Method Article
הומולוגי רקומבינציה טכניקות מאוד לקדם דרוזופילה גנטיקה כך שהיא מאפשרת יצירת מוטציות מולקולריות מדויקות. האימוץ האחרון של recombineering מאפשר לתפעל את החתיכות גדולות של ה-DNA ולהפוך אותם דרוזופילה 6. השיטות שהוצגו כאן משלבים טכניקות אלה כדי ליצור במהירות הומולוגי רקומבינציה וקטורים גדולים.
המשך הפיתוח של טכניקות למניפולציה מהירה, בקנה מידה גדולה של לוקוסי גנים אנדוגניים יהיה להרחיב את השימוש בתסיסנית כאורגניזם מודל גנטי למחקר הקשור לאדם מחלה. בשנים אחרונות חלו התקדמות טכנולוגית כמו הומולוגי רקומבינציה וrecombineering. עם זאת, יצירת מוטציות null חד משמעיות או חלבונים אנדוגניים תיוג נשארה מאמץ משמעותי עבור רוב הגנים. כאן, אנו מתארים ומדגימים טכניקות לשימוש בשיטות שיבוט מבוססות recombineering לייצר וקטורים שניתן להשתמש בם כדי למקד ולטפל לוקוסים אנדוגניים in vivo באופן ספציפי, הקמנו שילוב של שלוש טכנולוגיות:. (1) transgenesis BAC / recombineering, ( 2) (3) טכנולוגית Gateway הומולוגית רקומבינציה קצוות החוצה וכדי לספק שיטה יציבה, יעילה וגמישה למניפולצית לוקוסים הגנומי אנדוגניים. בפרוטוקול זה, אנו מספקים פרטי צעד אחר צעד על איך (1) העיצוב individuaוקטורי l, (2) איך לשכפל ברים גדולים של הדנ"א הגנומי לתוך וקטור רקומבינציה הומולוגית באמצעות תיקון פער, ו (3) איך להחליף או לתייג את הגנים של עניין בתוך וקטורים אלה באמצעות סיבוב שני של recombineering. לבסוף, אנו גם מספקים פרוטוקול לאיך לגייס את הקלטות הללו in vivo כדי לייצר פצצה, או גן מתויג באמצעות דפיקה ב. בקלות ניתן לאמץ שיטות אלה למטרות מרובות במקביל ולספק אמצעי למניפולציה של הגנום דרוזופילה במועד ויעיל.
נקה מניפולציות מולקולריות מוגדרות של גנים בודדים בלוקוסים אנדוגניים מציעים כלי רב ערך כדי ללמוד מספר עצום של שאלות רלוונטיות לביולוגיה אוקריוטים. תסיסנית להפוך טכניקות גנטיות ליצירת אללים אובדן של פונקציה שהוכיחה להיות מאתגרים עד Golic ועמיתיו הציגו בשנת מיקוד גן vivo באמצעות הומולוגי רקומבינציה לדרוזופילה 1-3. הם הוכיחו כי לוקוסים הגנומי ספציפיים יכולים להיות ממוקדים באמצעות שבר ליניארי של DNA ממבנה מהונדס משולב. דנ"א זה ליניארי "תורם" נוצר in vivo באמצעות רקומבינציה FRT בתיווך (לבלו את ה-DNA מכרומוזום כמולקולה מעגלית) ואחריו ינאריזציה עם meganuclease I-SCEI. למרות שמתודולוגיה זו שימש בהצלחה ליצירת מגוון רחב של נגעים מוגדרים, הטכניקה לא הייתה להרחבה בקלות למניפולציה של גנים רבים במקביל כי כל indiviדורש מבנה נוקאאוט כפול עיצוב ייחודי ומותאם אישית. לדוגמה, קשיים בצורה חלקה מניפולציה שברים גדולים של ה-DNA (> 5 קילו) במבחנה באמצעות אנזים הגבלה קלסית / קשירה או שיבוט PCR, כמו גם את מגבלות הגודל של מסורתי בוקטורי שינוי vivo לעתים קרובות מפריעים ליצירה המהירה של הומולוגי רקומבינציה מיקוד וקטורים. כדי להתגבר על המגבלות האלה, אנחנו בשילוב P [acman] מערכת recombineering / transgenesis, המאפשר תת השיבוט וtransgenesis של עד 100 קילו של ה-DNA, עם קצוות החוצה גן מיקוד המתודולוגיה להקים פלטפורמה יעילה ומהירה יחסית כי הגן מאפשר תסיסנית מיקוד.
