Yüksek verimlilik sıralaması kullanılması Tüm-Protein Doygunluk Mutagenez Kütüphaneleri Fonksiyonel Değerlendirme Protokolü
Summary
Biz yüksek verimli sıralama kullanan proteinlerin kapsamlı tek site doyma mutagenezi kütüphanelerinin fonksiyonel değerlendirme için bir protokol mevcut. Daha da önemlisi, bu yaklaşım kütüphane inşaatı ve sıralama multipleks dik primer çiftleri kullanır. ampisilin klinik olarak anlamlı bir doz için seçilen TEM-1 β-laktamaz kullanılarak Örnek sonuçlar verilmiştir.
Abstract
Site-directed mutagenesis has long been used as a method to interrogate protein structure, function and evolution. Recent advances in massively-parallel sequencing technology have opened up the possibility of assessing the functional or fitness effects of large numbers of mutations simultaneously. Here, we present a protocol for experimentally determining the effects of all possible single amino acid mutations in a protein of interest utilizing high-throughput sequencing technology, using the 263 amino acid antibiotic resistance enzyme TEM-1 β-lactamase as an example. In this approach, a whole-protein saturation mutagenesis library is constructed by site-directed mutagenic PCR, randomizing each position individually to all possible amino acids. The library is then transformed into bacteria, and selected for the ability to confer resistance to β-lactam antibiotics. The fitness effect of each mutation is then determined by deep sequencing of the library before and after selection. Importantly, this protocol introduces methods which maximize sequencing read depth and permit the simultaneous selection of the entire mutation library, by mixing adjacent positions into groups of length accommodated by high-throughput sequencing read length and utilizing orthogonal primers to barcode each group. Representative results using this protocol are provided by assessing the fitness effects of all single amino acid mutations in TEM-1 at a clinically relevant dosage of ampicillin. The method should be easily extendable to other proteins for which a high-throughput selection assay is in place.
Introduction
Mutagenez uzun biyolojik sistemler ve bunların evrim özelliklerini incelemek için, ve gelişmiş ya da yeni fonksiyonlara sahip mutant proteinler veya organizmalar üretmek için laboratuvarda istihdam edilmiştir. Erken yaklaşımlar organizmalardaki rastgele mutasyonların üreten yöntemler dayanıyordu birlikte, yeniden birleştirici DNA teknolojisi gelişi site-spesifik bir şekilde DNA seçme değişiklikler, örneğin., Mevkiye yönelik mutagenez, 1,2 tanıtmak etmesini sağlamıştır. Mevcut teknik, tipik olarak, bir polimeraz zincir reaksiyonu (PCR) mutajenik oligonükleotidler kullanılarak birlikte, belirli bir gen 3,4 mutasyonların az sayıda (örn.,, Nokta mutasyonlar) oluşturmak ve değerlendirmek için nispeten kolay olan. Bu çok daha zor ancak ne zaman gol yaklaşımları, örneğin, oluşturma ve değerlendirme tüm olası tek site (veya daha yüksek mertebeden) mutasyonları.
çok iken m çok sayıda değerlendirmek için çalışırken erken çalışmalarda öğrenilmiştirgenlerdeki utations, kullanılan teknikler 5-7 suşları bağımsız saçma baskılayıcı kullanarak her mutasyonun değerlendirmesini gerektiren, örneğin sık sık zahmetli olduğunu, ya da bağlı Sanger sıralama 8 düşük sıralama derinliği onların nicel yeteneği sınırlı kalmıştır. Bu çalışmalarda kullanılan teknikler, büyük ölçüde yüksek verimli DNA dizilemesi 9-12 kullanılarak yöntemlerle yerini edilmiştir. Kütüphane önce elde edilen ve bu kavramsal olarak basit yaklaşımlar fonksiyonu için bir ekran veya seçime kütüphane tabi, mutasyonlar çok sayıda içeren bir kütüphane oluşturma gerektirmez birlikte, ve sonra derin sıralama (yani.,> 10 6 dizilim mertebesinde okur) seçimden sonra. Bu şekilde, mutasyonlar, çok sayıda fenotipik veya spor etkileri, her mutantın popülasyon frekans değişikliği olarak temsil aynı anda daha nicel olarak değerlendirilebilir.
