青稞β-1,3-葡聚糖酶Ⅱ基因启动子的克隆分析及表达载体的构建

根据本实验室克隆并公布的藏青稞β-1,3-葡聚糖酶Ⅱ(BGH Ⅱ)基因序列,以藏青稞QB09基因组DNA为模板,构建DNA步移文库,并通过步移技术克隆出BGH Ⅱ起始密码子上游调控序列BGHP.鉴定和分析表明,BGHP具备大多数高等植物启动子的保守元件,预测它对BGHⅡ基因的表达具有一定的作用.为鉴定BGHⅡ基因的基本启动子元件,将基因5’侧翼序列做缺失片段分析,利用PCR方法从BGHP中得到3个不同大小两端带有HindⅢ、BamH Ⅰ酶切位点的片段BGHP1、BGHP2和BGHP3,定向插入载体pMGFP4(pBI221改建,报告基因为GFP)中,取代原有的CaMV35S启动子,构建了由驱动报告基因GFP的植物表达载体BGHPV1、BGHPV2和BGHPV3,用于大麦的遗传转化,为进一步研究其功能奠定了基础.图5表1参15     

青稞β-1,3-葡聚糖酶II基因启动子的克隆分析及表达载体的构建

根据本实验室克隆并公布的藏青稞β-1,3-葡聚糖酶II(BGH II)基因序列,以藏青稞QB09基因组DNA为模板,构建DNA步移文库,并通过步移技术克隆出BGH II起始密码子上游调控序列BGHP. 鉴定和分析表明,BGHP具备大多数高等植物启动子的保守元件,预测它对BGH II基因的表达具有一定的作用.为鉴定BGH II基因的基本启动子元件,将基因5′侧翼序列做缺失片段分析,利用PCR方法从BGHP中得到3个不同大小两端带有Hind Ⅲ、BamHⅠ酶切位点的片段BGHP1、BGHP2和BGHP3,定向插入载体pMGFP4(pBI221改建,报告基因为GFP)中,取代原有的CaMV35S启动子,构建了由驱动报告基因GFP的植物表达载体BGHPV1、BGHPV2和BGHPV3,用于大麦的遗传转化,为进一步研究其功能奠定了基础. 图5 表1 参15     

水稻花药特异表达启动子的克隆与活性检测

植物雄性器官特异表达启动子的克隆是作物杂种优势利用分子育种的基础.根据水稻花药特异表达RA8基因序列设计引物,从水稻(Oryza sativa L.)品种日本晴中克隆得到水稻花药特异表达基因RA8启动子Tsp2,该启动子为RA8基因翻译起始位点上游828 bp的片段,具有启动子特征序列TATA盒TATAAATA和真核生物启动子特征序列CAAT框,与RA8启动子的核苷酸序列同源性为97%.利用该启动子与报告基因GFP构建植物表达载体p1304-rap,采用基因枪法转化烟草花药,通过GFP的瞬时表达证明该启动子具有花药特异启动子活性. 图5 参9     

水稻精细胞优势表达基因RSSG58的启动子克隆和功能鉴定

利用本实验室已经克隆的水稻精细胞优势表达基因RSSG58的cDNA序列与NCBI中的粳稻基因组文库进行比对、定位,结合生物信息学方法分析预测基因上游的启动子序列.在此基础上设计引物,以粳稻Oryzasativa(japonicacultivar-group)日本晴黄化苗总DNA为模板,采用DNA聚合酶链式反应(PCR)的方法扩增出基因上游1093bp和462bp两个不同长度的启动子缺失片段(分别命名为JP58B和JP58S),测序结果显示,其具有大多数高等植物启动子的保守元件.进一步构建启动子片段的植物表达载体pBI121-JP58B和pBI121-JP58S,瞬时表达结果显示,两个启动子片段对报告基因GUS均具有启动活性.图4参20     

中度嗜盐菌Halomonas sp.BYS-1启动子的克隆和测序

提取了中度嗜盐菌Halomonassp.BYS1的基因组DNA,以甲基对硫磷水解酶基因(mpd)为报告基因,以启动子探针pUCmpd为载体,通过鸟枪法在E.coliDH5α中构建了BYS1的启动子文库.通过筛选获得了17个阳性克隆,编号为P1～P17.测定了阳性克隆的甲基对硫磷水解酶(MPH)活性,结果表明,P3中mpd基因的启动子活性最强,它的酶活高达2554.3U/mg,而P17中mpd基因的启动子活性最弱,它的酶活只有68.3U/mg.对P3、P8、P17克隆中的重组质粒的插入片段进行了测序和在线启动子预测.图4表1参17     