רקומבינציה בתיווך הנדסה גנטית (recombineering) היא הומולוגי רקומבינציה מבוססת טכנולוגיית שיבוט עוצמה 4,5. בניגוד לשיבוט אנזים / האנזים הגבלה קונבנציונלי, recombineering אינו מוגבל על ידי הרצף או sizדואר של ה-DNA מניפולציות. Recombineering משתמש א 'מיוחד זן חיידק שמטפח מכונות רקומבינציה מסופקות על ידי λ פגום prophage 4. טכניקה זו אומצה לאחרונה לשימוש בדרוזופילה 6,7. Recombineering בדרוזופילה מסתמך על כרומוזום שונה מותנה amplifiable קטריאלי מלאכותי (BAC) וקטור נקרא P [acman] 6,7. וקטור זה נושא שני מקורותיה של שכפול: OriV, אשר מייצר מספר גבוה עותק על זירוז כימי לטיהור כמויות גדולות של DNA הנדרשות לריצוף והזרקת עובר וOris, אשר שומר על מספר נמוך עותק בתנאים בסיסיים. בנוסף, P [acman] הווקטור מצויד באתר מצורף חיידקים (attB). אתר attB משמש כמצע לΦC31 transgenesis integrase בתיווך המאפשר שילוב של קטעי דנ"א גדולים לתוך אתר נחיתה קבוע מראש בתוך הגנום תסיסנית 8,9.
יש לנו שנוצרו P [acman] וקטור (המכונה P [acman]-KO 1.0) שיכול לשמש כוקטור למיקוד מסתיים החוצה הומולוגי רקומבינציה 10,11. לשלב קצוות החוצה גן מיקוד טכנולוגיה למערכת, הוספנו שניים FRT ושני אתרי I-SCEI. יש לנו גם כללו קלטת שער בתוך וקטור שונה זה כדי לייעל את התהליך של שילוב זרועות ההומולוגיה לP [acman]-KO 1.0. זה מספק דרך מהירה ופשוטה כדי להציג כמעט כל אזור גנומי עניין לתוך וקטור המיקוד. בפרוטוקול זה נתאר כיצד להנדס וקטור באמצעות מיקוד P [acman]-KO 1.0, ואיך לגייס את הווקטור הזה in vivo למקד את לוקוס אנדוגני. לצורך הפרוטוקול זה אנו נשתמש בקלטת RFP / קאן להחליף גן של עניין, אלא מגוון רחב של קלטות המכילות סמן בחירת אנטיביוטיקה ניתן להשתמש בפרוטוקול זה. יש לנו תוכננו ושימש בהצלחה סדרה של קלטות עבורהחלפת גן ותיוג 10,11.
1. בחירה של BAC ואזור ליעד
2. הכנס את נשק הומולוגיה לP [acman] 1.0-KO
μl 1 | ה-DNA מminiprep המלוכלך מצעד של 1.2 באק |
0.25 μl כל | 20 מיקרומטר פריימר |
2.5 μl | 10X PfuUltra השני הצפת |
0.75 μl | 10mm (כל אחד) dNTP |
0.5 μl | פולימראז ה-DNA השני פיוז'ן HotStart PfuUltra |
19.75 μl | מים |
25 μl | סה"כ נפח |
Step1 | ° C 2 דקות 95 להפעלת אנזים |
Step2 | 95 ° C 20 שניות לפגל |
שלב 3 | 60 ° C 20 שניות חישול |
Step4 | 72 מעלות צלזיוס הארכה שנייה 20 |
Step5 | עבור לשלב 2 וחזור 29 מחזורים |
Step6 | 4 מעלות צלזיוס החזק |
0.5 μl כל | לוס אנג'לס וRA מוצר PCR המטוהר כ 10-30 ng |
0.25 μl כל | 20 מיקרומטר פריימר |
2.5 μl | 10X PfuUltra השני הצפת |
0.75 μl | 10mm (כל אחד) dNTP |
0.5 μl | פולימראז ה-DNA השני פיוז'ן HotStart PfuUltra |
19.25 μl | מים |
25 μl | סה"כ נפח |
Step1 | ° C 2 דקות 95 להפעלת אנזים |
Step2 | 95 ° C 20 שניות לפגל |
שלב 3 | 55 ° C 20 שניות חישול (טמפ התחתון. כדי לאפשר לזרועות כדי לחשל) |
Step4 | 72 מעלות צלזיוס הארכה שנייה 20 |
Step5 | עבור לשלב 2 ולחזור מחזור 1 |
Step6 | 95 ° C 20 שניות לפגל |
Step7 | 60 ° C 20 שניות חישול |
Step8 | 72 מעלות צלזיוס הארכה שנייה 20 |
Step9 | עבור לשלב 2 וחזור 27 מחזורים |
Step10 | 4 מעלות צלזיוס החזק |
3. Recombining האזור הגנומי של עניין לP [acman] 1.0-KO
יום 1
יום 2
יום 3
4. החלפת האזור הגנומי עם קלטת המיקוד
יום 4
יום 5
יום 6
יום 7
יום 8
5. הזרקת זבובים וגיוס קלטת בVivo
הגברה של לוס אנג'לס וזרועות הומולוגיה RA צריכה לייצר 500 מוצרי BP ותגובת PCR-SOE אמורה להניב 1.0 קילו מוצר (סעיפים 2.1-2.4; איור 2). תגובת BP ביצע בסעיף 2.5 היא בדרך כלל שינוי מאוד יעיל וחיידקים של תשואות מוצר 5-100 מושבות בממוצע. כמעט כל המושבות שנבדקו עם PCR לבדוק להראות את המוצר ה-PCR הצפוי.
במהלך הסיבוב הראשון של recombineering (סעיף 3) מצפה לקבל מושבות 20-40 לאחר הפיכתו של P מתעכל [acman]-KO-1.0 המכיל את זרועות RA לוס אנג'לס ולתוך SW102 תאים. 40-60% משיבוטים אלה ישאו את מוצר רקומבינציה הרצויה. השליטה ללא חום ההלם צריכה להכיל מעט מאוד, אם בכלל, בהשוואה למושבות תאי חום ההמום. הופעתו של אותו המספר של מושבות על שניהם מדגם ולוחות בקרה בדרך כלל מעידה על קיומו של פלסמיד לא חתוך או איזה זיהום אחר. במקרה זה, ניסוי שוLD להיות מושלך וחזר, הפעם לעכל P [acman]-KO-1.0 נושאים את לוס אנג'לס וזרועות להשלמת RA בעקבות ההוראה המתוארת בשלב 3.2. דוגמה לבדיקת PCR לאחזור של אזור הגנומי של עניין לP [acman]-KO 1.0 שבי ≈ 60 מושבות התקבלו מוצגת באיור 3. כאן 60% מהמושבות שנבדקו נשאו חייב להילקח product.Care רקומבינציה הרצויה שמוצרי ה-PCR הנצפים לרוץ בגודל חזה, שכן להקות PCR סוטה בדרך כלל מצביעות על אירועי recombineering שגויים.
לפעמים אין מושבות יגדלו לאחר הסיבוב הראשון של recombineering. שימוש בתאים עם יעילות תת אופטימלית מייצג את הגורם השכיח ביותר לתגובת recombineering נכשלה. שמירה על התא הקר בכל העת במהלך תקופת ההכנה שלהם והטיפול עדין בשוטף (לא מערבולת) היא קריטית להשגת תאים מוסמכים באיכות גבוהה. נסה להשתמש תמיד טרי מתעכל / מטוהר P [acman]-KO-1.0-DNA כדי להשיג את היעילות הגבוהה ביותר.
