Red/ET同源重组技术及其在微生物基因组挖掘中的应用进展

Red/ET同源重组技术(Red/ET recombineering)是由来源于大肠杆菌λ噬菌体的蛋白对Redα/Redβ或来源于Rac原噬菌体的蛋白对Rec E/Rec T所介导的基于短同源臂(40–50 bp)的同源重组技术,能对宿主DNA序列进行快速、高效、精确的修饰和操作。本文主要综述了2010年以来Red/ET同源重组技术在大肠杆菌及其他细菌中的研究进展,同时简要介绍了该技术在微生物基因组挖掘,尤其是在微生物基因簇的异源表达领域的应用进展。     

Red/ET同源重组技术在载体构建中的应用

Red/ET同源重组技术是以原有的重组技术为基础,利用Rac噬菌体ET系统或者λ噬菌体的Red系统进行外源基因重组的重组方法。该方法使同源重组过程变得更方便快捷。本文对Red/ET同源重组技术的原理,改进和载体构建方面的应用做了综述。     

噬菌体重组酶介导的DNA同源重组工程

来源于噬菌体的遗传操作工具在基因工程中具有非常重要的地位,例如位点特异性重组酶、柯斯质粒DNA文库及同源重组酶等。其中,来源于lambda噬菌体的同源重组酶Redα/Redβ和来源于Rac原噬菌体的同源重组酶RecE/RecT能够高效地介导35–50 bp短同源臂之间的重组。基于噬菌体同源重组酶Redα/Redβ和RecE/RecT开发的DNA同源重组工程（Recombineering）能够对靶标DNA分子进行快速、精准、高效的修饰,不受限制性内切酶识别位点和DNA分子大小限制,已发展成为一种新型的基因工程技术。本文主要综述了噬菌体同源重组酶及其作用机制、在大肠杆菌及其他细菌中的应用和开发,以及在微生物次级代谢产物的挖掘、动植物转基因、病毒基因组克隆和修饰等方面的应用。原位激活沉默基因簇需要宿主特异性的DNA同源重组工程进行启动子和调控元件的修饰;异源表达次级代谢产物的首要步骤一般是通过RecET直接克隆大的DNA片段;动植物转基因复杂载体的构建效率在有了Red同源重组系统以后有了革命性的发展;RecET直接克隆和Red同源重组介导的感染性克隆构建和修饰方法,不仅有利于病毒基因组功能研究,同时也为载体疫苗开发提供了最优方案。     

Red同源重组技术研究进展

伴随着分子生物学的发展,一种基于λ噬菌体Red重组酶的同源重组系统已应用于大肠杆菌基因工程研究。Red重组系统由三种蛋白组成:Exo蛋白是一种核酸外切酶,结合在双链DNA的末端,从5′端向3′端降解DNA,产生3′突出端;Beta蛋白结合在单链DNA上,介导互补单链DNA退火;Gam蛋白可与RecBCD酶结合,抑制其降解外源DNA的活性。Red同源重组技术具有同源序列短(40～60bp)、重组效率高的特点。这种技术可在DNA靶标分子的任意位点进行基因敲除、敲入、点突变等操作,无需使用限制性内切酶和连接酶。此外,这种新型重组技术可直接将目的基因克隆于载体上,目的基因既可来源于细菌人工染色体也可是基因组DNA。Red同源重组技术使难度较大的基因工程实验顺利进行,大大推动功能基因组研究的发展。     

重组工程系统研究进展

大肠杆菌的同源重组依靠内源性的RecA蛋白。RecBCD降解双链线性DNA分子,因此必须构建环状质粒打靶载体才能完成体内重组,操作过程繁琐,所需同源臂长。最近建立起的依赖于Rac噬菌体的ET重组系统和基于入噬菌体的Red重组系统,可有效利用线性DNA片段作为打靶分子,对大肠杆菌染色体DNA和BAC、PAC载体中包含的真核细胞基因组DNA进行基因敲除、敲入、替换、单碱基突变及体内基因克隆等修饰。这2种系统重组效率高,用PCR方法便可合成双链线性DNA打靶分子,不需要限制酶和连接酶,操作过程简单、精确、快速、经济,大大缩短了构建打靶载体的时间,成为功能基因组研究的有力工具。     

Red重组技术研究进展

主要从Red系统组成元件、作用机理、重组策略以及先进性和发展前景四个方面综述了利用Red 重组系统敲除或替换细菌染色体目的基因的方法。首先简要介绍了传统的细菌染色体重组技术,指出了其中的缺陷。然后提出了Red重组技术的定义：利用噬菌体Red系统介导来实现外源线性DNA片断与细菌染色体的靶基因进行同源重组的方法,外源线性DNA通常是PCR产物、寡核苷酸片断等,在它们的两翼各含有与染色体靶基因两翼同源的序列40~60bp。这种Red重组技术省去了体外DNA酶切和连接等步骤,使细菌染色体靶基因的敲除与替换操作相对简单,逐渐成为基因功能探索以及新菌株构建的有力手段。     

Red/ET重组在基因打靶载体快速构建中的应用

通过合理应用Red/ET重组技术实现基因打靶载体的快速构建。在Red/ET重组介导下,首先从基因组DNA中将靶基因片段亚克隆至打靶质粒载体中,随后将两端带有50 bp同源臂的抗性筛选基因插入并替换靶基因上的目标序列,如此两步操作即可完成一个传统型基因敲除打靶载体的构建;结合Cre-loxP系统,在传统型基因敲除打靶载体的基础上,经过再一轮的Red/ET重组就能够成功实现条件性基因敲除打靶载体的构建。整个实验过程不需要PCR扩增长、短臂序列,也不涉及酶切、连接反应,因此,不仅省时、省力,而且所构建的基因打靶载体序列准确,无突变。此实验方法的建立为加速后基因组时代的基因功能研究提供了一条捷径。     

重组工程及其应用

随着功能基因组研究的需要 ,新近建立起一项新型高效的基于体内同源重组的遗传工程技术———重组工程技术。重组工程可定义为 :基于噬菌体短同源序列重组功能的遗传工程 ,或者基于同源重组的遗传工程。λ噬菌体Red系统完全不同于传统的依赖RecA的大肠杆菌重组系统 ,特点是使用长度仅为 <5 0个碱基的同源臂高效率地催化体内同源重组反应。体内重组过程不再需要预先构建含有同源序列的质粒或噬菌体的中间产物 ,只需要简单在体外合成寡核苷酸同源序列 ,或者用PCR方法合成线性打靶序列。重组反应不依赖大肠杆菌RecA系统 ,不需要限制性内切核酸酶和连接酶 ,不需要复杂的体外重组操作 ,可在大肠杆菌体内对染色体DNA、对BAC和PAC质粒或普通质粒载体进行精确的修饰 ,包括真核或原核细胞基因组DNA的基因敲除、基因敲入、基因克隆和各种突变体的引入。由于该技术具有高效率、简单性和应用的广泛性等独特优点 ,将来完全有可能取代传统的遗传工程技术。主要介绍了λ噬菌体Red重组酶系统及重组工程在功能基因组研究方面的应用与进展     

用Red/ET重组酶构建基因打靶载体

基因敲除的小鼠模型是研究基因功能的一种重要资源。采用常规分子克隆的方法建立基因敲除的打靶载体存在构建效率低和难以获得长片段同源臂的缺点。因此快速高效地构建打靶载体,已成为获得特定基因敲除动物模型的关键环节。为研究Resp18未知功能分泌肽基因,应用一种新的DNA工程平台——Red/ET同源重组技术来构建其打靶载体,并比较了这一方法在构建不同长度同源臂中的效率。研究表明,Red/ET重组方法构建打靶载体具有很高的效率,可以获得较长的同源臂,并且不会引入突变,有助于获得更高的打靶效率。因此Red/ET重组为构建打靶载体提供了一种新的可靠的方法。     

生物工程技术讲座[八]

应用微细胞检测基因产物的方法由于质粒和噬菌体等的DAN分子能在细胞内进行自我复制,以及DNA重组技术的普及,质粒DNA做为异源性DNA分子的载体,在基因工程中目前已被广泛应用。在克隆或分析真核生物或原核生物的多种不同基因时,常用检测基因表达来确定其存在。把含有某一目的基因的DNA片段和载体质粒的DNA进行重组,再通过重组DNA在受体细胞中的转录、翻译、     

噬菌体重组酶系统在合成生物学中的应用*

合成生物学技术采用工程化设计理念,对生物体进行有目标的设计、改造乃至重新合成,对重塑非自然功能的“人造生命”具有重要意义。噬菌体重组系统具有高效、精确和广谱适用性等特点,在基因工程、代谢工程以及生物治疗等合成生物学领域得到了广泛的应用。从基因电路、体内遗传改造和体外重组等方面全面阐述了噬菌体重组系统在合成生物学研究的现状及热点,对当前该系统的局限性进行了探讨,并就未来的研究和发展趋势进行了展望。     

A novel method for gene-targeting vector construction—Red/ET recombination

The study of the function of novel human genes has become an increasingly active academic field with the gene-knockout (KO) mouse model forming the basis of this study. Because of the low efficiency of recombination of targeting vector constructed using the traditional method, the KO mouse model has become the key step in the construction of a targeting vectors, both economically and efficiently. To study the function of a novel gene (Resp18), a novel DNA engineering platform, Red/ET recombination, was introduced to construct the Resp18 targeting vector. Red/ET recombineering differs from the conventional methods of vector construction (e.g., PCR, restriction enzyme digestion, and ligation), and genetic modification is accomplished by acquisition, insertion, fusion, or replacement of the target gene through small fragments-mediated homologous recombination. At present, Resp18 targeting vectors constructed using three strategies mentioned above were successfully released through two homologous recombination processes of retrieval and neo-targeting. Red/ET recombination has the advantage of producing genes with longer homology regions without mutation.     

Differential Requirements of Singleplex and Multiplex Recombineering of Large DNA Constructs

Recombineering is an in vivo genetic engineering technique involving homologous recombination mediated by phage recombination proteins. The use of recombineering methodology is not limited by size and sequence constraints and therefore has enabled the streamlined construction of bacterial strains and multi-component plasmids. Recombineering applications commonly utilize singleplex strategies and the parameters are extensively tested. However, singleplex recombineering is not suitable for the modification of several loci in genome recoding and strain engineering exercises, which requires a multiplex recombineering design. Defining the main parameters affecting multiplex efficiency especially the insertion of multiple large genes is necessary to enable efficient large-scale modification of the genome. Here, we have tested different recombineering operational parameters of the lambda phage Red recombination system and compared singleplex and multiplex recombineering of large gene sized DNA cassettes. We have found that optimal multiplex recombination required long homology lengths in excess of 120 bp. However, efficient multiplexing was possible with only 60 bp of homology. Multiplex recombination was more limited by lower amounts of DNA than singleplex recombineering and was greatly enhanced by use of phosphorothioate protection of DNA. Exploring the mechanism of multiplexing revealed that efficient recombination required co-selection of an antibiotic marker and the presence of all three Red proteins. Building on these results, we substantially increased multiplex efficiency using an ExoVII deletion strain. Our findings elucidate key differences between singleplex and multiplex recombineering and provide important clues for further improving multiplex recombination efficiency.     

Techniques: Recombinogenic engineering--new options for cloning and manipulating DNA

Driven by the needs of functional genomics, DNA engineering by homologous recombination in Escherichia coli has emerged as a major addition to existing technologies. Two alternative approaches, RecA-dependent engineering and ET recombination, allow a wide variety of DNA modifications, including some which are virtually impossible by conventional methods. These approaches do not rely on the presence of suitable restriction sites and can be used to insert, delete or substitute DNA sequences at any desired position on a target molecule. Furthermore, ET recombination can be used for direct subcloning and cloning of DNA sequences from complex mixtures, including bacterial artificial chromosomes and genomic DNA preparations. The strategies reviewed in this article are applicable to modification of DNA molecules of any size, including very large ones, and present powerful new avenues for DNA manipulation in general.     

体内直接克隆大片段DNA的研究进展

基因组序列的功能分析以及代谢途径的构建改造等都需要克隆目的DNA。获得大片段DNA序列的方法有构建和筛选基因文库,PCR扩增,体外大片段DNA合成和组装等,但体内重组直接克隆的方法在操作、克隆长片段和应用等方面更具优势。介绍了Red/ET重组介导的大片段DNA体内直接克隆的主要方法及其应用。     

大肠杆菌无痕重组的策略与应用

Red同源重组技术发展迅速,已经广泛应用于大肠杆菌基因的敲除、插入与替换。与传统的DNA有痕重组技术相比,基于Red重组原理的DNA无痕重组技术,能够更为精确、快速、高效地修饰大肠杆菌基因组中的目标基因,且在基因组中不残留任何外源片段,因此不会影响后续的基因操作与基因表达。从Red同源重组的原理出发,简要综述了近年来在大肠杆菌中广泛使用的无痕重组技术的原理及操作策略,并对比分析了各种方法的优势与不足;同时,还介绍了DNA无痕重组技术在大肠杆菌基因修饰中的应用情况。