Red同源重组技术研究进展

伴随着分子生物学的发展 ,一种基于λ噬菌体Red重组酶的同源重组系统已应用于大肠杆菌基因工程研究。Red重组系统由三种蛋白组成 :Exo蛋白是一种核酸外切酶 ,结合在双链DNA的末端 ,从 5′端向 3′端降解DNA ,产生 3′突出端 ;Beta蛋白结合在单链DNA上 ,介导互补单链DNA退火 ;Gam蛋白可与RecBCD酶结合 ,抑制其降解外源DNA的活性。Red同源重组技术具有同源序列短 ( 4 0～ 60bp)、重组效率高的特点。这种技术可在DNA靶标分子的任意位点进行基因敲除、敲入、点突变等操作 ,无需使用限制性内切酶和连接酶。此外 ,这种新型重组技术可直接将目的基因克隆于载体上 ,目的基因既可来源于细菌人工染色体也可是基因组DNA。Red同源重组技术使难度较大的基因工程实验顺利进行 。

RED同源重组法敲除发光光状杆菌晶体蛋白基因cipA和cipB

RED同源重组法敲除发光光状杆菌晶体蛋白基因cipA和cipB,为发光光状杆菌基因敲除提供方法。采用TOPO克隆方法将基因cipA和cipB克隆到质粒pTA上,获得质粒pTA-cipA和pTA-cipB;采用Red/ET方法分别将Gentar基因和Aprar基因分别插入pTA-cipA和pTA-cipB的cipA和cipB基因中,并替换cipA和cipB基因部分序列,获得pTA-GentaIncipA和pTA-ApraIncipB;pTA-GentaIncipA通过BamHⅠ酶切,从0.7%琼脂糖胶上回收获得GentaIncipA,将GentaIncipA导入带有质粒pASK-αβγA的P.luminescenssubsp.Akhurstii中,通过的RED同源重组敲除发光光状杆菌晶体蛋白cipA;pTA-ApraIncipB用EcoRⅠ酶切,从0.7%琼脂糖胶上回收获得ApraIncipB,将ApraIncipB导入带有质粒pASK-αβγA的P.luminescenssubsp.Akhurstii中,通过的RED同源重组敲除发光光状杆菌晶体蛋白cipB;42℃下热激去除突变菌中的质粒pASK-αβγA。克隆PCR和SDS-PAGE电泳结果表明发光光状杆菌晶体蛋白基因cipA和cipB均被敲除。采用RED同源重组法成功地敲除了发光光状杆菌晶体蛋白基因cipA和cipB。

Red同源重组在大肠杆菌基因组修饰中的应用

Red同源重组技术发展迅速,已广泛应用于大肠杆菌基因组修饰,在点突变、基因敲除、序列整合等方面发挥着重要作用。简要综述了Red同源重组的重组机制和操作策略等研究进展,并介绍了Red同源重组在大肠杆菌基因组减小及多基因代谢途径优化方面的应用情况。

Red同源重组技术在大肠埃希菌基因敲除中的应用

近年来,大肠埃希菌一直是分子生物学和基因组学的重要研究对象。20世纪80年代以来,生物学家发展了一种新型分子生物学技术-基因敲除。大肠埃希菌基因敲除技术发展迅速,各种新型技术的出现使得其基因组的改造较以往更为快速、简单,尤其是Red同源重组技术在大肠埃希菌基因敲除中的应用已经越来越成熟。本文简要综述了利用Red同源重组技术进行大肠埃希菌基因敲除的原理、策略及应用现状。

Red同源重组在大肠杆菌基因敲除中的应用

大肠杆菌基因敲除技术发展迅速,各种新型技术的出现使得其基因组的改造较以往更为快速、简单,尤其是Red同源重组技术在大肠杆菌基因敲除中的应用已经越来越成熟。综述了几种不同的Red同源重组技术,并分析了每种方法的原理及操作策略,指出了各种方法的特点及优势。