Biz daha önce bir ahmak tanıttı(., yani bütün bir protein doyma mutagenezi kütüphaneleri) proteinleri mümkün olan tüm tek amino asit mutasyonlarının kütüphaneleri değerlendirmek geçerli uzun dizileme daha büyük bir uzunluğa sahip genlere, le yaklaşımı uzunluğu 11,13 şöyledir: İlk olarak, her amino asit pozisyonu, randomize bir tarafından mutajenik PCR sitesine yönlendirilmiş. Bu işlem sırasında, bir gen dizisi platform tarafından yerleştirilmiş bir toplam uzunluğu bitişik pozisyon oluşan gruplara ayrılmıştır. Her bir grup için mutajenik PCR ürünleri daha sonra bir araya getirilmiş ve her bir grup, bağımsız olarak seçilmesi ve yüksek verimli dizilemesine tabi tutulmuştur. Dizisi ve sıralama okuma uzunluğu mutasyonların konumu arasında bir yazışma sürdürerek, bu yaklaşım maksimize sıralama derinlik avantajı vardır:. Bir sadece gruplar (örneğin, standart bir av tüfeği ile içine bölme olmadan kısa pencerelerde bu tür kütüphaneler sırası olabilir süre dizilim yaklaşımı) en vahşi tip ve dolayısıyla m şekilde elde edilen okumaboşa dizileme throughput ajority (80 en az% 100 amino asit (300 bp) pencereleri dizisi 500 amino asit proteini bütün bir protein doyma mutagenezi kütüphane, örneğin, doğal suş dizisi olacaktır kaydeder).
Burada, bir protokol (Şekil 1 'de ana hatlarıyla) yukarıdaki yaklaşım kullanılarak, tüm protein doyma mutagenezi kütüphaneleri fonksiyonel değerlendirmesi için yüksek verimli sekanslama kullanan şekliyle sunulmuştur. Daha da önemlisi, biz tarama veya seçime aynı anda maruz onları bir kütüphaneye çoklanÕr sağlar her sekans grubu, barkod kütüphane klonlama işleminde dik primerlerin kullanımı tanıtmak ve daha sonra derin dizileme için de-çoklanmış. dizi grupları bağımsız seçime tabi olmadığından, bu iş yükünü azaltır ve her mutasyon seçimi aynı düzeyde deneyimleri sağlar. TEM-1 β-laktamaz, yüksek düzeyde bir direnç kazandıran bir enzimβ-laktam antibiyotikler (örneğin., ampisilin) bakteri, bir model sistem 14-16 olarak kullanılır. Bir protokol E. TEM-1 bir bütün protein doyma mutagenezi kütüphanenin değerlendirilmesi için açıklanan ampisilin klinik dozu (50 ug / ml) 17,18 için yaklaşık bir serum düzeyinde seçimi altında E. coli.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada bir protokol, yüksek verimli DNA dizilemesi kullanılarak, tüm protein doyma mutagenezi kütüphaneleri fonksiyonel değerlendirme yapmak için tarif edilmektedir. yöntemin önemli bir özelliği, klonlama işlemi sırasında dik primerler kullanılmasıdır. Kısaca, her bir amino asit pozisyonu, mutajenik PCR ile randomize edilir ve birleştirilen dizi uzunluğu, yüksek verimli sekanslama ile yerleştirilmiştir pozisyonları gruba karıştırılır. Bu gruplar, ortogonal hazırlama yerleri, karıştırıl?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
R.R. acknowledges support from the National Institutes of Health (RO1EY018720-05), the Robert A. Welch Foundation (I-1366), and the Green Center for Systems Biology.
