农杆菌介导法

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农杆菌介导转化法
农杆菌是普遍存在于土壤中的一种革兰氏阴性细菌, 农杆菌是普遍存在于土壤中的一种革兰氏阴性细菌, 阴性细菌 它能在自然条件下趋化性地感染大多数双子叶植物的受伤 部位,并诱导产生冠瘿瘤或发状根。 部位,并诱导产生冠瘿瘤或发状根。 冠瘿瘤或发状根
农杆菌 感染柳树 产生 冠瘿瘤
原理: 原理: 根癌农杆菌和发根农杆菌细胞中分别含有Ti质粒和 根癌农杆菌和发根农杆菌细胞中分别含有Ti质粒和 Ti Ri质粒,其上有一段T DNA, Ri质粒,其上有一段T-DNA,农杆菌通过侵染植物伤口 质粒 进入细胞后,可将T-DNA插入到植物基因组中。 进入细胞后,可将T DNA插入到植物基因组中。 插入到植物基因组中
切刻位点(nick site)可作为 可作为DNA从5’向3'合成的起始位 切刻位点 可作为 从 向 合成的起始位 链合成后, 点,新的DNA链合成后,T-DNA单链即被替换 新的 链合成后 单链即被替换 (displacement)释放出来 图2)。当然这种缺刻也可通 释放出来(图 。 释放出来 过重组系统把T-DNA双链从 质粒上解离下来。 双链从Ti质粒上解离下来 过重组系统把 双链从 质粒上解离下来。
因此,农杆菌是一种天然的植物遗传转化体系。 因此,农杆菌是一种天然的植物遗传转化体系。人 天然的植物遗传转化体系 们将目的基因插入到经过改造的T DNA区 们将目的基因插入到经过改造的T-DNA区,借助农杆菌的 目的基因插入到经过改造的 感染实现外源基因向植物细胞的转移与整合,然后通过 感染实现外源基因向植物细胞的转移与整合, 外源基因向植物细胞的转移与整合 细胞和组织培养技术,再生出转基因植株。 细胞和组织培养技术,再生出转基因植株。 农杆菌介导法起初只被用于双子叶植物中,近年来, 农杆菌介导法起初只被用于双子叶植物中,近年来, 农杆菌介导转化在一些单子叶植物(尤其是水稻) 农杆菌介导转化在一些单子叶植物(尤其是水稻)中也 得到了广泛应用。 得到了广泛应用。
Table1
Locus Size(kb)
Summary of vir Gene Products
ORFsa Proteins Size(kDa) Locationb Function
virA
2.0
1
90
M
plant signal sensor, protein kinase
VirG
1.0
1
30
C
transcriptional activator
T-DNA 区域中的这些基 因 只 有 在 T-DNA 插 入 到 植物基因组后才能激活 表达. Tms1 、 Tms2 、 Tmr 这 3 个基因表达产物催化生 成的植物生长素( Tms1、 Tms2 ) 和 细 胞 分 裂 素 ( Tmr ),可调节植物 细 胞 的 生 长 和发 育 ,它 们的过量表达刺激植物 细胞大量快速增长而形 成 冠 瘿 . 冠 瘿也 是在冠 瘿碱胞内合并成分泌出 来 的, 构 成 根癌 农杆菌 生长所须的碳源和氮源.
植物细胞受伤后,细胞壁破裂,分泌物中含有高浓度的创伤诱导分子。 它们是一些酚类化合物,如乙酰丁酮(acetosyringone,AS)和α-羟基 酰丁香酮(α-hydroxacetosyringone,OH-AS)。 根癌农杆菌对这一类物质具有趋化性,在植物细胞表面附着后,受这些 创伤诱导分子的刺激,Ti质粒vir区毒性基因被激活和表达。
脂碱型根癌农杆菌Ti质粒中 T-DNA的左右两侧是一段24bp 的重复序列,构成T-DNA的边 界序列(border sequence), 分别称为左边界(left border,LB)和右边界(right border,RB).在某些章鱼碱型 根癌农根癌农杆菌Ti质粒中 T-DNA是以两个分开的独立片 段形式存在,即T-DNA左边区 段和T-DNA右边区段。研究表 明,插入在T-DNA边界序列之 间的任何DNA都可被转到植物 染色体中。因此Ti质粒可用 做外源目的基因的载体。
VirE
2.0
2
7, 60.5
C/M?
single-strand DNA-binding protein (VirE2)
virB
9.5
11
26,12,11,87,23,32, 5.5,25,32,48,38
M
T-DNA transfer apparatus?
