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        利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)敲除大腸桿菌tnaA基因

        2019-12-19 01:51:00何京樺樂(lè)科易
        生物學(xué)雜志 2019年6期
        關(guān)鍵詞:感受態(tài)色氨酸供體

        何京樺, 樂(lè)科易

        (復(fù)旦大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 上海 200433)

        L-色氨酸在人和動(dòng)物體內(nèi)非常重要,同時(shí)在醫(yī)藥、食品和飼料添加劑等方面具有廣泛的用途[1-4]。大腸桿菌生長(zhǎng)迅速、遺傳背景清晰,被認(rèn)為是生產(chǎn)L-色氨酸的主要菌株。大腸桿菌的tnaA基因編碼色氨酸酶(tryptophanase),該酶在正常情況下可以將L-色氨酸降解成丙酮酸、吲哚和氨,從而使碳源進(jìn)入TCA循環(huán),阻礙L-色氨酸的積累[5-6]。tnaA基因的失活有利于大腸桿菌積累更多的L-色氨酸[7]。

        成簇、規(guī)則間隔的短回文重復(fù)序列(clustered, regularly interspaced, short palindromic repeat,CRISPR)是細(xì)菌在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中產(chǎn)生的抵抗外源基因入侵的適應(yīng)性免疫系統(tǒng)[8-11]。CRISPR-Cas9系統(tǒng)為RNA介導(dǎo)的基因組編輯提供了強(qiáng)大的工具,并已廣泛應(yīng)用于包括原核生物和真核生物在內(nèi)的多種生物中[12-14]。在該系統(tǒng)中,CRISPR RNA(crRNA)通過(guò)與轉(zhuǎn)錄激活crRNA(trans-activating RNA,tracrRNA)結(jié)合形成tracrRNA/crRNA復(fù)合物,引導(dǎo)Cas9核酸內(nèi)酶在目的DNA序列生成雙鏈斷裂(double-strand breaks,DSBs)[15-16]。gRNA與靶DNA序列中長(zhǎng)約20 bp的片段互補(bǔ)配對(duì),靶序列末端須含有PAM序列(5′-NGG)[17]。

        本研究以E.coliw3110-Δ為出發(fā)菌株,利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)對(duì)其tnaA基因進(jìn)行敲除,篩選出tnaA基因缺失菌株,減少色氨酸的降解,從而為L(zhǎng)-色氨酸高產(chǎn)菌株的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。

        1 材料與方法

        1.1 菌株與質(zhì)粒

        E.coliw3110-Δ由本實(shí)驗(yàn)室保存,特征是酪氨酸缺陷型,適合于芳香族氨基酸發(fā)酵。pCas和pTargetF質(zhì)粒通過(guò)Add gene載體庫(kù)(http://www.addgene.org/crispr-cas)獲得,編號(hào)分別為62225和62226。pTargetF-tnaA質(zhì)粒由本研究構(gòu)建。

        1.2 主要試劑

        DNA產(chǎn)物純化試劑盒(TIAN quick Mini Purification Kit)購(gòu)于天根生化科技(北京)有限公司。DNA聚合酶(Prime STAR?Max DNA Polymerase)和限制性內(nèi)切酶DpnI均購(gòu)于寶生物工程(大連)有限公司。Gibson組裝克隆試劑盒(Gibson Assemly Cloning Kit)購(gòu)自NEB(北京)有限公司。

        1.3 gRNA質(zhì)粒的構(gòu)建

        通過(guò)http://www.rgenome.net/cas-offinder/設(shè)計(jì)tnaA基因的gRNA。將設(shè)計(jì)出的20 bp序列加入引物gRNAR中。用一步等溫Gibson組裝法利用Prime STAR?Max DNA 聚合酶將pTargetF、上下游引物gRNA F、gRNA R進(jìn)行組裝[18]。將獲得的產(chǎn)物用DpnI酶切,以去除多余的pTargetF。獲得的產(chǎn)物轉(zhuǎn)化到E.coliDH5α感受態(tài)細(xì)胞中,小提質(zhì)粒,用測(cè)序引物gRNAP F/gRNAP R測(cè)序鑒定。將構(gòu)建好的質(zhì)粒命名為pTargetF-tnaA。本研究所用引物和gRNA寡核苷酸序列見(jiàn)表1。

        表1 gRNA和引物

        1.4 tnaA基因同源修復(fù)供體 DNA的構(gòu)建

        以E.coliw3110-Δ基因組DNA為模板,tnaA L F、tnaA L R為引物,PCR擴(kuò)增獲得片段1,以tnaA R F、tnaA R R為引物,PCR擴(kuò)增獲得片段2。以AmlF和AmlR為引物,將片段1和片段2用重疊延伸PCR法獲得同源修復(fù)供體DNA。

        1.5 感受態(tài)細(xì)胞的制備及細(xì)菌的轉(zhuǎn)化

        將pCas質(zhì)粒轉(zhuǎn)化到E.coliw3110-Δ感受態(tài)細(xì)胞中,轉(zhuǎn)化產(chǎn)物涂布到含有卡那霉素(50 μg/mL)的LB瓊脂上(30 ℃培養(yǎng)),挑選獲得含有pCas質(zhì)粒的E.coliw3110-Δ。將含有pCas質(zhì)粒的E.coliw3110-Δ按照文獻(xiàn)[14]描述的方法制備感受態(tài)細(xì)胞。當(dāng)感受態(tài)細(xì)胞生長(zhǎng)至其OD600為0.1時(shí),加入終濃度為10 mmol/L的阿拉伯糖,以誘導(dǎo)λ-Red介導(dǎo)的同源重組[19]。當(dāng)OD600=0.6時(shí)收集菌體,將100 ng gRNA質(zhì)粒pTargetF-tnaA和500 ng供體DNA加入到約100 μL含pCas質(zhì)粒的E.coliw3110-Δ感受態(tài)細(xì)胞中,進(jìn)行電轉(zhuǎn)(2 mm cuvette, 2.5 kV)。電轉(zhuǎn)后立即在1 mL LB液體培養(yǎng)基中懸浮細(xì)胞,30 ℃復(fù)蘇1 h,涂布至含有卡那霉素(50 μg/mL)和壯觀霉素(50 μg/mL)的LB瓊脂培養(yǎng)基上。30 ℃過(guò)夜培養(yǎng),用引物tnaAP F和tnaAP R對(duì)轉(zhuǎn)化子進(jìn)行PCR檢測(cè),并進(jìn)行測(cè)序鑒定,將測(cè)序結(jié)果和原基因序列進(jìn)行對(duì)比,檢測(cè)tnaA基因是否敲除成功。

        1.6 pTargetF-tnaA和pCas的消除

        將鑒定正確的含有pCas和pTargetF-tnaA的克隆接種于含有卡那霉素(50 μg/mL)和IPTG(異丙基-β-D-硫代半乳糖苷,0.5 mmol/L)的2 mL LB培養(yǎng)基中,培養(yǎng)8到16 h后涂布到含有卡那霉素(50 μg/mL)的LB瓊脂上。然后以克隆對(duì)壯觀霉素(50 μg/mL)的敏感性確認(rèn)pTargetF-tnaA已經(jīng)被消除。將克隆在43 ℃培養(yǎng)過(guò)夜以消除pCas質(zhì)粒[20]。

        1.7 敲除效率的優(yōu)化及檢測(cè)

        為提高該敲除系統(tǒng)對(duì)大腸桿菌tnaA基因的敲除效率,在100 μL感受態(tài)細(xì)胞中,將pTargetF-tnaA質(zhì)粒加入量由普遍采用的100 ng提高到300 ng, 供體DNA片段加入量由普遍采用的400 ng提高到1.5 μg進(jìn)行轉(zhuǎn)化,用引物tnaAP F和tnaAP R對(duì)轉(zhuǎn)化子進(jìn)行PCR鑒定和測(cè)序鑒定,計(jì)算該系統(tǒng)對(duì)tnaA的敲除效率。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 gRNA的構(gòu)建

        用一步等溫Gibson組裝法利用Prime STAR?Max DNA 聚合酶將pTargetF質(zhì)粒、上下游引物進(jìn)行組裝。獲得的產(chǎn)物轉(zhuǎn)化到E.coliDH5α感受態(tài)細(xì)胞中,小提質(zhì)粒,將提取的質(zhì)粒pTargetF-tnaA送檢測(cè)序,測(cè)序結(jié)果正確,可用于下一步試驗(yàn)。

        2.2 tnaA基因同源修復(fù)供體 DNA的構(gòu)建

        分別以tnaA L F/R 和tnaARF/R為引物,PCR擴(kuò)增獲得了片段1和片段2,以AmlF和AmlR為引物,利用片段1和片段2用重疊延伸PCR法獲得了同源修復(fù)供體 DNA。

        2.3 tnaA基因的敲除及敲除效率的檢測(cè)

        pCas質(zhì)粒成功轉(zhuǎn)入E.coliw3110-Δ中。pTargetF-tnaA質(zhì)粒和供體DNA成功共轉(zhuǎn)入含有pCas質(zhì)粒的E.coliw3110-Δ中。用橫跨tnaA基因同源修復(fù)供體DNA的鑒定引物tnaAP F和tnaAP R擴(kuò)增目的條帶來(lái)鑒定tnaA基因的敲除情況。結(jié)果(圖1)顯示,tnaA基因沒(méi)被敲除修復(fù)的菌,PCR顯示為1150 bp的條帶,反之出現(xiàn)750 bp的目的條帶。測(cè)序結(jié)果與設(shè)計(jì)的同源臂序列是一致的,表明敲除后的tnaA基因在人工設(shè)計(jì)的供體序列下發(fā)生了同源修復(fù)。挑取12個(gè)克隆進(jìn)行PCR鑒定和測(cè)序鑒定,9個(gè)克隆敲除成功,該敲除系統(tǒng)對(duì)大腸桿菌tnaA的敲除效率為75%。以上結(jié)果均表明,本研究構(gòu)建的CRISPR/Cas9系統(tǒng)在人工同源修復(fù)下,可對(duì)大腸桿菌tnaA基因進(jìn)行高效敲除,圖2是敲除模式示意圖。

        M:相對(duì)分子質(zhì)量;0:原始菌的PCR產(chǎn)物;泳道4、9、10:未敲除成功的PCR產(chǎn)物,大小約為1150 bp;泳道1、2、3、5、6、7、8、11和12:敲除tnaA后的PCR產(chǎn)物,大小約為750 bp

        圖2 利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)進(jìn)行基因敲除示意圖

        3 討論與結(jié)論

        CRISPR-Cas9是細(xì)菌以及古細(xì)菌在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中形成的一種適應(yīng)性免疫機(jī)制,用以對(duì)抗入侵的病毒及外源DNA。CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù),則是對(duì)目的基因進(jìn)行特定的DNA修飾的技術(shù),該技術(shù)已應(yīng)用于細(xì)菌、真菌、斑馬魚(yú)以及人類細(xì)胞的基因編輯。

        在該技術(shù)中,一般是將CRISPR-Cas9技術(shù)與同源重組技術(shù)結(jié)合起來(lái),構(gòu)建含Cas9、sgRNA和Donor序列的重組載體,對(duì)目標(biāo)基因進(jìn)行有效準(zhǔn)確的編輯。當(dāng)然該技術(shù)也在不斷地被改進(jìn)優(yōu)化, Jiang等人在Cas9質(zhì)粒構(gòu)建時(shí)引入了Red重組系統(tǒng),供體DNA序列不需要克隆到載體上,而是直接與質(zhì)粒共轉(zhuǎn)化入宿主菌,使得該技術(shù)可以對(duì)多個(gè)基因同時(shí)進(jìn)行高效的敲除[14]。

        為了避免雙鏈斷裂DNA被同源修復(fù)后,gRNA/Cas9復(fù)合體對(duì)其重復(fù)切割,Wang等人采用了兩步法策略,第一步使用CRISPR/Cas9系統(tǒng)用20 bp人工序列替換了原始間隔序列,以避免gRNA/Cas9復(fù)合體的重復(fù)切割;第二步使用第二個(gè)gRNA識(shí)別引入的人工序列進(jìn)行基因突變,同時(shí)人工序列被還原為原始序列,從而只引入一個(gè)點(diǎn)突變,且不會(huì)改變PAM或不會(huì)在基因組中插入額外的沉默突變[20]。

        本研究在構(gòu)建質(zhì)粒時(shí)采用了Gibson等溫一步拼接法,該方法是目前最常用的新興克隆方法之一, 能在5′核酸外切酶、DNA聚合酶和DNA連接酶的協(xié)同作用下直接組裝多個(gè)重疊DNA分子,這種組裝方法可以無(wú)縫地構(gòu)建基因, 是一種有用的分子工程工具。

        本研究成功構(gòu)建了大腸桿菌tnaA基因CRISPR/Cas9敲除系統(tǒng),敲除效率75%。該系統(tǒng)將來(lái)也可應(yīng)用于大腸桿菌其他基因的敲除,為構(gòu)建L-色氨酸高產(chǎn)大腸桿菌提供有效的基因敲除工具。

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