モジュラーゴールデンゲートクローニングを用いた多遺伝子構造の迅速な組み立て
Summary
このプロトコルの目的は、ゴールデンゲートクローニングに基づくモジュラークローニングシステムを使用して、マルチ遺伝子構造を組み立てるための詳細なステップバイステップガイドを提供することです。また、当社の経験に基づいて最適なアセンブリを確保するための重要な手順に関する推奨事項も示します。
Abstract
ゴールデンゲートクローニング法は、ユーザー定義の配置で複数の遺伝子の迅速な組み立てを可能にします。それは彼らの認識部位の外に切り取り、短い突出しを作成するタイプIIS制限酵素を利用する。このモジュラークローニング(MoClo)システムは、プロモーター、コード配列(CDS)、ターミネーターなどの異なるDNA部分を最初にエントリーベクターにクローン化する階層的なワークフローを使用します。複数のエントリ ベクターは、転写単位に組み立てられます。その後、いくつかの転写ユニットが多遺伝子プラスミドに接続します。ゴールデンゲートクローニング戦略は、1ポット反応で、瘢痕、方向性、モジュール式の組み立てを可能にするため、大きな利点があります。階層ワークフローは通常、エントリベクターを超えてシーケンシングを必要としない、さまざまな多遺伝子構造の簡単なクローニングを可能にします。蛍光タンパク質ドロップアウトを使用することで、簡単な目視スクリーニングが可能です。この研究は、酵母モジュラークローニング(MoClo)キットを使用してマルチ遺伝子プラスミドを組み立てるための詳細なステップバイステップのプロトコルを提供します。多遺伝子プラスミド集合体の最適および最適以下の結果を示し、コロニーのスクリーニングのためのガイドを提供する。このクローニング戦略は、酵母代謝工学や多遺伝子プラスミドクローニングが必要な他の状況に非常に適用可能です。
Introduction
合成生物学は、製薬、農業、化学産業に役立つ新しい機能を備えた生物学的システムの設計を目指しています。大量のDNA断片をハイスループットに組み立てることは、合成生物学の基礎技術です。このような複雑なプロセスは、複雑さの減少に伴って複数のレベルに分けることができます, 基礎工学科学から借用概念1,2.合成生物学では、DNA断片は通常、機能性に基づいて階層的に組み立てられる:(i)部分レベル:「部品」は、プロモーター、コーディング配列、ターミネーター、複製の起源などの特定の機能を持つDNA断片を指します。(ii) 転写単位(TU)レベル:TUは、プロモーター、コード配列、および単一の遺伝子を転写することができるターミネーターからなる。(iii) 多遺伝子レベル:多遺伝子プラスミドは、代謝経路全体からしばしば構成される複数のTUsを含む。BioBrick コミュニティによって開拓されたこの階層的なアセンブリは、合成生物学3での大量の DNA の組み立てのための基本的な概念です。
過去10年間で4,5,6,7,ゴールデンゲートクローニング技術は、階層DNAアセンブリ2を大幅に促進しました。ギブソンクローニング8、ライゲーション非依存クローニング(SLIC)9、ウラシル切除基クローン(USER)10、リガーゼサイクリング反応(LCR)11、およびインビボ組換え(DNAアセンブラー)12、13など、他の多部クローニング法もこれまでに開発されてきた。しかし、ゴールデンゲートクローニングは、遺伝子固有の配列から独立しているため、理想的なDNA組み立て方法であり、1ポット反応で瘢痕のない方向性のあるモジュール式アセンブリを可能にします。ゴールデンゲートクローニングは、非パリンドローム配列を認識するタイプIIS制限酵素を利用して、認識部位2の外側にずらした突出しを作成する。リガーゼは、その後、アニールされたDNA断片を結合して、マルチパートアセンブリを得る。このクローニング戦略をモジュラークローニング(MoClo)システムに適用することで、正しく組み立てられたコンストラクト4を含む90%以上の形質転換体をスクリーニングした最大10個のDNA断片の組み立てが可能になりました。
MoCloシステムは合成生物学の設計ビルドテスト周期を加速させた大きな利点を提供する。まず、交換可能な部分は、パラメータの大きなスペースを迅速にテストするために組み合わせクローニングを可能にします。例えば、代謝経路を最適化するには、通常、経路フラックスのバランスをとるために、各遺伝子に対して多くのプロモーターを循環させる必要があります。MoCloシステムは、このような厳しいクローン作成タスクを容易に処理できます。第二に、一部のプラスミドを配列する必要がありますが、通常はTUまたは多遺伝子プラスミドではありません。ほとんどの場合、コロニーPCRまたは制限消化によるスクリーニングは、TUおよび多遺伝子プラスミドレベルでの検証に十分です。これは、プラスミドの部分をクローニングすることがPCRを必要とする唯一のステップであり、突然変異を頻繁に導入するためである。第三に、MoCloシステムは、多遺伝子複合体代謝経路を構築するのに理想的である。最後に、普遍的な張り出しのために、一部のプラスミドを再利用し、バイオエンジニアリングコミュニティ全体と共有することができます。現在、MoCloキットは、植物14、15、5、16、17、真菌6、18、19、20、21、22、細菌7、23、24、25、26、27、および動物28、29のために利用可能です。マルチ王国のMoCloプラットフォームも最近導入されました30.
サッカロミセス・セレビシエのために、Leeら6は、酵母合成生物学コミュニティのための優れたリソースである汎用性の高いMoCloツールキットを開発しました。このキットは便利な96ウェル形式で提供され、適切に特徴づけられるプロモーター、蛍光タンパク質、ターミネーター、ペプチドタグ、選択マーカー、複製の起源、およびゲノム編集ツールを多様に集め、8種類の交換可能なDNA部品を定義します。このツールキットは、最大5つの転写ユニットを多遺伝子プラスミドに組み立て可能にします。これらの特徴は、部分的または全体の経路が標的化学物質を産生するために過剰発現される酵母代謝工学にとって貴重である。このキットを用いて、研究者は、酵母におけるゲラニオール、リナロール31、ペニシリン32、ムコニン酸33、インジゴ34、およびベタレイン35の生産を最適化しました。
ここでは、MoCloツールキットを使用してエピソードまたはゲノム発現のための多遺伝子経路を生成する方法を導く詳細なステップバイステップのプロトコルを提供します。このキットを多用することで、ゴールデンゲート反応における各部の正孔分布を確保するために、DNA濃度の正確な測定が重要であることを発見しました。また、T7 DNAリガーゼよりもT4 DNAリガーゼを使用することをお勧めします。最後に、BsmBIおよびBsaIの内部認識サイトは、組み立て前に削除または家畜化する必要があります。あるいは、複数の内部部位を除去し、同時にコドン最適化を達成するために、部品を合成することを検討してもよい。我々は 、S.セレビシエ でβカロテンおよびリコピン産生のための5遺伝子経路を発現することによって、このツールキットを使用する方法を実証する。さらに、このキットのゲノム編集ツールを使用して ADE2 軌跡をノックアウトする方法を示します。これらの色ベースの実験は、可視化を容易にするために選択された。また、ゴールデンゲートクローニングを用いて融合タンパク質を生成し、アミノ酸変異を作り出す方法も実証します。
Protocol
Representative Results
Discussion
Leeらが開発したMoCloベースのクローニングキットは、酵母ゲノムへの複製または統合のために、1〜5個の転写ユニットを多遺伝子プラスミドに迅速に組み立てる優れたリソースを提供します。このキットを使用すると、酵母で複数の遺伝子を発現する際に頻繁に存在する時間のかかるクローニングのボトルネックを排除します。
T4 DNAリガーゼでクローニングするゴールデ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作品は、ニューヨーク州立大学研究財団(賞#71272)とバッファロー大学のインパクト賞(賞#:000077)によって資金提供されました。
Materials
| 0.5 mm Glass beads | RPI research products | 9831 | For lysing yeast cells |
| Bacto Agar | BD & Company | 214010 | Component of the yeast complete synthetic medium (CSM) |
| Bacto Peptone | BD& Company | 211677 | Component of the yeast extract peptone dextrose medium (YPD) |
| BsaI-HFv2 | New England Biolabs | R3733S | a highly efficient version of BsaI restriction enzyme |
| Carbenicillin | Fisher Bioreagents | 4800-94-6 | Antibiotic for screening at the transcription unit level |
| Chloramphenicol | Fisher Bioreagents | 56-75-7 | Antibiotic for screening at the entry vector level |
| CSM-His | Sunrise Sciences | 1006-010 | Amino acid supplement of the yeast complete synthetic medium (CSM) |
| Dextrose | Fisher Chemical | D16-500 | Carbon source of the yeast complete synthetic medium (CSM) |
| Difco Yeast Nitrogen Base w/o Amino Acids | BD & Company | 291940 | Nitrogen source of the yeast complete synthetic medium (CSM) |
| dNTP mix | Promega | U1515 | dNTPs for PCR |
| Esp3I | New England Biolabs | R0734S | a highly efficient isoschizomer of BsmBI |
| Frozen-EZ Yeast Trasformation II Kit | Zymo Research | T2001 | For yeast transformation |
| Hexanes | Fisher Chemical | H302-1 | For carotenoid extraction from yeast cells |
| Kanamycin | Fisher Bioreagents | 25389-94-0 | Antibiotic for screening at the multigene plasmid level |
| LB Agar, Miller | Fisher Bioreagents | BP1425-2 | Lysogenic agar medium for E. coli culturing |
| LB Broth, Miller | Fisher Bioreagents | BP1426-2 | Lysogenic liquid medium for E. coli culturing |
| Lycopene | Cayman chemicals | NC1142173 | For lycopene quantification |
| MoClo YTK | Addgene | 1000000061 | Depositing Lab: John Deuber |
| Monarch Plasmid Miniprep Kit | New England Biolabs | T1010L | For plasmid purification from E.coli |
| Nanodrop Spectrophotometer | Thermo Scientific | ND2000c | For measuring accurate DNA concentrations |
| NotI-HF | New England Biolabs | R3189S | Restriction enzyme for integrative multigene plasmid linearization |
| Nourseothricin Sulphate | Goldbio | N-500-100 | Antibiotic Selection marker for the pCAS plasmid used in this study |
| Phusion HF reaction Buffer (5X) | New England Biolabs | B0518S | Buffer for PCR using Phusion polymerase |
| Phusion High Fidelity DNA Polymerase | New England Biolabs | M0530S | High fidelity polymerase for all the PCR reactions |
| pLM494 | Addgene | 100539 | Plasmid used to amplify crtI, crtYB and crtE used in this study |
| Quartz Cuvette | Thermo Electron | 10050801 | For quantifing carotenoids |
| T4 ligase | New England Biolabs | M0202S | Ligase for Golden Gate cloning |
| Thermocycler | BIO-RAD | 1851148 | For performing all the PCR and cloning reactions |
| Tissue Homogenizer | Bullet Blender | Model: BBX24 | For homogenization of yeast cells |
| UV-Vis Spectrophotometer | Thermo Scientific | Genesys 150 | For quantifing carotenoids |
| Yeast Extract | Fisher Bioreagents | BP1422-500 | Component of the yeast extract peptone dextrose medium (YPD) |
| β-carotene | Alfa Aesar | AAH6010603 | For β-carotene quantification |
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