ソース: アレクサンダー S. ゴールド1, トーニャ M. コルピッツ1
1ボストン大学医学部微生物学科、国立新興感染症研究所、ボストン、マサチューセッツ州
トランスダクションは、バクテリオファージ(ファージ)を利用する細菌間の遺伝的交換の一形態であり、原核生物に排他的に感染するウイルスのクラスである。この形態のDNA移動は、ファージを通じてある細菌から別の細菌に移り、1951年にノートン・ジンダーとジョシュア・レデレルグによって発見された(1)。バクテリオファージは1915年に英国の細菌学者フレデリック・ツールトによって最初に発見され、その後1917年にフランス系カナダ人の微生物学者フェリックス・デレル(2)によって再び発見された。それ以来、これらのファージの構造と機能は広く特徴付けられており(3)、これらのファージを2つのクラスに分割する。これらのクラスの最初のクラスは、感染時に宿主細菌内で増殖し、細菌代謝を破壊し、細胞を溶解し、子孫ファージを放出する溶解ファージである(4)。この抗菌活性と抗生物質耐性細菌の有病率の増加の結果として、これらの溶解ファージは最近、抗生物質の代替治療として有用であることが証明された。これらのクラスの2番目は、溶解サイクルを介して宿主内で増殖するか、またはそのゲノムが宿主のゲノムが宿主のゲノムに統合される静止状態に入ることができるリソジェニックファージです(図1)。複数の後の世代(4)で誘発される生産。
図1:バクテリオファージによる宿主細胞の感染尾線維と受容体(紫色)との相互作用を介して細菌細胞壁へのファージによる吸着。細胞表面に一度、ファージは収縮鞘(黄色)によって細胞壁に移動されるベースプレート(黒)を使用して細菌細胞に不可逆的に付着する。ファージゲノム(赤色)は、細胞に入り、宿主細胞ゲノムに統合する。
細菌の伝達は自然に起こるプロセスですが、現代の技術を使用して、実験室の設定で細菌に遺伝子を移用するために操作されています。ファージなどのリソジェニックファージのゲノムに目的の遺伝子を挿入することで、これらの遺伝子を細菌のゲノムに移し、その結果、これらの細胞内で発現することができます。形質転換などの他の遺伝子導入方法は、遺伝子の伝達および発現にプラスミドを使用するが、ファージゲノムをレシピエント細菌のそれに挿入することは、この細菌に新しい形質を与える可能性を有するだけでなく、自然に起こる突然変異および細胞環境の他の要因は、転移した遺伝子の機能を変化させる。
結合などの水平遺伝子導入の他の方法と比較して、トランスダクションはドナーおよびレシピエント細胞に必要な基準でかなり柔軟です。使用されているファージのゲノム内に収まる可能性のある任意の遺伝的要素は、ドナー細菌の任意の株から、両方がファージに寛容である限り、ドナー細菌の任意の株から、必要なファージ受容体の発現を必要とする。セル サーフェス。この遺伝子がドナーゲノムから移動し、ファージに包装されると、レシピエントに移すことができる。トランスダクションに続いて、目的の遺伝子を含むレシピエント細菌を選択する必要があります。これは、抗生物質耐性をコードする遺伝子の場合に、目的の遺伝子、または遺伝子の本質的な機能をマークするために、FLAGタグやポリヒスチジンタグなどの遺伝子マーカーを使用することによって行うことができます。さらに、PCRを使用して、トランスダクションの成功をさらに確認することができます。対象遺伝子内の領域にプライマーを使用し、シグナルを陽性対照と比較することにより、目的の遺伝子を有する細菌、および負の対照、ファージのない経度反応と同じステップを受けた細菌。細菌の伝達は分子生物学において有用なツールであるが、特に最近の抗生物質耐性の上昇に関して、細菌の進化において重要な役割を果たし続けている。
この実験では、細菌伝達を用いて、抗生物質アンピシリンに対する耐性をコードする遺伝子を、大腸菌のW3110株からP1バクテリオファージ(5)を介してJ53株に伝達した。この実験は、2つの主要なステップで構成されていました。まず、ドナー株からアンピシリン耐性遺伝子を含むP1ファージの調製。第2に、この遺伝子をP1ファージによるトランスダクションによりレシピエント株に転移させる(図1)。いったん実施すると、アンピシリン耐性遺伝子の正常な転写はqPCRによって決定され得る(図2)。経転移が成功した場合、大腸菌のJ53株はアンピシリンに対して耐性であり、この耐性を与える遺伝子はqPCRによって検出可能である。もし失敗した場合、アンピシリン耐性遺伝子の検出はなく、アンピシリンはJ53株に対する有効な抗生物質として機能し続けるであろう。
図2:qPCRによるトランスダクションの成功の確認トランスダクション反応と陰性対照反応から対象遺伝子に対して検出されたCq値を比較し、これらの値をハウスキーピング遺伝子に対して正規化することで、細菌の伝達が成功したことを確認することができました。
1. セットアップ
2. プロトコル
3. データ分析と結果
温度 | 時間 | |
変性 | 94 °C | 2 分 |
40サイクル: | ||
変性 | 94 °C | 15秒 |
アニーリング、延長、蛍光読み取り | 最低プライマーTm以下60 °Cまたは5 °C | 1 分 |
表 1: qPCR サーモサイクリング プロトコル
細菌は、遺伝物質を交換することによって、急速に変化する環境に迅速に適応することができ、彼らはそれを行うことができる一つの方法は、トランスダクション、細菌ウイルスによって媒介される遺伝物質の交換です。バクテリオファージは、しばしばファージと略されるが、最初に宿主の表面に付着し、そのDNAを細菌細胞に注入することによって細菌に感染するウイルスの一種である。その後、宿主細胞自身のDNAを分解し、ウイルスゲノムを複製し、細胞の機械を乗っ取ってタンパク質の多くのコピーを合成します。これらのファージタンパク質は、自己組み立て、複数の子孫を形成するためにファージゲノムをパッケージ化します。しかし、DNA包装機構の忠実度が低いため、時折、ファージは細菌DNAの断片をファージカプシドにパッケージ化する。宿主の逆化を誘導した後、ファージ子孫が放出され、そのようなファージが別の宿主細胞に感染すると、前の宿主のDNA断片が伝達される。これは、再結合し、新しい宿主の染色体に永久に組み込まれ、それによって2つの細菌間の遺伝子伝達を媒次化することができる。
実験室でファージトランスダクションを行うには、目的の遺伝子を含むドナー株、それを欠くレシピエント株、両方の菌株に感染しうるファージ、およびトランスメーション細菌を選択する方法が必要です。ほとんどの場合、これは、トランスネクスト細菌の増殖をサポートするが、非トランスネクストされたものの成長を阻害する選択的固体成長培地になります。まず、目的の遺伝子を含むドナー株は、液体成長培地で培養される。すべての細菌が成長のログ段階で活発に分裂している場合、培養は標的ファージに接種される。インキュベーションの3〜4時間後、ほぼすべての細菌がファージ粒子をlyslyseおよび放出した場合、ドナーファージリサートは、レシピエント細菌株の新たに成長した培養物に接種される。1時間の短いインキュベーションの後、培養物は、現在、トランスネクストおよび非トランスネクスト細菌細胞の混合物を含むべきであり、これは適切な選択的固形成長培地に懸濁液の一部を広げることによって、トランスネク下細胞についてスクリーニングされる。さらなるインキュベーションの際に、トランスネクテーションされた細胞は成長し、増加し、目に見えるコロニーを得る必要があります。これらのコロニーは、コロニーPCR、DNAシーケンシング、定量PCRなどの正常な伝達をさらに確認するために、様々な方法を用いてさらなる分析のために選択することができる。
手順を開始する前に、ラボコートや手袋を含む適切な個人用保護具を着用してください。次に、70%のエタノールでワークスペースを殺菌し、表面を拭き取ります。
この後、LB塩溶液の3つの1ミリリットルのアリコートを調製する。さて、5ミリリットルのLB成長培地を5ミリリットルのLB成長培地を含む15ミリリットルの円錐バイアルに100マイクロリットルの大腸菌を500マイクログラムのアンピシリンで添加してドナー株培養を調製する。その後、通気と220 rpmで振って、摂氏37度で一晩培養を成長させます。翌日、70%のエタノールでベンチトップを拭き取ってから、振るインキュベーターから培養を取り除きます。次に、塩溶液を添加した新鮮なLBの990マイクロリットルにドナー株の10マイクロリットルを加えることによって100に一晩培養を希釈する。
細菌希釈を37°Cで2時間、通気と220rpmで振るようにします。細胞が早期ログ相に達したら、インキュベーターから培養物を取り出し、40マイクロリットルのP1ファージを培養に加え、再度インキュベートする。培養がリズされるまで1~3時間細胞を監視し続けます。次に、50~100マイクロリットルのクロロホルムをリサートに加え、渦で混ぜます。その後、ライサートを遠心分離して破片を除去し、上清を新鮮なチューブに移します。上清に数滴のクロロホルムを加え、1日以上摂氏4度に保存します。
経誘導手順を開始するには、レシピエント株の1ミリリットル培養物を得る。次に、100マイクロリットルのドナーファージリザートを1.5ミリリットルのマイクロ遠心分離管に移し、キャップを30分間開けて37°Cでインキュベートし、残りのクロロホルムを蒸発させます。ドナーファージがインキュベートする間、ペレットは穏やかな遠心分離を介して細胞を歪める。上清を廃棄し、硫酸100ミリモルマグネシウムと5ミリモルカルシウム塩化カルシウムを含む新鮮なLBの300マイクロリットルで細胞ペレットを再懸濁します。
次に、レシピエント株の100マイクロリットルとドナーファージリサートの100マイクロリットルをマイクロ遠心管に組み合わせて経誘導反応を設定する。次いで、レシピエント株の100マイクロリットルとLBの100マイクロリットルを硫酸マグネシウム及び塩化カルシウムと組み合わせて負の対照を設定する。インキュベーション後、クチン酸1モルナトリウム1ミリリットルとLB1ミリリットルを両管に加え、上下にゆっくりと配管して混ぜます。その後、チューブを1時間インキュベートした後、遠心分離を介して細胞を穏やかにペレットする。
遠心分離後、上清を廃棄し、100ミリモルクチン酸で100マイクロリットルのLBでペレット化した細胞を再懸濁する。溶液を渦にし、1Xアンピシリンを含むLB寒天プレートにトランスメ下サンプル全体をピペットします。最後に、アンピシリンなしでLB寒天プレートに負の対照細胞混合物の全容積をピペットする。37°Cで一晩プレートをインキュベートした後、無菌ピペットチップを使用して、トランスダクションプレートから3~4個のコロニーを選び、1Xアンピシリンと1モルクチン酸100マイクロリットルを含む新しいLB寒天プレートにストリークします。1つのモルクチン酸の100マイクロリットルのみを含む別のLB寒天プレート上の負の対照のためのこのめっき方法を繰り返します。その後、一晩37°Cでプレートをインキュベートし、ファージのないコロニーが成長できるようにします。
翌日、70%のエタノールでベンチトップを拭き取ってから、インキュベーターからプレートを取り出します。滅菌ピペットチップを使用して、トランスダクションプレートから3つのコロニーを選び、それぞれ5ミリリットルのLB培地を含む別々のチューブに追加します。次に、負の制御プレートから3つのコロニーを選択し、LB培地の5ミリリットルを含む別のチューブに追加します。220 rpmで通気と揺れで摂氏37度で一晩培養を成長させます。前に示したようにベンチトップを殺菌した後、DNAミニプレップキットを使用して、製造元の指示に従って各培養物の4.5ミリリットルからDNAを分離します。次いで、35マイクロリットルのヌクレアーゼフリー水でDNAを溶出し、ラボ分光光度計で得られた濃度を測定します。最後に、100%グリセロールの0.5ミリリットルに両方の細菌溶液の残りの0.5ミリリットルを追加することにより、グリセロールストックを調製します。
経電を確認するには、まず24個のqPCR反応に対して2つのqPCRマスターミックスを調製します。最初のマスターミックスでは、150マイクロリットルのqPCRバッファーミックスをマイクロ遠心管に加え、アンピシリン耐性遺伝子を増幅するように設計されたフォワードとリバースプライマーのそれぞれに12マイクロリットルを加えます。次に、マイクロ遠心管に150マイクロリットルのqPCRマスターミックスを加え、ハウスキーピング遺伝子を増幅するように設計されたフォワードプライマーとリバースプライマーのそれぞれ12マイクロリットルを追加して、第2のqPCRマスターミックスを準備します。
各qPCR反応について、各反応から100マイクログラムの実験DNAを14.5マイクロリットルのqPCRマスターミックスと組み合わせます。さて、前に示したように残りの反応を準備します。94°Cに予熱されたサーモサイクラーに反応を転送し、プログラムを開始します。最後に、qPCRによって生成されたサイクル定量(Cq)値を使用して、アンピシリン耐性遺伝子の正規化されたトランスダクション効率を計算します。
対象遺伝子のサイクル定量(Cq)値は、各陰性対照およびトランスネクテッドサンプルについて集計された。低いCq値は、通常29サイクル未満で、この例のトランス下サンプルのように、ターゲット配列の高量を示す。
ハウスキーピング遺伝子は、ここでも集計され、各反応におけるDNAの量を正規化するためのローディングコントロールとして、またqPCRが働いていることを確実にするための陽性対照として使用される。同じ量のハウスキーピング遺伝子がロードされている場合、各サンプルにおいて比較的同じ速度で見出される。
次に、各サンプルのデルタCq値を算出し、対応する標的遺伝子のCq値から各サンプルのハウスキーピング遺伝子のCq値を減算する。たとえば、最初の負のコントロールのデルタ Cq は 13.54 です。次に、この値を使用して、ここに示す式を使用して、各サンプルの正規化されたトランスダクション効率を計算します。最後に、各サンプル群の平均正規化トランスダクション効率を算出することができる。
バクテリオファージによる細菌との間の遺伝子の移動は、自然なプロセスながら、多くの研究目的のために非常に有用であることが証明されています。形質転換や結合などの遺伝子導入の他の方法は可能ですが、トランスダクションはバクテリオファージを一意に使用します。宿主ゲノムへの遺伝子統合を可能にするだけでなく、他の方法の影響を受けにくい複数の細菌への遺伝子送達も可能にする。このプロセスは、実験室で特に有用である一方で、最近出現している遺伝子治療分野においても使用されており、より具体的には代替遺伝子治療においては、細菌を利用して標的組織に治療薬を提供する治療戦略、その多くは他の送達方法の影響を受けにくく、多くの臨床的関連性を有する(8,9)。
Bacteria can adapt quickly to a fast-changing environment by exchanging genetic material and one way they can do this is via transduction, the exchange of genetic material mediated by bacterial viruses. A bacteriophage, often abbreviated to phage, is a type of virus that infects bacteria by first attaching to the surface of the host and then injecting its DNA into the bacterial cell. It then degrades the host cell’s own DNA and replicates its viral genome, whilst hijacking the cell’s machinery to synthesize many copies of its proteins. These phage proteins then self-assemble and package the phage genomes to form multiple progeny. However, due to the low fidelity of the DNA packaging mechanism, occasionally, the phage packages fragments of bacterial DNA into the phage capsid. After inducing the lysis of the host, the phage progeny are released and, once such a phage infects another host cell, it transfers the DNA fragment of its previous host. This can then recombine and become permanently incorporated into the new host’s chromosome, thereby mediating gene transfer between the two bacteria.
To carry out phage transduction in the laboratory requires a donor strain that contains a gene of interest, a recipient strain that lacks it, a phage that can infect both the strains, and a method to select the transduced bacteria. In most cases, this will be a selective solid growth media that supports the growth of transduced bacteria but inhibits the growth of non-transduced ones. To begin, the donor strain that contains the gene of interest is cultured in a liquid growth medium. When all the bacteria are actively dividing in the log phase of their growth, the culture is inoculated with the target phage. After three to four hours of incubation, when nearly all the bacteria have lysed and released the phage particles, the donor phage lysate is inoculated into a freshly grown culture of the recipient bacterial strain. After a brief incubation of one hour, the culture should now contain a mixture of transduced and non-transduced bacterial cells and this is screened for the transduced cells by spreading a fraction of the suspension onto an appropriate selective solid growth media. Upon further incubation, the transduced cells should grow and multiply to yield visible colonies. These colonies can then be selected for further analysis using a variety of methods to further confirm successful transduction, such as colony PCR, DNA sequencing, or quantitative PCR.
Before starting the procedure, put on any appropriate personal protective equipment, including a lab coat and gloves. Next, sterilize the workspace with 70% ethanol and wipe down the surface.
After this, prepare three one-milliliter aliquots of LB salt solution. Now, prepare a donor strain culture by adding 100 microliters of E. coli to a 15 milliliter conical vial containing five milliliters of LB growth medium with 500 micrograms of ampicillin. Then, grow the culture overnight at 37 degrees Celsius with aeration and shaking at 220 rpm. The next day, wipe down the bench top with 70% ethanol before removing the culture from the shaking incubator. Next, dilute the overnight culture one to 100 by adding 10 microliters of donor strain to 990 microliters of fresh LB supplemented with salt solution.
Allow the bacterial dilution to grow at 37 degrees Celsius for two hours with aeration and shaking at 220 rpm. Once the cells have reached early log phase, remove the culture from the incubator, add 40 microliters of P1 phage to the culture and incubate again. Continue to monitor the cells for one to three hours until the culture has lysed. Next, add 50 to 100 microliters of chloroform to the lysate and mix by vortexing. Then, centrifuge the lysate to remove debris and transfer the supernatant to a fresh tube. Add a few drops of chloroform to the supernatant and store it at four degrees Celsius for no more than one day.
To begin the transduction procedure, obtain a one milliliter culture of recipient strain. Next, transfer 100 microliters of donor phage lysate into a 1.5 milliliter microcentrifuge tube and incubate it at 37 degrees Celsius with the cap open for 30 minutes to allow any remaining chloroform to evaporate. While the donor phage lysate incubates, pellet the recipient strain cells via gentle centrifugation. Discard the supernatant and resuspend the cell pellet in 300 microliters of fresh LB containing 100 millimolar magnesium sulfate and five millimolar calcium chloride.
Next, set up the transduction reaction by combining 100 microliters of the recipient strain and 100 microliters of the donor phage lysate in a microcentrifuge tube. Then, set up the negative control by combining 100 microliters of the recipient strain and 100 microliters of the LB with magnesium sulfate and calcium chloride. After incubation, add 200 microliters of one molar sodium citrate and one milliliter of LB to both tubes, and mix by gently pipetting up and down. Then, after the tubes have been incubated for an hour, gently pellet the cells via centrifugation.
After centrifuging, discard the supernatant and resuspend the pelleted cells in 100 microliters of LB with 100 millimolar sodium citrate. Vortex the solutions and pipette the entire transduced sample onto an LB agar plate with 1X ampicillin. Finally, pipette the entire volume of the negative control cell mixture onto an LB agar plate without ampicillin. After incubating the plates overnight at 37 degrees Celsius, use a sterile pipette tip to pick three to four colonies from the transduction plate and streak them onto a new LB agar plate containing 1X ampicillin and 100 microliters of one molar sodium citrate. Repeat this plating method for the negative control on another LB agar plate containing only 100 microliters of one molar sodium citrate. Then, incubate the plates at 37 degrees Celsius overnight to allow colonies free of phage to grow.
The next day, wipe down the bench top with 70% ethanol before removing your plates from the incubator. Using a sterile pipette tip, pick three colonies from the transduction plate and add them each to a separate tube containing five milliliters of LB media. Then, select three colonies from the negative control plate and add them to another tube containing five milliliters of LB media. Grow the cultures overnight at 37 degrees Celsius with aeration and shaking at 220 rpm. After sterilizing the bench top as previously demonstrated, use a DNA miniprep kit to isolate DNA from 4.5 milliliters of each culture according to the manufacturer’s instructions. Then, elute the DNA with 35 microliters of nuclease-free water and measure the resulting concentration by lab spectrophotometer. Finally, prepare glycerol stocks by adding the remaining 0.5 milliliters of both bacterial solutions to 0.5 milliliters of 100% glycerol.
To confirm transduction, first prepare two qPCR master mixes for 24 qPCR reactions. For the first master mix, add 150 microliters of qPCR buffer mix to a microcentrifuge tube and 12 microliters each of a forward and reverse primer designed to amplify the ampicillin resistance gene. Next, prepare a second qPCR master mix by adding 150 microliters of qPCR master mix to a microcentrifuge tube and then adding 12 microliters each of a forward primer and reverse primer designed to amplify a housekeeping gene.
For each qPCR reaction, combine 100 micrograms of experimental DNA from each reaction with 14.5 microliters of qPCR master mix. Now, prepare the remaining reactions as previously demonstrated. Transfer the reactions to a thermocycler preheated to 94 degrees Celsius and then initiate the program. Finally, use the cycle quantification, or Cq, values generated by qPCR to calculate the normalized transduction efficiency of the ampicillin resistance gene.
The cycle quantitation, or Cq, values for the genes of interest were tabulated for each of the negative controls and transduced samples. Low Cq values, typically below 29 cycles, like the transduced samples in this example indicate high amounts of the target sequence.
A housekeeping gene, also tabulated here, is used as a loading control to normalize the amount of DNA in each reaction and as a positive control to ensure the qPCR is working. Provided the same amounts of the housekeeping gene are loaded, it is found at relatively the same rate in each sample.
Next, to calculate the delta Cq value for each sample, subtract the Cq value of the housekeeping gene for each sample from the Cq value of its corresponding target gene. For example, the delta Cq of the first negative control is 13.54. Then, use this value to calculate the normalized transduction efficiency of each sample using the formula shown here. Finally, the average normalized transduction efficiency for each sample group can be calculated.
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