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促人參皂甙生物合成相關(guān)基因的制作方法

文檔序號:3504786閱讀:279來源:國知局
專利名稱:促人參皂甙生物合成相關(guān)基因的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及改良植物性狀的基因工程,具體是促人參皂甙生物合成相關(guān)基因。
背景技術(shù)
藥用植物中的人參(Panax ginseng C.A.Meyer)為五加科,系我國特產(chǎn)的具有世界影響的傳統(tǒng)名貴中藥材,在我國及東南亞地區(qū)有數(shù)千年的用藥歷史,是藥用植物中極具典型性和代表性的人參屬植物。人參皂甙為其主要藥用有效成分,由人參二醇和人參三醇型皂甙組成,屬于四環(huán)三萜達(dá)瑪烷類皂甙,由異戊二烯單元(5碳)組成的化合物 (見化學(xué)結(jié)構(gòu)簡式),到目前為止,從植物人參中已分離并確定了結(jié)構(gòu)的皂甙成分計40余種,近年來,通過對單體皂甙成分的藥理活性深入研究,發(fā)現(xiàn)各單體皂甙均具有不可替代的重要藥用價值。人參皂甙的化學(xué)結(jié)構(gòu)我國第一個擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的中藥單體抗癌一類新藥“參一膠囊”,就是從人參中提取的抗癌成分—人參皂甙單體Rg3。人參皂甙單體Rh2亦具有較強(qiáng)的抗腫瘤活性,人參皂甙Rg1和Rb1是抗衰老的主要活性成分和最有希望的抗衰老先導(dǎo)化合物。但由于各人參皂甙單體在人參中含量甚微如抗腫瘤轉(zhuǎn)移療效明顯的Rg3僅為十萬分之三,而且提取制備極其復(fù)雜昂貴,再加之人參皂甙化學(xué)結(jié)構(gòu)及合成工藝十分復(fù)雜,致使人參皂甙仍不能化學(xué)全合成。目前主要靠從含量甚低的栽培人參中提取少量人參皂甙,但難以滿足巨大臨床用藥的需求。因而,植物人參中人參皂甙含量甚微已成為制約人參皂甙單體新藥開發(fā)的瓶頸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明應(yīng)用現(xiàn)代分子生物學(xué)新技術(shù)如抑制消減雜交(SSH)等方法,從藥用植物人參中克隆出促人參皂甙生物合成相關(guān)新基因。并通過轉(zhuǎn)基因生物反應(yīng)器生產(chǎn)人參皂甙,提高人參植物中包括Rg3、Rb1、Rg1等在內(nèi)的人參皂甙單體生物合成量及顯著縮短其生物合成周期,以滿足日益增長的臨床治療用藥市場的需求。
本發(fā)明根據(jù)人參植物的生物學(xué)特性,即一年生人參根人參皂甙含量極微,第四年急劇增加,以后隨著年齡的增加,人參皂甙含量變化不大的人參皂甙產(chǎn)生的生長發(fā)育階段特異性,以四年生人參根組織作為切入點(diǎn),率先應(yīng)用mRNA差異顯示-抑制消減雜交(suppression subtractive hybridization,SSH)(Diatchenko L,等.Proc Natl Acad Sci USA,936025-6030,1996)等新技術(shù),通過比較四年和一年生人參根組織基因表達(dá)譜,經(jīng)兩輪分子雜交和兩輪PCR擴(kuò)增后,構(gòu)建了四年生人參根組織差異表達(dá)的cDNA文庫,該文庫被亞克隆入T載體,通過陽性克隆篩選,酶切鑒定、反向Northern斑點(diǎn)分子雜交、DNA測序及GenBank數(shù)據(jù)庫同源性比較分析等確認(rèn),首次從四年生人參植物根組織中克隆出六個新的人參皂甙生物合成相關(guān)基因,分別被命名為GBR1、GBR2、GBR3、GBR4、GBR5、GBR6;美國國家生物技術(shù)中心(NCBI)的國際GenBank數(shù)據(jù)庫登錄號分別為AF485334,AF485335,AF485336,AF485337,AF485332,AF485333,其DNA全長序列分別為145bp,227bp,291bp,400bp,421bp和1049bp,采用Northern分子雜交進(jìn)一步鑒定上述新基因是否為全長cDNA序列。