Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
Method Article
Способность бактериофага перемещать ДНК между бактериальными клетками делает их эффективными инструментами для генетических манипуляций с их бактериальными хозяевами. Здесь представлена методология индуцирования, восстановления и использования φBB-1, бактериофага Borrelia burgdorferi, для трансдукции гетерологичной ДНК между различными штаммами спирохеты болезни Лайма.
Введение чужеродной ДНК в спирохету Borrelia burgdorferi было почти исключительно осуществлено путем трансформации с использованием электропорации. Этот процесс имеет заметно более низкую эффективность спирохеты болезни Лайма по сравнению с другими, лучше охарактеризованными грамотрицательными бактериями. Скорость успеха трансформации в значительной степени зависит от наличия концентрированных количеств высококачественной ДНК из определенных фонов и подвержена значительной изменчивости от штамма к штамму. Альтернативные средства для введения чужеродной ДНК (т.е. челночных векторов, флуоресцентных репортеров и маркеров устойчивости к антибиотикам) в B. burgdorferi могут стать важным дополнением к арсеналу полезных инструментов для генетической манипуляции спирохетой болезни Лайма. Бактериофаги были хорошо известны как естественные механизмы движения ДНК среди бактерий в процессе, называемом трансдукцией. В этом исследовании был разработан метод использования вездесущего боррелиального фага φBB-1 для трансдукции ДНК между клетками B. burgdorferi как одного, так и разного генетического происхождения. Трансдуцированная ДНК включает в себя как боррелиальную ДНК, так и гетерологичную ДНК в виде небольших челночных векторов. Эта демонстрация предполагает потенциальное использование фаговой трансдукции в качестве дополнения к электропорации для генетических манипуляций со спирохетой болезни Лайма. В настоящем отчете описываются методы индукции и очистки фага φBB-1 от B. burgdorferi, использование этого фага в анализах трансдукции, а также отбор и скрининг потенциальных трансдуктантов.
Разработка инструментов для генетической манипуляции спирохетальной бактерией Borrelia burgdorferi добавила неизмеримую ценность пониманию природы болезни Лайма 1,2,3,4. B. burgdorferi имеет необычно сложный геном, состоящий из небольшой линейной хромосомы и как линейных, так и круговых плазмид 5,6. Спонтанная потеря плазмид, внутригенная перестройка (перемещение генов из одной плазмиды в другую в пределах одного организма) и горизонтальный перенос генов (HGT, движение ДНК между двумя организмами) привели к головокружительному количеству генетической гетерогенности среди B. burgdorferi (например, см. Schutzer et al.7). Полученные генотипы (или «штаммы») являются членами одного и того же вида, но имеют генетические различия, которые влияют на их способность передавать и заражать разных хозяев млекопитающих 8,9,10,11. В настоящем докладе термин «штамм» будет использоваться для обозначения B. burgdorferi с особым естественным генетическим фоном; термин «клон» будет использоваться для обозначения штамма, который был генетически модифицирован для определенной цели или в результате экспериментальных манипуляций.
Молекулярный набор инструментов, доступный для использования у B. burgdorferi, включает выбираемые маркеры, генные репортеры, векторы челноков, транспозонный мутагенез, индуцируемые промоторы и контризбираемые маркеры (для обзора см. Drektrah and Samuels12). Эффективное использование этих методологий требует искусственного введения гетерологичной (чужеродной) ДНК в интересующий штамм B. burgdorferi. У B. burgdorferi введение гетерологичной ДНК достигается почти исключительно с помощью электропорации, метода, который использует импульс электричества, чтобы сделать бактериальную мембрану временно проницаемой для небольших кусочков ДНК, введенных в среду1. Большинство клеток (по оценкам, ≥99,5%) погибают от пульса, но остальные клетки имеют высокую частоту удержания гетерологичной ДНК13. Хотя это считается одним из наиболее высокоэффективных методов введения ДНК в бактерии, частота электропорации в B. burgdorferi очень низкая (в пределах от 1 трансформанта в 5 × 104 до 5 × 106 клеток)13. Барьеры для достижения более высоких частот трансформации, по-видимому, являются как техническими, так и биологическими. Технические барьеры для успешной электропорации B. burgdorferi включают как необходимое количество ДНК (>10 мкг), так и требование к спирохетам находиться именно в правильной фазе роста (средняя бревна, от 2 × 107 клеток·мл−1 до 7 × 107 клеток·мл−1) при получении электрокомпетентных ячеек12,13. Однако эти технические барьеры может быть легче преодолеть, чем биологические барьеры.
