Dostarczanie za pośrednictwem fagów ukierunkowanych konstruktów sRNA w celu obniżenia ekspresji genów u E. coli

Podsumowanie

Opisujemy metodę obniżania ekspresji genów w rosnącej populacji komórek E. coli za pomocą ukierunkowanych sekwencyjnie kaset ekspresji sRNA dostarczanych przez wektor fagowy M13.

Streszczenie

Knockdowny za pośrednictwem RNA są powszechnie stosowane do kontrolowania ekspresji genów. Ta wszechstronna rodzina technik wykorzystuje krótkie RNA (sRNA), które może być syntetyzowane z dowolną sekwencją i zaprojektowane tak, aby uzupełniać dowolny gen przeznaczony do wyciszenia. Ponieważ konstrukty sRNA mogą być wprowadzane do wielu typów komórek bezpośrednio lub przy użyciu różnych wektorów, ekspresja genów może być tłumiona w żywych komórkach bez pracochłonnej modyfikacji genetycznej. Najpowszechniejsza technologia knockdown RNA, interferencja RNA (RNAi), wykorzystuje endogenny kompleks wyciszający indukowany RNA (RISC) do pośredniczenia w rozpoznawaniu sekwencji i rozszczepianiu docelowego mRNA. Zastosowania tej techniki są zatem ograniczone do organizmów wykazujących ekspresję RISC, głównie eukariontów. Niedawno nowe pokolenie biotechnologów RNA opracowało alternatywne mechanizmy kontrolowania ekspresji genów za pomocą RNA, a tym samym umożliwiło knockdowny genów u bakterii za pośrednictwem RNA. Tutaj opisujemy metodę wyciszania ekspresji genów u E. coli, która funkcjonalnie przypomina RNAi. W tym systemie syntetyczny fagiamid jest przeznaczony do ekspresji sRNA, który może być przeznaczony do celowania w dowolną sekwencję. Konstrukt ekspresji jest dostarczany do populacji komórek E. coli z nielitycznym fagiem M13, po czym jest w stanie stabilnie replikować się jako plazmid. Rozpoznawanie antysensowne i wyciszanie docelowego mRNA odbywa się za pośrednictwem białka Hfq, endogennego wobec E. coli. Protokół ten obejmuje metody projektowania antysensownego sRNA, konstruowania wektora fagowego, pakowania fagi w bakteriofag M13, przygotowania żywej populacji komórek do infekcji i przeprowadzenia samej infekcji. Białko fluorescencyjne mKate2 i gen oporności na antybiotyki acetylotransferaza chloramfenikolu (CAT) mają na celu wygenerowanie reprezentatywnych danych i ilościowe określenie skuteczności knockdownu.

Wprowadzenie

Eliminacje genów za pośrednictwem RNA przebiegają w dwóch etapach. Najpierw cząsteczka RNA jest wprowadzana do badanej linii komórkowej lub organizmu. Po drugie, endogenne białka wiążące RNA ułatwiają rozpoznawanie celu RNA i wywołują efekt wyciszania. Wszystkie technologie knockdown RNA korzystają z konfigurowalnego charakteru syntetycznych sRNA, które można łatwo wyprodukować w celu dopasowania do określonego celu zainteresowania. Jednak szczegóły molekularne wychwytu i wyciszania RNA różnią się znacznie w zależności od systemu modelowego, ograniczając miejsce i sposób zastosowania knockdownów RNA.

U nicieni, dwuniciowe cząsteczki RNA (dsRNA) mogą być wprowadzane bezpośrednio do pożywki lub poprzez karmienie robaków populacją komórek E. coli wykazujących ekspresję dsRNA^1,2. U Drosophila RNAi można uzyskać poprzez mikroiniekcję zarodków z dsRNA³ lub wdrożyć w liniach komórkowych po prostu dodając dsRNA do pożywki^{hodowlanej 4}. W liniach komórkowych ssaków syntetyczne małe interferujące RNA (siRNA) mogą być dostarczane do żywych komórek przez elektroporację^1,2,5, pakowane w liposomy^3,6 lub wyrażane z wektorów plazmidowych^{DNA 4,7}. Gdy gatunek RNA dotrze do cytozolu, szlak RNAi opiera się na kompleksie RISC do przetwarzania dsRNA, ułatwiania antysensownego rozpoznawania celu i katalizowania represji translacyjnej, degradacji mRNA lub tworzenia heterochromatyny, w zależności od gospodarza.

Ze względu na te wymagania, klasyczne RNAi może być wykonywane tylko w organizmach, które efektywnie pobierają egzogenne RNA i wyrażają aktywność podobną do RISC. W szczególności wyklucza to modelową bakterię E. coli, która nie ma szlaku RNAi. Jednak ostatnie postępy w biologii syntetycznej dostarczają narzędzi do rozwiązania zarówno problemu porodu, jak i problemu wyciszania.

W tym protokole, konstrukty sRNA są wyrażane w E. coli z wektora DNA dostarczonego do żywych komórek za pomocą systemu M13 phagemid/helper. Fagimid to dowolny plazmid o pochodzeniu replikacji f1 pochodzącym z faga. Plazmid pomocniczy, w tym przypadku M13KO, przenosi całą maszynerię wymaganą do produkcji cząsteczek wirusa, ale sam w sobie nie jest kompetentny do replikacji i pakowania. Kiedy fagim i plazmid pomocniczy są jednocześnie przekształcane, sam jest replikowany w punkcie początkowym f1, pakowany i wydzielany. Wektoryzowany fagiamid jest następnie kompetentny do infekowania żywych E. coli za pośrednictwem pilusa F.

W tym systemie, efekt wyciszania jest wytwarzany przez niestandardowe kasety sRNA łączące sekwencję rusztowania z sekwencją wiążącą cel. Sekwencja wiążąca cel to 24 pary zasad antysensowne do celu mRNA, zwykle w miejscu wiązania rybosomów (RBS). Sekwencja rusztowania, opracowana przez Na i współpracowników⁸, zawiera motyw wiążący Hfq wyekstrahowany z MicC, małego regulatorowego RNA endogennego do E. coli. Białko Hfq stymuluje wiązanie RNA-RNA i degradację mRNA, pełniąc rolę w tym systemie podobną do RISC w RNAi. Rysunek 1 przedstawia pełny schemat knockdownów sRNA za pośrednictwem fagów, w tym strukturę kasety sRNA, wektoryzację fagów i mechanizm wyciszania.

Jako metoda modulowania ekspresji genów u E. coli, wyciszanie sRNA jest proste, szybkie i wszechstronne. Docelowa E. coli nie jest obciążona poza propagacją fagimidu i ekspresją sRNA. Może to być istotne w kontekście biologii syntetycznej lub badań podstawowych, w których ekspresja większych konstruktów heterologicznych może obciążać zasoby komórkowe⁹. Fagimidy z nowymi celami mogą być wytwarzane za pomocą pojedynczego PCR i zbierane jeden dzień po transformacji fagowej. Wreszcie, prawie każde mRNA może być celowane. Wykazano, że kaseta regulacji sRNA (na standardowym plazmidzie) działa na różne cele w metabolizmie z typowymi poziomami represji >90%⁸.

Ten protokół odtwarza i rozszerza wcześniejsze prace przy użyciu kaset sRNA urodzonych przez fagi¹⁰. Po pierwsze, pakowany fagiamid jest wprowadzany do hodowli okresowej komórek E. coli i używany do wyciszenia ekspresji białka fluorescencyjnego mKate2. Kolejne zmiany fluorescencji są monitorowane w czasie rzeczywistym. Po drugie, wykazano, że strącenie genu CAT zmniejsza fenotypową oporność na chloramfenikol na płytkach agarowych. W obu przypadkach sam jest nosicielem markera GFP, co pozwala na pomiar częstości infekcji niezależnie od skuteczności knockdownu.

Protokół

1. Projektowanie i budowa wektorów fagowych zawierających kasety wyciszające sRNA

1. De novo projekt kaset wyciszających sRNA⁸
   1. Zidentyfikuj pełną sekwencję mRNA, która ma zostać wyciszona, korzystając z bazy danych sekwencji DNA. Aby wygenerować sekwencję DOCELOWĄ, zanotuj pierwsze 24 pz sekwencji kodującej, od pozycji +1 do +24, zaczynając od kodonu start (np. ATG).
      Uwaga: Wyciszanie jest mniej skuteczne, gdy celem są inne miejsca lub segmenty mRNA⁸.
   2. Weź odwrotne uzupełnienie sekwencji TARGET, aby wytworzyć sekwencję GUIDE dla kasety sRNA. Tabela 1 zawiera przykłady sekwencji TARGET i GUIDE dla acetylotransferazy chloramfenikolu (CAT).
   3. Aby zaprojektować pełną kasetę ekspresji sRNA 292 pz, należy ułożyć szeregowo promotor pR, sekwencję GUIDE, domenę wiążącą białko Hfq i sekwencje terminatora transkrypcji T1 / TE (Tabela 2).
   4. Dodaj dodatkowe wybrane miejsca klonowania, aby ułatwić klonowanie kasety sRNA do wektora docelowego.
   5. Uzyskaj kompletną kasetę sRNA poprzez komercyjną syntezę genów lub podobną metodę i sklonuj ją do dowolnego wektora fagowego o funkcjonalnym pochodzeniu replikacji f1¹¹. Zobacz Informacje pomocnicze, aby uzyskać pełną sekwencję końcowego wektora faga.
2. Zmiana sekwencji docelowej przez istniejącą kasetę ekspresji sRNA przy użyciu mutagenezy ukierunkowanej na miejsce opartej na PCR¹²
   1. Zidentyfikuj sekwencję GUIDE 24 pz w istniejącej kasecie ekspresji sRNA. Uwaga: Plazmid pAB.001 z adnotacjami, użyty w tej pracy, jest dostępny jako uzupełniający plik sekwencyjny.
   2. Zaprojektuj startery do przodu i do tyłu z krótkimi obszarami homologii do istniejącej kasety sRNA, flankujące nową sekwencję GUIDE 24 pz. Otrzymaj startery poprzez komercyjną syntezę oligonukleotydów.
      Uwaga: Projekt podkładu dla mutagenezy ukierunkowanej na miejsce przedstawiono na rysunku 2. Dokładne sekwencje matryc starterów przedstawiono w tabeli 3.
   3. Przygotować 5 ml kultury E. coli z matrycą fagmidu ekspresji sRNA. Hodować komórki przez noc w temperaturze 37 °C z wytrząsaniem, w pożywce LB z odpowiednimi antybiotykami.
   4. Ekstrahować i oczyszczać matrycę fagamidu wyrażającego sRNA z 5 ml kultury bakteryjnej za pomocą zestawu do miniprzygotowania DNA lub podobnej metody¹².
   5. Przygotować dwie reakcje PCR przy użyciu matrycowego fagenu ekspresji sRNA i polimerazy o wysokiej wierności, jedną ze starterem do przodu, a drugą ze starterem odwrotnym (Tabela 4). Należy stosować warunki PCR zgodnie z zaleceniami dostawcy polimerazy (Tabela 5). Zwiększ stężenie matrycy do 10-50 razy wyższe niż w reakcji standardowej, aby uwzględnić fakt, że reakcja pojedynczego startera nie powoduje wykładniczego amplifikacji.
   6. Połącz dwie powyższe reakcje PCR w probówce mikrowirówkowej. Wyżarzać produkty przez podgrzanie do 98 °C we wrzącej łaźni wodnej. Natychmiast po umieszczeniu probówki mikrowirówkowej w łaźni wodnej należy usunąć źródło ciepła i pozostawić kąpiel powoli do temperatury pokojowej w ciągu 1-2 godzin.
   7. Aby wyeliminować niezmutowany famid ekspresji sRNA, należy dodać 1 μl. enzymu restrykcyjnego DpnI do mieszaniny i inkubować w temperaturze 37 °C przez 1 godzinę lub czas zalecany przez producenta do całkowitego roztrawienia.
      Uwaga: DpnI trawi tylko metylowane miejsca docelowe, które są obecne na fagach replikowanych przez gospodarza, ale nie na produktach PCR.
   8. Przekształć zakupione lub przygotowane¹³ chemicznie kompetentnych bakterii E. coli za pomocą 1-5 μl wyżarzonego produktu PCR. Wyizolować pojedyncze kolonie przekształconego szczepu poprzez selektywne posiew na płytkach agarowych LB zawierających odpowiednie antybiotyki.
   9. Aby zweryfikować włączenie prawidłowej sekwencji GUIDE, należy przebadać powstałe kolonie za pomocą PCR kolonii. Używając końcówki do pipety o pojemności 200 μl, zbierz niewielką ilość komórek z pojedynczej przekształconej kolonii. Oznaczyć i zachować oryginalną kolonię do dalszego wykorzystania po weryfikacji.
   10. Zebrane komórki dodać do 50 μl wody wolnej od nukleaz w probówce do mikrowirówki. Mieszać, pipetując w górę i w dół.
   11. Za pomocą termocyklera laboratoryjnego lub wrzącej łaźni wodnej poddać komórki lizie, podgrzewając je do temperatury 95 °C przez 2 minuty.
   12. Amplifikacja PCR regionu fagowego przy użyciu 1 μl komórek poddanych lizie termicznej jako matrycy DNA. Warunki PCR i protokoły termocyklera przedstawiono w tabelach 6 i 7. Zapoznaj się z uzupełniającym plikiem sekwencji pAB.001, aby zapoznać się z sekwencjami starterów weryfikacyjnych.
   13. Zsekwencjonuj produkt PCR, aby sprawdzić, czy zawiera się prawidłowa sekwencja GUIDE.
   14. Zaszczepić 5 ml kultury klonu E. coli przenoszącego fagemid o zweryfikowanej sekwencji ekspresji sRNA. Hodować komórki przez noc w temperaturze 37 °C z wytrząsaniem, w selektywnych pożywkach LB.
   15. Przygotować zapas glicerolu z klonu zweryfikowanego pod kątem sekwencji. Dodać 750 μl nocnej hodowli do 250 μl 60% glicerolu w zakręcanej krioprobówce.
   16. Przechowywać zapas glicerolu w temperaturze -80 °C przez czas nieokreślony. Pozostała część nocnej hodowli może być wykorzystana jako źródło fagamidu wyrażającego sRNA w kroku 2.

2. Produkcja i zbiór zapasów fagenów w opakowaniach M13

1. Przygotować 5 ml kultury E. coli przenoszącej fagemid wyrażający sRNA. Hodować komórki przez noc w temperaturze 37 °C z wytrząsaniem, w pożywce LB z odpowiednimi antybiotykami. Uwaga: Famid wyrażający sRNA można uzyskać poprzez klonowanie de novo, jak opisano w kroku 1.1.5, lub zmodyfikowany z istniejącego fagi i zebrany w kroku 1.2.16.
2. Podobnie przygotuj 5 ml kultury E. coli przenoszącej plazmid pomocniczy M13KO7. Hodować komórki przez noc w temperaturze 37 °C z wytrząsaniem, w selektywnych pożywkach LB.
3. Ekstrahuj i oczyść famid ekspresji sRNA i plazmid pomocniczy za pomocą zestawu do ekstrakcji DNA lub podobnej metody¹².
4. Kotransformacja zakupiona lub przygotowana¹³ chemicznie kompetentnych E. coli z 1 μl fagimidem ekspresji sRNA i plazmidem pomocniczym. Wybierz kotransformanty przez posiew na agarze LB z selektywnymi antybiotykami dla obu konstruktów.
5. Przygotować 10 ml kultury z pojedynczej kolonii współprzekształconego szczepu w LB z selektywnymi antybiotykami. Inkubować w temperaturze 37 °C z wytrząsaniem przez 8-12 godzin lub przez noc.
6. Odwirować kulturę o stężeniu 3 300 x g przez 10 minut. Zebrać supernatant i przefiltrować przez filtr 0,2 μm. Uwaga: W przypadku rozlania pożywki należy oczyścić obszar rozcieńczonym wybielaczem (0,5%), aby zniszczyć zakaźne cząsteczki fagów.
7. Przechowywać zapakowany filtrat fagowy w temperaturze 4 °C. Uwaga: Próbki można przechowywać przez kilka dni lub tygodni bez utraty aktywności.

3. Przygotowanie komórek docelowych F⁺ do wyciszenia

1. Określ, czy komórki, które mają być przeznaczone do wyciszenia, wyrażają pilus F¹⁴. Jeśli pilus F jest już obecny, przejdź do kroku 4.
   Uwaga: Typowe laboratoryjne szczepy E. coli są oznaczone jako F⁺ lub F', aby wskazać obecność pilusa F w ich genomie lub na plazmidzie.
2. Uzyskaj szczep F+ E. coli, taki jak TOP10F'.
   Uwaga: Upewnij się, że szczep docelowy ma unikalny marker oporności, aby mógł zostać oddzielony od dawcy plazmidu F po koniugacji.
3. Aby wprowadzić pilus F przez koniugację ze szczepem F⁺, należy przygotować 5 ml kultur zarówno szczepu docelowego, jak i dawcy plazmidu F¹⁴. Hodować komórki przez noc w temperaturze 37 °C z wytrząsaniem, w pożywce LB z odpowiednimi antybiotykami.
4. Następnego dnia rozcieńczyć oba szczepy w stosunku 1:100 w 5 ml selektywnego LB i kontynuować hodowlę w temperaturze 37 °C z wytrząsaniem.
5. Określić fazę wzrostu komórek, mierząc gęstość optyczną kultury przy długości fali 600 nm (OD₆₀₀) za pomocą spektrofotometru laboratoryjnego. Hodować komórki przez około 2 godziny, aż do osiągnięcia OD₆₀₀ 0,3, co wskazuje na wzrost w fazie logarytmicznej¹⁵.
6. Przygotować 3 reakcje koniugacji w probówkach do mikrowirówek: 0,5 ml dawcy plazmidu F + 0,5 ml szczepu docelowego, 0,5 ml dawcy plazmidu F + 0,5 ml pożywki LB (kontrola ujemna) i 0,5 ml szczepu docelowego + 0,5 ml pożywki LB (kontrola ujemna). Pozostawić koniugację na 2 godziny w temperaturze 37 °C z wstrząsem.
7. Umieścić 100 μl każdej reakcji koniugacji na selektywnym agarze LB z antybiotykami specyficznymi dla plazmidu F (zwykle tetracykliny) i szczepu docelowego. Na płytce należy przeprowadzić reakcje kontroli ujemnej, aby potwierdzić, że ani szczep dawcy, ani biorcy nie wyrażają obu oporności na antybiotyki.

4. Zakażenie pakowanymi fagimidami w celu wyciszenia

1. Zaszczepić pojedynczą kolonię komórek docelowych F⁺ w 5 ml kultury pożywki LB odpowiednimi antybiotykami. Inkubować przez noc w temperaturze 37 °C z wytrząsaniem.
2. Następnego dnia rozcieńczyć komórki docelowe F⁺ w stosunku 1:100 w 5 ml selektywnej pożywki LB i kontynuować hodowlę w temperaturze 37 °C z wytrząsaniem.
3. Określić fazę wzrostu komórek, mierząc gęstość optyczną kultury przy długości fali 600 nm (OD₆₀₀) za pomocą spektrofotometru laboratoryjnego. Hodować komórki przez około 2 godziny, aż do osiągnięcia OD₆₀₀ 0,3, co wskazuje na wzrost w fazie logarytmicznej¹⁵. Uwaga: Ekspresja pilusa F i skuteczność infekcji jest najwyższa w fazie logarytmicznej.
4. Dodaj fagimidy w pakiecie M13 (z kroku 2.6) do komórek docelowych w stosunku objętościowym 1:100, aby osiągnąć prawie 99% zakażenie populacji docelowej. Pozostawić infekcję do postępu w temperaturze 37 °C, wstrząsając przez 30-60 min.
5. Oznacz fenotyp wyciszający sRNA zgodnie z wybraną metodą.
   Uwaga: W przypadku docelowego białka fluorescencyjnego efekt wyciszenia można określić ilościowo bezpośrednio za pomocą fluorometrii¹⁰. Alternatywnie, testy fenotypowe mogą być stosowane do obserwacji fenotypowych konsekwencji knockdownu genu⁸.
6. Przygotuj zapas glicerolu dla gospodarza fagowego wykazującego ekspresję sRNA, wykonując kroki 1.2.14-1.2.16. Uwaga: fagimid będzie się rozmnażał w szczepie gospodarza w nieskończoność i może być utrzymywany za pomocą antybiotyku podobnego do konwencjonalnego plazmidu.

Wyniki

Wyciszenie fluorescencji mKate2 w płynnych mediach

Rysunek 1 przedstawia schemat knockdownów za pośrednictwem sRNA opisany w tej pracy, w tym konstrukcję kasety sRNA, wektoryzację fagów i mechanizm wyciszania. Zgodnie z protokołem 1.2, kaseta wyciszająca sRNA plazmidu pAB.001 została zmieniona tak, aby była ukierunkowana na mKate. Kaseta sRNA została zsyntetyzowana i sklonowana do fagamidu Litmus28i_J23115-B0032-GFP, prezentu od Moniki Ortiz i Drew Endy'ego¹¹. Ten fagi są nośnikami markerów ekspresji GFP i oporności na kanamycynę, co pozwala na śledzenie skutecznych infekcji. Pakowane zapasy fagamidów przygotowano zgodnie z protokołem 2.

Pochodna E. coli K12 MG1655 niosąca konstytutywnie wyrażony, chromosomalnie zintegrowany marker mKate2 została przygotowana do zakażenia fagiem poprzez koniugację ze szczepem dawcy plazmidu F zgodnie z protokołem 3. Komórki wyhodowano do środkowej fazy logarytmicznej, a fagi wprowadzono zgodnie z protokołem 4. Po zakażeniu fagami 200 μl kultur przeniesiono do czytnika płytek fluorescencyjnych i monitorowano fluorescencję w sposób ciągły przez 24 godziny.

Rysunek 3 pokazuje wpływ wyciszania za pośrednictwem sRNA na ekspresję mKate2. Szczep zakażony fagimidem anty-mKate2 nie wykazywał wykrywalnej fluorescencji mKate2 na tle. W przeciwieństwie do tego, szczep ten wykazywał ekspresję markera GFP, co wskazuje na udane wychwytywanie fagamidu. Niezakażone komórki kontrolne wytwarzały fluorescencję mKate2, ale nie GFP. Dodatkowa kontrola, w której domena celująca anty-mKate2 została zastąpiona sekwencją ukierunkowaną na CAT, nie miała wpływu na fluorescencję mKate2.

Wyciszenie odporności na chloramfenikol na płytkach agarowych

Zgodnie z protokołem 1.1, wyprodukowano kasetę wyciszającą sRNA, która miała być przeznaczona dla CAT. Pochodną E. coli K12 MG1655 przenoszącą konstytutywnie wyrażony, chromosomalnie zintegrowany marker CAT przygotowano do zakażenia fagiem przez koniugację ze szczepem dawcy plazmidu F zgodnie z protokołem 3. Komórki wyhodowano do środkowej fazy logarytmicznej, a fagi wprowadzono zgodnie z protokołem 4. Po 1 godzinie inkubacji w temperaturze 37 °C, zakażone komórki poddano seryjnemu rozcieńczaniu i posiewaniu w różnych stężeniach chloramfenikolu. Płytki inkubowano przez noc, a proporcję opornych komórek przy każdym stężeniu chloramfenikolu określano przez liczenie jednostek tworzących kolonie (CFU) następnego dnia.

Rysunek 4 pokazuje wpływ wyciszania za pośrednictwem sRNA na fenotyp odporności na chloramfenikol. Niezakażone komórki lub komórki zakażone fagimidem ukierunkowanym na mKate2 były oporne na chloramfenikol we wszystkich badanych stężeniach. W przeciwieństwie do tego, komórki zakażone fagiem ukierunkowanym na CAT wykazywały zmniejszoną przeżywalność przy niskich stężeniach chloramfenikolu i prawie 99% zabijanie przy wyższych stężeniach. Dodanie ampicyliny, w celu selekcji tylko bakterii przenoszących fagimid, zmniejszyło przeżywalność chloramfenikolu do niewykrywalnych poziomów. Jest to zgodne z wcześniejszymi pracami pokazującymi, że ucieczka przed zakażeniem fagowym jest powszechną drogą ucieczki przed wyciszeniem¹⁰.

Rysunek 1: Wyciszanie genów w E. coli z kasetami ekspresji sRNA dostarczanymi przez faga M13.Kaseta sRNA składa się z 4 modułów: promotora pR (konstytutywnego promotora pochodzącego z bakteriofaga lambda), domeny docelowej 24 pz, domeny wiążącej Hfq wyekstrahowanej z MicC i terminatora transkrypcyjnego⁸. Kaseta jest wbudowana w fagim zawierającym pochodzenie replikacji M13 f1 i zapakowana w kapsyd M13 za pomocą faga pomocniczego M13KO7. Pakowane fagimidy są w stanie zainfekować E. coli wykazując ekspresję pilusa F, w którym rozpoczyna się ekspresja sRNA. Następnie sRNA rekrutuje białko Hfq (pokazane na czerwono) i wiąże antysensowny cel mRNA w pobliżu miejsca wiązania rybosomów, co powoduje represję translacyjną i degradację mRNA. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Projekt startera i mutageneza ukierunkowana na miejsce docelowe sRNA. Dwa startery są zaprojektowane z częściową homologią do istniejącej kasety sRNA. Starter forward zawiera 20 pz homologicznych do promotora pR na końcu 5', po których następuje 24 pz reprezentujące nową sekwencję GUIDE, a następnie 18 pz homologicznych do domeny wiążącej Hfq na końcu 3'. Odwrócony starter jest dokładnym odwrotnym uzupełnieniem startera przedniego, z obszarami homologii do istniejącej kasety sRNA flankującymi odwrotne uzupełnienie nowej sekwencji GUIDE. Dokładne sekwencje starterów podano w tabeli 3. Oddzielne reakcje PCR z pojedynczymi starterami ze starterami do przodu i do tyłu wytwarzają liniowy, jednoniciowy DNA o pożądanej zmodyfikowanej sekwencji. Wyżarzanie produktów reakcji do przodu i do tyłu, po oczyszczeniu zgodnie z opisem w protokole, powoduje powstanie dwuniciowego plazmidowego DNA zawierającego pożądaną zmodyfikowaną kasetę sRNA. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Ryc. 3: Knockdown chromosomalnie zintegrowanego reportera fluorescencyjnego mKate2. Bakteria E. coli MG1655 K12 eksprymujący mKate2 pozostawiono nieleczonego (czerwone linie i paski), zakażono fagimidem anty-mKate2 (zielone linie i paski) lub zakażono kontrolnym fagiem ukierunkowanym na CAT (niebieskie linie i paski). (A) Nieleczone E. coli rosły do wyższych gęstości nasycenia, co wskazuje na koszt metaboliczny infekcji fagowej. Linie przerywane wskazują odchylenia standardowe wynoszące 3 powtórzenia. (B) Sygnał mKate2 został zredukowany do poziomu zbliżonego do tła w szczepie traktowanym anty-mKate2, ale nie w szczepach kontrolnych. (C) Fluorescencja GFP, przenoszona również przez fagimid, była wykrywalna tylko w kontrolach leczonych fagimidem. (D, E) Końcowe odczyty fluorescencji po 24 godzinach wzrostu znormalizowano do OD. Sygnał GFP, wskazujący na zakażenie fagamidem, był nieobecny w nieleczonej grupie kontrolnej, ale również znacznie zmniejszył się po leczeniu fagenem anty-CAT. Może to wskazywać na niezamierzone działanie fagimidu. Sygnał mKate2 został zmniejszony przez leczenie fagimidem anty-mKate2 w porównaniu z nieleczonymi kontrolami. Fagemid kontrolny ukierunkowany na CAT nie wykazał wpływu na fluorescencję mKate2. Słupki błędów reprezentują odchylenie standardowe wynoszące 3 powtórzenia. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Ryc. 4: Knockdown CAT przywraca wrażliwość na chloramfenikol w populacji genetycznie odpornej. Bakteria E. coli MG1655 K12 wykazujący ekspresję chromosomalnie zintegrowanego genu CAT pozostawiono nieleczono (czerwone paski), potraktowano kontrolnym fagimidem ukierunkowanym na mKate2 (zielone paski) lub potraktowano fagiem eksprymującym anty-CAT sRNA (niebieskie paski). Po 1 godzinie od zakażenia oceniano żywotność wskazanych antybiotyków za pomocą seryjnych rozcieńczeń i posiewu. Szczepy leczone fagenidem anty-CAT zostały znacząco zabite (>90%) przez chloramfenikol w wyższych stężeniach, podczas gdy leczenie kontrolne pozostało nienaruszone. Dodanie ampicyliny do płytek hodowlanych pozytywnie selekcjonuje infekcję fagami i eliminuje niezakażone komórki. W tych warunkach nie zaobserwowano kolonii opornych na chloramfenikol po leczeniu anty-CAT. Wskazuje to, że większość osób, które przeżyły, reprezentuje raczej niepowodzenie infekcji niż niepowodzenie wyciszenia. Słupki błędów reprezentują odchylenie standardowe 3 powtórzeń. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

SEKWENCJA DOCELOWA CAT	5' - ATGGAGAAAAAAATCACTGGATAT - 3'
Sekwencja PRZEWODNIKA KOTA	5' - ATATCCAGTGATTTTTTTCTCTCTAT - 3'

Tabela 1: Przykładowa sekwencja docelowa i przewodnia dla genu CAT. Zwróć uwagę na relację odwrotnego dopełnienia.

powiedział:

promotor pR	TAACACCGTGCGTGTTGACTATTTTACCTCTGGCGGTGATAATGGTTGC
Sekwencja GUIDE	ATATCCAGTGATTTTTTTCTCCAT
Domena powiązania Hfq	TTTCTGTTGGGCATTGCATTGCCACTGATTTTCCAACATATAAAAAGACAAGCCCGAACAGGTCCGGGCTTTTTT TCTCGAG
Terminator T1/TE	CTCGAGCCAGGCATCAAATAAACGAAAAGGCTCAGTCGAAAGACTGGGCCTTTCGTTTTTTTTTGTGTGGTGAAA CGCTCTCTACTAGAGTCACACTGGCTCACCTTCGGGGGGGCCTTTCTGCGTTTATA

Tabela 2: Sekwencja składników kasety sRNA. Każda sekwencja jest zapisana w 5'-3'. Kompletna kaseta jest konkatenacją tych 4 elementów w kolejności i składa się z 292 pz.

Podkład do przodu	5' - CTGGCGGTGATAATGGTTGC[PRZEWODNIK]TTTCTGTTGGGCCATTGC - 3'
Podkład odwrotny	5' - GCAATGGCCCAACAGAAA[CEL]GCAACCATTATCACCGCCAG - 3'

Tabela 3: Projekt podkładu do zmiany istniejących elementów GUIDE. Starter forward zawiera ostatnie 20 pz promotora pR, nową sekwencję GUIDE i pierwsze 18 pz domeny wiążącej Hfq. Sekwencja TARGET jest dokładnym odwrotnym uzupełnieniem sekwencji GUIDE. Starter odwrotny jest dokładnym odwrotnym uzupełnieniem startera przedniego.

składnik	głośność
Plazmid matrycowy	500 ng
Podkład 10 μM	2,5 μl
10 mM dNTP	0,4 μl
Polimeraza o wysokiej wierności (2 U/μl)	0,5 μl
5x bufor PCR	10 μl
Całkowita objętość	50 μl

Tabela 4: Sugerowane warunki dla Single-Primer Mutagenic PCR.

krok	Najwyższa temp	Godzina
Początkowa denaturacja	98 °C	30 sekund
30 cykli	98 °C	10 sekund
	55 °C	30 sekund
	72 °C	120 sekund
Końcowe przedłużenie	72 °C	300 sekund
składowanie	10 °C

Tabela 5: Sugerowany protokół termocyklera dla Single-Primer Mutagenic PCR.

składnik	głośność
Matrycowy DNA	1 μl
Podkład 10 μM do przodu	0,5 μl
10 μM Podkład odwrotny	0,5 μl
Taq 2X Mistrz Mix	25 μl
Woda wolna od nukleaz	23 μl
Całkowita objętość	50 μl

Tabela 6: Sugerowane warunki dla weryfikacji sekwencji PCR.

krok	Najwyższa temp	Godzina
Początkowa denaturacja	95 °C	30 sekund
30 cykli	95 °C	30 sekund
	55 °C	30 sekund
	68 °C	30 sekund
Końcowe przedłużenie	68 °C	300 sekund
składowanie	10 °C

Tabela 7: Sugerowany protokół termocyklera dla PCR z weryfikacją sekwencji.

Dyskusja

Obecna metoda pozwoliła osiągnąć 80% redukcję poziomu fluorescencji mKate w porównaniu z nieukierunkowanymi kontrolami. Jest to zgodne z innymi metodami knockdown RNA, w których nie obserwuje się całkowitego wyciszenia, a typowa jest 50-90% sprawność^16,17. Na poziomie fenotypowym knockdowny ukierunkowane na CAT były w stanie znacznie osłabić oporność na chloramfenikol i wyeliminować ją w pewnych warunkach.

Fenotyp knockdown był wykrywalny na poziomie populacji już po kilku godzinach po infekcji (Figura 3B). Ilustruje to ważną cechę dostarczania opartego na fagach: wysoką częstotliwość knockdown można uzyskać bezpośrednio w hodowli okresowej bez wcześniejszej modyfikacji genetycznej. W przeciwieństwie do konwencjonalnych modyfikacji genetycznych wykorzystujących transformację plazmidową lub integrację genomową, zakażenie fagami nie wymaga ponownego wyhodowania populacji z pojedynczej izolowanej kolonii. Pozwala to na badanie skutków infekcji fagowej w populacjach o złożonej dynamice przestrzennej¹¹, z wcześniej istniejącymi strukturami przestrzennymi, takimi jak biofilmy¹⁸, lub w genetycznie mieszanych populacjach naturalnych¹⁹.

Krytycznym etapem w tej metodzie jest produkcja pakowanego fagamidu o wysokim mianie. Obciążenie metaboliczne związane z produkcją cząstek fagów może prowadzić do wysokiego tempa mutacji lub utraty plazmidu w szczepie produkującym fagi. Zaleca się, aby szczep produkcyjny fagimidów był hodowany bezpośrednio z pojedynczej współprzekształconej kolonii, a nie chłodzony, mrożony lub subhodowlany przed pobraniem fagów. Niską efektywność kotransformacji można również zaobserwować przy jednoczesnym wprowadzaniu fagimidu i plazmidu pomocniczego do E. coli . W tym przypadku wyższą wydajność można uzyskać, przekształcając najpierw plazmid pomocniczy, a następnie przygotowując kompetentne komórki zawierające plazmid pomocniczy do późniejszej transformacji za pomocą fagimidu.

Zakażenie fagenmidem lub ekspresja sRNA również nakłada wykrywalne obciążenie metaboliczne na komórki docelowe i może powodować pewne zaburzenia fenotypowe. Na przykład zmniejszenie fluorescencji mKate2 zaobserwowano nawet wtedy, gdy komórki były zakażone fagiem ukierunkowanym na CAT (Figura 3). Uważa się, że zakażenie M13 nie wywołuje ogólnoustrojowych reakcji na stres u E. coli²⁰, ale może pośrednio zmieniać wzorce transkrypcyjne. Alternatywnie, markery GFP lub ampicyliny zawarte w fagimidze mogą konkurować o zasoby komórkowe, zmniejszając ekspresję i wzrost mKate2⁹. Wreszcie, sama kaseta sRNA może globalnie zmieniać profile ekspresji genów poprzez miareczkowanie białka Hfq lub wyciszanie mRNA poza celem. Efekty niepożądane są powszechne w przypadku RNAi in vivo ukierunkowanego na^21-23, ale nie zostały jeszcze systematycznie zbadane dla tego systemu.

Jednym z ograniczeń tej metody jest to, że skuteczność infekcji jest mniejsza niż 100%, co pozwala niektórym niezakażonym bakteriom przetrwać w populacji. Wyniki tej pracy i wcześniejszych prac¹⁰ sugerują, że niezakażone komórki stanowią 1-10% końcowej populacji i są odpowiedzialne za większość obserwowanych fenotypów niewyciszonych. Znane są różne drogi do oporności na M13, z których najczęstszą jest mutacja utraty ekspresji pilusa²⁴. W świetle tych ograniczeń należy stosować kontrole w celu potwierdzenia wysokich wskaźników infekcji i skuteczności powalania.

Innym potencjalnym ograniczeniem w przypadku niektórych zastosowań jest sporadyczne przenoszenie zanieczyszczającego faga pomocniczego. Chociaż M13K07 zawiera zmutowany sygnał pakowania, może być pakowany do kapsydu fagowego z niską częstotliwością i przenoszony do zakażonych populacji, co skutkuje komórkami kompetentnymi do produkcji fagów i ciągłym rozprzestrzenianiem się faga po początkowym zdarzeniu infekcji²⁵. Modyfikacje faga pomocniczego okazały się skuteczne w zmniejszaniu ilości niespecyficznych opakowań, choć czasami kosztem zmniejszonej produkcji fagów²⁶.

Zmodyfikowane bakteriofagi stały się nieodzownym narzędziem biologii syntetycznej E. coli , umożliwiając szybkie dostarczanie nowych genów do rosnącej populacji. Niedawne prace doprowadziły do powstania międzykomórkowych obwodów komunikacyjnych¹¹ lub czynników transkrypcyjnych wyrażających się w celu tłumienia szlaków oporności na antybiotyki²⁷. Przedstawiony tutaj protokół uzupełnia rosnącą kolekcję narzędzi, które umożliwiają kontrolę fizjologii bakterii za pomocą zaprogramowanych RNA. Wykazano, że nukleazy CRISPR-Cas, gdy są zmutowane w celu wyeliminowania aktywności nukleazy, hamują transkrypcję w celach genowych kierowanych przez RNA^17,28. Natomiast wyciszanie sRNA działa na poziomie translacyjnym i nie wymaga ekspresji białek egzogennych. Biotechnologie nowej generacji mogą połączyć kontrolę transkrypcyjną i translacyjną z dostarczaniem za pośrednictwem fagów, aby programować złożone fenotypy w czasie rzeczywistym.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Zestaw do miniprzygotowania plazmidu	Qiagen	27104
DpnI Enzym	NEB	R0176S
Phusion Polimeraza o wysokiej wierności	NEB	M0530S
Taq 2x Master Mix	NEB	M0270L
M13KO7 pomocniczy	NEB	N0315S
DH5α Competent	Cells Life Technologies	18265-017
TOP10F' Cells	Life Technologies	C3030-03
LB Bulion	Sigma	L3022-250G
Ampicillin	Sigma	A9393-5G
Kanamycyna	Sigma	60615-5G
Chloramfenikol	Sigma	C0378-5G
Tetracyklina	Sigma	87128-25G