噬菌体转导：将氨基青霉素耐药性从捐赠者转移到受体大肠杆菌的方法

资料来源：亚历山大·^金1，托尼娅·科尔皮^茨1
1波士顿大学医学院微生物学系，国家新兴感染疾病实验室，波士顿，马萨诸塞州

转导是细菌之间的一种基因交换形式，它利用噬菌体或噬菌体，一种完全感染原核生物的病毒。这种形式的DNA转移，从一种细菌到另一种细菌通过噬菌体的方式，发现于1951年由诺顿·津德和约书亚·莱德勒格，谁称这个过程"转导"（1）。1915年，英国细菌学家弗雷德里克·特奥尔首次发现噬菌体，1917年由法裔加拿大微生物学家费利克斯·德赫勒（Felix d'Herelle）再次独立发现。自那时以来，这些噬菌体的结构和功能被广泛使用特征（3），将这些噬菌体分为两类。第一类是赖舍噬菌体，感染后在宿主细菌内繁殖，破坏细菌代谢，使细胞变流，并释放后代噬菌体（4）。由于这种抗菌活性和抗生素耐药细菌的日益流行，这些溶性噬菌体最近被证明是有用的抗生素替代治疗。第二类是溶源噬菌体，它可以通过溶源循环在宿主中繁殖，或者进入一种静止状态，其中它们的基因组被集成到宿主的基因组中（图1），这个过程称为溶质，具有噬菌体的能力生产在后世的诱导（4）。

图1：噬菌体感染宿主细胞。通过尾纤维和受体（紫色）之间的相互作用，通过噬菌体吸附到细菌细胞壁。一旦在细胞表面，噬菌体是不可逆转地连接到细菌细胞使用底板（黑色），这是由收缩护套（黄色）移动到细胞壁。噬菌体基因组（红色）然后进入细胞并集成到宿主细胞基因组中。

虽然细菌转导是一个自然发生的过程，但利用现代技术，它纵在实验室环境中将基因转移到细菌中。通过将感兴趣的基因插入基源噬菌体的基因组（如噬菌体）中，能够将这些基因转移到细菌的基因组中，从而在这些细胞中表达这些基因。虽然其他基因转移方法，如转化，使用质粒进行基因转移和表达，但将噬菌体基因组插入受体细菌中不仅有可能赋予这种细菌新的特性，而且还允许自然发生的突变和细胞环境的其他因素，以改变转移基因的功能。

与其他水平基因转移方法（如共偶）相比，转导在供体和受体细胞所需的标准上相当灵活。任何可以适应所使用噬菌体基因组的遗传元素都可以从任何供体细菌菌株转移到任何受体细菌菌株，只要两者都允许噬菌体，需要表达必要的噬菌体受体。细胞表面。一旦这个基因从供体基因组中移出并打包到噬菌体中，就可以转移到受体。转导后，有必要为含有感兴趣的基因的受体细菌选择。这可以通过使用基因标记，如FLAG标记或多血氨酸标记，来标记感兴趣的基因，或基因的内在功能，在编码抗生素耐药性的基因的情况下。此外，PCR还可用于进一步确认成功的转导。通过使用感兴趣的基因中的一个区域的引体并将信号与阳性对照、具有感兴趣基因的细菌和阴性对照的细菌进行比较，细菌经历了与无噬菌体的转导反应相同的步骤。虽然细菌转导是分子生物学的有用工具，但它在细菌的进化中已经并将继续发挥重要作用，特别是在最近抗生素耐药性的上升方面。

在本实验中，细菌转导用于通过P1噬菌体（5）将抗生素氨基青霉素的抗药性基因编码从大肠杆菌的W3110菌株转移到J53菌株。这个实验包括两个主要步骤。首先，从供体菌株制备含有甲异素抗性基因的P1噬菌体。第二，通过P1噬菌体转导将该基因转移到受体菌株（图1）。一旦进行，环青素抗性基因的成功转移可以通过qPCR确定（图2）。如果转导成功，大肠杆菌的J53菌株对氨基青霉素具有抗药性，而该基因可由qPCR检测出这种抗性。如果不成功，将不会检测到阿霉素耐药性基因，而阿霉素仍将作为对抗J53菌株的有效抗生素。

图2：qPCR成功转导的确认。通过比较从转导反应和阴性对照反应中检测到的感兴趣的基因的C_q值，并将这些值与内务管理基因规范化，从而证实细菌转导是成功的。