大肠杆菌基因工程课件2.ppt
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- 大肠杆菌 基因工程 课件
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1、基因表达系统基因表达系统原核表达系统原核表达系统真核表达系统真核表达系统蓝藻表达系统蓝藻表达系统大肠杆菌表达系统大肠杆菌表达系统芽孢杆菌表达系统芽孢杆菌表达系统链霉菌表达系统链霉菌表达系统酵母表达系统酵母表达系统昆虫细胞表达系统昆虫细胞表达系统植物细胞表达系统植物细胞表达系统哺乳动物细胞表达系统哺乳动物细胞表达系统大肠杆菌基因工程(2)1第五章第五章 外源基因的表达外源基因的表达一、一、大肠杆菌基因工程大肠杆菌基因工程二、酵母杆菌基因工程二、酵母杆菌基因工程三、哺乳动物基因工程三、哺乳动物基因工程四、高等植物基因工程四、高等植物基因工程五、外源基因表达产物的分离纯化五、外源基因表达产物的分离纯
2、化大肠杆菌基因工程(2)2 一、大肠杆菌基因工程一、大肠杆菌基因工程E.coli作为表达外源基因受体菌的特征作为表达外源基因受体菌的特征外源基因在外源基因在E.coli中高效表达的原理中高效表达的原理E.coli基因工程菌的构建策略基因工程菌的构建策略基因工程菌的遗传不稳定性及其对策基因工程菌的遗传不稳定性及其对策利用重组利用重组E.coli生产人胰岛素生产人胰岛素大肠杆菌基因工程(2)3(一)(一)E.coli作为表达外源基因受体菌的特征作为表达外源基因受体菌的特征大肠杆菌基因工程(2)4E.coli表达外源基因的优势:表达外源基因的优势:全基因组已测序,共有全基因组已测序,共有4,405个
3、开放阅读框架,个开放阅读框架,大部分基因生物学功能已鉴定;大部分基因生物学功能已鉴定;基因克隆表达系统成熟完善;基因克隆表达系统成熟完善;繁殖迅速、培养简单、操作方便、遗传稳定;繁殖迅速、培养简单、操作方便、遗传稳定;被美国被美国FDA批准为安全的基因工程受体生物。批准为安全的基因工程受体生物。大肠杆菌基因工程(2)5E.coli表达外源基因的劣势:表达外源基因的劣势:缺乏对真核生物蛋白质的翻译后加工修饰系统,如缺乏对真核生物蛋白质的翻译后加工修饰系统,如糖基化、磷酸化;糖基化、磷酸化;缺乏对真核生物蛋白质的复性功能,表达产物多以缺乏对真核生物蛋白质的复性功能,表达产物多以无活性的包涵体形式存
4、在;无活性的包涵体形式存在;内源性蛋白酶易降解空间构象不正确的异源蛋白,内源性蛋白酶易降解空间构象不正确的异源蛋白,造成表达产物不稳定;造成表达产物不稳定;细胞周质内含有种类繁多的内毒素,痕量内毒素即细胞周质内含有种类繁多的内毒素,痕量内毒素即可导致人体热原反应。可导致人体热原反应。大肠杆菌基因工程(2)6(二)外源基因在(二)外源基因在E.coli中高效表达的原理中高效表达的原理强化蛋白质生物合成强化蛋白质生物合成抑制蛋白质产物降解抑制蛋白质产物降解恢复蛋白质特异性空间构象恢复蛋白质特异性空间构象大肠杆菌基因工程(2)7启动子启动子终止子终止子核糖体结合位点核糖体结合位点密码子密码子质粒拷贝
5、数质粒拷贝数强化蛋白质生物合成强化蛋白质生物合成大肠杆菌基因工程(2)81、启动子、启动子(promoter,P)启动子:启动子:位于结构基因上游,能被位于结构基因上游,能被RNA聚合聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序序列,长列,长40-60bp 。大肠杆菌基因工程(2)9 因此,因此,E.coli表达载体所用的启动表达载体所用的启动子必须是子必须是E.coli启动子启动子。没有启动子,基因就不能转录。没有启动子,基因就不能转录。E.coli的的RNA聚合酶不能识别真核基因的聚合酶不能识别真核基因的启动子。启动子。大肠杆菌基因工程(2)10位于转录起始
6、点上游位于转录起始点上游35bp处,由处,由10bp组组成,成,5-TGACA。E.coli启动子是由两段彼此分开且又高度保守启动子是由两段彼此分开且又高度保守的核苷酸序列组成:的核苷酸序列组成:位于转录起始点上游位于转录起始点上游5-10bp处,由处,由6-8bp组成,组成,5-TATAAT,富含,富含A和和T,又称又称TATA盒。盒。-10区:区:-35区:区:大肠杆菌基因工程(2)11-35区区与与RNA聚合酶聚合酶s亚基结合亚基结合-10区区与与RNA聚合酶的核心酶结合聚合酶的核心酶结合 在转录起始点附近,在转录起始点附近,DNA被解旋成单被解旋成单链,链,RNA聚合酶聚合酶使第使第1
7、和和2个核苷酸形成磷酸二个核苷酸形成磷酸二酯键,并在其作用下向前推进,形成新生酯键,并在其作用下向前推进,形成新生mRNA链。链。TGACATATAAT-35区区-10区区+1位位 转录起始点转录起始点开始转录开始转录大肠杆菌基因工程(2)12-10区区和和-35区区的碱基组成及其间隔序列。的碱基组成及其间隔序列。启动子和外源基因转录起始点之间的启动子和外源基因转录起始点之间的距离距离。启动子的强弱取决于:启动子的强弱取决于:启动子是控制外源基因转录的重要启动子是控制外源基因转录的重要元件,元件,mRNA生成速率与其生成速率与其强弱强弱密切相关。密切相关。大肠杆菌基因工程(2)13-10和和-
8、35区与保守序列(区与保守序列(5-TATAAT、5-T GACA)相似度相似度越高,启动子活性越强。越高,启动子活性越强。-10和和-35区的间距越接近区的间距越接近17bp,启动子活性,启动子活性越强。越强。-10区和区和-35区的碱基组成及其间隔序列:区的碱基组成及其间隔序列:大肠杆菌基因工程(2)14 大多数大多数E.coli启动子与所属基因转录起始启动子与所属基因转录起始点之间的距离是点之间的距离是6-9bp,但对外源基因而言,但对外源基因而言,这个距离范围未必最佳。这个距离范围未必最佳。启动子和外源基因转录起始点之间的距离:启动子和外源基因转录起始点之间的距离:大肠杆菌基因工程(2
9、)151)启动子最佳距离的探测)启动子最佳距离的探测目的基因目的基因EEAEE启动子启动子A酶切开酶切开Bal31酶解酶解目的基因目的基因大肠杆菌基因工程(2)16 将目的基因插在一个强启动子下将目的基因插在一个强启动子下游,若克隆菌内检测不到游,若克隆菌内检测不到mRNA,有必要,有必要考虑调整启动子与基因之间的距离。考虑调整启动子与基因之间的距离。大肠杆菌基因工程(2)172)启动子的筛选:)启动子的筛选:探针质粒探针质粒pKO1的的报告基因报告基因:半乳糖激酶基因半乳糖激酶基因galK终止子终止子Amprori无启动子无启动子的的galKpKO13.9 kb 用同位素用同位素3 2P标记
10、标记ATP,测定从,测定从ATP转移到半转移到半乳糖的乳糖的32P的放射性强度,的放射性强度,可推算可推算galK表达的半乳糖激表达的半乳糖激酶的量,由此比较启动子的酶的量,由此比较启动子的强弱。强弱。大肠杆菌基因工程(2)183)启动子的构建:)启动子的构建:-35 区序列区序列-10 区序列区序列启动子启动子 来来 源源PlacPtrpP LPrecAPtacT T T A C AT T G A C AT T G A C AT T G A T AT T G A C AT A T A A TT T A A C TG A T A C TT A T A A TT A T A A TPtac=3
11、Ptrp=11 Plac 双双Plac串联串联=2.4 Plac乳糖操作子乳糖操作子色氨酸操作子色氨酸操作子 噬菌体早期操作子噬菌体早期操作子recA基因基因Ptrp-35区区+Plac-10区区大肠杆菌基因工程(2)194)启动子的可控性:)启动子的可控性:外源基因的全程高效表达,会对外源基因的全程高效表达,会对E.coli的的生理生化生理生化过程造成不利影响。过程造成不利影响。外源基因持续高效表达的重组质粒,在细外源基因持续高效表达的重组质粒,在细胞若干次分裂后,会部分甚至全部丢失,胞若干次分裂后,会部分甚至全部丢失,导致导致重组菌重组菌不稳定不稳定。大肠杆菌基因工程(2)20措施:措施:
12、利用利用可控性启动子可控性启动子,调整外源,调整外源基因的表达时序,通过启动子活性的定时基因的表达时序,通过启动子活性的定时诱导,将外源基因的转录启动限制在受体诱导,将外源基因的转录启动限制在受体细胞生长的某一特定阶段。细胞生长的某一特定阶段。大肠杆菌基因工程(2)21 目前广泛应用的目前广泛应用的E.coli可控性启动可控性启动子来自相应的操纵子,都含有与子来自相应的操纵子,都含有与阻遏蛋白阻遏蛋白特特异性结合的操纵子序列,其介导的外源基因异性结合的操纵子序列,其介导的外源基因在在E.coli中通常以极低的中通常以极低的基底水平基底水平表达。表达。大肠杆菌基因工程(2)22乳糖启动子乳糖启动
13、子Plac的可控性:的可控性:高效转录高效转录乳糖乳糖、IPTG诱导诱导PlacOlac乳糖、乳糖、IPTG可解除阻遏可解除阻遏作用,诱导作用,诱导Plac介导的目介导的目的基因表达。的基因表达。PlacOlac野生型野生型Plac与其控制区与其控制区Olac偶联在一起。偶联在一起。基底水平转录基底水平转录阻遏蛋白阻遏蛋白无诱导物存在时,无诱导物存在时,Plac受受阻遏蛋白阻遏,转录呈阻遏蛋白阻遏,转录呈基底水平表达。基底水平表达。大肠杆菌基因工程(2)23色氨酸启动子色氨酸启动子Ptrp的可控性:的可控性:PtrpOtrpPtrp受受Trp-阻遏蛋白复合物阻遏蛋白复合物的阻遏,转录呈基底水平
14、。的阻遏,转录呈基底水平。基底水平转录基底水平转录Trp阻遏蛋白阻遏蛋白高效转录高效转录OtrpPtrp在操作上,去除在操作上,去除Trp困难,困难,往往通过往往通过加入加入IAA,诱导,诱导Ptrp介导的目的基因表达。介导的目的基因表达。除去除去Trp高效转录高效转录OtrpPtrp或加入或加入IAA在培养体系中,去除在培养体系中,去除Trp或或加入加入3-吲哚丙烯酸吲哚丙烯酸(IAA),可解除阻遏作用。可解除阻遏作用。大肠杆菌基因工程(2)24 噬菌体启动子噬菌体启动子P L的可控性:的可控性:升温至升温至42时,时,cI857失活脱失活脱落,解除阻遏作用,落,解除阻遏作用,P L便可便可
15、介导目的基因高效表达。介导目的基因高效表达。高效表达高效表达P L目的基因目的基因42P L目的基因目的基因基底水平表达基底水平表达cI857P L受温度敏感的受温度敏感的cI857阻遏蛋阻遏蛋白阻遏,转录呈基底水平。白阻遏,转录呈基底水平。大肠杆菌基因工程(2)25 在大型发酵在大型发酵罐中迅速升温困罐中迅速升温困难,常使用难,常使用双质双质粒粒控制系统,间控制系统,间接控制目的基因接控制目的基因表达。表达。cI857PtrpAIAA 去阻遏去阻遏BP L目的基因目的基因阻遏作用阻遏作用B表达表达P LPtrpATrp目的基因目的基因cI857大肠杆菌基因工程(2)26应是诱导型的,可通过简
16、单方式、使用廉价诱导应是诱导型的,可通过简单方式、使用廉价诱导物诱导,如温度诱导、物诱导,如温度诱导、IPTG诱导。诱导。最佳启动子必须具备条件:最佳启动子必须具备条件:必须是强启动子,能使外源基因表达量达细胞必须是强启动子,能使外源基因表达量达细胞总蛋白的总蛋白的10-30%以上;以上;应呈现低水平的基础转录;应呈现低水平的基础转录;大肠杆菌基因工程(2)272、终止子、终止子(terminator,T)强化转录终止的必要性:强化转录终止的必要性:过长转录物的产生会影响外源基因的表达。过长转录物的产生会影响外源基因的表达。外源基因在强启动子控制下表达,易发生外源基因在强启动子控制下表达,易发
17、生转录过头现象,转录过头现象,RNA聚合酶滑过终止子,继续聚合酶滑过终止子,继续转录邻近序列,形成长短不一的转录邻近序列,形成长短不一的mRNA混合物。混合物。大肠杆菌基因工程(2)28过长转录产物影响外源基因表达的原因:过长转录产物影响外源基因表达的原因:1)转录产物越长,)转录产物越长,RNA聚合酶转录一分子聚合酶转录一分子mRNA所需的时间就相应增加,外源基因转录所需的时间就相应增加,外源基因转录效率下降。效率下降。2)若外源基因下游紧接载体的重要功能基因,)若外源基因下游紧接载体的重要功能基因,则则RNA聚合酶在此处的转录,可能干扰其生物聚合酶在此处的转录,可能干扰其生物功能,甚至导致
18、其不稳定性。功能,甚至导致其不稳定性。大肠杆菌基因工程(2)294)过长的)过长的mRNA往往不能形成理想的二级结往往不能形成理想的二级结构,大大降低翻译效率。构,大大降低翻译效率。3)过长的)过长的mRNA往往产生大量无用的蛋白质往往产生大量无用的蛋白质,增加工程菌无谓的能量消耗。,增加工程菌无谓的能量消耗。大肠杆菌基因工程(2)30pCP1AmproriTcr筛选筛选Ampr、Tcs的转化子的转化子 也可通过也可通过探针质粒探针质粒筛筛选,选,唯一的克隆位唯一的克隆位点处于启动子和点处于启动子和报告基因报告基因的翻的翻译起始密码子之间,当终止子译起始密码子之间,当终止子插入该位点时,由启动
19、子介导插入该位点时,由启动子介导的报告基因转录被封闭,从而的报告基因转录被封闭,从而减少或阻断报告基因的表达。减少或阻断报告基因的表达。PT强终止子的选择与使用:强终止子的选择与使用:大肠杆菌基因工程(2)31 对终止作用较弱的终止子,可采用对终止作用较弱的终止子,可采用二聚二聚体体终止子串联的特殊结构,以增强转录终止作用终止子串联的特殊结构,以增强转录终止作用。常用终止子来自常用终止子来自E.coli rRNA操纵子上的操纵子上的rrn T1T2、T7噬菌体噬菌体DNA上的上的T。E.coli偏爱使用终止密码子偏爱使用终止密码子UAA,当其,当其后连上一个后连上一个U而形成四联核苷酸时,转译
20、终止效而形成四联核苷酸时,转译终止效率会得到进一步加强。率会得到进一步加强。大肠杆菌基因工程(2)323、核糖体结合位点、核糖体结合位点 外源基因在外源基因在E.coli中的高效表达不仅取决中的高效表达不仅取决于转录启动的频率,还与于转录启动的频率,还与mRNA的的翻译起始翻译起始效率效率密切相关。密切相关。结构不同的结构不同的mRNA分子具有不同的翻译分子具有不同的翻译效率,差别高达数百倍。效率,差别高达数百倍。大肠杆菌基因工程(2)33 mRNA的翻译起始效率主要由其的翻译起始效率主要由其5端的结构序列决定,即端的结构序列决定,即核糖体结合核糖体结合位点位点(ribosomal bindi
21、ng site,RBS)。大肠杆菌基因工程(2)341)SD序列:序列:E.coli RBS的结构:的结构:识别核糖体小亚基中识别核糖体小亚基中16S rRNA 3端区域端区域3-AUUCCUCC-5,并与之专一性结合,将,并与之专一性结合,将mRNA定位于核糖体上,启动翻译。定位于核糖体上,启动翻译。位于翻译起始密码子上游的位于翻译起始密码子上游的6-8个核苷酸序个核苷酸序列:列:5-UAAGGAGG-3。大肠杆菌基因工程(2)352)翻译起始密码子:)翻译起始密码子:E.coli绝大部分基因以绝大部分基因以AUG作为翻译作为翻译起始密码子,但有些基因也使用起始密码子,但有些基因也使用GUG
22、或或UUG作为翻译起始密码子。作为翻译起始密码子。大肠杆菌基因工程(2)36RBS对外源基因表达的影响:对外源基因表达的影响:1、SD序列的影响:序列的影响:mRNA与核糖体结合越强,翻译起始效率越与核糖体结合越强,翻译起始效率越高,结合程度取决于高,结合程度取决于SD序列序列(5-UAAGGAGG-3)与与16S rRNA的碱基互补性。的碱基互补性。以以GGAG尤为重要,尤为重要,4个碱基中任何个碱基中任何1个换成个换成C或或T,均会导致翻译效率大幅度下降。均会导致翻译效率大幅度下降。大肠杆菌基因工程(2)372、翻译起始密码子的影响:、翻译起始密码子的影响:E.coli起始起始tRNA可同
23、时识别可同时识别AUG、GUG和和UUG三种起始密码子,但识别频率不同:三种起始密码子,但识别频率不同:GUG为为AUG的的50%、UUG为为AUG的的25%。大肠杆菌基因工程(2)383、SD序列与起始密码子之间距离的影响:序列与起始密码子之间距离的影响:SD序列与起始密码子之间的精确距离保证序列与起始密码子之间的精确距离保证mRNA在核糖体上定位后,在核糖体上定位后,AUG正好处于正好处于P位位,这是翻译启动的前提。,这是翻译启动的前提。通常通常SD序列位于序列位于AUG前约前约7bp处处,在此间,在此间隔中少隔中少1个或多个或多1个碱基,均导致翻译起始效率个碱基,均导致翻译起始效率不同程
24、度的降低。不同程度的降低。大肠杆菌基因工程(2)394、SD序列与起始密码子之间序列的影响:序列与起始密码子之间序列的影响:SD序列下游碱基序列下游碱基为为AAAA或或UUUU时,翻译效时,翻译效率最高;为率最高;为CCCC或或GGGG时,翻译效率是最高值时,翻译效率是最高值的的50%和和25%。如:如:-半乳糖苷酶半乳糖苷酶mRNA,在此位置上的最佳碱基,在此位置上的最佳碱基是是UAU或或CUU,如用如用UUC、UCA或或AGG取代之,取代之,酶的表达水平下降酶的表达水平下降20倍。倍。紧邻紧邻AUG的前的前3个碱基个碱基也会也会影响翻译起始效率。影响翻译起始效率。大肠杆菌基因工程(2)40
25、5、起始密码子后续若干密码子的影响:、起始密码子后续若干密码子的影响:从从AUG开始的前几个密码子的碱基序列开始的前几个密码子的碱基序列也至关重要,这一序列不能与也至关重要,这一序列不能与mRNA的的5端端非编码区形成茎环结构,否则会严重干扰非编码区形成茎环结构,否则会严重干扰mRNA在核糖体上的准确定位。在核糖体上的准确定位。大肠杆菌基因工程(2)41 目前广泛使用的目前广泛使用的E.coli表达型表达型质粒均含有与启动子来源相同的质粒均含有与启动子来源相同的RBS,序列和间隔是最佳的。序列和间隔是最佳的。大肠杆菌基因工程(2)424、密码子、密码子生物体对密码子的偏爱性:生物体对密码子的偏
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