不是全長序列的DNA片段,應(yīng)用cDNA快速末端擴(kuò)增法(rapid amplification of cDNA ends,RACE)(Frohman MA,等.Proc.NatlAcad.Sci.USA,858998-9002,1988),獲取其全長基因序列,構(gòu)建原核融合蛋白表達(dá)載體,進(jìn)行原核表達(dá)蛋白及其生物學(xué)特性分析,同時進(jìn)一步構(gòu)建含有促人參皂甙生物合成相關(guān)新基因的高效植物表達(dá)轉(zhuǎn)化載體,應(yīng)用既穩(wěn)定可靠又可減少植物轉(zhuǎn)基因沉默發(fā)生的成熟的具Ri二元質(zhì)粒的發(fā)根農(nóng)桿菌(A.rhizogenes)基因轉(zhuǎn)化系統(tǒng),遺傳轉(zhuǎn)化人參懸浮培養(yǎng)細(xì)胞。利用比較植物功能基因組學(xué)研究新技術(shù)即通過氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(gas chromatography-massspectrometry,GC/MS)法(Fiehn O,等.NatBiotechnol,18(11)1157-6118,2000Nov)直接定量測定并比較分析轉(zhuǎn)基因人參發(fā)根培養(yǎng)系中人參皂甙化學(xué)成分譜表型的改變,明確六個新基因在調(diào)控人參皂甙生物合成中的功能作用,即上述新基因?yàn)榇龠M(jìn)何種人參皂甙單體生物合成的功能基因,為植物基因工程生產(chǎn)人參皂甙及人參品質(zhì)改良奠定基礎(chǔ),可最終建立提高人參組織細(xì)胞中包括Rg3、Rb1、Rg1等在內(nèi)的人參皂甙單體生物合成量和顯著縮短其生物合成周期的新生產(chǎn)途徑。
促人參皂甙生物合成相關(guān)新基因的成功克隆,為采用植物基因工程結(jié)合細(xì)胞工程或轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)各種人參皂甙單體,提高人參皂甙的生物合成量奠定了基礎(chǔ),最終實(shí)現(xiàn)對含量甚微、活性較強(qiáng)的單體人參皂甙的新藥規(guī)模開發(fā)目標(biāo)。
具體實(shí)施例方式
1、四年生與一年生人參植物根組織RNA的分離及mRNA的純化(1)采用異硫氰酸胍法從四年生與一年生新鮮潔凈的人參植物根組織分離出高質(zhì)量的RNA;(2)分別取200μg分離的四年生與一年生人參根組織RNA,用PolyATractmRNA Isolation System(Promega)純化出mRNA。
2、四年生與一年生人參植物根組織cDNA的合成分別以四年生與一年生人參植物根組織mRNA為模板逆轉(zhuǎn)錄合成cDNA的第一鏈和cDNA的第二鏈。
(1)cDNA的第一鏈合成的反應(yīng)體系如下mRNA 5μl(2μg)cDNA合成引物(10μmol/L) 1μl5×第一鏈緩沖液 2μl10mM dNTPs1μlAMV逆轉(zhuǎn)錄酶 1μl10μl42℃反應(yīng)1.5小時后,置冰上終止cDNA的第一鏈的合成,隨后進(jìn)行cDNA的第二鏈的合成。
(2)cDNA第二鏈的合成依次加入以下成分DEPC處理的水 48.4μl10mM dNTPs1.6μl5×第二鏈緩沖液 16.0μl20×第二鏈合成的混合酶4.0μl70μl16℃反應(yīng)2小時,加入4μl 20×EDTA/Glycogen終止反應(yīng),用苯酚-氯仿抽提,乙醇沉淀,并溶于50μl消毒雙蒸水中。
3、應(yīng)用抑制消減雜交(SSH)法篩選四年生人參差異表達(dá)的cDNA序列(1)一年生人參(driver)Rsal消化的雙鏈cDNA的制備
RsaI酶切反應(yīng)體系如下一年生人參雙鏈cDNA 43.5μl10×RsaI限制酶緩沖液5.0μlRsaI(10u/μl) 1.5μl50μl37℃反應(yīng)2小時,加2.5μl 20×EDTA/Glycogen以終止酶切反應(yīng),苯酚-氯仿-異戊醇抽提,乙醇沉淀,重懸于5.5μl消毒雙蒸水中,-20℃保存。
(2)四年生人參(tester)RsaI消化的雙鏈cDNA的制備四年生人參雙鏈cDNA使用上述同樣酶切方法,消化后的tester cDNA,經(jīng)苯酚-氯仿-異戊醇抽提,醇沉淀,重懸于5μl消毒雙蒸水中。接著分別取2μl的tester cDNA,并加入T4 DNA連接酶400u,置兩個反應(yīng)管中,分別加入接頭1和接頭2,16℃反應(yīng)過夜,后加入1μl 20×EDTA/Glycogen終止連接反應(yīng)。70℃加熱5分鐘滅活連接酶,-20℃保存。
