基于关键酶分子改造定量调控大肠杆菌胞外分泌水平的机制研究

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基本信息

  • 批准号:
    21406089
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0812.生物化工与合成生物工程
  • 结题年份:
    2017
  • 批准年份:
    2014
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2015-01-01 至2017-12-31

项目摘要

Escherichia coli is one of the important hosts heterologously expressing recombinant proteins, and it can efficiently express recombinant proteins. However, it was found that recombinant proteins expressed in E. coli were mainly distributed into the periplasm instead of efficiently secreted into the extracellular. Therefore, improving extracellular secretion level is vital for the production of recombinant proteins in E. coli. In this work, in order to secrete recombinant proteins with a high efficiency, we seek to quantitatively regulate the synthesis and stability of E. coli cytoderm peptidoglycan structure via protein and metabolic engineering approaches. Based on bioinformatics analysis, the key amino acid residues of four different D-alanyl-D-alanine carboxypeptidases will be identified, which guide for the construction of mutant libraries with gradient lower catalytic efficiency via saturation mutagenesis. The D-alanyl-D-alanine carboxypeptidase genes in E. coli genome are replaced by genes in the mutant libraries to obtain four E. coli mutant libraries via gene substitution approach, and E. coli mutant libraries with different secretion efficiency are constructed. Then recombinant vectors with protein gene are transformed into the E. coli mutants to express recombinant protein. The E. coli mutants with efficient extracellular secretion level are selected to determine the key D-alanyl-D-alanine carboxypeptidase. The influence and mechanism of the change in key enzyme in E. coli on recombinant protein secretion efficiency is analyzed and revealed based on multilevel. The pipeline and result of the present work are also useful for quantitative control of the other hosts’ secretion level.
大肠杆菌作为重组蛋白异源表达的重要宿主之一,可高效表达蛋白。但在大肠杆菌中,重组蛋白主要通过分泌系统被运输至周质空间,而不能高效分泌至胞外。提高大肠杆菌胞外分泌水平,对重组蛋白生产具有重要意义。本课题希望利用蛋白质工程与代谢工程方式对大肠杆菌细胞壁肽聚糖的合成与结构稳定性进行定量调控,实现重组蛋白高效胞外分泌。基于生物信息学解析,通过对4种不同D-丙氨酰-D-丙氨酸羧肽酶的关键氨基酸残基分别进行饱和突变,构建催化效率梯度降低的酶突变体文库。通过基因替换,构建具有不同分泌水平的大肠杆菌突变体文库。分别转入含外源蛋白基因的重组质粒,筛选高效胞外分泌型大肠杆菌突变体,确定影响胞外分泌效率的关键D-丙氨酰-D-丙氨酸羧肽酶。基于多水平分析,揭示关键酶的催化效率变化对大肠杆菌重组蛋白胞外分泌水平影响的关系机理。本课题研究方法与结果将为定量调控其他宿主的胞外分泌水平提供具有普遍意义的理论参考。

结项摘要

大肠杆菌作为重组蛋白异源表达的重要宿主之一,可高效表达蛋白,而不能高效分泌蛋白至胞外。提高大肠杆菌胞外分泌水平,对重组蛋白生产具有重要意义。本课题利用蛋白质工程与代谢工程方式对大肠杆菌细胞壁肽聚糖的合成与结构稳定性进行扰动与调控,实现了重组蛋白高效胞外分泌,并对相关机理进行了解析。方法及结果如下:1)在大肠杆菌中分别实现了4种D-丙氨酰-D-丙氨酸羧肽酶的过量表达。羧肽酶DacA、DacB的过量表达对大肠杆菌胞外蛋白的生产具有显著促进作用。当DacA或DacB过量表达时,绿色荧光蛋白(GFP)和淀粉酶的胞外酶活力分别对应提高至对照的1.7倍和2.3倍、4.5倍和11.9倍。2)采用基因敲除的方式,分别将4种羧肽酶基因进行敲除,DacA、DacB基因敲除突变株的胞外蛋白生产水平显著提高。DacA、DacB基因敲除突变株的淀粉酶胞外酶活力分别提高了96.8%和88.7%;突变体的GFP胞外生产水平分别提高至对照的2.2倍和2.1倍。通过上述研究结果,确定了影响胞外分泌效率的关键羧肽酶为DacA和DacB。(3)基于生物信息学解析,通过对关键酶——羧肽酶DacA的结构进行分析,确定了关键残基及多种突变方式。其中突变体K113G的催化效率提高最为显著,其kcat值由对照的6543.4 s-1提高至9428.1 s-1。将突变体K113G、K113R、F274G替换GFP绿色荧光蛋白和淀粉酶胞外生产水平均显著提高,最多提高了3.7倍。同时,研究发现,蛋白分泌能力增强的菌株其胞内可溶性肽聚糖含量、内外膜透性等均有增加趋势,其细胞形态等也发生了相应变化,这应为对细胞壁肽聚糖的合成与结构稳定性进行扰动与调控的结果,其促进了蛋白的胞外生产。本课题研究方法与结果将为定量调控宿主的胞外分泌水平提供具有普遍意义的理论参考。

项目成果

期刊论文数量(4)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(6)
Significantly enhancing recombinant alkaline amylase production in Bacillus subtilis by integration of a novel mutagenesis-screening strategy with systems-level fermentation optimization.
通过将新型诱变筛选策略与系统级发酵优化相结合,显着提高枯草芽孢杆菌中重组碱性淀粉酶的产量
  • DOI:
    10.1186/s13036-016-0035-2
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    Journal of biological engineering
  • 影响因子:
    5.6
  • 作者:
    Ma Y;Shen W;Chen X;Liu L;Zhou Z;Xu F;Yang H
  • 通讯作者:
    Yang H
Overproduction, purification, and property analysis of an extracellular recombinant fructosyltransferase
胞外重组果糖基转移酶的过量生产、纯化和特性分析
  • DOI:
    10.1007/s00217-015-2620-x
  • 发表时间:
    2016-07-01
  • 期刊:
    EUROPEAN FOOD RESEARCH AND TECHNOLOGY
  • 影响因子:
    3.3
  • 作者:
    Guo, Wenwen;Yang, Haiquan;Chen, Xianzhong
  • 通讯作者:
    Chen, Xianzhong
The promises and challenges of fusion constructs in protein biochemistry and enzymology
融合构建体在蛋白质生物化学和酶学领域的前景和挑战
  • DOI:
    10.1007/s00253-016-7795-y
  • 发表时间:
    2016-10-01
  • 期刊:
    APPLIED MICROBIOLOGY AND BIOTECHNOLOGY
  • 影响因子:
    5
  • 作者:
    Yang, Haiquan;Liu, Long;Xu, Fei
  • 通讯作者:
    Xu, Fei

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其他文献

2001~2012年中国三大城市群土地利用效率评价研究
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  • 发表时间:
    2015
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    杨海泉
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    杨海泉
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    计算机工程与科学
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  • 作者:
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  • 期刊:
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  • 通讯作者:
    杨海泉
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  • 作者:
    王兴伟;杨海泉;黄敏
  • 通讯作者:
    黄敏

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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