Исследователи болезни Лайма признают, что клоны B. burgdorferi можно разделить на две широкие категории в отношении их способности к генетическому манипулированию13,14. Высокопроходимые, адаптированные к лабораторным исследованиям изоляты часто легко трансформируются, но обычно теряют плазмиды, необходимые для инфекционности, ведут себя физиологически аберрантно и не способны заражать хозяина млекопитающих или сохраняться в клещевом векторе12,13. Хотя эти клоны были полезны для препарирования молекулярной биологии спирохеты в лаборатории, они не имеют большой ценности для изучения спирохеты в биологическом контексте энзоотического цикла. С другой стороны, низкопроходимые инфекционные изоляты ведут себя физиологически, отражая инфекционное состояние, и могут завершать инфекционный цикл, но обычно непокорны к введению гетерологичной ДНК и, следовательно, трудно манипулировать для исследования12,13. Трудность преобразования изолятов низкого прохода связана, по меньшей мере, с двумя различными факторами: (i) изоляты низкого прохода часто плотно слипаются вместе, особенно в условиях высокой плотности, необходимых для электропорации, тем самым блокируя многие клетки либо от полного применения электрического заряда, либо от доступа к ДНК в среде13,15; и ii) B. burgdorferi кодирует по меньшей мере две различные плазмидные системы рестрикции-модификации (R-M), которые могут быть потеряны в изолятах с высоким проходом14,16. Системы R-M эволюционировали, чтобы позволить бактериям распознавать и устранять чужеродную ДНК17. Действительно, несколько исследований b. burgdorferi показали, что эффективность трансформации увеличивается, когда источником ДНК является B. burgdorferi, а не Escherichia coli13,16. К сожалению, приобретение необходимой высокой концентрации ДНК для электропорации у B. burgdorferi является дорогостоящей и трудоемкой перспективой. Другая потенциальная проблема при электропорации и выборе изолятов низкого прохода заключается в том, что процесс, по-видимому, благоприятствует трансформантам, которые потеряли критическую плазмиду, связанную с вирулентностью, lp25 14,18,19; таким образом, сам акт генетического манипулирования низкопроходными изолятами B. burgdorferi посредством электропорации может отбирать клоны, которые не подходят для биологически значимого анализа в энзоотическом цикле20. Учитывая эти проблемы, система, в которой гетерологичная ДНК может быть электротрансформирована в высокопроходные клоны B. burgdorferi, а затем перенесена в инфекционные изоляты низкого прохода методом, отличным от электропорации, может быть желанным дополнением к растущей коллекции молекулярных инструментов, доступных для использования в спирохете болезни Лайма.
Помимо трансформации (поглощения голой ДНК), существуют два других механизма, с помощью которых бактерии регулярно поглощают гетерологичную ДНК: конъюгация, которая представляет собой обмен ДНК между бактериями, находящимися в прямом физическом контакте друг с другом, и трансдукция, которая представляет собой обмен ДНК, опосредованный бактериофагом21. Действительно, способность бактериофага опосредуть HGT была использована в качестве экспериментального инструмента для препарирования молекулярных процессов в ряде бактериальных систем 22,23,24. B. burgdorferi от природы не компетентен для поглощения голой ДНК, и существует мало доказательств того, что B. burgdorferi кодирует аппарат, необходимый для успешного спряжения. Однако в предыдущих докладах описывалась идентификация и предварительная характеристика φBB-1, умеренного бактериофага B. burgdorferi 25,26,27,28. φBB-1 упаковывает семейство плазмид размером 30 кб, обнаруженных в B. burgdorferi25; члены этого семейства были обозначены cp32s. В соответствии с ролью φBB-1 в участии в HGT среди штаммов B. burgdorferi, Stevenson et al. сообщили об идентичном cp32, обнаруженном в двух штаммах с разрозненными cp32s, предполагая недавнее разделение этого cp32 между этими двумя штаммами, вероятно, через трансдукцию29. Есть также доказательства значительной рекомбинации через HGT среди cp32s в относительно стабильном геноме 30,31,32,33. Наконец, способность φBB-1 трансдуцировать как cp32s, так и гетерологичную челночную векторную ДНК между клетками одного и того же штамма и между клетками двух разных штаммов была продемонстрирована ранее27,28. Учитывая эти результаты, φBB-1 был предложен в качестве еще одного инструмента, который будет разработан для вскрытия молекулярной биологии B. burgdorferi.