(3)消減雜交分別取1.5μl與接頭1和接頭2連接的tester cDNA置兩個反應(yīng)管中,再分別加入1.5μl driver雙鏈cDNA,4×雜交緩沖液1μl,礦物油一滴,混勻,98℃變性90秒,68℃雜交8小時。第一次雜交后,兩種樣品混合,并加入剛剛熱變性的driver和1μl雜交緩沖液,68℃雜交過夜,加入200μl稀釋緩沖液,68℃反應(yīng)7分鐘,-20℃保存。
4、PCR擴(kuò)增進(jìn)行兩輪分子雜交后再執(zhí)行兩輪PCR反應(yīng)。第一輪PCR在25μl反應(yīng)體系中進(jìn)行。包括第二輪雜交的cDNA 1μl,PCR引物1(5pmol)1μl和23μlPCR混合液。PCR反應(yīng)條件為75℃,7分鐘,94℃ 30秒,68℃ 30秒,72℃ 1.5分鐘,28個循環(huán)后,68℃延伸7分鐘。擴(kuò)增產(chǎn)物稀釋10倍后,取1μl作為第二輪PCR反應(yīng)的模板,引物分別為巢式PCR引物1與巢式PCR引物2,在相同PCR反應(yīng)條件擴(kuò)增10個循環(huán)。
5、四年生人參差異表達(dá)的cDNA文庫的構(gòu)建及陽性克隆的篩選第二輪PCR產(chǎn)物經(jīng)純化后,與pGEM T-Easy載體連接并轉(zhuǎn)化大腸桿菌Ecoli JM109,將構(gòu)建的差異表達(dá)的cDNA文庫鋪于LB瓊脂平板(含ampicillin 100μg/ml,IPTG 100μmol/ml和X-gal 50ng/ml)。37℃培養(yǎng)過夜,挑取白色陽性菌落,接種到LB培養(yǎng)液中,37℃ 180rpm振搖12小時。用質(zhì)粒純化試劑盒提取質(zhì)粒DNA,經(jīng)EcoRI酶切鑒定有無插入cDNA片斷。
6、對經(jīng)抗性篩選和EcoRI酶切鑒定的陽性克隆進(jìn)行反向Northern斑點(diǎn)雜交深入鑒定取陽性質(zhì)粒0.5μl,PCR擴(kuò)增插入cDNA片斷PCR 50μl反應(yīng)體系含TaqDNA聚合酶2u,SP6、T7引物序列各10pmol.擴(kuò)增條件為94℃變性5分鐘,94℃30秒,58℃40秒,72℃30秒,循環(huán)30次。采用真空轉(zhuǎn)膜裝置將堿變性的PCR產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到雜交尼龍膜上,采用Tris-HCl(0.5mM)中和膜5分鐘,80℃烘干2小時,用Oligo(dT)18引物逆轉(zhuǎn)錄標(biāo)記cDNA作探針,68℃預(yù)雜交4小時,預(yù)雜交后向預(yù)雜交液中加入標(biāo)記好的變性探針,68℃雜交過夜后,雜交膜用2×SSC和0.1%SDS室溫下洗膜15分鐘兩次,接著用0.2×SSC、0.1%SDS和0.2×SSC、0.1%SDS 68℃30分鐘洗膜兩次,最后將X光片壓在雜交膜上于暗盒中,置-70℃曝光。
7、DNA的序列分析經(jīng)反向Northern斑點(diǎn)雜交鑒定為陽性克隆后,送上海博亞生物技術(shù)公司進(jìn)行DNA序列分析。
8、原核表達(dá)分析使用pGEX-4T-2載體,構(gòu)建六個人參皂甙生物合成相關(guān)新基因的原核融合蛋白表達(dá)載體,并進(jìn)行原核表達(dá)分析,確定表達(dá)蛋白分子大小及生物學(xué)特性。
9、高效植物表達(dá)載體構(gòu)建與遺傳轉(zhuǎn)化本發(fā)明分別構(gòu)建含有六個人參皂甙生物合成相關(guān)新基因的高效植物表達(dá)轉(zhuǎn)化載體,使用既穩(wěn)定可靠又可減少植物轉(zhuǎn)基因沉默發(fā)生含Ri二元質(zhì)粒的發(fā)根農(nóng)桿菌(A.rhizogenes)基因轉(zhuǎn)化系統(tǒng)(Gleave AP.