叶绿体转化及其用于疫苗表达研究的最新进展

随着植物转基因研究的不断深入,核基因组转化的转基因沉默现象严重影响了基因工程的应用效果。植物叶绿体遗传转化以叶绿体基因组为平台对植物进行遗传操作,外源基因定点整合及母性遗传特性能较好地解决"顺式失活"和"位置效应"等类的基因沉默问题和转基因逃逸等安全问题,成为植物基因工程发展的新方向,在工业、农业及医药生物领域发挥了重要作用,也为生产廉价、安全的植物疫苗提供了新思路。本文在简要介绍叶绿体转化的原理、转化方法与优势的基础上,重点综述了近年来通过该技术表达的一些重要的病毒抗原和细菌抗原。最后,对叶绿体转化技术在表达外源基因方面存在的问题进行分析。未来随着叶绿体基因表达、调控机制研究的逐渐深入及相关技术体系的日臻完善,叶绿体转化有望成为疫苗生产的生力军。     

酿酒酵母基因组位置效应对外源基因表达的影响

外源基因元件和模块在底盘细胞中发挥特定功能是合成生物学研究的基本过程,而外源元件和模块在基因组中的位置对其功能的实现具有显著影响。为了系统、全面地表征酿酒酵母基因组位置效应对外源基因的表达影响,以绿色荧光蛋白为报告基因,通过双交换同源重组方法,对酿酒酵母单基因敲除库进行高通量转化,构建酿酒酵母基因组单位点荧光标记菌株库。结合流式细胞术和高通量测序技术对单位点荧光标记库菌株进行分析,构建高表达位点库和低表达位点库,共发现促进绿色荧光蛋白表达的位点428个,抑制绿色荧光蛋白表达的位点444个。通过分析高、低表达位点在酵母染色体上的分布,从全基因组尺度上对酿酒酵母基因组整合位置对基因表达的影响进行表征。本研究可为酿酒酵母基因组位置效应的分布规律和产生机理研究提供重要参考,对外源蛋白工业生产和合成生物学中的基因表达精细调控也具有重要的指导意义。     

Cell:eRNA在调节基因表达中发挥着至关重要作用

正在细胞中,DNA经转录产生RNA,而RNA为细胞表达蛋白提供遗传指令。基因组的大部分经转录产生RNA,但是仅有一小部分RNA确实是来自基因组的蛋白编码区域。美国宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院宾州表观遗传学研究所主任、细胞与发育生物学教授Shelley Berger博士说,"为什么非编码区域会发生转录?它们的功能是未知的。"     

利用植物表达外源蛋白需解决的几个关键问题

植物外源蛋白表达系统已取得较大进展。目前已经能够利用转基因植物表达和生产多种外源蛋白,但仍存在诸多难以克服并急需解决的技术问题。作者从植物组织再生率、转化频率、调控元件、转基因植物遗传稳定性及其潜在的安全性问题、外源蛋白在植物体内的表达、调控、稳定性及其下游加工问题等方面综述了植物外源蛋白表达系统存在的问题和应对策略,为进一步开发、利用转基因植物生产外源蛋白提供理论依据。     

高等植物叶绿体表达重组蛋白研究进展

近年来,基因工程技术发展迅速,许多重组蛋白得以表达。其中利用植物生物反应器表达特异药物蛋白为人类一些重要疾病的预防和治疗提供了新途径。植物叶绿体遗传转化和表达系统成为目前植物生物反应器的研究热点。因结构和遗传上的特殊性,高等植物叶绿体在重组蛋白表达方面具有独特优势,外源基因表达量高、定点整合,而且叶绿体母系遗传特性保证了生物安全性。很多重要药用蛋白质在植物叶绿体中表达成功。烟草作为高等植物叶绿体转化模式植物,在疫苗抗原、抗体等药物蛋白和其他重要重组蛋白表达方面取得显著进展。高等植物叶绿体遗传转化也为叶绿体基因的表达和调控机制的研究提供新的技术和方法。文中从叶绿体遗传转化原理、载体构建、重组蛋白和重要药物蛋白在叶绿体中的表达以及重组蛋白表达对植物代谢和性状影响等多个角度,对高等植物叶绿体遗传转化体系研究的新进展进行了综述,以期为叶绿体表达平台的开发和重要药用蛋白质的表达提供新思路。     

转望江南核糖体失活蛋白基因cassin烟草及其对烟草花叶病毒的抗性

通过构建植物表达载体,由农杆菌介导,将望江南核糖体失活蛋白基因cassin转入烟草。PCR和Southern blot杂交结果证明：外源基因已经以单拷贝整合到烟草基因组内,并且在后代发生遗传分离。RT—PCR和Northern blot杂交结果显示：外源基因可以正常转录。用不同浓度的TMV机械摩擦接种转基因T1、T2代各3个自交株系,以非转基因烟草为阴性对照,实验结果表明转基因烟草对TMV表现出不同程度的抗性。     

外源NO对转基因白桦外源基因表达及DNA甲基化的影响

为探讨外源NO诱导转基因白桦外源基因表达与基因组DNA甲基化之间的关系,本研究分析了NO供体硝普钠（sodium nitroprusside,SNP）对转基因白桦愈伤组织中外源基因BGT转录的影响,并对此过程中基因组DNA甲基化水平、甲基转移酶基因DRM、MET表达量及生理生化指标进行研究。结果表明：2 mmol·L^-1SNP处理后,转基因白桦防御酶活性、丙二醛（MDA）含量显著升高,表明高浓度NO对白桦细胞正常生命活动产生了伤害;甲基转移酶DRM和MET基因上调表达,基因组DNA甲基化水平由10.6%增加到16.5%,外源基因BGT表达量在6 h时显著增加,3 d时仅为对照的0.46倍,说明转基因白桦外源BGT基因的表达对高浓度NO响应明显且受基因组甲基化水平的影响。本研究揭示了转基因白桦外源BGT基因和甲基转移酶MET、DRM基因对高浓度NO的响应模式,分析了基因组甲基化水平及生理生化特征的变化,为转基因植物生长发育的表观遗传调控和外源基因表达影响机制的研究奠定基础。     

不同调控元件及组合对烟草外源蛋白瞬时表达的效果分析

植物瞬时表达是一种高效快速获得外源基因表达的方法,该系统主要应用于蛋白互作研究、调控元件功能分析、蛋白亚细胞定位和蛋白制剂合成等方面。为了进一步提高外源基因在瞬时表达体系中稳定表达效果,本研究对瞬时表达载体的多种作用元件及转化条件进行优化。首先,我们在目前最常用的双元表达载体pCambia1300骨架上,分别添加可增强特异性转录和稳定蛋白表达的新的调控元件,构建pREU-EF、pREUR-EF和pREUR-p24-EF重组表达载体,并且通过定性和定量方法分析不同元件组合、不同菌液浓度对报告基因eGFP表达的影响。激光共聚焦显微镜观察结果证明3个重组载体可在烟草叶片的细胞膜、细胞质和细胞核中快速表达报告基因;定量PCR分析表明3个重组载体中报告基因在转录表达水平上分别比原pCambia1301-eGFP载体提高了4倍、20倍和28倍;蛋白水平分析表明烟草叶片转化48 h后,pREUR-EF外源蛋白表达量明显高于pREU-EF;并且当菌液注射液浓度OD_(600)=0.4左右时,外源蛋白的表达效率最高。此外,我们还进一步把改造后的瞬时表达重组载体运用到双荧光素酶(Dual-Luciferase)报告系统中,实验证明改造后的瞬时表达重组载体可以更加快捷和有效地用于转录调控分析。因此,烟草瞬时表达载体中作用元件增加和优化组合,可以有效地提高外源蛋白的表达。     

利用Ⅱ型启动子转录的U6 RNA提高植物病毒表达载体在植物中表达外源基因的水平

Ⅱ型启动子转录的外源短链RNA可以竞争性抑制细胞内源mRNA的核质转运,因而可能会提高植物RNA 病毒载体表达的外源基因在植物中的积累. 为了验证这一假说,利用OE-PCR技术合成拟南芥U6-1核内小RNA序列,并构建其Ⅱ型启动子转录的植物表达载体. 以农杆菌渗滤技术,与烟草花叶病毒（Tobacco mosaic virus, TMV）表达载体共接种寄主植物本氏烟,通过对报告基因绿色荧光蛋白（green fluorescence protein, GFP）的荧光观察,并以Western印迹和ELISA测定GFP在烟草中的表达情况,分析共表达Ⅱ型启动子转录的U6 RNA对外源基因在植物中表达的作用效果. 结果表明,共接种Ⅱ型启动子转录的U6 RNA对TMV病毒表达载体表达外源基因的水平有明显的增效作用,推测RNA核质转运干扰是提高外源基因表达的可能机制.     

植物瞬时表达技术的主要方法与应用进展

瞬时表达技术是一种获得目的基短暂的高水平表达的技术.与稳定表达相比,瞬时表达所需时间短,但未将外基整合到宿主植物染色体中,不能稳定遗传给下一代.我们简要综述了植物瞬时表达技术的各种方法,介绍了各方法的理、技术流程、影响素及其应用.关其应用,主要分析了生物制剂的合成、转录元件和转录子的克隆与分析、基沉默、亚细胞定位、蛋白互作分析、抑制子功能鉴定、选择性剪接调控、植物品种的改良和选育等方面.     

提高外源基因在植物体内表达的策略

介绍提高外源基因在植物体内表达的方法。从外源基因的优化、整合、转录、翻译、运输以及基因间的相互作用等方面,总结提高外源蛋白在植物宿主体内表达的常用策略。     

植物花色素苷生物合成的转录调控

转录调节是植物花色素苷生物合成途径中调节其结构基因表达的重要环节之一。近十多年来,通过调节转录因子的表达激活或抑制有效地调控植物中花色素苷的合成成了众多植物学家研究的重点。现简要介绍了花色素苷的合成运输过程与液泡的沉积扣押、转录因子与调控及转录调节在遗传改良中的应用等方面的研究进展。     

RNA:诱导基因沉默

在生物体中 ,双链RNA (double strandRNA ,dsRNA)裂解后的小RNA可以诱导细胞质和基因组水平外源基因沉默。所谓基因沉默 (genesilencing)是指生物体中特定基因由于种种原因不表达。小RNA能诱导互补信使RNA在转录后降解 ,对于植物 ,可通过同源DNA序列甲基化使转录基因沉默。RNA沉默是基因组水平的免疫现象 ,代表了进化过程中原始的基因组对抗外源基因序列表达的保护机制 ,在动植物进化中起着重要作用 ,RNA沉默具有抵抗病毒入侵、抑制转座子活动、防止自私基因序列的过量增殖等作用 ,并调控蛋白编码基因的表达 ,具有十分诱人的应用前景     

基因组挖掘技术在海洋放线菌天然产物研究开发中的应用及展望

利用微生物的基因组信息预测其合成特定天然产物的潜能, 进而进行新化合物分离纯化和结构鉴定的基因组挖掘技术, 已经成为国内外研究的热点, 并在多种细菌和真菌的天然产物发现中得到成功应用。本文综述了基因组挖掘技术的最新进展, 包括生物信息分析和结构预测、基因组指导的天然产物的发现、沉默基因的激活和异源表达技术等, 以及我国学者开发的转录组挖掘技术, 并重点综述了影像质谱技术在基因组挖掘中的应用。目前对海洋放线菌进行基因组挖掘的研究还比较少, 而基因组挖掘技术的发展, 将极大地促进对海洋放线菌天然产物的发现和鉴定。未来除了充分挖掘可培养微生物的基因组, 对未培养微生物宏基因组的挖掘将进一步深入。此外, 除了开发利用基因组中合成天然产物的结构基因和调节基因, 还应该充分开发利用其他不同的遗传元件, 包括不同转录活性和响应不同环境条件和信号的启动子, 以及具有调节作用的RNA等。     

分泌高效蛋白的地衣芽孢杆菌及其工业应用

革兰氏阳性、腐生性地衣芽孢杆菌是高温α-淀粉酶、碱性蛋白酶的重要工业生产用菌株.其基因组大小约为4.22 Mb,已被多个国际机构认定为GRAS工业菌株.地衣芽孢杆菌具有完善的蛋白分泌体系,蛋白合成与分泌能力可达到20～25 mg/ml.在作为外源基因表达系统的研究中,建立了其遗传转化方法,完成了多种表达载体的构建与应用,以及进行了作为宿主细胞的地衣芽孢杆菌的遗传改良与多种重组蛋白表达的研究.显示地衣芽孢杆菌具有作为重组蛋白高效分泌表达的巨大潜力与工业应用价值.     

疫苗生产的新途径——转基因植物

与发酵生产方式相比,转基因植物疫苗生产技术具有高效、经济和简便等特点。植物表达系统生产外源蛋白一般采用两种方式：（１）编码外源抗原基因与植物基因组稳定整合;（２）利用植物病毒载体,使外源蛋白在植物细胞中瞬时表达。植物系统生产的抗原疫苗可保持自然免疫原性质,口服后能够诱发体液和粘膜免疫反应。     

生物元件的挖掘、改造与标准化

生物元件是合成生物学中的三大基本要素之一,是合成生物学的基石。现阶段,生物元件的挖掘、鉴定和改造仍然是合成生物学领域的重要研究方向之一。合成生物学与基因工程和代谢工程最显著的差别在于能够将大量的生物元件进行快速、随意的组装,而实现这一目标的前提是将生物元件标准化。目前,已经有大量基因组被解析,通过这些基因组数据库的注释与功能验证,并借助于各种生物信息学软件预测启动子、终止子、操纵了、转录因子和转录因子结合位点、核糖体结合位点以及蛋白质编码区等部件,为合成生物学提供丰富的生物元件信息资源。随着元基因组技术的兴起,大量未培养微生物中的基因和基因簇信息被解析,使得我们可以从占自然界中实际存在微生物总数99％的未知微生物中挖掘更多的生物元件。另外,生物元件可以从自然界分离出来,也可以对天然生物元件进行修饰、重组和改造后得到新的元件。酵母是异源蛋白表达的通用宿主和生物基产品生产的细胞工厂,但其本身可用的启动子非常有限,近年来各国学者在酵母启动子改造和文库构建方面做了很多工作,该文也将概述酵母启动子改造和在合成生物生物学研究领域中的应用方面的研究进展。     

米曲霉外源表达系统研究进展

丝状真菌米曲霉是发酵工业的重要菌种,具有强大的蛋白分泌能力和较高的食品安全性,可作为表达外源蛋白的细胞工厂。近年来,米曲霉全基因组序列的测序完成和基于表达序列标签的基因组学研究,为深入研究米曲霉外源表达系统提供了条件。从基因组学进展、遗传转化体系等方面综述了米曲霉作为外源蛋白表达宿主的研究进展。针对米曲霉在外源蛋白表达中存在的瓶颈,提出构建蛋白酶缺陷株、使用强启动子、融合表达等策略,以提高外源蛋白的表达和产量。最后介绍了米曲霉表达系统的应用,利用米曲霉代谢工程菌生产工业用酶和次级代谢产品具有良好的前景。     

马铃薯块茎特异性启动子驱动的人白细胞介素-12的遗传转化研究

为获得高效表达人白细胞介素-12(h IL-12)蛋白的转基因马铃薯植株,利用根瘤农杆菌侵染法将前期构建的马铃薯块茎特异性启动子Ppatatin驱动的h IL-12植物表达载体导入马铃薯,通过共培养、筛选、分化等过程获得转基因植株,并结合PCR、RT-PCR、GUS染色及ELISA分析对转基因植株进行鉴定。结果显示,获得12个马铃薯转基因株系,PCR检测表明其中的10个株系目的基因已导入马铃薯基因组,转基因阳性率为83%;RT-PCR分析表明其中的7个株系外源基因在转录水平成功获得表达,ELISA分析表明其中的5个株系有明显的蛋白水平表达。对这7个株系后代的检测表明外源基因成功表达且具有良好的遗传稳定性。