Apresentado aqui é um método simples para criar uma biblioteca de inserção alta densidade transposon em Escherichia coli ou Shigella flexneri usando conjugação bacteriana. Este protocolo permite a criação de uma coleção de centenas de milhares de mutantes exclusivos nas bactérias através da inserção de genômica aleatória de um transposon.
Mutagênese Transposon é um método que permite a interrupção do gene através da inserção de genômica aleatória de um pedaço de DNA chamado um transposon. O protocolo abaixo descreve um método para transferência de alta eficiência entre cepas bacterianas de um plasmídeo abrigando um transposon contendo um marcador de resistência canamicina. O transposase transmitidas por plasmídeo é codificada por um gene variante tnp que insere o transposon o genoma da estirpe destinatário com viés insercional muito baixa. Este método permite, assim, a criação de grandes bibliotecas mutantes no qual transposões foram inseridos em posições genômicas exclusivas em um destinatário cepa de bactérias ou Escherichia coli ou Shigella flexneri . Por meio de conjugação bacteriana, ao contrário de outros métodos, como electroporation ou transformação química, grandes bibliotecas com centenas de milhares de clones exclusivos podem ser criadas. Isso resulta em bibliotecas de inserção de alta densidade, com inserções ocorrem como frequentemente como cada 4-6 pares de base em genes não essenciais. Este método é superior aos outros métodos, pois permite um método de baixo custo, fácil de usar e alta eficiência para a criação de uma biblioteca de inserção densa transposon. A biblioteca de transposon pode ser usada em aplicações a jusante como transposon sequenciamento (Tn-Seq), para inferir as redes de interação genética, ou mais simplesmente, mutacional (frente genética) telas.
A criação de bibliotecas de mutagénese transposon em bactérias é útil para uma grande variedade de aplicações, que vão desde as descobertas de genes de virulência de patógenos bacterianos1,2, para estudos de genes essenciais3, 4 , 5 , 6, para a identificação de interação genética redes7,8,9. Crítica para estes estudos é a capacidade de criar uma grande biblioteca de mutantes. O uso de transposões (curtos fragmentos de DNA que inserem aleatoriamente em um genoma) é um meio simples de perturbar a função do gene, como a inserção de um transposon dentro do frame de leitura aberto ou região reguladora de um gene frequentemente irá interromper a função ou a expressão do gene.
Descritas aqui, é um método para a criação de uma biblioteca de transposon em e. coli ou S. flexneri por conjugação bacteriana usando o plasmídeo pJA110. Existem duas principais vantagens de usar este plasmídeo. A primeira vantagem é que a variante do transposase Tn10 expressado do plasmídeo pJA1 é inducible e tem baixa inserção viés11,12, significando que o transposon integrará aleatoriamente no genoma quando isopropílico Β-D-1-thiogalactopyranoside (IPTG) é adicionado para a mídia. O transposon contém um marcador de resistência de canamicina, permitindo a seleção de mutantes com as inserções de transposon para o cromossomo da estirpe destinatário. A segunda vantagem do plasmídeo pJA1 é que contém uma origem de replicação R6K do mutante. A R6K mutante origem de replicação requer o gene de pir lambda em ordem para a manutenção do plasmídeo13. Como o plasmídeo não pode replicar em pir – tensões, ele vai perder a tensão destinatário (Figura 1). Isso garante que o Tn10 transposase é removido da célula e não está mais ativo, reduzindo ainda mais as mutações após o evento inicial da transposição.
O uso de conjugação bacteriana para mover o plasmídeo pJA1 da estirpe dos doadores para a destinatário estirpe é vantajoso, por vários motivos. Conjugação é simples e barato para executar e não precisa de equipamentos especiais, como um electroporator. Além disso, a alta eficiência de conjugação bacteriana permite uma biblioteca muito grande (> 2 x 105 inserções exclusivas) para ser alcançado com apenas alguns mililitros (mL) de uma noite de cultura bacteriana6. O processo leva cerca de duas horas de tempo hands-on, juntamente com o tempo de incubação e crescimento das bactérias. Et al . Langridge 14 relatada realizar 130 electroporations para criar uma biblioteca de mutagénese transposon de tamanho semelhante ao descrito aqui8, que é conseguido com uma conjugação única. O uso de 130 electroporations requer trabalho intensivo e demorada preparação de células de electrocompetent e o uso de muitos materiais caros (por exemplo, cubetas de eletroporação), a um custo de mais de US $1.000 USD em consumíveis sozinhos. Outros estudos10 utilizaram métodos semelhantes, mas com diferentes estirpes de bactérias e alcançado distante menor biblioteca tamanhos (5 x 104 unidades de formação de Colônia) que relataram aqui.
Notas sobre a tensão do doador: A tensão de doador usada aqui é a cepa de Escherichia coli BW2076715 contendo o plasmídeo de transposon pJA116. BW20767 de tensão pode conjugar para outras tensões, procede à transferência do plasmídeo pJA1 altamente eficiente. Também, importante, BW20767 é lambda pir +. Como mencionado anteriormente, o plasmídeo pJA1 só é capaz de ser mantida em linhagens contendo o gene de pir lambda. Esta tensão é canamicina e resistente à ampicilina. O plasmídeo pJA1 contém marcador de resistência a ampicilina, e um marcador de resistência de canamicina está contido dentro o transposon. Esta variedade é cultivada com seleção sobre o plasmídeo usando ampicilina 100 µ g/ml. Também é interessante notar que outras estirpes abrigando constitutivamente expressa transposase genes são conhecidos por ser instável e enquanto o transposase usado aqui é sob inducible controle, ainda há um baixo risco de expressão gotejante. Por esta razão, sugere-se que a passagem desta estirpe deve ser minimizada e uma raia fresca deve ser tirada uma cultura congelada para cada nova preparação de biblioteca. A tensão de doador usada aqui é disponível a partir do nosso laboratório mediante pedido.
Notas sobre a tensão do destinatário: A cepa de destinatário pode ser uma variedade de escolha, como cepas de laboratório K12-derivado de e. coli ou estirpes de S.flexneri (Veja também, a discussão). A estirpe de destinatário deve ter um marcador de resistência aos antibióticos adicionais que não é resistência de canamicina, para que a tensão do doador pode ser selecionada contra. Para o tipo de destinatário, uma estirpe de MG1655 de e. coli é usada aqui com uma mutação introduziu o ácido nalidíxico espontânea. O mutante espontâneo ácido nalidíxico foi selecionado pelo chapeamento 2 ml da cultura durante a noite em 200 alíquotas µ l em placas contendo ácido nalidíxico 30 µ g/ml. Um único clone de MG1655 foi selecionado que era resistente ao ácido nalidíxico, tornar-se o destinatário estirpe. Além disso, a tensão do destinatário deve ser lambda pir negativo, conforme descrito acima.
Visão geral: Uma vez que a conjugação bacteriana foi realizada e o plasmídeo pJA1 mudou-se da estirpe dos doadores para a cepa de destinatário, a adição de IPTG à mídia irá induzir a expressão do gene do tnp , que está sob o controle de IPTG-inducible lacIq/Ptac promotor (Figura 1). O gene do tnp na pJA1 é uma transposase mutante que tem uma baixa frequência de inserção em pontos quentes6,10,11. A adição e indução com IPTG, o transposon é ativado e aleatoriamente inserido no genoma. O plasmídeo não pode ser mantido na estirpe de pir-destinatário do lambda e é perdido.
O protocolo descrito aqui permite a construção de uma biblioteca de inserção densa. Este método permite a criação de uma biblioteca de transposon com mais de 2 x 105 mutantes de transposon exclusivo usando abaixo dos 5 mL de cultura volume6. Isso é relativamente fácil de executar, utiliza reagentes disponíveis nos laboratórios de microbiologia mais básicos, é escalável e requer pouco em termos de equipamento caro ou consumíveis como cubetas de eletroporação.