לפעמים הסיבוב הראשון של מושבות תשואות recombineering אבל מושבות אלה לא לעבור את בדיקת PCR assay. זה בדרך כלל מעיד על מוצרי recombineering שגויים אבל תוצאה כזו עשויה גם להצביע על בעיות פוטנציאליות עם אחד מסטי פריימר. כדי לאמת את פריימר PCR-הגעה לוס אנג'לס, הקים תגובת PCR בשילוב עם attB1-I-SCEI-LA-F. כדי לאמת את בדיקת PCR-RA-להגדיר תגובת PCR עם attB2-I-SCEI-RA-R. בשני המקרים להשתמש BAC המקורי כתבנית. PCR תגובות אלה אמורות להניב תוצרים של הגודל הצפוי, אשר ישתנו בהתאם לרצף של פריימרים הסימון. תוצאות חיוביות מניסוי שליטה זו תהיה לשלול את האפשרות שחוסר יכולת לזהות שיבוטים חיוביים בשל חוסר יעילות פריימר.
אם ניסיתי בסיבוב הראשון של recombineering מספר פעמים בעקבות הפרוטוקול לעיל ללא כל הצלחה ובצע את כלהציע פקדים, מומלץ לבחור בזוג חדש של 500 זרועות הומולוגיה נ"ב. מסיבות שאינן ברורים בעת הנוכחית, חלק מהאזורים גנטיים עמידים מאוד בפני רקומבינציה ה-DNA. לפעמים פשוט עיצוב זרועות הומולוגיה חדשה ולהעביר אותם לכיוון או הרחק מהגן של עניין פותר את הבעיות הללו.
הסיבוב השני של recombineering (סעיף 4) הוא בדרך כלל הרבה יותר יעיל. בדרך כלל 30-50 מושבות הם נצפו לאחר שינוי, עם 90-95% מאלה המכילים את המבנה הרצוי. הבעיה הנפוצה ביותר בשלב זה הוא השגת מושבות חיוביות שגויות. איור 4 מראה דוגמאות של שיבוטים חיוביים אמת ושקר, לאחר הסיבוב שני של recombineering (סעיף 4).
איור 1. סכמטי של עמ 'rocess לייצר P [acman] מיקוד וקטור 1.0-KO. השתנה מצ'אן et al. (2012). לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.
איור 2. סכמטי של שחבור על ידי חפיפת PCR (PCR SOE) שבוצע בשלב 2.3. לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.
איור 3. PCR-ג'ל לבדוק יעילות של האירוע מראה recombineering הראשון נתיב אחד מייצג מושבה אחת:.. מושבות נבדקו על יד שמאל. אינטגרציה באמצעות T7 ופריימרים סימון-LA ב ': אותם המושבות כמו שנבדקו, לשילוב יד ימין באמצעות T3 ו-RA סימון primers.1kb פלוס בסולם הדנ"א שימש כסמן משקל מולקולרי. הערה: בשל תחול עניים של T3 פריימר יחסית לT7, הלהקות של סימון זרועו הימני היו כהות יותר באופן משמעותי. זה צריך להילקח בחשבון בעת הצגת ג'ל.
איור 4. ה-DNA agarose ג'ל מראה פלסמידים משקל מולקולריים גבוהים (P [acman]) ומשקל מולקולרי נמוך פלסמיד (תבנית מעוכלת) מבודדים משיבוטים חיוביים פוטנציאליים לאחר הסיבוב השני של recombineering. DNA היה מבודד מ4 שיבוטים חיוביים פוטנציאליים ורץ על 1% agarose ג'ל מוכתם ברומיד ethidium. שיבוטים 1,3 ו -4 הם שיבוטים חיוביים אמיתיים. שיבוט 2 הוא חיובי כוזבת כאמור על ידי כל הצורות של AP lasmid שפועל לשאוג 12 KB (להקת הגודל הגדולה ביותר במסלול סולם DNA). סולם 1 קילו פלוס DNA שימש כסמן משקל מולקולרי.
