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Cre重组酶的研究进展 - 图文

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第40卷第12期2009年12月东北农业大学学报Journalof40(12):125-129Dec.2009NortheastAgriculturalUniversityCre重组酶的研究进展吕涛1,乔琰2,王勇p110000)(1.东北农业大学园艺学院,哈尔滨150030:2.沈阳市植物园景观部,沈阳摘要:Cre重组酶来源于噬菌体P1基因组中的一段DNA序列编码的蛋白,是一种无需辅助因子即可进行位点特异性重组的生物酶。它的发现为基因靶位操作创造了有利条件,由于其作用方式高效简单,Cre定位重组系统已在特定基因的删除、基因功能的鉴定、外源基因的整合、基因捕获及染色体工程等方面得到了有效的利用,文章就Cre重组酶的结构、功能、突变分析和改造及Cre重组酶的应用潜力等方面的研究进行了综述。关键词:Cre重组酶;定位重组;进展中图分类号:Q55文献标识码:A文章编号:1005—9369(2009)12—0125—05ResearchprogressofCrerecombinase/LvTa01,QIAOYan2,WANGYon91(1.CollegeofHorticulture,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China;2.ShenyangBotanicalGardenLandscapeDivision,Shenyang110000,China),Abstract:TheCrerecombinase,aDNA-encodedproteinfrombacteriophageP1genomesequence,isakindofenzymeofsite—specificreorganizationwithoutsupportingfactor.Itsfoundhascreatedfavorablehighefficiency,Cresite-conditionsfortheoperationofthegenetarget.Becauseofitssimplicityandspecificrecombinationsystemhasbeenwidelyusedingenedeletionandfunctionidentification,geneasasite—specificintegration,genetrappingandchromosomeengineering。ithasbeenusedusefultoolforbiology.Inthearticle,itsummarizedthestudyofthestructure,function,mutationanalysisandmodification,andpotentialapplicationsofCrerecombinase.Keywords:Crerecombinase;site-specificreorganization;progressDNA重组酶是在19世纪90年代被发现的,很导的遗传重组可进行定点、定时、定组织的特异性控制。该系统于1981年被首次发现,1993年被Cu等研究人员正式作为一种基因操作手段应用以来同,已广泛地应用于基因克隆、基因捕获、基因整合、多噬菌体和酵母都可以编码这种酶旧,例如来源于噬菌体的重组酶Cre、来自于酵母的FLP等131,它们都可以在DNA特定的位点产生作用,造成DNA序列的插入、删除或反向。这种简单却完美的反应可以实现精确的基因重组,而且这种反应在真核生物中同样有效141。近年来运用Cre莺组酶系统已经成为目前遗传重组技术中的有利手段之一,同时,也广泛应用于真核生物基冈组功能的研究151。Cre重组酶是一种无需辅助因子进行位点特异性重组的生物酶,基因删除等研究领域并体现出巨大优势。本文概述了Cre重组酶的结构与功能、生物学应用潜力以及应用中存在的问题,并对其应用前景进行了展望。1I.IEre重组酶的结构与功能Cre重组酶的结构与功能域Cre重组酶是由噬菌体P1基因组中大小为它的发现为基因靶位操作创造了有利条件。Cre酶介收稿日期:2008—12—29基金项目:东北农业大学博十启动基金作者简介:吕涛(1982一),男,硕十研究生,研究方向为蔬菜乍物技术。+通讯作者:王勇,副教授,硕士生导师,研究方向为蔬菜生物技术。E-mail:acaciawy@yahoo.cola.cn万方数据 东北农业大学学报1029第40卷bp的一段DNA序列编码的蛋白质,由343基酸组成,包含有5个d螺旋一螺旋A、B、c、D、E。反应过程中,螺旋A不与DNA接触,只是松散地同其他几个螺旋相连,它与重组过程中Cre重组酶四聚体的形成有关;螺旋B、D与DNA的大沟相连,螺旋B与反向平行束的疏水面紧密接触;螺旋C未与DNA分子相连;螺旋E在有剪切个氨基酸组成,分子质量为38.5ku,属于整合酶家族的一员f7】。其作用与酵母中的FLP重组酶作用相似,但又有所不同。在体外状态下,无辅助因子、拓扑异构酶和DNA不复制时也可发挥其生理作用。因这种DNA重组过程容易在离体条件下发生,为研究Cre重组酶结构与功能关系提供了有利条件。Le等发现,Cre重组酶的序列自身具有核定位信号肽(NLS),因而它能进入真核生物的细胞核,这一过程不是简单的被动扩散,而是一种依赖于能量的主动运输的方式,这一特点和能力是许多原核蛋白所没有的口I。Guo等发现Cre重组酶是由两个明显的结构域活性的Cre亚基中与DNA的骨架部分形成静电结合,在没有剪切活性的Cre亚基中它位于两个loxP之间,螺旋E也参与了重组过程中Cre重组酶四聚体的形成。C一末端区块是Cre重组酶的主要活性中心floJ,由第132至第341个氨基酸组成,共包含9个d螺旋一螺旋F、G、H、I、J、K、L、M、N,螺旋间有两个小的口一折叠片结构。螺旋J与DNA的大沟相连,是C一端唯一与DNA大沟直接接触的部位;参与重组反应的His289、Ar9292位于螺旋K上;螺旋L与螺旋M形成一个疏水区,在重组过程中有活性的氨基酸大多数均位于该部位,其中有切割活性酪氨酸(Tyr324)位于螺旋M上,该部位也是Cre重组酶活性中心所在;螺旋N远离其他螺旋,有助于Cre亚基间相互接触。组成一较小的N一末端结构域和较大的c一末端结构域,结构域间由一个短链相连(见图1)[8-91。两个结构域在结合位点周同形成“夹子”结构,以和DNA分子的大小沟部位充分接触【9】。在重组过程中,N一端和序列的识别有关系,为保守性较弱区域;而C一端和DNA的结合及DNA链的切割有关系,为整合酶家族强保守区。N一末端由第20至第120个氨A一单体Cre酶分子三维结构;B—Cre酶氨基酸组成及二级结构A—ThreedimensionalstructureofmonomerCre;B-SecondarystructureandaminoacidcompositionofCre+表示与DNA接触的42个氨基酸残基;RegionI和Ⅱ为Cre酶的核定位信号区域;小方框中的氨基酸残基为酶活性位点4indicatesthe42aminoacidresiduesTheincontactwithDNA;RegionIandIIindicatethenuclearlocalizationsitesignalregionofCreenzyme;aminoacidresiduesinthesmallboxfortheactivityofenzyme图1Fig.1Cre重组酶的结构域recombinaseStructuredomainofCre1.2Cre重组酶的理化特性及识别对象在理化特性上,Cre重组酶不仅具有催化活性,Cre重组酶的最适反应温度为37℃,甚至在46℃仍有活性,而FLP在高于39℃时就几乎检测不到活性,因此Cre重组酶适合在生长于这个温度范围而且同限制酶相似。其热稳定性较FLP重组酶强,万方数据 第12期吕涛等:Cre重组酶的研究进展内的宿主中使用,这一点在哺乳动物的遗传操作中已经得到广泛的应用n11。当Cre重组酶作用于核苷酸序列时,不需要其他蛋白质或DNA等辅助因子的参与,也不需要额外消耗能量即可完成体内或体外的DNA的重组;不但对底物的识别相当灵活,而且对底物的构形要求也不严格,可以是超螺旋DNA,也可以是线性DNA或者是环状的。Cre不仅可以识别loxP的两个13bp的反向重复序列和8bp的间隔区域,而且当一个13bp的反向重复序列或者8bp的间隔区发生改变时仍能识别并发生重组(见图2)。在Cre重组酶的作用下,两个反向loxP位点之间的DNA将会发生翻转;两个同向loxP位点之间的DNA片段将会被删除,并保留后面的loxP位点il¨41。