我们描述了一种利用基于mini-Tn7的表达系统,在已构建的外排泵缺陷型鲍曼不动杆菌(Acinetobacter baumannii)菌株中实现外排泵基因单拷贝染色体互补的简便方法。该精确的遗传工具可实现基因表达的可控性,这对于表征多重耐药病原体中外排泵的功能至关重要。
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我们描述了一种利用基于mini-Tn7的表达系统,在已构建的外排泵缺陷型鲍曼不动杆菌(Acinetobacter baumannii)菌株中实现外排泵基因单拷贝染色体互补的简便方法。该精确的遗传工具可实现基因表达的可控性,这对于表征多重耐药病原体中外排泵的功能至关重要。
Acinetobacter baumannii 因其对多种抗生素具有广泛耐药性,被认为是难以应对的革兰氏阴性病原体。深入了解其耐药机制对于设计新的有效治疗方案至关重要。然而,目前可用于研究 A. baumannii 的遗传操作工具十分有限,制约了相关机制的探索。本文介绍了一种基于染色体 mini-Tn7 系统的方法,用于在缺乏功能性 RND 型外排机制的 A. baumannii 菌株中实现单拷贝基因表达。单拷贝插入和可诱导的外排泵表达具有显著优势,因为将 RND 外排操纵子构建在高拷贝质粒上通常会对细菌细胞造成不良影响。此外,将重组 mini-Tn7 表达载体整合至外排敏感性增强的 A. baumannii 替代宿主染色体中,有助于避免其他外排泵的干扰。该系统不仅适用于研究尚未明确功能的细菌外排泵,还可用于评估靶向外排泵的潜在抑制剂的有效性。
鲍曼不动杆菌 是一种世界卫生组织列为最高优先级的病原体,因其对所有类别的抗生素均具有耐药性1它是一种机会性病原体,主要影响住院患者、创伤患者或免疫功能低下者。 A. baumannii 在很大程度上逃避抗生素作用 通过 外排泵,其中最重要的是耐药-结节-分裂(RND)家族外排蛋白2了解这些外排泵的作用机制将有助于开发针对性的治疗方案。
一种特异性区分细胞过程的常用方法是通过基因操作。然而,可用于A. baumannii遗传学研究的工具十分有限,而且临床分离株通常对基因操作中常规用于筛选的抗生素具有抗性,这进一步增加了实验设计的复杂性3。在研究外排泵时遇到的第二个难题是,这些泵的表达受到严格调控——通常受未知因素调控,使得准确分离并归因特定功能于单一外排泵变得困难4。鉴于扩展研究工具的迫切需求,我们开发了一种基于mini-Tn7的单拷贝插入型诱导表达系统,该系统包含一个Flp重组酶靶点(FRT)盒,可用于移除筛选标记5,6,7(图1)。该系统最初为Pseudomonas构建8,9,10,我们将其用于在RND外排泵缺陷型A. baumannii菌株(ATCC 17978::ΔadeIJK,ΔadeFGH,ΔadeAB,以下简称A. baumannii AB258)中构建单拷贝外排泵互补株11。该方法能够一次仅研究一个外排泵,避免了质粒表达系统中常见的高拷贝表达对细菌细胞造成的过载,从而可在干扰最小、复杂性降低的情况下,更深入地了解每个外排泵的关键生理特性。
本文介绍如何利用mini-Tn7系统,通过为期9天的一系列简单步骤,将缺失的目的基因——RND外排泵adeIJK——回补至A. baumannii AB258的染色体中7。第一步是将克隆至基于mini-Tn7的插入质粒中的缺失外排泵基因,重新导入位于高度保守的glmS基因下游的单一attTn7插入位点(图2A和图3A)。该过程由一种非复制型辅助质粒(图2B)介导,该质粒编码Tn7转座插入所需的转座酶基因。第二步则使用一种切除质粒(图2C),通过Flp重组酶介导,移除两侧由FRT位点包围的庆大霉素抗性基因(图3B),从而构建无标记菌株。尽管该系统主要用于阐明RND外排泵在抗生素耐药性中的关键作用及其潜在抑制剂,但它同样适用于研究任何目的基因。
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1. 实验准备
2. 培养物制备
3. 电转感受态细胞的制备
4. 电穿孔
5. 选择转化菌落进行基于 PCR 的筛选
6. 通过菌落PCR验证染色体插入
7. 使用 pFLP2ab去除 GmR 标记
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染色体插入操作总共只需2小时,历时3天即可观察到结果——在选择性琼脂平板上生长的菌落图1A-C)。转化平板上预期的菌落数量因菌株而异:由于Tn7插入到 attTn7位点具有特异性和高效性9将转化平板上的菌落划线接种至选择性培养基图 4A) 可保存转化后的菌株,并为菌落PCR筛选提供起始材料(图1E 和 图4B)。通过PCR筛选菌落时可将数量控制在最低水平——通常无需处理超过10个菌落,且大多数菌落应能获得插入成功的阳性结果。用于筛选的引物ABglmS2_F_New和Tn7R扩增所得的PCR产物(表1),为382 bp(图4B 第4泳道);该反应的阴性对照包括野生型 A....
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尽管在 A. baumannii 中进行可诱导单拷贝基因表达系统染色体插入的操作在技术上较为简单且不费力,但仍有一些关键步骤需要特别注意。首先,制备感受态细胞时应尽可能在冰上操作,因为在用冰水替换培养基的过程中细胞会变得脆弱。理想情况下,离心步骤应在 4 °C 下进行,但在室温下离心也可接受。由于细胞在多次水洗过程中会逐渐变得更加脆弱,因此轻柔移液至关重要。其次,电穿孔对离子的存在非常敏感。通过多次离心和重悬于水中的洗涤步骤可确保完全去除培养基。此外,质粒应为新鲜纯化,可洗脱于标准试剂盒洗脱缓冲液(通常为 TE 缓冲液)中,只要质粒 DNA 浓度足够高即可。我们力求将 <5 µL 的质粒加入 100 µL 细胞悬液中,以保持样品的离子强度极低,尽管最多加入 10 µL 也可耐受。第三,应根据需要制备选择性琼脂平板,以确保所添加抗生素的有效性。请注意,在转化切除质粒 pFLP2ab 时,选用羧苄西林(carbenicillin)而非常规的氨苄西林(ampicillin)进行筛选。A. baumannii 对氨基青霉素类(如氨苄西林)具有固有耐药性
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作者无任何利益冲突需要披露。
本研究工作获得了加拿大自然科学与工程研究理事会向 AK 提供的发现基金资助。图中所用示意图由 BioRender.com 制作。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.2 mL PCR管 | VWR | 20170-012 | 用于菌落煮沸制备和PCR反应 |
| 1.5 mL 微量离心管 | Sarstedt | 72-690-301 | 通用用途 |
| 13 mL 培养管,Pyrex | Fisher | 14-957K | 液体培养容器 |
| 6x DNA上样缓冲液 | Froggabio | LD010 | 琼脂糖凝胶电泳样品上样染料 |
| 冰醋酸 | Fisher | 351271-212 | 琼脂糖凝胶电泳运行缓冲液组分 |
| 琼脂 | Bioshop | AGR003 | 固体培养基 |
| 琼脂糖 | BioBasic | D0012 | PCR反应产物的电泳分离;使用浓度为0.8–2% |
| 琼脂糖凝胶电泳装置 | Fisher | 29-237-54 | 琼脂糖凝胶电泳;PCR反应产物的分离 |
| 羧苄青霉素 | Fisher | 50841231 | 选择性培养基 |
| 培养管盖 | Fisher | 13-684-138 | 13 mL培养管用不锈钢盖 |
| 脱氧核苷三磷酸(dNTP)混合液 | Biobasic | DD0058 | PCR反应组分;提供形式为每种dATP、dCTP、dGTP、dTTP各100 mM;混合并稀释至每种dNTP各10 mM |
| 干浴/金属浴加热器 | Fisher | 88860023 | Isotemp数字干浴仪,用于煮沸制备 |
| 电穿孔比色皿 | VWR | 89047-208 | 2 mm带圆盖电穿孔比色皿 |
| 电穿孔仪 | Cole Parmer | 940000009 | 110 VAC,60 Hz电穿孔仪 |
| 溴化乙锭 | Fisher | BP102-1 | 在琼脂糖凝胶中可视化PCR反应产物和DNA标记物 |
| 乙二胺四乙酸(EDTA) | VWR | CA-EM4050 | 琼脂糖凝胶电泳运行缓冲液组分 |
| 庆大霉素 | Biobasic | GB0217 | 用于选择性培养基的制备 |
| 甘油 | Fisher | G33 | 制备用于超低温冰箱长期保存的细菌保存液 |
| 摇床培养箱 | New Brunswick Scientific | M1352-0000 | Excella E24摇床培养箱,用于液体培养物的生长 |
| 静止培养箱 | Fisher | 11-690-550D | Isotemp 550D型培养箱烘箱,用于固体(LB琼脂)培养物的生长 |
| 接种环 | Sarstedt | 86.1562.050 | 将菌落划线接种至琼脂平板 |
| 涂布棒 | Sarstedt | 86.1569.005 | 将培养物均匀涂布于琼脂平板 |
| LB液体培养基(Lennox配方) | Fisher | BP1427 | 液体培养基(20 g/L:5 g/L氯化钠,10 g/L胰蛋白胨,5 g/L酵母提取物) |
| 微量离心机 | Fisher | 75002431 | Sorvall Legend Micro 17,用于样品离心 |
| 小型离心机 | Fisher | S67601B | 用于0.2 mL PCR管的离心 |
| 培养皿 | SPL Life Sciences | 10090 | 用于固体培养基(琼脂平板):90 × 15 mm |
| 移液器 | Mandel | 各种 | Gilson单通道移液器(P10、P20、P200、P1000) |
| 电源 | Biorad | 1645050 | PowerPac Basic电泳电源 |
| 引物 | IDT | NA | PCR反应组分;针对目标基因设计;根据产品说明书配制为100 μM |
| 蔗糖 | BioBasic | SB0498 | 用于制备反向选择培养基,以从转化后的鲍曼不动杆菌中去除pFLP2ab质粒 |
| Taq DNA聚合酶 | FroggaBio | T-500 | PCR反应组分;聚合酶随附10x缓冲液 |
| PCR仪 | Biorad | 1861096 | T100型号,用于PCR |
| 牙签 | Fisher | S24559 | 用于将菌落点种至琼脂平板 |
| Trizma碱 | Sigma | T1503 | 琼脂糖凝胶电泳运行缓冲液组分 |
| 超纯水 | Millipore Sigma | ZLXLSD51040 | MilliQ水纯化系统:用于培养基和溶液配制以及细胞洗涤的超纯水 |
| 宽范围DNA标记物 | Biobasic | M103R-2 | 在琼脂糖凝胶上测定PCR产物的大小 |
| 木质接种棒 | Fisher | 29-801-02 | 从琼脂平板上挑取菌落接种培养物 |
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