基因密码锁的设计与应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及生物基因线路的设计与构建，属于生物工程领域。
【背景技术】
[0002] 生物作为科学研宄中重要的研宄、开发和利用对象，其价值不言而喻，生物是生态 环境的重要组成部分，与工农业生产和人们的日常生活密切相关，在食品、医药、农业生产 和环境保护等方面具有广泛的应用，并且为生命科学的迅速发展提供了丰富的资源。然而， 生命科学在给人类带来惠益的同时，也带来了一系列的生物安全问题及相关争论。
[0003] 随着生命科学的迅速发展，生物企业之间的竞争越来越激烈，为了获取最大的经 济效益，具有优良性状的生物是企业觊觎的对象，具有优良性状的生物的流失会使企业遭 受巨大的经济损失，有些生物对人类具有潜在的危险，会严重威胁人类健康和社会稳定。因 此，如何对生物进行保护成为生物安全问题中的重要内容，并且引起了高度的重视。但是目 前只是在法律道德层面上约束人们的行为，在基因水平上对生物进行保护和控制是一个具 有挑战性的全新思想，本发明在生物安全、生物安保和微生物菌种保护方面具有广泛的应 用。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是保护具有优良性状的生物，提供一种基因密码锁的设计方法对生 物进行保护。为实现上述目的，这种基因密码锁通过细胞分裂抑制系统、多层与门基因线路 和sRNA调控系统这三个基因线路实现细胞生长的可控调节。构建基因线路保护生物的方 法通过以下步骤实现：一、构建细胞分裂抑制系统实现生物细胞分裂的可控调节。二、构建 信号分子诱导的多层与门基因线路实现多密码的输入。三、设计对目标基因具有抑制作用 的sRNA和sRNA调控系统实现密码的顺序输入。
[0005] 本发明的目的通过以下技术方案实现：
[0006] -、构建细胞分裂抑制系统实现生物细胞分裂的可控调节：克隆控制和调节抑制 细胞分裂相关的基因（包括slmA、sulA、minC、minD和minE及其突变基因等），组装得到 min⑶、minDE、minCE、min⑶E等各种组合的功能元器件，并将其构建到细胞分裂抑制系统 的基因线路中。细胞分裂抑制系统的基因线路顺序由组成型启动子I (P-I)、核糖体结合位 点I(RBS-I)、降解信号分子的基因、终止子I(T-I)，组成型启动子II(P-II)、核糖体结合 位点II(RBS-II)、信号分子结合蛋白基因（包括LuxR和lasl及其突变基因等）、终止子 II (T-II)，信号分子与结合蛋白作用抑制的启动子III (P-III包括LuxpL和pBAD及其突 变启动子等）、核糖体结合位点III (RBS-III)、抑制细胞分裂的组合功能基因元器件组成。 二、构建信号分子诱导的多层与门基因线路实现多密码的输入：以不同的信号分子（包括 阿拉伯糖Ara和异丙基--D-硫代吡喃半乳糖苷IPTG等）作为密码分别激活不同的诱导 型启动子I (P-I包括pBAD、pTac和pTet及其突变启动子等）调控的伴侣蛋白基因（包括 ipgC和sicA及其突变基因等）和转录因子（包括mxiE和invF及其突变体等）的表达，伴 侣蛋白和转录因子可以形成蛋白复合体，从而激活下游诱导型启动子II (P-II包括pipaH 和psicA及其突变启动子等）；第一层与门基因线路的组成为：诱导型启动子I调控表达的 伴侣蛋白和转录因子相互作用形成蛋白复合体能够激活下游诱导型启动子II ;第二层与 门基因线路的组成为：诱导型启动子II调控表达的伴侣蛋白和诱导型启动子I调控表达的 转录因子相互作用形成蛋白复合体能够激活下游诱导型启动子III ;以此类推可构建多层 与门基因线路。三、设计对目标基因具有抑制作用的sRNA和sRNA调控系统实现密码的顺序 输入：设计对特定基因具有抑制作用的sRNA，sRNA由mRNA结合区和支架结构等组成，sRNA 的mRNA结合区可以与特定基因区域互补配对，与核糖体竞争mRNA结合位点，从而有效地抑 制特定基因的表达。sRNA调控系统构建到载体（包括pSBlC3和pET28a等）上，由两部分 组成，第一部分由组成型启动子I (P-I)、sRNA和终止子I (T-I)组成，第二部分由组成型启 动子II (P-II)、被抑制基因和报告基因（包括rfp和lacz等）组成。
[0007] 本发明中设计基因密码锁的分子调控方法，具有以下优点：
[0008] 1、本发明构建的细胞分裂抑制系统实现了生物细胞分裂的可控调节。
[0009] 2、本发明构建的多层与门基因线路实现了密码的输入。
[0010] 3、本发明设计的对目标基因具有抑制作用的sRNA和sRNA调控系统实现了密码的 顺序
[0011] 输入。
[0012] 4、本发明中保护生物的方法为生物安全和生物安保问题提供了新的思路。
【附图说明】
[0013] 图1:是利用电子显微镜验证细胞分裂抑制基因功能的细胞形态图。左图是对照 组大肠杆菌的细胞形态图，右图是实验组大肠杆菌的细胞形态图。
[0014] 图2:是细胞分裂抑制系统的基因线路图。J23119为组成型启动子，B0034为核糖 体结合位点，Aii基因表达的蛋白质可以分解AHL(酰基高丝氨酸内酯），AHL与LuxR表达 的蛋白质相互作用可以激活启动子LuxpL，min基因对大肠杆菌细胞分裂具有抑制作用。
[0015] 图3:是单层与门基因线路图。J23119为组成型启动子，Ara为信号分子阿拉伯糖， 可以激活诱导型启动子pBAD，IPTG为信号分子异丙基--D-硫代吡喃半乳糖苷，可以激活 诱导型启动子pTac。ipgC基因表达的伴侣蛋白和mxiE基因表达的转录因子相互作用形成 蛋白复合体能够激活下游诱导型启动子pipaH。rfp基因表达的红色荧光蛋白作为报告基 因验证与门基因线路的功能。
[0016] 图4 :是设计的抑制ipgC的sRNA-ipgC结构图。sRNA由mRNA结合区和支架结构 组成。
[0017] 图5 :是构建的sRNA调控系统载体图。sRNA调控系统由构建到载体PSB1C3上的 BOX1和BOX2两部分组成，BOX1由组成型启动子J23119、sRNA和终止子B0015组成；BOX2 由组成型启动子J23119、基因ipgC和报告基因rfp组成。
[0018]图6 :是基因密码锁的整体线路关系图。由细胞分裂抑制系统、多层与门基因线路 和sRNA调控系统组成。
[0019] 图7:是基因密码锁整体基因线路在氨基酸生产菌大肠杆菌中的应用。对照是加 入正确顺序信号分子的大肠杆菌在37°C的生长曲线，工程菌是加入错误顺序信号分子的 大肠杆菌在37°C的生长曲线。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合实施例，对本发明的【具体实施方式】进一步详细描述。以下实施例用于说 明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0021] 实施实例1 :单功能元件组装
[0022] 1.以大肠杆菌为研宄对象，通过NCBI数据库已完成测序的大肠杆菌MG1655中查 阅对大肠杆菌细胞分裂具有抑制作用的功能基因，选取大肠杆菌中minC基因、minD基因、 minE基因作为功能元件。从大肠杆菌基因组上克隆得到对细胞分裂具有抑制作用的基因 minC、minD、minE。minC、minD、minE 两端分别设置 EcoR I 和 Xho I 酶切位点。
[0023] 引物序列为：
[0024]minC-F :5' >CCGGAATTCATGTCAAACACGCCAATCGAGCTT<3?，下划线序列为 EcoR I 酶 切位点和保护碱基。
[0025] minC-R :5' >CCGCTCGAGTCAATTTAACGGTTGAACGGTC<3'，下划线序列为 Xho I 酶切 位点和保护碱基。
[0026] minD-F : 5 ' >CCGGAATTCATGGCACGCATTATTGTTGTTACTT<3 '，下划线序列为 EcoR I 酶切位点和保护碱基。
[0027] minD-R :5' >CCGCTCGAGTTATCCTCCGAACAAGCGTTTGAGG〈3'，下划线序列为 Xho I 酶 切位点和保护碱基。
[0028] minE-F : 5 ' >CCGGAAITCATGGCATTACTCGATITCTITCTCT〈3 '，下划线序列为 EcoR I 酶切位点和保护碱基。
[0029] minE-R :5' >CCGCTCGAGTTATTTCAGCTCTTCTGCTTCCGGT〈3'，下划线序列为 Xho I 酶 切位点和保护碱基。
[0030] 2?通过 0E-PCR 连接组装得到 minCD、minDE、minCE、minCDE。minC、minD、minE、 min⑶、minDE、minCE、min⑶E两端分别设置EcoR I和Xho I酶切位点，将得到的所有基因 与pET-28a(+)载体双酶切后连接载体pET-28a，热激转化大肠杆菌，实现元件与大肠杆菌 的集成，以抑制大肠杆菌的细胞分裂。
[0031] (l)minC与minD通过0E-PCR连接组装得到mi