等.Plant Mol Biol,201203-1207,1992;Argo lo ACC,等.Planta Medica,66448-451,1999;Mundodi SR,等.Plant Mol Biol46(4)421-32,2001)轉(zhuǎn)化人參懸浮培養(yǎng)細(xì)胞系后,通過抗性篩選及PCR-Southern鑒定,獲取含上述六個新基因的人參發(fā)根細(xì)胞克隆系,利用比較植物功能基因組學(xué)研究新技術(shù),通過氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(gas chromatography-mass spectrometry,GC/MS)法直接定量測定并比較分析轉(zhuǎn)基因人參發(fā)根培養(yǎng)系中人參皂甙化學(xué)成分譜表型的改變,確定上述六個新基因及其表達(dá)蛋白在調(diào)控人參皂甙生物合成中的功能作用。注(1)第一鏈緩沖液250mM Tris-HCl,pH8.5;40mM MgCl2;150mM KCl(2)第二鏈緩沖液100mM Tris-HCl,pH7.5;40mM MgCl2;150mM KCl;50mM(NH4)2SO4;0.25μg/μl BSA(3)cDNA合成引物oligo(dT)18(4)20×第二鏈合成混合酶DNA聚合酶I6u/μl,RNaseH,0.25u/μl,E coli DNA連接酶1.2u/μl(5)10×RsaI緩沖液100mM Tris-HCl,pH7.0;100mM MgCl2;1mM DTT(6)5×DNA連接緩沖液250mM Tris-HCl,pH7.8;50mM MgCl2;10mM DTT;0.25μg/μlBSA(7)雜交緩沖液5×SSC;20mM磷酸鹽緩沖液;5×Denhardt溶液;10%硫酸葡聚糖;100μg/ml變性的鮭精DNA(8)接頭1序列5′CTAATACGACTCACTATAGGGCTCGAGCGGCCGCCCGGGCAGGT3′T7啟動子 3′GGCCCGTCCA5′(9)接頭2序列5′CTAATACGACTCACTATAGGGCAGCGTGGTCGCGGCCGAGGT3′3′GCCGGCTCCA5′(10)PCR引物15′CTAATACGACTCACTATAGGGC 3′(11)巢式PCR引物15′TCGAGCGGCCGCCCGGGCAGGT 3′(12)巢式PCR引物25′AGCGTGGTCGCGGCCGAGGT 3′本發(fā)明所涉及的六個新基因的核苷酸序列表如下<210>1<211>421<212>DNA<213>4年生人參根組織GBR5<220><400>1acaaagttga gagaaatatg ggttccaata aggcatttct tttacttggt 50ctttctctgg ctattgttct tctgattagt tcagaggtcg cagctagaga100gttggctgaa gctcagacca ccactaccaa caaaaacact gaggcagcta150ctgttgatgg gaggagcgga tataatggct acggcggtgg aggctaccac200ggcggtggag gctaccacgg cggtggtggt taccacggcg gtggaggtta250ccacggcggt ggaggttacc atggtggtgg tggccatggc ggtggtgggt300gcagtcacgg atactgccgt tataggtgct gcaactatgc aggtgaggtg350gtggacgcag agactaccgg agtcaagcct caaaactaga ggagtgtttt400gatctgacga tgcatgcatg t 421<210>1<211>1049<212>DNA<213>4年生人參根組織GBR6<220><400>1accgcatgca tggtgatatc ttttgttatt ccattcggta ttatactcag 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Met Leu Gly Phe His Leu Val Lys Ser His35 40GBR4推定的開放閱讀框編碼含37個氨基酸(AA)殘基的蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)Met Glu Gly Val Glu Asn Pro Ile Ala Asn Ser Arg Lys Ala Glu Ala1 5 10 15Glu His Ile Ser Ser Phe Phe Leu Lys Lys Asn Asp Asn Leu Arg Gln20 25 30His Glu Val Val Leu3權(quán)利要求
