Structure-function studies of serine hydrolases: synthesis of a gene for ∝-lytic protease and the purification and characterization of a mutant β-lactamase

The author has constructed a synthetic gene for ∝-lytic protease. Since the DNA sequence of the protein is not known, the gene was designed by using the reverse translation of ∝-lytic protease's amino acid sequence. Unique restriction sites are carefully sought in the degenerate DNA sequence to aid in future mutagenesis studies. The unique restriction sites are designed approximately 50 base pairs apart and their appropriate codons used in the DNA sequence. The codons used to construct the DNA sequence of ∝-lytic protease are preferred codons in E-coli or used in the production of β-lactamase. Codon usage is also distributed evenly to ensure that one particular codon is not heavily used. The gene is essentially constructed from the outside in. The gene is built in a stepwise fashion using plasmids as the vehicles for the ∝-lytic oligomers. The use of plasmids allows the replication and isolation of large quantities of the intermediates during gene synthesis. The ∝-lytic DNA is a double-stranded oligomer that has sufficient overhang and sticky ends to anneal correctly in the vector. After six steps of incorporating ∝-lytic DNA, the gene is completed and sequenced to ensure that the correct DNA sequence is present and that no mutations occurred in the structural gene.

β-lactamase is the other serine hydrolase studied in this thesis. The author used the class A RTEM-1 β- lactamase encoded on the plasmid pBR322 to investigate the roll of the conserved threonine residue at position 71. Cassette mutagenesis was previously used to generate all possible amino acid substitutions at position 71. The work presented here describes the purification and kinetic characterization of a T71H mutant previously constructed by S. Schultz. The mutated gene was transferred into plasmid pJN for expression and induced with IPTG. The enzyme is purified by column chromatography and FPLC to homogeneity. Kinetic studies reveal that the mutant has lower k_(cat) values on benzylpenicillin, cephalothin and 6-aminopenicillanic acid but no changes in k_m except for cephalothin which is approximately 4 times higher. The mutant did not change siginificantly in its pH profile compared to the wild-type enzyme. Also, the mutant is more sensitive to thermal denaturation as compared to the wild-type enzyme. However, experimental evidence indicates that the probable generation of a positive charge at position 71 thermally stabilized the mutant.

Pharmacology and pore-forming domains of the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator

The cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) is a chloride channel member of the ATP-binding cassette (ABC) superfamily of membrane proteins. CFTR has two homologous halves, each consisting of six transmembrane spanning domains (TM) followed by a nucleotide binding fold, connected by a regulatory (R) domain. This thesis addresses the question of which domains are responsible for Cl^- selectivity, i.e., which domains line the channel pore.

To address this question, novel blockers of CFTR were characterized. CFTR was heterologously expressed in Xenopus oocytes to study the mechanism of block by two closely related arylaminobenzoates, diphenylamine-2-carboxylic acid (DPC) and flufenamic acid (FFA). Block by both is voltage-dependent, with a binding site ≈ 40% through the electric field of the membrane. DPC and FFA can both reach their binding site from either side of the membrane to produce a flickering block of CFTR single channels. In addition, DPC block is influenced by Cl^- concentration, and DPC blocks with a bimolecular forward binding rate and a unimolecular dissociation rate. Therefore, DPC and FFA are open-channel blockers of CFTR, and a residue of CFTR whose mutation affects their binding must line the pore.

Screening of site-directed mutants for altered DPC binding affinity reveals that TM-6 and TM-12 line the pore. Mutation of residue 5341 in TM-6 abolishes most DPC block, greatly reduces single-channel conductance, and alters the direction of current rectification. Additional residues are found in TM-6 (K335) and TM-12 (T1134) whose mutations weaken or strengthen DPC block; other mutations move the DPC binding site from TM-6 to TM-12. The strengthened block and lower conductance due to mutation T1134F is quantitated at the single-channel level. The geometry of DPC and of the residues mutated suggest α-helical structures for TM-6 and TM-12. Evidence is presented that the effects of the mutations are due to direct side-chain interaction, and not to allosteric effects propagated through the protein. Mutations are also made in TM-11, including mutation S1118F, which gives voltage-dependent current relaxations. The results may guide future studies on permeation through ABC transporters and through other Cl^- channels.

