本文介绍一种利用已有的抗生素抗性盒缺失构建体作为基础,在其他大肠杆菌(E. coli)菌株中构建缺失突变体的实验方案。此类缺失突变可通过P1噬菌体转导技术,转移并插入至受体菌株的相应基因位点。
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本文介绍一种利用已有的抗生素抗性盒缺失构建体作为基础,在其他大肠杆菌(E. coli)菌株中构建缺失突变体的实验方案。此类缺失突变可通过P1噬菌体转导技术,转移并插入至受体菌株的相应基因位点。
研究细菌中未知基因功能的初步方法是构建该基因的敲除突变体。本文介绍一种高效且快速的实验方案,用于将基因缺失突变从一个菌株转移到另一个菌株 大肠杆菌 通过使用噬菌体P1的普遍性转导,将突变从一个菌株转移到另一个菌株。该方法要求突变是可选择的(例如, 基于使用抗生素抗性盒插入导致的基因破坏)。这类抗生素抗性盒可从供体菌株转移并导入目标受体菌株,从而快速、简便地构建基因缺失突变体。抗生素抗性盒可设计为包含弗林普酶识别位点,使其能够通过位点特异性重组酶介导被切除,仅在基因组中留下约100个碱基对长度的瘢痕序列,实现无痕敲除。我们通过敲除 tamA 编码参与自转运蛋白生物合成的组装因子的基因,并检测该基因敲除对两种三聚体自转运粘附素生物合成与功能的影响。尽管通过P1转导进行基因缺失存在局限性,但其操作简便且速度快,使其成为其他基因缺失方法的一种有吸引力的替代方案。
研究基因功能的常用初始方法是进行基因敲除突变,并观察由此产生的表型,这种方法也称为反向遗传学。在过去约70年中,大肠杆菌(E. coli)因其易于培养以及适合遗传操作,一直是分子生物学研究的主要模式生物1。目前已发展出多种在E. coli中实现基因缺失的方法,包括标记交换突变技术2,3,以及近年来使用的基于λ Red或Rac ET系统的重组工程(recombineering)技术4,5,6。
在一个广泛应用的系统中,单个基因的编码序列被一个抗生素抗性盒所替代,该抗性盒随后可从染色体上切除5,7。编码序列被替换,例如被一个卡那霉素(Kan)抗性盒替代,该抗性盒两侧由翻转酶(FLP)识别靶点(FRT)位点包围。FRT位点可被重组酶FLP识别,FLP介导FRT位点之间的特异性重组,从而导致Kan抗性盒的删除。通过这种方法,可实现对特定基因编码序列的完全删除,仅留下约100个碱基对(bp)的微小疤痕序列(图1)。
十多年前,所谓的Keio文库被构建出来。该文库基于标准实验室的E. coli K12菌株,几乎所有的非必需基因均通过λ Red重组技术逐一被删除7,8。该文库中的每个克隆均将一个编码序列替换为可切除的卡那霉素(Kan)抗性盒。Keio文库已被证明在多种应用中具有重要价值9。其中一项应用是在其他E. coli菌株中构建基因缺失突变体。特定缺失克隆中的Kan抗性盒可通过通用性转导噬菌体(如P1)进行转移10,11,12,13,14。由该类菌株制备的噬菌体原液可用于感染目标E. coli受体菌株,在较低但稳定的频率下,含有Kan抗性盒的片段可通过同源重组整合至受体基因组中(图2)。转导子可通过在含卡那霉素的培养基上生长进行筛选。此后,若需去除抗生素抗性盒,可将FLP重组酶以反式提供给转导菌株。随后消除携带氨苄青霉素(Amp)抗性标记的FLP表达质粒,筛选对卡那霉素和氨苄青霉素均敏感的克隆,并通过 菌落PCR验证野生型编码序列的正确恢复以及Kan抗性盒的完全切除。
本文提供了一个详细的实验方案,描述了基于上述策略构建敲除 E. coli 菌株的每一步操作。以敲除 tamA 基因为例进行说明。tamA 编码一种外膜 β-桶状蛋白,是转运与组装模块(Transport and Assembly Module, TAM)的组成部分,该模块参与某些自转运蛋白和菌毛的生物合成15,16,17。随后利用该敲除菌株,研究 tamA 基因缺失对两种三聚自转运粘附素(TAAs)生物合成的影响,即 Yersinia 粘附素 YadA 和 E. coli 免疫球蛋白(Ig)结合型 TAA EibD18,19。
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1. 菌株与质粒
2. 准备噬菌体裂解液


3. P1 转导

4. 切除卡那霉素抗性基因(Kan)盒
5. 基因敲除的验证
6. 其他技术
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构建 BL21ΔABCF 的 tamA 基因敲除菌株:
上述策略先前已被用于构建BL21(DE3)的一个衍生菌株,该菌株是一种用于蛋白质生产的标准实验室菌株,经过优化可高效表达外膜蛋白,命名为BL21ΔABCF21。该菌株缺失了四个编码高丰度外膜蛋白的基因,因此相较于野生型菌株,能够表达更多的异源外膜蛋白。为了检测TAM是否参与TAA的生物合成,我们在该菌株背景下删除了tamA基因。
使用Keio文库菌株JW4179制备P1噬菌体裂解液,该菌株中tamA基因(先前称为yftM)的编码序列已被卡那霉素抗性盒取代。随后以BL21ΔABCF作为受体菌株进行转导实验。获得多个卡那霉素抗性菌落后,选取其中两个进行卡那霉素抗性盒的切...
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P1 转导是一种在大肠杆菌(E. coli)中快速、稳健且可靠的基因敲除方法。本文通过将 Keio 供体菌株中的 tamA 基因缺失突变转导至 BL21 衍生的受体菌株,展示了该方法的应用。转导过程主要包括转导裂解液的制备、转导反应本身、卡那霉素抗性盒的切除以及通过 PCR 验证基因敲除结果。整个流程大约需要 1 周时间,除最后的 PCR 验证外,无需使用任何分子生物学技术。因此,在所需投入的时间和工作量方面,P1 转导可与 λ Red 重组技术相媲美,且远快于传统的标记交换诱变方法。
所提供的方案非常稳健,允许对许多步骤进行修改。然而,仍有一些关键参数需要注意。对于P1感染,必须向培养基中添加钙离子。钙离子是噬菌体吸附到细菌所必需的,若培养基中未加入足量的钙,将显著降低感染效率。某些细菌菌株(如BL21ΔABCF)在存在CaCl₂的情况下容易发生聚集。221在此类情况下,细菌可在无CaCl₂的条件下培养。2,可在感染前短时间内加入该悬浮液中。但对于更常规...
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作者无任何利益冲突需要披露。
Keio文库菌株购自日本国家生物资源项目(NIG,日本):E. coli。我们感谢奥斯陆大学生物科学系Dirk Linke的持续支持。本研究由挪威研究理事会青年研究人员基金249793号(授予Jack C. Leo)资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 菌株 | |||
| E. coli BW25113 | NIG | ME6092 | Keio文库的野生型菌株 |
| E. coli BL21(DE3) | Merck | 69450-3 | 表达菌株 |
| E. coli BL21DABCF | Addgene | 102270 | 源自BL21(DE3) |
| E. coli JW4179 | NIG | JW4179-KC | tamA基因缺失突变体 |
| P1 vir | NIG | HR16 | 通用性转导噬菌体 |
| 质粒 | |||
| pCP20 | CGSC | 14177 | 带有FLP的条件性复制质粒 |
| pASK-IBA2 | IBA GmbH | 2-1301-000 | 表达载体 |
| pEibD10 | N/A | N/A | 用于EibD蛋白的生产;质粒可应要求提供 |
| pET22b+ | Merck | 69744-3 | 表达载体 |
| pIBA2-YadA | N/A | N/A | 用于YadA蛋白的生产;质粒可应要求提供 |
| 化学试剂 | |||
| 乙酸 | ThermoFisher | 33209 | |
| 琼脂 | BD Bacto | 214010 | |
| 琼脂糖 | Lonza | 50004 | |
| 氨苄青霉素 | Applichem | A0839 | |
| 无水四环素 | Abcam | ab145350 | |
| 抗I型胶原抗体COL-1 | Sigma | C2456 | |
| 牛I型胶原 | Sigma | C9791 | |
| 氯化钙 | Merck | 102382 | |
| 氯仿 | Merck | 102445 | |
| 磷酸氢二钠 | VWR | 28029 | |
| DNA染料 | Thermo | S33102 | |
| DNA分子量标记物 | New England BioLabs | N3232S | |
| DNase I | Sigma | DN25 | |
| dNTP混合液 | New England Biolabs | N0447 | |
| ECL HRP底物 | Advansta | K-12045 | |
| EDTA | Applichem | A2937 | |
| 甘油 | VWR | 24388 | |
| 山羊抗小鼠IgG-HRP | Santa Cruz | sc-2005 | |
| 山羊抗兔IgG-HRP | Agrisera | AS10668 | |
| HEPES | VWR | 30487 | |
| 异丙基硫代半乳糖苷 | VWR | 43714 | |
| 卡那霉素 | Applichem | A1493 | |
| 溶菌酶 | Applichem | A4972 | |
| 氯化镁 | VWR | 25108 | |
| 氯化锰 | Sigma | 221279 | |
| N-月桂酰肌氨酸 | Sigma | L9150 | |
| 脱脂奶粉 | Sigma | 70166 | |
| 氯化钠 | VWR | 27808 | |
| tamA 正向引物 | Invitrogen | N/A | 序列 5'-GAAAAAAGG ATATTCAGGAGAAAATGTG-3' |
| tamA 反向引物 | Invitrogen | N/A | 序列 5'-TCATAATT CTGGCCCCAGACC-3' |
| Taq DNA聚合酶 | New England Biolabs | M0267 | |
| 柠檬酸三钠 | Merck | 106448 | |
| 胰蛋白胨 | VWR | 84610 | |
| Tween20 | Sigma | P1379 | |
| 酵母提取物 | Merck | 103753 | |
| 设备 | |||
| 琼脂糖凝胶电泳槽 | Hoefer | SUB13 | |
| 珠磨破碎仪 | Thermo | FP120A-115 | |
| CCD相机 | Kodak | 4000R | |
| 电穿孔比色皿 | Bio-Rad | 165-2089 | |
| 电穿孔仪 | Bio-Rad | 1652100 | |
| 凝胶成像系统 | Nippon Genetics | GP-03LED | |
| 恒温摇床 | Infors HT | Minitron | |
| 培养箱 | VWR | 390-0482 | |
| 微量离心机 | Eppendorf | 5415D | |
| 微波炉 | Samsung | CM1099A | |
| PCR仪 | Biometra | Tpersonal | |
| PCR八联管 | Axygen | PCR-0208-CP-C | |
| pH计 | Hanna Instruments | HI2211-01 | |
| PVDF膜 | ThermoFisher | 88518 | |
| SDS-PAGE电泳槽 | ThermoFisher | A25977 | |
| 台式离心机 | Beckman Coulter | B06322 | |
| 涡旋混合器 | Scientific Industries | SI-0236 | |
| 水浴锅 | GFL | D3006 | |
| 湿法转膜仪 | Hoefer | TE22 |
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