Red同源重组敲除nagE和manX对大肠杆菌发酵生产氨基葡萄糖的影响

氨基葡萄糖(GlcN)又称氨基葡糖或葡糖胺,是葡萄糖的一个羟基被氨基取代后的化合物,在医药和保健领域具有广泛应用。在前期研究中,我们构建了一株可高效合成GlcN和其乙酰化衍生物N-乙酰氨基葡萄糖(GlcNAc)的重组大肠肝菌Escherichia coli-glms-gna1(在下游提取过程中用弱酸进行脱乙酰化即可将GlcNAc转化为GlcN)。但研究发现,发酵过程中GlcN和GlcNAc能被转运至胞内作为碳源利用,导致胞外产量显著减少。为阻断胞外GlcN和GlcNAc向胞内的转运,利用Red同源重组技术将E.coli-glms-gna1的乙酰氨基葡萄糖磷酸转运子编码基因nagE和甘露糖磷酸转运子编码基因manX敲除,获得nagE基因敲除的工程菌E.coli-glms-gna1-nagE和nagE/manX基因双敲除的工程菌E.coli-glms-gna1-nagE-manX,并在7 L发酵罐上利用构建的工程菌进行GlcN和GlcNAc的发酵生产。实验结果表明:培养对照菌株E.coli-glms-gna1至12 h时GlcN产量达到最大值4.06 g/L,GlcNAc产量达到最大值41.46 g/L;而培养单基因敲除菌株E.coli-glms-gna1-nagE至12 h时GlcN产量达到最大值4.38 g/L(是对照菌株的1.08倍),GlcNAc产量达到最大值71.80 g/L(是对照菌株的1.7倍);培养双基因敲除菌株E.coli-glms-gna1-nagE-manX至10 h时GlcN产量达到最大值4.82 g/L(是对照菌株的1.2倍),GlcNAc产量达到最大值118.78 g/L(是对照菌株的2.86倍)。这表明nagE和manX基因的敲除可显著降低GlcN和GlcNAc向胞内的转运,进而提高其在胞外的积累。研究结果对最终实现GlcN的工业化生产具有一定的指导意义。

利用Red同源重组技术构建产L-苏氨酸的基因工程菌

利用Red重组技术构建不同基因突变的L-苏氨酸工程菌大肠杆菌ITHR,研究单敲除metA、ilvA和双敲除metA、ilvA基因后对L-苏氨酸积累的影响。应用质粒pKD46介导的Red同源重组系统,通过第一次同源重组将拟敲除基因替换为氯霉素抗性基因,再通过重组酶在FRT位点发生第二次同源重组,消除抗性基因,成功敲除了菌株ITHR体内苏氨酸合成的代谢旁路途径中的metA和ilvA基因,构建了三株不同的基因突变株。将携带苏氨酸操纵子的工程质粒pWYE065电转化入敲除不同基因的突变株中,构建基因工程菌。经5L发酵罐发酵产酸实验,未敲除任何基因的菌株ITHR/pWYE065L-苏氨酸的产量为5.55±0.51g/L,metA基因单敲除菌株ITHR△metA/pWYE065L-苏氨酸产量为9.77±1.83g/L,ilvA基因单敲除菌株ITHR△ilvA/pWYE065L-苏氨酸产量为8.65±1.42g/L,同时敲除ilvA和metA基因的菌株ITHR△metA△ilvA/pWYE065L-苏氨酸的产量增加到13.6±1.14g/L。通过敲除L-苏氨酸的旁路代谢途径中的关键酶的基因,可以增强L-苏氨酸积累的效果,为L-苏氨酸工程菌的进一步改造奠定了基础。

Red两步同源重组法在大肠杆菌基因敲除中的应用

基因敲除是研究基因功能最直接的方法。对于大肠杆菌(Escherichia coli,E.coli)而言,传统的基因敲除方法是利用其原有的RecA系统,此方法依赖于特定的限制性内切酶酶切位点,且所需同源臂长,操作复杂。Red同源重组法的出现使得基因组的改造更为快速、简单,在E.coli基因敲除中的应用也愈加广泛和成熟。作者介绍了Red同源重组系统的组成和同源重组原理,阐述了常用的两步同源重组法敲除E.coli基因的操作步骤及注意事项。大肠杆菌的两步法基因敲除技术已在工程菌改造、病原菌致病机理、耐药机制研究等领域做出巨大贡献,由于两步法仍保留有Red同源重组系统电转效率低、有序列残留的缺陷,作者对几个针对两步法的经典的无痕化改造进行了总结介绍,通过对以上方法及应用进行综述,为以大肠杆菌作为工程菌的基因敲除技术提供参考。

