Het geschetste protocol beschrijft gestroomlijnde methoden voor het herkennen van exogeen DNA en het genereren van mutaties alleen op die exogene DNA's in Escherichia coli.
Methodenartikel
Het geschetste protocol beschrijft gestroomlijnde methoden voor het herkennen van exogeen DNA en het genereren van mutaties alleen op die exogene DNA's in Escherichia coli.
Mutagenesetechnologieën worden veel gebruikt bij het kweken van variaties, gerichte evolutie en eiwitengineering. De meeste methoden kunnen echter alleen willekeurige genomische DNA-mutaties induceren die oncontroleerbaar zijn, wat leidt tot misvormingen of zelfs dodelijke effecten. Hier, door gebruik te maken van de fusie van drie systemen: cytosine-base editor (CBE), blauwlicht-induceerbare p-Mag/n-Mag-elementen en gesplitst T7 RNA-polymerase, bevat deze geschetste methode een blauw-licht-controleerbaar, DNA-regiospecifiek, semi-willekeurig mutagenesesysteem.
Dit systeem kan cytosine muteren tot thymine op DNA's, beginnend bij de T7-promotor en eindigend in de T7-terminator. Elk exogeen gen stroomafwaarts van de T7-promotor kan mogelijk worden gemuteerd. Deze tools zijn ook in twee delen ontworpen om het systeem blauwlichtcontroleerbaar te maken. Het eerste deel is gemaakt door CBE te fuseren met n-Mag en het N-terminal-T7 RNA-polymerasegen. Het tweede deel betrof het fuseren van p-Mag met het C-terminal-T7 RNA-polymerase. Onder blauw licht werden deze twee delen samengevoegd om te functioneren als een mutatiegenerator op DNA's tussen de T7-promotor en de T7-terminator. Zonder blauw licht wordt p-Mag losgekoppeld van n-Mag, waardoor de CBE het DNA niet meer kan bewerken.
Het doel van dit protocol is om regiospecifieke willekeurige mutaties in Escherichia coli met blauwlichtcontrole te genereren en de gemuteerde plasmiden verder te valideren. Het systeem kan worden aangepast aan een in vivo evolutiesysteem waarbij de functie van het gen van belang kan worden geselecteerd en de gewenste mutaties kunnen worden verzameld voor verder onderzoek.
Willekeurige mutatie en natuurlijke selectie zijn de belangrijkste krachten die de evolutie aandrijven, die een grote genetische variatie tussen soorten heeft gegenereerd. Het evolutionaire proces is gebruikt als een krachtig hulpmiddel om eiwitten te ontwikkelen met geoptimaliseerde of nieuwe functies1. Natuurlijke mutatiesnelheden van DNA-replicatie worden geschat op ongeveer één op 109 basen per celdeling in meerdere prokaryoten en eukaryoten2. Lage natuurlijke mutatiesnelheden maken het onpraktisch om grote genetische diversiteit in laboratoria te genereren. Studies hebben zich gericht op het ontwikkelen van methoden die de mutatiesnelheden verhogen om binnen een redelijke tijd zoveel mogelijk plaatsen in een bepaald gen te bestrijken.
Er zijn meerdere systemen ontwikkeld om hogere mutatiesnelheden te bereiken in laboratoriumevolutiestudies 3,4,5,6,7,8,9,10. In-vitro-evolutiesystemen maken gebruik van foutgevoelige PCR, plaatsgerichte verzadigingsmutagenese of computationeel bibliotheekontwerp om mutaties in interessante genen te introduceren1. De DNA-bibliotheken worden omgezet in gastheercellen waar de eiwitproducten worden gescreend of geselecteerd. De mutagenese- en selectiestappen in in vitro evolutie zijn niet gekoppeld, waardoor de efficiëntie en schaal van populaties die kunnen worden gegenereerd worden beperkt11. In vivo evolutiesystemen hebben de beperkingen overwonnen door mutatiesystemen in cellen te introduceren en de mutagenese- en selectiestappen te koppelen om continue evolutie mogelijk te maken. Eerdere in vivo mutagenesemethoden maakten gebruik van chemische mutagene stoffen 3,4 en mutatorstammen 5,6. Deze methoden lijden echter aan lage mutatiesnelheden, gebrek aan controle en een smal of ongelijk mutatiespectrum12. Recente studies hebben nieuwe en verbeterde in vivo evolutiesystemen ontwikkeld, vertegenwoordigd door OrthoRep, een orthogonaal foutgevoelig DNA-replicatiesysteem 7,8; MutaT7, een fusie van cytidinedeaminase tot T7 RNA-polymerase9; en EvolvR, een fusie van nickase Cas9 tot foutgevoelig DNA-polymerase10. Deze methoden hebben verschillende gastheercellen, doelcontext en gemak van implementatie.
T7 RNA-polymerase (T7 RNAP), een belangrijk onderdeel van het MutaT7-systeem, is uitgebreid bestudeerd en ontwikkeld op het gebied van synthetische biologie. Fragmenten van T7 RNAP zijn op verschillende niveaus op verschillende tijdstippen tot expressie gebracht om een resource allocator13 te bouwen. Een gesplitste T7 RNAP met C-terminale fragmenten van verschillende promotorspecificiteit is gebouwd om AND logic gate14 te creëren. Het vermogen van T7 RNAP-fragmenten om te assembleren om een functioneel polymerase te reconstrueren, heeft geleid tot de ontwikkeling van door licht en kleine moleculen geactiveerde biosensoren, waarbij dimerisatie van interactiepartners gefuseerd met elk van de N- en C-terminals van T7 RNAP transcriptionele output genereert15. De gesplitste T7 RNAP is ook gefuseerd met n-Mag- en p-Mag-domeinen om lichtinduceerbare genexpressiecontrole op te bouwen in Escherichia coli16. Bij activering van blauw licht dimeren de magneetdomeinen, waardoor twee domeinen van de gesplitste T7 RNAP ruimtelijk dichtbij komen om de polymerasefunctie uit te voeren. Dit systeem maakt nauwkeurige spatiotemporele controle van genexpressie mogelijk met lage basale expressie en een groot dynamisch bereik.
Dit artikel presenteert een protocol om een in vivo controleerbaar semi-willekeurig mutagenesesysteem te bouwen dat door blauw licht kan worden gecontroleerd (Figuur 1). Het is gebouwd op rAPOBEC1 deaminase gefuseerd met n-Mag-N-T7 RNAP. Co-expressie van p-Mag-C-T7 RNAP uit hetzelfde plasmide maakt blauwlichtregeling van de polymerase- en basebewerkingsactiviteiten mogelijk. Het systeem combineert de basisbewerkingscapaciteit van rAPOBEC1 met de lichtgestuurde split T7 RNAP. Het is gevalideerd in E. coli met behulp van groen fluorescerend eiwit (GFP) als het doelgen waarvan de intensiteit wordt geselecteerd door fluorescentie-geactiveerde celsortering (FACS). Vergeleken met het oorspronkelijke MutaT7-systeem introduceert ons blauwlichtgestuurde systeem semi-willekeurige mutaties in het doelgen door het lichtinterval te moduleren. In plaats van alle cytosine om te zetten in uracilbasen in het doelgen, genereert het een groter mutatieprofiel door een subset van de nucleotiden te bewerken via lichtcontrole. Het systeem kan gemakkelijk worden aangepast aan een in vivo evolutiesysteem waarbij de GFP kan worden vervangen door andere interessante genen en de functie kan worden geselecteerd op basis van celfitness of overleving.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Het volgende protocol schetst hoe exogene DNA-mutagenese moet worden ontworpen met behulp van het CBE-Mag-T7-polymerasemutagenesesysteem (stap 1). Zodra het exogene DNA-plasmide is geconstrueerd, worden stappen voor transformatie van de twee plasmiden beschreven voor het tot expressie brengen van CBE-Mag-T7-polymerasemutagenese in de E. coli BL21-stam door toevoeging van isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside (IPTG) en gevolgd door bestraling met blauw licht om de mutagenese te initiëren (stappen 2-9.2). De kwaliteitscontrolestappen voor het evalueren van het aantal mutaties dat werd gegenereerd op GFP of exogeen DNA werden uitgevoerd met behulp van Sanger-sequencing (stappen 9.3-11.2).
1. Ontwerp exogeen DNA en construeer het CBE-Mag-T7 polymerasemutagenesesysteem
2. Activering van bacteriële stammen
3. Plasmide-amplificatie
4. Plasmide-extractie
5. Plasmidetransformatie (E. coli BL21 chemisch competente cellen)
6. Tot expressie brengen van CBE-Mag-T7 polymerase mutatiegenerator (inactieve vorm)
7. Activeer de CBE-Mag-T7 polymerase mutatie generator
8. Selectie van mutaties voor een verhoogde eiwitfunctie en voortgezette mutagenese
OPMERKING: Hier gebruiken we het gfp-gen als exogeen DNA voor mutagenese en zijn we op zoek naar mutaties die de fluorescerende intensiteit van het GFP-eiwit kunnen verbeteren.
9. Stop de mutagenese en verifieer de mutaties
10. Gegevensanalyse en berekening van de mutatiefrequentie
11. Bacteriële glycerol bouillon bereiding
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De methoden die in dit protocol worden beschreven, zijn voor het creëren van mutaties op exogeen DNA met behulp van een gesplitste CBE-Mag-T7 RNA-polymerasemutatiegenerator. Genen voor het bouwen van het CBE-Mag-T7 RNA-polymerasemutatiesysteem en het doelwitgen voor mutagenese zijn allemaal opgenomen in de pET-11a-plasmide-ruggengraat. Succesvolle transformatie en bestraling met blauw licht werden uitgevoerd zonder enige schade aan het bacteriële genomische DNA, aangetoond door normale e...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De polymerasegeleide basisbewerkingstool werd voor het eerst gemaakt door Cravens et al. in 2021, met behulp van een eiwitfusiestrategie17. Mutaties op vier DNA-nucleotiden werden met succes opgenomen met snelheden van meer dan 10-4 mutaties per bp. Aangezien er echter continu mutaties werden geïntroduceerd tussen T7-promotor en terminator zonder aanvullende controle door onderzoekers18, konden "goede" mutaties niet worden bewaar...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs hebben geen belangenconflicten te melden.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 50 mL Conical Centrifuge Tubes | Falcon | CLS352070 | |
| Ampicillin | Thermo Scientific Chemicals | J60977.14 | |
| Blue-light irradiator | Thorlabs | LIU470A | |
| DNA Assembly Cloning Kit | NEB | E5520S | |
| DNA/Prmers synthesis | BGI Genomics | ||
| EndoFree Plasmid Midi Kit | CWBIO | CW2106S | Buffer P1: resuspensiebuffer, Buffer P2: lysebuffer, Buffer E3: equilibratiebuffer, Buffer PS: neutralisatiebuffer, Buffer PW: wasbuffer,Endo-Free Buffer EB: DNA-zuiveringsbuffer,RNase A Endo-Remover FM: endotoxin-verwijderingsbuffer, Spin Columns DM met Collectiebuizen |
| Glycerol | Fisher Chemical | G33-4 | |
| Incubated Shaker | Thermo Scientific | SK2001CPKG | |
| IPTG (isopropylthio-β-galactoside) | Invitrogen | 15529019 | |
| Microplate Reader | Thermo Scientific | Varioskan LUX | |
| Microscope | Leica | DMI 4000B | |
| Multiskan FC | Thermo Scientific Chemicals | ||
| One Shot BL21(DE3) Chemically Competent E. coli | Invitrogen | C600003 | |
| PureLink Fast Low-Endotoxin Midi Plasmid Purification Kit | Invitrogen | A36227 | |
| Pyrex heavy-duty round-bottom centrifuge tubes, with phenolic screw cap and rubber liner | Corning 8422 | CLS8422100 |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken
Toestemming aanvragen