איור 5. מבחן לאירוע רקומבינציה רצוי על ידי הגבלת אנזים עיכול. בדוגמא לעיל מוצג מחשב חזה דפוס פסים של P [acman] לפני-KO CG32095 ולאחר הסיבוב השני של recombineering. ארבעה אנזימים שונים ששימשו: פאצ'י, asci, AatII וBamHI. המוצר בצורה נכונה recombined יקבל את אותן להקות כמו P ההורים שלה [acman]-KO CG32095 פרט לשינוי (ראשי חץ) המיועד. NEBcutter V2.0 שימש לנבא את דפוס הלהקה.
0346/50346fig6highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50346/50346fig6.jpg "/>
איור 6. סכמטי המתאר את ההתגייסות של קלטת מיקוד in vivo. לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.
טבלת מס '1. Primers. לחץ כאן לצפייה בטבלה גדולה יותר.
כוחו של אורגניזמים מודל גנטיים במחקר ביו מבוסס במידה רבה על הכלים הזמינים למניפולציה גנטית. הדגמים הקטנים ג elegans ותסיסנית בפרט יאפשר לניתוח גנטי מולקולרי זול ומהיר של מסלולים שלמים ומשפחות הגן מעורבים בהתפתחות או תפקוד רב תאיים. בשנים אחרונות חלו התקדמות משמעותית בפיתוח כלי למניפולציה של גנים בדרוזופילה 14,15. לדוגמה, recombineering, אשר נמצאה בשימוש נרחב בגנטיקת עכבר כדי לתפעל בונה DNA BAC, הותאם לאחרונה לדרוזופילה, באמצעות השימוש בP [acman] הווקטור וtransgenesis ΦC31 בתיווך 6. קלטות בחירה שונות מאפשרות כניסה או מחיקה של רצפים ספציפיים בכל מקום בתוך מבנה באמצעות חיידקים מוסמכים רקומבינציה 4,13. יש לנו שונה מקורי P [acman] וקטור, כך שניתן להשתמש בו לבנייה בהומולוגי רקומבינציה וקטורי vivo כי יעד לוקוסים אנדוגניים בדרוזופילה. וקטור חדש זו מאפשר לאדם ליצור קלטות מיקוד עם זרועות הומולוגיה גדולות יותר מאלו שיכולים להתבצע בקלות באמצעות גזירה והדבקת שיטות שיבוט. יתרה מזאת, קלטת Gateway-שיבוט יש גם שולבה הווקטור הזה, המאפשר לאחד במהירות וביעילות להציג את הדנ"א הגנומי חדש למערכת.
למרות שרוב המתודולוגיה שתוארה כאן הוא פשוט, יש כמה צעדים שנמצאנו קריטי להצלחה של הטכניקה. בשל גודלו של ה-DNA מניפולציות (> 15 KB), בסיבוב הראשון של תגובת recombineering (סעיף 3) מהווה מכשול טכני משמעותי. לפיכך, סיבוב recombineering זה מחייב פרוטוקול רקומבינציה יעיל מאוד. התאמות פרוטוקול שוליות לכאורה, כמו גידול התאים לצפיפות נמוכה יותר, שטיפת התאים שלוש פעמים במקום שתיים ועם גליצרול 10% במקום DH 2 </ Sub> O 13, שיפרו מאוד את יעילות טרנספורמציה של התאים המוסמכים recombineering שלנו. בנוסף, דואג לוודא לוס אנג'לס / RA המכיל P [acman] הוא חתך להשלמה עם BamHI (שלב 3.1) מבטל חיובי שגוי רבות.
אירועי רקומבינציה לא רצויים מייצגים בעיה שכיחה למדי אחרת במהלך recombineering. לדוגמה, יש לנו ציינו מקרים של כפילויות והתקה בתוך מבנים שונים. אירועים אלה יכולים להוביל לבעיות רבות במהלך שינוי דרוזופילה ובגן vivo מיקוד. אימות PCR וניתוח רצפים לא יכולים לזהות את כל האירועים האלה. לפיכך, ניתוח אנזים הגבלה חייבת להתבצע על המוצר המשובט האחרון לפני הזריקה של ה-DNA לעוברי. בדיקה סופית זו הוכיחה קריטית ואפשרה לנו להימנע מהזרקת מבנים המכילים סטיות לא רצויות.
מקסי prepping וקטור המיקוד ממש לפני injection ואף פעם לא מקפיא את ה-DNA משפר באופן משמעותי את יעילות טרנספורמציה של המבנים הגדולים האלה לתוך דרוזופילה. בקיצור, פרטים קטנים עושים את הבדל גדול בהצלחה של שיטות אלה. הפרוטוקולים מפורטים והפגינו כאן מייצגים תובנות ממספר המקורות שונים והניסיון שלנו.
בזמן שאנחנו מקווים הפרוטוקול המובא כאן עוזר לאחרים לאמץ שיטות recombineering במעבדות שלהם, אנחנו מאמינים ששיפורים נוספים וחידודים למתודולוגיה הם עדיין אפשרי. מדי פעם, שברים הגנומי ספציפיים הם קשים לתפעל באמצעות recombineering מסיבות שאינן ברורים לגמרי. יתר על כן, למרות מאמצינו לחסל רקע לא רצוי, אנחנו עדיין מוצאים שחלקים מסוימים של הדנ"א הגנומי נוטים לייצר מוצרים סופיים באופן שגוי recombineered. הבנה עמוקה יותר של תהליך recombineering עשויה להניב פרוטוקולים אופטימליים יותר בעתיד והדיון הפתוח שלrecombineering כישלונות וסיפורי הצלחה תשקוד על השימוש המוצלח של טכניקות רבי עוצמה אלה על ידי קהילת המחקר הרחבה יותר.
אין לי המחברים כל אינטרסים מתחרים בכל הקשור לטכניקות שתוארו כאן.
ברצוננו להודות לוגו Bellen ומרכז מאגר בלומינגטון לחומרים כימיים. בנוסף, אנו מודים כהן Venken, הוגו Bellen וכל חברי Buszczak וHiesinger המעבדות לדיונים מועילים. עבודה זו נתמכה על ידי מענקים מהמכון הלאומי לבריאות לACR (T32GM083831), PRH (RO1EY018884) ומגה (RO1GM086647), מענק על ידי מניעת סרטן מכון המחקר של טקסס למגה וPRH (RP100516), וולץ' קרן (I-1657) לPRH. מגה הוא א 'א' וגריר גרסון Fogelson Scholar במחקר ביו וPRH הוא חוקר יוג'ין מק 'דרמוט במחקר ביו במרכז רפואי UT Southwestern.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Name of the reagent | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
SW102 Recombination competent bacteria | NCI-Frederick | Recombination Bacteria (SW102, SW105 and SW106) | http://ncifrederick.cancer.gov/research/brb/logon.aspx |
TransforMax EPI300 electrocopmpetent E. coli | Epicentre | EC300110 | Includes CopyControl induction solution |
PfuUltra II Fusion HS DNA Polymerase | Aligent Technology Inc. | 600670 | |
BamHI-HF | New England Biolabs | R3136S | |
Zymoclean Gel DNA Recovery Kit | Zymo Research | D4001 | |
Use Gateway BP ClonaseII Enzyme kit | Invitrogen | 11789-020 | |
P[acman]KO1.010 | Buszczak and Hiesinger Labs | Upon request | |
pENTR RFP-Kan11 | Buszczak and Hiesinger Labs | Upon request | |
Flystocks | Bloomington stock center | Stock numbers: 25680, 25679 | y1 w*/Dp(2;Y)G, P{hs-hid}Y; P{70FLP}11 P{70I-SceI}2B snaSco/CyO, P{hs-hid}4 y1 w*/Dp(2;Y)G, P{hs-hid}Y; P{70FLP}23 P{70I-SceI}4A/TM3, P{hs-hid}14, Sb1 |
Electroporation machine | Biorad GenePulser Xcell with PC module | 165-2662 | |
Cuvettes | Fisher Brand | #FB101 |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved