Serotip 1 Streptococcus pneumoniae suşunda Mutantların İnşası 519/43

Özet

Burada, doğal olarak DNA ve intihar plazmidini elde etme kabiliyeti kullanılarak genetik olarak değiştirilebilen bir S. pneumoniae serotip 1 suşu 519/43'ü tanımlıyoruz. İlke kanıtı olarak, pnömolysin (kat) geninde izojenik bir mutant yapıldı.

Özet

Streptococcus pneumoniae serotip 1, düşük ve orta gelirli ülkelerde, özellikle Sahra altı Afrika'da büyük bir sorun olmaya devam etmektedir. Önemine rağmen, bu serotipteki çalışmalar, onu değiştirmek için genetik araçların eksikliği nedeniyle engellenmiştir. Bu çalışmada, bir serotip 1 klinik izolatı genetik olarak değiştirmek için bir yöntem tarif edilmiştir (suş 519/43). İlginç bir şekilde, bu, Pnömokokların doğal olarak DNA elde etme yeteneğinden yararlanarak elde edildi. Bununla birlikte, çoğu pnömokoktan farklı olarak, lineer DNA kullanımı başarılı değildi; Bu önemli suşu mutasyona uğratmak için bir intihar plazmidinin kullanılması gerekiyordu. Bu metodoloji, hem biyolojisi hem de patojenitesi açısından bu zor serotipin daha derin bir şekilde anlaşılması için araçlar sağlamıştır. Yöntemi doğrulamak için, bilinen başlıca pnömokok toksini olan pnömolizin, iyi bilinen ve takip edilmesi kolay bir fenotipe sahip olduğu için mutasyona uğradı. Mutantın, beklendiği gibi, kırmızı kan hücrelerini lize etme yeteneğini kaybettiğini gösterdik. İlgilenilen serotipte önemli bir geni mutasyona uğratarak, intraperitoneal ve intranazal enfeksiyonlar üzerine fonksiyon kaybı mutantları için diğer serotipler için gözlenenlerden farklı fenotipler gözlemleyebildik. Özetle, bu çalışma 519/43 suşunun (serotip 1) genetik olarak değiştirilebileceğini kanıtlamaktadır.

Giriş

Streptococcus pneumoniae (S. pneumoniae, pnömokok) tüm dünyada morbidite ve mortalitenin başlıca nedenlerinden biridir. Yakın zamana kadar, 100'e yakın S. pneumoniae serotipi 1,2,3,4,5,6,7 keşfedilmiştir. Yıllık, invaziv pnömokok hastalığı (IPD), 5 yaşından küçük çocukların yaklaşık 700.000 ölümünü iddia^{etmektedir 8}. S. pneumoniae, tüm dünyada bakteriyel pnömoni, otitis media, menenjit ve septiseminin başlıca nedenidir⁹.

Afrika menenjit kuşağında, serotip 1, son derece virülan bir sekans tipi olan sekans tipi (ST) ST217'nin baskın olduğu menenjit salgınlarından sorumludur^{10,11,12,13,14,15}. Menenjit patolojisindeki önemi, Afrika menenjit kuşağı^16'daki Neisseria meningitidis'inkine benzetilmiştir. Serotip 1 genellikle IPD'nin ana nedenidir; ancak, taşımacılıkta çok nadiren bulunur. Aslında, Gambiya'da, bu serotip tüm invaziv hastalıkların% 20'sinden sorumludur, ancak sağlıklı taşıyıcıların sadece% 0.5'inde bulunmuştur^14,17,18,19. Yetkin pnömokoklarda genetik değişim ve rekombinasyon genellikle invaziv hastalıktan ziyade taşıyıcılıkta meydana gelir²⁰. Ayrıca, serotip 1'in pnömokoklar arasında tarif edilen en kısa taşıma oranlarından birine sahip olduğu gösterilmiştir (sadece 9 gün). Bu nedenle, bu serotipin diğerlerinden çok daha düşük bir rekombinasyon oranına sahip olabileceği öne sürülmüştür²¹.

Serotip 1 suşlarının düşük taşıma hızının arkasındaki nedeni ve Sahra altı Afrika'daki invaziv hastalıklardaki önemini anlamak için derinlemesine çalışmalar gereklidir.

Burada, belirli bir serotip 1 suşunun genom çapında mutagenezine izin veren bir protokol sunuyoruz, 519/43. Bu suş, yeni DNA'yı kolayca elde edebilir ve genomuna yeniden birleştirebilir. Bu yöntem henüz gerginlikler arasında değildir, ancak 519/43 arka planında yapıldığında çok etkilidir (diğer hedefler mutasyona uğramıştır, el yazmaları hazırlanmaktadır). Sadece 519/43 suşunu kullanarak ve doğal yeterliliğinden yararlanarak ve ekzojen DNA'nın sağlanma şeklini değiştirerek, bu serotip 1 suşunda pnömolizin genini (kat) mutasyona uğratabildik. Bu yöntem, Harvey ve ^ark.22 tarafından sunulana göre bir gelişmeyi temsil eder, çünkü DNA'yı farklı bir serotipten geçirmeye gerek kalmadan tek adımda yapılır. Bununla birlikte, gerinimler arası değişkenlik nedeniyle, hiçbir yöntem tüm suşlar için standartlaştırılmamıştır. Belirli genleri mutasyona uğratma ve etkilerini gözlemleme yeteneği, serotip 1 S. pneumoniae suşlarının derinlemesine anlaşılmasını sağlayacak ve bu suşların Sahra altı Afrika'daki menenjitteki rolüne cevaplar sağlayacaktır.

Protokol

1. SOE-PCR²³ ile mutasyona uğrayan amplikonun üretilmesi ve spektinomisin kasetinin amplifikasyonu

1. 519/43 suşundan kat geninin yan bölgelerinin homoloji kollarının (sırasıyla kat 5' (488 bp) ve ply3' (715 bp) amplifikasyonu için PCR uygulayarak başlayın. plyFw1_NOTI (TTT GCGGCCGCCAGTAAATGACTTTATACTAGCTATG), ply5'R1_BamHI (CGAAATATAGACCAAAGGACGC GGATCC AGAACCAAACTTGACCTTGA), ply3'F1_BamHI (TCAAGGTCAAGTTTGGTTCTCTGGATCC GCGTCCTTTGGTCTATATTTCG) ve plyRv2_NotI (TTTGCGGCCGCCATTTTCTCTACCTCTCTCTCCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTTCTCCTCT) astarlarını kullanın.
2. Ply5' için aşağıdaki PCR koşullarını kullanın: 60 sn için 94 °C'de denatür, adım 2: 30 s için 94 °C'de denatür, adım 3: 30 s için 58 °C'de tavlama, adım 4: 30 s için 72 °C'de uzatma, adım 5: adım 2'ye geri dönün ve 35 döngü için tekrarlayın, adım 6: 30 s için 72 °C'de son uzatma.
   1. 60 s olması gereken adım 4 ve adım 6'daki uzatma süresi hariç, kat3' için aynı PCR koşullarını kullanın.
3. PCR ürünlerini jel elektroforezi ile analiz edin ve amplikonu jelden çıkarın.
4. PCR amplikonlarını, üreticinin talimatlarında (Malzeme Tablosu) açıklanan protokolü izleyerek saflaştırın.
5. Her iki homoloji kolunun equimolar miktarlarını SOE-PCR'de şablon olarak kullanın. İki amplikonu primerleri kullanarak birleştirin plyFw1_ NOTI (TTT GCGGCCGCCAGTAAATGACTTTATACTAGCTATGTTATACTTATGTTATG) ve plyRv2_NotI (TTTGCGGCCGCCATTTTCTACCTCTCTCCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTTCTCCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTTCTCCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTTCTCCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTTCCC) iki amplikonu iki amplikonu birleştirin.
6. Aşağıdaki SOE-PCR koşullarını kullanın (adım 1: 2 dakika boyunca 94 °C'de denatür, adım 2: 30 sn için 94 °C'de denatür, adım 3: 30 s için 58 °C'de tavlama, Adım 4: 60 s için 68 °C'de uzatma, adım 5: adım 2'ye geri dönün ve 25 döngü için tekrarlayın, adım 6: 90 s için 68 °C'de son uzatma).
7. SOE-PCR ürününü jel elektroforezi ile analiz edin. Bir jel ekstraksiyon kiti kullanarak jelden tüketin ve verilen talimatları izleyin.
8. Aşağıdaki PCR koşullarını kullanarak spektinomisin kasetini plazmid pR412'den yükseltin: adım 1: 60 s için 94 °C'de denatür, adım 2: 30 s için 94 °C'de denatüre etme, adım 3: 30 s için 55 °C'de tavlama, adım 4: 60 s için 68 °C'de uzatma, adım 5: adım 2'ye geri dönün ve 25 döngü boyunca tekrarlayın, Adım 6: 60 s için 68 ° C'de son uzatma.
   1. Astarları BamHI_SP2F2 (GGATCC CTA GAA CTA GTG GAT CCC CC) ve BamHI_SP2R2 (GGATCC AAT TCT GCA GAT TTT AC ATG ATC) kullanın. Plazmid pR412, Dr. Marc PrudHomme'dan (CNRS-Universite Paul Sabatier Toulouse Fransa) satın alındı.
9. PCR amplikonlarını jel elektroforezi ile analiz edin. Elde edilen PCR amplikonunu yukarıda açıklandığı gibi tüketin ve saflaştırın.

2. Plazmid pSD1 üretimi ve E. coli Dh5α'nın kimyasal dönüşümü

1. pGEMT-easy system I üretici talimatlarını (Malzeme Tablosu) izleyerek bir ligasyon gerçekleştirin. Bir mikrosantrifüj tüpünde, 20 μL'lik toplam hacme 5 μL 2x ligasyon tamponu, 1 μL pGEMTeasy, 2 μL ply_SOE ürünü, 1 μL T4 DNA ligaz ve su ekleyin. Gece boyunca 4 ° C'de inkübe edin. Bu, plazmid pSD1 üretir.
2. Kimyasal olarak yetkin E. coli Dh5α'yı pSD1 ile dönüştürün. 50 μL kimyasal olarak yetkin E. coli Dh5α'yı buz üzerinde 15 dakika boyunca 3 μL pSD1 ligasyon reaksiyonu ile inkübe ederek başlayın. Daha sonra hücreleri termik şoka maruz bırakarak devam edin (42 ° C, 30 s). Hücreleri 2 dakika boyunca buzun üzerine yerleştirin.
3. Hücreleri buzdan çıkarın ve 350 μL S.O.C ortamı ekleyin. Kültürü 37 °C, 120 rpm'de 2 saat boyunca inkübe edin.
4. Luria Bertani Agar (LBA) üzerindeki transformasyon, plakada büyüyen tüm kolonilerin plazmid omurgasına sahip olmasını sağlamak için mavi / beyaz seleksiyon için 0.4 mM IPTG, 0.24 mg / mL X-Gal ve 100 μg / mL ampisilin ile desteklenir. Beyaz koloniler pSD1 içerir.
5. Üç beyaz koloni seçin ve 100 μg / mL ampisilin ile desteklenmiş 10 mL LB'de gece boyunca büyüme sağlayın. Kültürleri gece boyunca 37 ° C'de sallayarak inkübe edin.
6. Ertesi gün kültürleri 3.082 x g'de santrifüj edin ve plazmid ekstraksiyonu için peleti kullanın.

3. Plazmid DNA ekstraksiyonu, pSD1 ve spektinomisin geninin kısıtlanması sindirimi ve pSD2'nin montajı

1. Plazmid DNA'sını, ticari kit (Malzeme Tablosu) ile birlikte verilen talimatları izleyerek çıkarın.
2. Hem pSD1 plazmid hem de daha önce güçlendirilmiş ve saflaştırılmış spektinomisin kaseti için bir BamHI kısıtlama sindirimi ayarlayın. Tablo 1'de açıklanan aşağıdaki koşulları ve miktarları kullanın.
3. Kısıtlama sindirim reaksiyonlarını ve kontrollerini 3 saat boyunca 37 °C'de inkübe edin.
4. Kısıtlama sindirimini elektroforez ile analiz edin, bandı tüketin ve ticari kit (Malzeme Tablosu) ile birlikte verilen talimatları izleyerek saflaştırın.
5. Daha sonra, BamHI sindirilmiş pSD1 ve spektinomisin (adım 3.2'den itibaren) kullanarak üretici talimatlarını (Malzeme Tablosu) izleyerek bir ligasyon reaksiyonu hazırlayın. Bir mikrosantrifüj tüpüne, aşağıdaki reaksiyon bileşenlerini ekleyin: 5 μL 2x ligasyon tamponu, 2 μL pSD1, 2 μL spektinomisin kaseti, 1 μL T4 DNA ligaz ve 4 ° C'de gece boyunca inkübe edin. Bu, plazmid pSD2 üretir.
6. Plazmid pSD2'yi, adım 2.2'de açıklandığı gibi kimyasal olarak yetkin E. coli Dh5α'ya dönüştürün.
7. Plazmid pSD2 taşıyan transformantları, 100 μg / mL spektinomisin ve ampisilin ile desteklenmiş LBA'da büyüme yeteneklerine göre seçin.
8. Yukarıda açıklandığı gibi ve üreticinin talimatlarını (μL) izleyerek bir plazmid DNA ekstraksiyonu (pSD2) gerçekleştirin.

4. S. pneumoniae suşunun transformasyonu 519/43

1. BHI'da bir gecede S. pneumoniae 519/43 kültürü hazırlayın ve 37 ° C'de,% 5 CO_2'de statik olarak büyümesine izin verin.
2. Ertesi gün kültürleri 1:50 ve 1:100 olarak 10 mL taze BHI suyunda seyreltin. OD_{595nm 0.05} ile 0.1 arasında olana kadar kültürleri statik olarak 37 ° C'de inkübe edin (0.1 OD'ye daha yakın DNA'nın optimal kazanımı).
3. 0.1'lik bir OD'ye ulaşıldığında, 860 μL alın ve bir mikrosantrifüj tüpüne aktarın. Aynı mikrosantrifüj tüpünde şunları ekleyin: 100 μL 100 mM NaOH, 10 μL% 20 (w / v) BSA, 10 μL 100 mM CaCl 2,₂ μL 50 ng / mL CSP1²⁴ ve 500 ng pSD2.
4. Reaksiyonu 3 saat boyunca 37 °C'de statik olarak inkübe edin.
5. Plaka 330 μL, 3 inkübasyon saati boyunca her saat başı 100 μg / mL spektinomisin ile desteklenen% 5 kan agar plakaları (BA) üzerine.
6. Plakaları gece boyunca 37 ° C'de,% 5 CO_{2'de inkübe edin}. Yama spektinomisin'e dirençli koloniler, 100 μg / mL spektinomisin ile desteklenmiş başka bir BA plakasına ve ayrıca 100 μg / mL ampisilin ile desteklenmiş BA plakalarına yerleştirin. Her iki plaka setini de yukarıda belirtilen koşullar altında gece boyunca inkübe edin. Ampisilin plakaları, plazmid omurgasının varlığını test etmek içindir.
7. NOTI (TTT GCGGCCGCAGTAAATGACTTTATACTAGCTATG) ve plyFw1_ (TAATTCCTCTAAGTCATAATTTCCG) primerlerini kullanarak spektinomisin kasetinin varlığını PCR SPEC_REV ile onaylayın. Mutasyona uğramış bölgenin dışına bağlanan primerler plySCN1 (CCAATGGAAATCGCTAGGCAAGAGATAA) ve plySCN2 (ATTACTTAGTCCAACCACGGCTGAT) kullanarak PCR ile mutasyonu onaylayın.
8. Primerler plySCN1 (CCAATGGAAATCGCTAGGCAAGAGATAA), plySCN2 (ATTACTTAGTCCAACCACGGCTGAT) ve ayrıca spektinomisin kaset sqr1 (CCTGATCCAAACATGTAAGTACC) sqf2 (CGTAGTTATCTTGGAGAGAATA) spec_sqf1 (GGTACTTACATGTTTGGATCAGGCAGG) ve spec_sqr2 TATTCTCTCCAAGATAACTACG içindeki bağlanma bölgelerine sahip primerleri kullanarak genomun doğru konumundaki entegrasyonu onaylayın.

Sonuçlar

Burada açıklanan protokol, sol ve sağ homoloji kollarını yükseltmek için PCR kullanarak başlar ve aynı zamanda kat geninin orta bölgesinden 191 bp'yi siler. PCR yapılırken sol homoloji kolunun 3' ucunda ve sağ homoloji kolunun 5' ucunda bir BamHI bölgesi tanıtılır (Şekil 1A). Bunu, sol ve sağ homoloji kollarının bir amplikon halinde kaynaştırıldığı PCR-SOE izler (Şekil 1B). Bu SOE-PCR amplikonu daha sonra plazmid pSD1 üretme...

Tartışmalar

Streptococcus pneumoniae, özellikle serotip 1, invaziv pnömokok hastalığına ve menenjite neden olan küresel bir tehdit olmaya devam etmektedir. Serotip 1'e karşı koruyucu olması gereken çeşitli aşıların uygulanmasına rağmen, Afrika'da bu serotip hala yüksek morbidite ve mortaliteye yol açan salgınlara neden olabilir¹³. Bu serotipi genetik olarak manipüle etme yeteneği, klinik alaka düzeyi nedeniyle kritik öneme sahiptir. Bu çalışmada açıklanan yöntem, bu serot...

Malzemeler

Name	Company	Catalog Number	Comments
AccuPrime Pfx DNA polymerase	Invitrogen	12344024	Used for amplification of the fragments
Ampicillin sodium salt	Sigma Aldrich	A9518	Used for bacterial selection on stage 1(pSD1)
Blood Agar Base	Oxoid	CM0055	Used to plate S. pneumoniae transformants
Bovine Serum Albumine	sigma	55470	used for S. pneumoniae Transformation
Brain Heart Infusion	Oxoid	CM1135	used to grow S. pneumoniae cells
Calcium Chloride Cacl2	Sigma	449709	used for S. pneumoniae Transformation
Competence stimulating peptide 1	AnaSpec	AS-63779	used for S. pneumoniae Transformation
Luria Broth Agar	Gibco	22700025	used for plating and selection of pSD1 and pSD2
Luria Broth Base (Miller's formulation)	Gibco	12795027	used for plating and selection of pSD1 and pSD2
Monarch Gel Extraction Kit	NEB	T1020S	Used to extract the bands from the DNA gel
Monarch Plasmid Miniprep Kit	NEB	T1010S	Used to extract plasmid from the cells
pGEM T-easy	Promega	A1360	used as suicide plasmid
S.O.C.	Invitrogen	15544034	used for recovery of cells after transformation
Sodium Hydroxide (NaOH)	Sigma	S0899	used for S.pneumoniae Transformation
Spectinomycin Hydrochloride	SigmaAldrich	PHR1426	Used for bacterial selection
Subcloning Efficiency DH5α Competent Cells	Invitrogen	18265017	used for the creation of pSD1 and pSD2