Method Article

Modüler Altın Kapı Klonlama Kullanılarak Çok Genli Yapıların Hızlı Montajı

DOI:

10.3791/61993

⸱

February 5th, 2021

 ,  , 
1Department of Biological Sciences, University at Buffalo, State University of New York

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu protokolün amacı, Golden Gate klonlamaya dayalı modüler klonlama sistemini kullanarak çok genli yapıların montajı için ayrıntılı, adım adım bir kılavuz sağlamaktır. Ayrıca, deneyimlerimize göre en iyi montajı sağlamak için kritik adımlar hakkında önerilerde bulunmaktadır.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Golden Gate klonlama yöntemi, kullanıcı tanımlı herhangi bir düzenlemede birden fazla genin hızlı bir şekilde bire birliğini sağlar. Tanıma alanlarının dışında kesilen ve kısa bir çıkıntı oluşturan tip IIS kısıtlama enzimlerini kullanır. Bu modüler klonlama (MoClo) sistemi, organizatörler, kodlama dizileri (CDS) ve sonlandırıcılar gibi farklı DNA parçalarının ilk olarak bir giriş vektörüne klonlandırıldığı hiyerarşik bir iş akışı kullanır. Birden çok giriş vektörü daha sonra transkripsiyon birimlerine monte edilir. Birkaç transkripsiyon ünitesi daha sonra çok genli bir plazmid içine bağlanır. Golden Gate klonlama stratejisi, tek pota reaksiyonunda skarsız, yönlü ve modüler montaja izin verdiği için muazzam bir avantaja sahip. Hiyerarşik iş akışı genellikle giriş vektörlerinin ötesinde sıralamaya gerek kalmadan çok çeşitli çok genli yapıların facile klonlasını sağlar. Floresan protein bırakmalarının kullanımı kolay görsel tarama sağlar. Bu çalışma, maya modüler klonlama (MoClo) kitini kullanarak çok genli plazmidlerin montajı için ayrıntılı, adım adım bir protokol sağlar. Çok genli plazmid montajının optimal ve yetersiz sonuçlarını gösteriyoruz ve koloniler için tarama için bir kılavuz sağlıyoruz. Bu klonlama stratejisi maya metabolik mühendisliği ve çok genli plazmid klonlamanın gerekli olduğu diğer durumlar için oldukça geçerlidir.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Sentetik biyoloji, farmasötik, tarım ve kimya endüstrileri için yararlı yeni işlevlere sahip biyolojik sistemler tasarlamayı amaçlamaktadır. Çok sayıda DNA parçasını yüksek verimli bir şekilde birleştirmek sentetik biyolojide temel bir teknolojidir. Böyle karmaşık bir süreç, temel mühendislik bilimlerinden ödünç alınan bir kavram olan azalan karmaşıklık ile birden fazla seviyeye ayrılabilir1,2. Sentetik biyolojide, DNA parçaları genellikle işlevselliğe göre hiyerarşik olarak bir araya gelir: (i) Parça düzeyi: "parçalar", organizatör, kodlama dizisi, sonlandırıcı, çoğaltmanın kaynağı gibi belirli bir işleve sahip DNA parçalarını ifade eder; (ii) Transkripsiyon üniteleri (TU) seviyesi: TU, bir organizatör, bir kodlama dizisi ve tek bir geni aktarabilen bir sonlandırıcıdan oluşur; (iii) Çok genli seviye: çok genli plazmid, sıklıkla tüm metabolik yoldan oluşan birden fazla TUs içerir. BioBrick topluluğunun öncülük ettiği bu hiyerarşik derleme, sentetik biyoloji3'tebüyük DNA setlerinin montajı için temel kavramdır.

Son on yılda4,5,6,7, Golden Gate klonlama tekniği hiyerarşik DNA derlemesini önemli ölçüde kolaylaştırmıştır2. Gibson klonlama8, ligasyondan bağımsız klonlama (SLIC)9, urasil eksizyon tabanlı klonlama (KULLANICI)10, ligase cycling reaksiyon (LCR)11ve in vivo rekombinasyon (DNA Assembler)12,13gibi diğer birçok çok parçalı klonlama yöntemi de şimdiye kadar geliştirilmiştir. Ancak Golden Gate klonlama ideal bir DNA montaj yöntemidir, çünkü genlere özgü dizilerden bağımsızdır ve tek pota reaksiyonunda skarsız, yönlü ve modüler montaja izin verir. Golden Gate klonlama, tanıma alanı2dışında kademeli çıkıntılar oluşturmak için palindromi olmayan bir diziyi tanıyan tip IIS kısıtlama enzimlerinden yararlanır. Bir ligase daha sonra çok parçalı bir montaj elde etmek için tavlanmış DNA parçalarını birleştirir. Bu klonlama stratejisini modüler klonlama (MoClo) sistemine uygulamak, doğru monte edilmiş yapı4'ü içeren% 90'dan fazla dönüştürücü ile 10'a kadar DNA parçasının bir araya alınmasını sağlamıştır.

MoClo sistemi, sentetik biyolojinin tasarım-inşa-test döngüsünü hızlandıran muazzam avantajlar sunar. İlk olarak, değiştirilebilir parçalar, büyük bir parametre alanını hızlı bir şekilde test etmek için kombinatoryal klonlamayı etkinleştirir. Örneğin, metabolik bir yolu optimize etmek genellikle yol akısını dengelemek için her gen için birçok promotör arasında bisiklet sürmeyi gerektirir. MoClo sistemi bu tür zorlu klonlama görevlerini kolayca halledebilir. İkincisi, plazmid kısmını sıralamak gerekir, ancak tipik olarak TU veya çok genli plazmidleri sıralamaz. Çoğu durumda, koloni PCR veya kısıtlama sindirimi ile tarama TU ve çok genli plazmid düzeyinde doğrulama için yeterlidir. Bunun nedeni, parça plazmidi klonlamanın, sık sık mutasyonları tanıtan PCR gerektiren tek adım olmasıdır. Üçüncü olarak, MoClo sistemi çok genli karmaşık metabolik yollar oluşturmak için idealdir. Son olarak, evrensel çıkıntılar nedeniyle, parça plazmidleri yeniden kullanılabilir ve tüm biyomühendislik topluluğu ile paylaşılabilir. Şu anda, MoClo kitleri bitkiler için mevcuttur14,15,5,16,17, mantar6,18,19,20,21,22, bakteri7,23,24,25,26,27vehayvanlar28,29. Çok krallıklı bir MoClo platformu da yakın zamanda tanıtıldı30.

Saccharomyces cerevisiaeiçin Lee ve ark.6, maya sentetik biyoloji topluluğu için mükemmel bir kaynak olan çok yönlü bir MoClo araç seti geliştirdi. Bu kit uygun bir 96 kuyu formatında gelir ve iyi karakterize edilmiş organizatörler, floresan proteinler, terminatörler, peptit etiketleri, seçim belirteçleri, replikasyon kaynağı ve genom düzenleme araçlarından oluşan çeşitli bir koleksiyona sahip sekiz tür değiştirilebilir DNA parçası tanımlar. Bu araç seti, beş adede kadar transkripsiyon ünitesinin çok genli bir plazmid içine birleştirilmiş olmasını sağlar. Bu özellikler, kısmi veya tüm yolların hedeflenen kimyasalları üretmek için aşırı ifade edildiği maya metabolik mühendisliği için değerlidir. Bu kiti kullanarak, araştırmacılar geraniol, linalool31, penisilin32, mukonik asit33, indigo34ve mayada betalain35 üretimini optimize etmişlerdir.

Burada, epizomal veya genomik ekspresyon için çok genli yollar oluşturmak için MoClo araç setinin kullanımına rehberlik etmek için ayrıntılı, adım adım bir protokol sunuyoruz. Bu kitin kapsamlı kullanımıyla, DNA konsantrasyonlarının doğru ölçümünün, Golden Gate reaksiyonundaki her parçanın eşitlikçi dağılımını sağlamanın anahtarı olduğunu bulduk. Ayrıca T7 DNA ligaz üzerinde T4 DNA ligazını öneririz, çünkü ilki daha fazla sayıda çıkıntla daha iyi çalışır36. Son olarak, BsmBI ve BsaI'nin tüm iç tanıma siteleri montajdan önce kaldırılmalı veya evcillendirilmelidir. Alternatif olarak, birden fazla dahili siteyi kaldırmak ve eşzamanlı kodon optimizasyonu elde etmek için parçaları sentezlemeyi düşünebilirsiniz. S. cerevisiae'de β karoten ve likopen üretimi için beş genlik bir yol ifade ederek bu araç setin nasıl kullanılacağını gösteriyoruz. Ayrıca, bu kitin genom düzenleme araçlarını kullanarak ADE2 locus'un nasıl nakavt olduğunu gösteriyoruz. Bu renk tabanlı deneyler kolay görselleştirme için seçildi. Ayrıca Golden Gate klonlama kullanarak füzyon proteinlerinin nasıl üretilip amino asit mutasyonlarının nasıl oluşturulacağı da göstermektedir.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

NOT: Bu araç setinde sunulan hiyerarşik klonlama protokolü üç ana adıma ayrılabilir: 1. Parça plazmidlerini klonlama; 2. Klonlama transkripsiyon üniteleri (TUs); 3. Çok genli plazmidlerin klonlama (Şekil 1). Bu protokol astar tasarımından başlar ve klonlanmış çok genli plazmid uygulamaları ile sona erer.

1. Parça plazmid klonlama için astar tasarımı (pYTK001):

  1. 5' ucunda TTT yan nükleotitleri içeren ileri ve ters astarları, giriş vektörün tamamlayıcısı olan 4 nükleotidli (nt) çıkıntılı (TCGG) ek nükleotidli (CGTCTCN) bir BsmBI tanıma alanını tasarlayın, şablona özgü sıraya ek olarak ek nükleotid (GGTCTCN) ve 4 nt parçaya özgü kullanma çıkıntlı BsaI tanıma sitesi (Şekil 2A). GoldenBraid 4.037 ve GoldenMutagenesis38, Golden Gate'e özgü astar tasarımı için kullanılabilecek çevrimiçi yazılımlardan bazılarıdır.
  2. BsaI veya BsmBI tanıma siteleri herhangi bir bölümde varsa, Golden Gatederlemesi 39'danönce bu siteleri mutasyona uğratmak için bir evcillaştırma adımı kullanın. Bütünleştirici plazmidler için (bkz. adım 4), herhangi bir NotI tanıma sitesini evcilleştirme. Bir parçayı istenmeyen bir tanıma sitesiyle evcillaştırmak için, parçayı istenmeyen sitenin yakınındaki iki alt bölüme bölün (Şekil 2A):
    1. İlk alt bölümün ileri astarını adım 1.1 ile aynı şekilde tasarlayın. ancak ters astarı BsmBI bölgesi ve sadece 4 nt gene özgü bir çıkıntı ile tasarlayın.
    2. İkinci alt parça ileri astarı BsmBI bölgesi ve 4 nt gene özgü çıkıntı ile yalnızca ilk alt parçanın ters astarı ile çakışan şekilde tasarlayın. İkinci alt parçanın ters astarını adım 1.1 ile aynı şekilde tasarlayın.
    3. Astarın genlere özgü bölgesinde istenen mutasyonları ters (adım 1.2.1 için) veya ileri astarda (adım 1.2.2) tanıtın.
      NOT: Alternatif olarak, BsmBI ve BsaI içermeyen ve kodon için optimize edilmiş bir parça ticari olarak sentezlenebilir. Kodlama dizileri (CDS) için, eşanlamlı bir mutasyon, bir amino asit kodonunun üçüncü nükleotidinde kolayca dahil edilebilir. Ancak, organizatörler ve sonlandırıcılar için, mutasyona uğramış promotörü veya sonlandırıcı etkinliğini bir muhabir tahlili kullanarak kontrol etmekönerilir 39. Sıranın sonuna doğru istenmeyen bir kısıtlama sitesi varsa, daha uzun bir ters astar kullanılarak mutasyona uğratılabilir. Birden fazla istenmeyen site varsa, birden fazla sitenin mutasyona uğramasına izin verilen siteye yönelik mutajensisyapılabilir 40.
  3. Bazen, iki proteinin arada bir bağlayıcı ile tek bir parça olarak kaynaştırilmesi arzu edilir (Şekil 2A). Bağlayıcı, iki ayrı proteinin yapısal bütünlüğünü sağlamaya yardımcı olur41.
    1. İlk genin ileri astarı adım 1.1 ile aynıdır. Ters astarda, bir BsmBI sitesi, 4 nt gene özgü çıkıntı ve bir bağlayıcı dizisi ekleyin. 4-nt çıkınti, bağlayıcı veya ikinci genin ilk birkaç nükleotid olabilir.
    2. İkinci gen için, ileri astarı bir BsmBI tanıma bölgesine ve ilk genin ters astarının tamamlayıcısı olan 4 nt çıkıntıya sahip olacak şekilde tasarlayın. İkinci genin ters astarını adım 1.1'de olduğu gibi tasarlayın.
  4. Parçaları polimeraz zincir reaksiyonu (PCR)42ile yükseltmek için, genomik DNA, cDNA veya plazmidden parçaları yükseltmek için yüksek kaliteli bir DNA polimeraz kullanın. PCR ürününü% 1 agarose jel üzerinde kontrol edin ve ardından jel saflaştırma. Saflaştırılmış DNA kullanılması şiddetle tavsiye edilir, jel saflaştırma zahmetliyse, PCR ürününü saflaştırmak için en azından bir spin sütunu kullanın.

2. Parça plazmidleri oluşturmak için parçaları giriş vektörüne klonlama (pYTK001) (Şekil 2B)

  1. Golden Gate reaksiyon karışımını ayarlamak için, her PCR ürününün 20 fmol'unu ve giriş vektörü (pYTK001), 1 μL 10X T4 ligaz tamponu, 0,5 μL Esp3I (BsmBI'nin yüksek verimli bir izoskizomer) ve 0,5 μL T4 ligase ekleyin. Toplam hacmi 10 μL'ye getirmek için ddH2O ekleyin.
  2. Klonlama reaksiyonunu ayarlamak için, aşağıdaki programı bir termosikler içinde çalıştırın: 5 dakika (sindirim) için 37 °C'nin 25-35 döngüsü ve 5 dakika (ligasyon) için 16 °C, ardından 10 dakika boyunca 50 °C'de son sindirim ve 10 dakika boyunca 80 °C'de enzim inaktivasyonu.
    NOT: Birden fazla DNA parçasını giriş vektörüne aynı anda klonlarken, örneğin füzyon genlerinin klonlanması sırasında veya bir geni evcilleştirirken 35 sindirme/ligasyon döngüsü önerilir.
  3. Tüm reaksiyon karışımını ısı şoku ile DH5α suşuna veya eşdeğer Escherichia coli kimyasal olarak yetkin hücrelere dönüştürün. 10 μL klonlanmış ürünün tamamının 35 μL kimyasal olarak yetkin E. coli hücrelerine dönüştürülmesi önerilir (2 X 105 cfu/mL, cfu 5 ng pYTK001'in yetkili hücrelerin 100 μL'sine dönüştürülmesinden hesaplanır). 35 μg/mL kloramfenikol (Cm) ile lysogeny Broth (LB) plakasına yayın. Gece boyunca 37 °C'de kuluçkaya yaslanın.
  4. 16-18 saat sonra, plakayı inkübatörden alın ve süper klasör yeşil floresan proteinin (sfGFP) daha yoğun bir yeşil renk için gelişmesine izin vermek için plakayı yaklaşık 5 saat boyunca 4 °C'de tutun.
  5. Daha kolay tarama için plakayı ultraviyole (UV) veya mavi ışık transilluminator üzerine yerleştirin. Kolonileri içeren sfGFP, UV ışığı altında floresan yapacaktır.
  6. Yeşil koloniler kesilmemiş pYTK001 içerdiğinden negatiftir. Beyaz koloniler muhtemelen olumlu. Klonlama genellikle ~ 30-100% beyaz koloniler varsa başarılıdır. Koloni PCR veya kısıtlama sindirimi (önerilen enzim: BsaI-HFv2) ile birkaç beyaz koloninin daha fazla taranmasını gerçekleştirin.
  7. Plazmidleri potansiyel olarak doğru kolonilerden birkaçından arındırın ve Sanger dizileriyle dizileri onaylayın.

3. Parça plazmidlerinin "kaset" plazmidlerine montajı

NOT: Kaset plazmidi, bir organizatör, CDS ve bir sonlandırıcıdan oluşan kullanıcı tanımlı bir transkripsiyon ünitesi (TU) içerir. Kaset plazmidi tek bir genin ifadesini sağlar. Kaset plazmidleri çok genli bir plazmid halinde birleştirilecekse, ilk adım çok genli plazmiddeki TU'ların sayısını ve sırasını belirlemektir. Konnektörler çok genli plazmiddeki TU'ları bağladığından, bunlar kaset plazmidlerinde hangi konektörlerin kullanılacağını belirleyecektir. İlk TU'nun sol konektörü ConLS ve son TU'nun sağ konektörü ConRE olmalıdır. Çok genli plazmidlerin ConLS' ve ConRE'si ile çakışacaklardır. Bağlayıcıların geri kalanı artan sayısal sırada olmalıdır. Örneğin, çok genli plazmid dört TUs içeriyorsa, konektör kombinasyonları ConLS-TU1-ConR1, ConL1-TU2-ConR2, ConL2-TU3-ConR3 ve ConL3-TU4-ConRE (Şekil 1)olacaktır.

  1. Transkripsiyon ünitelerini monte etmeden önce, aşağıdaki altı parçaya sahip bir ara vektörün montajı önerilir: sol konektör, sfGFP bırakma (pYTK047), sağ konektör, maya seçim işaretleyicisi, replikasyon mayası kaynağı ve mRFP1, E. coli orijini ve ampisiline dayanıklı gen (pYTK083) ile parça plazmidi (pYTK083) (Şekil 3).
    1. Yukarıdaki altı plazmidi arındırın. Konsantrasyonlarını bir UV-Vis spektrofotometresi veya floresan bazlı bir test kullanarak kaydedin ve her plazmidi ddH2O ile seyreltin, böylece 1 μL 20 fmol DNA'ya sahiptir. Çevrimiçi bir hesap makinesi kullanarak DNA azı dişi konsantrasyonu hesaplayın.
      NOT: DNA konsantrasyonlarını doğru bir şekilde ölçmek ve montajın çalışması için, özellikle beş ila yedi parçalı plazmidlere sahip montajlar için tam olarak borulamak çok önemlidir. Her plazmidin DNA konsantrasyonundaki küçük hatalar klonlama verimliliğinde önemli bir düşüşe neden olabilir.
    2. Her plazmidden 1 μL, 10X T4 ligaz tamponunun 1 μL'si, BsaI-HFv2'nin 0,5 μL'si (BsaI'nin son derece verimli bir versiyonu) ve 0,5 μL T4 ligase ekleyin. DDH 2 O ekleyerek hacmi 10μL'yekadar yükseltin.
    3. Klonlama reaksiyonunu ayarlamak için termosikler içinde aşağıdaki programı çalıştırın: 5 dakika (sindirim) için 37 °C'nin 25-35 döngüsü ve 5 dakika (ligasyon) için 16 °C. BsaI alanlarının ara vektörde tutulması gerektiğinden son sindirim ve ısı inaktivasyon adımlarını atla(Şekil 3).
    4. Tüm reaksiyon karışımını DH5α suşuna veya diğer E. coli yetkin hücrelerine dönüştürün. 50 μg/mL karbenisilin (Cb) veya ampisilin içeren bir LB plakasına yayın. Gece boyunca 37 °C'de kuluçkaya yaslanın.
      NOT: Karbenisilin ampisilin kararlı bir analogdur.
    5. 16-18 saat sonra plakayı inkübatörden çıkar. Plaka hem soluk kırmızı hem de soluk yeşil koloniler içerecektir (Şekil 6C ve 6D). mRFP1 ve sfGFP'nin olgunlaşması için plakayı yaklaşık 5 saat boyunca 4 °C'de tutun. Potansiyel olarak doğru ara vektörü içeren yeşil kolonileri tanımlamak için bir UV veya mavi ışık transilluminator kullanın.
    6. Yeşil kolonileri LB + Cb plakasında çizin ve bir gecede 37 °C'de kuluçkaya yatırın. Ertesi gün, lb + cm plaka üzerinde tekrar çizgi ve gece boyunca 37 °C'de kuluçkaya yaslanın. LB + Cm plakalarda büyüyen koloniler, Cm'ye dayanıklı parça vektörleri tutulduğu için yanlış monte edilmiş plazmidler içerir.
    7. LB + Cm plakasında büyümeyen kolonileri seçin ve doğru monte edilen plazmidi doğrulamak için kısıtlama sindirimleri (önerilen enzimler: BsaI-HFv2, Esp3I) gerçekleştirin. Alternatif olarak, tarama için koloni PCR kullanın.
  2. Ara vektör başarıyla bir araya getirildikten sonra, bir sonraki adım transkripsiyon ünitelerini birleştirmektir. Bu, aşağıdaki parçalara sahip 4 parçalı bir montaj: ara vektör, bir promotör, bir CDS ve bir sonlandırıcı.
    1. Dört parçalı plazmidleri arındırın. Konsantrasyonlarını kaydedin ve plazmidlerin her birini seyreltin, böylece 1 μL 20 fmol DNA'ya sahiptir.
    2. Reaksiyon karışımını ayarlamak için Adım 3.1.2'yi izleyin.
    3. Klonlama reaksiyonlarını ayarlamak için Adım 2.2'yi izleyin.
    4. Tüm klonlama reaksiyon karışımını bir gecede 37 °C'de LB + Cb. Incubate üzerindeki DH5α veya eşdeğer E. coli yetkin hücrelerine ve plakasına dönüştürün.
    5. 16-18 saat sonra plakayı inkübatörden çıkar. Beyaz ve soluk yeşil koloniler görünecektir (Şekil 6E ve 6F). SfGFP'nin olgunlaşması için plakayı yaklaşık 5 saat boyunca 4 °C'de tutun. Floresan olmayan beyaz kolonileri tanımlamak için bir UV veya mavi ışık transilluminator kullanın. Bunlar potansiyel olarak doğru transkripsiyon ünitelerini içerir.
    6. Çizgi ve büyümek 8-10 beyaz koloniler ve bir koloni PCR gerçekleştirmek. Koloni PCR'den pozitif test eden kolonilerden plazmidleri arındırın. Montajı daha fazla doğrulamak için kısıtlama sindirimi (önerilen enzim: Esp3I) gerçekleştirin.
      NOT: Klonlama yalnızca kısıtlama sindirimi ve ligasyon içerdiğinden, transkripsiyon birimlerini sıralamak genellikle gerekli değildir. Tüm ilgi dizileri parça plazmid seviyesinde onaylandı.

4. Kaset plazmidlerini "çok genli" plazmidlere monte etmek:

NOT: Çok genli plazmidler birden fazla genin ifadesini sağlar. Aşağı akış uygulamasına bağlı olarak, çok genli plazmidler çoğaltıcı veya bütünleştirici olabilir. Çoğaltıcı plazmidler replikasyon maya kökenine sahiptir; bu nedenle, maya hücresi bölündüğünde dikkatlice muhafaza edilebilir. Bütünleştirici plazmidler replikasyon maya kökenine sahip değildir. Bunun yerine, homolog rekombinasyon yoluyla birden fazla genin genomun belirli bir locisine entegrasyonunu sağlayan 5' ve 3' homoloji kollarına sahiptirler.

  1. Çok genli plazmidler için önce bir ara vektör monte edin.
    1. Çoğaltıcı ara vektörleri birleştirmek için (Şekil 4A), aşağıdaki altı parçayı birleştirin: sol konektör (ConLS'-pYTK008), sfGFP bırakma (pYTK047), sağ konektör (ConRE'-pYTK072), bir maya seçim işaretçisi, replikasyonun maya kaynağı ve mRFP1 ile parça plazmidi, bir E. coli replikasyon kaynağı ve kanamycin dirençli gen (pYTK084).
      1. Derleme için 3.1.1 ile 3.1.3 arasında adımları izleyin.
      2. Tüm klonlama reaksiyon karışımını DH5α veya eşdeğer E. coli yetkin hücrelere dönüştürün ve LB artı 50 μg/mL kanamycin (Km) üzerindeki plakayı dönüştürün. Gece boyunca 37 °C'de kuluçkaya yaslanın.
      3. Kırmızı/yeşil renk tabanlı tarama için 3.1.5 adımlarını izleyin.
      4. Yanlış montajların taranmasına yönelik olarak, yeşil kolonileri lb + km plaka üzerinde çizgi edin ve büyütün. Ardından 3.1.6 adımını izleyin.
    2. Bütünleştirici çok genli vektörler için (Şekil 4B), önce ilgi çekici genomik lokusu belirleyin, ardından bu çekirgeye entegre olmak için yaklaşık 500 baz çift 5' ve 3' homoloji kolu tasarlayın.
      1. Maya genomik DNA'sından 5' ve 3' homoloji kollarını vektör-pYTK001 girişine klonla. 1. ve 2.
      2. Aşağıdaki yedi plazmidi birleştirin: sol konektör (ConLS'-pYTK008), sfGFP bırakma (pYTK047), sağ konektör (ConRE'-pYTK072), maya seçim işaretçisi, 3' homoloji kolu, mRFP1 ile parça plazmid, replikasyon E. coli kaynağı ve kanamycin dirençli gen (pYTK090) ve 5' homoloji kolu.
      3. Montaj ve tarama için 4.1.1 adımlarını izleyin.
  2. Çok genli plazmid montajı
    1. Adım 4.1'de elde edilen ara vektörün plazmidlerini ve 3. Konsantrasyonlarını bir UV-Vis spektrofotometresi veya floresan bazlı bir test kullanarak kaydedin. Her biri ddH2O'da seyreltin, böylece 1 μL 20 fmol DNA'ya sahiptir.
    2. 1 μL ara vektör, her transkripsiyon ünitesinin 1 μL'si, 1 μL 10x T4 ligaz tamponu, 0,5 μL Esp3I ve 0,5 μL T4 ligaz ekleyin. DDH2O kullanarak hacmi 10 μL'ye getirin.
    3. Klonlama reaksiyonlarını ayarlamak için 2.2 adımını izleyin.
    4. Tüm klonlama reaksiyon karışımını DH5α veya eşdeğer E. coli yetkin hücrelere dönüştürün ve LB + Km. Incubate'de bir gecede 37 °C'de plakalayın.
    5. Yeşil/beyaz taramayı adım 3.2.5'te olduğu gibi gerçekleştirin.
    6. Plazmidleri birkaç beyaz koloniden arındırın ve kısıtlama sindirimi gerçekleştirin. NotI-HF enziminin kullanılması önerilir, çünkü E. coli orijin ve Km seçim işaretleyici kısmında sırasıyla iki NotI bölgesi vardır (Şekil 4B). Monte edilen plazmid çok büyükse, daha fazla onay için başka bir kısıtlama bölgesi seçilebilir. Alternatif olarak, kısıtlama sindirimine geçmeden önce koloni PCR ile ekran.

5. Kromozomal veya plazmid bazlı gen ekspresyözü için çok genli plazmidlerin uygulanması

  1. Kromozomal gen ekspresyözü için çok genli plazmidi maya genomuna entegre etmek (Şekil 5)
    1. İstenilen lokus için bir kılavuz RNA (gRNA) tasarlayın. Benchling, CRISPRdirect43ve CHOPCHOP44gibi birden çok çevrimiçi kaynağın kullanılması, hedefteki maksimum özgüllüğü belirlemeniz önerilir.
    2. Sentezlenen 20 nt gRNA'yı Gibson klonlayarak pCAS plazmid45'e klonlayın. PCAS plazmidini, sırasıyla HDV riboziminin 3' ve tracrRNA'nın 5' ine bağlayan ters bir astar çifti kullanarak PCR ile doğrusallaştırın (Şekil 5). Alternatif olarak, gRNA'yı sgRNA bırakma plazmidine (pYTK050) klonlayın ve bırakma plazmidini bağlayıcılarla bir kaset plazmidine monte edin. Ardından Cas9 TU'yu Cas9 parça plazmid (pYTK036) ile birleştirin. Son olarak, Cas9 TU ve sgRNA TU'ları çoğaltıcı çok genli bir plazmid halinde birleştirin.
    3. 5-15 μg bütünleştirici çok genli plazmidi bir gecede 1 μL NotI-HF enzimi ile doğrusallaştırın. 1 μg pCAS-gRNA ve doğrusal bütünleştirici çok genli plazmidi S. cerevisiae'yedönüştürün. Piyasada bulunan maya dönüşüm kitini kullanarak veya Geitz ve Schiestl protokolüne uyarak yetkin hücreler hazırlayın, 200746.
      NOT: NotI sindirimi sonrası doğrusallaştırılmış çok genli plazmidi arındırmak gereksizdir.
    4. İyileşmeden sonra hücreleri pelet, süpernatant atın, eşit miktarda su ile yıkayın. Tam sentetik orta (CSM) damlama plakasındaki plaka maya hücreleri veya maya seçici işaretleyiciye bağlı olarak antibiyotikli maya özü pepton dekstroz orta (YPD) plakası. Kolonilerin oluşması için iki gün boyunca 37 °C'de kuluçkaya yatırın. Koloni görülmezse, 30 ° C'de bir ila iki gün daha kuluçkaya yatırın.
    5. Koloni PCR47ile entegrasyon için ekran maya kolonileri .
    6. pCAS'ı iyileştirmek için, seçici olmayan bir YPD plakaya doğru entegrasyonla koloniyi çizgile. Bir gecede 30 °C'de büyüyün. Bir koloniyi YPD plakasından yeni bir YPD plakasına çizin. Yine, bir gecede 30 ° C'de büyüyün. İkinci YPD plakasından pCAS'ın seçim işaretçisi olan YPD artı 100 μg/mL nourseothricin'e bir koloni çizin. Maya hücreleri seçici plakada büyümediğinde başarılı kürlenme meydana gelir.
      NOT: pCAS plazmidi seçici olmayan iki turda tedavi edilmemişse, 1-2 tur daha taze bir YPD'ye tekrar serin.
  2. Plazmid bazlı gen ekspresyel için çoğaltıcı çok genli plazmidi dönüştürme
    1. 100 ng-1 μg saf çok genli plazmidi S. cerevisiae yetkin hücrelerine dönüştürün.
    2. Plaka maya hücreleri, kullanılan maya seçim işaretine bağlı olarak CSM damlama plakasına veya YPD artı antibiyotik plakasına dönüşümden hemen sonra. Kolonilerin oluşması için 2-3 gün boyunca 30 °C'de kuluçkaya yatırın.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Burada β karoten (sarı) ve likopen (kırmızı) üretimi için dört çoğaltıcı çok genli plazmid sonuçları. ADE2 lokusunu bozmak için kolonileri kırmızı olan bir bütünleştirici çok genli plazmid inşa edildi.

CDS'leri giriş vektörüne klonlama (pYTK001)
ERG20 maya genomundan ve üç karotenoid gen crtE, crtYB, crtI plazmid pLM49448'den pYTK001 giriş v...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Lee ve arkadaşları tarafından geliştirilen MoClo tabanlı klonlama kiti, maya genomuna çoğaltma veya entegrasyon için bir ila beş transkripsiyon ünitesinin çok genli bir plazmid içine hızlı bir şekilde montajı için mükemmel bir kaynak sağlar. Bu kitin kullanımı, mayadaki birden fazla geni ifade etmek için sıklıkla var olan zaman alıcı klonlama darboğazını ortadan kaldırır.

T4 DNA ligaz ile Golden Gate klonlamanın sindirim/ligasyon döngüleri için beş farklı koşulu test ettik. 5 dakika boyunca 37...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu çalışma New York Eyalet Üniversitesi Araştırma Vakfı (Ödül #: 71272) ve Buffalo Üniversitesi IMPACT Ödülü (Ödül #: 000077) tarafından finanse edildi.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
0,5 mm Cam boncuklarRPI araştırma ürünleri9831Maya hücrelerini parçalamak için
Bacto AgarBD & Şirket214010Maya bileşeni tam sentetik ortam (CSM)
Bacto PeptoneBD & Şirket211677Maya ekstraktının bileşeni pepton dekstroz ortamı (YPD)
BsaI-HFv2New England BiolabsR3733S,BsaI kısıtlama enzimi Karbenisilin'in yüksek verimli bir versiyonu
Fisher Bioreagents4800-94-6Transkripsiyon ünitesi düzeyinde tarama için antibiyotik
KloramfenikolFisher Bioreagents56-75-7Tarama için antibiyotik giriş vektör seviyesi
CSM-HisSunrise Sciences1006-010Maya tam sentetik ortamın amino asit takviyesi (CSM)
DekstrozFisher ChemicalD16-500Maya tam sentetik ortamın karbon kaynağı (CSM)
Difco Maya Azot Bazı, Amino Asitler olmadanBD & Şirket291940Maya tam sentetik ortamın (CSM)
dNTP karışımınınPromegaU1515PCR için dNTP'ler
Esp3INew England BiolabsR0734S,BsmBI'nin yüksek verimli bir izoşizomeri
Frozen-EZ Maya Trasformation II KitiZymo ResearchT2001Maya dönüşümü için
HexansesFisher ChemicalH302-1Maya hücrelerinden karotenoid ekstraksiyonu için
KanamisinFisher Biyoreaktifleri25389-94-0Çok genli plazmit seviyesinde tarama için antibiyotik
LB Agar, MillerFisher BioreagentsBP1425-2E. coli kültürü için lizojenik agar ortamı
LB Suyu, MillerFisher BiyoreaktifleriBP1426-2E. coli< / em için lizojenik sıvı ortam>
LikopenCayman kimyasallarınınNC1142173Likopen miktar tayini için
MoClo YTKAddgene1000000061Yatırma Laboratuvarı: John Deuber
Monarch Plazmid Miniprep KitiNew England BiolabsT1010LE.coli
Nanodrop SpektrofotometreThermo ScientificND2000c'denplazmit saflaştırması içinDoğru DNA konsantrasyonlarını ölçmek için:
NotI-HFNew England BiolabsR3189SBütünleştirici çok genli plazmit doğrusallaştırması için kısıtlama enzimi
Nourseothricin SülfatGoldbioN-500-100Bu çalışmada kullanılan pCAS plazmidi için Antibiyotik Seçim belirteci
Phusion HF reaksiyon Tamponu (5X)New England BiolabsB0518SPhusion polimeraz kullanarak PCR için tampon
Phusion High Fidelity DNA PolimerazNew England BiolabsM0530STüm PCR reaksiyonları için yüksek kaliteli polimeraz
pLM494Addgene100539Bu çalışmada kullanılan crtI, crtYB ve crtE'yi amplifiye etmek için kullanılan plazmid
Kuvars KüvetTermo Elektron10050801Karotenoidlerin miktarını belirlemek için
T4 ligazNew England BiolabsM0202SAltın için Ligaz Kapı klonlama
ThermocyclerBIO-RAD1851148Tüm PCR ve klonlama reaksiyonlarını gerçekleştirmek için
Doku HomojenizatörBullet BlenderModel: BBX24Maya hücrelerinin homojenizasyonu için
UV-Vis Spektrofotometre ThermoScientificGenesys 150Karotenoidlerin miktarını belirlemek için
Maya ÖzüFisher BiyoreaktifleriBP1422-500Maya ekstraktının bileşeni pepton dekstroz ortamı (YPD)
β-karotenAlfa AesarAAH6010603β-karoten miktar tayini için
azot kaynağı kültürlenmesi

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Endy, D. Foundations for engineering biology. Nature. 438 (7067), 449-453 (2005).
  2. Engler, C., Gruetzner, R., Kandzia, R., Marillonnet, S. Golden gate shuffling: a one-pot DNA shuffling method based on type IIs restriction enzymes. PLoS One. 4 (5), 5553(2009).
  3. Shetty, R. P., Endy, D., Knight, T. F. Engineering BioBrick vectors from BioBrick parts. Journal of Biological Engineering. 2, 5(2008).
  4. Peccoud, J., et al. A Modular cloning system for standardized assembly of multigene constructs. PLoS ONE. 6 (2), (2011).
  5. Sarrion-Perdigones, A., et al. GoldenBraid: an iterative cloning system for standardized assembly of reusable genetic modules. PLoS One. 6 (7), 21622(2011).
  6. Lee, M. E., DeLoache, W. C., Cervantes, B., Dueber, J. E. A Highly characterized yeast toolkit for modular, multipart assembly. ACS Synthetic Biology. 4 (9), 975-986 (2015).
  7. Andreou, A. I., Nakayama, N. Mobius assembly: A versatile Golden-Gate framework towards universal DNA assembly. PLoS One. 13 (1), 0189892(2018).
  8. Gibson, D. G., et al. Enzymatic assembly of DNA molecules up to several hundred kilobases. Nature Methods. 6 (5), 343-345 (2009).
  9. Li, M. Z., Elledge, S. J. Harnessing homologous recombination in vitro to generate recombinant DNA via SLIC. Nature Methods. 4 (3), 251-256 (2007).
  10. Geu-Flores, F., Nour-Eldin, H. H., Nielsen, M. T., Halkier, B. A. USER fusion: a rapid and efficient method for simultaneous fusion and cloning of multiple PCR products. Nucleic Acids Research. 35 (7), 55(2007).
  11. de Kok, S., et al. Rapid and reliable DNA assembly via ligase cycling reaction. ACS Synthetic Biology. 3 (2), 97-106 (2014).
  12. Shao, Z., Zhao, H., Zhao, H. DNA assembler, an in vivo genetic method for rapid construction of biochemical pathways. Nucleic Acids Research. 37 (2), 16(2009).
  13. Gibson, D. G. Synthesis of DNA fragments in yeast by one-step assembly of overlapping oligonucleotides. Nucleic Acids Research. 37 (20), 6984-6990 (2009).
  14. Engler, C., et al. A golden gate modular cloning toolbox for plants. ACS Synthetic Biology. 3 (11), 839-843 (2014).
  15. Gantner, J., et al. Peripheral infrastructure vectors and an extended set of plant parts for the Modular Cloning system. PLoS One. 13 (5), 0197185(2018).
  16. Ordon, J., et al. Generation of chromosomal deletions in dicotyledonous plants employing a user-friendly genome editing toolkit. Plant Journal. 89 (1), 155-168 (2017).
  17. Sarrion-Perdigones, A., et al. GoldenBraid 2.0: a comprehensive DNA assembly framework for plant synthetic biology. Plant Physiology. 162 (3), 1618-1631 (2013).
  18. Agmon, N., et al. Yeast Golden Gate (yGG) for the efficient assembly of S. cerevisiae transcription units. ACS Synthetic Biology. 4 (7), 853-859 (2015).
  19. Hernanz-Koers, M., et al. FungalBraid: A GoldenBraid-based modular cloning platform for the assembly and exchange of DNA elements tailored to fungal synthetic biology. Fungal Genetics and Biology. 116, 51-61 (2018).
  20. Prielhofer, R., et al. GoldenPiCS: a Golden Gate-derived modular cloning system for applied synthetic biology in the yeast Pichia pastoris. BMC Systems Biology. 11 (1), 123(2017).
  21. Celinska, E., et al. Gate Assembly system dedicated to complex pathway manipulation in Yarrowia lipolytica. Microbial Biotechnology. 10 (2), 450-455 (2017).
  22. Pullmann, P. K., et al. A modular two yeast species secretion system for the production and preparative application of fungal peroxygenases. bioRxiv. , (2020).
  23. Wu, D., Schandry, N., Lahaye, T. A modular toolbox for Golden-Gate-based plasmid assembly streamlines the generation of Ralstonia solanacearum species complex knockout strains and multi-cassette complementation constructs. Molecular Plant Pathology. 19 (6), 1511-1522 (2018).
  24. Moore, S. J., et al. EcoFlex: A multifunctional MoClo kit for E. coli synthetic biology. ACS Synthetic Biology. 5 (10), 1059-1069 (2016).
  25. Iverson, S. V., Haddock, T. L., Beal, J., Densmore, D. M. CIDAR MoClo: Improved MoClo assembly standard and new E. coli part library enable rapid combinatorial design for synthetic and traditional biology. ACS Synthetic Biology. 5 (1), 99-103 (2016).
  26. Vasudevan, R., et al. CyanoGate: A modular cloning suite for engineering cyanobacteria based on the plant MoClo syntax. Plant Physiology. 180 (1), 39-55 (2019).
  27. Leonard, S. P., et al. Genetic Engineering of bee gut microbiome acteria with a Ttoolkit for modular assembly of broad-host-range plasmids. ACS Synthetic Biology. 7 (5), 1279-1290 (2018).
  28. Schwartz, M. L., Jorgensen, E. M. SapTrap, a toolkit for high-throughput CRISPR/Cas9 gene modification in Caenorhabditis elegans. Genetics. 202 (4), 1277-1288 (2016).
  29. Martella, A., Matjusaitis, M., Auxillos, J., Pollard, S. M., Cai, Y. EMMA: An extensible mammalian modular assembly toolkit for the rapid design and production of diverse expression vectors. ACS Synthetic Biology. 6 (7), 1380-1392 (2017).
  30. Chiasson, D., et al. A unified multi-kingdom Golden Gate cloning platform. Scientific Reports. 9 (1), 10131(2019).
  31. Denby, C. M., et al. Industrial brewing yeast engineered for the production of primary flavor determinants in hopped beer. Nature Communications. 9 (1), 965(2018).
  32. Awan, A. R., et al. Biosynthesis of the antibiotic nonribosomal peptide penicillin in baker's yeast. Nature Communications. 8, 15202(2017).
  33. Leavitt, J. M., et al. Biosensor-Enabled Directed evolution to improve muconic acid production in Saccharomyces cerevisiae. Biotechnology Journal. 12 (10), (2017).
  34. Hsu, T. M., et al. Employing a biochemical protecting group for a sustainable indigo dyeing strategy. Nature Chemical Biology. 14 (3), 256-261 (2018).
  35. Grewal, P. S., Modavi, C., Russ, Z. N., Harris, N. C., Dueber, J. E. Bioproduction of a betalain color palette in Saccharomyces cerevisiae. Metabolic Engineering. 45, 180-188 (2018).
  36. Potapov, V., et al. Comprehensive profiling of four base overhang ligation fidelity by T4 DNA ligase and application to DNA assembly. ACS Synthetic Biology. 7 (11), 2665-2674 (2018).
  37. Vazquez-Vilar, M., et al. Software-assisted stacking of gene modules using GoldenBraid 2.0 DNA-assembly framework. Methods in Molecular Biology. 1284, 399-420 (2015).
  38. Pullmann, P., et al. Mutagenesis: An efficient multi-site-saturation mutagenesis approach by Golden Gate cloning with automated primer design. Scientific Reports. 9 (1), 10932(2019).
  39. Engler, C., Sylvestre, M. DNA Cloning and Assembly Methods. Valla, S., Lale, R. 1116, Humana Press. Ch. 9 119-131 (2014).
  40. Liu, H., Naismith, J. H. An efficient one-step site-directed deletion, insertion, single and multiple-site plasmid mutagenesis protocol. BMC Biotechnology. 8, 91(2008).
  41. Chen, X., Zaro, J. L., Shen, W. C. Fusion protein linkers: property, design and functionality. Advanced Drug Delivery Reviews. 65 (10), 1357-1369 (2013).
  42. Mullis, K., et al. Specific enzymatic amplification of DNA in vitro: the polymerase chain reaction. Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology. 51, Pt 1 263-273 (1986).
  43. Naito, Y., Hino, K., Bono, H., Ui-Tei, K. CRISPRdirect: software for designing CRISPR/Cas guide RNA with reduced off-target sites. Bioinformatics. 31 (7), 1120-1123 (2015).
  44. Labun, K., et al. CHOPCHOP v3: expanding the CRISPR web toolbox beyond genome editing. Nucleic Acids Research. 47 (1), 171-174 (2019).
  45. Ryan, O. W., et al. Selection of chromosomal DNA libraries using a multiplex CRISPR system. Elife. 3, (2014).
  46. Gietz, R. D., Schiestl, R. H. High-efficiency yeast transformation using the LiAc/SS carrier DNA/PEG method. Nature Protocols. 2 (1), 31-34 (2007).
  47. Heintz, N., Gong, S. Small-scale preparations of yeast DNA. Cold Spring Harbor Protocols. 2020 (10), (2020).
  48. Hochrein, L., Mitchell, L. A., Schulz, K., Messerschmidt, K., Mueller-Roeber, B. L-SCRaMbLE as a tool for light-controlled Cre-mediated recombination in yeast. Nature Communications. 9 (1), 1931(2018).
  49. Verwaal, R., et al. High-level production of beta-carotene in Saccharomyces cerevisiae by successive transformation with carotenogenic genes from Xanthophyllomyces dendrorhous. Applied and Environmental Microbiology. 73 (13), 4342-4350 (2007).
  50. Jones, E., et al. The Molecular Biology of the Yeast Saccharomyces: Metabolism and Gene Expression. Strathern, J. N., Jones, E. W., Broach, J. R. 11, Cold Spring Harbor Laboratory Press. Ch. Regulation of amino acid and nucleotide biosynthesis in yeast 181(1982).
  51. Sehgal, N., et al. CRISPR gene editing in yeast: an experimental protocol for an upper-division undergraduate laboratory course. Biochemistry and Molecular Biology Education. 46 (6), 592-601 (2018).
  52. Stepanenko, O. V., Stepanenko, O. V., Kuznetsova, I. M., Verkhusha, V. V., Turoverov, K. K. Sensitivity of superfolder GFP to ionic agents. PLoS One. 9 (10), 110750(2014).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Golden Gate CloningModular CloningMulti Gene AssemblyYeast MoClo KitType IIS EnzymesEntry Vector CloningTranscription Unit AssemblyFluorescent Protein ScreeningDH5 Alpha TransformationUV Transilluminator Screening

Related Articles