基因组重排(genome shuffling)的技术原理和应用实例

摘 要:

20世纪90年代,Maxgen公司首次提出genome shuffling(基因组重排)概念,并将此技术应用于菌株表型的改良,成为菌株改良史上的里程碑。Genome shuffling是建立在传统诱变技术和细胞融合技术基础之上,对微生物细胞进行基因组重组的体内分子育种新技术。2002年,将genome shuffling技术应用于弗氏链霉菌(Streptomyces fradiae)的研究,在短期内获得优良突变株。

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20世纪90年代,美国加州Maxgen公司首次提出了genome shuffling基因组重排)的概念,并成功的将此新技术应用于菌株表型的改良,成为菌株改良史上一新的里程碑。

1994年,Stemmer等率先提出了DNA改组技术(DNA shuffling)。DNA shuffling在一定程度上模仿了生物体在自然进化过程中减数分裂期等位基因间的DNA片段交换,主要针对于DNA片段,而生物体的绝大部分表型却是受到多个基因协同调控。鉴于此局限性,Stemmer等又进一步提出了全基因组重排技术(genome shuffling)。

Genome shuffling是一种建立在传统诱变技术和细胞融合技术基础之上,对微生物细胞进行基因组重组的体内分子育种新技术,首先以传统的诱变方法获得一个突变体库,以包含多种正突变子的突变库为出发菌株,通过原生质体整合的形式对突变子的全基因组进行随机重组,并筛选出目的性状得到优化的重组子作为下一轮整合的出发菌株。通过多轮递推式原生质体融合的方法使基因随机重组,突变库中的基因组得到较充分的重排,最终从获得的突变体库中筛选出性状最优的后代菌株。

基因组重排(genome shuffling)的技术原理和应用实例

Genome shuffling技术把传统微生物诱变技术与细胞融合技术结合,在微生物菌株诱变的基础上,通过细胞融合,使多个亲本杂交,产生新的复合子代。其具体操作过程是通过对出发菌株进行诱变,然后在模拟DNA重组的条件下对原生质体进行递推式多次融合( recursive protoplast), 最后筛选出具有多重正向进化标记的目标菌株。

具体方法如下:在采用递推式原生质体融合对目标菌株进行融合的过程中,首先要进行原生质体的制备,然后模拟DNA重组的反应温度条件对原生质体进行融合,然后在非选择条件下再生;再生原生质体孢子混合就构成了F1;F1长成菌落,长出的菌落再被制备成为原生质体,并用同样的方法再进行融合再生,这一过程重复3-4次得到后代菌落;与对照相比,融合后代有效率达到60%、17%、2.5%,较之未融合前增加了40-105倍。这一过程中操作的方法与原生质体融合技术基本相同。

2002年,Maxgen公司的Zhang等首次将genome shuffling技术应用于弗氏链霉菌(Streptomyces fradiae)的研究。结果显示,仅通过两轮递推式整合所得到的高产菌就能优于历经20年经过20轮常规诱变所获得的高产菌株。由此可见,genome shuffling可有效提高菌株间基因组的重组,缩短选育周期,使在短期时间内获得优良突变株的效率得到极大的提高。

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