Целью настоящего доклада является детализация метода индуцирования и очистки фага φBB-1 от B. burgdorferi, а также предоставление протокола для выполнения трансдукционного анализа между клонами B. burgdorferi и отбора и скрининга потенциальных трансдуктантов.
Все эксперименты с использованием рекомбинантной ДНК и организмов BSL-2 были рассмотрены и одобрены Институциональным комитетом по биобезопасности Университета Куиннипиак.
1. Подготовка культуры Б. бургдорфери для получения φBB-1
2. Определите плотность культуры (культур) B. burgdorferi (модифицированной от Samuels)15
3. Индукция фага Б. бургдорфери φBB-1
ПРИМЕЧАНИЕ: Стерилизуйте всю стеклянную и пластиковую посуду путем автоклавирования; стерилизуют все растворы путем автоклавирования или фильтрации через фильтр 0,22 мкМ. Приведенные ниже шаги представлены на основе объемов 15 мл, но метод масштабируется до меньших или больших объемов в зависимости от индивидуальных потребностей эксперимента.
4. Трансдукция во время кокультуры после воздействия на донора индуцирующего агента (Рисунок 1А)
ПРИМЕЧАНИЕ: Этот протокол может быть использован только в том случае, если фагопродуцирующий штамм (донор) имеет устойчивость к определенному антибиотику, а штамм, подлежащий трансдукции (реципиент), имеет устойчивость к другому антибиотику.
5. Осаждение полиэтиленгликоля (ПЭГ) для восстановления фага для использования в трансдукционном анализе
ПРИМЕЧАНИЕ: Этот протокол может быть использован в случаях, когда фагообразующий штамм (донор) имеет устойчивость к определенному антибиотику, а штамм, подлежащий трансдукции (реципиент), либо не имеет устойчивости к антибиотикам, либо устойчивости к другому антибиотику.
6. Анализ трансдукции после осаждения ПЭГ φBB-1 (Рисунок 1B)
7. Подбор трансдуктантов
ПРИМЕЧАНИЕ: Твердофазное покрытие потенциальных трансдуктантов выполняется с использованием однослойной модификации протокола, впервые описанного Сэмюэлсом15. Колонии B. burgdorferi растут внутри агара, поэтому для отбора трансдуктантов путем твердофазного покрытия образцы необходимо добавлять в среду во время заливки пластин. Альтернативный метод отбора трансформаторов методом разрежения в 96-луночных плитах также был описан ранее35. Этот метод также может быть эффективным для выбора трансдуктантов, но еще не был опробован для этой цели.
8. Проверка потенциальных трансдуктантов
ПРИМЕЧАНИЕ: Скрининг клонов, которые растут на пластинах в присутствии двух антибиотиков, чтобы убедиться, что они представляют истинные трансдуктанты в ожидаемом (реципиентном) фоне. Эти методы основаны на амплификации и потенциальном секвенировании определенных областей полимеразной цепной реакцией. Подробные протоколы и методы проведения ПЦР у B. burgdorferi описаны в другом месте (недавний пример см. в Seshu et al.37). Выберите праймеры, используемые для скрининга трансдуктантов, на основе используемых штаммов. Некоторые предложения относительно того, как подходить к скринингу трансдуктантов, описаны ниже.
Использование бактериофага для перемещения ДНК между более легко трансформируемыми штаммами B. burgdorferi или клонами, которые непокорны электротрансформации, представляет собой еще один инструмент для продолжения молекулярного исследования детерминант болезни Лайма. Трансдукцион...