水稻arf1基因3′-UTR片段的克隆和验证

终止子是一段位于基因编码之后的序列,作为一种调控信号调控DNA的转录终止和RNA的释放,在基因工程技术应用中通常被构建在目的基因下游,用以调控基因的转录和表达.现有常用的终止子很少,克隆和验证新的终止子是植物基因工程技术发展的需要.通过生物信息学分析和Realtime-PCR表达验证,筛选出候选基因腺苷酸核糖基化作用因子(Similar to ADP-ribosylation factor1,arf1)基因,克隆了水稻arf1基因3′-UTR.结果显示,所克隆3′-UTR片段含有8个多聚信号元件和4个UE片段.将3′-UTR与gus基因融合后分别与玉米泛素启动子Ubiquitin和花椰菜花叶病毒(CaMV)启动子35S连接构建植物表达载体验证3′-UTR调控表达效果.烟草瞬时表达显示3′-UTR融合的gus基因在35S和Ubi启动子驱动下,在烟草叶片中能正常表达;3′-UTR调控下的gus基因在水稻根、茎、叶、花和种子中均可稳定表达,且表达量与T-Nos终止子相当.本研究表明所克隆的3′-UTR可替代T-nos终止子,可为植物基因工程技术的应用提供新的调控元件.(图5表3参29)     

检测致畸物的gfp基因工程菌的构建

RecA与UvrA是细胞SOS系统中重要的修复蛋白，在细胞DNA损伤后诱导表达．将报告基因绿色荧光蛋白基因（gfpmut3a）分别置于recA和uvrA启动子调控下，构建成质粒pRecAgfp和pUvrAgfp，并转化E．coli DH5α，构建成检测菌株ERS101和EUS101．试验发现，菌株ERS101和EUS101在致畸物吖啶橙处理后，GFP的表达量增高，菌悬液经507nm的蓝光激发后产生的绿色荧光明显增强，且与吖啶橙的浓度具有一定的相关性，即使在0．5μg mL^-1的吖啶橙诱导下也能检测到荧光增强效应．对硝基酚等多种致畸物处理后的检测菌株均有荧光增强效应．图4表1参9     

荧光假单胞菌高效广谱载体的构建及分析

为促进高GC含量基因在荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)中表达效果更加理想、操作更加简便,本研究首先采用不依赖基因序列和连接反应的克隆(Sequence and ligation independent cloning,SLIC)方法将载体pCIBhis上与复制相关的序列和标记基因片段构建成克隆载体pCIBS1.然后优化荧光假单胞菌转化方法,用电转化法将pCIBS1导入荧光假单胞菌BL915中,随后又将T7和tac基因启动子分别插入pCIBS1中,成功构建了表达载体pCIBS3和pCIBS2.研究发现载体pCIBS1在大肠杆菌和荧光假单胞菌中均较为稳定,并且将绿色荧光蛋白基因插入表达载体中,在大肠杆菌BL21(DE3)中获得表达,验证了表达载体功能.本研究构建的表达载体和建立的荧光假单胞菌BL915电转化方法,为高GC含量基因在荧光假单胞菌中的表达奠定了基础.     

假单胞菌表达载体pYMB03的构建与性能分析

恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)是具有强抗逆性能的环境优势菌,构建其质粒表达载体有着明显的应用潜力.将恶臭假单胞菌AB92019菌株中肽聚糖相关脂蛋白编码基因的启动子PoprL和质粒载体pTrcHis-B的多克隆位点片段插入到质粒载体pUCPl8的EcoRL/HInIII位点,获得了重组载体pYMB03.用绿色荧光基因gfp作为标记进行外源蛋白表达的结果表明,该载体能分别在恶臭假单胞菌AB92019菌株和大肠杆菌DH5a菌株中,由启动子PoprL启动组成型表达GFP蛋白并使细胞产生可见荧光.经SDS-PAGE验证,所产生的GFP蛋白分别占细胞总蛋白的12.5%和5.O%.重组菌株YMB001中GFP表达量与菌体培养时间有关,在稳定期后期其相对荧光强度达到最大值(D600nm=l.0),但与培养温度未见相父性.对携带该载体的2株重组恶臭假单胞菌7次168 h继代培养测定,载体pYMB03的稳定性均为100%.     

一株多菌灵降解菌NY97-1的分子鉴定及GFP标记

用PCR方法扩增的多菌灵降解菌NY97-1的16SrDNA片段经TA克隆后,进行序列测定和BLAST同源序列比较分析,确定了其分类地位为短小芽孢杆菌(Bacilluspumilus,B.p).经BamHⅠ酶切的启动子探针载体pUC19-gfp与NY97-1基因组DNA的Sau3AⅠ酶切片段酶连,酶连产物转化E.coliDH5a,建立B.p的启动子基因文库.挑选其中的两个强阳性克隆,亚克隆来自短小芽孢杆菌总基因组的启动子活性片段F4、F5,构建大肠杆菌-短小芽孢杆菌穿梭表达载体pNW33N-F4-gfp、pNW33N-F5-gfp.通过电转化得到gfp在B.p中的两株标记菌株.在荧光显微镜下,观察到了明亮的绿色荧光,证明活性片段F4、F5均具有组成型启动子的功能,实现了gfp基因在B.p中组成型表达,且遗传稳定,为今后研究多菌灵降解菌B.p在自然环境中的定殖、分布及动态变化打下了基础.图3表2参20     

青稞B-hordein基因表达载体构建及对小麦的遗传转化

利用从具有特殊B-hordein亚基组成的青藏高原青稞材料中克隆的B-hordein编码基因(SL60)和小麦高分子量谷蛋白亚基胚乳特异表达启动子PGlu1Dx构建了真核表达载体pCB2007-SL60.通过农杆菌介导对普通小麦进行遗传转化,共获得227株再生植株,经PCR鉴定和转化片段测序验证,最终获得5株阳性植株.研究为进一步分析B-hordein基因在小麦背景中的遗传和表达,以及对小麦加工特性的影响奠定了基础.图5表2参21     

甲基对硫磷降解菌GFP标记菌株的构建

用Sau3AⅠ酶切甲基对硫磷降解菌DLL 1总DNA ,与BamHⅠ酶切的启动子探针载体 pRobe -GFP酶连 ,转化E .coliDH5α ,在选择性平板LB(Ampr)上从大约 1× 10 4个菌落筛选到 5 0个含启动子片断的阳性克隆 .挑选其中一个阳性克隆 ,将启动子片断克隆到pIJ2 92 5和 pBBR -MCS2上构建成重组质粒 pIJGFP和广宿主标记载体pB BRGFP .然后将 pIJGFP载体上的启动子片断克隆到广宿主载体 pTR10 2上 ,获得第二个广宿主标记载体pTRGFP .将pTRGFP和pBBRGFP通过三亲接合分别标记于DLL 1得到两株标记菌 ,即DLLTR和DLLBR .通过激光共聚焦显微镜观察和软件Lasersharpversion 3.2分析发现 pTRGFP在E .coli中表达很强而在DLL 1中表达很弱 ,而 pBBRGFP正好相反 .图 5表 2参 12     

乳酸杆菌食品级表达系统的构建与鉴定

以LacF为选择标记,构建了乳杆菌食品级表达系统.首先克隆了Latobacillus caseiATCC393乳糖操作子LacF和LacG基因片段,将LacF克隆至载体pRV300上后,利用T4DNA聚合酶消除了LacF片段的SphI位点,构建LacF基因编码区移码突变的质粒pRV△lacf随后将LacG片段与质粒pRV△lacf接后获得了质粒pRvg△lacf.同时将没有移码突变的LacF和LacG基因片段克隆至载体pRV300上,构建了整合型载体pRVgf.将质粒pRVg△lacf电导入L.casei ATCC393中,筛选到不能在乳糖平板上生长的突变菌株.经PcR分析表明,该菌株的LacF基因被移码突变基因Lac△F取代,命名为L.casei MBL25(LacF).为了鉴定此系统的可行性,将豆豉溶栓酶基因成熟肽编码片段插入到整合型载体pRVgf中,成功构建了质粒pRVgf-badfe,将其导L.casei MBL25(LacP)后,筛选LacF 菌株.PcR分析结果显示,豆豉溶栓酶基因已经整合到L.casei染色体巾并且表型已经得到恢复.表明MBL25(LacF-)中LacF基因的功能能被pRVgf-bafe上的LacF基因互补.经0.5%乳糖过夜诱导后,SDS-PAGE电泳显示成功表达了相对分子质量(M)28x103大小的特异蛋白.图3参22     

水稻花药绒毡层特异表达启动子的分离与表达载体构建

从籼稻川75A(OryzasativaL.)黄化苗叶片中直接提取基因组总DNA.根据文献报道的水稻花药绒毡层特异启动子Osg6B序列设计引物,采用TouchdownPCR技术获得水稻花药绒毡层特异表达的启动子Tsp1,将该片段克隆在载体pMD18-TVector上转化到大肠杆菌JM109,并酶切和PCR验证.序列分析发现,该片段与Osg6B启动子同源性为96%,且具有真核生物启动子的多种特征序列,表明启动子Tsp1为来源于籼稻川75A中的水稻花药绒毡层特异表达的启动子.利用该启动子对本实验室保存的质粒pIB467和pIB009进行改造,构建了一个可产生新型雄性不育系的双元植物表达载体pJH401.图7参13     

细胞分裂素基因（T－cyt）在转基因烟草中的表达及其对生长发育的影响

将编码细胞分裂素合成关键酶──异戊烯基转移酶的Ｔ－ｃｙｔ基因分别置于ＣａＭＶ３５Ｓ启动子，ｒｂｃＳ启动子和Ｔ－ｃｙｔ基因自身启动子的调控下，构建成不同的嵌合质粒用于转化烟草，通过ＰＣＲ检测，Ｓｏｕｔｈｅｒｎ杂交和ＮＰＴⅡ的酶活检测对获得的转基因烟草进行了鉴定．Ｎｏｒｔｈｅｒｎ分析表明：ＣａＭＶ３５Ｓ启动子驱动下的Ｔ－ｃｙｔ基因在转基因烟草的根、茎、叶中均有ｍＲＮＡ的积累；ｒｂｃＳ启动子指导下Ｔ－ｃｙｔ基因在叶中转录较强，茎中次之，在根中几乎未表达．以根据抗原决定簇进行人工合成的复合抗原免疫家兔得到异戊烯基转移酶抗体，ＥＬＩＳＡ结果表明转基因烟草根中异戊烯基转移酶含量较高．Ｔ－ｃｙｔ基因的表达对转基因烟草的生长发育有明显影响：其叶绿素ａ、ｂ含量明显增加，叶衰老迟缓；顶端优势受到抑制，侧芽生长旺盛；与对照相比，其根系不发达．     

茶树Ankyrin基因启动子的克隆及其5′UTR内含子功能

为了解启动子在茶树Ankyrin基因(CsAnkyrin)表达调控中的作用,以茶树新品系‘1005’嫩芽为材料,通过染色体步移技术克隆CsAnkyrin基因启动子序列,利用Neural Network Promoter Prediction和PlantCARE在线软件等对启动子序列进行生物信息学分析,将含有内含子和删除内含子的启动子序列(+intron/-intron)分别定向替换pCAMBIA1301表达载体的CaMV35S启动子,构建重组表达载体后分别转化拟南芥,并进行GUS组织化学染色分析.结果显示,克隆得到的CsAnkyrin启动子序列(命名为proAnk)为1 010 bp,含有一个5′UTR(5′Untranslated regions,5′非编码区)内含子.启动子序列除含有启动子核心元件TATA-box和CAAT-box,还存在有激素响应元件、光响应元件、厌氧胁迫应答元件以及大量功能未知或功能特异的顺式作用元件.删除5′UTR内含子后的启动子序列能够驱动下游GUS报告基因表达,保留5′UTR内含子的启动子序列不能驱动下游GUS报告基因正常表达,但是RT-PCR实验结果表明5′UTR内含子在转录后没有被切除,而是和GUS基因一起转录产生融合mRNA.本研究表明,proAnk具有诱导型启动子特性,5′UTR内含子对下游基因正常表达具有负调控作用,且可能是在翻译水平上对下游基因表达产生影响.(图7表1参32)     

一个硫化叶菌病毒启动子的分离与鉴定

几乎所有古菌病毒基因组中无RNA聚合酶(RNA polymerase,RNAP)等组成基本转录装置的同源蛋白编码序列,而且启动子活性对病毒感染过程中病毒基因的转录上可能具有重要的影响.为进一步揭示古菌病毒基因启动子的序列结构特点和活性之间的关系,首先基于硫化叶菌质粒pSeSD,将β-半乳糖苷酶编码基因lacS克隆到阿拉伯糖启动子araS下游多克隆位点,构建重组表达载体pSeSD-lacS.将pSeSD-lacS转化冰岛硫化叶菌(Sulfolobus islandicus)E233S菌株后的功能分析结果表明,lacS基因成功表达.在此基础上,利用硫化叶菌病毒STSV2衣壳蛋白编码基因ORF37上游500bp的潜在启动子片段P37替换pSeSD-lacS中的araS启动子,构建出新的重组表达质粒pSeSD-P37-lacS,进一步将pSeSD-P37-lacS转化E233S菌株进行启动子活性分析.β-半乳糖苷酶酶活结果显示,诱导后araS启动子酶活为14 345.7±422.3 mU,P37酶活为13 723.1±370.9 mU,表明P37片段具有启动子功能,而且活性与araS启动子相当.序列分析也显示,P37具有与硫化叶菌基因启动子类似的基础序列元件initiator、TATA-box及BRE等.本研究表明pSeSD-lacS可作为一个硫化叶菌病毒基因启动子筛选载体,而且高活性的基因启动子可能在STSV2病毒生命过程具有重要的作用.(图4表1参27)     

冷诱导RNA结合蛋白(CIRP)过表达载体的构建及鉴定

为构建携带冷诱导RNA结合蛋白(Cold inducible RNA-binding protein,CIRP)的过表达载体,首先从4℃条件下冷处理8 h的SD大鼠睾丸组织中获得CIRP基因的c DNA序列,然后扩增CIRP基因的编码区,将其克隆到真核表达载体p Lenti6/V5中,酶切鉴定并测序.将克隆成功的质粒转染HEK293T细胞,用Western blot检测CIRP的表达水平.成功扩增CIRP编码区,并将其克隆至载体p Lenti6/V5中;当将CIRP过表达载体转染HEK293T细胞后,Western blot检测结果显示CIRP蛋白表达水平明显增加(P<0.01).本研究成功构建了CIRP过表达载体,为进一步研究CIRP的作用机制提供了基础工具.     

萘降解质粒pND6-1中萘趋化基因nahY的克隆和核苷酸序列分析

假单胞菌（Pseudomonas）ND6菌株的萘降解基因位于102kb的质粒pND6-1上。以pUC18质粒为载体，制备了含有1.5-3.0kbpND6-1DNA随机片段的基因文库。通过DNA测序和DNA序列的同源性分析，从基因文库中筛选出含有萘趋化基因nahY的克隆。NahY基因的大小为1617bp，编码的萘趋化蛋白由538个氨基酸组成，与假单胞菌G7菌株的nahY基因相比，核苷酸序列的同源性是96.7％，编码的氨基酸序列的同源性是95％。图4参7     

水稻幼穗分化特异性启动子pRFL的克隆和特征分析

组织特异性启动子能够驱动基因在特定的时期和部位表达,克服组成型启动子启动的外源基因在受体植物中非特异、持续、高效表达所造成的浪费,是基因工程技术最重要元件之一.本研究利用PCR技术从水稻基因组中克隆了幼穗分化特异表达基因RFL翻译起始位点上游2 001 bp的启动子序列,命名为pRFL.生物信息分析显示,该片段含有36个转录起始核心启动子元件TATA-box和多个启动子增强子区顺式作用元件CAAT-box,以及多个光反应调控元件和植物激素响应元件等.将其与GUS基因构建成植物表达载体,导入水稻"日本晴",组织化学染色法检测显示,转基因水稻植株叶片、茎均无GUS显色,花序及发育中的小花有较强表达;荧光定量PCR测定幼穗GUS基因转录活性,显示pRFL驱动的GUS基因表达量比actin启动子驱动的GUS基因表达量高2.9倍.上述结果初步证明了pRFL为幼穗分化特异性启动子.