Um benefício significativo deste método é que, em teoria, o usuário tem ampla latitude na escolha de cepas de destinatário entérobactérienne. Este papel, assim como outros11, usar Escherichia coli como uma estirpe do destinatário, no entanto o plasmídeo pJA1 tem sido usado com sucesso com outras espécies de destinatário entérobactérienne como Shigella flexneri6 e Salmonella typhi sorovar Typhimurium estirpe SL134410. Teoricamente, a origem de replicação (oriR6Kγ) em pJA1 do γ permite este plasmídeo a ser mantida em um anfitrião ampla gama19, permitindo que o destinatário estirpe é pir +. Recentemente, têm sido descritos novos métodos que permitem a construção do pir + em uma variedade de cepas entérobactérienne20, dando flexibilidade adicional. Além disso, a região de300 pares de base máfia desde o plasmídeo RP4 em pJA1 permite a transferência conjugativo deste plasmídeo para uma ampla gama de gram negativo estirpes bacterianas19. Simplificando, esse método poderia teoricamente ser usado com uma variedade de cepas do destinatários, enquanto várias condições: a tensão é pir+ e é marcado com uma resistência aos antibióticos, além de canamicina e diferente da estirpe de doador.
Um passo crítico no protocolo encontra-se em estimar o número adequado de células para fora da placa na etapa 4.1. Se colônias são espaçadas muito de perto, eles competem por nutrientes no prato e menos aptos mutantes são outcompeted. Isso pode levar a uma redução do número total de mutantes. Como alternativa, se colônias são espaçadas muito muito distante, haverá muito poucas colônias na placa e o número total de placas de ágar, necessários para a realização de uma grande biblioteca torna-se onerosa. Portanto, alcançar o equilíbrio em termos de números de colônia por placa é importante.
É importante executar os controles listados no protocolo para garantir que os passos estão funcionando conforme descrito. Nomeadamente, quando usando ácido nalidíxico como uma Counter-seleção contra a estirpe do doador, é importante assegurar que as placas de controle negativo doador estão livres das colônias. Isso ocorre porque pode haver uma taxa baixa (aproximadamente 1 x 10-10)21 de resistência espontânea ao ácido nalidíxico, gerando falsos positivos. Normalmente, a taxa de conjugação e transposição é aproximadamente 2 x 10-4 19. Portanto, a taxa de conjugação e transposição é várias ordens de magnitude maiores que a taxa de resistência espontânea ao ácido nalidíxico. Portanto, a taxa de falsos positivos em comparação com eventos de transposição de verdade é muito baixa e considerado negligenciável quando o protocolo está funcionando. No entanto, se as taxas de conjugação ou transposição são significativamente reduzidas, (de baixa eficiência de acasalamento e/ou falta de indução do gene transposase com IPTG) e o protocolo é dimensionado compensar isto, então o número de falsos positivos (clones que Não tenho o transposon inserido) também pode aumentar.
Algumas modificações podem ser feitas para tempos de incubação em 3.2 etapas e 3.10. Etapa de 3,2 Estados que conjugação deve ocorrer para 6 h, mas em nossa experiência, passo este tempo pode ser variado (isto é, 4-7 h) sem alterar os resultados significativamente. Além disso, na etapa 3.10, o comprimento de tempo que as colônias são incubadas sobre as placas de ágar também pode ser ajustado. Isto pode ser variado dependendo a média dobrando a taxa de crescimento ou tempo da estirpe destinatário. Além disso, em nossa experiência, 18 h produziu uma variedade de tamanhos de colônia, indicando uma biblioteca da aptidão diversa. No entanto, colônias com aptidão bastante reduzida podem levar mais tempo a crescer e, portanto, podem não ser visíveis após 18 h. Se esse método está sendo usado para encontrar clones de fitness extremamente reduzida, tempos de incubação mais longos e menos colônias na placa para reduzir a aglomeração (i.e., 48 h, 50-300 colônias) podem ser utilizadas.
Armadilhas adicionais deste método incluem o que não é possível usar uma cepa de destinatário que já é resistente a canamicina. É possível trocar o marcador de resistência de canamicina no plasmídeo pJA1 para um marcador selecionável alternativo, tais como a resistência de cloranfenicol para superar este obstáculo. Também pode ser interessante notar que, em teoria, é possível usar uma cepa de destinatário que é resistente à ampicilina, como o pJA1 o plasmídeo contendo o marcador de resistência a ampicilina é perdido logo após a transposição.
A criação de uma biblioteca de transposon densa no fundo genético de escolha é potencialmente vantajosa para muitas aplicações a jusante. Por exemplo, uma biblioteca de transposon densa pode ser usada para identificar os mutantes auxotróficos usando réplica chapeamento22 ou para identificar os mutantes que estão com defeito no estabelecimento de uma infecção1,2. Mais recentemente, como custos de sequenciamento de DNA caíram e tornaram-se novas tecnologias como a sequenciação de próxima geração comum, bibliotecas de transposon têm sido utilizadas com profundo sequenciamento de DNA para ganhar a introspecção em essencialidade do gene, função do gene e genética interações. Alguns desses métodos são revistos em 23 e incluem métodos, tais como sequenciamento de local de inserção do transposon-dirigido (TraDIS), sequenciamento de transposon (Tn-seq), inserção alta produtividade monitorando pelo sequenciamento profundo (HITS) e sequenciamento de inserção ( INSeq). Todos esses métodos a jusante dependem a construção de bibliotecas de inserção densa transposon. Enquanto outros vetores podem precisar de ser usado por determinados métodos a jusante, o protocolo descrito aqui fornece uma visão geral dos pontos mais salientes processuais a seguir.
The authors have nothing to disclose.
Agradeço-o laboratório de Igreja de George pelo amável presente o plasmídeo pJA1. Agradeço Fabienne Hamburger e Alex Boehm do laboratório Jenal Urs no Biozentrum em Basileia para ajuda com conjugação bacteriana e para fornecer a tensão de BW20767. Agradeço também Olin Silander edições úteis. Financiamento para esta pesquisa foi fornecido pelos fundos da Universidade de Massey, na Nova Zelândia e a iniciativa Suíça em biologia de sistemas (projeto “Batalha X” atribuído ao Dirk Bumann) na Universidade de Basileia, Suíça.
0.45 micron nitrocellulose filters (sterile) | Millipore | HAWP02500 | Alternatively blotting paper can be used (listed below) |
Blotting paper cut into ~ 1 inch circles, then autoclave/sterilized in foil. There is no difference in efficiency between the nitrocellulose filters or blotting paper | GE life Sciences: product Grade 3MM Chr Blotting Paper, sheet, 46 × 57 cm | 3030-917 | Alternatively nitrocellose filters can be used (listed above) |
Metal Forceps, sterile | VWR/Global Science New Zealand | MURRE009/01 | |
Petri dishes, sterile, 90 mm diameter, 68 mL volume, 12.5 mL working volume. | Interlab New Zealand | 2303-1090 | |
Sterile glass spreaders | VWR/Global Science New Zealand | NZNZSPREADER | Alternatively sterile glass beads can be used for spreading culture onto plates (listed below) |
Sterile glass beads | VWR/Global Science New Zealand | HERE1080603 | Alternatively a sterile glass spreader can be used for spreading culture onto plates (listed above) |
Nalidixic acid (optional) | GoldBio.com | N-015-250 | |
Ampicillin sodium salt BioChemica | VWR/Global Science New Zealand | APLIA0839.0025 | prepare according to manufacturer recommendation |
Kanamycin sulfate BioChemica | VWR/Global Science New Zealand | APLIA1493.0010 | |
IPTG (Isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside) | Thermofisher New Zealand | FMTR0393 | |
Difco Agar granulated | Fort Richard Laboratries/Interlab New Zealand | 214530 | |
Luria Broth Base (Miller's LB Broth Base) | Thermofisher | 12795-084 | |
Glycerol bidistilled 99,5 % | VWR/Global Science New Zealand | VWRC24388.320 | |
15 ml polypropelene sterile conical vials | VWR/Global Science New Zealand | CORN430791 | |
Microcentrifuge tubes, flat cap, 1.7ml, Ultra-clear PP, graduated, autoclavable and freezable | VWR/Global Science New Zealand | AXYGMCT-175-C | |
50ml Centrifuge tubes, Falcon, PP, conical, printed graduation, with flat screw caps, sterile | VWR/Global Science New Zealand | BDAA352070 | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Equipment | |||
Incubator at 37C | |||
Autoclave for sterilizing media |