Materials
| Typtone | Research Products Intl. Corp. | T60060-1000.0 | |
| Yeast extract | Research Products Intl. Corp. | Y20020-500.0 | |
| Sodium chloride | Fisher Scientific | BP358-212 | |
| Potassium chloride | Sigma-Aldrich | P9333-500G | |
| Magnesium sulfate | Sigma-Aldrich | M7506-500G | |
| Agar | Fisher Scientific | BP1423-500 | |
| Tetracycline hydrochloride | Sigma-Aldrich | T7660-5G | |
| petri plates | Corning | 351029 | |
| MATLAB | Mathworks | http://www.mathworks.com/products/matlab/ | |
| Oligonucleotide primers | Integrated DNA Technologies | https://www.idtdna.com/pages/products/dna-rna/custom-dna-oligos | 25 nmol scale, standard desalting |
| pBR322_AvrII | available upon request | pBR322 plasmid modified to contain AvrII restriction site downstream of the TEM-1 gene | |
| pBR322_OP1 – pBR322_OP5 | available upon request | five modified pBR322 plasmids each containing a pair of orthogonal priming sites | |
| Q5 high-fidelity DNA polymerase | New England Biolabs | M0491L | includes 5X PCR buffer and PCR additive (GC enhancer) |
| 15 mL conical tube | Corning | 430025 | |
| Multichannel pipettes (Eppendorf ResearchPlus) | Eppendorf | ||
| PCR plate, 96 well | Fisher Scientific | 14230232 | |
| 96 well plate seal | Excel Scientific | F-96-100 | |
| Veriti 96-well thermal cycler | Applied Biosystems | 4375786 | |
| 6X gel loading dye | New England Biolabs | B7024S | |
| Agarose | Research Products Intl. Corp. | 20090-500.0 | |
| Ethidium bromide | Bio-Rad | 161-0433 | |
| UV transilluminator (FOTO/Analyst ImageTech) | Fotodyne Inc. | http://www.fotodyne.com/content/ImageTech_gel_documentation | |
| EB buffer | Qiagen | 19086 | |
| 96-well black-walled, clear bottom assay plates | Corning | 3651 | |
| Lambda phage DNA | New England Biolabs | N3011S | |
| PicoGreen dsDNA reagent | Invitrogen | P7581 | dsDNA quantitation reagent, used in protocol step 2.2.4 |
| Victor 3V microplate reader | PerkinElmer | ||
| DNA purification kit | Zymo Research | D4003 | |
| Microcentrifuge tubes | Corning | 3621 | |
| Long-wavelength UV illuminator | Fisher Scientific | FBUVLS-80 | |
| Agarose gel DNA extraction buffer | Zymo Research | D4001-1-100 | |
| AatII | New England Biolabs | R0117S | |
| AvrII | New England Biolabs | R0174L | |
| T4 DNA ligase | New England Biolabs | M0202S | |
| EVB100 electrocompetent E. coli | Avidity | EVB100 | |
| Electroporator (E. coli Pulser) | Bio-Rad | 1652102 | |
| Electroporation cuvettes | Bio-Rad | 165-2089 | |
| Spectrophotometer (Ultrospec 3100 pro) | Amersham Biosciences | 80211237 | |
| 50 mL conical tubes | Corning | 430828 | |
| Plasmid purification kit | Macherey-Nagel | 740588.25 | |
| 8 well PCR strip tubes | Axygen | 321-10-551 | |
| Qubit dsDNA HS assay kit | Invitrogen | Q32854 | dsDNA quantitation reagent |
| Qubit assay tubes | Invitrogen | Q32856 | |
| Qubit fluorometer | Invitrogen | Q32866 | |
| Ampicillin sodium salt | Akron Biotechnology | 50824296 | |
| MiSeq reagent kit v2 (500 cycles) | Illumina | MS-102-2003 | |
| MiSeq desktop sequencer | Illumina | http://www.illumina.com/systems/miseq.html | alternatively, one could sequence on Illumina HiSeq platform |
| FLASh software | John Hopkins University – open source | http://ccb.jhu.edu/software/FLASH/ | software to merge paired-end reads from next-generation sequencing data |
| AatII_F | GATAATAATGGTTTCTTAGACGTCAGGTGGC | ||
| AvrII_R | CTTCACCTAGGTCCTTTTAAATTAAAAATGAAG | ||
| AvrII_F | CTTCATTTTTAATTTAAAAGGACCTAGGTGAAG | ||
| AatII_OP1_R | ACCTGACGTCCGTATTTCAACTGTCCGGTCTAAGAAACCATTATTATCATGACATTAAC | ||
| AatII_OP2_R | ACCTGACGTCCGCTCACGGAGTGTACTAATTAAGAAACCATTATTATCATGACATTAAC | ||
| AatII_OP3_R | ACCTGACGTCGTACGTCTGAACTTGGGACTTAAGAAACCATTATTATCATGACATTAAC | ||
| AatII_OP4_R | ACCTGACGTCCCGTTCTCGATACCAAGTGATAAGAAACCATTATTATCATGACATTAAC | ||
| AatII_OP5_R | ACCTGACGTCGTCCGTCGGAGTAACAATCTTAAGAAACCATTATTATCATGACATTAAC | ||
| OP1_F | GACCGGACAGTTGAAATACG | ||
| OP1_R | CGACGTACAGGACAATTTCC | ||
| OP2_F | ATTAGTACACTCCGTGAGCG | ||
| OP2_R | AGTATTAGGCGTCAAGGTCC | ||
| OP3_F | AGTCCCAAGTTCAGACGTAC | ||
| OP3_R | GAAAAGTCCCAATGAGTGCC | ||
| OP4_F | TCACTTGGTATCGAGAACGG | ||
| OP4_R | TATCACGGAAGGACTCAACG | ||
| OP5_F | AGATTGTTACTCCGACGGAC | ||
| OP5_R | TATAACAGGCTGCTGAGACC | ||
| Group1_F | ACACTCTTTCCCTACACGACGCTCTTCCGATCTNNNNNGCATTTTGCCTACCGGTTTTTGC | ||
| Group1_R | GTGACTGGAGTTCAGACGTGTGCTCTTCCGATCTNNNNNTCTTGCCCGGCGTCAAC | ||
| Group2_F | ACACTCTTTCCCTACACGACGCTCTTCCGATCTNNNNNGAACGTTTTCCAATGATGAGCAC | ||
| Group2_R | GTGACTGGAGTTCAGACGTGTGCTCTTCCGATCTNNNNNGTCCTCCGATCGTTGTCAGAAG | ||
| Group3_F | ACACTCTTTCCCTACACGACGCTCTTCCGATCTNNNNNAGTAAGAGAATTATGCAGTGCTGCC | ||
| Group3_R | GTGACTGGAGTTCAGACGTGTGCTCTTCCGATCTNNNNNTCGCCAGTTAATAGTTTGCGC | ||
| Group4_F | ACACTCTTTCCCTACACGACGCTCTTCCGATCTNNNNNCCAAACGACGAGCGTGACAC | ||
| Group4_R | GTGACTGGAGTTCAGACGTGTGCTCTTCCGATCTNNNNNGCAATGATACCGCGAGACCC | ||
| Group5_F | ACACTCTTTCCCTACACGACGCTCTTCCGATCTNNNNNCGGCTGGCTGGTTTATTGC | ||
| Group5_R | GTGACTGGAGTTCAGACGTGTGCTCTTCCGATCTNNNNNTATATGAGTAAACTTGGTCTGACAG | ||
| 501_F | AATGATACGGCGACCACCGAGATCTACACTATAGCCTACACTCTTTCCCTACACGAC | ||
| 502_F | AATGATACGGCGACCACCGAGATCTACACATAGAGGCACACTCTTTCCCTACACGAC | ||
| 503_F | AATGATACGGCGACCACCGAGATCTACACCCTATCCTACACTCTTTCCCTACACGAC | ||
| 504_F | AATGATACGGCGACCACCGAGATCTACACGGCTCTGAACACTCTTTCCCTACACGAC | ||
| 505_F | AATGATACGGCGACCACCGAGATCTACACAGGCGAAGACACTCTTTCCCTACACGAC | ||
| 701_R | CAAGCAGAAGACGGCATACGAGATCGAGTAATGTGACTGGAGTTCAGACGTG | ||
| 702_R | CAAGCAGAAGACGGCATACGAGATTCTCCGGAGTGACTGGAGTTCAGACGTG |
Referências
- Hutchison, C. A., et al. Mutagenesis at a specific position in a DNA sequence. J Biol Chem. 253 (18), 6551-6560 (1978).
- Mullis, K. B., Faloona, F. A. Specific synthesis of DNA in vitro via a polymerase-catalyzed chain reaction. Methods Enzymol. 155, 335-350 (1987).
- Papworth, C., Bauer, J. C., Braman, J., Wright, D. A. Site-directed mutagenesis in one day with >80% efficiency. Strategies. 9 (3), 3-4 (1996).
- Higuchi, R., Krummel, B., Saiki, R. K. A general method of in vitro preparation and specific mutagenesis of DNA fragments: study of protein and DNA interactions. Nucleic Acids Res. 16 (15), 7351-7367 (1988).
- Rennell, D., Bouvier, S. E., Hardy, L. W., Poteete, A. R. Systematic mutation of bacteriophage T4 lysozyme. J Mol Biol. 222 (1), 67-88 (1991).
- Markiewicz, P., Kleina, L. G., Cruz, C., Ehret, S., Miller, J. H. Genetic studies of the lac repressor. XIV. Analysis of 4000 altered Escherichia coli lac repressors reveals essential and non-essential residues, as well as ‘spacers’ which do not require a specific sequence. J Mol Biol. 240 (5), 421-433 (1994).
- Kleina, L. G., Miller, J. H. Genetic studies of the lac repressor. XIII. Extensive amino acid replacements generated by the use of natural and synthetic nonsense suppressors. J Mol Biol. 212 (2), 295-318 (1990).
- Huang, W., Petrosino, J., Hirsch, M., Shenkin, P. S., Palzkill, T. Amino acid sequence determinants of beta-lactamase structure and activity. J Mol Biol. 258 (4), 688-703 (1996).
- Fowler, D. M., et al. High-resolution mapping of protein sequence-function relationships. Nat Methods. 7 (9), 741-746 (2010).
- Hietpas, R. T., Jensen, J. D., Bolon, D. N. Experimental illumination of a fitness landscape. Proc Natl Acad Sci U S A. 108 (19), 7896-7901 (2011).
- McLaughlin, R. N., Poelwijk, F. J., Raman, A., Gosal, W. S., Ranganathan, R. The spatial architecture of protein function and adaptation. Nature. 491 (7422), 138-142 (2012).
- Deng, Z., et al. Deep sequencing of systematic combinatorial libraries reveals beta-lactamase sequence constraints at high resolution. J Mol Biol. 424 (3-4), 150-167 (2012).
- Stiffler, M. A., Hekstra, D. R., Ranganathan, R. Evolvability as a Function of Purifying Selection in TEM-1 beta-Lactamase. Cell. 160 (5), 882-892 (2015).
- Matagne, A., Lamotte-Brasseur, J., Frere, J. M. Catalytic properties of class A beta-lactamases: efficiency and diversity. Biochem J. 330 (Pt2), 581-598 (1998).
- Salverda, M. L., De Visser, J. A., Barlow, M. Natural evolution of TEM-1 beta-lactamase: experimental reconstruction and clinical relevance. FEMS Microbiol Rev. 34 (6), 1015-1036 (2010).
- Weinreich, D. M., Delaney, N. F., Depristo, M. A., Hartl, D. L. Darwinian evolution can follow only very few mutational paths to fitter proteins. Science. 312 (5770), 111-114 (2006).
- Stewart, S. M., Fisher, M., Young, J. E., Lutz, W. Ampicillin levels in sputum, serum, and saliva. Thorax. 25 (3), 304-311 (1970).
- Giachetto, G., et al. Ampicillin and penicillin concentration in serum and pleural fluid of hospitalized children with community-acquired pneumonia. Pediatr Infect Dis J. 23 (7), 625-629 (2004).
- Ambler, R. P., et al. A standard numbering scheme for the class A beta-lactamases. Biochem J. 276 (Pt 1), 269-270 (1991).
- Magoc, T., Salzberg, S. L. FLASH: fast length adjustment of short reads to improve genome assemblies). Bioinformatics. 27 (21), 2957-2963 (2011).
- Melamed, D., Young, D. L., Gamble, C. E., Miller, C. R., Fields, S. Deep mutational scanning of an RRM domain of the Saccharomyces cerevisiae poly(A)-binding protein. RNA. 19 (11), 1537-1551 (2013).
- Bank, C., Hietpas, R. T., Jensen, J. D., Bolon, D. N. A systematic survey of an intragenic epistatic landscape. Mol Biol Evol. 32 (1), 229-238 (2015).
- Dove, S. L., Joung, J. K., Hochschild, A. Activation of prokaryotic transcription through arbitrary protein-protein contacts. Nature. 386 (6625), 627-630 (1997).
- Romero, P. A., Tran, T. M., Abate, A. R. Dissecting enzyme function with microfluidic-based deep mutational scanning. Proc Natl Acad Sci U S A. 112 (23), 7159-7164 (2015).
