이 기사에서는 모듈러 클로닝(MoClo)이 폴리시스트로닉 오페론의 클로닝에 어떻게 적용될 수 있는지 보여주는 단계별 프로토콜을 제시합니다.
방법 논문
이 기사에서는 모듈러 클로닝(MoClo)이 폴리시스트로닉 오페론의 클로닝에 어떻게 적용될 수 있는지 보여주는 단계별 프로토콜을 제시합니다.
MoClo(Modular Cloning) 툴킷을 사용하면 다중 유전자 구조를 신속하게 조립할 수 있습니다. 그들은 인식 부위 외부를 절단하는 Type IIS 제한 효소를 사용하는 Golden Gate 복제를 기반으로 합니다. 인식 및 절단 서열이 분리되기 때문에 유형 IIS 제한 효소에 의해 생성된 돌출부를 의도적으로 선택할 수 있으며 복제 전략은 일반적으로 올바르게 결합된 DNA 단편의 절단을 방지합니다. 이를 통해 단일 반응에서 여러 DNA 단편을 매우 효율적으로 조립할 수 있습니다. MoClo에서는 프로모터, 리보솜 결합 부위, 코딩 서열 및 터미네이터와 같은 개별 기능성 DNA 부분과 고차 어셈블리에 표준화된 오버행이 할당되어 재사용 가능한 부분 라이브러리를 생성할 수 있습니다. 대부분의 박테리아 MoClo 툴킷은 모노시스트로닉 전사 단위를 복제하기 위해 설계되었으며 폴리시스트로닉 오페론의 조립을 위한 구조화된 경로를 제공하지 않습니다. 이 프로토콜은 In- & Out-Cloning 툴킷을 사용한 폴리시스트로닉 전사 단위의 조립을 보여줍니다. 동일한 접근 방식을 다른 MoClo 툴킷으로 이전할 수 있습니다.
플라스미드와 같은 복제본에 재조합 DNA를 도입하는 분자 복제는 분자 생물학의 기본 방법론입니다. DNA의 구성 및 조립 방법은 최근 수십 년 동안 점점 더 정교해졌습니다. 이제 연구자들은 합성된 DNA1에서 전체 합성 염색체와 게놈을 구축할 수 있습니다. 전통적인 분자 클로닝은 종종 임시 클로닝 전략에 의존하며 대규모 다중 유전자 구축의 경우 힘들고 비용이 많이 들 수 있습니다2. 최근 몇 년 동안 골든 게이트(GG) 클로닝 및 파생된 계층적 모듈러 클로닝(MoClo) 툴킷 2,3은 시간과 비용 효율적인 DNA 조립을 가능하게 하는 인기 있는 솔루션이 되었습니다.
유형 IIS 제한 효소는 방향성(비회문) 서열을 인식하고 이 인식 서열 외부에서 절단하는 엔도뉴클레아제입니다4. 결과적으로 절단에 의해 생성된 돌출부 서열은 인식 부위에 의존하지 않지만 선택할 수 있습니다4. 또한, 기능적 DNA 단편, 여기서 '부분'이라고 불리는 것은, 절단이 결합될 부분2의 끝으로부터 인식 부위를 제거하도록 설계될 수 있다. GG 클로닝 전략은 이를 활용하여 원팟 반응에서 효율적인 다중 파트 DNA 어셈블리를 가능하게 합니다5. MoClo 툴킷은 GG 클로닝을 기반으로 하며 다중 유전자 구조의 조립을 위한 모듈식 및 계층적 방법을 제공하는 것을 목표로 합니다. 부품을 조립하는 데 사용되는 돌출부는 표준화되어 재사용 및 교체 가능한 부품 라이브러리를 생성할 수 있습니다. MoClo 툴킷은 여러 DNA 서열을 수용하고 조립된 산물을 방출하도록 설계된 수용체 플라스미드에 의존합니다. 각 수용체 플라스미드는 두 개의 서로 다른 유형 IIS 효소의 두 가지 인식 부위를 포함하며, 하나는 DNA 화물을 수용하는 데 사용되고 다른 하나는 조립된 DNA를 방출하는 데 사용됩니다 3,6. 그 원리의 그림은 개별 부분인 터미네이터를 MoClo 수용체 플라스미드(레벨 0)로 복제하는 데 대한 그림 1에 나와 있습니다. 수용체 플라스미드와 인서트 모두 제한 효소 BbsI에 의해 절단되며, 호환 가능한 돌출부를 남기고 BbsI 인식 부위를 제거합니다. 따라서 올바르게 결찰된 플라스미드는 더 이상 BbsI에 의해 절단되지 않습니다. 생성된 플라스미드를 IIS 효소 SapI로 절단하면 다음 조립 단계(레벨 1)에서 이전에 삽입된 단편이 방출됩니다.
이 프로토콜에서는 In- 및 Out-Cloning MoClo 도구 상자가 사용됩니다7. 여기서, 레벨 0 플라스미드는 5' 비번역 영역(UTR)을 갖는 프로모터, 코딩 서열 및 3'UTR을 갖는 터미네이터와 같은 정의된 기본 유전 부분을 포함하며, 그림 1은 레벨 0의 개략적 개요를 보여줍니다. 레벨 1에서는 여러 파트가 TU(Transcription Unit)로 어셈블되고 있으며, 그림 2는 레벨 1 파트 및 복제에 대한 개략적인 개요를 보여줍니다. 인-아웃 클로닝 MoClo는 3-뉴클레오티드 돌출부를 생성하는 Type IIS 효소를 사용하여 레벨 1에서 전사 단위의 흉터 없는 조립을 위해 설계되었습니다. 이를 통해 오버행은 조립을 위해 ATG 시작 및 TGA 정지 코돈을 사용하여 코딩 시퀀스의 코돈 래스터 내에 완전히 있을 수 있습니다. 레벨 M 및 P는 레벨 1 플라스미드 3,8에서 방출된 다중 전사 단위의 조립에 사용됩니다. 그림 3은 레벨 M 및 P로 복제하기 위한 부분의 개략적 개요와 레벨 M에서 바이시스트로닉 오페론의 조립을 보여줍니다(바이시스트로닉 오페론은 다중 코딩 서열(CDS)을 발현하는 전사 단위임). 레벨 P와 M은 조립할 수 있는 부품의 수에 대한 이론적 제한이 없도록 한 것에서 다른 것으로의 반복적인 순환을 허용하도록 설계되었지만, 이 프로토콜의 주요 초점은 바이시스트로닉 오페론의 조립을 보여주는 것이기 때문에 이 프로토콜에는 설명되지 않습니다. 조립할 수 있는 부품 수에는 제한이 없지만 조립할 수 있는 구조물의 크기에는 제한이 있습니다. MoClo 키트를 사용하여 최대 100,000 bp를 조립했습니다9. 또한, 독성 유전자를 포함하는 대형 구조물 또는 구조체는 세포에 부담을 줄 수 있습니다. 이러한 경우에 대해 수정된 프로토콜이 게시되었습니다10.
In- 및 Out-Cloning은 처음에 폴리시스트로닉 전사 단위의 조립을 위한 계획을 설명하지 않았습니다. 폴리시스트로닉 오페론은 박테리아 11,12,13에서 매우 일반적인 유전자 구성 모드이므로 모듈식 방식의 상향식 조립에 주목할만한 관심이 있습니다14. 여기에서는 In- 및 Out-Cloning을 사용하여 폴리시스트로닉 오페론을 조립하기 위한 구조화된 체계가 설명됩니다. 제시된 체계는 폴리시스트로닉 전사 단위 내에서 코딩 서열의 위치를 쉽게 교환할 수 있을 뿐만 아니라 모노 및 폴리시스트로닉 전사로 구성된 어셈블리를 가능하게 합니다.
다음 단계별 프로토콜은 In-및 Out-Cloning을 사용하여 폴리시스트로닉 오페론의 설계 및 클로닝을 보여줍니다. 폴리시스트로닉 전사 단위를 복제하기 위해 제시된 전략은 다른 MoClo 툴킷에 쉽게 적용할 수 있습니다.
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참고: 이 프로토콜은 In-Cloning 표준의 세 가지 수준(0, 1 및 M)을 통해 폴리시스트로닉 오페론의 설계 및 조립을 설명합니다. 여기에 조립된 폴리시스트로닉 오페론은 프로모터로 시작하여 리보솜 결합 부위(RBS), 코딩 서열(CDS), 두 번째 RBS, 두 번째 CDS, 마지막으로 터미네이터가 옵니다(그림 S1). 분자 복제 소프트웨어를 사용하여 인 실리코 복제를 시뮬레이션하여 설계된 복제 전략이 올바른지 확인하는 것이 좋습니다. 프로모터를 레벨 0 부품으로 조립하고, 코딩 서열과 터미네이터를 갖는 RBS를 레벨 1 전사 장치로 조립하고, 레벨 M에서 바이시스트로닉 오페론의 조립을 여기에 설명하고, 전체 어셈블리의 개략적인 개요를 도 S1에 나타내고 있다.
1. 레벨 0: 부품 가축화
참고: "가축화"라는 용어는 분자 부분이 MoClo 부분 라이브러리에 통합되었으며 MoClo 키트의 수준 전체에서 조립될 수 있음을 나타내는 데 사용됩니다. 전형적으로, 키트 내에서 사용되는 유형 IIS 제한 효소의 모든 인식 부위는 예를 들어, 동의어 재코딩에 의해 길들여질 부분으로부터 제거된다.
