断裂蛋白质内含子的剪接机制、起源和进化

蛋白质内含子(intein)是具有自我催化活性的蛋白质.翻译后,通过蛋白质剪接从蛋白质前体中去掉,并以肽键连接两侧蛋白质外显子(extein)形成成熟蛋白质.断裂蛋白质内含子(splitintein)在蛋白质内含子中部区域特定位点发生断裂,形成N端片段和C端片段,分别由基因组上相距较远的两个基因编码.现在已知,它仅分布于蓝细菌和古细菌中.断裂蛋白质内含子的N端片段和C端片段通过非共价键(如静电作用)相互识别,重建催化活性中心,介导蛋白质反式剪接.断裂蛋白质内含子的发现进一步深化了人们对基因表达和蛋白质翻译后成熟过程复杂性的认识,而且它在蛋白质工程、蛋白质药物开发和蛋白质结构与功能研究等方面有非常广泛的应用.本文试图综述断裂蛋白质内含子的分布、结构特征和剪接机制,并分析其可能的起源和进化途径.

蛋白质内含子演化分析

蛋白质内含子是能够自我剪切的一段多肽链 .它在生物三大系统中都存在 ,但它的分布在各物种间以及蛋白质种类之间极不均衡 .蛋白质内含子的演化和扩散也因此引起了人们的极大兴趣 .经过系统搜索 ,从已知的核酸序列中找到 6 9个经典的蛋白质内含子 .同源比较和系统树分析表明 ,蛋白质内含子的演化应综合先天遗传和后天转移两方面的因素 .

利用搭桥PCR技术对蛋白质内含子HP进行改造(英文)

[目的]利用搭桥PCR技术对蛋白质内含子HP进行改造。[方法]根据搭桥PCR中寡聚核苷酸链之间重叠的部分互相搭桥、互为模板的原则设计多对引物,通过多次PCR扩增获得目的基因片段,进而实现对蛋白质内含子HP在基因水平上进行多个位点同时定点突变和添加Linker。[结果]搭桥PCR产物克隆经DNA测序分析,证明蛋白质内含子HP内部的4个半胱氨酸成功突变成丝氨酸,几个PCR前体片段也无缝的融合成HP基因片段,而且没有引进任何其他突变;经DNA测序,46bp的DNALinker成功的插入到设计好的HP基因序列中,且没有任何碱基突变和错配。[结论]该研究不仅实现了对蛋白质内含子HP的快速改造,而且扩大了搭桥PCR的应用范围,同时也为蛋白质内含子的基础改造提供了低成本、简捷、高效的方法。

酸性区3融合重链促进基于蛋白质内含子的双载体B域缺失型凝血因子Ⅷ转基因表达

最近的研究表明,蛋白质内含子(intein)介导的B区缺失型凝血因子Ⅷ(BDD-FⅧ)的轻链和重链剪接可顺式促进后者的分泌,而且剪接反应在细胞内、外均可发生.为进一步提高基于蛋白质内含子的双载体转BDD-FⅧ基因的功效,将具有促进重链分泌作用的位于Pro1640～Ser1690的酸性区3(acidic region-3,AR-3)引入重链,检验对蛋白质内含子剪接的BDD-FⅧ蛋白分泌和活性的影响.用融合蛋白内含子的附加ar-3重链(HCAR3IntN)基因和轻链(IntCLC)基因共转染培养的HEK293细胞,分别用ELISA和Coatest法定量分析分泌至培养上清中剪接BDD-FⅧ蛋白量和生物活性,并用免疫印迹观察了细胞内的BDD-FⅧ剪接.结果显示,共转HCAR3IntN和IntCLC基因细胞,分泌至上清的剪接BDD-FⅧ蛋白量和活性分别为(173±26)μg/L和(1.31±0.15)U/ml,明显高于未添加ar-3的蛋白质内含子融合重链(HCIntN)与轻链(IntCLC)基因共转染细胞[(102±12)μg/L和(0.79±0.09)U/ml],提示AR-3对蛋白质内含子剪接的BDD-FⅧ蛋白分泌和活性有明显改善作用.而且,分别转HCAR3IntN和IntCLC基因细胞混合培养后的上清中,亦检测到剪接的BDD-FⅧ蛋白和活性[(35±7)μg/L和(0.28±0.08)U/ml],表明蛋白质内含子可进行不依赖细胞机制的蛋白质剪接.另外,转基因细胞总蛋白呈现明显的可与FⅧ多克隆抗体进行反应的剪接BDD-FⅧ蛋白条带,直观地反映细胞内BDD-FⅧ的剪接.为动物模体内运用蛋白质反式剪接技术的双腺相关病毒载体(AAV)转BDD-FⅧ基因实验提供了依据.

Ssp dnaB蛋白质内含子介导的重组人脑钠素的制备

脑钠素(BNP)是临床治疗代偿失调性心衰竭的有效药物。将脑钠素与组氨酸标签(His-tag)以及具有自我剪切功能的Ssp dnaB微型蛋白质内含子进行融合表达。表达产物经Ni-Sepharose亲和层析及体外复性处理后,用CM_纤维素对复性产物进行了浓缩,并通过改变CM-纤维素柱内的pH及温度,诱导Ssp dnaB微型蛋白质内含子的剪切作用,使脑钠素从融合蛋白中释放并与载体蛋白(His-DnaB)分离,再经C4反相高效液相色谱法进一步纯化后,从每升培养液中获得了2.8mg纯度达97%的重组人脑钠素。体外活性测定结果表明,重组人脑钠素对兔胸主动脉条具有显著的血管舒张效应,其EC50为1.94×10-6mg/mL。

蛋白质内含子的特征、转移和演化

自从 1990年发现第一个蛋白质内含子 ,就引起了有关专家的高度重视 ,蛋白质内含子不仅在理论上丰富了遗传信息翻译后加工的内容 ,而且实践上在蛋白质纯化方面有着广泛的应用前景 .鉴于蛋白质内含子的不断发现 ,有必要对其在自我剪切 ,传递 ,演化等方面的进展做一概述 .

蛋白质内含子研究进展

介绍了蛋白质内含子的结构、功能和其介导的蛋白质剪接机理及应用研究进展。蛋白质内含子目前已广泛应用于蛋白质纯化、蛋白质连接、以及环肽和毒素蛋白的制备,且对蛋白质结构和功能关系的研究具有重要价值。

蛋白质内含子的研究进展

自1990年发现第一个蛋白质内含子以来,对其研究愈加引起注意。蛋白质内含子是蛋白质剪接元件,可从前体蛋白中切除并将两侧外显子连接起来成为成熟蛋白质,标准的蛋白质剪接主要包括四步亲核置换反应,新近又发现一种反式剪接机制。蛋白质内含子的演化形成存在先天遗传和后天插入两种方式,但目前还没有直接的实验证据。数据库显示,蛋白质内含子有10个保守模体:A、N2、B、N4、C、D、E、H、F和G,它们在蛋白质剪接过程中具有不同的作用。作为蛋白质剪切元件的蛋白质内含子,是蛋白质工程中一个功能强大的工具,具有重要的实践意义。现对蛋白质内含子的命名、分布、结构、剪接方式以及应用前景等作一全面的综述。

蛋白质内含子和翻译内含子

蛋白质内含子和翻译内含子蔡宝立张富国（南开大学分子生物所，天津３０００７１）（天津教育学院生物系）关键词蛋白质内含子，翻译内含子绝大多数真核基因和某些原核基因是断裂基因，即在基因的ＤＮＡ顺序中插有一些无编码意义的片段。编码顺序称为外显子，非编码顺序称...

N端无半胱氨酸断裂蛋白质内含子的构建

在体内或体外对目标蛋白进行标记或修饰,是研究蛋白质结构和功能的重要手段之一。目前的蛋白质修饰手段存在很多不足之处,尤其会对蛋白质的结构和功能产生影响。为了避免或降低这些影响,借助断裂蛋白质内含子反式剪接技术进行修饰是一个有效可行的方法。可是因为天然存在的断裂蛋白质非常少,使该技术的应用受到了限制。因此通过数据库筛选、定点突变、WesternBlot等技术成功获得了2个有活性的体内断裂蛋白质内含子和1个有活性的N端无半胱氨酸的断裂蛋白质内含子。为后续可控的和特异的蛋白N端标记及应用提供了可行的生物学工具。

应用突变的断裂蛋白质内含子标记蛋白质N端

蛋白质的特异位点修饰可以帮助了解蛋白质的结构与功能.但是,现有的蛋白质特异位点标记方法种类有限,而且存在局限性,所以有必要开发新的蛋白质特异位点标记方法.以谷胱甘肽-S-转移酶(GST)为研究对象,借助蛋白质反式剪接技术,建立了利用新型断裂蛋白质内含子对蛋白质进行N端标记的新方法.在这个方法中,通过简单的重组表达、标记和纯化得到带有荧光基团的小肽,经过蛋白质反式剪接,荧光基团被标记到蛋白质的N端.初步研究结果显示,标记效率可达到12%.

蛋白质内含子介导的蛋白纯化系统在变性条件下的应用

由蛋白质内含子介导的亲和蛋白质纯化系统(IMPACT)已得到广泛应用,通过其纯化得到的目的蛋白不含蛋白纯化标签以及多余的氨基酸残基,且操作简单成本低廉。这些优点使得其相对于其他蛋白纯化系统有着无与伦比的优势。但是现有报道都局限于非变性条件下使用,这往往会限制其在一些包涵体蛋白变性条件下使用。以一已知表达形成包涵体形式的丝素蛋白为例,研究IMPACT系统在时变性条件下使用变性剂浓度、温度和诱导断裂还原剂浓度。实验表明,在4 M尿素,100 mM DTT室温作用下蛋白质内含子会获得最大断裂效率(80%)。柱上在线断裂实验表明,其最终蛋白得率超过65%。

新型T+1断裂蛋白质内含子的构建

首次从天然C端外显子为苏氨酸(Thr)的标准蛋白质内含子(TerSnf2)构建出两类T+1型断裂蛋白质内含子:Snf-S0和Snf-S1,通过蛋白印迹法测定Snf-S0和Snf-S1介导的蛋白质反式剪接效率分别达到53.5%和33.3%;当这两类断裂蛋白质内含子C端外显子分别为半胱氨酸(Cys)和丝氨酸(Ser)时均具有剪接活性.所获的两类具有剪接活性的T+1型断裂蛋白质内含子具备一定的插入位点通用性,这一特点为蛋白质反式剪接技术在蛋白质工程领域广泛应用提供了新的契机.

利用小肽控制的基于蛋白质内含子非层析标签制备重组蛋白(英文)

基于蛋白质内含子的蛋白质纯化自我断裂标签已经被广泛使用超过15年之久.但这一系统体内表达过程的提前断裂一直是限制这一技术广泛应用的瓶颈,特别是在需要高温表达和长表达周期的真核表达系统中.本研究介绍了一种利用小肽控制的基于蛋白质内含子和非层析标签ELP(elastin-like polypeptide)的自我断裂系统.在这一系统中,蛋白质内含子的体内外活性严格受到其结构互补小肽控制.在体内表达不含有互补小肽时,蛋白质内含子不具有活性;而在体外添加结构互补小肽,蛋白质内含子结构恢复并发生C端断裂反应释放目的蛋白.由于非层析标签ELP的引入,因此整个纯化过程可以简单地通过几步机械沉淀完成.此外,这一系统反应pH、小肽与前体蛋白之间的摩尔比及断裂速率也一并进行了系统的研究.

DNA展示系统介导的断裂蛋白质内含子体外定向进化方法的研究

蛋白质内含子对于外显子的选择性限制了它的应用范围。目前,已经建立的卡那霉素定向进化系统适用于微小蛋白质内含子,但不适用于断裂蛋白质内含子。为了研究适用于断裂蛋白质内含子的定向进化的方法,我们引入了DNA展示系统。在该系统中,生物素化基因在人工细胞中与其表达的融合蛋白(内含子C端-外显子-生物素结合蛋白)形成DNA-蛋白质连接体。只有能与后续加入的N端蛋白质内含子前体(Flag-内含子N端)发生剪接反应的DNA-蛋白质连接体,才能被加上旗帜标签(Flag),从而被抗旗帜标签抗体纯化柱(Anti Flag antibody M2 agarose)筛选富集。为了验证该系统的可行性,实验构建了2个基因,即含有具剪接活性的蛋白质内含子的阳性基因IRC和含有不具剪接活性的蛋白质内含子的阴性基因IRCM。实验首先通过Western印迹和琼脂糖凝胶电泳证明,人工细胞中的体外转录翻译系统不仅可高表达500个氨基酸的蛋白质,而且表达的蛋白中内含子仍保持原有的剪接能力。生物素结合蛋白能结合95%的DNA,并且形成的DNA-蛋白质连接体可以被筛选富集,最终证明了该系统用于断裂蛋白质内含子定向进化筛选的可行性。随后,为了检测系统的富集效率,制备了人为的基因"突变库",即将基因IRC和IRCM以摩尔比1:10的比例混合,经过2轮筛选后,阳性基因IRC可以被10倍富集,进一步证明了体外筛选方法的可行性。该方法为后续针对不同宿主进化出不同的断裂蛋白质内含子提供筛选方法支持,也为断裂蛋白质内含子的在生物技术和研究领域的应用奠定了基础。

蛋白质内含子在特定氨基酸序列中的剪接

基因工程技术已经被广泛应用于抗体的生产。但是由于抗体的分子量较大,导致合成抗体较为困难。蛋白质内含子是前体蛋白质中的一段氨基酸序列,能够将自身剪切出来,并将两端的外显子连接形成成熟的蛋白质。将抗体的Fab(antigen-binding fragment)和Fc(crystalline fragment)分别与蛋白质内含子(intein)的N端(I_N)和C端(I_C)融合表达,利用蛋白质内含子的剪接功能,可形成完整的抗体分子。KSCDKTH是存在于抗体铰链区(hinge region)的一段氨基酸序列,如果在KSCDKTH序列中筛选到高效剪接的蛋白质内含子,即可通过蛋白质剪接,将抗体分子的Fab和Fc剪接形成完整抗体。本文筛选发现,Ssp Dna X的3种断裂蛋白质内含子(S0,S1,S11)具有在KSCDKTH序列中高效剪接的能力,这一研究结果为抗体的剪接合成提供了可行性。

定向进化后Cne PRP8蛋白质内含子的剪接机理研究

蛋白质内含子(intein)介导的蛋白质剪接(protein splicing)为蛋白质工程的发展展现了无限的新希望。但是到目前为止蛋白质剪接机理尚未清楚,因而它极大地制约了蛋白质内含子及其介导的蛋白质剪接在蛋白质工程领域的广泛应用。以来自于真核生物核基因组中的蛋白质内含子Cne PRP8为研究对象,通过"随机突变-功能选择-定向进化"后,对进化后的蛋白质内含子Cne PRP8关键部位氨基酸进行突变、恢复突变,试图揭示Cne PRP8蛋白质内含子的剪接机理。研究结果表明,Cne PRP8蛋白质内含子的剪接仍然与其1位和正1位相关,但其剪接反应还与其52位、68位、114位和146位的氨基酸相关,推测该位氨基酸的突变改变了剪接活性中心的空间构象,从而影响了蛋白质内含子的剪接。这一研究揭示了真核生物蛋白质内含子的剪接过程不仅与其1位和正1位等氨基酸残基相关,也与其他位点氨基酸密切相关,仍需进一步探索与研究。

Ssp dnaB蛋白质内含子介导的精氨酸激酶N末端结构域的表达

采用聚合酶链式反应(PCR)扩增精氨酸激酶(Arginine kinase,AK)N端基因片段,经双酶切后连接至含有蛋白质内含子Ssp DnaB基因的质粒载体pTWIN1中,将Ssp dnaB和N-domain的融合基因利用双酶切手段重组到含有组氨酸标签(His-tag)的质粒载体pET-28a中,得到含有组氨酸标签的融合蛋白基因,并在大肠杆菌Rosetta中表达,为获得具有天然氨基酸序列的精氨酸激酶N端结构域打下基础。

高剪接活性断裂蛋白质内含子的体内切割

蛋白质内含子介导的断裂(切割)反应被用于蛋白质纯化、连接和环化等,但目前仍存在断裂效率低、断裂反应的不可控、产物复杂等问题。蛋白质内含子的定点突变可导致其N端或C端断裂。其末位氨基酸突变则剪接反应第3步天冬酰胺环化无法进行,发生N端断裂;其首位氨基酸发生突变则剪接反应第一步酰基重排及其后续步骤均无法进行,而天冬酰胺环化仍可进行,发生C端断裂。利用已获得的高剪接活性的S1和S11型断裂蛋白质内含子Ssp GyrB,分别将其参与剪接反应的首位半胱氨酸或末位天冬酰胺突变为丙氨酸,构建能够发生一端断裂的断裂蛋白质内含子。研究结果表明,突变后断裂蛋白质内含子的剪接反应几乎不发生,其断裂活性有不同程度的提高,获得了在大肠杆菌体内具有较高效断裂活性的断裂蛋白质内含子。这将为进一步研究其体外可控性剪接、构建高效的蛋白纯化系统和深入研究蛋白质内含子的剪接机制提供基础。

不依赖天然外显子的蛋白质内含子定向进化筛选系统

蛋白质剪接技术为在蛋白质水平上直接对蛋白质进行修饰和加工提供了一种全新的解决方案,因而在蛋白质工程及相关领域具有非常广阔的应用前景。现阶段,大部分天然的蛋白质内含子在异源蛋白质中剪接活性非常低,极大限制了蛋白质内含子的开发和应用。为了开发一个可以同时对蛋白质内含子通用性和剪接活性进行筛选的系统,利用Bsa I限制性内切酶识别位点和切割不重合的特性,将Ter ThyX内含子(不含外显子序列)插入到卡那霉素抗性蛋白基因的多个位点。并且摒弃了以往需要结合天然外显子以实现剪接的方法,可以同时对蛋白质内含子的剪接活性和通用性进行筛选。Western blot结果和卡那霉素平板生长结果表明,通过卡那霉素筛选系统可以精确的将蛋白质内含子剪接反应与卡那霉素抗性结合起来,仅从卡那霉素平板上的菌落生长情况即可完成蛋白质内含子剪接活性阳性突变的筛选,是一个快速,稳定的定向进化筛选系统。