应用RED同源重组技术构建表面展示链球菌GapC1的大肠埃希菌

目的应用RED同源重组技术构建表面展示链球菌Gap C1-150 aa(Gap C1)的大肠埃希菌,为进一步构建大肠埃希菌表面展示重组菌株奠定基础。方法根据Gen Bank中登录的gap C基因序列(GI:30348860)设计引物,以质粒p KD3、p QE30/lpp-omp A-gap C为模板进行PCR扩增、融合,获得融合片段,转化入含p KD46质粒的大肠埃希菌HB101中,利用p KD46编码的RED系统将融合片段重组入基因组中,经氨苄西林(Amp)和氯霉素(Cm)抗性筛选,获得去除p KD46质粒的重组菌(HB101LOG)。对重组菌株进行PCR、Western blot、流式细胞术、荧光显微镜及生物学特性检测。结果 PCR结果显示,重组菌株构建正确;重组大肠埃希菌HB101LOG在菌体表面表达了外源蛋白Gap C1-150 aa;激光共聚焦显微镜观察到HB101LOG可见明显的绿色荧光,HB101未见绿色荧光;重组菌株HB101LOG和HB101的生长曲线符合大肠埃希菌的生长规律。结论应用RED系统成功构建了能展示链球菌Gap C1-150 aa的大肠埃希菌重组菌株。

基于Red同源重组技术构建N-乙酰葡萄糖胺发酵工程菌

N-乙酰葡萄糖胺(N-acetylglucosamine,GlcNAc)是一种治疗骨关节炎、风湿性关节炎的有效药物。传统的GlcNAc生产方式费时费力且存在潜在过敏源,亟待开发低成本、环保高效的GlcNAc生产工艺。该研究首先利用Red同源重组技术将氨基葡萄糖合成酶(Glucosamine synthase,glmS)和氨基葡萄糖乙酰转移酶(Glucosamine-6-phosphate N-acetyltransferase 1,GNA1)整合至大肠杆菌基因组,构建GlcNAc诱导表达菌株。然后,进一步敲除man XYZ基因簇和nag DCABE基因簇,阻断GlcNAc胞内分解代谢途径。最后,考察副产物合成途径对GlcNAc产量的影响共构建了3株工程菌,分别为:单独敲除ldh A基因,阻断乳酸合成途径工程菌;单独敲除pta-ackA基因,阻断乙酸合成途径工程菌以及双基因敲除阻断乙酸、乳酸合成代谢途径工程菌。菌体生长曲线和GlcNAc发酵产量测定结果表明,单独敲除乙酸合成代谢途径工程菌生长速率减慢但GlcNAc产率最高,摇瓶发酵至72hGlcNAc产量达6 g/L。该研究利用Red同源重组技术构建GlcNAc合成途径、改造GlcNAc胞内分解代谢途径及副产物合成途径,成功构建GlcNAc发酵工程菌,为GlcNAc工业化发酵生产奠定了工作基础。

Red/ET同源重组介导细菌人工染色体的快速修饰

随着基因组测序工程的实施与完成,如何对包含完整基因信息的特定细菌人工染色体(BAC)进行有目的修饰,已成为功能基因组学研究的一个重要环节.应用新近优化的Red/ET同源重组技术对目标BAC进行修饰,以pSC101-BAD-gbaA为依托质粒,采用rpsL鄄neo为正/反向筛选系统,可以快速、高效地对BAC进行剪切、插入、替换等操作,其中能够进行抗性筛选的一步BAC修饰只需一周时间,以插入非抗性标记基因Cre为代表的两步BAC修饰在两周内即可完成.通过阿拉伯多糖诱导调控和简单地变化培养温度,能使pSC101-BAD-gbaA依托质粒在发挥完Red/ET同源重组作用后自然消失,最终获得完整而纯净的修饰后BAC,为加快功能基因组学研究提供了一个可靠的实验平台.

通过减毒和Red/ET同源重组构建跨界基因沉默菌株

"跨界基因沉默"技术是一种全新的、跨原核界与真核界的小分子RNA干扰传递技术。该技术构建了一种大肠杆菌,在这种大肠杆菌中转录的短发夹RNA(short hairpin RNA,shRNA)能够引发真核细胞内特异性基因的RNA干扰(RNA interference,RNAi),所以此大肠杆菌又被称为"跨界基因沉默菌株"。"跨界基因沉默菌株"具有RNA干扰传递功能,主要得益于"跨界干扰质粒"(trans-kingdom RNAi plasmid,TRIP)。TRIP质粒主要包含inv基因、hly基因以及能够转录shRNA的基因片段。hly基因表达的listeriolysin O蛋白可以帮助细菌逃离真核细胞的吞噬体,但listeriolysin O蛋白是一种重要的毒力因子,对宿主细胞具有一定的损害。为了克服这种缺陷,在hly基因上设计了△PEST和G486D两种减毒突变。同时,为了使减毒后的TRIP质粒能够在"跨界基因沉默菌株"中稳定存在,进一步利用Red/ET同源重组将该质粒整合进大肠杆菌的基因组中。实验结果表明,减毒、整合后的"跨界基因沉默菌株"能更好地发挥RNAi作用。该技术的完善将推进工程菌的研发和利用。

Red/ET同源重组技术在载体构建中的应用

Red/ET同源重组技术是以原有的重组技术为基础,利用Rac噬菌体ET系统或者λ噬菌体的Red系统进行外源基因重组的重组方法。该方法使同源重组过程变得更方便快捷。本文对Red/ET同源重组技术的原理,改进和载体构建方面的应用做了综述。

细菌λ Red重组技术的应用及其影响因素

由λ噬菌体的exo、beta、gam 3个基因分别编码的Exo、Beta和Gam蛋白组成λRed同源重组系统。λRed重组是细菌靶基因置换的有效技术,该技术发展迅速,已广泛应用于大肠埃希菌等细菌染色体DNA的基因敲除、基因整合,可以对任何大小的DNA分子进行精确修饰。利用λRed重组系统不仅可以构建工程菌,还可以为研究细菌的致病机理和耐药机制提供新的方法。然而,许多应用因重组频率而受到限制,影响重组频率的因素主要有底物浓度、同源片段的长度、内源性核酸酶、错配蛋白等。论文综述了λRed同源重组技术的应用进展及影响重组的因素,以期为优化重组试验方案及提高试验的成功率提供帮助。

利用Red重组系统敲除APEC毒力岛irp2基因

应用质粒pKD46介导的Red同源重组系统,以质粒pKD3为模板,设计irp2基因序列敲除引物,引物5′端有51 bp的拟敲除基因的同源臂,3′端为扩增引物,扩增两侧含FRT位点的氯霉素抗性基因,通过第1次同源重组将拟敲除的irp2基因替换为氯霉素抗性基因,再通过重组酶质粒pCP20在FRT位点发生第2次同源重组,消除抗性基因。结果表明,利用该重组系统成功敲除了禽致病性大肠杆菌HPI毒力岛irp2基因。为深入研究irp2基因在禽致病性大肠杆菌致病过程中所发挥的作用打下基础。

基于Red重组系统构建含Flag标签标记UL23基因的重组人巨细胞病毒

利用来源于λ噬菌体的Red系统,将Flag标签及两侧带有FRT位点的卡那霉素抗性基因片段插入原HCMV TowneBAC中UL23基因3'末端区域,通过卡那抗性筛选带有抗性标记的重组菌株,并通过表达重组酶FLP的质粒pCP20去除卡那霉素抗性基因,得到带有Flag标签标记UL23基因和单一FRT位点的突变BAC。重组后的BAC分子同质粒pcDNA3.1(+)-pUL82共转染HFF细胞后重建重组HCMV。Western blotting检测证实所构建重组病毒能够表达含Flag标签标记的pUL23蛋白。此含有Flag标签标记UL23基因的重组HCMV的成功构建为了进一步研究人巨细胞病毒UL23基因及其产物的功能提供依据。

