Presentado aquí es un método simple para crear una biblioteca de inserción del transposón alta densidad en Escherichia coli o Shigella flexneri mediante Conjugación bacteriana. Este protocolo permite la creación de una colección de cientos de miles de mutantes únicos en bacterias por la inserción genómica al azar de un transposón.
Mutagénesis de Transposon es un método que permite la interrupción del gene a través de la inserción genómica al azar de un pedazo de ADN llamado un transposon. El protocolo a continuación describe un método para la transferencia de alta eficiencia entre cepas bacterianas de un plásmido que un transposón que contiene un marcador de resistencia a kanamicina. La transposasa transmitidas por plásmidos es codificada por un gen variante PNT que inserta el transposón en el genoma de la cepa receptora con muy bajo sesgo de insertional. Este método permite así la creación de grandes bibliotecas mutantes que transposons se han insertado en posiciones genómicos únicos en una cepa receptora de bacterias o Escherichia coli o Shigella flexneri . Mediante el uso de la conjugación bacteriana, en comparación con otros métodos como la electroporación o transformación química, se pueden crear grandes bibliotecas con centenares de miles de clones únicos. Esto produce las bibliotecas inserción alta densidad con inserciones que ocurren tan frecuentemente como cada 4-6 pares de genes no esenciales. Este método es superior a otros métodos ya que permite un método barato, fácil de usar y de alta eficiencia para la creación de una biblioteca de inserción del transposón denso. La biblioteca de transposon puede utilizarse en aplicaciones posteriores como transposon secuencia (Tn-Seq), para inferir redes de interacción genética, o más simplemente, en mutacional (adelante genético) pantallas.
La creación de bibliotecas de transposon mutagénesis en bacterias es útil para una amplia variedad de aplicaciones, que van desde el descubrimientos de genes de virulencia en patógenos bacterianos1,2, a los estudios de genes esenciales3, 4 , 5 , 6, a la identificación de la interacción genética de redes7,8,9. Crítica a estos estudios es la posibilidad de crear una gran biblioteca de mutantes. El uso de transposones (fragmentos cortos de ADN que se inserta al azar en un genoma) es un medio simple de interrumpir las funciones de los genes, como la inserción de un transposón dentro del marco de lectura abierto o región reguladora de un gen a menudo interrumpirá la función o expresión del gen.
Se describe aquí es un método para la creación de una biblioteca de transposon en e. coli o S. flexneri por conjugación bacteriana utilizando el plásmido pJA110. Hay dos ventajas principales a usar este plásmido. La primera ventaja es que la variante de la transposasa Tn10 expresada desde el plásmido pJA1 es inducible y tiene inserción baja diagonal11,12, lo que significa que el transposon se integrará al azar en el genoma cuando isopropílico Β-D-1-tiogalactopiranósido (IPTG) es añadido a los medios de comunicación. El transposón contiene un marcador de resistencia a kanamicina, permitiendo la selección de mutantes con las inserciones de transposones en el cromosoma de la cepa receptora. La segunda ventaja del plásmido pJA1 es que contiene un origen mutante R6K de replicación. El origen mutante R6K de replicación requiere el gen de la pir de lambda en orden para el mantenimiento del plásmido13. Como el plásmido no se puede replicar en pir – cepas, se perderá en la cepa receptora (figura 1). Esto asegura que Tn10 transposasa se saca de la celda y ya no está activa, reduciendo aún más las mutaciones después del evento de transposición inicial.
El uso de la conjugación bacteriana para pasar el plásmido pJA1 de la cepa donante a la cepa receptora es ventajoso por varias razones. Conjugación es simple y barata de realizar y no necesita equipo especial como un electroporator. Además, la alta eficiencia de conjugación bacteriana permite una biblioteca muy grande (> 2 x 105 inserciones únicas) que se alcanzará con unos pocos mililitros (mL) del cultivo bacteriano durante la noche6. El proceso toma alrededor de dos horas de tiempo práctico junto con tiempo para la incubación y crecimiento de las bacterias. Langridge et al. 14 registrados realizar 130 electroporations para crear una biblioteca de mutagénesis de transposon de un tamaño similar a la descrita aquí8, que se consigue con una sola conjugación. El uso de 130 electroporations requiere mano de obra intensiva y desperdiciador de tiempo preparación de células de espectro y el uso de muchos materiales costosos (por ejemplo, cubetas de electroporación), a un costo de más de $1,000 USD en solo consumibles. Otros estudios10 han utilizado métodos similares, pero con diferentes cepas bacterianas y alcanzado ahora biblioteca pequeños (5 x 104 unidades formadoras de colonias) que informó aquí.
Notas sobre la cepa donante: el donante utilizado aquí es la cepa de e. coli BW2076715 que contiene el pJA1 transposon plásmido16. BW20767 cepa puede conjugado a otras cepas, haciendo la transferencia del plásmido pJA1 altamente eficiente. También, sobre todo, BW20767 es lambda pir +. Como se mencionó anteriormente, el plásmido pJA1 sólo es capaz de mantenerse en las cepas que contienen el gen de la pir de lambda. Esta variedad es kanamicina y ampicilina resistente. El plásmido pJA1 contiene el marcador de resistencia a ampicilina y un marcador de resistencia a kanamicina está dentro de los transposones. Esta variedad se cultiva con la selección en el plásmido con ampicilina a 100 μg/mL. Es también vale la pena destacar que otras cepas que constitutivamente expresado transposasa genes son conocidos por ser inestable y mientras la transposasa utilizado aquí es bajo inducible de control, existe un riesgo bajo de expresión agujereado. Por esta razón, se sugiere que debe reducirse al mínimo el paso de esta variedad y una racha fresca debe tomarse de una cultura congelada para cada preparación de biblioteca nueva. La cepa donante utilizada aquí está disponible en nuestro laboratorio a petición.
Notas sobre la cepa receptora: la cepa receptora puede ser una variedad de elección, como las cepas de laboratorio derivado de K12 de e. coli o cepas de S.flexneri (también, vea discusión). La cepa receptora debe tener un marcador de resistencia antibiótica adicional que no es resistencia a la kanamicina, para que la cepa donante puede ser seleccionada contra. Para la cepa receptora, una cepa de e. coli MG1655 se utiliza aquí con una mutación espontánea introdujo el ácido nalidíxico. Mutante espontánea ácido nalidíxico fue seleccionado por la galjanoplastia 2 ml de la cultura durante la noche en 200 partes alícuotas μL en placas que contienen el ácido nalidixico 30 μg/ml. Una sola copia de MG1655 fue seleccionada que era resistente al ácido nalidíxico para convertirse en la cepa receptora. Además, la cepa receptora debe ser lambda pir negativo, como se describe anteriormente.
Resumen: Una vez que la conjugación bacteriana ha producido y el plásmido pJA1 ha pasado de la cepa donante a la cepa receptora, la adición de IPTG a los medios de comunicación inducen la expresión del gene del tnp , que está bajo control de IPTG-inducible Ptac de lacIq promotor (figura 1). El gen del PNT en pJA1 es una transposasa mutante que tiene una menor frecuencia de inserción en puntos calientes6,10,11. Incorporación e inducción con IPTG, el transposón es activado e inserta al azar en el genoma. El plásmido no se puede mantener en la cepa de pir-receptor de lambda y se pierde.
El protocolo aquí descrito permite la construcción de una biblioteca de inserción denso. Este método permite la creación de una biblioteca de transposon con mutantes de transposon único de5 más 2 x 10 bajo usando 5 mL de cultivo volumen6. Es relativamente fácil de realizar, utiliza reactivos disponibles en los laboratorios de Microbiología más básicos, es escalable y requiere poco en el camino de costosos equipos o consumibles como cubetas de electroporación.
Un beneficio importante de este método es que, en teoría, el usuario tiene amplia libertad en la elección de cepas receptoras enterobacterianas. Este papel, así como otros11, utilizar e. coli como una cepa receptora, sin embargo el plásmido pJA1 se ha utilizado con éxito con otras especies destinatarios enterobacterianas como Shigella flexneri6 y enterica de las salmonelas serovar Typhimurium SL134410la tensión. En teoría, el origen γ de la replicación (oriR6Kγ) en pJA1 permite este plásmido en una sede amplia gama19, permitiendo que la cepa receptora es pir +. Recientemente, se han descrito nuevos métodos que permitan la construcción de la pir + en una variedad de cepas enterobacterianas20, dando mayor flexibilidad. Además, la región de300 pares mob del plásmido PI4 en pJA1 permite a transferencia conjugativa de este plásmido a una amplia gama de gram negativos cepas bacterianas19. En pocas palabras, este método podría teóricamente utilizarse con una variedad de cepas receptoras, siempre y cuando se cumplan varias condiciones: la tensión es pir+ y está marcado con una resistencia a los antibióticos distintos de kanamicina y distintos de la cepa donante.
Un paso crítico en el protocolo se encuentra en la estimación de la cantidad correcta de las células de la placa hacia fuera en el paso 4.1. Si las colonias se espacian demasiado de cerca, compiten por los nutrientes en el plato y menos ajuste mutantes son competencia. Esto puede conducir a una reducción en el número total de mutantes. Alternativamente, si las colonias se espacian demasiado lejos aparte, habrá muy pocas colonias en la placa, y el número total de placas de agar necesarios para conseguir una gran biblioteca se convierte en oneroso. Por lo tanto, es importante lograr el equilibrio adecuado en términos de número de colonias por placa.
Es importante realizar los controles enumerados en el protocolo para asegurar que los pasos están trabajando como se describe. En particular, cuando se utiliza ácido nalidíxico como una selección contra contra la cepa de donantes, es importante asegurar que las placas de control de donantes negativos están libres de las colonias. Esto es porque puede haber una tasa baja (aproximadamente 1 x 10-10)21 de espontánea resistencia a ácido nalidíxico, falsos positivos de rendimiento. Por lo general, la tasa de conjugación y transposición es aproximadamente 2 x 10-4 19. Por lo tanto, la tasa de conjugación y transposición es varios órdenes de magnitud mayores que la tasa de la espontánea resistencia a ácido nalidíxico. Por lo tanto, la tasa de falsos positivos en comparación a los eventos de transposición verdadera es muy baja y se considera insignificante cuando está trabajando el protocolo. Sin embargo, si las tasas de conjugación o transposición se reducen significativamente, (de baja eficiencia de acoplamiento y ausencia de inducción del gen de la transposasa con IPTG) y el protocolo es escalar compensar esto, entonces el número de positivos falsos (clones que tiene el transposón insertado) también puede aumentar.
Algunas modificaciones pueden hacerse a los tiempos de incubación en pasos 3.2 y 3.10. Paso 3,2 Estados que verbal debe ocurrir durante 6 h, pero en nuestra experiencia, este paso del tiempo puede ser variado (es decir, 4-7 h) sin cambiar significativamente los resultados. Además, en el paso 3.10, la duración de que las colonias se incuban en las placas de agar también es regulable. Esto puede variar dependiendo el medio de duplicar tasa de crecimiento o tiempo de la cepa receptora. Además, en nuestra experiencia, 18 h produjo una variedad de tamaños de la Colonia, indicando una biblioteca de fitness diversos. Sin embargo, las colonias con aptitud grandemente reducida pueden tomar más tiempo para crecer y así pueden no ser visibles después de 18 h. Si se utiliza este método para encontrar clones de aptitud muy reducida, tiempos de incubación más largos y menos colonias en la placa para reducir hacinamiento (es decir, 48 h, 50-300 colonias) pueden usarse.
Riesgos adicionales de este método son que no es posible utilizar una cepa receptora que ya es resistente a la kanamicina. Es posible cambiar el marcador de resistencia a kanamicina en el plásmido pJA1 para un marcador seleccionable alternativo, tales como resistencia a cloranfenicol para superar este obstáculo. También es importante destacar que, en teoría, es posible utilizar una cepa receptora que es resistente a la ampicilina, como el pJA1 plásmido que contiene el marcador de resistencia a ampicilina se pierde poco después de la transposición.
La creación de una biblioteca de transposon denso en el fondo genético de la opción es potencialmente ventajosa para muchos usos aguas abajo. Por ejemplo, una biblioteca de transposon densa podría utilizarse para identificar a mutantes auxotrófica usando réplica galjanoplastia22 o para identificar a mutantes que son defectuosas en el establecimiento de una infección1,2. Más recientemente, se han reducido los costes de secuenciación de ADN y nuevas tecnologías como la siguiente secuencia de generación se han convertido en comunes, bibliotecas de transposon se han utilizado con profunda secuenciación del ADN para profundizar en la esencialidad del gen, función del gene y genética interacciones. Algunos de estos métodos se revisan en 23 e incluyen métodos tales como secuenciación del sitio de inserción dirigida de transposon (TraDIS), secuencia de transposones (Tn-seq), inserción de alto rendimiento de seguimiento por secuenciación profunda (HITS) y la secuencia de inserción ( INSeq). Todos estos métodos aguas abajo dependen de la construcción de bibliotecas de inserción del transposón denso. Mientras que otros vectores deba utilizarse para determinados métodos aguas abajo, el protocolo descrito aquí da un resumen de los puntos salientes de procedimiento a seguir.
The authors have nothing to disclose.
Doy gracias al laboratorio de la iglesia de George el regalo bueno del plásmido pJA1. Agradezco a Fabienne hamburguesa y Alex Boehm del laboratorio Jenal Urs en el Biozentrum de Basilea para ayuda con Conjugación bacteriana y para proporcionar la tensión de BW20767. También agradezco Olin Silander ediciones útiles. Financiación para esta investigación fue proporcionada por los fondos de la Universidad de Massey en Nueva Zelanda y la iniciativa Suiza en biología de sistemas (proyecto “Batalla X” otorgado a Dirk Bumann) en la Universidad de Basilea, Suiza.
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 |