③T-DNA加工和转移 加工和转移 Vir基因表达调控的问题,知道VirA和VirG基因诱导其它 基 基因表达调控的问题,知道 基因诱导其它Vir基 基因表达调控的问题 和 基因诱导其它 因的表达, 操纵元的被诱导表达后, 因的表达,当VirD操纵元的被诱导表达后,其中的 操纵元的被诱导表达后 其中的VirD1和 和 VirD2蛋白质具有核酸内切酶的活性 蛋白质具有核酸内切酶的活性(Yanofsky M.F. 1986), 蛋白质具有核酸内切酶的活性 . , 能够在T-DN A边界重复序列的特异位点切开 边界重复序列的特异位点切开T-DNA单链,因此 单链, 能够在 边界重复序列的特异位点切开 单链 T-DNA往往以单链形式进入植物细胞。但是在植物细胞中也发 往往以单链形式进入植物细胞。 往往以单链形式进入植物细胞 现双链T-DNA分子。 分子。 现双链 分子
最先激活表达的是virA基 因,它编码感受蛋白,位 于细菌细胞膜的疏水区, 可接受环境中的信号分子。 在virA蛋白的激活下, virG基因表达,virG蛋白 经磷酸化由非活性态变为 活化状态,进而激活vir 区其他基因表达。 virA基因——virG基因
其中virD基因产物 virD1蛋白是一种DNA 松弛酶,它可使DNA从 超螺旋型转变为松弛 型状态;而virD2蛋白 则能切割已呈松弛态 的T-DNA,2个边界产 生缺口,使单链T-DNA 得以释放。 VirE基因所表达的 virE2蛋白是单链TDNA结合蛋白。可使TDNA形成1个细长的核 酸蛋白复合物(T-复 合体),以此保护TDNA不被包内外的核酸 酶降解。
1) Ti质粒的结构 来自于不同野生型根癌农杆菌的Ti质粒可根据其产生 的冠瘿碱类型分为三类:章鱼碱(octopine)类 胭脂碱(nopaline)类 农杆碱(agropine) 类。 Ti质粒携带着既能分解又能合成这些化合物的酶类和相应 基因,然而冠瘿碱合成基因却不能在根癌农杆菌中表达, 它们只有进入植物细胞后才能表达,Ti质粒上的冠瘿碱分 解基因产物却能分解冠瘿碱,为宿主细胞提供能源、氮源 和碳源。
Story 冠瘿瘤病:双子叶植物经常发生,因肿瘤着生地面在近地面
的根茎交界处,形似帽状而得名。 1907年, Smith & Townsent 农杆菌诱发冠瘿瘤病。
1947年, Braun et al. 证实俩者的关系,但发现有的菌株不 致病。提出了假说:tumour-inducing principle,TIP.肿瘤 诱导因子 。 60’s , 肿瘤组织中含高浓度的氨基酸(octopine , nopaline) 总称冠瘿碱(opine) 。 Petit et al.证实肿瘤组织 合成的冠瘿碱取决于菌株,而且菌株能专一地利用 冠瘿碱作为菌株生存的唯一的碳源和氮源。(证实了TIP)
最先激活表达的是virA基因,它编码感受蛋白,位于细菌细胞膜的疏水区,可接 受环境中的信号分子。 在virA蛋白的激活下,virG基因表达,virG蛋白经磷酸化由非活性态变为活化状 态,进而激活vir区其他基因表达。 其中virD基因产物virD1蛋白是一种DNA松弛酶,它可使DNA从超螺旋型转变为 松弛型状态;而virD2蛋白则能切割已呈松弛态的T-DNA,2个边界产生缺口,使 单链T-DNA得以释放。 VirE基因所表达的virE2蛋白是单链T-DNA结合蛋白。可使T-DNA形成1个细长的 核酸蛋白复合物(T-复合体),以此保护T-DNA不被包内外的核酸酶降解。 T-复合体依次穿过根癌农杆菌和植物细胞膜及细胞壁。并进入植物细胞核,最终 整合进入植物核基因组。 T-DNA的转移机理比较复杂,依赖于T-DNA区和vir区共同参与,涉及多个基因表 达及一系列蛋白质和核酸的相互作用。
Vir区 区
Vir区(Vir-region),即毒性区,又称致瘤区域,其 长度约为35kb。它们控制根癌农杆菌附着于植物细胞 和Ti质粒进入细胞有关部位,与感染后冠瘿形成有关。 Vir区位于T-DNA区左侧,包含义个毒性遗传点( virA、 virB、virC、 virD、virE和virG)。 vir基因的控制着T-DNA的转移。 virE E virD virC virG virB virA
植物细胞受伤后,细胞壁破 裂,分泌物中含有高浓度的 创伤诱导分子。它们是一些 酚类化合物,如乙酰丁酮 (acetosyringone,AS)和 α-羟基酰丁香酮(αhydroxacetosyringone,OHAS)。 根癌农杆菌对这一类物质具 有趋化性,在植物细胞表面 附着后,受这些创伤诱导分 子的刺激,Ti质粒vir区毒性 基因被激活和表达。
目前已经发现9种信号因子,均为水溶性酚类化合物。 其中乙酰丁香酮(acetosyringone,AS)和羟基乙酰丁 香酮(OH-AS)的作用较强,儿茶酚、原儿茶酚、没食 子酸、焦性没食子酸、二羟基苯甲酸、香草酚和对羟基 苯酚处理农杆菌时也对Vir区的基因表达起促进作用。 双子叶植物在在农杆菌侵染时可以形成大量的信号因子, 而使T- DNA可以成功的转入; 而单子叶植物需要加入外源酚类物质,才能激活Vir区 的基因,达到转基因的目的。
1974年,Zaenen et al, Schell, Van Larebeke et al. 从致瘤农杆菌中分离出一类巨大的质粒 (tumor inducing plasmid),称为Ti质粒。 Ti=TIP 1977年,Chilton et al.分子杂交技术证实肿瘤细胞中存 在外源的DNA ,与Ti质粒的DNA有同源性,是整 合到了植物染色体的农杆菌质粒DNA片段, T- DNA (transferred DNA),其内有致瘤和冠瘿 碱合成酶等基因。 1981年,Ooms et al.发现Ti质粒上有致瘤区(virulence region),Vir区。
长度:160-250 kb 6大功能区: 1)致癌区,这个区主要合成植物 生长素和细胞分裂素; 2)冠瘿碱合成区; 3)冠瘿碱分解区; 4)Ti质粒接合转移区(tra); 5)毒性区(Vir); 6)DNA复制区(Rep)。
T-DNA
在致癌区和冠瘿碱合成区的两侧 存在着一个24 bp直接重复序列, 由这三部分所构成的DNA区域叫 做T-DNA, 插入植物染色体中的Ti质粒片段 只有T-DNA。 由于T-DNA插入植物细胞染色体 中的位置不相同的,因此植物染 色体上可能并没有可供T-DNA插 入的专一性DNA序列。
缺失研究也表明:右边界重复序列缺失后,T-DNA不能转移, 而左边界重复序列的缺失会稍稍降低T-DNA转移频率 (Timmerman B.1988),这进一步说明T-DNA单链是在从右 边界到左边界5’向3‘替换合成中释放出来的。
Ti质粒
Ti质粒是根癌农杆菌 细胞核外存在的一种 环状双链DNA分子,长 度约200kb,平均周长 54.1-75 .4 um,分 子质量为(90-150) ×106 Da。在温度低 亍28℃的 条件下,Ti 质粒可稳定地存在于 根癌农杆菌细胞内。
Ti质粒除上述上述诱导受侵染的植物组织产生冠瘿瘤 外, 还具有以下几种重要功能: 1赋予根癌农杆菌附着于植物细胞的能力; 2赋予根癌农杆菌分解代谢冠瘿碱的能力; 3根癌农杆菌的寄主植物范围; 4决定所诱导的冠瘿形态和冠瘿碱的成分; 5参与寄主细胞合成植物激素吲哚乙酸和一些细胞分裂素 的代谢活.
VirD
4wk.baidu.com5
4
16,47,21,75
C/M?
T-DNA border endonuclease (VirD1 and VirD2); pilot protein? nuclear localization?(VirD2)
VirC
2.0
2
26,23
C?
processing of T-DNA(VirC1)
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