2. 레벨 1: 위치 결정
참고: 레벨 1은 부품을 길들이는 것과 폴리시스트로닉 오페론을 조립하는 것 사이의 수준입니다(그림 2). 여기에서 최종 구성에서 중간 어셈블리의 위치가 결정됩니다. 오페론 내에서 레벨 1 어셈블리의 위치는 다른 레벨 1 수용체 플라스미드를 사용하여 변경할 수 있습니다. 주어진 예는 바이시스트로닉 장치의 조립을 설명하지만 주어진 체계는 최대 6개의 코딩 시퀀스(각각 RBS 포함)의 조립에 쉽게 적용할 수 있습니다. 더 많은 코딩 시퀀스를 조립하려면 레벨 P와 M 사이를 순환해야 합니다. 레벨 P와 M 사이의 반복 순환을 사용하면 단일 오페론으로 조립할 수 있는 코딩 시퀀스 수에 고정된 상한이 없습니다.
3. 레벨 M : 폴리 시스트로닉 오페론의 조립
참고: 이 단계에서는 폴리시스트로닉 오페론이 조립됩니다. 제시된 바이시스트로닉 오페론의 경우 두 개의 레벨 1 인서트가 위치 1과 2에 조립됩니다. 따라서, 수용체 플라스미드 pMA60이 선택된다. 또한, 엔드 링커가 필요합니다. 모든 레벨 M 및 P 수용체 플라스미드는 두 번째 돌출부로 돌출부 GGGA를 갖습니다. 엔드 링커는 인서트와 수용체 플라스미드 사이를 연결하고 레벨 P 구조를 레벨 M으로 또는 그 반대로 조립할 수 있도록 합니다. 두 개의 레벨 1 인서트로 구성된 레벨 P 어셈블리의 경우 엔드 링커 pMA668이 사용되며 세 번째이자 최종 위치를 차지합니다. 레벨 M 및 P의 개요와 클로닝 단계의 시각화가 그림 3에 나와 있습니다. 레벨 M(또는 P)에서만 조립하면 최대 6개의 코딩 시퀀스의 오페론을 복제할 수 있습니다(위치 1-6). 위치 7은 엔드 링커에 의해 취해지고 있습니다. 오페론에서 더 많은 수의 코딩 시퀀스를 조립하는 것이 가능하지만 이 프로토콜에 설명되지 않은 레벨 M(또는 P)으로 순환해야 합니다.
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여기에서는 레벨 0에서 레벨 M까지 폴리시스트로닉 오페론의 상향식 조립 결과가 나와 있습니다(그림 S1). 오페론은 유도 화합물 N-(β-케토카프로일)-L-호모세린 락톤(OC6)17의 존재 하에서 단백질 LuxR에 의해 활성화될 수 있는 프로모터 PLuxB로 시작됩니다. GFP는 오페론의 첫 번째 CDS이며 RBS는 iGEM BBa_B0064입니다. GFP 뒤에는 비터미널 링커인 '터미네이터 브리지'가 옵니다. 제2 RBS는 RBS 계산기(18)에 의해 설계되고, 제2 CDS는 mTurquoise이다. 마지막으로 오페론은 터미네이터L3S2P21 19로 종료됩니다.
터미네이터의 길들여짐
설계된 폴리시스트로닉 오...
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분자 복제는 시간이 많이 걸리고 번거로울 수 있으며, 특히 임시 복제 전략의 경우 더욱 그렇습니다. MoClo 툴킷은 모듈성, 계층적 조립 및 고효율 원팟 반응을 통해 분자 클로닝을 개선할 수 있습니다. 그들은 골든 게이트 반응을 통한 DNA 조립에 의존합니다. 표준화된 돌출부 덕분에 분자 부분 라이브러리를 재사용하고 다른 사람과 공유할 수 있습니다 3,6. 부분의 재사용성을 통해 다중 유전자 구조의 풀링되거나 배열된 조합 라이브러리를 생성할 수 있습니다. 이것은 예를 들어, 이상적인 프로모터 강도 또는 효소 정체성을 찾는 것과 관련하여 이종 경로의 최적화를 용이하게 합니다. 이 방법의 표준화된 특성으로 인해 자동화가 가능하여 DNA의 처리량이 높은 조립이 가능합니다. 또한, In- & Out-Cloning MoClo 툴킷의 ...
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저자는 공개할 것이 없습니다.
TAL, STdV 및 DS는 MaxGENESYS 프로젝트의 틀 내에서 막스 플랑크 학회의 지원을 받았습니다.
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