We describe a method to knock down gene expression in a growing population of E. coli cells using sequence-targeted sRNA expression cassettes delivered by an M13 phagemid vector.
RNA-mediert knock-out er mye brukt til å kontrollere genekspresjon. Denne allsidige familien av teknikker som gjør bruk av korte RNA (Srna) som kan syntetiseres med en hvilken som helst sekvens og er utformet for å utfylle eventuelle gen målrettet for demping. Fordi Srna-konstruksjonene kan innføres i mange celletyper, enten direkte eller ved hjelp av en rekke forskjellige vektorer, kan genekspresjon bli undertrykt i levende celler, uten arbeidskrevende genetisk modifisering. Den vanligste RNA knockdown teknologi, RNA interferens (RNAi), gjør bruk av det endogene RNA-indusert stanse kompleks (RISC) for å formidle sekvens gjenkjenning og spalting av mål-mRNA. Anvendelser av denne teknikken er derfor begrenset til RISC-uttrykker organismer, primært eukaryoter. Nylig har en ny generasjon av RNA biotechnologists utviklet alternative mekanismer for å kontrollere genekspresjon gjennom RNA, og så gjort mulige RNA-mediert genet knockdowns i bakterier. Her beskriver vi en metode for å kneble genet expressjon i E. coli som funksjonelt ligner RNAi. I dette system et syntetisk fagemid er utformet for å uttrykke Srna, som kan designet for å målrette en hvilken som helst rekkefølge. Uttrykket konstruksjon blir levert til en populasjon av E. coli-celler med ikke-lytisk M13-fag, hvoretter den er i stand til å stabilt replikerer som et plasmid. Antisense anerkjennelse og stanse av målet mRNA er mediert av Hfq protein, endogen til E. coli. Denne protokollen omfatter metoder for å designe den anti Srna, konstruere phagemidvektor, emballasje fagmidet inn M13 bakteriofag, forbereder en levende celle befolkning for infeksjon, og utfører infeksjonen selv. Den fluorescerende protein mKate2 og antibiotikaresistens genet kloramfenikol acetyltransferase (CAT) er målrettet for å generere representative data og å kvantifisere knockdown effektivitet.
RNA-mediert genet knockdowns fortsette i to etapper. Først blir et RNA-molekyl innføres i en cellelinje eller organisme for undersøkelsen. For det andre endogene RNA-bindende proteiner lette RNA-målet anerkjennelse og produsere lyddemping effekt. Alle RNA knockdown teknologier dra nytte av den tilpasses naturen av syntetiske sRNAs, som lett kan produseres for å matche et bestemt mål av interesse. Men de molekylære detaljene i RNA opptak og lyddemping varierer mye på tvers av modellsystemet, begrensende hvor og hvordan RNA knockdowns kan brukes.
I nematoder, dobbel-strandet RNA (dsrna) molekyler kan innføres direkte i media eller ved å mate ormer med en befolkning på dsRNA-uttrykke E. coli-celler 1,2. I Drosophila, kan RNAi oppnås ved microinjecting embryoer med dsRNA 3, eller implementert i cellelinjer ved å legge dsRNA til kulturmediet 4. I pattedyrcellelinjer,syntetiske små interfererende RNA (sirnas) kan leveres til levende celler ved elektroporering 1,2,5, pakket i liposomer 3,6, eller uttrykt fra DNA plasmidvektorer 4,7. Når RNA arter når cytosol, baserer RNAi pathway på RISC-komplekset for å behandle dsRNA, lette antisense gjenkjennelse av målet, og katalysere translasjons-undertrykkelse, mRNA degradering, eller heterochromatin formasjon, avhengig av verten.
På grunn av disse kravene, kan klassisk RNAi kun utføres i organismer som tar opp eksogene RNA effektivt og uttrykker RISC eller en RISC-lignende aktivitet. Spesielt, utelukker denne modellen bakterien E. coli, som mangler den RNAi pathway. Men nyere fremskritt innen syntetisk biologi gir deg verktøyene for å løse både leveranseproblem og lyddemping problem.
