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白色念珠菌的高效基因组工程是了解治疗方法的发病机制和发展的关键。在这里, 我们描述了一个协议, 以快速和准确地编辑白色念珠菌基因组使用 crispr. 该协议允许调查人员引入各种各样的基因修饰, 包括点突变、插入和删除。
该方法描述了对二倍体人类真菌病原体白色念珠菌的有效的 crispr 介导的基因组编辑。crispr 介导的白色念珠菌基因组编辑需要 cas9、指导 rna 和修复模板。表达酵母密码子优化 cas9 (casas9) 的质粒已经产生。将直接从 pam 站点 (ngg) 上游的引导序列克隆到 cas9 表达向量中。然后通过引物延伸在体外进行修复模板。修复模板和载体的转化为白色念珠菌导致基因组编辑。根据所使用的修复模板, 调查人员可以引入核苷酸的变化、插入或删除。由于白色念珠菌是二倍体, 突变是在基因的两个等位基因中做出的, 前提是 a 和 b 等位基因不携带干扰指南靶向或修复模板整合的 snps。如果所有家庭成员中都存在适当的保守序列, 则可以并行编辑多基因家族。所描述的白色白色crispr 系统是由 frt 站点和编码翻转。诱导翻转酶后, 抗生素标记 (casas9) 和引导 rna 将从基因组中删除。这使得调查员能够对基因组进行后续编辑。白色念珠菌crispr 是一种强大的真菌基因工程工具, 对所述协议稍作修改, 可以修改其他真菌物种, 包括刺五加、n. castellii 和酿酒酵母。
白色念珠菌是最流行的人类真菌病原体1,2,3。了解白色念珠菌和哺乳动物分子生物学之间的差异对于下一代抗真菌疗法的发展至关重要。这就要求调查人员能够快速、准确地对白色念珠菌进行基因操作。
对白色念珠菌的基因操纵历来具有挑战性。白色念珠菌不维持质粒, 因此所有的结构都必须纳入基因组。此外,白色念珠菌是二倍体;因此, 当淘汰基因或引入突变时, 重要的是要确保这两个副本都已更改 4.此外, 一些白色念珠菌位点是杂合的, 进一步复杂化的基因审讯5。对基因操纵白色念珠菌来说, 通常进行多轮同源重组6。然而, 基因组的二倍体性质和艰苦的结构发展使这一过程成为一个潜在的繁琐过程, 特别是在需要进行多次改变的情况下。这些局限性和白色念珠菌的医学重要性要求开发新技术, 使调查人员能够更容易地操纵白色念珠菌基因组。
聚集定期间隔的短回文重复 (crispr) 介导的基因组编辑是一个强大的工具, 使研究人员能够改变基因组的序列。crispr 需要三个组成部分: 1) 分离目标 dna 的 cas9 核子, 2) 20个以 cas9 为目标的引导 rna, 修复修复裂解部位并纳入预期变化7的模板 dna, 8。一旦指南将 cas9 带到目标基因组序列, cas9 就需要一个基接的相邻主题 (pam) 序列 (ngg) 直接在导引序列的上游来切割 dna 9。对20个基本导轨和 pam 序列的要求提供了高度的目标特异性和限制目标裂解。
crispr 系统的设计是为了编辑各种生物的基因组, 并解决各种各样的问题10。这里描述的是一个灵活, 高效的 crispr 协议编辑一个感兴趣的白色念珠菌基因。该实验将停止密码子引入到一个基因中, 导致翻译终止。根据引入的修复模板, 可以进行其他编辑。一个片段标记为滋养细胞素 (natr) 含有酵母密码优化 cas9 (casas9) 和指南 rna 被纳入白色念珠菌基因组在一个中立的位置。通过同源重组和高效的基因组编辑, 与修复模板编码所需的突变的协变导致裂解修复。下面描述的是 tpk2的编辑, 但所有的白色念珠菌开放阅读框架可以被目标多次由 crispr。crispr 系统是由 frt 位点的侧翼, 可以通过诱导编码在 cas9 表达质粒上的飞酶从白色念珠菌基因组中去除。白色念珠菌crispr 系统使调查人员能够准确、快速地编辑白色念珠菌基因组 11,12。
1. 导引 rna 序列的识别和克隆
2. 维修模板的设计与生成
3.白色念珠菌的修复模板和质粒转化
4. 单一殖民地的流
5. 群体 pcr
6. 限制消化菌落 pcr
7. 保存应变
8. 删除 natr 标记
根据上述建议的指导原则, 设计了针对 c-amp 激酶催化亚基 c. 白色念珠菌tpk2的导 rna 序列和修复模板。序列如下所示 (表 1,图 1)。将导引 rna 克隆到 cacas9 表达向量中, 并与野生白色念珠菌修复模板进行转换。生态ri 限制消化位点和停止修复模板中的密码子会破坏 pam 站点, 并便于筛选正确的突变体 (图 1)。在单个菌落中, 对转化物进行条纹处理, 并通过菌落 pcr 和限制性消化进行筛选, 以纳入修复模板(图 2)。限制消化快速区分野生类型和突变序列。
寡核苷酸名称 | 寡核苷酸序列 |
前进指南 Primer_3 | atttggggagatatttttccg |
反向导轨 Primer_3 | aaaacggaattaagtcacc |
修复模板 Forward_3 | tagcaatatcacaatcacaatttacaacgcaccaacttttaagattc ggcga |
修复模板 Reverse_3 | attttgccagttttgtggaggggtatttccc gattttta ataaag |
正向检查底漆 | 塔亚加阿卡特卡卡卡加格 |
反向检查底漆 | 阿克泰塔卡塔塔塔卡特 |
测序底漆 | ggacagctgaacttcccc |
表 1: 用于本研究的寡核苷酸清单.为克隆目的添加的网站在指南引物序列中大写和加粗。修复模板中变异基因组 dna 的序列被大写和螺栓化。
图 1: 导 rna 和修复模板设计示意图.(a)在 tpk2的前100个核苷酸中标记所有 pam 序列。pam 序列 3 (PAM_3) 突出显示, 因为这是本研究中使用的序列。(b) 使用 PAM_3 指导 rna 设计。使用 snapgene 设计的20个基本引物分别是小写和蓝色。克隆所需的其他碱基为大写和绿色显示的偏移量。(c) 将插入 taa 停止密码子和生态ri 站点的修复模板引物插入tpk2阅读框架。与野生类型序列不同的 dna 是红色和大写的。(d) 如何利用 PAM_4 设计 dna 阳性链的指南的例子。(e) pv1524 的原理图后克隆的指南 rna 和消化与 kpni 和 saci。neut5l-5 ' 和 neut5l-3 ' 将载体瞄准白色念珠菌基因组中的 neut5l 位点。caeno1p是驱动酵母优化的cacas9表达式的促进剂。natr是抗营养的抗氟菊酯盒。casnr52p 是促进驱动引导 rna 的表达 (sgrna)。frt 位点通过翻转 (flp) 在翻转表达时去除 crispr 盒式磁带进行切割和重组。vyas等人发表了一个类似于 (e) 的示意图。11.请点击此处查看此图的较大版本.
图 2: 介绍和确认一个停止密码子和生态 ri限制网站到 tpk2.表 1列出了用于放大的引物。枯萎病和突变序列显示在凝胶下方。vyas 等人对这一数字作了修改。请点击这里查看此图的较大版本.
图 3: 将生成 (a) 删除和 (b) 插入的修复模板的卡通说明.(a) 中的灰色破折号表示修复模板引物中不存在的中间序列。请点击这里查看此图的较大版本.
白色念珠菌crispr 有效地编辑了白色念珠菌基因组。pv1524 对酵母代码优化 cas9 进行编码, 设计使研究人员可以轻松克隆casnr52启动子下游的引导 rna 序列 (图 1)11。必须确保通过测序将指南序列的一个副本克隆到 cass9 表达载体中, 因为额外的副本将阻碍基因组编辑。如果一致地引入了多个导轨副本, 则应降低结扎时使用的退火导轨的浓度。所描述的载体和协议允许针对任何白色念珠菌基因。虽然白色念珠菌是二倍体, 但只需要一个单一的转变就能针对基因的两个等位基因。此外, crispr-cas9 基因组编辑的过程特性使研究人员能够针对基因家族的多个成员。许多基因家族, 如分泌的阿斯巴基蛋白酶 (saps) 和凝集素样序列蛋白 (als) 对白色念珠菌的毒力很重要。crispr 基因组编辑将有助于对这些基因家族的调查。
上面描述的协议将停止密码子引入到开放的读取帧中, 从而导致表型等价于 null (图 2)。通过改变修复模板, 可以进行各种各样的基因交替。通过使用适当的修复模板进行重组, 可以插入无义、误解和无声突变。纳入一个限制站点可以简化变压器筛选, 因为那些没有的变压器必须通过排序12,13进行筛选。此外,白色念珠菌crispr 使研究人员能够生成插入和删除, 使其成为插入关联标记、执行启动式交换和生成敲除的理想系统 (图 3)。筛选这些突变的正确转化器更加费力, 因为有必要对编辑进行排序, 以确认修复模板的正确合并。此外, 南方印迹可能是必要的, 以确保没有在基因组的其他位置插入更多的基因副本。ngg pam 站点的要求对可针对的基因组区域稍有限制。开发使用替代核酸酶 (如 cpf1 或 cas9 系统的变化) 的替代 crispr 系统将缓解其中许多限制14。据调查人员目前所知, 这些系统尚未应用于白色念珠菌。
上述协议中描述的 crispr 系统已经发展到可以应用于各种各样的物种, 包括酿酒酵母、纳穆苏蒂马山和人类病原体念珠菌11.这些酵母的转化和有效编辑需要对描述的协议稍作修改, 但编辑这些交替基因组的框架与白色念珠菌12所述的框架非常相似。此外, 酵母为开发基因组编辑程序提供了一个极好的机制。在酵母中,当 ade2发生突变时, 腺嘌呤生物合成途径的前体积累, 使细胞变红。这种易于观察的表型使研究人员能够识别编辑的细胞, 并快速排除基因组编辑协议的故障。结合广泛的分子生物学工具箱可用于真菌, 编辑许多酵母品种的协议已经开发了15,16。如此广泛地应用基因组编辑技术在真菌中, 有可能对各种科学学科产生重大影响。
crispr 大大提高了白色念珠菌基因组工程的效率, 但迄今为止, crispr 尚未被用于在白色念珠菌中进行基因组宽屏幕。目前的协议需要一个修复模板来引入突变, 因为白色念珠菌的非同源端接途径效率低下 12.为每个基因生成修复模板寡核苷酸是执行全基因组屏幕的一个重要障碍。dna 合成成本的降低与 crispr 技术的进步相结合, 将使删除库的开发更加可行。例如, 来自 casas9 载体的修复模板的表达为针对每个基因11的可持续质粒库的发展铺平了道路。此外, 不需要 casas9 表达载体的瞬态念珠菌 crispr 协议已经开发出 17。此外, 增加的指导表达提高了基因组编辑效率18。这些以及 crispr 技术的其他进步对于在白色念珠菌19、20、21、22 中开发全基因组屏幕至关重要。
白色念珠菌基因组是二倍体, 但 a 和 b 等位基因并不总是相同的5。这种杂合性既带来了挑战, 也带来了机遇。如果我们的目标是同时针对两个等位基因, 则必须使用 pam 站点、引导序列和修复模板, 这些模板将作用于基因的两个副本。然而, 根据基因中存在的单个核苷酸多态性, c.白色 crispr 系统使研究人员能够瞄准单个等位基因。这种精确性有可能使调查人员能够检查等位基因之间的功能差异。由于已观察到等位基因或整个染色体的杂合性 (loh) 丢失, 因此必须仔细确定特定等位基因的目标。在编辑单个白色念珠菌等位基因时, 必须检查相邻的 dna 序列, 以确定克隆是否保持了二倍体 snp 特征。此外,白色念珠菌 crispr 的非目标效应相当低, 但可以考虑关键菌株的全基因组测序。
作者没有什么可透露的。
作者感谢吉尼弗·马格博士对手稿的阅读和有益的评论。这项工作得到了球州立大学实验室启动资金和 nih-1r15a130950-01 至 d. a. b. 的支持。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Chemicals | |||
Agar | BD Bacto | 214010 | |
agarose | amresco | 0710-500G | |
Ampicillan | Sigma-Aldrich | A9518 | |
Bacto Peptone | BD Bacto | 211677 | |
Bsmb1 | New England Biolabs | R0580L | |
Calf intestinal phosphatase (CIP) | New England Biolabs | M0290L | |
Cut Smart Buffer | New England Biolabs | B7204S | |
Dimethyl Sulfoxide (DMSO) | Sigma-Aldrich | D8418 | |
dNTPs | New England Biolabs | N0447L | |
Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Sigma-Aldrich | 3609 | |
Glacial Acetic Acid | Sigma-Aldrich | 2810000ACS | |
Glucose | BDH VWR analytical | BDH9230 | |
Glycerol | Sigma-Aldrich | 49767 | |
Kpn1 | New England Biolabs | R3142L | |
LB-Medium | MP | 3002-032 | |
Lithium Acetate | Sigma-Aldrich | 517992 | |
L-Tryptophan | Sigma-Aldrich | T0254 | |
Maltose | Sigma-Aldrich | M5885 | |
Molecular Biology Water | Sigma-Aldrich | W4502 | |
NEB3.1 Buffer | New England Biolabs | B7203S | |
Nourseothricin | Werner Bioagents | 74667 | |
Poly(ethylene glycol) PEG 3350 | Sigma-Aldrich | P4338 | |
Sac1 | New England Biolabs | R3156L | |
Salmon Sperm DNA | Invitrogen | AM9680 | |
T4 Polynucleotide kinase | New England Biolabs | M0201S | |
T4 DNA ligase | New England Biolabs | M0202L | |
Taq polymerase | New England Biolabs | M0267X | |
Tris HCl | Sigma-Aldrich | T3253 | |
uridine | Sigma-Aldrich | U3750 | |
Yeast Extract | BD Bacto | 212750 | |
Equipment | |||
Electrophoresis Appartus | |||
Incubator | |||
Microcentifuge | |||
PCR machine | |||
Replica Plating Apparatus | |||
Rollerdrum or shaker | |||
Spectrophotometer | |||
Waterbath |
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