1.一種促人參皂甙生物合成的相關(guān)基因,其特征在于用抑制消減雜交(SSH)等方法克隆出的6個促人參皂甙生物合成的相關(guān)基因GBR5、GBR6、GBR1、GBR2、GBR3、GBR4的DNA核苷酸序列分別如下(1)GBR5DNA序列長度為421個堿基對(bp)acaaagttga gagaaatatg ggttccaata aggcatttct tttacttggt 50ctttctctgg ctattgttct tctgattagt tcagaggtcg cagctagaga100gttggctgaa gctcagacca ccactaccaa caaaaacact gaggcagcta150ctgttgatgg gaggagcgga tataatggct acggcggtgg aggctaccac200ggcggtggag gctaccacgg cggtggtggt taccacggcg gtggaggtta250ccacggcggt ggaggttacc atggtggtgg tggccatggc ggtggtgggt300gcagtcacgg atactgccgt tataggtgct gcaactatgc aggtgaggtg350gtggacgcag agactaccgg agtcaagcct caaaactaga ggagtgtttt400gatctgacga tgcatgcatg t 421(2)GBR6DNA序列長度為1049bpaccgcatgca tggtgatatc ttttgttatt ccattcggta ttatactcag 50ttgattaaaa ttttgacttc tatactccat gaaattagtg gaatatcctt100gatatttgcg cttcatccag tatcttttcg tggaaatatt cttctgagca150ttcttgcatt ttactctaca aagcagtatc atgttgacaa tttggacgtt200attggttcct ggacaaatta attcttgaac ttgtttaatt gaattcttat250atcattgtca tcatcctcgt gtttatgtta tgttgaaagt gatctgtggc300ctgtagtgca tagatggact tggtatgatt atgaccaggg attattcggt350ataatcatga ccataatgtt acaaatgatg cgaaaattat gagtcctcgt400tggcccgaag tgcattgatg gacagttttt ggtatgatta tggctataca450ttctcttcgg ccaagggagc aaagatgaat ctttttatgg catgatcagg500accgttgatg aaaacacaat tatcttttgg gcccgtagtg catggataat550tcgtggtcgt gatactaaat aatatctttg gcctgtagtg cagggatgat600ttaatgatgt ggattattta ttgagctgag tctctgcgat aaaagtgatg650aaaaactttt taaagcataa aagatagtag attctattct ctacttgatt 700cttttaatga attgcttgtt ccgctgcagt taaacttgat gtctattgta 750ttttatcagt ttaacattgt tggaggctaa tgataattta ttctacatta 800tcttagtcat aatatttctt actgggctag ttgagctcac cctttctttc 850actgttctct tcaggaaatg agaatatagc tgggatgagt cggggaacgg 900agtgatggtc cagaggatag catttgtagt cctcactatt ttgtgaaata 950gtgtgataat aattgtaatg aggactcctt ttgaatttgt ataatctcta 1000gtagacaata attgtattca aactcacagt ttatgttttg tcgtattat 1049(3)GBR1DNA序列長度為145bpAccgatggat gatgggatac caaacgaagc agcttgtgtt tgtgtcgtta 50tgttttatct