塑性工程

由Cody Cobb撰写

很久以前-在您或您的家庭相册中的任何人出生之前-一个很小的,没有张扬的蓝细菌正忙于被另一个细胞吞噬。吞噬细胞’的意图最有可能遵循“Yum, food!”,但对我们来说幸运的是,蓝细菌没有被消耗掉。相反,它呆在那里,在贪婪的俘虏之内建立了新家。现在我们知道,这次不幸的事故是迈向绿色环保的重要一步, 内共生更多的植物星球,因为我们的小蓝细菌是那个最杰出的细胞器的光合作用祖先: 叶绿体.
(根据法律,对叶绿体起源的任何讨论都迫使我提及线粒体的相似起源。现在满足了这些要求,让我们现在继续。)
这篇文章的重点将是技术性而非生物学性,但是在继续之前,我们需要摆脱一些基本事实。 简要地:
•叶绿体与白细胞,蛋白质体,弹性体,淀粉状体,石蕊和色质体一起属于一类细胞器,称为 质体。这些其他质体的名称’只要您意识到叶绿体不是’是镇上唯一的游戏。那’为什么这篇文章的标题是“Plastid Engineering” and not “叶绿体工程。”559px-Plastids_types_cs.svg
•质体与其宿主细胞分开复制,在任何给定的细胞中可以有100至1,000个质体。此外,质体包含其基因组的多个副本( 质体)到单个植物细胞可能包含10,000个质体组的程度。相比之下,核基因组只有一个拷贝(这显然是不正确的,但是我们’再说几个数量级)。
•质体的行为很像原核生物。他们的基因组是圆形的,他们的蛋白质是’糖基化(即连接有糖),它们可以加工多顺反子mRNA(即从单个mRNA产生的一种以上蛋白质;大多数真核基因是单顺反子)。
•历史上,大多数质体基因已经迁移到细胞核中,即使产生的蛋白质可能仍在质体中积累。这些蛋白质反而通过特定的靶向序列带回到质体。最初的蓝细菌祖先丢失了许多基因,如今在大多数质体中仅留下了约3,000个原始基因中的50至200个。在科学和农业上重要的物种中,这些基因都已被测序和鉴定。
•质体是唯一地继承的,也就是说,是从一个父级继承而来的,而不是另一个。在大多数开花植物中,仅母体质体被传递。在某些物种(例如松树)中,花粉中的父系传播是常态。
028d_plastiden_144x110理想情况下,当您仔细研究这些事实时,您的大脑就开始拼凑起来,我们为什么要修补质体而不是核质的原因—脱氧核糖核酸。单亲继承是一个大问题:即使对转基因作物一无所知的人也知道’比如说一位农民对转基因玉米的担忧’污染了他们邻居的非转基因玉米’的字段。带有基因工程质体的农作物(以惊人的复古名称着称 塑体组学)唐’因为质体没有’通常在花粉中发现。当然,从技术上讲,植物生物学是一门生物学,因此有一些例外需要解决。
极端多倍性是另一个吸引人的特征:将目的基因(GOI)插入叶绿体基因组中意味着该基因的拷贝数多达10,000或更多 每个单元。这确实(非常!)转化为非常高水平的蛋白质生产。而且由于大多数质体基因组已经被很好地表征,因此我们可以提前知道插入的DNA将在哪里结束。
非糖基化的有用性取决于外源基因的来源。植物,哺乳动物,真菌和昆虫均具有不同的糖基化模式,质体和原核生物根本不参与该仪式。因此,通常存在于原核生物中的蛋白质在质体中的产生相同,而真核生物来源的蛋白质可能缺少对其功能至关重要的结构元素(或者该蛋白质可能会发现没有这些多余的糖就可以了,你永远不会知道)。
那么,质体工程学有哪些局限性和问题?要回答这个问题,我们首先必须学习如何形成转质体植物。
莱茵衣藻如今,只有少数物种的质体成功转化。 1988年,使用单细胞藻类创造了第一个转质体生物 莱茵衣藻,因为只有一个大的叶绿体。两年后,建立了稳定的烟草转基因组学。从那时起,马铃薯,番茄,油菜籽,花椰菜,杨树,大米,大豆和其他一些马铃薯获得了不同程度的成功,但仅在烟草中是质体转化的常规方法。
质体转化的第一步是将新基因引入旧基因。通常,这是通过 粒子轰击 (“biolistics” or the “gene gun”) or 聚乙二醇 (PEG)处理。在后者中,您去除植物细胞的细胞壁以产生原生质体,然后使其经受DNA在PEG中的溶液,而在前者中,您基本上是用DNA射击植物。由于粒子轰击是两者中最常用的一种,’ll解释其机制。
首先,您需要一个感兴趣的基因 质粒 (由几个基因组成的小圆圈,可以在细菌中生长和纯化)。质粒还将包含选择标记(赋予对壮观霉素,链霉素或卡那霉素等抗生素抗性的基因)和视觉标记(绿色荧光蛋白或其衍生物)。 GOI,选择标记和视觉标记的两侧将是质体基因组中经过精心选择的序列,以便 同源重组 (参见进一步阅读)不会破坏正常质体基因的功能。质体重组
接下来,质粒在细菌中大量表达并纯化,然后粘附在钨或金的小颗粒上,直径通常小于百万分之一米。将一小部分叶子组织放入低压真空室中,并用一连串的DNA包覆粒子轰击,将大部分粒子抹去。
37p_spross-transplastom_04-09_144x158此时,很小一部分的剩余组织将包含转化的质体。更糟糕的是,存活的具有转化质体的细胞仍将压倒性地含有未转化的质体。下一步是该过程中最冗长且最繁琐的部分,因为现在必须将被轰击的组织诱使其再生为全新的植物,同时消除可能仍保留的任何未转化的质体。严格的抗生素方案应用于新兴的小植株,GFP的目测检查揭示了转化质体的区域。然后将这些区域切成薄片,并在其自身的再生媒体上生长。在完全转化质体的状态之前,重复此过程约20个细胞分裂(同质的) 已完成。一旦达到,在没有选择抗生素的情况下让小苗生长,并使其种子成熟。如果后代显示为同质,则认为该品系稳定转化。
那么你’我创造了一种转基因植物。怎么办?显然,抗生素抗性基因不再对您有任何好处,所以您’我必须找到一种摆脱它的方法,以免它耗尽宝贵的代谢资源并阻碍植物生长’的成长。我们如何确定质体遗传是单亲的?著名的混沌理论家伊恩·马尔科姆(Ian Malcolm)曾经认真地生活过,如果生活找到了办法,该怎么办?应该’我们是否进行了一些测试来确定通过花粉转运质体的可能性?那么那些真正重要的植物谷物呢?为什么它们的质体如此难以转化?安马尔科姆
所有重要的问题,是的,但是我们’在本入门中已经达到1200多个单词,因此您’我将不得不等待后续的帖子来激发您的好奇心!
进一步阅读:
网页
质体转化
死树
Daniell H.,Khan M.S.,& Allison, L. (2002). 叶绿体基因工程的里程碑:生物技术的环保时代. 植物科学趋势,7(2),84-91。 PMID:11832280
Maliga,P.(2004年)。 高等植物的质体转化. 植物生物学年鉴,55,289-313。 PMID:15377222
codycobb_acerCody Cobb是第一年的博士学位。植物生物学专业的学生&新泽西州立大学罗格斯分校的病理学。在此之前,他一生都在德克萨斯州生活,目前正享受着他的第一个秋天。他觉得应该提到自己最早的台式电脑是Acer。他的“胡子”也是如此。

由客座专家撰写

科迪·科布(Cody Cobb)是一位崭新的医生,是植物生物学家和摄影爱好者。他在得克萨斯州A获得医学博士学位&M健康科学中心医学院。在上医学院之前,他曾在罗格斯大学(Rutgers University)学习植物生物学和植物病理学。

向上滑动