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限制酶介導整合轉化

限制酶介導整合(Restriction Enzyme Mediated Integration,REMI)技術由Schiestl和Petes於1991年在研究Saccharomyces cerevisiae時首先建立,目前已被廣泛應用於絲狀真菌的遺傳轉化當中,是在限制性內切酶介導下用質粒DNA轉化真菌的壹種方法。研究發現,轉化混合物中加入限制酶可以明顯提高轉化效率,因此,限制酶已被用於提高真菌插入突變的效率及單拷貝插入的效率(Kahmann R et al.,1999;Riggle PJ et al.,1998)。它可以通過單拷貝質粒的非同源整合使基因突變,從而直接獲得基因標記,並可通過質粒拯救等技術進行基因克隆和功能分析,大大提高了轉化效率。

8.1.6.1 限制酶介導整合(REMI)的基本原理

限制性內切酶是生物體內能識別並切割特異的雙鏈DNA序列的壹種內切核酸酶,可識別DNA上特異的位點並在該位點處進行切割。用酶切得到的線性質粒與該限制性內切酶組成的轉化混合物轉化細胞時,限制性內切酶進入受體細胞後會切割其細胞基因組,使之產生與線性質粒互補的粘末端,隨後,外源質粒通過堿基配對插入基因組。如果插入發生在壹個已知基因的內部,則該基因的功能可能改變或喪失,即發生了基因突變;如果插入發生在壹個未知基因的內部,可通過受體細胞表型的改變篩選轉化子,再結合質粒拯救(plasmid rescue)即可在發現新基因的同時對該基因做深入地研究;當外源質粒帶有抗性基因時,可利用此抗性基因在受體細胞內的表達篩選轉化子,此過程即基因標記。

8.1.6.2 限制酶介導整合轉化木黴的壹般步驟

REMI是壹種在限制性內切酶介導下,將線性質粒DNA隨機插入受體細胞基因組的技術,用於基因突變、基因標記、尋找新基因等方面的研究。REMI轉化壹般包括3個過程,即木黴原生質體制備(過程見8.1.1)、限制酶介導的轉化和轉化子篩選。

限制酶介導的轉化,在限制性內切酶存在下,由該限制酶酶切的線性化質粒通過PEG介導或電擊轉化細胞,隨後,進入細胞的限制性內切酶會切割受體細胞基因組特定部位,使之產生與線性質粒互補的粘末端,與外源質粒通過堿基配對連接,從而質粒與基因組整合。質粒的線性化通常使用識別6個堿基序列的限制性內切酶,而PEG介導或電擊時***轉化用的限制性內切酶可以使用與質粒線性化所用同壹種限制性內切酶或使用識別4個堿基序列的同尾酶。識別4個堿基序列的限制性內切酶比識別6個堿基序列的同尾酶切割基因組DNA頻率更高(它們可識別的序列在完全隨機的情況下,平均每256個和4096個堿基中會出現壹個識別位點),從而線性質粒隨機整合到基因組的位點更多樣,基因獲得突變的概率就更高。REMI質粒含有篩選標記,便於篩選成功整合的轉化子。篩選標記依賴於所用的質粒,可以使用營養缺陷型標記,例如使用尿嘧啶營養缺陷型細胞,質粒整合後使細胞恢復了合成尿嘧啶的能力;還可以使用攜帶抗藥性基因的質粒,例如潮黴素和博萊黴素(Zeocin)的基因等,對此沒有特定的限制。

轉化子篩選,質粒插入基因組是隨機的,插入的結果可能使某個或某些基因的功能喪失,最終表現為細胞某種表型丟失或獲得新表型。因此,轉化子篩選方法須依據所要研究細胞表型的變化而定,即針對不同的表型選用合適的篩選方法。例如,李紀順等(2013)利用外源β-1,4-葡聚糖酶基因REMI法轉化綠色木黴,即采用潮黴素(HygB)抗性篩選結合葡聚糖酶活性篩選獲得高效生防木黴工程菌株L-10。Tang等(2009)利用限制性內切酶介導的整合(REMI)構建轉化具有降解有機磷農藥(敵敵畏)功能的深綠木黴(T.atroviride)T23,獲得了對敵敵畏降解能力較野生株的T23的基礎上明顯改善的轉化子。

8.1.6.3 限制酶介導整合轉化的影響因素

在REMI轉化中有2次要用到限制性內切酶,壹次是質粒的線性化需要限制性內切酶處理;另壹次是用限制性內切酶與線性化的質粒***轉化受體細胞,進入受體細胞後限制性內切酶切割受體細胞基因組。其中,質粒酶切為基因工程的常規技術,對REMI的實驗結果影響不大,而影響較大的是***轉化過程中所涉及的限制性內切酶。

限制性內切酶對轉化率的影響如下:①限制性內切酶的加入會提高轉化率,但針對不同的微生物,限制性內切酶對轉化率的影響程度不同。例如,在有切割活性的限制性內切酶作用下,線性質粒插入盤基網柄菌基因組的頻率大於酵母(Kuspa A et al.,1994)。②在壹定範圍內,限制性內切酶用量的增加可以提高轉化率,但達到峰值後又會因限制性內切酶用量的繼續增加而下降(VanDijk R et al.,2001)。③限制性內切酶的切割活性對於轉化率是關鍵因素,例如Palaniyandi(1998)實驗用的BamHⅠ用其突變體BamHⅠ-E77K 蛋白替代,後者雖也能與BamHⅠ位點結合,但切割DNA的速率只有BamHⅠ的1/1000,由BamHⅠ-E77K介導的REMI並未對轉化率的提高有所幫助。此結果說明,限制性內切酶的切割活性對由它介導的REMI是必要的。

通常說來,REMI對質粒沒有特殊要求,通常質粒酶切和***轉化所選用限制性內切酶應具有相同黏性末端,但有研究表明,質粒插入受體細胞基因組的前提並不壹定是質粒與基因組被限制性內切酶切割後產生的末端完全互補,也不需要質粒的末端是粘末端,但需要線性化質粒的末端和受體細胞基因組所產生的末端至少有2個堿基相同。壹種解釋是:受體細胞內存在壹個可對DNA進行適當修飾的酶系統,該酶系統通過移去不配對的堿基、在DNA連接酶催化下添加堿基、外切酶使平末端轉變成粘末端等,使質粒和受體細胞基因組末端重新配對。但不同物種類似的酶系統存在的普遍性仍需進壹步研究。