本文描述了利用 pLEXSY 系统构建表达 eGFP 基因的稳定整合转基因L. panamensis和L. donovani菌株的方法。转染后的寄生虫通过有限稀释法进行克隆,针对两种物种均筛选出荧光强度最高的克隆,用于后续药物筛选实验。
方法文章
* These authors contributed equally
本文描述了利用 pLEXSY 系统构建表达 eGFP 基因的稳定整合转基因L. panamensis和L. donovani菌株的方法。转染后的寄生虫通过有限稀释法进行克隆,针对两种物种均筛选出荧光强度最高的克隆,用于后续药物筛选实验。
原生动物寄生虫中的属 利什曼原虫 导致利什曼病,这是一种临床表现多样、影响全球数百万人的疾病。感染 L. donovani 可导致致命的内脏疾病。在巴拿马、哥伦比亚和哥斯达黎加, L. panamensis 是大多数报道的皮肤利什曼病和黏膜皮肤利什曼病病例的致病原因。鉴于现有方法在评估化合物对寄生虫胞内形态的活性或进行相关实验时极为耗时费力,研究大量药物候选物十分困难。 体内 检测方法。在本研究中,我们描述了生成 L. panamensis 和 L. donovani 在编码18S rRNA的位点整合了编码增强型绿色荧光蛋白(eGFP)基因且该基因组成型表达的菌株(ssu)。增强型绿色荧光蛋白(eGFP)的编码基因来自商业载体,通过聚合酶链式反应(PCR)进行扩增,以富集该基因并添加用于后续克隆的限制性酶切位点 BglII 和 KpnI 酶。通过琼脂糖凝胶纯化分离 eGFP 扩增片段,并用这些酶进行消化 BglII 和 KpnI,并连接到 利什曼原虫 表达载体pLEXSY-sat2.1(经相同酶切体系消化后)。将含有克隆基因的表达载体在 E. coli,纯化后通过菌落PCR验证插入片段的存在。将纯化的质粒线性化后用于转染 L. donovani 和 L. panamensis 寄生虫。通过PCR验证了基因的整合。通过流式细胞术评估eGFP基因的表达。采用有限稀释法对荧光寄生虫进行克隆,并利用流式细胞术筛选出荧光强度最高的克隆。
原生动物寄生虫中的属 利什曼原虫 导致利什曼病,该病具有多种临床表现。此疾病流行于98个国家,每年发病率估计为90万至160万例1. 利什曼原虫 对人类具有致病性的物种分为两个亚属,即 L. (利什曼原虫)和 L. (维安娜亚属(Viannia))。感染某些属于 L. (利什曼原虫)亚属,例如 L. donovani 和 L. infantum,可能导致内脏利什曼病(VL),若不及时治疗可致死亡2属于该属的物种 L. (维安尼亚亚属)亚属与中美洲和南美洲大多数皮肤利什曼病(CL)和黏膜皮肤利什曼病(MCL)病例相关,尤其在巴拿马、哥伦比亚和哥斯达黎加, L. panamensis 这些临床表现的主要病因学病原体3,4.
目前用于抗利什曼原虫的化学治疗药物,如五价锑剂、米替福司和两性霉素B,具有高度毒性且价格昂贵。此外,近几十年来药物耐药性的增加,已成为影响全球患者有效治疗的又一阻碍因素5。已有研究证实,不同种属的Leishmania在药物敏感性方面存在显著差异,尤其是新大陆种与旧大陆种之间的差异更为明显6,7。基于上述原因,亟需将研究重点转向新型抗利什曼原虫药物的发现与开发,并特别关注针对不同物种的特异性策略。采用传统方法筛选大规模药物候选化合物库十分困难,因为这些方法在评估化合物对细胞内无鞭毛体的活性或开展in vivo实验时工作量极大8;因此,有必要发展新技术以克服这些局限性,包括报告基因的应用以及高内涵表型筛选技术的建立9。
报告基因的使用已显示出提高药物筛选效率的潜力,因为它有助于高通量筛选方法的开发和优化。 体内 检测。重组 利什曼原虫 表达多种报告基因的寄生虫已被多个研究团队成功构建。β-半乳糖苷酶、β-内酰胺酶和荧光素酶等报告基因已在多种寄生虫中被引入 利什曼原虫 使用附加体载体的物种,对寄生虫胞外和胞内形式的药物筛选显示出有限的应用价值10,11,12,13,14,15这些方法存在一定的局限性,需要在培养过程中施加强烈的选择压力,以避免附加体质粒结构的丢失,同时还需使用额外的试剂来检测报告基因的活性。相比之下,绿色荧光蛋白(GFP)及其改良版本增强型绿色荧光蛋白(eGFP)已被广泛应用于大量转基因动物的构建 利什曼原虫 用于菌株的 体外 由于其灵活性和高灵敏度,以及能够利用流式细胞术或荧光测定法实现筛选过程自动化,药物筛选检测方法具有显著优势15,16,17,18,19尽管结果令人鼓舞,但这些转基因品系的培养物在荧光水平上表现出高度异质性,因为各寄生虫中GFP基因的拷贝数并不相同。此外,由于GFP基因被插入到一个附加体质粒结构中,维持荧光需要在培养过程中对寄生虫持续施加选择压力。
基于前述原因,许多研究致力于开发用于构建稳定重组菌株的新方法。这些研究大多依赖于将报告基因整合到核糖体位点,利用核糖体基因较高的转录速率20。L. infantum 和 L. amazonensis 的菌株已被成功构建,其基因组中整合了编码 β-半乳糖苷酶21、IFP 1.4、iRFP22 以及 tdTomato23 的基因,并已评估其在药物筛选实验中的应用价值。多个研究团队已开发出组成型表达 GFP 的 L. donovani 菌株,通过同源重组将 GFP 编码基因整合至 18S 核糖体 RNA 位点(ssu 位点)24,25;结果显示转染后的虫体群体中 GFP 表达稳定且均一,包括胞内无鞭毛体24,25,并已成功应用于药物筛选实验24,25,26。Bolhassani 等人27 构建了表达 GFP 的 L. major 和 L. infantum 菌株,其中 GFP 作为整合型转基因表达。他们使用的整合载体为 pLEXSY,该载体最初设计用于以 L. tarentolae 为宿主的系统中进行转基因蛋白表达28。pLEXSY-GFP 载体已被证明在构建多种组成型表达 GFP 的 Leishmania 菌株方面具有很高效率24,25,27,29,30。在这些寄生虫中,荧光信号均一,并可在胞内形态中维持,甚至可在感染小鼠的足垫病变部位检测到荧光27。
在本研究中,我们描述了利用 pLEXSY 系统构建表达 eGFP 基因(作为整合型转基因)的 L. panamensis 和 L. donovani 菌株的方法。通过该方法获得的菌株已被应用于本实验室的药物筛选实验,用于评估天然或合成来源分子对利什曼原虫的潜在抗利什曼活性。
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为保持样本无菌,所有涉及寄生虫培养的步骤均应在生物安全二级(BSL-2)操作台内进行,或遵循当地健康与安全法规。本方案的图示摘要见图1。

图1:利用pLEXSY-2.1载体家族构建表达eGFP的L. panamensis和L. donovani寄生虫的实验方案概要图。 文中所述全部六个主要步骤均在图中展示。1)eGFP基因的扩增及插入pLEXSY-2.1载体:扩增目标基因,并引入KpnI和BglII酶的识别位点;随后用这两种酶依次对eGFP扩增片段和pLEXSY质粒进行双酶切,再通过T4连接酶进行连接。2)pLEXSY表达质粒的线性化:使用SwaI酶对pLEXSY + eGFP构建体进行消化,以线性化并纯化7–8 kbp的表达盒。3)转染及4)多克隆筛选:通过电穿孔将表达盒转染至Leishmania前鞭毛体,随后重新培养,并利用抗生素筛选重组寄生虫。通过流式细胞术确认寄生虫的荧光表达。5)基因组整合的验证及6)有限稀释法克隆:通过诊断性PCR验证pLEXSY-eGFP表达盒的基因组整合情况,PCR正向引物结合表达盒序列,反向引物结合表达盒中不存在的染色体序列。可通过有限稀释法克隆富集荧光寄生虫,选择平均荧光强度最高的克隆用于后续实验应用。请点击此处查看该图的放大版本。
1. 将 eGFP 基因扩增并插入 pLEXSY-2.1 载体
2. pLEXSY 表达质粒的线性化
3. 通过电穿孔法转染L. panamensis和L. donovani
注意:Leishmania 的培养方法如其他文献所述34。本示例中,将 L. panamensis 和 L. donovani 前鞭毛体培养于添加了20%(v/v)胎牛血清(FBS)和50 µg/mL 庆大霉素的Schneider昆虫培养基中,并在26 °C条件下孵育。
4. 培养中的多克隆筛选
5. 基因组整合的验证
注意:可通过诊断性 PCR 确认 pLEXSY-eGFP 表达盒的整合,使用与表达盒结合的正向引物(根据所用的 pLEXSY-2.1 载体不同而有所变化)和与表达盒中不存在的染色体 ssu 侧翼序列结合的反向引物 F3002(5'-CTGCAGGTTCACCTACAGCTAC-3')。在本示例中,使用正向引物 F2999(5'-CCTAGTATGAAGATTTCGGTGATC-3'),因其可与 pLEXSY-sat2.1 表达盒结合。整合后表达盒的示意图及用于诊断性 PCR 的引物结合位点如 图 2 所示。

图2:整合表达盒的示意图。 标注为Chr-S(灰色)的方框代表18S rRNA基因座(ssu)两侧的染色体序列,表达盒即整合至该位点。整合的表达盒包含用于在ssu位点进行同源重组的5'和3'序列(蓝色)、一个额外的Leishmania核糖体启动子(红色)以增强蛋白表达、eGFP基因(绿色)、一个筛选标记基因(黄色)以及三个非翻译区(浅灰色),即utr1、2和3,这些非翻译区提供剪接信号,以实现转录后mRNA加工,从而优化eGFP和筛选标记在Leishmania寄生虫中的表达。用于通过菌落PCR验证插入片段存在(步骤1.2.5)的正向和反向引物的退火位点由黑色箭头标示,分别标注为cpcr-fwd(EGFP1引物)和cpcr-rev(A264引物),扩增产物大小为859 bp。用于通过诊断性PCR验证基因组整合(步骤5)的正向和反向引物的退火位点也由黑色箭头标示,分别标注为sat-fwd(F2999引物)和ssu-rev(F3002引物),扩增产物大小为2,271 bp。 请点击此处查看该图的放大版本。
6. 有限稀释法克隆(可选)
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构建pLEXSY-eGFP质粒并转化感受态E. coli细胞后,含有eGFP插入片段的阳性菌落经第1.2节所述的菌落PCR扩增,将产生一条长约859 bp的PCR产物(图3A)。使用SwaI对阳性菌落中提取的质粒进行完全酶切后,在琼脂糖凝胶电泳中应得到两个特征性片段:一条为2.9 kbp的片段,代表PLEXSY载体中包含在E. coli中复制和筛选所需全部元件的部分;另一条为7–8 kbp的片段,代表用于转染的线性化表达盒(图3B)。
转染后,多克隆筛选主要通过定性方式进行。在使用抗生素筛选过程中,需通过显微镜监测寄生虫培养物的状态,特别关注寄生虫的形态和运动能力。在成功恢复转染寄生虫的培养物后,应能在流式细胞仪的FL-1通道中检测到有效表达eGFP的寄生虫(图4A);不同利什曼原虫(Leishmania)物种之间的转染效率可能存在差...
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多种报告基因在若干原虫寄生虫中的优缺点已被广泛研究。其中,GFP 和 eGFP 具有内在荧光特性,便于定量和成像。这些蛋白的荧光活性可通过荧光显微镜、荧光光度法或流式细胞术进行检测,操作简便。尽管GFP及其衍生物在旧大陆利什曼原虫(Leishmania)物种中作为报告基因已表现出良好的稳定性15,16,18,24,但针对表达GFP的L.(Viannia)株系的构建研究仍较少。Varela 等人37建立了以附加体质粒形式表达GFP的L. panamensis株系。对无鞭毛体外培养的前鞭毛体和细胞内无鞭毛体进行流式细胞术分析,表明这些寄生虫适用于药物筛选实验。然而,其荧光表达具有高度异质性,且转染群体中荧光寄生虫的数量依赖于抗生素衣霉素持续施加的选择压力。这一限制使得这...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本工作由巴拿马国家科学技术与创新秘书处(SENACYT)资助,资助编号为NI-177-2016,以及巴拿马国家研究系统(SNI)资助,资助编号分别为SNI-169-2018、SNI-008-2022和SNI-060-2022。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 96孔微孔板 | 康宁 | CLS3340 | 平底透明黑色聚苯乙烯,无菌,带盖 |
| 琼脂糖 | Sigma-Aldrich | A4718 | |
| 氨苄青霉素钠盐 | Sigma-Aldrich | A8351 | BioXtra,适用于细胞培养 |
| BglII型限制性内切酶 | New England BioLabs | R0144S | 2,000 单位。10,000 单位/mL |
| 细胞培养瓶 | Corning | CLS430168 | 表面积 25 cm²2,倾斜的颈部,瓶盖(塞密封) |
| ChemiDoc 成像系统 | Bio-Rad | 17001401 | |
| CyFlow Space | 希森美康 | 暂无内容 | |
| D-(+)-葡萄糖 | Sigma-Aldrich | G7021 | 粉末,BioReagent,适用于细胞培养,适用于昆虫细胞培养,适用于植物细胞培养 ≥99.5% |
| 胎牛血清 | Sigma-Aldrich | F7524 | |
| 上样缓冲液 | Sigma-Aldrich | G2526 | 迁移速率随凝胶成分而变化。上样前将样品按1:3至1:6比例稀释。 |
| Gene Pulser Xcell 电穿孔系统 | 伯乐(Bio-Rad) | 1652660 | 该系统由一个主机单元、两个辅助模块(电容扩展器模块(CE模块)和脉冲控制器模块(PC模块))以及一个ShockPod比色皿腔室组成。 |
| Gene Pulser/MicroPulser 电穿孔比色皿 | 伯乐(Bio-Rad) | 1652086 | 50个装,0.2 cm–无间隙无菌电穿孔比色皿,适用于Gene Pulser和MicroPulser系统,用于哺乳动物及其他真核细胞 |
| 庆大霉素溶液 | Sigma-Aldrich | G1397 | 50 mg/mL,去离子水溶液,液体,0.1 μm 过滤,BioReagent,适用于细胞培养 |
| GoTaq Long PCR 预混液 | Promega | M4021 | |
| HEPES 溶液 | Sigma-Aldrich | H0887 | 1 M,pH 7.0–7.6,经无菌过滤,BioReagent,适用于细胞培养 |
| 倒置显微镜 | 奥林巴斯 | IXplore Standard | |
| KpnI-HF 限制性内切酶 | New England BioLabs | R3142S | 4,000 单位。20,000 单位/mL |
| 含琼脂的LB肉汤 | Sigma-Aldrich | L3147 | 含琼脂的高营养参考微生物生长粉末培养基,适用于常规培养 E.coli 培养 |
| LB肉汤 | Sigma-Aldrich | L2542 | 液体微生物培养基 |
| Mini-Sub Cell GT 水平电泳系统 | 伯乐(Bio-Rad) | 1640300 | 小型水平电泳系统,包含8孔和15孔梳子,7 cm × 10 cm 紫外透射托盘 |
| pEGFP-N1-1x | Addgene | 172281 | 表达与一段50个碱基串联重复序列融合的eGFP mRNA |
| pLEXSYcon2.1 表达试剂盒 | Jena Bioscience | EGE-1310sat | 包含整合型组成型表达载体 pLEXSY-sat2.1。使用Nourseothricin(NTC,clonNAT)对抗生素转染子进行筛选。包含用于诊断性PCR和测序的所有引物。 |
| 氯化钾 | Millipore | 529552 | 分子生物学级 - CAS 7447-40-7 - Calbiochem |
| PureYield 质粒小提系统 | Promega | A1222 | 最多15个 μ从3 mL培养物中提取转染级质粒DNA |
| 施耐德′昆虫培养基 | Sigma-Aldrich | S0146 | 我们实验室用于培养利什曼原虫的培养基。 |
| SOC培养基 | Sigma-Aldrich | S1797 | |
| 氯化钠 | Sigma-Aldrich | S3014 | 分子生物学级别,未检测到DNase、RNase和蛋白酶 ≥99%(滴定) |
| 磷酸氢二钠 | Sigma-Aldrich | RDD038 | 生物试剂,适用于细胞培养,适用于昆虫细胞培养, ≥99.0%,易流动,Redi-Dri |
| SwaI 限制性内切酶 | New England BioLabs | R0604S | 2,000 单位。10,000 单位/mL |
| 注射器滤器 | 康宁 | CLS431212 | 再生纤维素膜,直径 4 毫米,孔径0.2 μm |
| T100热循环仪 | 伯乐(Bio-Rad) | 1861096 | 热循环仪系统,包括96孔热循环仪、电源线、管架支撑环 |
| T4 DNA连接酶 | Promega | M1801 | 连接具有黏性末端或平末端的两条DNA链 |
| Tris-硼酸-EDTA缓冲液 | Sigma-Aldrich | T4415 | 生物试剂,适用于电泳,10× 浓缩物 |
| Wizard 基因组DNA纯化试剂盒 | Promega | A1120 | |
| Wizard SV 凝胶与 PCR 纯化系统 | Promega | A9285 | |
| XL10-Gold 超级感受态细胞 | 安捷伦 | 200317 | XL10-Gold Kanr 超级感受态细胞,10 × 0.1 mL。F'附加体上携带卡那霉素抗性基因,适用于在氯霉素抗性载体中进行极高要求的克隆实验。转化效率: > 5 × 10⁹ 转化子/µg pUC18 DNA |
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