该特点使Cre/loxP位点特异性重组系统成为可在各类种属上进行意向DNA操作的有用工具唧。5’ATAACTYCGTATA———————————————————————————————————————————————●?T^胛GAAGCATAT一ATTGTATGCACATACG图2Fig.2Cre重组酶识别的loxP位点recombinaseioxPsiterecognizedbyCre到目前为止,科学家尚未在真核生物中发现类似的DNA重组酶,所以我们可以直接利用Cre/loxP系统进行真核生物的转基因调控。需指出的是,Cre重组酶所催化的是一个可逆的重组事件,重组结果代表着正负反应的平衡,重组的程度与重组酶的表达水平相关【151。王立霞等对Cre酶做了部分删除,并发现其在缺失了前十几个氨基酸的情况下并不降低Cre对loxP位点的识别和所进行的重组反应1191。Joshi等对Cre酶的供给方式做了改进。他们开发了一种细胞渗透性Cre重组酶TATCre,该酶可以穿透细胞膜进入细胞内部发挥作用。在细胞培养的任一阶段,只需将该酶加入细胞培养液中就能够有效地诱导DNA重组,而不必进行转基因操作或利用其他的遗传材料[20l。这对于大量设计有loxP位点细胞的遗2Cre重组酶的突变分析和改造研究目前,已有很多研究通过改变Cre酶上的某些氨基酸位点等方法来研究其结构及功能上的变化。传调控将大有益处。但此方法能否被改造并用于植物悬浮细胞中则有待进一步研究。Ruler等通过DNA改组技术针对特异型loxP位点—10xK2对野生型Cre重组酶进行改造121J。在众多的突变体中分离到一种能够对loxK2进行有效重组的突变Cre—r3m3,其效率几乎与野生型Cre酶对loxP的重组效率相当,而且该突变体依然具有对loxP的较高重组能力。这将进一步延展出新型的Cre/loxP重组系统组合。Wierzbicki等通过诱变分析研究,对酶分子活性区域的氨基酸进行突变,结果发现Cre酶活性丧失或降低;而在远离活性中心、距N一端较近的部位,将Arg突变为Cys。酶的重组活性较野生型提高了15%【1同。Shaikh等研究得到3个Cre的突变体,将Ala36突变为Val、rrhr41突变为Phe、Gly314突变为Arg,结果发现这3个突变体均不能进行DNA链的切割【171。Guo等为了获得一个稳定的Cre—lox复合物,以观测其结构,设计了.Cre酶的两个突变体:CreY324F和CreRl73K,同时以与loxP有两个碱基对不同的loxS做为底物,它们也都能够形成一个中间产物,但是不能切割【181。Shaikh等设计了3个Cre突变体:CreA36V,CreT41F.CreG314R。这3个突变体都不能执行链的切割功能,但是将它们与缺乏Tyr的,具有切割功能的Cre蛋白混合,则可获得切割功能∽。3Cre重组酶的应用潜力Ere酶能够特异性的识别loxP位点而使DNA分子发生重组,但Hoess等发现当其与野生型loxP位点或其他已突变型loxP位点串联在一起时同向排列的DNA分子则很难被切割阎。目前,针对新型loxP位点的研究与应用业已相继展开,对于新型loxP位点和相应野生型Cre酶及其突变体的体内重万方数据 ’128‘东北农业大学学报第40卷组情况进行检测成为必需[z3-z.q。Cre重组酶通过对DNA进行准确切割和重新连接,使得在染色体水平对真核生物基因组进行遗传改造,以及对转基冈动物和植物中转基因的表达进行有效的控制成为可能。这是由于Cre/loxP定位重组系统具有高效性、时间和空间特异性、准确性和快速性的特点例。尽管各种新型重组酶近年来不断被发现.旧的重组体系不断被更新,但是Cre重组酶系统仍然以它自身的显著优点在重组技术中起着重要积极的作用。目前,Cre重组酶介导的位点特异性重组体系的优点主要体现在以下六个方面:①特异性的外源基冈整合位点;②删除转基因生物标记基因;③获得单拷贝或者接近单拷贝的外源DNA;④外源基因在不同株系中的定点易位交换;⑤特定组织器官或发育时期删除转入的外源基因;⑥多次重复使用同一特定位点进行基冈叠加等[261。4Cre重组酶介导的位点特异性重组在植物基因工程中存在的问题Cre/loxP位点特异性重组系统是应用较广泛、删除效率相对较高的一类重组系统。但该系统也存在明显不足:由于获得完整的重组系统往往需要通过杂交或二次转化等方式,故删除标记基因的过程漫长。为解决上述问题,一些科学家试图通过瞬间表达或化学诱导等方式来调控重组酶基因的表达,以缩短删除标记基因的时间,但这些方法的可操作性较差,重复性也不好∞制。