A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
אנו מציגים פרוטוקול עבור ההערכה התפקודית של ספריות mutagenesis רווי אתר יחיד המקיפות של חלבוני ניצול רצף תפוקה גבוהה. חשוב לציין, גישה זו משתמשת זוגות פריימר מאונכים לבצע ריבוב בניית רצף ספרייה. תוצאות נציג באמצעות TEM-1 β-lactamase שנבחר במינון רלוונטי קליני של אמפיצילין מסופקות.
Site-directed mutagenesis has long been used as a method to interrogate protein structure, function and evolution. Recent advances in massively-parallel sequencing technology have opened up the possibility of assessing the functional or fitness effects of large numbers of mutations simultaneously. Here, we present a protocol for experimentally determining the effects of all possible single amino acid mutations in a protein of interest utilizing high-throughput sequencing technology, using the 263 amino acid antibiotic resistance enzyme TEM-1 β-lactamase as an example. In this approach, a whole-protein saturation mutagenesis library is constructed by site-directed mutagenic PCR, randomizing each position individually to all possible amino acids. The library is then transformed into bacteria, and selected for the ability to confer resistance to β-lactam antibiotics. The fitness effect of each mutation is then determined by deep sequencing of the library before and after selection. Importantly, this protocol introduces methods which maximize sequencing read depth and permit the simultaneous selection of the entire mutation library, by mixing adjacent positions into groups of length accommodated by high-throughput sequencing read length and utilizing orthogonal primers to barcode each group. Representative results using this protocol are provided by assessing the fitness effects of all single amino acid mutations in TEM-1 at a clinically relevant dosage of ampicillin. The method should be easily extendable to other proteins for which a high-throughput selection assay is in place.
Mutagenesis הועסק ארוך במעבדה כדי ללמוד את המאפיינים של מערכות ביולוגיות האבולוציה שלהם, ועל מנת לייצר חלבונים או אורגניזמים מוטנטים עם פונקציות משופרות או רומן. בעוד גישות מוקדם הסתמכו על שיטות אשר מייצרים מוטציות אקראיות באורגניזמים, הופעתו של טכנולוגיית ה- DNA רקומביננטי אפשרה לחוקרים להציג שינויים בחר DNA באופן אתר ספציפי, כלומר., 1,2 mutagenesis באתר ביים. בעזרת טכניקות נוכחיות, בדרך כלל באמצעות oligonucleotides מוטגנים ב תגובת שרשרת פולימראז (PCR), הוא יחסית קליל ליצור ולהעריך מספר קטן של מוטציות (למשל., מוטציות נקודתיות) בגן מסוים 3,4. זה הרבה יותר קשה אולם כאשר גישות המטרה, למשל, יצירה וההערכה של כל האתר היחיד האפשרי (או מסדר גבוה) מוטציות.
בעוד הרבה כבר למדו מן המחקרים המוקדמים מנסה להעריך במספרים גדולים של מ 'utations בגנים, הטכניקות המשמשות היו לעתים קרובות מייגעות, למשל המחייב את הערכה של כל מוטציה באמצעות מדכא שטויות עצמאי זני 5-7, או היו מוגבלים ביכולת הכמותית שלהם בשל עומק הרצף הנמוך של סנגר רצף 8. הטכניקות בשימוש במחקרים אלה כבר החליפו במידה רבה על ידי שיטות ניצול טכנולוגית רצף תפוקה גבוהה 9-12. גישות פשוטות מושגית אלה כרוכים יצירת ספרייה הכוללת מספר רב של מוטציות, משעבדת את הספרייה למסך או מבחר לתפקוד, ולאחר מכן-רצף עמוק (כלומר., בסדר גודל של> 10 6 רצף כניסות) הספרייה שהושגה לפני לאחר הבחירה. בדרך זו, את ההשפעות פנוטיפי או התאמה של מספר רב של מוטציות, ייצגו כשינוי בתדירות אוכלוסייה של כל מוטציה, ניתן להעריך בו זמנית ועוד כמותית.
בעבר הצגנו פתי(. כלומר, ספריות mutagenesis הרוויה כולה חלבון) הגישה le להערכת ספריות של כל המוטציות חומצה אמינית אחת אפשרית חלבונים, החלים על גנים עם אורך זמן רב יותר מאשר רצף לקרוא אורך 11,13: ראשית, כל עמדה חומצות אמיניות הוא אקראי על ידי אתר מכוון PCR מוטגנים. במהלך תהליך זה, גן מחולק קבוצות המורכבות עמדות רציפות באורך כולל לאכלס ידי פלטפורמת הרצף. מוצרי PCR מוטגנים לכל קבוצה מצורפים יחד, וכל קבוצה נתונה עצמאי בחירת רצף תפוקה גבוהה. על ידי שמירה על התכתבות בין המיקום של מוטציות ברצף והאורך לקריאת הרצף, גישה זו יש את היתרון של עומק רצף למקסם: בעוד אחד יכול פשוט רצף ספריות כאלה בחלונות קצרים ללא פיצול לקבוצות (למשל, על ידי רובה רגיל. גישת רצף), רוב הקורא המתקבל יהיה סוג-פרא ולכן מajority של תפוקת רצף המבוזבזת (למשל, עבור ספריית mutagenesis רווי כולה חלבון של חלבון חומצת אמינו 500 רצף ב 100 חומצות אמיניות (300 חלונות נ"ב), לכל הפחות 80% של הקורא יהיה רצף wild-type).
כאן, פרוטוקול מוצג אשר מנצל רצף תפוקה גבוהה עבור ההערכה התפקודית של ספריות mutagenesis רווי כולה חלבון, בגישה לעיל (המתואר באיור 1). חשוב לציין, אנחנו מציגים את השימוש של פריימרים מאונכים בתהליך שיבוט הספרייה ברקוד כל קבוצת רצף, אשר מאפשרת להם להיות מרובבות לתוך ספרייה אחד, נתון בו זמנית כדי הקרנה או בחירה, ולאחר מכן דה-מרובב על רצף עמוק. מאחר שקבוצות הרצף אינן חשופות בחירה באופן עצמאי, זה מפחית את עומס העבודה ומבטיח שכל מוטציה חווה את אותה רמת בחירה. TEM-1 β-lactamase, אנזים אשר מקנה עמידות גבוהה ברמהβ-לקטם אנטיביוטיקה (למשל., אמפיצילין) בחיידקים משמשת כמערכת מודל 14-16. פרוטוקול מתואר להערכת ספריית mutagenesis רווי כולה החלבון של TEM-1 ב E. coli תחת בחירה ברמה בסרום משוערת עבור מנה קלינית של אמפיצילין (50 מיקרוגרם / מיליליטר) 17,18.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
הערה: ראה איור 1 עבור קווי המתאר של הפרוטוקול. צעדים ריאגנטים כמה בפרוטוקול דורשים אמצעי בטיחות (מסומנים עם "זהירות"). התייעץ גיליונות נתוני בטיחות חומרים לפני השימוש. כל צעדי הפרוטוקול מבוצעים ב RT אלא אם כן זה צביעה.
1. כן מדיה התרבות צלח
2. בניית-גן הפריטים בספריית mutagenesis רוויה
הערה: Primers; PCRs הושלמה, מעכל ו קשירת הגבלה; ניתן לאחסן דגימות DNA מטוהרים ב -20 ° C.
בחירת 3. ספריית mutagenesis רווית Whole-חלבון TEM-1 עבור עמידות לאנטיביוטיקה
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
מפת פלסמיד במשך חמשת פלסמידים pBR322 השונים המכילים אתרים יחולו אורתוגונלי (pBR322_OP1 - pBR322_OP5) מוצגת באיור 2 א. כדי לבדוק אם פריימרים המאונכים הם ספציפיים, PCRs בוצע באמצעות כל זוג פריימרים מאונך בנפרד, יחד עם כל חמשת פלסמידים pBR322_OP1-5, או עם כל פלסמידי?...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
הנה פרוטוקול מתואר לביצוע ההערכה התפקודית של ספריות mutagenesis רווי כולה חלבון, באמצעות טכנולוגיית ריצוף תפוקה גבוהה. היבט חשוב של השיטה הוא השימוש פריימרים מאונך במהלך תהליך השיבוט. בקצרה, כל עמדת חומצת אמינו היא אקראית על ידי מוטגנים PCR, ו מעורבת יחד לקבוצות של עמדות בש?...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
The authors declare they have no competing financial interests
R.R. acknowledges support from the National Institutes of Health (RO1EY018720-05), the Robert A. Welch Foundation (I-1366), and the Green Center for Systems Biology.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Typtone | Research Products Intl. Corp. | T60060-1000.0 | |
Yeast extract | Research Products Intl. Corp. | Y20020-500.0 | |
Sodium chloride | Fisher Scientific | BP358-212 | |
Potassium chloride | Sigma-Aldrich | P9333-500G | |
Magnesium sulfate | Sigma-Aldrich | M7506-500G | |
Agar | Fisher Scientific | BP1423-500 | |
Tetracycline hydrochloride | Sigma-Aldrich | T7660-5G | |
Petri plates | Corning | 351029 | |
MATLAB | Mathworks | http://www.mathworks.com/products/matlab/ | |
Oligonucleotide primers | Integrated DNA Technologies | https://www.idtdna.com/pages/products/dna-rna/custom-dna-oligos | 25 nmol scale, standard desalting |
pBR322_AvrII | available upon request | pBR322 plasmid modified to contain AvrII restriction site downstream of the TEM-1 gene | |
pBR322_OP1 – pBR322_OP5 | available upon request | five modified pBR322 plasmids each containing a pair of orthogonal priming sites | |
Q5 high-fidelity DNA polymerase | New England Biolabs | M0491L | includes 5x PCR buffer and PCR additive (GC enhancer) |
15 ml conical tube | Corning | 430025 | |
Multichannel pipettes (Eppendorf ResearchPlus) | Eppendorf | ||
PCR plate, 96 well | Fisher Scientific | 14230232 | |
96 well plate seal | Excel Scientific | F-96-100 | |
Veriti 96-well thermal cycler | Applied Biosystems | 4375786 | |
6x gel loading dye | New England Biolabs | B7024S | |
Agarose | Research Products Intl. Corp. | 20090-500.0 | |
Ethidium bromide | Bio-Rad | 161-0433 | |
UV transilluminator (FOTO/Analyst ImageTech) | Fotodyne Inc. | http://www.fotodyne.com/content/ImageTech_gel_documentation | |
EB buffer | Qiagen | 19086 | |
96-well black-walled, clear bottom assay plates | Corning | 3651 | |
Lambda phage DNA | New England Biolabs | N3011S | |
PicoGreen dsDNA reagent | Invitrogen | P7581 | dsDNA quantitation reagent, used in protocol step 2.2.4 |
Victor 3 V microplate reader | PerkinElmer | ||
DNA purification kit | Zymo Research | D4003 | |
Microcentrifuge tubes | Corning | 3621 | |
Long-wavelength UV illuminator | Fisher Scientific | FBUVLS-80 | |
Agarose gel DNA extraction buffer | Zymo Research | D4001-1-100 | |
AatII | New England Biolabs | R0117S | |
AvrII | New England Biolabs | R0174L | |
T4 DNA ligase | New England Biolabs | M0202S | |
EVB100 electrocompetent E. coli | Avidity | EVB100 | |
Electroporator (E. coli Pulser) | Bio-Rad | 1652102 | |
Electroporation cuvettes | Bio-Rad | 165-2089 | |
Spectrophotometer (Ultrospec 3100 pro) | Amersham Biosciences | 80211237 | |
50 ml conical tubes | Corning | 430828 | |
Plasmid purification kit | Macherey-Nagel | 740588.25 | |
8 well PCR strip tubes | Axygen | 321-10-551 | |
Qubit dsDNA HS assay kit | Invitrogen | Q32854 | dsDNA quantitation reagent |
Qubit assay tubes | Invitrogen | Q32856 | |
Qubit fluorometer | Invitrogen | Q32866 | |
Ampicillin sodium salt | Akron Biotechnology | 50824296 | |
MiSeq reagent kit v2 (500 cycles) | Illumina | MS-102-2003 | |
MiSeq desktop sequencer | Illumina | http://www.illumina.com/systems/miseq.html | alternatively, one could sequence on Illumina HiSeq platform |
FLASh software | John Hopkins University - open source | http://ccb.jhu.edu/software/FLASH/ | software to merge paired-end reads from next-generation sequencing data |
AatII_F | GATAATAATGGTTTCTTAGACG TCAGGTGGC | ||
AvrII_R | CTTCACCTAGGTCCTTTTAAAT TAAAAATGAAG | ||
AvrII_F | CTTCATTTTTAATTTAAAAGGA CCTAGGTGAAG | ||
AatII_OP1_R | ACCTGACGTCCGTATTTCAAC TGTCCGGTCTAAGAAACCATT ATTATCATGACATTAAC | ||
AatII_OP2_R | ACCTGACGTCCGCTCACGGA GTGTACTAATTAAGAAACCATT ATTATCATGACATTAAC | ||
AatII_OP3_R | ACCTGACGTCGTACGTCTGA ACTTGGGACTTAAGAAACCA TTATTATCATGACATTAAC | ||
AatII_OP4_R | ACCTGACGTCCCGTTCTCGAT ACCAAGTGATAAGAAACCATT ATTATCATGACATTAAC | ||
AatII_OP5_R | ACCTGACGTCGTCCGTCGGA GTAACAATCTTAAGAAACCAT TATTATCATGACATTAAC | ||
OP1_F | GACCGGACAGTTGAAATACG | ||
OP1_R | CGACGTACAGGACAATTTCC | ||
OP2_F | ATTAGTACACTCCGTGAGCG | ||
OP2_R | AGTATTAGGCGTCAAGGTCC | ||
OP3_F | AGTCCCAAGTTCAGACGTAC | ||
OP3_R | GAAAAGTCCCAATGAGTGCC | ||
OP4_F | TCACTTGGTATCGAGAACGG | ||
OP4_R | TATCACGGAAGGACTCAACG | ||
OP5_F | AGATTGTTACTCCGACGGAC | ||
OP5_R | TATAACAGGCTGCTGAGACC | ||
Group1_F | ACACTCTTTCCCTACACGAC GCTCTTCCGATCTNNNNNGC ATTTTGCCTACCGGTTTTTGC | ||
Group1_R | GTGACTGGAGTTCAGACGTG TGCTCTTCCGATCTNNNNNTC TTGCCCGGCGTCAAC | ||
Group2_F | ACACTCTTTCCCTACACGAC GCTCTTCCGATCTNNNNNGA ACGTTTTCCAATGATGAGCAC | ||
Group2_R | GTGACTGGAGTTCAGACGTG TGCTCTTCCGATCTNNNNNGT CCTCCGATCGTTGTCAGAAG | ||
Group3_F | ACACTCTTTCCCTACACGAC GCTCTTCCGATCTNNNNNAG TAAGAGAATTATGCAGTGCTGCC | ||
Group3_R | GTGACTGGAGTTCAGACGTG TGCTCTTCCGATCTNNNNNTC GCCAGTTAATAGTTTGCGC | ||
Group4_F | ACACTCTTTCCCTACACGAC GCTCTTCCGATCTNNNNNCC AAACGACGAGCGTGACAC | ||
Group4_R | GTGACTGGAGTTCAGACGTG TGCTCTTCCGATCTNNNNNGC AATGATACCGCGAGACCC | ||
Group5_F | ACACTCTTTCCCTACACGAC GCTCTTCCGATCTNNNNNCG GCTGGCTGGTTTATTGC | ||
Group5_R | GTGACTGGAGTTCAGACGTG TGCTCTTCCGATCTNNNNNTAT ATGAGTAAACTTGGTCTGACAG | ||
501_F | AATGATACGGCGACCACCGA GATCTACACTATAGCCTACAC TCTTTCCCTACACGAC | ||
502_F | AATGATACGGCGACCACCGA GATCTACACATAGAGGCACA CTCTTTCCCTACACGAC | ||
503_F | AATGATACGGCGACCACCGA GATCTACACCCTATCCTACAC TCTTTCCCTACACGAC | ||
504_F | AATGATACGGCGACCACCGA GATCTACACGGCTCTGAACA CTCTTTCCCTACACGAC | ||
505_F | AATGATACGGCGACCACCGA GATCTACACAGGCGAAGACA CTCTTTCCCTACACGAC | ||
701_R | CAAGCAGAAGACGGCATAC GAGATCGAGTAATGTGACTG GAGTTCAGACGTG | ||
702_R | CAAGCAGAAGACGGCATAC GAGATTCTCCGGAGTGACTG GAGTTCAGACGTG |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved