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小麦尿卟啉原Ⅲ合酶基因克隆、序列分析及其在大肠杆菌中的表达

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第一章文献综述

1.1小麦返白系研究进展

1.1.1小麦返白系的形态特征及遗传特性

1.1.2返白期间叶绿体超微结构的变化

1.1.3返白期间的蛋白、核酸代谢的变化

1.1.4返白期间的色素代谢变化

1.2高等植物叶绿素的生物合成途径

1.2.1四吡咯色素前体——ALA的生物合成

1.2.2卟啉的合成

1.2.3原叶绿素酸酯(protochlorophyllide,Pchlide)的生成

1.2.4叶绿素的生成

1.3尿卟啉原Ⅲ合酶研究进展

1.4基因克隆技术概述

1.4.1序列克隆——根据已知基因的序列克隆植物基因

1.4.2人工合成并克隆基因

1.4.3功能克隆

1.4.4定位克隆

1.4.5表型克隆

1.4.6应用DNA芯片技术筛选新基因

1.5外源蛋白在大肠杆菌中的表达

1.5.1包涵体表达

1.5.2融合表达

1.5.3分泌型表达

1.6本研究的目的和意义

第二章材料与方法

2.1材料

2.1.1植物材料

2.1.2载体和菌株

2.1.3主要试剂

2.1.4主要仪器

2.2实验方法

2.2.1 CTAB法提取DNA

2.2.2小麦总RNA提取

2.2.3引物设计

2.2.4 RT-PCR

2.2.5 PCR扩增

2.2.6 UROS基因全长编码区的PCR扩增

2.2.7 PCR产物的克隆

2.2.8原核表达

第三章结果分析及讨论

3.1结果及分析

3.1.1序列信息的获得

3.1.2序列同源性分析

3.1.3小麦基因组DNA及总RNA的提取

3.1.4 UROS基因部分片段的PCR扩增

3.1.5 PCR产物的克隆

3.1.6测序结果

3.1.7电子克隆

3.1.8小麦UROS基因的克隆

3.1.9序列分析

3.1.10表达载体构建

3.1.11小麦UROS基因在BL21(DE3)Codon plys中的表达

3.2 讨论

3.2.1关于实验方法和问题的探讨

3.2.2稀有密码子对外源蛋白表达的影响

3.2.3关于尿卟啉原Ⅲ合成酶

3.2.4展望

第四章结论及创新点

4.1结论

4.2创新点

参考文献

致谢

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摘要

尿卟啉原Ⅲ是生物体内血红素、叶绿素、钴胺素等四卟啉类化合物的共同前体。尿卟啉原Ⅲ合酶(UROS)是卟啉生物合成途径中的第四个酶。UROS基因在细菌和哺乳动物(主要是人类和小鼠)中研究较为清楚。医学研究表明,UROS缺陷会导致先天性红细胞生成性卟啉症。细菌中,UROS由hem D基因编码,在大肠杆菌和枯草杆菌中研究最清楚。目前,已从豌豆、小麦、裸藻、人红细胞、小鼠肝等中纯化到该酶,并将大肠杆菌hem D基因及人和小鼠的该基因成功在大肠杆菌中表达,但在高等植物中还没有关于UROS基因的报道。 小麦返白系是在研究小麦新矮源-矮变1号时发现的天然突变体,后经多次选育形成了一个小麦特异性材料。返白系色素代谢研究表明,返白时叶绿素合成系列反应在胆色素原→尿卟啉原Ⅲ位点受阻。推测小麦返白系的返白现象,可能是因为胆色素原脱氨酶和尿卟啉原Ⅲ合酶表达调控异常所致。因此,对小麦UROS基因的克隆和原核表达将为进一步研究小麦返白系的返白机理奠定基础。 本研究利用电子克隆手段,通过PCR扩增到小麦UROS基因的全长编码区和部分非编码区序列,包括18bp的5’UTR和132bp的3’UTR区,编码308个Aa。该序列现已登录到GenBank中,登录号为EF160077。本研究克隆到的序列与电子克隆序列的同源性大于90%,但在3’末端却缺失了70bp,可能是小麦品种不同造成的。此外,克隆片段与水稻UROS基因的同源性也为86%左右,与拟南芥cDNA同源性低于70%,然而,与人类UROS和大肠杆菌UROS都没有序列相似性。进化分析表明,小麦与水稻亲缘关系最近,而高等植物与魏氏原壁藻亲缘关系较近,动物与植物进化距离最远。 对预测蛋白序列分析发现,308个氨基酸序列包括了叶绿体信号肽和成熟肽序列,它与水稻和拟南芥UROS蛋白序列的同源性较高,而与人类UROS无序列相似性。说明该酶在物种间一级结构不保守,但同属于单子叶植物的水稻和小麦UROS蛋白序列保守性较高。虽然不同物种间UROS氨基酸序列差异很大,但是存在一些高度保守的氨基酸位点,这些位点很可能在酶催化中有重要作用。 最后,构建了两个表达载体——pET40b-UROS和pET25b-UROS,并转化BL21(DE3)-CodonPlus,pET25b-UROS重组质粒在宿主菌中得到了稳定表达的目标蛋白。成功将小麦UROS基因在大肠杆菌中表达,得到了分子量与预期相符的特异的重组蛋白。

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