aaataaagga atatgatgaa gcttaataag acagccacca 100gtatatgaga aaattcattt cttggatttt gctcatgtct taggt 145(4)GBR2DNA序列長度為227bpacacccaatt acgactaaga attaggaaat acagaataca gaactgactg 50acagacacga acacttaatt attcatcacc ataatcaaat agttacatga 100ttttattgta tatatatata tatatatata gaacttatgc atgcatgcat 150gcacgcacaa ttagttccat atatatatat atatatatat gcatgcatgt 200ttaatggccg ccataggtgc agtcggt 227(5)GBR3DNA序列長度為291bpactctagtct atgatatata gtatggaaag tatatatata tatatactag 50ttcttcatag aatgtagtat atataaaata aaagcatgca tgatcactca 100atatatcatg tttagcagca ctgatatcat ttggattaat gatggccgtg 150ctactaaatt ttcctttaaa atgttggact ggattgtgta tatgcttggt 200tttcatcttg taaaatcaca ttaaagtgat tatatgaatg taaggagtgc 250tatttgtgtt acaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaagcttg t 291(6)GBR4DNA序列長度為400bpacgtataggt agctagcata acataaacca gctgctatat atcttctaat 50taagctttaa tttctaaact tcagccctta ttaattaatt taaattgtag100ctagagctcc tattcgaata ataccctaat taaatatctt gagaaaaaga150agtcgtgtgc atcatcaatt cctgtaatct ctggcgaatc cttgaagtat200ctacaccaac tctagaaaat tttacctgag tatggagggt gtggaaaacc250ctatcgccaa cagtagaaaa gctgaggctg agcacatcag ttccttcttc300ttgaagaaga atgataactt gaggcaacat gaagttgttt tgtgatccgc350tactaatcaa aaccacttct aaacttgaac caaactctct taattcaacc400
2.按權(quán)利要求1所述的一種促人參皂甙生物合成的相關(guān)基因,其特征在于還包括上述基因GBR5、GBR6、GBR1、GBR2、GBR3、GBR4的同源序列。
全文摘要
促人參皂甙生物合成的相關(guān)基因涉及改良植物性狀的基因工程。本發(fā)明用抑制消減雜交等方法克隆出的六個促人參皂甙生物合成的相關(guān)基因GBR5的cDNA序列長度為421bp,GBR6的cDNA序列長度為1049bp,GBR1的cDNA序列長度為145bp,GBR2的cDNA序列長度為227bp,GBR3的cDNA序列長度為291bp,GBR4的cDNA序列長度為400bp;通過構(gòu)建含有上述基因的高效植物表達(dá)轉(zhuǎn)化載體,采用人參組織培養(yǎng)或轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)人參皂甙,為提高人參植物中Rg3、Rb1、Rg1等人參皂甙單體的生物合成量及縮短其生物合成周期奠定基礎(chǔ)。
文檔編號C07H21/00GK1377886SQ0211406
公開日2002年11月6日 申請日期2002年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月19日
發(fā)明者羅志勇, 陸秋恒, 胡維新, 陳湘暉, 羅建清, 劉水平 申請人:中南大學(xué)湘雅醫(yī)學(xué)院
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