fosmid文库构建分为四个主要步骤,并进一步细分为多个部分(总体流程见图1)。
步骤 I(参见方案“从 0.22 μM Sterivex 滤膜中提取 DNA”[3])
第一部分:酶催化细胞裂解
第二部分:通过氯化铯密度梯度离心纯化环境DNA及DNA回收
第3部分:通过凝胶电泳对提取的DNA进行质量控制
第二步
第1部分:回收环境DNA的酶法修饰步骤
环境DNA末端修复步骤所需的所有试剂均包含在EPICENTRE公司的pCC1 Fosmid文库构建试剂盒中。理想情况下,基因组DNA的浓度应调整至0.5 μg/μl。
- 将所有试剂在冰上解冻,混合以下组分,并短暂离心以使所有液体沉至管底:
- x μl 无菌水
- 8 μl 10X 末端修复缓冲液
- 8 μl 2.5 mM dNTP 混合物
- 8 μl 10 mM ATP
- 最多 20 μg 剪切后的插入 DNA(约 0.5 μg/μl)
- 4 μl 末端修复酶混合物
- 总体积 80 μl
- 室温孵育至少 45 分钟,最长至 60 分钟,随后在 70°C 加热 10 分钟以灭活酶混合物(在此期间,准备低熔点琼脂糖凝胶用于后续对末端修复后的 DNA 进行大小选择,见下文)。
第二部分:通过脉冲场凝胶电泳(PFGE)对基因组DNA进行大小筛选
- 将1.5 g低熔点琼脂糖重新悬浮于150 mL 1.0X TAE电泳缓冲液中,并加入一个小磁力搅拌子。用可微波加热的塑料膜封口烧瓶,在微波炉中快速煮沸,直至琼脂糖完全溶解。持续搅拌溶液,直至冷却至可倒入凝胶托盘的温度(约60°C)。
注意:切勿在凝胶或电泳缓冲液中加入溴化乙锭或SYBR Gold。
- 组装凝胶托盘以制备凝胶,并选择一个合适的梳子,确保能够为完整的末端修复混合物提供足够的空间,以便将其加载到一个或两个孔中(80 μl加上适量上样缓冲液)。
- 向电泳槽中加入2.2 L 1.0X TAE缓冲液,开启设备以循环运行缓冲液,并将冷却装置设定为14°C。泵的转速应保持在70 rpm,以确保运行缓冲液充分循环并维持缓冲液温度在14°C。
- 当熔化的琼脂糖冷却后,将其倒在水平的凝胶托盘上,注意避免产生气泡。确保熔化的琼脂糖在梳齿周围分布均匀,否则应取出梳子并重新插入熔化的琼脂糖中。待凝胶完全凝固后,移除梳子,并在凝胶的第四个孔中加入MidRange I PFG标准品。从凝胶注射器中挤出琼脂糖,并用解剖刀在末端切下一小块凝胶塞。将凝胶塞置于孔的前端,并用熔化的琼脂糖密封。将凝胶放入电泳槽中。
注意:操作琼脂糖凝胶时务必格外小心,因为低熔点凝胶容易破裂。在开始上样前,请确认运行缓冲液已冷却至14°C。如果发现孔被琼脂糖堵塞,下次可尝试以下方法:在从凝胶中取出梳子前,向梳子周围加入1–2 mL TAE缓冲液;这样可以获得更清晰的加样孔。
- 在第一个孔中加入5 μl λ HindIII酶切产物,随后加入1 μl的fosmid对照大小标准品(EPICENTRE,100 ng/μl)。在微量离心管中向大小标准品中加入10 μl无菌水以及适量上样缓冲液。较大的体积有助于更方便地上样。紧邻fosmid标准品的孔中,加入经末端修复和热失活处理的混合物,并添加适量上样缓冲液。盖上盖子并设置程序。
注意:我们强烈建议加载不同量的其他DNA ladder,以粗略定量DNA量或观察基因组DNA的剪切程度。理想的标准品包括λ DNA-HindIII Digest和MidRange I PFG Marker(均来自NEB)。
- 设置程序参数:若您的PFGE系统具备自动算法功能,请使用该功能。程序将自动计算分离特定大小范围DNA所需的设置。所用参数如下:DNA大小范围2–250 Kb;校准因子:1;电场梯度:[6 V/cm];运行时间:12:00小时;夹角:120°;初始切换时间:0.1秒;最终切换时间:21.79秒;递增速率a = 线性。
- 为观察DNA,将250 mL 1.0X TAE缓冲液倒入容器中,并加入25 μl 10,000X SYBR Gold;在将凝胶放入溶液前轻轻混匀。由于SYBR Gold对光敏感,需在避光条件下染色1小时。
注意:操作琼脂糖凝胶时务必格外小心,因为低熔点凝胶容易破裂。
第三部分:通过凝胶回收提取DNA,并将回收的DNA连接至fosmid克隆载体
本部分所需的所有试剂均包含在 EPICENTRE 菲士midt文库构建试剂盒中。
- 同时准备一个 70°C 的水浴和一个 45°C 的水浴,用于后续的凝胶消化步骤。
- 将染色后的凝胶、一个已去皮重的微量离心管和一把无菌手术刀带到蓝光透射仪旁。在蓝光下观察末端修复后的基因组 DNA 和fosmid对照大小标记物。用手术刀切取与fosmid对照大小标记物迁移位置相同或略高的凝胶条带(切取约 5–7 mm 宽的凝胶片),并将该凝胶片转移至已去皮重的微量离心管中。在凝胶上同时跑一个 MidRange I PFG Marker,有助于避免切胶位置过高。
注意:在将凝胶放置于蓝光透射仪前,先在其表面覆盖一层塑料膜,以防止交叉污染;开启蓝光前请佩戴防护眼镜。切勿切取基因组 DNA 迁移位置低于 fosmid 对照大小标记物的凝胶条带,否则会导致产生不需要的嵌合克隆。
可以切取并保存含有较低或较高分子量 DNA 的凝胶片,分别用于构建全基因组鸟枪法文库或 BAC 文库。
暂停点 I:回收的凝胶片可在 -20°C 下保存长达一年
- 称量已去皮重的离心管,计算凝胶片的重量。每 1 mg 琼脂糖大约可产生 1 μl 熔化的琼脂糖。
- 将含有基因组 DNA 的低熔点琼脂糖在 70°C 水浴中融化 10–15 分钟(我们不添加 gelase 缓冲液)。待凝胶完全融化后,迅速将离心管转移至 45°C 水浴中。
注意:不要通过涡旋来促进溶解,以免剪切 DNA。
- 每 100 μl 熔化的琼脂糖中加入 1 U(1 μl)GELase 酶制剂。在 45°C 下孵育 1 小时,然后加入更多 GELase(2–4 μl),再继续孵育 1 小时。随后在 70°C 下加热 10 分钟以灭活 GELase 酶制剂。
将离心管置于冰上 10 分钟,然后在最大转速(13,000 rpm)下离心 15 分钟,以沉淀任何不溶性颗粒。小心移除上清液并转移至一个 15 mL Falcon 管中,向该管中加入 3 mL 无菌水。
注意:避免吸取沉淀的琼脂糖。由于我们使用的 GELase 量超过试剂盒提供的量,因此需单独订购额外的 GELase 酶制剂。
- 将溶液转移至 Amicon Ultra-4 离心过滤装置(Ultracel-10 膜),在 4,000 g 下离心 6–8 分钟,弃去滤过液。持续离心至滤膜上剩余溶液体积约为 100 ~ 500 μl。向之前使用的空 Falcon 管中再加入 3 mL 无菌水,将溶液重新转移至 Amicon 装置中,并重复离心步骤。再用 3 mL 水洗涤一次,再次弃去滤过液。最终将体积浓缩至 50–100 μl。
注意:我们使用摆桶转子进行离心;只需将 Amicon 离心过滤装置放入一个 50 mL Falcon 管中,即可在离心过程中固定其位置。即使经过长时间离心,Amicon 滤膜仍可安全保留至少 50 μl 溶液。
- 将 Amicon 管中剩余的 DNA 溶液转移至一个预先清洗过的 Microcon YM-50 离心过滤装置中,并用额外的 50 μl 无菌水冲洗 Amicon 管,以回收全部 DNA。在微量离心机中以 10,000 g 离心 Microcon YM-50 装置,直至滤膜表面仍轻微覆盖液体为止。每隔一分钟检查一次,当滤膜上仅剩少量液体时即停止。将滤膜倒置,放入一个新的微量离心管中,在 1,000 g 下再次离心 3 分钟以回收 DNA 溶液。最终回收体积不应超过 10–15 μl,否则可能导致连接反应中 DNA 浓度过低。
注意:切勿将滤膜离心至完全干燥。若膜已干燥,请加入 10–15 μl 水,轻轻振荡 30 秒,然后按上述方法回收 DNA。
- 使用 NanoDrop 或 PicoGreen 检测法对所得 DNA 溶液进行定量。
- 回收的末端修复 DNA 现已准备好与 pCC1-fosmid 克隆载体进行连接。将以下试剂在冰上解冻,并确保载体与插入片段的摩尔比为 10:1。
注意:0.5 μg pCC1-fosmid 载体 ≈ 0.09 pmol 载体。
0.25 μg 约 40 Kb 的插入 DNA ≈ 0.009 pmol 插入 DNA
若在将感染的 E. coli 细胞涂布于筛选平板后仅获得少量 fosmid 克隆,则可考虑增加连接反应中使用的 DNA 量。
按以下顺序加入试剂,短暂离心使所有液体沉至管底,轻弹管壁后再次离心:
- x μl 无菌水
- 1 μl 10X Fast-Link 连接缓冲液
- 1 μl 10 mM ATP
- 1 μl pCC1-fosmid 载体(0.5 μg/μl)
- x μl 浓缩的插入 DNA(0.25 μg)
- 1 μl Fast-Link DNA 连接酶
- 总体积 10 μl
- 室温孵育 2 小时,然后在 70°C 下加热 10 分钟以灭活酶。
暂停点 II:可将连接产物在 -20°C 下保存,或直接进入噬菌体包装步骤。
注意:单次连接反应可产生 103–106 个克隆,具体数量取决于环境 DNA 的质量。根据所需特定覆盖度估计所需的克隆数,可相应放大连接反应规模。若放大连接反应,则应按如下说明同比例增加噬菌体包装提取物的用量。
第三步
第1部分:载体-插入片段连接产物的噬菌体包装
- 在计划进行噬菌体包装的前两到三天,将提供的 EPI300-T1R 涂布菌株划线接种于普通 LB 平板上,37°C 过夜培养以获得单菌落。该平板可密封后于 4°C 保存,以备后续使用。
- 包装反应前一天,取步骤 1 中获得的单菌落接种至 50 mL 含 10 mM MgSO4(加入 500 μl 1 M MgSO4)的 LB 液体培养基中,37°C、225 rpm 振荡过夜培养。
- 进行包装反应当天,取 5 mL 步骤 2 中制备的过夜培养物接种至新鲜的 50 mL LB 液体培养基(含 10 mM MgSO4)中。 在 37°C 下培养至 OD600 达到 0.8 至 1.0,切勿超过 OD600 1.0!在分光光度计上测量前需稀释样品,以获得准确结果。细胞制备后应置于冰上或 4°C 保存,直至后续使用。
注意:暂停点 III:若有必要,培养物可在 4°C 保存最多 72 小时;但强烈建议使用新鲜培养的菌液。
- 将 MaxPlax Lambda 包装提取物置于冰上解冻,每进行一次连接反应需使用一管。解冻过程需 10–15 分钟。同时,将 1.5 mL 离心管置于冰上预冷。
注意:解冻后的噬菌体提取物不宜在冰上放置过久,否则噬菌体感染效率会下降。
- 解冻后应立即将每管包装提取物中的 25 μl 转移至另一预冷的 1.5 mL 微量离心管中,并放回冰上。 将剩余的包装提取物立即放回 -80°C 保存。
注意:切勿将包装提取物与干冰或其他任何 CO2 气源共同存放。
- 将 10 μl 连接反应产物加入冰上放置的每 25 μl 解冻提取物中。通过反复吹打混匀,避免引入气泡。 短暂离心使液体全部沉至管底,随后于 30°C 孵育 90 分钟进行包装反应。在孵育 80 分钟后,开始将剩余的包装提取物置于冰上解冻。
注意:30°C 孵育步骤建议使用水浴而非加热金属块。
- 90 分钟包装反应完成后,向每管反应体系中加入剩余的 25 μl 包装提取物。继续在 30°C 孵育 90 分钟。孵育结束后,向每个包装管中加入 100 μl 预先配制的噬菌体稀释缓冲液,并轻柔混匀。
注意:若最终转化效率较低,可能是由于噬菌体提取物过期或曾暴露于干冰或其他 CO2 气源。根据我们的经验,将包装反应在室温下进行(两次 90 分钟)而非 30°C,并在最后额外于 30°C 孵育 2 小时,可提高最终克隆数量。
- 向每管中加入 5 μl 氯仿,并轻柔混匀,使管内总体积达到 165 μl。加入氯仿后可能形成黏稠沉淀,但不会影响文库构建。然而在吸取噬菌体颗粒时,应避免吸取该沉淀物以及有机相氯仿层。
暂停点 IV:此时,包装完成的噬菌体颗粒可在 4°C 保存数天。
注意:为获得最佳的噬菌体感染效率,建议使用新鲜制备的噬菌体。
第2部分:文库宿主大肠杆菌(E. coli)的感染
- 将包装好的噬菌体以每 10 μl 噬菌体颗粒加入 400 μl EPI300-T1R 细胞的比例,添加至 EPI300-T1R 宿主细胞(OD600=0.8–1.0)中。为避免移液时带入氯仿,建议使用 125 μl 包装好的噬菌体颗粒与 5 mL 预先准备的 EPI300-T1R 宿主细胞。轻轻混匀后,于 37°C 培育 30 分钟。
注意:从噬菌体包装管中取出噬菌体颗粒时,注意不要将氯仿转移至宿主细胞中。若不确定,可减少包装噬菌体颗粒的取用量。
第3部分:铺板与滴度测定
- 在四个含有LB培养基和12.5 μg/mL氯霉素的小型培养皿中各加入5-7颗已灭菌的玻璃珠。
- 将噬菌体感染的EPI300-T1R细胞分别以50 μl重复两次、10 μl重复两次,接种到四个独立的平板上。为确保均匀涂布,在加入10 μl感染细胞的平板中额外加入少量LB液体培养基(约50 μl)。水平摇动平板使细胞均匀分布。室温静置15分钟使液体吸收,然后将平板倒置以去除玻璃珠。
注意:这些平板用于确定转化子数量,并计算在挑取克隆步骤中所需的适当稀释倍数,以避免菌落密度过高。
- 将平板倒置放入37°C培养箱中培养16至24小时,最长可至48小时,直至菌落形成。24小时后检查平板,防止生长较快的克隆蔓延至邻近菌落。
- 同时,将5 mL感染后剩余的细胞在4°C下以3,500 g离心10分钟进行收集。弃去上清液。向沉淀中加入1 mL LB/20%甘油溶液,重悬细胞沉淀,并将悬液分装至2 mL冻存管中,每管100 μl。立即冷冻,并于-80°C保存,以备后续克隆挑取步骤使用。
- 次日,计数平板上的克隆数并测定滴度。计算总fosmid克隆数时,务必计入正确的稀释倍数。
注意:该实验流程通常可获得总计10,000至50,000个fosmid克隆;然而,根据提取环境DNA的质量和纯度不同,克隆数范围可能在3,000至80,000之间。
第四步
第一部分:培养基平板和孔板的制备
- 按以下方式将培养基倒入培养皿中;每毫升 LB 培养基中加入 12.5 μg 氯霉素:
- 100×15 mm 培养皿:25 mL LB 琼脂
- 150×15 mm 培养皿:50 mL LB 琼脂
- 245×245 mm 方形生物测定板:250 mL LB 琼脂
注意:必须将培养基倒在水平良好的表面上,以确保琼脂在培养皿内厚度均匀。我们建议对fosmid文库使用245×245 mm的培养皿,以减少需要处理的培养皿数量。
- 将含有已制备fosmid克隆的甘油菌种在冰上解冻。根据计算出的滴度,取适量菌液涂布到所选培养皿上(制备甘油菌种时细胞浓度通常浓缩约5倍)。细胞培养的孵育时间为37°C下24小时。
暂停点V:当菌落形成后,将密封的琼脂平板在4°C下保存,最长可保存一个月,直至进行菌落挑取步骤。
注意:菌落应均匀分布,彼此之间保持足够距离,直径约为1 mm。使用玻璃珠涂布细胞可实现良好的菌落分离。在100×15 mm培养皿上,通常150~250个菌落是机器人挑取效率最高的密度;对于22×22 cm的培养皿,菌落数不应超过2,000个。
- 在进行菌落挑取当天,准备96孔或384孔板,每孔加入含12.5 μg/mL氯霉素的LB液体培养基,以及用于文库在-80°C保存的20%甘油。使用下文所述的自动化QFill3平板填充系统填充孔板。
- 对两套玻璃瓶(500 mL)、瓶盖和硅胶管进行高压灭菌。切勿对包括针头组件和安装法兰在内的分配器 manifold 进行高压灭菌。在本生灯火焰附近或生物安全柜内组装QFill3,以建立并维持无菌环境。
注意:确保将硅胶管插入夹管阀中,方法是按下夹管阀激活器,并将管子完全滑入阀门内(其作用类似于控制培养基向下一列分配的刹车)。
- 通过依次让约50 mL的1%次氯酸钠溶液、高压灭菌的dH2O和80%乙醇流过分配针,对其进行灭菌,并在平台上放置一个吸头盒盖以收集废液。灭菌完成后,更换为另一套包含玻璃瓶、瓶盖和硅胶管的装置。
- 在玻璃瓶中加入约300 mL培养基。运行足够量的培养基以彻底清除清洗步骤中残留的乙醇。待管路清洗完毕后,将96孔或384孔板放置于平台上。按下“开始”按钮填充孔板;每个孔应加入200 μL制备好的LB液体培养基。为清洁分配针,需让约50 mL的80%乙醇流过系统。
注意:在填充前务必标记好孔板。
第二部分:菌落挑取机器人设置
- 我们正在根据用户手册使用克隆挑取机器人QPix2。用户应熟悉其机器人的操作方法,并了解如何设置各项参数,以确保最高的挑取效率。
- 为在克隆挑取区域周围创建无菌环境,请打开紫外灯照射30分钟。在紫外灯开启期间,准备500 mL的1%次氯酸钠溶液、500 mL无菌去离子水(dH2O)和500 mL 80%乙醇。当紫外灯关闭后,按照标签将溶液倒入相应的托盘中。始终将溶液倒入正确标记的溶液托盘中。从后到前依次倒入1%次氯酸钠溶液、高压灭菌的dH2O,最前面的托盘倒入80%乙醇。确保各托盘装满,若清洗液不足,挑针将无法被充分清洗。
注意:请持续监测80%乙醇的量,因其会挥发,需及时补充。
- 在设置好最佳挑取参数后,将含有fosmid克隆的预制琼脂平板和孔板放置于QPix工作区的定位柱之间。请确保已取下所有平板盖!
- 平板应紧贴右前角,以防止在挑取过程中发生移动。然后关闭前面板。
注意:此步骤极为重要!
- 当所有参数设置完成后,即可开始挑取程序。挑取完成后,用去离子水冲洗毛刷和托盘,并将其置于实验台上晾干。清理任何可能发生的溢洒,并用80%乙醇擦拭QPix内部。
第三部分:过夜孵育与文库保存
- 确保所有甘油菌种保存板均已标记标签,并将其放入 37°C 培养箱中培养 24 小时。在培养箱上留下备注,注明日期、培养的板数、培养时间、取出时间以及您的姓名首字母。
- 如需长期保存,将过夜培养的菌种放入 -80°C 冰箱中储存。
代表性结果:
本方案描述了构建环境宏基因组文库的步骤,用于捕获特定生境中微生物群落的遗传物质。该方案旨在构建一个能够代表所采样环境遗传内容的宏基因组文库,并在最终获得的宏基因组克隆数量过少时,指导读者对关键步骤进行修改和优化。