另外,现有这些技术主要关心的是删除转基冈植物中的筛选标记基因,而对于改良作物品质、增加作物产量以及提高作物能后并没有从转基因植物中删除,这些基因仍然可能逃逸到自然界中,对生态环境和人类健康构成威在自然宿主中,Cre蛋白在不同的时期都可以表达,因此接触Pl处于溶源状态的大肠杆菌等就会接触到Cre蛋白。为了评价Cre蛋白的安全性,必氨基酸序列与过敏原或者毒素蛋白序列的相似性。因为Cre蛋白不应该存在于转基因植物中,还需要万 方数据5展望随着对cre研究的不断深入,在未来对于Cre应用会取得更进一步的发展。如果能与FLP酶联合使用,可能会给基因重组研究带来新的前景。此外,将重组技术简单化,使一般实验室均能操作,也会促进定位重组系统的普及。[参考文献]R,AbremskiK,SternbergN.ThenatureoftheinteractionofthePIrecombinaseCrewiththerecombiningsiteloxP[J].ColdSpringHarbSympQuantBiol,1984,49:7612-7681.RH,WierzbickiA,AbremskiK.TheroleoftheloxPspacerregioninP1site—specificrecombination[J].NuclAcidsRes,1986,14:2287—2300.D,AndrewsBJ.RobertsebeattYL'eta1.Site-specificreco-mbinationofyeast22micronDNAinvitro[J].ProcNatlAcadSciUSA,1983,80(23):2842-2881.JSchweizerHP.ApplicationsoftheSaccharomycescerevisiaeFlp-FRTsysteminbacterialgenetics[J].JMolMierobiolBioteehn01.2003,5(2):672-771.NJ,SnaithMR,MurrayJA.Site-specificrecombinases.-toolsforgenomeenglneerindJ}.TrendsGenetic,1993,902):413--421.H,ZouYR,RajeuskyK.Independentcontrolofimmunoglobu-linswitchrecombinationatindividualswitchFegionsevidencedthroughCre—LoxP—mediatedgenetargeting[J].Cell,1993,73(6):1155—1164.及其一步纯化和活性检测m北京林业大学学抿2006,2科5为的YZ,GagnetenS,TombaeeiniD,eta1.Nucleartargetingdeter-minantsPICreDNArecombination[J].NudeicAcidRes,1999,27(24):4703-4709.F,GopaulDN,DuyneGD.StructureofCrerecombinasecomplexedwithDNAinasite-specificrecombinationsynapselJ].Nature.1997.389:40—46.17(18、:473-479.1】BuchholzF,RingroseL,AngTandPOeta1.Differentthermos—tabilitiesofFLPandCrereeombinases:implicationsforappliedsite—specificrecombination[J].NucleicAcidsResearch,1996,24(21):4256—4262.【1]Hoess【2】Hoess【3】Vetter抗性等外源基冈以及重组酶基因本身,在完成其功胁例。这也限制了位点特异性重组系统在实际生产上的应用。须研究消化道环境中Cre蛋白的降解速率、比较其进行动物饲喂实验,目前尚未有这方面的数据。(4【5】Kilby【6】Cu【7】王文棋,盖颖,陆海,等.重组酶Cre基因在大肠杆菌中的高效表达【8】k【9】Gun[10】王敏秀.Cre/loxP系统在重组伪狂犬病病毒中的应用【J】2005,[1

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