基本信息
- 项目名称：
- 创建新型细菌筛选系统发掘潜在药物靶标
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品构建了一个新的细菌筛选系统，它可以方便快捷地找到靶DNA序列和转录因子之间的特异性结合。我们利用该系统发现的100多个以前不知道功能的转录因子可能直接参与调控结核分枝杆菌的潜伏感染过程。其中一个名为WhiB-3的基因被首次发现能广泛调控结核分枝杆菌多个致病基因的表达，该基因作为结核病原潜伏感染及其耐药性的关键转录因子具有成为治疗结核病的药物靶点的潜力。因此，本研究为发掘结核分枝杆菌的转录调控提供了重要的数据，并且所构建的细菌单杂交系统可以广泛应用于其它生物物种中来研究DNA和蛋白质的相互作用。 本作品的核心内容于2009年2月18日发表在《Genome Research》杂志（影响因子11.2）在线发表。本作品的应用价值得到国家专利局的认定，申请了2项国家专利。并且本作品成果得国内外到多家媒体的广泛关注，在很多刊物和网站上都有报道。
- 详细介绍：
- 曾经蔓延全球的肺结核是由结核分枝杆菌通过空气传播感染人或动物而引起的，20世纪因医药事业的进步而消退。但是已被大多数人淡忘的肺结核近年来又“死灰复燃”，成为目前死亡率最高的人兽共患传染病，每年导致全球150－200万人死亡，并对农业造成了巨大损失。1993年，世界卫生组织宣布“全球结核病进入紧急状态”，呼吁采取紧急措施加强对结核病的防制。目前全世界范围内已经大大加强了对结核病原的研究。结核分枝杆菌是结核病的病原细菌，结核病之所以难以治疗是因为它对不利环境的适应性很强且容易进入潜伏状态。该细菌感染宿主时主要通过调节其自身基因的表达来适应宿主体内的不利环境，而许多这种调控发生在转录水平。结核分枝杆菌有约180个转录因子和13个sigma因子，其中大部分都是未知功能的，因此发掘结核分枝杆菌的重要基因的启动子DNA序列与转录因子间的相互作用可以为寻找治疗结核病的新药靶提供可能。 目前已有许多种报道过的方法可以比较有效地筛选蛋白质-DNA间的相互作用，然而这些方法也同时存在有限制其广泛应用的缺点：一些体外的筛选技术需要纯化处于活性状态的转录因子；一些筛选技术需要反复许多轮的实验才能最终得到特异性结合的蛋白质-DNA信息；而那些基于微阵列技术的筛选方法虽然可以大批量的分析相互作用关系，同时也需要对阵列和结果数据熟练的专业分析。体内研究DNA-蛋白质相互作用方法有酵母单杂交和细菌单杂交。与前者相比，细菌单杂交系统表现出更明显的优势。首先，其生长速度较快，因此利用细菌研究蛋白质-DNA间相互作用的周期较酵母短；其次，细菌较酵母而言具有更高的转化效率，因此利用细菌构建的文库容量更大，对于研究蛋白质-DNA间相互作用而言，信息量更大；再次，实验室条件下对于细菌DNA的处理较之酵母更便于操作。目前，细菌双杂交系统已经商业化并被广泛应用于蛋白质-蛋白质相互作用研究，而且，包括人、水稻等模式生物细胞的高通量pTRG基因文库也已商业化，但是却没有一个高效的可以与目前商业化的细菌双杂交相容的细菌单杂交系统。本研究建立了一个新型的细菌单杂交报告系统，能够在大肠杆菌中方便地研究DNA复制蛋白或转录因子与靶DNA之间特异性的相互作用，并且可以进行PCR产物的快速克隆亦能与商业化的pTRG基因文库完全相容，能够广泛应用于多种生物的新功能基因研究。 本研究将构建的细菌单杂交系统应用于结核分枝杆菌的转录调控研究中，能在常规实验条件下方便安全地研究其功能基因。本研究成功地利用该系统发现了100多个以前不知道功能的转录因子可能直接参与调控结核分枝杆菌的潜伏感染过程。特别是，一个名为whiB3的基因被首次发现能广泛调控结核分枝杆菌多个致病基因的表达，这暗示该基因可能在结核病原潜伏感染及其耐药性的产生中发挥关键作用。结核分枝杆菌的WhiB3基因是属于WhiB家族的一个转录因子，该基因首先在天蓝色链霉菌（S. coelicolor）中被发现，与气生菌丝的孢子形成有关。结核分枝杆菌WhiB家族含有7个成员（WhiB1 到 WhiB7），WhiB3是第一个被鉴定出来的。WhiB家族基因广泛存在于放线菌中而其它菌中没有，推测WhiB基因编码产物与细菌休眠有关的蛋白质。目前结核分枝杆菌得7个WhiB基因的功能尚不清楚，但是它们的功能存在一定的互补作用。有研究表明WhiB3基因影响宿主对结核分枝杆菌的免疫反应但不影响该菌的生长。并且WhiB3含有Fe-S簇，可以感受外界信号，调节结核分枝杆菌的代谢。到目前为止WhiB3的功能尚不清楚，本研究通过细菌单杂交系统发现WhiB3可以调控很多重要基因，WhiB3是细胞内感受氧化还原信号和代谢调控的关键转录因子，也为弄清WhiB家族其它基因提供了基础。因此，WhiB3基因作为结核病原潜伏感染及其耐药性的关键转录因子极具成为治疗结核病的药物靶点的潜力。 本作品的核心内容于2009年2月18日在《Genome Research》杂志在线发表Dissecting transcription regulatory pathways through a new bacterial one-hybrid reporter system. Genome Res, 2009, Feb 18.[Epub ahead of print]，doi:10.1101/ gr.086595.108 (影响因子：11.2) 本作品的应用价值得到国家专利局的认定，申请了2项国家专利： 1.于2009年1月15日申请国家专利，发明名称：一种细菌单杂交载体及制备方法，申请号：200910060524.9； 2.于2009年2月23号申请国家专利，发明名称：结核分枝杆菌WhiB3基因的新功能及应用，申请号：200910060839.3； 本作品成果得到国内外多家媒体的广泛关注，两个Nature出版社系列刊物《Nature China》和《Science-Business eXchange》都报道了本成果的亮点。在2009年2月25日科学时报头版报道，当日文汇报、湖北日报、楚天都市报和武汉晚报等多家报刊均有报道；同时中新网、新华网、新浪网、网易新闻以及多个地方网站都有报道。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 结核分枝杆菌是结核病的病原菌，该病原菌的研究一直存在两个突出问题，一是结核分枝杆菌生长极其缓慢，遗传操作不方便；另一个是它具有很强的感染致病能力，对研究人员健康存在威胁。因此，特别需要建立一个能在常规实验条件下方便安全地研究其功能基因的新技术。 本发明中我们希望构建一个在常规条件下对结核分枝杆菌的功能基因能进行方便安全研究的遗传操作平台，并发现可能在结核病原潜伏感染及耐药性突变产生中发挥关键作用的新调控基因，以寻找新的抗结核药物靶标。
科学性、先进性
- 目前，细菌双杂交系统已经商业化并被广泛应用于蛋白质-蛋白质互作研究，而且，包括人、水稻等模式生物细胞的pTRG基因文库也已商业化。本研究建立了一个新型的细菌单杂交报告系统，能够在大肠杆菌中方便地研究DNA结合蛋白与靶DNA之间特异性的相互作用，并且可以进行PCR产物的快速克隆亦能与商业化的pTRG基因文库完全相容，能够广泛应用于多种生物的新功能基因研究。 近年来，人们越来越关注结核分枝杆菌的转录因子在成为重要的药物靶标上的前景。转录因子中，WhiB家族的基因的功能到目前为止还不是很清楚，但这些基因都与结核分枝杆菌的潜伏感染有着密切关系。在本发明中，我们筛选到了100多个参与结核分枝杆菌感染相关基因的表达调控的转录因子，它们都具有成为药物靶标的潜力，对它们的研究将为揭示该病原菌的调控机制提供重要线索。其中，WhiB3基因被首次发现能广泛调控多个致病基因的表达，这暗示该基因可能在结核病原潜伏感染及其耐药性的产生中发挥关键作用。WhiB3基因作为药物靶标有着重要的应用前景。
获奖情况及鉴定结果
- 本作品的核心内容于2009年2月18日在《Genome Research》杂志在线发表 (影响因子：11.2) 本作品申请了2项国家专利： 1.于2009年1月15日申请专利，发明名称：一种细菌单杂交载体及制备方法； 2.于2009年2月23号申请专利，发明名称：结核分枝杆菌WhiB3基因的新功能及应用； 本成果得到国内外媒体的广泛关注，两个Nature出版社系列刊物《Nature China》和《Science-Business eXchange》都报道了本成果的亮点。在2009年2月25日科学时报头版报道，当日文汇报、湖北日报等多家报刊均有报道；同时中新网、新华网以及多个地方网站都有报道； 本作品获得湖北省第七届“挑战杯”竞赛特等奖。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 专利
作品可展示的形式
- 图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 我们建立的一个新型的细菌筛选系统，能够在大肠杆菌中方便地研究DNA复制蛋白或转录因子与靶DNA之间特异性的相互作用，该技术对于发掘新功能基因及其识别的靶DNA位点具有广泛的应用前景，可以广泛应用于各种生物物种中来研究DNA和蛋白质的相互作用。该系统与现在广泛商业化的细菌双杂交系统的表达载体文库完全相容，两个系统可以配套使用。我们利用该系统发现的100多个以前不知道功能的转录因子可能直接参与调控结核分枝杆菌的潜伏感染过程。其中一个名为WhiB3的基因被首次发现能广泛调控结核分枝杆菌多个致病基因的表达，该基因作为结核病原潜伏感染及其耐药性的关键转录因子具有成为治疗结核病的药物靶点的潜力。
同类课题研究水平概述
- 曾经蔓延全球的肺结核近年来又“死灰复燃”，成为目前死亡率最高的人兽共患传染病。目前全世界范围内已经大大加强了对结核病原的研究。结核分枝杆菌是结核病的病原细菌，结核病之所以难以治疗是因为它对不利环境的适应性很强且容易进入潜伏状态。该细菌感染宿主时主要通过调节其自身基因的表达来适应宿主体内的不利环境，而许多这种调控发生在转录水平。结核分枝杆菌有约190个转录因子，其中大部分都是未知功能的。因此发掘结核分枝杆菌的重要基因的启动子DNA序列与转录因子间的相互作用可以为寻找治疗结核病的新药靶提供可能。 目前，体内研究DNA-蛋白质相互作用方法有酵母单杂交和细菌单杂交。与前者相比，细菌单杂交系统表现出更明显的优势。首先，其生长速度较快，因此实验周期较酵母短；其次，细菌较酵母而言具有更高的转化效率，因此利用细菌构建的文库容量更大；再次，实验室条件下对于细菌DNA的处理较之酵母更便于操作。目前，细菌双杂交系统已经商业化并被广泛应用于蛋白质-蛋白质相互作用研究，而且，包括人、水稻等模式生物细胞的高通量pTRG基因文库也已商业化。本研究建立了一个新型的细菌单杂交报告系统，能够在大肠杆菌中方便地研究DNA复制蛋白或转录因子与靶DNA之间特异性的相互作用，并且可以进行PCR产物的快速克隆亦能与商业化的pTRG基因文库完全相容，能够广泛应用于多种生物的新功能基因研究。 本研究成功地利用该系统发现了100多个以前不知道功能的转录因子可能直接参与调控结核分枝杆菌的潜伏感染过程。特别是，一个名为whiB3的基因被首次发现能广泛调控结核分枝杆菌多个致病基因的表达，这暗示该基因可能在结核病原潜伏感染及其耐药性的产生中发挥关键作用。结核分枝杆菌的WhiB3基因是属于WhiB家族的一个转录因子，该基因首先在天蓝色链霉菌（S. coelicolor）中被发现。结核分枝杆菌WhiB家族含有7个成员（WhiB1 到 WhiB7），WhiB3是第一个被鉴定出来的。WhiB家族基因广泛存在于放线菌中而其它菌中没有，推测WhiB基因编码产物与细菌休眠有关的蛋白质。目前结核分枝杆菌得7个WhiB基因的功能尚不清楚，但是它们的功能存在一定的互补作用。本研究通过细菌单杂交系统发现WhiB3可以调控很多重要基因。因此，WhiB3基因作为潜伏感染及其耐药性的关键转录因子极具成为治疗结核病的药物靶点的潜力。