通过改进Red重组方法快速构建肠炎沙门菌毒力岛SPI-1缺失株

沙门菌依赖毒力岛SPI-1编码的Ⅲ型分泌系统在侵染宿主肠道上皮细胞中起重要作用。为制备沙门菌毒力岛SPI-1缺失株,本研究利用PCR扩增毒力岛SPI-1上下游同源臂和含有氯霉素抗性基因片段,连接p ET-28a构建打靶质粒,采用电击法将其转入含有p KD46a质粒的肠炎沙门菌中。经L-阿拉伯糖诱导同源重组后,鉴定阳性重组子,转化诱导产生重组酶FLp的p CP20质粒,从而删除氯霉素抗性基因,通过PCR方法鉴定缺失株,命名为SM6ΔSPI-1。连续培养鉴定表明缺失株具有良好的遗传稳定性。生长特性研究显示缺失株生长速率高于野生菌株。本研究利用改进的Red重组系统通过一步法构建了肠炎沙门菌毒力岛SPI-1缺失株,为沙门菌毒力岛的功能研究与基因工程减毒疫苗研制奠定了基础。

产低毒性脂多糖大肠杆菌J5基因重组株的构建

细菌脂多糖(LPS)对宿主细胞具有一定的毒性,但经修饰后的单磷酸类脂A(MPLA)却是一种无毒性的高效免疫佐剂。选择天然O抗原不完全的大肠杆菌J5疫苗株为出发菌株,利用λ-Red同源重组技术导入外源弗朗西斯菌(Francisella novicida)lpxE基因,缺失大肠杆菌lpxM基因。结果显示,J5ΔlacI::lpxEΔlpxM基因重组株的LPS鲎试剂活性较DH5α和J5原菌显著降低;对4周龄的ICR小鼠腹腔注射LPS提取物,重组菌和PBS组的小鼠体征及肝脏切片均正常。同时,腹腔注射大肠杆菌J5和DH5α的小鼠被毛凌乱、精神抑郁、肝脏细胞肿大,发生炎性浸润,有明显的毒性反应。以上结果说明,J5重组菌的LPS已经区别于原菌,是低毒性的MPLA产物。上述重组株的成功构建,能为生产廉价的兽用MPLA免疫佐剂奠定工作基础。

产D-乳酸重组大肠杆菌ptsG基因的敲除及其混合糖同步发酵

为构建能够同时高效利用五碳糖和六碳糖发酵产D-乳酸的重组大肠杆菌工程菌,以能高效利用五碳糖发酵产D-乳酸的大肠杆菌工程菌E.coli JH13为出发菌株,通过Red同源重组技术敲除葡萄糖跨膜转运基因pts G。实验结果表明,pts G缺陷菌株E.coli JH15在10%混合糖(5%葡萄糖和5%木糖)培养基中发酵,可同时利用五碳糖和六碳糖以完成发酵;而对照菌葡萄糖消耗完才利用木糖,发酵结束还有18 g/L木糖残留;JH15乳酸产量为83.04 g/L,相比于对照菌株提高了25.86%;在稻草秸秆水解液中发酵,JH15同时利用葡萄糖、木糖和L-阿拉伯糖,乳酸产量为25.15 g/L,转化率为86.42%。JH15作为能利用混合糖同步发酵产D-乳酸的大肠杆菌工程菌,它的成功构建为利用廉价的木质纤维素水解物为原料发酵生产D-乳酸提供参考依据。

酶法产L-丙氨酰-L-谷氨酰胺重组大肠杆菌pepD/pepN基因的敲除及其发酵优化

L-丙氨酰-L-谷氨酰胺(L-alanyl-L-glutamine,L-Ala-L-Gln),是目前国内外公认的L-谷氨酰胺载体,在临床医学和营养学等领域有广泛应用。为了减少丙谷二肽在生物酶法生产过程中菌体对其降解,利用λRed同源重组系统,敲除大肠杆菌中肽酶D和氨肽酶对应的编码基因。与野生型菌株相比,双敲除突变菌株的全细胞酶活提高了0.29倍。对该菌株进行摇瓶发酵优化,得到最优培养基为(g/L):葡萄糖12、酵母提取物10、胰蛋白胨10、(NH_4)_2SO_4 1、KH_2PO_4 3、K_2HPO_4 1、MgSO_4 0.2;最优发酵温度为27℃;最佳反应条件为:Gln 200 mmol/L、Ala-Ome·HCl 200 mmol/L,反应p H 8.5,反应温度25℃。在最优条件下发酵36 h,丙谷二肽产量达到了14.51g/L反应液,是优化前的4.74倍。