Разработка инструментов для генетической манипуляции спирохетальной бактерией Borrelia burgdorferi добавила неизмеримую ценность пониманию природы болезни Лайма 1,2,3,4. B. burgdorferi имеет необычно сложный геном, состоящий из небольшой линейной хромосомы и как линейных, так и круговых плазмид 5,6. Спонтанная потеря плазмид, внутригенная перестройка (перемещение генов из одной плазмиды в другую в пределах одного организма) и горизонтальный перенос генов (HGT, движение ДНК между двумя организмами) привели к головокружительному количеству генетической гетерогенности среди B. burgdorferi (например, см. Schutzer et al.7). Полученные генотипы (или «штаммы») являются членами одного и того же вида, но имеют генетические различия, которые влияют на их способность передавать и заражать разных хозяев млекопитающих 8,9,10,11. В настоящем докладе термин «штамм» будет использоваться для обозначения B. burgdorferi с особым естественным генетическим фоном; термин «клон» будет использоваться для обозначения штамма, который был генетически модифицирован для определенной цели или в результате экспериментальных манипуляций.
Молекулярный набор инструментов, доступный для использования у B. burgdorferi, включает выбираемые маркеры, генные репортеры, векторы челноков, транспозонный мутагенез, индуцируемые промоторы и контризбираемые маркеры (для обзора см. Drektrah and Samuels12). Эффективное использование этих методологий требует искусственного введения гетерологичной (чужеродной) ДНК в интересующий штамм B. burgdorferi. У B. burgdorferi введение гетерологичной ДНК достигается почти исключительно с помощью электропорации, метода, который использует импульс электричества, чтобы сделать бактериальную мембрану временно проницаемой для небольших кусочков ДНК, введенных в среду1. Большинство клеток (по оценкам, ≥99,5%) погибают от пульса, но остальные клетки имеют высокую частоту удержания гетерологичной ДНК13. Хотя это считается одним из наиболее высокоэффективных методов введения ДНК в бактерии, частота электропорации в B. burgdorferi очень низкая (в пределах от 1 трансформанта в 5 × 104 до 5 × 106 клеток)13. Барьеры для достижения более высоких частот трансформации, по-видимому, являются как техническими, так и биологическими. Технические барьеры для успешной электропорации B. burgdorferi включают как необходимое количество ДНК (>10 мкг), так и требование к спирохетам находиться именно в правильной фазе роста (средняя бревна, от 2 × 107 клеток·мл−1 до 7 × 107 клеток·мл−1) при получении электрокомпетентных ячеек12,13. Однако эти технические барьеры может быть легче преодолеть, чем биологические барьеры.
Исследователи болезни Лайма признают, что клоны B. burgdorferi можно разделить на две широкие категории в отношении их способности к генетическому манипулированию13,14. Высокопроходимые, адаптированные к лабораторным исследованиям изоляты часто легко трансформируются, но обычно теряют плазмиды, необходимые для инфекционности, ведут себя физиологически аберрантно и не способны заражать хозяина млекопитающих или сохраняться в клещевом векторе12,13. Хотя эти клоны были полезны для препарирования молекулярной биологии спирохеты в лаборатории, они не имеют большой ценности для изучения спирохеты в биологическом контексте энзоотического цикла. С другой стороны, низкопроходимые инфекционные изоляты ведут себя физиологически, отражая инфекционное состояние, и могут завершать инфекционный цикл, но обычно непокорны к введению гетерологичной ДНК и, следовательно, трудно манипулировать для исследования12,13. Трудность преобразования изолятов низкого прохода связана, по меньшей мере, с двумя различными факторами: (i) изоляты низкого прохода часто плотно слипаются вместе, особенно в условиях высокой плотности, необходимых для электропорации, тем самым блокируя многие клетки либо от полного применения электрического заряда, либо от доступа к ДНК в среде13,15; и ii) B. burgdorferi кодирует по меньшей мере две различные плазмидные системы рестрикции-модификации (R-M), которые могут быть потеряны в изолятах с высоким проходом14,16. Системы R-M эволюционировали, чтобы позволить бактериям распознавать и устранять чужеродную ДНК17. Действительно, несколько исследований b. burgdorferi показали, что эффективность трансформации увеличивается, когда источником ДНК является B. burgdorferi, а не Escherichia coli13,16. К сожалению, приобретение необходимой высокой концентрации ДНК для электропорации у B. burgdorferi является дорогостоящей и трудоемкой перспективой. Другая потенциальная проблема при электропорации и выборе изолятов низкого прохода заключается в том, что процесс, по-видимому, благоприятствует трансформантам, которые потеряли критическую плазмиду, связанную с вирулентностью, lp25 14,18,19; таким образом, сам акт генетического манипулирования низкопроходными изолятами B. burgdorferi посредством электропорации может отбирать клоны, которые не подходят для биологически значимого анализа в энзоотическом цикле20. Учитывая эти проблемы, система, в которой гетерологичная ДНК может быть электротрансформирована в высокопроходные клоны B. burgdorferi, а затем перенесена в инфекционные изоляты низкого прохода методом, отличным от электропорации, может быть желанным дополнением к растущей коллекции молекулярных инструментов, доступных для использования в спирохете болезни Лайма.
Помимо трансформации (поглощения голой ДНК), существуют два других механизма, с помощью которых бактерии регулярно поглощают гетерологичную ДНК: конъюгация, которая представляет собой обмен ДНК между бактериями, находящимися в прямом физическом контакте друг с другом, и трансдукция, которая представляет собой обмен ДНК, опосредованный бактериофагом21. Действительно, способность бактериофага опосредуть HGT была использована в качестве экспериментального инструмента для препарирования молекулярных процессов в ряде бактериальных систем 22,23,24. B. burgdorferi от природы не компетентен для поглощения голой ДНК, и существует мало доказательств того, что B. burgdorferi кодирует аппарат, необходимый для успешного спряжения. Однако в предыдущих докладах описывалась идентификация и предварительная характеристика φBB-1, умеренного бактериофага B. burgdorferi 25,26,27,28. φBB-1 упаковывает семейство плазмид размером 30 кб, обнаруженных в B. burgdorferi25; члены этого семейства были обозначены cp32s. В соответствии с ролью φBB-1 в участии в HGT среди штаммов B. burgdorferi, Stevenson et al. сообщили об идентичном cp32, обнаруженном в двух штаммах с разрозненными cp32s, предполагая недавнее разделение этого cp32 между этими двумя штаммами, вероятно, через трансдукцию29. Есть также доказательства значительной рекомбинации через HGT среди cp32s в относительно стабильном геноме 30,31,32,33. Наконец, способность φBB-1 трансдуцировать как cp32s, так и гетерологичную челночную векторную ДНК между клетками одного и того же штамма и между клетками двух разных штаммов была продемонстрирована ранее27,28. Учитывая эти результаты, φBB-1 был предложен в качестве еще одного инструмента, который будет разработан для вскрытия молекулярной биологии B. burgdorferi.
Целью настоящего доклада является детализация метода индуцирования и очистки фага φBB-1 от B. burgdorferi, а также предоставление протокола для выполнения трансдукционного анализа между клонами B. burgdorferi и отбора и скрининга потенциальных трансдуктантов.