Engineering multi-step electron tunneling systems in proteins

Multi-step electron tunneling, or “hopping,” has become a fast-developing research field with studies ranging from theoretical modeling systems, inorganic complexes, to biological systems. In particular, the field is exploring hopping mechanisms in new proteins and protein complexes, as well as further understanding the classical biological hopping systems such as ribonuclease reductase, DNA photolyases, and photosystem II. Despite the plethora of natural systems, only a few biologically engineered systems exist. Engineered hopping systems can provide valuable information on key structural and electronic features, just like other kinds of biological model systems. Also, engineered systems can harness common biologic processes and utilize them for alternative reactions. In this thesis, two new hopping systems are engineered and characterized.

The protein Pseudomonas aeruginosa azurin is used as a building block to create the two new hopping systems. Besides being well studied and amenable to mutation, azurin already has been used to successfully engineer a hopping system. The two hopping systems presented in this thesis have a histidine-attached high potential rhenium 4,7-dimethyl-1,10-phenanthroline tricarbonyl [Re(dmp)(CO)3] + label which, when excited, acts as the initial electron acceptor. The metal donor is the type I copper of the azurin protein. The hopping intermediates are all tryptophan, an amino acid mutated into the azurin at select sites between the photoactive metal label and the protein metal site. One system exhibits an inter-molecular hopping through a protein dimer interface; the other system undergoes intra-molecular multi-hopping utilizing a tryptophan “wire.” The electron transfer reactions are triggered by excitation of the rhenium label and monitored by UV-Visible transient absorption, luminescence decays measurements, and time-resolved Infrared spectroscopy (TRIR). Both systems were structurally characterized by protein X-ray crystallography.

Biological electron transfer in copper proteins

Nature has used a variety of protein systems to mediate electron transfer. In this thesis I examine aspects of the control of biological electron transfer by two copper proteins that act as natural electron carriers.

In the first study, I have made a mutation to one of the ligand residues in the azurin blue copper center, methionine 121 changed to a glutamic acid. Studies of intramolecular electron transfer rates from that mutated center to covalently attached ruthenium complexes indicate that the weak axial methionine ligand is important not only for tuning the reduction potential of the blue copper site but also for maintaining the low reorganization energy that is important for fast electron transfer at long distances.

In the second study, I begin to examine the reorganization energy of the purple copper center in the CuA domain of subunit II of cytochrome c oxidase. In this copper center, the unpaired electron is delocalized over the entire binuclear site. Because long-range electron transfer into and out of this center occurs over long distances with very small driving forces, the reorganization energy of the CuA center has been predicted to be extremely low. I describe a strategy for measuring this reorganization energy starting with the construction of a series of mutations introducing surface histidines. These histidines can then be labeled with a series of ruthenium compounds that differ primarily in their reduction potentials. The electron transfer rates to these ruthenium compounds can then be used to determine the reorganization energy of the CuA site.

Caracterização de alterações epigenéticas no gene JARID1C e desequilíbrios genéticos como causas do retardo mental ligado ao x de etiologia idiopática

O retardo mental (RM) é caracterizado por um funcionamento intelectual significantemente abaixo da média (QI<70). A prevalência de RM varia entre estudos epidemiológicos, sendo estimada em 2-3% da população mundial, constituindo assim, um dos mais importantes problemas de saúde pública. Há um consenso geral de que o RM é mais comum no sexo masculino, um achado atribuído às numerosas mutações nos genes encontrados no cromossomo X, levando ao retardo mental ligado ao X (RMLX). Dentre os genes presentes no cromossomo X, o Jumonji AT-rich interactive domain IC (JARID1C) foi recentemente identificado como um potencial candidato etiológico do RM, quando mutado. O JARID1C codifica uma proteína que atua como uma desmetilase da lisina 4 da histona H3 (H3K4), imprescindível para a regulação epigenética. Tão recente como a identificação do gene JARID1C, é a descoberta de que mudanças no número de cópias de sequências de DNA, caracterizadas por microdeleções e microduplicações, poderiam ser consideradas como razões funcionalmente importantes de RMLX. Atualmente, cerca de 5-10% dos casos de RM em homens são reconhecidos por ocorrerem devido a estas variações do número de cópias no cromossomo X. Neste estudo, investigamos mutações no gene JARID1C, através do rastreamento dos éxons 9, 11, 12, 13, 15 e 16, em 121 homens de famílias com RM provavelmente ligado ao X. Paralelamente, realizamos a análise da variação do número de cópias em 16 genes localizados no cromossomo X através da técnica de MLPA no mesmo grupo de pacientes. Esta metodologia consiste em uma amplificação múltipla que detecta variações no número de cópias de até 50 sequências diferentes de DNA genômico, sendo capaz de distinguir sequências que diferem em apenas um nucleotídeo. O DNA genômico foi extraído a partir de sangue periférico e as amostras foram amplificadas pela técnica de PCR, seguida da análise por sequenciamento direto. Foram identificadas três variantes na sequência do gene JARID1C entre os pacientes analisados: a variante intrônica 2243+11 G>T, que esteve presente em 67% dos pacientes, a variante silenciosa c.1794C>G e a mutação inédita nonsense c.2172C>A, ambas presentes em 0,82% dos indivíduos investigados. A análise através do MLPA revelou uma duplicação em um dos pacientes envolvendo as sondas referentes ao gene GDI1 e ao gene HUWE1. Este trabalho expande o estudo de mutações no gene JARID1C para a população brasileira ereforça a importância da triagem de mutações neste gene em homens portadores de RM familiar de origem idiopática, assim como, é primeiro relato científico relativo à investigação de variações no número de cópias de genes localizados no cromossomo X em homens brasileiros com RM, através da técnica de MLPA.

Estudo do polimorfismo Ser49Gly do gene do receptor beta adrenérgico 1 (β-adr 1) na população do estado do Rio de Janeiro, Brasil estratificada por cor da pele e ancestralidade genômica

As doenças cardiovasculares possuem a maior taxa de óbitos no mundo, e notavelmente nos últimos anos as pesquisas genéticas sobre as mesmas estão baseadas em estudos de associação, no qual o gene suspeito que esteja em maior frequência entre os pacientes passa a ser considerado um possível fator causal. Os polimorfismos genéticos que ocorrem no receptor beta-adrenérgico podem resultar em mudanças significativas na função do receptor, podendo acarretar fisiopatologias. Neste trabalho, o objetivo foi estimar a diversidade e a frequência do polimorfismo Ser49Gly do gene do receptor beta-adrenérgico 1 a partir de uma amostra de 188 indivíduos da população do Estado do Rio de Janeiro. As frequências também foram analisadas a partir da estratificação da amostra por critério fenotípico em função do padrão de cor da pele em (negros e não negros) ou ancestralidade genética em (afrodescendente e não afrodescendente), definida através da informação dos marcadores de ancestralidade Indels e SNP de cromossomo Y, para avaliar se os padrões de ancestralidade ou cor da pele são fundamentais para a diferenciação e distanciamento genético. Fragmentos de interesse foram amplificados por PCR (reação de cadeia de polimerase) com primers específicos para o marcador Ser49Gly e as reações de genotipagem foram realizadas com enzimas de restrição Eco0109I. Os valores da heterozigosidade variaram entre 0,25-0,50 e 0,20-0,41 nos grupos estratificados por ancestralidade e cor da pele, respectivamente. No que diz respeito à análise do equilíbrio de Hardy-Weinberg, não houve um desvio significativo na distribuição do marcador nas amostras gerais do Estado do Rio de Janeiro, ou mesmo nas amostras estratificadas. A distribuição dos alelos na amostra dos 188 indivíduos da população geral do Rio de Janeiro (AC_RJ) mostrou uma frequência de 80,30% e 19,70% para o alelo selvagem e mutado Ser49Gly, respectivamente. A comparação das análises sobre a distribuição das frequências alélicas para este marcador mostrou a ocorrência de diferenças significativas na distribuição das frequências alélicas entre negros e não negros e afrodescendentes e não afrodescendentes. A diferença significativa observada entre os negros e afrodescendentes, foi em menor grau de distanciamento. A informação obtida em relação à ancestralidade foi crucial para a obtenção dos dados sobre o aumento da variável mutada do polimorfismo Ser49Gly nas populações negras e afrodescendentes do Estado Rio de Janeiro. Tal evidência, em combinação com estudos clínicos podem contribuir para uma análise pormenorizada do padrão de susceptibilidade à doença em questão, em falhas do mecanismo deste receptor.

Bases moleculares da multiresistência a drogas em Mycobacterium tuberculosis

A tuberculose (Tb) é a principal causa de morte no mundo, por um agente infeccioso. O tratamento padrão é a quimioterapia: rifampicina (RMP), isoniazida (INH) e pirazinamida (PZA). O maior problema global da Tb é o aumento de cepas multirresistentes (resistência pelo menos à INH e à RMP) do Mycobacterium tuberculosis (MTb). A resistência à INH e RMP ocorre geralmente por mutação genética nos genes KatG e rpoB, respectivamente. Os objetivos deste trabalho foram: 1. Analisar os tipos e freqüências de mutações em duas regiões iniciais do gene katG do MTb. 2. Determinar os tipos e freqüências das mutações no gene rpoB. Duas regiões do gene katG e uma do gene rpoB foram amplificadas por PCR e seqüenciadas para o diagnóstico das mutações. Para a análise do gene katG foram utilizadas 101 cepas. Dentre estas, 4 eram sensíveis e não apresentaram mutação (controle). Das 97 cepas restantes, na primeira região seqüenciada do KatG, não ocorreram mutações em 67. Nas outras 30 cepas houve 33 deleções de nucleotídeos, sendo que 24 ocorreram no último nucleotídeo do códon 4 (24,7%), o que caracterizou um novo alelo. Na região 2, dentre as 97 cepas não houve mutação em 16 - sete estavam associadas a ausência de mutação na região 1. Ocorreram 83 mutações pontuais, sendo 75,3% no códon 315. Sete cepas resistentes a INH não apresentaram mutações em nenhuma das duas regiões analisadas. As mutações na região 2 permitiram o diagnóstico de resistência à INH em 79 cepas ou 81,4%. Nove cepas que não mostraram mutações na região 2 tiveram mutações na região 1. Logo, esta região permitiu o acréscimo do diagnóstico de resistência à INH para 88 cepas, aumentando a positividade em 9,3%. Em sete casos resistentes não houve mutação em ambas as regiões. Na análise do gene rpoB usamos 120 cepas de MTb. Nenhuma mutação foi encontrada em 13 isolados resistentes à RMP. O códon que apresentou maior freqüência de mutação foi o 531 (45.6%), seguido pelo 526 (26%) e 516 (12.5%). Em outros onze códons, foi encontrado um total de 18 mutações (15.2%), principalmente nos códons 511 (3.4%) e 513 (3.4%). Nenhum dos isolados sensíveis à RMP apresentou mutações. No Estado do Rio de Janeiro, as mutações mais freqüentes foram: 516 (5%), 526 (2.5 %) e 531 (21.2%). Dentre os outros estados, as mutações mais freqüentes foram: 516 (2.5 %), 526 (11%) e 531 (19.4%). A freqüência de mutações dos isolados do Rio de Janeiro foi comparada com a encontrada nos outros estados, mas quando o removemos da análise, a freqüência de mutações nos códons 531 e 526 para os outros 15 estados é semelhante. A análise estatística mostra que este dado é significativo (p=0.002). No entanto, quando todos os estados são analisados simultaneamente, o códon 531 é novamente o mais freqüentemente mutado. A análise do gene rpoB diagnosticou a resistência à rifampicina em 89,17% das cepas. Nossos resultados confirmam que, no Brasil, mutações na região RRDR do gene rpoB podem predizer resistência a RMP.

Perfil genético por sequenciamento e genotipagem de cepas multirresistentes do Mycobacterium tuberculosis provenientes de diversos estados brasileiros

A tuberculose multirresistente (MR) a drogas é uma séria ameaça à saúde pública devido à maiores complexidade, custo e efeitos colaterais do tratamento. Poucos estudos descreveram a epidemiologia molecular de isolados de Mycobacterium tuberculosis MR no Brasil. Neste trabalho foi investigada a diversidade genética e mutações associadas à resistência a drogas de 99 isolados MR e 7 não MR coletados em um período de 8 anos e provenientes de 12 estados brasileiros. Esta investigação foi feita através da análise do polimorfismo de fragmentos de restrição do elemento de inserção IS6110 (IS6110-RFLP), spoligotyping e sequenciamento de regiões dos genes rpoB e katG que conferem resistência aos antibióticos rifampicina e isoniazida, respectivamente. Mutações nos genes katG e rpoB foram encontradas em 90,9% e 93% dos isolados MR analisados, respectivamente. Para o gene rpoB, 91,9% das mutações estavam contidas na região RRDR de 81-pb. Um total de 51 (51.5%), 23 (23.3%) e 11 (11.1%) isolados MR apresentaram mutações nos códons 531, 526 e 516, respectivamente. Com relação ao gene katG, foram encontradas mutações em 93% dos isolados MR analisados, sendo que 7 apresentaram mutações apenas na primeira região analisada (katG1). O codon 315 da segunda região analisada do gene katG (katG2) apresentou mutações em 82.8% dos isolados MR, sendo a maioria Ser315Thr. A região katG1 apresentou mutações em 30.3% dos isolados MR sendo a maioria deleção do códon 4. Pelo spoligotyping foi possível determinar que os isolados MR deste estudo pertencem a 5 diferentes famílias (com suas subfamílias) de M. tuberculosis circulantes no Brasil, onde as mais frequentemente encontradas foram: LAM (46%), T (17%) e H (12%). Nós observamos que uma das famílias, a EAI5, carrega mutações no códon 463 do gene katG, o que não ocorre para as demais. Além disso, entre nossos isolados foi identificada um isolado pertencente à cepa Beijing (extremamente virulenta), mas este fato não é alarmante já que se tratou de apenas um caso. Através de nossos dados foram descritos novos alelos mutados para os genes rpoB e katG. Com exceção da família X2, foi identificada uma região inicial do gene katG com alta frequência de mutações nos isolados MR. A análise por IS6110-RFLP revelou que 25 isolados formaram 11 grupos genotípicos enquanto 74 mostraram um padrão único de bandas. Esta alta taxa de polimorfismo indica aquisição independente de resistência entre nossos isolados. Para a família H, foi identificada uma inversão na freqüência de ocorrência de mutações no gene rpoB, sendo o códon 516 o mais mutado, seguido pelo 526 e 531. Os resultados deste estudo fornecem informações úteis para um melhor entendimento do espectro de mutações dos isolados MR de pacientes no Brasil. Nossos resultados também se tornam úteis no desenvolvimento de testes diagnósticos de tuberculose MR e para auxiliar no rastreamento da transmissão global desta doença.

棕色固氮菌突变种(UW45、DJ54和DJ35)的缺失FeMoco钼铁蛋白的纯化、特性鉴定及结晶研究

一．棕色固氮菌突变种UW45、缺失nifH（DJ54）和缺失nifE(DJ35)突变种的钼铁蛋白的纯化、特性鉴定及结晶研究 棕色固氮菌突变种UW45的菌体破碎后，所得粗提物经两次DEAE 52柱层析后得到部分纯的nifB- MoFe蛋白和Fe蛋白。再经Sephacryl S-300和 DEAE柱的进一步纯化，便使nifB- MoFe蛋白基本达到SDS凝胶电泳纯。SDS-PAGE结果表明，nifB- MoFe蛋白具有与野生型棕色固氮菌（OP）MoFe蛋白相同的亚基种类和组成。此粗提物可为用NMF抽提的 OP MoFe蛋白的FeMoco激活，所得Fe蛋白具有与OP Fe蛋白相似的互补活性，可使OP MoFe的比活性达到2192 nmol C2H2/min/mg蛋白。FeMoco可使无互补活性的 nifB- MoFe蛋白与nifB- Fe蛋白组成具有可观放氢活性的固氮酶，使FeMoco显出的比活性接近文献报道的还原乙炔的最高值。对nifB- MoFe蛋白的结晶及晶体生长进行了的研究，初步探讨了结晶溶液各组分的种类和浓度、结晶方法和实验操作等与能否出现晶体及晶体的数目、大小、质量、形状和出晶时间等的相互关系。在结晶实验时，一次就得到了国内外尚未报道的该蛋白的短斜四棱柱的棕色晶体。目前所得的最大的晶体的二维边长都为0.1mm。初步结果表明，这种晶体可能就是nifB- MoFe蛋白的晶体。 从棕色固氮菌突变种DJ54中得到了ΔnifH MoFe蛋白;并参与了棕色固氮菌突变种DJ35的ΔnifE MoFe蛋白的分离纯化，所用方法与nifB- MoFe蛋白的分离纯化相似。对这两种突变种蛋白的特性和结晶进行了初步研究。在结晶实验时，也是一次就得到了国内外尚未报道的ΔnifH MoFe蛋白和ΔnifEMoFe蛋白的晶体。 二．新型固氮酶MnFe蛋白和CrFe蛋白的特性与结晶研究 在已有的工作基础上，分离纯化了几批MnFe蛋白和CrFe蛋白，并用部分纯的nifB- Fe蛋白进行活性互补，分别测定了MnFe蛋白和CrFe蛋白的底物还原活性。不断优化MnFe蛋白和CrFe蛋白晶体生长条件，获得了晶质良好的MnFe蛋白和CrFe蛋白的较大晶体。 在2001年的“神舟2号”飞船搭载实验中，MnFe蛋白的出晶率达到100%，所获得的晶体也比地面对照略厚些。继续进行MnFe蛋白和CrFe蛋白的空间计划的地面匹配实验，以满足对蛋白质样品的要求，以保证宇宙飞船“神舟3号”的蛋白质搭载实验获得更好的结果。

Site-directed PEGylation of trichosanthin retained its anti-HIV activity with reduced potency in vitro

Trichosanthin (TCS) was the first ribosome inactivating protein found to possess anti-HIV-1 activity. Phase I/II clinical trial of this compound had been done. Antigenicity and short plasma half-life were the major side effects preventing further clinical trial. Modification of TCS is therefore necessary to revive the interest to develop this compound as an anti-HIV agent. Three potential antigenic sites (Ser-7, Lys-173, and Gln-219) were identified by computer modeling. Through site-directed mutagenesis, these three antigenic amino acids were mutated to a cysteine residue resulting in 3 TCS mutants, namely S7C, K173C, and Q219C. These mutants were further coupled to polyethylene glycol with a molecular size of 20 kDa (PEG) via the cysteine residue. This produced another three TCS derivatives, namely PEG(20)k-S7C, PEG(20)k-K173C, and PEG(20)k-Q219C. PEGylation had been widely used recently to decrease immunogenicity by masking the antigenic sites and prolong plasma half-life by expanding the molecular size. The in vitro anti-HIV-1 activity of these mutants and derivatives was tested. Results showed that the anti-HIV-1 activity of S7C, K173C, and Q219C was decreased by about 1.5- to 5.5-fold with slightly lower cytotoxicity. On the other hand, PEGylation produced larger decrease (20- to 30-fold) in anti-HIV activity. Cytotoxicity was, however, weakened only slightly by about 3-fold. The in vitro study showed that the anti-HIV activity of PEGylated TCS was retained with reduced potency. The in vivo activity is expected to have only slightly changed due to other beneficial effects like prolonged half-life. (C) 2004 Elsevier Inc. All rights reserved.

Coupling between NMDA receptor and acid-sensing ion channel contributes to ischemic neuronal death

Acid-sensing ion channels (ASICs) composed of ASIC1a subunit exhibit a high Ca2+ permeability and play important roles in synaptic plasticity and acid-induced cell death. Here, we show that ischemia enhances ASIC currents through the phosphorylation at Ser478 and Ser479 of ASIC1a, leading to exacerbated ischemic cell death. The phosphorylation is catalyzed by Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) activity, as a result of activation of NR2B-containing N-methyl-D-aspartate subtype of glutamate receptors (NMDARs) during ischemia. Furthermore, NR2B-specific antagonist, CaMKII inhibitor, or overexpression of mutated form of ASIC1a with Ser478 or Ser479 replaced by alanine (ASICla-S478A, ASIC1a-S479A) in cultured hippocampal neurons prevented ischemia-induced enhancement of ASIC currents, cytoplasmic Ca2+ elevation, as well as neuronal death. Thus, NMDAR-CaMKII cascade is functionally coupled to ASICs and contributes to acidotoxicity during ischemia. Specific blockade of NMDAR/CaMKII-ASIC coupling may reduce neuronal death after ischemia and other pathological conditions involving excessive glutamate release and acidosis.

Construction of cytoplasmic molecular markers distinguishing Danio rerio from Gobiocypris rarus at high identity domains based on MP-PCR strategy and Sybr Green I detection

To distinguish the cytoplasm of Danio rerio from that of Gobiocypris rarus, we cloned G. rarus COXI and constructed cytoplasmic molecular markers at the high identity domains of COXI by mutated primer PCR (MP-PCR for short). Then Sybr Green I was used to detect the single amplicon. As a result, we succeeded in getting the cytoplasmic molecular markers, G.M COXI and Z.M COXI, by MP-PCR strategy. They were used to detect the sperm-derived mtDNA in the sexual hybrid embryos (D. rerio female x G. rarus male) before the sphere stage. In the present study, all results demonstrate that MP-PCR approach and Sybr Green I detection are feasible to construct the molecular markers to identify genes that shared high identity.

RecA-mediated, targeted mutagenesis in zebrafish

We have evaluated the efficacy of RecA, a prokaryotic protein involved with homologous recombination, to direct site-specific mutagenesis in zebrafish embryos. For this we coinjected a vector containing a mutated enhanced green fluorescent protein (EGFP) gene plus 236-nucleotide corrective single-stranded DNAs coated with RecA into I-cell zebrafish embryos. Twenty-hours after fertilization, about 5% to 20% of injected embryos showed EGFP expression in I or more cells when RecA-coated corrective DNAs were used, but not when RecA was omitted. Mutated EGFP genes with 1-bp insertions or deletions were inefficiently activated, whereas those with 7-bp insertions were activated about 4-fold more efficiently. RecA-coated template strand had a higher efficiency than its complementary strand in activation of EGFP expression. Prior irradiation of the embryos with UV light enhanced RecA-mediated restoration of gene activity, suggesting that the effects we observed were augmented by one or more factors of zebrafish DNA repair systems.

~(12)C~(6+)离子束诱导HeLa细胞DNA损伤效应

本文研究了HeLa细胞经过12C6+离子束辐照之后的DNA损伤效应,及辐照后p53激活的分子机制。运用中性单细胞电泳技术,检测了HeLa细胞经过4Gy 12C6+离子束辐照间隔0、3、6和12h之后DNA的损伤情况,及0.5、1、2和4Gy 12C6+离子束辐照后即时的DNA损伤情况。同时运用细胞生长实时监测仪监测了HeLa细胞在经过0、0.5和1Gy 12C6+离子束辐照之后的生长变化,并运用AO/EB双染检测了辐照细胞24h后的凋亡情况。另外,利用8mmol/L的咖啡因[抑制ATM(ataxia-telangiectasia,mutated)和ATR(ATM and Rad3-related kinase)]和20μmol/L的wortmannin[抑制ATM和DNA-PK(DNA-dependent protein kinase)]处理HeLa细胞后再进行1Gy 12C6+离子束辐照,通过westernblot检测p53的表达。结果显示,12C6+离子束辐照可造成HeLa细胞的DNA损伤,损伤随剂量升高而升高但随测定间隔时间降低,诱导HeLa细胞发生凋亡;而且辐照后p53表达升高。结果证明12C6+离子束辐照可造成HeLa细胞的DNA损伤并诱导损伤修复及凋亡等效应,损伤效应相关因子p53被激活,并且激活依赖于ATM。

重离子束辐照诱变啤酒酵母线粒体DNA研究

摘要 II 5. 在不同注量离子束辐照后筛选出来的呼吸缺陷型酵母菌株中扩增获得位 于第 12 染色体上的 SOF1 基因，而在同样的扩增体系中没有得到野生型 菌株的该基因。 6. 选取离子束辐照后筛选出来的呼吸缺陷型酵母菌株再次进行辐照，发现 其在低剂量范围（＜0.93Gy）辐照下非常敏感，而在高剂量范围（＞ 0.93Gy）又表现出一定程度的辐射抗性。 结论： 1. 离子束辐照酵母细胞，直接或间接作用于酵母线粒体DNA，导致线粒体 DNA损伤，形成呼吸缺陷的酵母菌株。 2. I 类内含子和 II 类内含子对于离子束辐照的敏感性不同： II 类内含子比较 稳定，II 类内含子可能利用自身编码的反转录酶通过目的DNA引导的反 转录机制对受到辐照损伤的II 类内含子进行修复。 3. 离子束辐照后 SOF1 基因可能发生了突变，影响酵母细胞的生长。 4. 呼吸缺陷型酵母菌株因其线粒体 DNA发生变化及线粒体功能的改变， 使 呼吸缺陷型酵母菌株在不同剂量区的离子束辐照下表现不同辐射敏感 性。目的： 研究啤酒酵母的线粒体 DNA 在重离子辐照作用下的突变效应及其突变机 理。 材料与方法： 利用兰州重离子研究装置(HIRFL)加速的氖、碳离子辐照酵母细胞，用 TTC 显色培养基筛选呼吸缺陷型酵母菌株，并用 mtDNA 限制性酶切手段分析其突变 规律。采用 PCR扩增并对目的产物测序的方法对辐照后线粒体DNA上的 I 类内 含子和 II类内含子进行研究。 结果： 1. TTC 显色实验表明：离子束辐照导致酵母线粒体上的电子传递链发生改 变，产生的还原氢减少，造成呼吸缺陷。 2. 利用限制性酶切实验对线粒体 DNA进行研究，结果表明：离子束辐照诱 变筛选出来的呼吸缺陷型酵母菌株其线粒体DNA变化明显： 主要表现为 酶切条带缺失严重。即使在同一注量下筛选出来的呼吸缺陷型酵母菌株， 其酶切图谱也不相同。 3. 通过 PCR 手段对辐照后酵母线粒体 DNA 碱基序列进一步进行分析，发 现经不同注量离子束辐照后筛选出来的呼吸缺陷型酵母菌株，其I 类内含 子（ai4 and ai5）经设计不同引物进行扩增，没有获得目的条带，说明此 序列发生了突变，可能对离子束辐照比较敏感。 4. 经不同注量离子束辐照后筛选出来的呼吸缺陷型酵母菌株，其 II 类内含 子（ai2）的碱基序列与野生型相比没有变化，表现出在离子束辐照作用 下比较稳定的特性。