(ipi)的电子克隆和生物信息学分析

用电子克隆方法获得向日葵异戊烯焦磷酸异构酶(IPI)基因,并用生物信息学方法对此基因编码产物从氨基酸组成、理化性质、二级和三级结构以及功能进行预测和分析的结果表明,向日葵IPI为亲水性α/β蛋白,含有IPP异构酶结构域,其与其他植物的IPI在序列组成、结构及活性位点均有高度的相似性。

橡胶草异戊烯焦磷酸异构酶基因的电子克隆及分析

利用电子克隆方法获得两条橡胶草异戊烯焦磷酸异构酶基因(IDI)的cDNA序列和编码区基因组序列,分别命名为TkIDI1和TkIDI2,并采用生物信息学方法对该基因及其编码蛋白进行系统进化、亚细胞定位、活性位点、高级结构等方面的预测和分析。结果显示,TkIDI1的cDNA序列长度为980 bp,包含一个696 bp的开放读码框(ORF),编码232个氨基酸,预测定位于内质网或叶绿体上;TkIDI2的cDNA序列长度为1 038 bp,包含一个843 bp的ORF,编码281个氨基酸,预测定位于线粒体或叶绿体;而他们的截短转录本蛋白定位于胞质中,且都具有过氧化物酶体定位信号。结构分析表明TkIDI1和TkIDI2与植物IDI蛋白同源,活性位点保守,高级结构与其他植物的IDI均具有高度的相似性。

冬凌草异戊烯基焦磷酸异构酶基因(IDI)克隆与分析

以冬凌草无菌苗为试验材料,在冬凌草转录组信息数据的基础之上,采用逆转录PCR技术克隆到冬凌草二萜类合成的关键酶基因:异戊烯基焦磷酸异构酶基因(isopentenyl diphosphate isomerase,IDI),并对该基因进行了相关的生物信息学分析。结果表明:IDI cDNA基因全长1 050bp,基因开放阅读框为906bp,编码301个氨基酸,其蛋白质序列理论分子量为27.4kDa,等电点为5.06,是一种亲水性蛋白。采用实时荧光定量PCR法分析其组织表达模式,发现IDI在叶中表达量相对较高,在愈伤组织中表达量最低。

异戊烯基焦磷酸(IPP)异构酶的生物信息学分析

对来源于多种植物和其他生物的IPI蛋白特性、亚细胞定位及其亲缘关系等方面进行生物信息学分析和电子预测,为研究IPI家族蛋白的酶学特性和萜类生物合成的分子机理提供一定的理论依据。

蜡梅异戊烯基焦磷酸异构酶基因CpIPI的克隆及表达分析

从蜡梅花cDNA文库中克隆得到1个蜡梅异戊烯基焦磷酸异构酶基因,命名为CpIPI.CpIPI基因的cDNA全长为1 297bp,其中最大ORF框长为879bp,编码292个氨基酸残基.CpIPI蛋白质的相对分子量为33.4kDa,理论等电点为6.86.生物信息学分析表明,蜡梅CpIPI蛋白属于典型的IPI蛋白,CpIPI基因是调控蜡梅萜类物质合成的关键基因.荧光定量分析结果表明,CpIPI基因在蜡梅的根中不表达,但是在茎、叶和花中都有表达,且在外瓣中的表达量最高.CpIPI基因在蜡梅不同花期的表达量具有不规律差异性.由此推测,蜡梅CpIPI基因可能参与与花器官形成发育相关的萜类物质的合成.

滇龙胆异戊烯基焦磷酸异构酶基因的克隆与表达分析

根据药用植物滇龙胆转录组异戊烯基焦磷酸异构酶基因(Gr IDI)序列,应用RT-PCR技术从滇龙胆幼叶克隆该基因开放阅读框(ORF),获得Gr IDI1和Gr IDI2两条序列,其Gen Bank登录号分别为KM879183和KM879184。生物信息学分析表明Gr IDI1基因ORF长708 bp,编码235氨基酸;Gr IDI1蛋白相对分子质量为27.10 ku,理论p I为5.01。该蛋白属于I型异戊烯基焦磷酸异构酶家族成员,可能定位于细胞质。该蛋白无信号肽,为亲水稳定蛋白,主要由α-螺旋(45.53%)和无规则卷曲(39.57%)构成。该蛋白具有其他IDI蛋白的活性位点、金属结合位点和保守结构域(NUDIX羟化酶结构域)。Gr IDI1蛋白与黄龙胆Gl IDI蛋白亲缘关系最近。原核表达结果表明,Gr IDI1基因在大肠杆菌中表达的重组蛋白相对分子质量约为53.11ku,与预期大小一致。组织特异性表达分析结果表明Gr IDI1基因主要在叶中表达。

山榛中异戊烯焦磷酸异构酶基因的克隆及分析

采用RACE技术首次报道从产紫杉醇物种山榛中克隆出异戊烯焦磷酸异构酶基因(命名为CgIPI,GenBank登录号为EF553533),该基因全长为1 196 bp,其中编码区为891 bp,编码一个由296个氨基酸组成的蛋白质。推导出的CgIPI氨基酸序列与其他植物IPI有很高的同源性。Southern blot分析表明,CgIPI基因属于一个小的多基因家族。RT-PCR分析表明,CgIPI基因在根、茎和叶中都表达,且在根中表达最高。该基因的克隆和特征分析将有助于在分子水平上更深入地了解IPI在紫杉醇生物合成中的作用。

不同来源异戊烯基焦磷酸异构酶(IDI)和脱氧木酮糖磷酸合成酶(DXS)对重组大肠杆菌番茄红素产量的影响

为获得更多异戊烯基焦磷酸异构酶(isopentenyl diphosphate isomerase,IDI)和脱氧木酮糖磷酸合成酶(1-deoxyxylulose-5-phosphate synthase,DXS)相关功能基因资源,本研究选取来源于大肠杆菌(Escherichia coli)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、粘细菌(Myxococcus stipitatus)、戈壁奇球菌(Deinococcus gobiensis)的4种IDI和DXS,分别克隆到表达载体,将其与含有合成番茄红素基因的p Trc99a EBI质粒共同在大肠杆菌中进行异源表达。结果表明,来源于粘细菌的IDI和DXS可以获得最高的番茄红素产量,分别达到了10.86、7.94 mg/g DCW。协同表达经过密码子优化的IDI、DXS,番茄红素产量达到了15.26 mg/g DCW。本研究通过比较不同来源的IDI和DXS,获得了新的基因资源。

绿色杜氏藻异戊烯基焦磷酸异构酶基因(DvIPI)的生物信息学与诱导表达分析

异戊烯基焦磷酸异构酶(isopentenyl diphosphate isomerase,DvIPI)是绿色杜氏藻中类胡萝卜素等萜类物质合成过程中甲羟戊酸途径(mevalonate pathway,MVA)通路上一个重要的限速酶。实验中获得绿色杜氏藻IPI基因的全长序列(Gen Bank序号:KX189195),该基因全长4 641 bp,开放阅读框(ORF)为1 147 bp,编码382个氨基酸,并含有3个CBS结构域。蛋白质预测结果表明,DvIPI分子呈亲水性,不含信号肽,也不存在跨膜区域;同时,DvIPI中α-螺旋所占比例最高,中部呈现不规则的扭曲缠绕,两边各自有一个扭曲的多肽链单独远离中心。系统进化树分析显示,DvIPI与细菌IPI亲缘关系较近,而与被子植物以及其他藻类IPI亲缘关系较远。定量检测结果与RT-PCR结果表明,茉莉酸甲酯(methyl jasmonate,Me JA)浓度为50~100μmol/L时,对绿色杜氏藻类中类胡萝卜素含量、叶绿素含量以及绿色杜氏藻IPI基因表达水平的影响最为明显,且三者的变化趋势基本一致,推测Me JA对绿色杜氏藻类中类胡萝卜素、叶绿素的诱导作用可能与绿色杜氏藻类IPI基因有关。

金针菇异戊烯基焦磷酸异构酶基因的克隆及表达分析

PCR扩增了金针菇（Flammulina velutipes）异戊烯基焦磷酸异构酶基因（FvIDI）的DNA全长和开放阅读框序列。该基因的ORF全长753bp,DNA全长923bp,含有3个内含子和4个外显子,编码250个氨基酸,金针菇异戊烯基焦磷酸异构酶相对分子质量为28450,等电点为5.05。采用实时荧光定量PCR技术研究FvIDI基因在不同发育时期和不同温度下的表达量,结果显示,FvIDI基因在采收期菌盖中表达量最高,4℃诱导处理2~4h和37℃诱导处理2~6h的表达量明显高于常规温度21℃处理。

麻疯树异戊烯基焦磷酸异构酶基因(IPI)启动子的克隆及瞬时表达分析

本文以麻疯树基因组DNA为模板,通过PCR扩增得到麻疯树异戊烯基焦磷酸异构酶(IPI)基因(JcIPI)起始密码子上游1 536bp的启动子序列.利用在线软件PLACE和PlantCARE分析表明该序列除具备TATA-Box、CAAT-Box等启动子基本元件外,还含有AuxRR-core、TATC-box、MBS、HSE等特异性元件.为确定启动子核心启动区域,构建JcIPI启动子283、550、970、1 276和1 536bp的5′端缺失片段,并将其分别驱动pBI121载体的葡萄糖苷酸酶(GUS)基因,构建植物表达载体.采用农杆菌介导法转化烟草,在烟草叶片中进行瞬时表达分析.GUS酶活测定结果显示,五个启动子缺失片段都具有启动子活性,并随长度增加而增强.

重组产番茄红素大肠杆菌工程菌株中异戊烯异构酶(IDI)基因的筛选

番茄红素是一类在食品、医药等领域具有广泛应用价值的萜类化合物。异戊烯基焦磷酸异构酶(isopentenyl diphosphate isomerase,IDI)是番茄红素合成途径中的关键酶,也是代谢工程改造的主要靶点。本研究为了系统比较不同来源IDI对重组大肠杆菌番茄红素(Lycopene)产量的影响,分别克隆了原核微生物、真核微生物、植物、古菌等多种来源的I型及II型异戊烯基焦磷酸异构酶(IDI)基因,在大肠杆菌E.coli中异源表达,在加强自身2-C-甲基-D-赤藓糖醇-4-磷酸(MEP)代谢途径的背景下,通过优化多靶点组合及转化时间提高番茄红素的合成水平。结果表明酿酒酵母来源的I型IDI(Sc IDI)及枯草芽孢杆菌来源的II型IDI(Bs IDI)在经优化的背景下可以获得最高的番茄红素产量,产量分别达到9.96 mg/g DCW,8.78 mg/g DCW,番茄红素积累在转化8 h达到最高,最高能达到10.29 mg/g DCW。本研究最终确定了不同类型IDI发挥功能的条件,为后续番茄红素以及萜类化合物的代谢途径的改造提供依据。

丹参异戊烯焦磷酸异构酶基因(SmIPI)的生物信息学及表达分析

异戊烯焦磷酸异构酶(IPI)是萜类合成途径的关键酶之一。本文在丹参转录组高通量数据分析的基础上,对丹参IPI基因(SmIPI)进行了克隆及序列分析。SmIPI全长1234bp,包含681bp的开放读码框,编码226个氨基酸。生物信息学结构分析表明,SmIPI为亲水性α/β蛋白,包含有IPI结构域,在序列组成、结构及活性位点等方面与其他植物的IPI均具有高度的相似性。实时荧光定量PCR分析结果表明,SmIPI在丹参生长的各个时期和不同组织器官中差异表达,其表达受病原菌和茉莉酸甲酯的诱导。

植物IPP基因的生物信息学分析

异戊烯基焦磷酸异构酶(IPP)催化异戊烯焦磷酸与二甲基丙烯基焦磷酸(DMAPP)的可逆异构化反应,对下游萜类产物的合成发挥重要作用。该研究利用生物信息学方法,从稻(Oryza sativa)与拟南芥(Arabidopsis thaliana)等单、双子叶植物基因组中鉴定获得31条IPP基因。系统进化树将IPP分为3簇,其中单子叶植物单独形成一簇,同簇的IPP成员具有相似的结构域,可能执行相似的生物学功能;以稻与拟南芥IPP基因为代表,顺式调控元件分析显示它们含有干旱等响应元件;定量PCR结果显示,稻与拟南芥IPP转录水平的表达模式较为多样化。研究结果为系统认识IPP基因的生物学作用及可能的应用研究提供了理论依据。

蓝桉叶片桉叶素生物合成机理研究

为探明蓝桉(Eucalyptus globulus Labill.)叶片桉叶素合成过程中关键酶活性与桉叶素含量的关系,以不同发育阶段的蓝桉叶片为研究对象,测定桉叶素相对含量和3-羟基-3-甲基戊二酸单酰辅酶A还原酶(HMGR)、1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶(DXS)、异戊烯基焦磷酸异构酶(IPPI)、香叶基焦磷酸合酶(GPPS)、桉叶素合酶(CinS)活性,并对其进行方差分析、相关性分析、通径分析.结果表明,随着蓝桉叶片成熟度增加,桉叶素相对含量逐渐增加,HMGR、DXS、GPPS、IPPI的酶活性逐渐下降.在一个完整的年生长周期内,桉叶素相对含量在7月份显著高于其余月份,HMGR、DXS、GPPS、CinS活性在5、6月份显著高于其余月份.桉叶素相对含量与DXS、CinS活性显著正相关,与HMGR、IPPI、GPPS酶活性极显著负相关.研究结果表明,在5、6月份增强蓝桉幼嫩叶片的DXS和CinS活性,可以有效提高桉叶素积累,进而提高蓝桉桉叶油的产量和品质.

提高酿酒酵母异戊二烯产量的代谢途径的挖掘

以酿酒酵母为宿主菌株,挖掘可以提高异戊二烯产量的新的基因改造策略。该研究通过敲除线粒体丙酮酸载体(MPC2)、线粒体孔蛋白(POR2)和丙酮酸脱氢酶复合体的E1α亚基(PDA1)基因来增加细胞质乙酰辅酶A(Acetyl-CoA)的通量,并将含有白杨(Populus alba)异戊二烯合酶基因的质粒pESC-His-ispS分别转入以上3个敲除体,得到工程菌SC1、SC2和SC3。通过摇瓶发酵,SC3效果最优,比原始菌株提高了0. 3倍。为了进一步增加Acetyl-CoA在胞质中的通量,以△PDA1菌株作为基础,进一步引入并过表达了来自Leuconostoc mesenteroide和Clostridium kluyveri的木酮糖-5-磷酸特异性磷酸转酮酶基因(xylulose-5-phosphate-specific phosphoketolase)(LmPK)和磷酸转乙酰酶基因(phosphotransacetylase)(CkPTA)得到SC4,将质粒pESC-His-ispS转入SC4,得到工程菌pHB1。然后将含有大肠杆菌异戊烯基焦磷酸异构酶(isopentenyl diphosphate isomerase)(IDI1)的质粒pESC-His-ispS-EcIDI1转入SC4,获得pHB2。摇瓶发酵结果表明,产量达到了54μg/L,比原始菌株提高了约1倍。该研究为后续异戊二烯的研究提供了新的研究思路,也为利用酵母规模化生产异戊二烯的奠定了重要基础。