一种基于合成单链DNA文库进化代谢途径的方法
技术领域tt
本发明涉及一种基于合成单链DNA文库进化代谢途径的方法，属于基因工程技术领域。tt
背景技术tt
随着分子生物学技术和基因工程技术的发展，已有数千种类的天然酶基因被发现，由于tt酶介导的生物催化具有环境友好型，高效专一性和反应条件温和等优点，作为生催化的主导tt者，被广泛应用于复杂的药物、中间体、化合物的合成，甚至生物燃料的合成。合成生物和tt代谢工程中酶是核心的参与者，通过构建一系列的代谢合成途径，可以实现微生物代谢合成tt各种有机合成无法获得的复杂化合物，如芳烃、碳水化合物、有机酸、醇和其他次级代谢产tt物。然而，在大多数情况中，天然酶的性质的局限性，极大地限制了它在各种复杂条件下的tt使用。tt
自然界在遗传突变与自然选择的动态平衡过程中，进化出了非常精确且又高效的酶，然tt而自然选择的速度非常缓慢，需要漫长的时间。人们迫切需要对天然酶进行人工进化和改造，tt以期获得能够满足人们需求的功能更强大的新酶。在当今实验技术条件下，人们通过物理化tt学等方法，例如紫外、射线和亚硝酸盐等极大地提高了基因突变的频率，为人工快速进化基tt因提供了可能。然而，物理化学等方法造成的突变往往都是有害突变，且随机性较大，还无tt法满足大规模的进化需求。随着分子生物学技术的日趋成熟，从基因操作水平上直接对天然tt基因引入特定的或随机的突变位点已成为可能。随机突变方法是通过引进随机的碱基替换，tt进而筛选理想的突变体。例如易错PCR技术，是目前使用较广的基因进化方式之一，通过在tt体外聚合酶链反应(PCR)过程中随机引入突变点，高通量筛选有益进化的基因。经过多轮tt次操作后，可以获得酶学性质和功能发生明显变化的新酶。在此基础上发展起来的各种依赖ttPCR技术引入突变点进化基因的技术如定点突变、基因嵌合以及瞬时模板的随机嵌合等方法。tt然而，上述方法产生的突变点多样性少，产生的突变体也多为有害突变，工作量大而且效率tt极低。tt
1994年，一种的定向进化新技术DNA改组(DNA shuffling)悄然诞生，Stemmer在Naturett发表了一篇题为Rapid evolution of a p rotein in vitro by DNA shuffling的文章，首次提出了ttDNA改组技术。研究者以β-内酰胺酶系统为试验对象，运用DNA改组，经过三轮筛选和两tt次回交得到一新菌株，其头孢噻肟(cefotaxime)的最低抑制浓度比原始菌株提高了16000倍，tt远高于错误倾向PCR的突变筛选结果。随后发展起来的各种以重组技术为基础的方法，以提tttttt高基因杂交的程度和筛选效率为目标，都获得了比较好的效果。然而，DNA shuffling技术对tt序列同源性的要求较高(同源性大于75％)且需要获取同源基因材料。这两个条件极大限制tt了DNA shuffling技术的应用，同时该技术产生的突变体往往有较多的移码突变体。tt
此外，当前合成生物学和代谢工程对合成途径的改造基本都注重在对合成途径基因的表tt达调控上，例如增强途径基因的表达，敲除或者抑制竞争途径，例如优化启动子或者核糖体tt结合位点，优化基因的密码子，改造途径基因的间隔调控区域等。另外，对合成途径中的酶tt进行改造也是非常有必要的，例如关键酶的限速问题、受产物或者底物反馈抑制。因为，如tt果仅仅加强表达水平，可能会导致细胞合成能力的浪费和细胞生长负担，而不能从根本上解tt决代谢途径流量平衡的问题。tt
本发明采用体外PCR重组技术为基础，通过人工合成单链DNA文库，采用PCR技术获tt得含有多样性极其丰富的突变文库，再采用体外重组技术构建突变筛选文库。此技术克服了tt上述随机突变多样性不足、DNA shuffling技术同源序列和同源基因材料的限制等因素，而且tt操作实施简单，易于获得丰富的突变体文库，为基因体外快速进化奠定了基础，同时，结合tt蛋白结构生物信息学和合成生物学，特别适合于酶基因和代谢合成途径的快速定向进化应用。tt
发明内容tt
本发明提供了一种基于合成单链DNA文库进化代谢途径的方法(Rapidly Efficient ttCombinatorial Oligonucleotides for Direct Evolution，RECODE)，主要包括制备突变体文库、tt筛选突变体；所述突变体文库包括单链突变体文库和双链突变体文库。单链突变体文库与双tt链突变体文库可以分开构建，也可以同步构建。为构建单链突变体文库，针对亲本基因的各tt个目标突变区域分别设计引物，各引物方向相同，并通过向PCR体系中添加DNA连接酶来tt连接各发生突变的核苷酸片段，得到完整的单链突变体；为构建双链突变体文库，单链突变tt体的两端需带上额外的锚点序列，便于在双链化时，设计用于特异性扩增单链突变体的引物。tt
所述目标突变区域可以是有目的地选择得到的或随机产生的。对一条链上进行同时突变tt的区域数量在理论上不受限制，实际操作中可根据需要自行设定，2k以内的基因可以在1-15tt个位点之间。tt
所述方向相同，是指各引物均为3’至5’方向，或均为5’至3’方向。当亲本基因是双链ttDNA时，引物方向相同可以保证PCR过程仅以特定方向的DNA链为模板，最终得到单链突tt变体。tt
所述亲本基因编码的是代谢途径基因，包括启动子、核糖体结合位点和途径酶基因；亲tt本基因的存在形式不受限制，可以为质粒、基因组、双链DNA片段或者单链cDNA。tt
所述单链突变体文库和双链突变体文库同步构建，是直接向构建单链突变体文库的PCRtt体系中添加特异结合单链突变体的引物，边PCR获得单链突变体，边以单链突变体为模板进tt行双链化反应和双链突变体的扩增反应。tt
所述单链突变体文库和双链突变体文库分步构建时，直接以含单链突变体文库的PCR混tt合产物作为模板，不更换反应体系，直接向其中加入特异结合单链突变体的引物进行第二轮ttPCR制备全长完整的双链突变体；或者以经柱纯化回收后的单链突变体文库作为模板，重新tt配制反应体系进行第二轮PCR制备全长完整的双链突变体。tt
为构建单链突变体文库，针对亲本基因的一个或多个目标突变区域，分别设计相应的引tt物，称为编辑引物。所述编辑引物含有需要向突变区域引入的突变碱基且3’和5’端分别有适tt当长度的与模板链匹配的序列；涉及多个突变区域时，各编辑引物为同方向，均与同一方向tt模板链配对结合。同时，合成两条与编辑引物同方向的锚点引物，其中一条是上游锚点引物，tt一条是下游锚点引物，所述上游锚点引物含有一段与模板链3’端匹配的核苷酸序列，此外，tt该上游锚点引物的5’端还有15-25bp的锚点序列；所述下游锚点引物含有一段与模板链5’端tt匹配的核苷酸序列，此外，该下游锚点引物的3’端还有15-25bp的锚点序列。tt
对于编辑引物，为节省合成费用，一般建议编辑引物长度低于59bp，若有需要可增加引tt物长度，或者可分为两条短引物。需要进行突变的位点一般置于编辑引物的中间部位，根据tt需要可进行高度简并，若亲本编码的是蛋白序列，为避免终止密码子TAA、TAG和TGA出tt现，三联密码子可简并为VNN或者降低终止子出现的概率，编辑引物合成优选PAGE纯化tt方式。tt
所述锚点引物，还可以兼具编辑引物的功能，即在作为锚点引物的同时，还可以含有需tt要向突变区域引入的突变碱基。tt
所述锚点序列，一方面可以在构建双链突变体文库时，用于设计专一与单链突变体结合tt的外端引物，另一方面还可作为同源重组序列，用于突变体文库与表达载体的连接。在将双tt链突变体与载体连接时，不建议使用限制性酶切位点进行重组载体，因为高度简并的突变引tt入，可能会使基因内部出现相应的酶切位点。tt
所述需要在突变区域引入的突变碱基可以是具体的碱基序列，也可以是简并碱基序列。tt
所述编辑引物和下游锚点引物，在使用前先采用T4多聚核苷酸激酶对引物的5’端羟基tt进行磷酸化反应。tt
所述编辑引物的3’和5’端序列分别保留15-30bp的与模板完全匹配的寡聚核苷酸序列。tt
制备单链突变体文库的反应过程是DNA延伸和DNA连接同步进行的反应：上、下游锚tttttt点引物、编辑引物与模板DNA以适当摩尔比混合，添加DNA聚合酶和DNA连接酶，反应tt缓冲液。反应缓冲液中Mg2+浓度为1-10mM，PCR退火温度为40-66℃，PCR延伸温度为tt65-72℃，PCR反应循环数为1-35个。PCR产物中包括变性解链后未用作模板的单链DNA、tt大量的发生突变的单链DNA、与模板结合着的处于双链状态的发生突变的DNA链。tt
在本发明的一种实施方式中，制备单链突变体文库时，与模板链不同位置结合的引物的tt摩尔数相同。tt
为构建双链突变体文库，可以以含单链突变体文库的PCR混合物或者经柱纯化回收后的tt单链突变体文库作为模板，进行第二轮PCR制备全长完整的双链突变体文库；或者直接向构tt建单链突变体文库的反应体系中添加特异结合单链突变体的引物，边PCR获得单链突变体边tt进行双链化反应和双链突变体的扩增反应(简称为一步PCR)。为构建双链突变体文库，以单tt链突变体为模板设计一对用于扩增单链突变体全长基因的外端引物。所述外端引物分别与锚tt点引物的锚点序列相匹配或相同。只有发生突变的带上锚点序列的单链DNA能与外端引物tt结合，因而扩增产物是双链突变体文库。制备好的PCR产物，纯化回收后，采用体外重组技tt术进行克隆，构建高通量筛选文库，筛选具备所需性质特征的突变子。tt
所述以单链突变体文库或者经柱纯化回收后的单链突变体文库作为模板进行第二轮PCRtt制备全长完整的双链突变体基因产物时，只需经过少数循环，就能得到大量双链突变体。所tt述的单链突变体文库，在进行双链突变体文库的制备之前，可以采用DpnI限制性内切酶消化tt模板链。当然，即使不使用DpnI限制性内切酶降解模板DNA，在制备双链突变文库的PCRtt过程中，由于一对外端引物含有与锚点引物的锚点序列匹配的序列，而模板DNA不含有与tt锚点序列匹配的序列，因此，模板DNA并不会发生扩增。tt
所述直接向构建单链突变体文库的反应体系中添加特异结合单链突变体的引物，边PCRtt获得单链突变体，边进行双链化反应和双链突变体的扩增反应的一步PCR中，将上、下游锚tt点引物、编辑引物与模板DNA以适当摩尔比混合，同时，分别加入2-5倍锚点引物量的上、tt下游外端引物，添加DNA聚合酶、DNA连接酶和反应缓冲液。反应缓冲液中Mg2+浓度为tt1-10mM，PCR退火温度为40-66℃，PCR延伸温度为65-72℃，PCR反应循环数为1-35个。ttPCR产物含大量的双链突变体，及极少量的模板DNA。tt
所述一步PCR的退火过程中，为避免锚点引物与外端引物的结合，锚点引物中锚点序列tt的长度约占锚点引物长度的三分之一。tt
所述一步PCR中，上(下)游锚点引物长度可以为60bp，其中40bp与亲本模板完全匹tt配，还有20bp的锚点序列；上(下)游外端引物长度为20bp，与锚点序列相同或互补。tt
所述一步PCR中，上(下)游锚点引物和上(下)游外端引物的添加比例可以为1：(2-5)，tt过量的上(下)游外端引物能使生成的单链突变体完全双链化成双链突变体。tt
在本发明的一种实施方式中，所述的DNA聚合酶为高保真的耐热DNA聚合酶，优选5’-3’tt外切酶活性缺失的高保真DNA聚合酶，如Phusion DNApolymerase(NEB)。tt
在本发明的一种实施方式中，所述的DNA连接酶为耐热DNA连接酶，如Taq DNAligasett(NEB)、9N DNA ligase(NEB)和Ampligase(EPI)，优选Ampligase。tt
为筛选突变体，可将突变体文库与载体同体外组装技术进行整合。tt
所述的体外组装技术可以为融合PCR、Gibson组装、T4DNA聚合酶介导的重组技术或tt者体内酵母组装技术。Gibson组装技术的原理为在组装反应体系中，T5核酸外切酶能从双链ttDNA片段的5’端往里进行切割，产生3’端突出的黏性末端，由于各个片段之间具有同源tt臂序列，相邻近的两个完全互补配对的黏性末端片段发生结合，产生的缺口由DNA聚合酶tt补平和Taq DNA连接酶连接完成，从而实现重组片段的无缝组装。tt
图1可以帮助理解本发明的原理，图1不代表本发明的唯一实施方式。本发明主要包括tt分别采用不同引物进行的两轮PCR以及对第二轮PCR产物进行筛选的过程。第一轮PCR涉tt及图1上端显示的5条5’至3’方向的引物，其中带有虚线的两条引物为锚点引物，虚线所tt示部分即为锚点序列，分别带有★、▲、◆的为针对不同目标突变区域设计的编辑引物；在ttPCR过程的变性阶段，亲本DNA解链得到两条单链DNA，由于5条引物都只能与3’至5’tt方向的DNA链结合，因此，整个PCR过程中只有3’至5’方向的亲本DNA链能作为模板tt链，相应地，这一轮PCR结束后会得到大量5’至3’方向的单链突变体、少量未被用作模tt板的单链DNA、少量与模板结合着的处于双链状态的发生突变的DNA链。以第一轮PCR混tt合产物作为模板，或采用DNA溶液柱纯方式回收单链突变体作为模板，以减少其它影响因tt素。相应地，第二轮PCR可以不更换反应体系，直接向第一轮PCR混合产物中加入上、下tt游外端引物，或者重新配制PCR反应体系。第二轮PCR涉及一对外端引物，该外端引物与tt第一轮PCR中的锚点引物的锚点序列匹配或相同，因此该外端引物只与带有锚点序列的单链ttDNA结合进行扩增反应，而亲本DNA由于缺少能与锚点序列匹配的序列而得不到扩增。最tt后，通过对丰富的双链突变体库进行筛选获取理想的突变体。tt
图4为在图1的基础上进行简化后得到的一步PCR，能直接制备双链突变体文库。一步ttPCR是在图1的第一轮PCR反应体系中就添加了上、下游外端引物，这样，在反应的过程中，tt新生成的单链突变体与上游或下游外端引物结合，并扩增形成双链突变体，而亲本链由于不tt能和外端引物结合，不会被扩增。在此过程中，形成的突变体以指数的形式增长，相比两轮ttttttPCR反应体系，产生的突变体更多。同时，在操作上更加方便，耗时短。tt
本发明以体外PCR重组技术为基础，人工合成单链突变体文库，通过设计针对多个目标tt区域的编辑引物，PCR后获得含有多样性极其丰富的突变文库，双链化后再采用体外重组技tt术构建突变体筛选文库。本发明克服了现有随机突变多样性不足、DNA shuffling技术受同源tt序列和同源基因材料限制的缺点，而且操作实施简单，易于获得丰富的突变体文库，为基因tt体外快速进化奠定了基础。用于快速高效进化的对象可以为任何DNA序列，包括启动子、tt核糖体结合位点、非转录翻译调控区、酶基因以及构成代谢合成途径的多个DNA序列。本tt发明通过进化大肠杆菌5-氨基乙酰丙酸合成途径中的启动子、核糖体结合位点和途径酶基因，tt成功将ALA产量由110mg/L提高到1930mg/L。tt
附图说明tt
图1所示为合成单链DNA文库快速组合进化酶和代谢途径的方法示意图；两端虚线位tt置为锚点序列。tt
图2所示为ALA合成途径大肠杆菌内源性基因hemL-hemA-hemF构建示意图。tt
图3所示为突变重组ALA代谢途径元件获得突变株的ALA产量图；LAF为重组构建的tt原质粒，A1-A5分别为不同产量的突变株。tt
图4所示为RECODE技术采用一步PCR反应系统组合进化DNA的方法示意图；两端虚tt线位置为锚点序列。tt
具体实施方式tt
实施例1一步PCR对5-氨基乙酰丙酸(ALA)合成代谢途径进行体外改造tt
为证明本发明方法能在体外高效快速地改造代谢途径，包括启动子、核糖体结合位点和tt途径酶基因的改造，构建大肠杆菌C5合成途径的三个内源性基因hemL、hemA和hemF，按tt如图2所示的方式构建序列如SEQ ID NO.1所示的hemL-hemA-hemF，所得组合途径构建于ttpRSFDuet-1质粒。选取三个基因的核糖体结合位点RBS、hemF基因的启动子-10和-35区间tt以及三个基因内部合适的位点，设计总共14条编辑引物(JPS/LAF-P1F至JPS/LAF-P14F)，tt对代谢途径进行改造，引物序列信息如下：tt
JPS/LAF-P1F:AACTTTAATAAGGAGGGATCCATAAAAGGRRRDDDDTATATGAGTAAGTCTGAAAATCTtt
JPS/LAF-P2F：CGTGGTTTAAGCTTTGGTNCANCANNCVNNVNNVNNNTGNAAATGGCGCAACTGGTGAtt
JPS/LAF-P3F：CGCCTGGCCCGTGGTTTTNCCNNTVNNVNNANNNNTNTTAAATTTGAAGGGTGTTACCtt
JPS/LAF-P4F：ACTTATAATGATCTGGCTNCTVTAVNNVNNNCANNTVNGCAATACCCGCAAGAGATTGCtt
JPS/LAF-P5F：GGTGGTCGTCGTGATGTAATGNATVNNVNNVNNVNNNCGNGTCCGGTCTATCAGGCGGtt
JPS/LAF-P6F：GGTGTTTGCGAAGTTGTAADDRRRRRDDDDDATGNNCVNNVNGCTTTTAGCGCTCGGTAtt
JPS/LAF-P7F：AATGACGCCGTCAGCCACNTGNTGVNNVNNVNNNGCNGTCTGGATTCACTGGTGCTGGGtt
JPS/LAF-P8F：AGCGCCGTCTCCGTCGCGNTTNCCVNNNNTVNNVNNGCCCGCCAAATCTTTGAATCGCTtt
JPS/LAF-P9F：ATTATCGCCAACCGAACCNGCVAGVNNVNNVAANCCCTGGCGGATGAGGTAGGCGCCGtt
JPS/LAF-P10F：GCATTAAAAAGCCGTCGTNACVNGVNNNTGVNNVNNGTGGATATCGCCGTACCGCGCGtt
JPS/LAF-P11F：CCGCATAATCGAAATTAATANNNNNNNNTATAGGGGAATTGTGAGCGGATAACtt
JPS/LAF-P12F:GTATATTAGTTAAGTATAAGRRRRRRDDDDDDATGAAACCCGACGCACACCAGGtt
JPS/LAF-P13F：CATCGCCCGGAACTTGCCNGGVNNVNNNNCGAGGCGATGGGCGTTTCACTGtt
JPS/LAF-P14F：TTCTATGGTTTTGAAGAAGATNCTNNTNNNNNGNATCGCACCGCCCGTGACCTGTGCCtt
JPS/LAF-P15F：GGCGTTAAGTGAGTTTATTAAGGTCAGGGATTGGGTGTAAGCACTTCGTGGCCGAGCTCGtt
JPS/LAF-ELF:TGTTTAACTTTAATAAGGAGGGATCCtt
JPS/LAF-ELR:CGAGCTCGGCCACGAAGTGCtt
PRSFDUET-F:GCACTTCGTGGCCGAGCTCGAGTCTGGTAAAGAAACCGCTGCtt
PRSFDUET-R:CTCCTTATTAAAGTTAAACAAAATTATTTCTACAGtt
编辑引物为JPS/LAF-P1F至JPS/LAF-P14F，其中JPS/LAF-P1F兼具锚点引物的功能，ttJPS/LAF-P15F为另一条锚点引物，JPS/LAF-ELF和JPS/LAF-ELR引物为整个突变改造后的tt代谢途径的外端引物，PRSFDUET-F和PRSFDUET-R为制备用于重组表达代谢途径的载体引tt物。tt
在25μl反应体系中：2.5μl 10x反应缓冲液，上游锚点引物JPS/LAF-P1F、磷酸化的tt下游锚点引物JPS/LAF-P15F和磷酸化的编辑引物JPS/LAF-P1F至JPS/LAF-P14F适量(根据tt磷酸化体系计算，每条编辑引物1-5pmol)，DNA模板加入量约10-50ng(与引物比例为tt1:100)，上游外端引物JPS/LAF-ELF、下游外端引物JPS/LAF-ELR分别加入相对于下游锚点tt引物2倍的量，加入Phusion DNA polymerase(NEB)0.5μl，Ampligase(EPI)连接酶1μttl。混匀后按如下PCR程序运行：94℃2min，[94℃30s，50℃1min，66℃5min]x32，72℃tt5min，4℃hold on。PCR产物为突变体文库，以1％琼脂糖凝胶电泳切胶回收。采用凝胶tt回收试剂盒按说明书推荐方法回收PCR产物。PRSFDUET-F和PRSFDUET-R为制备用于tt重组表达代谢途径的载体引物。构建的代谢途径突变文库采用同源重组技术克隆进入ttpRSFDuet-1质粒，转化BL21DE3表达宿主，突变含有50ng/ml卡那霉素的LB固体平板，tt37℃培养过夜。采用高通量培养技术，随机挑取2400个单克隆接种于含有无机盐培养基的tt96孔培养板，培养基成分(g L-1)：pH 7.0、葡萄糖20.0、酵母浸膏2.0、(NH4)2SO416.0,ttKH2PO43.0,Na2HPO4·12H2O 16.0,MgSO4·7H2O 1.0,MnSO4·H2O 0.01.添加50ng/ml卡那霉tt素和终浓度为0.1mM的IPTG诱导剂。37℃220rpm培养36h。发酵液上清离心后，适当tt稀释，测定ALA发酵产量。tt
ALA检测方法是：将样品稀释至2mL，加入1mL的乙酸盐缓冲液，0.5mL的乙酰丙酮，tt然后煮沸15min。冷却至室温，取2mL的反应液至新管中，然后加入2mL的改良Ehrlich’stt试剂，反应20min，利用分光光度计554nm下检测。本发明中采用批量96孔板测定方法，tt相应试剂使用量按相同比例减少体积。tt
根据产量测定结果显示(如附图3所示)，重组的原质粒克隆ALA产量仅为110mg/L，tt而从突变文库中筛选获得了明显提高ALA产量的突变菌株，最高的ALA产量到1930mg/L，tt提高了近17倍。由此说明，本发明对于产物代谢途径的体外改造具有明显的作用。tt
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，tt在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以tt权利要求书所界定的为准。tt