I denne protokollen, Srna konstruerer uttrykt i E. coli fra en DNA-vektor levert til litreråvare celler ved hjelp av M13-fagmid / hjelpesystemet. En fagmid er enhver plasmid med et fag-avledet f1 replikasjons. En hjelper plasmid, i dette tilfellet M13KO, bærer alle maskiner som kreves for å fremstille viruspartikler, men er ikke i seg selv kompetent for replikasjon og pakking. Når en fagmid og hjelper plasmid er co-transformert, er fagmidet alene replikert på f1 opprinnelse, pakket og utskilt. Den vektorisert fagmid er så kompetent til å infisere levende E. coli via F pilus.
I dette system blir den stanse effekten som produseres av tilpassede Srna kassetter som kombinerer et stillas sekvens med en målbindende sekvens. Den målbindende sekvens er 24 basepar antisens til en mRNA-mål, typisk ved ribosom-bindingssetet (RBS). Stillaset sekvens, utviklet av Na og kolleger 8, inneholder en Hfq-bindende motiv hentet fra MICC, en liten regulatoriske RNA endogen til E. coli. Den Hfq protein stimulerer RNA-RNA binding og mRNA degradering, tjener en rolle i dette system som ligner på RISC i RNAi. Figur 1 viser et komplett skjema for fag-mediert Srna knock-out, herunder Srna kassettkonstruksjonen, fagmid vektorisering, og tie mekanisme.
Som en metode til å modulere genekspresjon i E. coli, Srna stanse er enkel, rask og allsidig. Den målrettede E. coli er ikke tynget utover spre fagmidet og uttrykker Srna. Dette kan være aktuelt i forbindelse med syntetisk biologi eller grunnforskning der uttrykk for større heterologe konstruksjoner kan stamme cellulære ressurser 9. Fagmider med nye mål kan fremstilles med en enkelt PCR og høstet en dag etter fagemid transformasjon. Endelig kan nesten enhver mRNA være målrettet. Den Srna regulering kassett (på en standard plasmid) har vist seg å fungere på en rekke mål i stoffskiftet med typiske undertrykkelse nivåer> 90% 8.
<p class = "jove_content"> Denne protokollen gjengir og utdyper tidligere arbeid ved hjelp fagmidekspresjonsvektoren fødte Srna kassetter 10. For det første er en pakket fagemid innført i en satsvis kultur av E. coli-celler og brukes til å slå ekspresjon av det fluorescerende protein mKate2. Påfølgende fluorescens-forandringer blir målt i sann tid. For det andre, banket ned CAT genet er vist å redusere fenotypisk kloramfenikol motstand på agarskåler. I begge tilfeller fagmidet selv bærer en GFP markør, slik at infeksjonsrate som skal måles, uavhengig av knockdown effektivitet.Den foreliggende fremgangsmåte oppnås 80% reduksjon i mKate fluorescens-nivåer sammenlignet med vilkårlige kontroller. Dette er i tråd med andre RNA knockdown metoder, hvor fullstendig taushet ikke er observert, og 50-90% effektivitet er typisk 16,17. På den fenotypiske nivå, CAT-målrettet knockdowns var i stand til betydelig dempe kloramfenikol motstand, og eliminere det under visse forhold.
Knockdown fenotype var påviselig på befolkningsnivå etter bare noen få timer etter infeksjon (figur 3B). Dette illustrerer et viktig trekk av fag basert levering: en høy knockdown frekvens kan oppnås direkte i batch-kultur uten forutgående genetisk modifisering. I motsetning til konvensjonelle genetiske modifikasjoner ved hjelp av plasmid transformasjon eller genomisk integrasjon, betyr fag-infeksjon ikke krever at en populasjon på nytt dyrket fra en enkelt isolert koloni. Dette tillater effekten av fag-infeksjon for å være Explored i populasjoner med komplekse romlige dynamikk 11, med pre-eksisterende romlige strukturer som biofilm 18, eller i genetisk blandet naturlige populasjoner 19.
Et kritisk trinn i denne fremgangsmåte er fremstilling av pakkede fagmid ved høy titer. Den metabolske byrden forbundet med fag partikkelproduksjon kan føre til høye priser av mutasjon eller plasmid tap i fagmidekspresjonsvektoren produksjon belastning. Det anbefales at fagmidet produksjonen stammen dyrkes direkte fra en enkelt koloni kotransformert og ikke kjøling, frosset eller sub-dyrket før fag innhøsting. En lav effektivitet av co-transformasjon kan også observeres ved innføring fagmidet og hjelper plasmid til E. coli samtidig. I dette tilfellet, kan høyere virkningsgrader oppnås ved å transformere hjelperen plasmidet først, og deretter fremstilling av kompetente celler som bærer hjelpe plasmid for påfølgende transformasjon med fagmidet.
Phagemid infeksjon eller Srna uttrykk pålegger også en påviselig metabolsk belastning på målcellene, og kan resultere i noen fenotypisk forstyrrelse. For eksempel ble en reduksjon i mKate2 fluorescens observert selv når cellene ble infisert med en fagemid rettet mot CAT (figur 3). Infeksjon med M13 er ikke tenkt å utløse systemiske stressresponser i E. coli 20, men kan forandre transkripsjonsmønstre indirekte. Alternativt kan GFP eller ampicillin resistensmarkører inkludert på fagmidet konkurrere om mobilnettet ressurser, redusere mKate2 uttrykk og vekst 9. Endelig kan Srna kassetten selv globalt endre genuttrykk profiler ved å titrere Hfq protein, eller gjennom off-target mRNA stanse. Utenfor mål effekter er vanlige i in vivo RNAi målgruppe 21-23, men de har ennå ikke systematisk undersøkt for dette systemet.
En begrensning med denne metoden er at infeksjonen effeffektivitet er mindre enn 100%, slik at noen ikke-infiserte bakterier til å vedvare i befolkningen. Resultatene av dette arbeidet og tidligere arbeid 10 tyder på at noninfected celler representerer 1-10% av den endelige befolkningen, og er ansvarlig for de fleste av nonsilenced fenotyper observert. En rekke ruter til M13-motstand er kjent, og de vanligste er mutasjons tap av pilus uttrykk 24. I lys av disse begrensningene, bør kontrollene brukes til å bekrefte høye infeksjonsrater og knockdown effektivitet.
En annen potensiell begrensning for enkelte programmer er sporadisk overføring av forurensende hjelpefagen. Selv om M13K07 inneholder en mutert emballasje signal, kan det være pakket inn i fag kapsid ved lav frekvens og overføres til infiserte populasjoner, noe som resulterer i cellene kompetente for fag-produksjon, og det fortsatte spredning av fag utover den første infeksjonen arrangementet 25. Modifikasjoner av hjelpefagen har vist seg effektiveved å redusere ikke-spesifikk emballasje, men noen ganger på bekostning av redusert fag-produksjon 26.
Konstruert bakteriofag har blitt et uunnværlig verktøy for E. coli syntetisk biologi, og gir rask levering av nye gener til en voksende befolkning. Nyere arbeider har produsert interkommunikasjonskretser 11 eller uttrykt transkripsjonsfaktorer for å undertrykke antibiotikaresistens trasé 27. Protokollen presenteres her legger til en voksende samling av verktøy som tillater kontroll av bakteriell fysiologi gjennom programmerte RNA. CRISPR-Cas nukleaser, når mutert til å eliminere nukleaseaktiviteten, har vist seg å undertrykke transkripsjon ved RNA-guidet genet målene 17,28. I motsetning til dette, virker Srna stanse på det translasjonelle nivå og krever ikke eksogene proteinekspresjon. Neste generasjons bioteknologi kan forene transkripsjonen og translasjonell kontroll med fag-mediert levering å programmere komplekse phenotyper i sanntid.
The authors have nothing to disclose.
Midler til dette arbeidet ble gitt av Fondation Bettencourt Schueller til støtte for Paris Bettencourt iGEM team. Vi takker INSERM U1001 forskningsenheten og Chantal Lotton for teknisk hjelp og råd. Fagmidekspresjonsvektoren Litmus28i_J23115-B0032-GFP ble gitt av Monica Ortiz og Drew Endy av Stanford.
Plasmid Miniprep Kit | Qiagen | 27104 | |
DpnI Enzyme | NEB | R0176S | |
Phusion High Fidelity Polymerase | NEB | M0530S | |
Taq 2x Master Mix | NEB | M0270L | |
M13KO7 Helper Phage | NEB | N0315S | |
DH5α Competent Cells | Life Technologies | 18265-017 | |
TOP10F' Cells | Life Technologies | C3030-03 | |
LB Broth | Sigma | L3022-250G | |
Ampicillin | Sigma | A9393-5G | |
Kanamycin | Sigma | 60615-5G | |
Chloramphenicol | Sigma | C0378-5G | |
Tetracycline | Sigma | 87128-25G |