Использование трансдукции может представлять собой один из методов преодоления, по меньшей мере, некоторых биологических и технических барьеров, связанных с электротрансформацией B. burgdorferi 1,4,13,37. Во многих сист?...
Автору нечего раскрывать.
Автор хотел бы поблагодарить Шону Рид, Д. Скотта Сэмюэлса и Патрика Секора за их полезную дискуссию и Вареона (Пэм) Чонвиравонга за их техническую помощь. Эта работа была поддержана Департаментом биомедицинских наук и исследовательскими грантами факультета Кристиану Х. Эггерсу из Школы наук о здоровье в Университете Куиннипиак.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1 L filter units (PES, 0.22 µm pore size) | Millipore Sigma | S2GPU10RE | |
12 mm x 75 mm tube (dual position cap) (polypropylene) | USA Scientific | 1450-0810 | holds 4 mL with low void volume (for induction) |
15 mL conical centrifuge tubes (polypropylene) | USA Scientific | 5618-8271 | |
1-methyl-3-nitroso-nitroguanidine (MNNG) | Millipore Sigma | CAUTION: potential carcinogen; no longer readily available, have not tested offered substitute | |
5.75" Pasteur Pipettes (cotton-plugged/borosilicate glass/non-sterile) | Thermo Fisher Scientific | 13-678-8A | autoclave prior to use |
50 mL conical centrifuge tubes (polypropylene) | USA Scientific | 1500-1211 | |
Absolute ethanol | |||
Agarose LE | Dot Scientific inc. | AGLE-500 | |
Bacto Neopeptone | Gibco | DF0119-17-9 | |
Bacto TC Yeastolate | Gibco | 255772 | |
Bovine serum albumin (serum replacement grade) | Gemini Bio-Products | 700-104P | |
Chloroform (for molecular biology) | Thermo Fisher Scientific | BP1145-1 | CAUTION: volatile organic; use only in a chemical fume hood |
CMRL-1066 w/o L-Glutamine (powder) | US Biological | C5900-01 | cell culture grade |
Erythromycin | Research Products International Corp | E57000-25.0 | |
Gentamicin reagent solution | Gibco | 15750-060 | |
Glucose (Dextrose Anhydrous) | Thermo Fisher Scientific | BP350-500 | |
HEPES | Thermo Fisher Scientific | BP310-500 | |
Kanamycin sulfate | Thermo Fisher Scientific | 25389-94-0 | |
Millex-GS (0.22 µM pore size) | Millipore Sigma | SLGSM33SS | to filter sterilize antibiotics and other small volume solutions |
Mitomycin C | Thermo Fisher Scientific | BP25312 | CAUTION: potential carcinogen; use only in a chemical fume hood |
N-acetyl-D-glucosamine | MP Biomedicals, LLC | 100068 | |
Oligonucleotides (primers for PCR) | IDT DNA | ||
OmniPrep (total genomic extraction kit) | G Biosciences | 786-136 | |
Petri Dish (100 mm × 15 mm) | Thermo Fisher Scientific | FB0875712 | |
Petroff-Hausser counting chamber | Hausser scientific | HS-3900 | |
Petroff-Hausser counting chamber cover glass | Hausser scientific | HS-5051 | |
Polyethylene glycol 8000 (PEG) | Thermo Fisher Scientific | BP233-1 | |
Rabbit serum non-sterile trace-hemolyzed young (NRS) | Pel-Freez Biologicals | 31119-3 | heat inactivate as per manufacturer's instructions |
Semi-micro UV transparent cuvettes | USA Scientific | 9750-9150 | |
Sodium bicarbonate | Thermo Fisher Scientific | BP328-500 | |
Sodium chloride | Thermo Fisher Scientific | BP358-1 | |
Sodium pyruvate | Millipore Sigma | P8674-25G | |
Spectronic Genesys 5 | Thermo Fisher Scientific | ||
Streptomycin sulfate solution | Millipore Sigma | S6501-50G | |
Trisodium citrate dihydrate | Millipore Sigma | S1804-500G | sodium citrate for BSK |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены