ギブソンアセンブリと遺伝子銃を用いてタバコの一過性の遺伝子発現
Summary
この作品は、選択的にバイオラッド遺伝子銃を用いてアッセイ、植物では細胞内小器官を標的化するための新しい方法を説明します。
Abstract
複数の細胞内小器官への単一のタンパク質を標的化するために、植物は典型的に関連性のある遺伝子を複製し、差動プロモーターおよび/またはシグナル配列を含む複雑な調節戦略を用いて別々に各遺伝子を発現する。メタボリックエンジニアや特定の細胞小器官に酵素を標的とすることに興味の合成生物学者は、チャレンジに直面している：複数の細胞小器官に局在していることがあるタンパク質のために、エンジニアは、同じ遺伝子を複数回複製しなければなりません。この作品は、この戦略に対する解決策を提示：mRNAの選択的スプライシングを利用する。この技術は確立された葉緑体およびペルオキシソーム標的化配列を利用して、選択的にスプライシングされた単一のmRNAにそれらを組み合わせたものです。いくつかのスプライスバリアントは、葉緑体、ペルオキシソームにいくつか、および細胞質ゾルへのいくつかに送信されます。ここで、システムは、複数のオルガネラが選択的スプライシングに標的化するために設計されている。本研究では、GFPは、exprがあると予想された合理的に設計された5 'のmRNA一連のタグによって葉緑体、細胞質ゾルおよびペルオキシソームでessed。これらのタグは、異種遺伝子は、複数の細胞内小器官で発現されることが必要なときに必要なクローニングの量を減少させる可能性を有する。構築物は、以前の研究11で設計し、ギブソン·アセンブリ、制限酵素を必要とせず、ライゲーション非依存性クローニング法を用いてクローニングした。得られたプラスミドは、改変された遺伝子銃プロトコールでベンサミアナタバコ葉表皮細胞に導入した。最後に、形質転換された葉を共焦点顕微鏡で観察した。
Introduction
この作品は、植物細胞が複数の細胞小器官ではなく、単一のDNA構築物でレポータータンパク質を発現するように遺伝子操作される代謝工学/合成生物学のプロジェクトです。
複数の場所へのタンパク質を標的化するための一つのアプローチは、複数の遺伝子のコピー、異なる局在化ペプチドを含むそれぞれクローニングすることを含む。各コピーは、単一のトランスフォームを1戻し交配によって、あるいは連続的な再変換によって導入するか、しなければならない。これは、追加のクローニングを必要とし、末端ごとに1つのローカライズタグによって制限されます。
複数の場所にタンパク質を局在化する別の方法は、選択的スプライシング2-5を介してである。 RNAは、単一の遺伝子から転写されるが、転写産物の異なるコピーは、セルごとに複数の方法で、多くの場合、異なる方法で処理されます。これは、単一の遺伝子から転写されたセル内の複数のメッセンジャーRNAをもたらすことができる。これらの異なるmessengeR RNAは、同じタンパク質、またはフレームシフトの場合は、全く別のタンパク質の異なるアイソフォームをコードすることができます。選択的スプライシングは、長年にわたって文献に記載されているが、作用及び保存された供与体および受容体スプライス部位のメカニズムは、より最近6解明されている。これらのサイトは、より良い説明されているように、彼らは、エンジニアリングのための機会を開く。
複数の細胞小器官にタンパク質を発現する際に植物代謝エンジニアが課題に直面しています。複数の細胞小器官に局在していることがあるタンパク質を、技術者は、対象とする細胞小器官にそれを指示する別々のシグナル配列と、同じ遺伝子のそれぞれを複数回複製しなければなりません。 3オルガネラにおける単一遺伝子の場合、これは単に三つの遺伝子である。しかし、6個の遺伝子の代謝経路のために、これは18の遺伝子、かなりのクローニングの努力に展開されます。シングル、選択的にスプライス遺伝子記号に複数の局在化配列を結合するificantlyこの努力が削減されます。例えば、リエンジニアリング光呼吸7,8およびイソプレノイド合成9,10は葉緑体およびペルオキシソームの両方を含む。天然のシロイヌナズナ系で観察されるように我々のケースでは、先に6に記載のスプライス部位を利用した。当社は、合理的にだけでは自然なスプライス部位を残してmRNA配列を再設計したが、選択的にスプライスイントロン（ 図1）内の葉緑体またはペルオキシソームターゲティングタグをコードするであろう配列が配置されます。発現されたタンパク質は、またはそれをエンコードされたmRNA前駆体はイントロン（ 図1Gおよび1H）として切り出したかどうかに応じて、タグを持っていない可能性があります。この作品で提示コンストラクトのデザインの詳細については、関連記事11を参照してください。
これはまだかなりのクローニングの努力、ギブソンアセンブリ、DNA構築物をクローニングするための新しい方法であるため、uは建設中のsed。ギブソン方法に関わらず、制限部位（ 図2）12〜14、任意の配列のために使用することができる。酵素の具体的なミックスは、ワンステップ、等温アセンブリを可能にします。この方法では、いくつかの二本鎖の線状DNA部分は、それらが約50塩基対の配列が重複しているように設計されている。ギブソン·アセンブリ酵素混合物は、部分的相同配列の一本鎖を露出させる、直鎖DNA部分を消化する。これらの部分的な一本鎖配列は、迅速なワンステップ、配列に依存し、ライゲーションフリーサブクローニング反応において得られた反応混合物に再アニールされる。
この作品は、ギブソンのアセンブリの新しいライゲーションのないメソッドを使用して、1）合理的な設計選択的スプライシングを受けた植物の葉緑体、ペルオキシソーム、およびサイトゾルでの発現のための構造、2）そのクローニング、遺伝子銃でタバコの葉の細胞への3）の配送を説明し、 GFPで観察されたように、オルガネラターゲティングを示す4）結果および共焦点顕微鏡。
Protocol
Representative Results
Discussion
本研究では、単純な戦略は、植物内の複数の細胞区画に一つのトランスジェニックタンパク質をローカライズするために記載されている。目標は、 ベンサミアナタバコの複数の細胞小器官に単一の遺伝子を発現し構造物を設計することでした。戦略は合理的にGFPベースのDNA構築物の設計、ギブソンアセンブリ、遺伝子銃で葉細胞へのプラスミドの配信、および共焦点顕微鏡を用いた結…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者は、 ベンサミアナタバコ苗の寛大な寄付のためにマサチューセッツ総合病院のジェンシーンに感謝したいと思います。ジェン·ブッシュは、植物の成長、成長チャンバ領域を設定する際の助言が大きく私たちを助けた。ウィス大学のトム·フェランテは、共焦点顕微鏡で重要なヘルプを提供した。著者は、特に遺伝子銃および関連物資の寛大な寄付のためにボストン小児病院とWyssさん研究所のドンIngberに感謝したいと思います。このプロジェクトの資金は、MJVため、PAS、JCW、およびMDM、およびChimerionバイオテクノロジーによって、株式会社のためのエネルギー省高等研究計画局（ARPA-E賞＃DE-000079）との協力協定を通じて提供されていました。
Materials
| Oligonucleotide primers | IDT | (custom) | Design specifically for construct |
| GeneBlocks | IDT | (custom) | 500 bp oligonucleotides |
| ApE software | U Utah | (download) | http://biologylabs.utah.edu/jorgensen/wayned/ape/ |
| MinElute kit | Qiagen | 28004 | Used to purify PCR products |
| QIAprep spin miniprep kit | Qiagen | 27104 | Used to prepare cloning-appropriate amounts of plasmid |
| Phusion Master Mix with GC Buffer | NEB | M0532S | Used to PCR-amplify gene of interest |
| Gibson assembly reaction mix | NEB | E2611L | Master mix of the following 9 ingredients |
| 1 M Tris-HCl pH7.5 | Teknova | T1075 | Gibson assembly mix |
| 1 M MgCl2 | G Biosiences | 82023-086 | Gibson assembly mix |
| dNTP mix | Fermentas | R0192 | Gibson assembly mix |
| 1 M DTT | Fermentas | R0861 | Gibson assembly mix |
| PEG-8000 | Affymetrix | 19966 | Gibson assembly mix |
| NAD | Applichem | A1124,0005 | Gibson assembly mix |
| T5 exonuclease | Epicentre | T5E4111K | Gibson assembly mix |
| Phusion polymerase | NEB | F530S | Gibson assembly mix |
| Taq DNA ligase | NEB | M0208L | Gibson assembly mix |
| Gibthon.org | Website to simplify calculations | ||
| Plasmid PLUS Maxi kit | Qiagen | 12963 | Used to prepare DNA for gene gun bullets |
| Gene Gun system | BioRad | 165-2451 | Includes all parts necessary |
| Nicotania benthamiana | (n/a) | (n/a) | Gift of Jen Sheen, MGH |
| Confocal microscope | Leica | SP5 X MP | Imaging of resultant cells |
| Deep well slides | Electron Microscopy Sciences | 71561-01 | Used for confocal imaging |
| A Plasmid Editor (ApE) | University of Utah | http://biologylabs.utah.edu/jorgensen/wayned/ape | |
| Gibthon:Ligation calculator | http://django.gibthon.org/tools/ligcalc/ |
Referências
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