指向進化方法で<em&gt;サッカロマイセス・セレビシエ</em&gt;：変異体ライブラリーの作成およびスクリーニング

要約

We present a detailed protocol to construct and screen mutant libraries for directed evolution campaigns in Saccharomyces cerevisiae.

要約

生物工学的適用のための酵素を設計する際、サッカロマイセス・セレビシエにおける指向進化は、 生体内での高頻度の相同DNA組換えに結合された、突然変異体ライブラリーの構築、クローニングおよび発現を含むプロセスを多くの魅力的な利点を提供しています。ここでは、その総活性を高めるために、真菌のアリールアルコールオキシダーゼ（AAO）の例に基づいて酵母に変異ライブラリを作成し、画面ためのプロトコルを提示します。 2つのタンパク質セグメントは、ランダム突然変異誘発によっておよびin vivo DNA組換えに焦点を当てた、指向性進化に供しました。各セグメントに隣接〜50塩基対のオーバーハングは、完全な自己複製プラスミドを生じさせる線状化ベクターでAAO-融合遺伝子の正しい再組み立てを可能にしました。機能性AAO変種で強化された変異体のライブラリーは、Sでスクリーニングしましたフェントン反応に基づいて敏感なハイスループットアッセイとセレビシエ上清。の一般的なプロセスS.でライブラリー構築セレビシエは、余分なPCR反応を、 インビトロでの DNA組換え及びライゲーション手順を回避する、ここに記載さ容易に多くの他の真核生物の遺伝子を進化させるために適用することができます。

概要

監督分子進化は、酵素^1、2を設計するため、堅牢な高速かつ信頼性の高い方法である。ランダム変異、組換えおよびスクリーニングの反復ラウンドを通じて、酵素の改良されたバージョンは、非天然で、小説の反応で、新しい基板に作用を生成することができます環境は、さらに新たな代謝目標^3-5を達成するために、細胞を支援します。指向性進化に使用されたホストのうち、ビール酵母サッカロマイセス・セレビシエは、原核生物のカウンターパート^6,7でそうでなければ利用できない複雑な真核生物タンパク質の機能発現のためのソリューションのレパートリーを提供しています。

細胞生物学研究で徹底的用い、この小さな真核生物のモデルは、指向進化⁸によって酵素を設計するための重要な特徴であるその全ての翻訳後修飾、操作および形質転換効率の容易さの点で多くの利点を有します。また、高周波S.における相同DNA組換えのその効率的なプルーフリーディング装置に結合されたセレビシエは、複雑な人工的な経路^9-12への単一の酵素とは ​​異なるシステムの進化を促進する、 生体内でのライブラリの作成 ​​および遺伝子アセンブリのための可能性の広い配列を開きます。私たちの研究室では、酵母における異なるリグニナーゼの分子進化（天然木の崩壊の際にリグニンの分解に関与する酸化還元酵素^）13-14のためのツールと戦略を設計する過去十年間を費やしてきました。この通信では、我々は準備するための詳細なプロトコルとS.の画面変異体ライブラリーを提示します、簡単に他の多くの酵素に変換することができます-モデルflavooxidase、 -アリール-アルコールオキシダーゼ（AAO ^15）のためセレビシエ 。酵母細胞装置^16、によって支援：（相同in vivo でグループ化することによって、変異原性組織再結合過程モーフィング）プロトコルは、集束指向進化の方法を含みます培養液¹⁷中に分泌AAO活性を検出するために、フェントン反応に基づいて、ダ非常に敏感なスクリーニングアッセイ。

プロトコル

1.変異体ライブラリーの構築

1. 選択領域は、利用できる結晶構造または相同性モデル¹⁸に基づいて計算アルゴリズムの助けを借りて、モーフィングに供されます。
   1. ここでは、ランダム突然変異誘発および組み換え（メット[α1] -Val109、Phe392-Gln566）、高忠実度PCRによる遺伝子（844塩基対）の残りの部分を増幅しながら（ 図1）のためのエリンギからAAOの2つの領域をターゲットにしています。
      注：いくつかのセグメントは独立に、または組み合わせた方法¹⁶にモーフィングによって研究することができます。
2. 突然変異誘発PCRによって標的領域を増幅します。定義された領域のPCR反応を重畳することにより、セグメント間の領域（約50塩基対ずつ）のオーバーラップを作成します。
   1. DNAテンプレート（0.92 ngの/μl）を含む50μlの最終容量中の標的セグメントの変異原性PCRを準備し、90 nMのオリゴセンス（セグメントM-IIのためのセグメントMIとAAO-BP用RMLN）、90 nMのAntisenseプライマー（セグメントM-IIのためのセグメントMIとRMLCためのAAO-92C）、0.3mMのdNTP類（0.075 mMの各）、3％（v / v）ジメチルスルホキシド（DMSO）、1.5のMgCl _2、0.05ミリモルのMnCl ₂および0.05 U /μlのTaq DNA ポリメラーゼ 。プライマー配列は、図1に詳述されています。
   2. 以下のPCRプログラムを使用してください：2分（1サイクル）、95℃を。 45秒、45秒、50℃、45秒間74℃（28サイクル）95℃、そして10分（1サイクル）74°C。
3. 超高忠実度ポリメラーゼで非変異領域を増幅し、変異原性セグメントおよび/または線状化ベクターのオーバーハングを重ね、対応する領域を含みます。
   1. 含む50μlの最終容量で反応混合物を準備します。DNA鋳型（0.2 ngの/μl）を、250 nMのオリゴセンスHFF、250 nMのオリゴアンチセンスHFR、0.8mMのdNTP類（0.2 mMの各）を、3％（v / v）ジメチルスルホキシド（DMSO）およびDNAポリメラーゼではiProof 0.02 U /μlの。プライマー配列は、中に詳述されています<強い>図1。
   2. 以下のPCRプログラムを使用してください：30秒（1サイクル）98℃を。 10秒間、98℃、55℃45秒（28サイクル）のための25秒、72℃;そして10分（1サイクル）72℃。
      注：43 bpの（プラスミド-M1領域）の1.2と1.3の重なりに記載された条件では、 46塩基対（M1地域-HF領域）。 47塩基対（HF地域-M2領域）および61塩基対（M2 region-プラスミド）は酵母においてインビボスプライシングに有利になるように（ 図1）に設計されています。
   3. 製造業者のプロトコルに従って、商業用ゲル抽出キットを用いて、すべてのPCR断片（変異原性および非変異）を精製します。
4. 約50塩基対のフランキング領域は、標的遺伝子の5 '末端および3'末端に相同であるが作成されるように、ベクターを線状化。
   1. 2μgのDNA、7.5 U のBam HI、7.5 U のXhoI、バッファBaの 20μgのBSAおよび2μLを含む線形化反応混合物を準備します20μlの最終容量中メートルHI 10倍。
   2. 2時間40分間37℃で反応混合物をインキュベートします。その後、80℃で20分間不活性化を進めます。
5. 残留環状プラスミド（ 図2）の混入を避けるために、アガロースゲル抽出により線状化ベクターを精製します。
   1. 同様に隣接するだけでなく、レポーターで反応混合物のアリコート（5μl）を：セミ分取低融点アガロースゲル（V 0.75％、ワット）のメガウェルに消化反応ミックスをロードします。
   2. ランDNA電気泳動（電極間の5 V / cmで、4ᵒC）とは、メガウェルに対応したアガロースゲルを分離し、1×TAE中4ᵒCでそれを保存します。
   3. 分子量ラダーと記者とのレーンを染色。 UV光の下でバンドを可視化。ニック線状化ベクターの場所の位置。
      注：精製線形化ベクターの品質がcritiであるよう酵母で成功組換えおよびアセンブリのための校正係数、セミ分取のDNA電気泳動用ゲル染色を避けます。ゲル抽出用染料およびUV照射の使用は、 インビボ組換えの効率を損なう、DNAベクターの安定性に影響を及ぼし得ます。毒性EtBrを染料の代わりに、ゲルレッドおよびSYBR染料は、一般に、ゲル染色のために使用されます。
   4. それを単離することができるように、UV光の不存在下で、染色されたレポーターレーンにニックのガイダンスを使用して、メガウェル断片で線状化ベクターを識別する。
   5. アガロースから線状化ベクターを抽出し、製造業者のプロトコルに従って、商業用ゲル抽出キットを用いて、それを精製します。
      注：抗生物質や栄養要求性マーカーと使用高コピーエピソームシャトルベクター：この例では、酵母GAL1プロモーターの制御下で、ウラシル独立し、アンピシリン耐性pJRoC30ベクトルを採用。
6. 等モルマイルを準備PCR断片の固定装置および2で線状化ベクターと混ぜる：線状化プラスミドの無未満100 ngので、1の比（等モルのライブラリ/オープンベクトルのテスト異なる比率は、良好な変換収率を達成するために）。
   1. それらの濃度および純度を決定するために、260 nmおよび280 nmでのPCRフラグメントの吸光度および線状化ベクターを測定します。
7. 商業酵母形質転換キットを用いてDNA混合物で酵母コンピテント細胞を形質転換製造業者の指示に従って（供給するための表を参照のこと ）。
   1. ここでは、欠損およびURA3プロテアーゼを使用^-依存S.セレビシエ株、BJ5465。 （下記参照）スクリーニング時に内部標準として親の環状ベクターで細胞を形質転換します。また、PCR断片の不存在下で線状化ベクターを形質転換することにより、背景をチェックしてください。
      注：最初の低分泌レベルを検出する場合には、Sを使用しBJ5465のようなセレビシエプロテアーゼ欠損株は、培養上清中の活性タンパク質の蓄積を促進します。標的酵素は、高グリコシルを受ける場合は、グリコシル化欠損株（小さ ​​いマンノースオリゴマーを装着することができるだけである例えば、ΔのKRE2）の使用が適切なオプションである可能性があります。
8. プレートは、SCドロップアウトプレート上の細胞を形質転換し、3日間30℃でそれらをインキュベートします。プレート（ウラシルを補充したSCドロップアウトプレート上）URA3 ^- S.スクリーニングのための陰性対照として、プラスミドを欠くセレビシエ細胞（下記参照）。

スクリーニングアッセイ2.ハイスループット（図3）

1. ピペットロボットの助けを借りて、ウェルあたり50μlの最少培地で（2,000クローンのライブラリーを分析するために23プレート）を滅菌96ウェルプレートの適切な数を埋めます。
2. プレートアウトSC-dropから個々のコロニーを選択し、96ウェルプレートに転送。
   1. S. ^-各プレートには、URA3でH1内部標準と同様に親のタイプと列番号6に接種陰性対照としてプラスミドなしでセレビシエ細胞（SC培地にウラシルを補いました）。
      注意：まあH1はウラシルを補充し、ドロップアウトメディアと特異的に充填されています。ウェル細胞を含まない培地を含むブランクもまた、追加の無菌対照として調製することができます。
3. 彼らのふたでプレートをカバーし、パラフィルムでラップ。 30°C、湿度の高いシェーカーで225rpmで、80％の相対湿度で48時間プレートをインキュベートします。
4. パラフィルムを外し、分注ロボットの助けを借りて、各ウェルに発現培地160μlを添加、プレートを再密封し、さらに24時間のためにそれらをインキュベートします。
   注：他の場所で¹⁹報告されているように最小培地および発現培地を調製します。分泌レベルは、T、およびそれに応じて研究中の遺伝子に応じて変えることができます彼インキュベーション時間は、すべてのウェルにおける細胞増殖を同期させるために、それぞれの場合に最適化されなければなりません。
5. 4℃で10分間、2,800×gで遠心分離プレート（マスタープレート）。
6. 転送ロボットマルチステーションを処理液を用いてレプリカプレートにマスタープレート中のウェルから20μlの上清。
   一般的に酵母中での異種発現のために使用されるシグナルペプチドによって標的タンパク質の天然のシグナルペプチドを交換することをお勧めし酵素の分泌を有利にする（ 例えば、α因子プレプロリーダー、SからK ₁キラートキシンの指導者注： セレビシエ 、または両方のペプチド^13）のさえキメラバージョン。代替的に、天然のシグナルペプチドは、排他的に、酵母での分泌のために進化することができます。
7. ピペッティングロボットの助けを借りて、100 mMリン酸ナトリウム緩衝液pH6.0中の2mM のp -methoxybenzylalcohol20μlのを追加します。 96私たちと簡単にプレートをかき混ぜますLLプレートミキサー、室温で30分間、それらをインキュベートします。
8. _{2（SO 4）2、100μM}キシレノールオレンジ、250μMのFe（NH _4）：ウェル中のFOX混合物の最終濃度（分注ロボットでは、それぞれのレプリカプレートにFOX試薬の160μlを添加し、ミキサーで簡単にかき混ぜますおよび25mM H ₂ SO _4）。
   1. このような有機共溶媒（DMSO、エタノール、メタノール）またはソルビトール¹⁷としての感度を向上させる試薬には、いくつかの添加剤を加えます。ここでは、100 mMの（ 図4）の最終濃度になるようにソルビトールを添加することにより反応を増幅します。
9. プレートリーダーで560 nmでプレート（エンドポイントモード、T _0）を読みます。
10. 色が発症するまで室温でプレートをインキュベートし、再び（トン_1）吸収を測定します。
    1. インキュベーション後のABS値との差から相対活性を計算し、最初の測定のそれはパレに正規化各プレートについてNTALタイプ（Δtの₁ -トン_0）。
11. 偽陽性を排除するために、2つの連続した​​再上映に最高の変異ヒットを施します。
    注：典型的には、再上映プラスミド¹⁹を新鮮な酵母細胞の形質転換に続いて、大腸菌における酵母、増幅および精製からのプラスミドの単離を含みます。選択された各クローンはpentaplicateで再スクリーニングされます。

結果

PからAAO エリンギは、リグニンを攻撃開始するために、H ₂ O ₂との真菌のペルオキシダーゼを供給する外flavooxidaseです。 AAOの2つのセグメントがその活性およびSにおけるその発現を高めるためにモーフィングにより集束指向性進化に供しましたセレビシエ ^19。 S.によって抱い外国酵素のにかかわらずセレビ?...

ディスカッション

この記事では、我々はSに指向進化により酵素を設計するために我々の研究室で使用されるヒントやトリックのほとんどをまとめていますセレビシエ （例としてAAOを使用して）、彼らは単にここに記載の一般的な方法に従って、多くの他の真核生物の酵素系との使用に適合させることができるようになっています。

ライブラリの作成 ​​の面では、モーフ?...

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
1. Culture media
Ampicillin sodium salt	Sigma-Aldrich	A0166	CAS Nº 69-52-3 M.W. 371.39
Bacto Agar	Difco	214010
Cloramphenicol	Sigma-Aldrich	C0378	CAS Nº 56-75-7 M.W. 323.13
D-(+)-Galactose	Sigma-Aldrich	G0750	CAS Nº 59-23-4 M.W. 180.16
D-(+)-Glucose	Sigma-Aldrich	G5767	CAS Nº 50-99-7 M.W. 180.16
D-(+)-Raffinose pentahydrate	Sigma-Aldrich	83400	CAS Nº 17629-30-0 M.W. 594.51
Peptone	Difco	211677
Potassium phosphate monobasic	Sigma-Aldrich	P0662	CAS Nº 7778-77-0 M.W. 136.09
Uracil	Sigma Aldrich	U1128
Yeast Extract	Difco	212750
Yeast Nitrogen Base without Amino Acids	Difco	291940
Yeast Synthetic Drop-out Medium Supplements without uracil	Sigma-Aldrich	Y1501
Name	Company	Catalog Number	Comments
2. PCR Reactions
dNTP Mix	Agilent genomics	200415-51	25 mM each
iProof High-Fidelity DNA polymerase	Bio-rad	172-5301
Manganese(II) chloride tetrahydrate	Sigma-Aldrich	M8054	CAS Nº 13446-34-9 M.W. 197.91
Taq DNA Polymerase	Sigma-Aldrich	D4545	For error prone PCR
Name	Company	Catalog Number	Comments
3. Plasmid linearization
BamHI restriction enzyme	New England Biolabs	R0136S
Bovine Serum Albumin	New England Biolabs	B9001S
XhoI restriction enzyme	New England Biolabs	R0146S
Not I restriction enzyme	New England Biolabs	R0189S
Gel Red	Biotium	41003	For staining DNA
Name	Company	Catalog Number	Comments
4. FOX assays
Ammonium iron(II) sulfate hexahydrate	Sigma-Aldrich	F3754	CAS Nº 7783-85-9 M.W. 392.14
Anysil Alcohol	Sigma Aldrich	W209902	CAS Nº 105-13-5 M.W. 138.16
D-Sorbitol	Sigma-Aldrich	S1876	CAS Nº 50-70-4 M.W. 182.17
Hydrogen peroxide 30%	Merck Millipore	1072090250	FOX standard curve
Xylenol Orange disodium salt	Sigma-Aldrich	52097	CAS Nº 1611-35-4 M.W. 716.62
Name	Company	Catalog Number	Comments
5. Agarose gel stuff
Agarose	Norgen	28035	CAS Nº 9012-36-6
Gel Red	Biotium	41003	DNA analysis dye
GeneRuler 1kb Ladder	Thermo Scientific	SM0311	DNA M.W. standard
Loading Dye 6x	Thermo Scientific	R0611
Low-melting temperature agarose	Bio-rad	161-3112	CAS Nº 39346-81-1
Name	Company	Catalog Number	Comments
6. Kits and cells
S. cerevisiae strain BJ5465	LGC Promochem	ATTC 208289	Protease deficient strain with genotype: MATα ura3-52 trp1 leu2-delta1 his3-delta200 pep4::HIS3 prb1-delta1.6R can1 GAL
E. coli XL2-Blue competent cells	Agilent genomics	200150	For plasmid purification and amplification
NucleoSpin Gel and PCR Clean-up Kit	Macherey-Nagel	740,609,250	DNA gel extraction
NucleoSpin Plasmid Kit	Macherey-Nagel	740,588,250	Column miniprep Kit
Yeast Transformation Kit	Sigma-Aldrich	YEAST1-1KT	Included DNA carrier (Salmon testes)
Zymoprep yeast plasmid miniprep I	Zymo research	D2001	Plasmid extraction from yeast
Name	Company	Catalog Number	Comments
7. Plates
96-well plates	Greiner Bio-One	655101	Clear, non-sterile, polystyrene (for activity measurements)
96-well plates	Greiner Bio-One	655161	Clear, sterile, polystyrene (for microfermentations)
96-well plate lid	Greiner Bio-One	656171	Clear, sterile, polystyrene (for microfermentations)