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。     

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35–50bp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...     

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。     

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     

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重组及其在生物医学中的应用

通过应用Rac噬菌体的RecE RecT和λ噬菌体的RedαRedβ系统而建立的DNA工程平台———Red ET重组,是一种不依赖于限制性内切酶的分子克隆新技术。运用该技术能够介导PCR产物或寡核苷酸对目标基因进行剪切、插入、融合及突变等多种操作,在生物医学领域里具有广阔的应用前景,尤其在基因组功能研究中对BACs、PACs和细菌染色体的打靶修饰以及基因敲除动物DNA靶分子的快速构建等方面最有效。随着Red ET重组的推广与应用,该技术本身也在不断被改进,在工作效率得到显著提高的同时,其操作也变得更加简单、省时、省力。结合自身的一些研究结果,对Red ET重组的技术特点、发展现状和在生物医学中的应用进行了详细阐述。     

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/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。     

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。     

Gap-Repair方式建立一种基于pBR322-Red的新型重组工程系统

应用Gap—Repair新技术,以pBR322为载体,在λ噬菌体Red重组酶的作用下,通过同源重组直接从大肠杆菌DY330染色体上亚克隆了长度为6．7kb的包含Red重组酶基因的λ噬菌体左向操纵子基因序列。建立了一种能够随意在不同细菌宿主中转移的基于pBR322-Red的重组工程系统。为了验证pBR322-Red的生物功能,以大肠杆菌染色体上的galk基因为靶标,用Red介导的单链DNA重组技术敲入T→G单碱基突变,使galk基因内编码第145位氨基酸的密码子由TAT转变成TAG,产生了一个琥珀突变。确定了pBR322-Red系统的重组功能。     

Red重组系统用于大肠杆菌基因修饰的研究进展

Red重组作为一种新的重组系统已经被广泛用于大肠杆菌的基因敲除、基因替换。与传统的Rec重组相比,Red重组具有同源臂短,重组效率高等优点。本文分别详细介绍了Red重组系统中Exo、Beta、Gam三种蛋白质的功能,Red重组系统运用在大肠杆菌基因敲除中的三种质粒及其功能,同时概括了Red重组的技术要点及技术难点,分析了文献报道的阿拉伯糖诱导浓度和诱导时间、转化后的复苏温度及时间、引物同源臂长度对于重组率的影响,总结出了Red重组的最佳条件。     

Red重组系统用于大肠杆菌基因修饰研究进展

Red重组作为一种新的重组系统已经被广泛用于大肠杆菌的基因敲除、基因替换.与传统的Rec重组相比,Red重组具有同源臂短,重组效率高等优点.分别详细介绍了Red重组系统中Exo、Beta、Gam 3种蛋白质的功能,Red重组系统运用于大肠杆菌基因敲除的3种质粒及其功能,同时概括了Red重组的技术要点及技术难点,分析了文献报道的阿拉伯糖诱导浓度和诱导时间、转化后的复苏温度及时间、引物同源臂长度对于重组率的影响,总结出了Red重组的最佳条件.     

利用Red/ET同源重组构建新型CCR5Δ32打靶载体

目的:目前应用TALENs或CRISPR-Cas基因编辑技术修饰CCR5基因以获得抗HIV功能的研究策略基本是破坏CCR5基因而不是制造CCR5Δ32这样天然存在的抗HIV基因型。为此,我们尝试通过细菌内同源重组技术构建一个新颖的CCR5Δ32的打靶载体,以便能够用于制备CCR5Δ32基因突变细胞系。方法:首先利用Red/ET同源重组系统将rpsl-neo片段插入细菌人工染色体(BAC)的CCR5基因中,随后再次利用同源重组将一个不含32 bp区域的非选择性52 bp片段替换该rpsl-neo片段,从而将BAC中的CCR5基因改造成CCR5Δ32基因型,最后将loxp-neo-loxp抗性基因插入CCR5基因的第2内含子区域,制备出含有抗性基因的CCR5Δ32打靶载体,该载体可在Cre酶作用下删除neo基因但只留下一个loxp在基因的内含子区。结果:rpsl-neo片段成功插入CCR5之Δ32区并为非选择性52 bp片段替换,loxp-neo-loxp成功插入内含子区。结论:通过Red/ET同源重组技术获得CCR5Δ32-loxp-neo-loxp打靶载体。     

利用Red重组系统敲除大肠杆菌 O157:H7的waaL 基因

目的:利用λ噬菌体Red重组系统敲除大肠杆菌O157:H7的waaL基因。方法:以pKD4为模板扩增出与waaL基因上下游同源的、含有卡那霉素抗性基因的PCR产物。然后电击转化到大肠杆菌 O157:H7 中,利用Red重组系统,通过卡那霉素抗性基因两侧的waaL基因序列在体内与waaL基因发生同源重组,置换了 O157:H7 基因组中的waaL基因。并进一步利用卡那霉素抗性基因两侧的FRT位点,通过FLP位点专一性重组将卡那霉素抗性基因敲除。结果:成功构建了敲除waaL基因且不带卡那霉素抗性基因的菌株。     

肠出血性大肠杆菌O157∶H7前噬菌体CP-933Y缺失突变株的构建

目的:利用Red重组系统敲除肠出血性大肠杆菌O157∶H7前噬菌体片段CP-933Y,进而构建CP-933Y缺失突变株。方法:以肠出血性大肠杆菌O157∶H7菌株为模板,加入酶切位点PCR扩增前噬菌体CP-933Y上、下游各600 bp的同源臂序列;酶切后分别连接到p UC19-kan质粒的卡那霉素(包含FRT位点)抗性基因两侧,构建中间是卡那霉素抗性基因标记含有目的基因上、下游同源序列的线性片段;导入含有p KD46质粒的O157∶H7菌株中,利用Red编码的同源重组酶使该片段与目的基因上、下游发生同源重组,卡那霉素抗性基因置换菌株中CP-933Y前噬菌体片段,最后导入p CP20质粒去除卡那霉素抗性标记基因。结果:经PCR及测序验证,O157∶H7菌株中前噬菌体片段CP-933Y被敲除,敲除株与野生株具有相似的生长曲线。结论:构建了大肠杆菌O157∶H7前噬菌体CP-933Y缺失株,为进一步研究前噬菌体CP-933Y的功能奠定了基础。     

Red/ET 同源重组介导细菌人工染色体的快速修饰

随着基因组测序工程的实施与完成,如何对包含完整基因信息的特定细菌人工染色体 (BAC) 进行有目的修饰,已成为功能基因组学研究的一个重要环节 . 应用新近优化的 Red/ET 同源重组技术对目标 BAC 进行修饰,以 pSC101-BAD-gbaA 为依托质粒,采用 rpsL-neo 为正 / 反向筛选系统,可以快速、高效地对 BAC 进行剪切、插入、替换等操作,其中能够进行抗性筛选的一步 BAC 修饰只需一周时间,以插入非抗性标记基因 Cre 为代表的两步 BAC 修饰在两周内即可完成 . 通过阿拉伯多糖诱导调控和简单地变化培养温度,能使 pSC101-BAD-gbaA 依托质粒在发挥完 Red/ET 同源重组作用后自然消失,最终获得完整而纯净的修饰后 BAC ,为加快功能基因组学研究提供了一个可靠的实验平台 .     

基因敲除技术在微生物中的应用

随着分子生物学技术的发展,基因敲除技术越来越广泛地应用于动植物、微生物领域,成为研究生物基因功能最有力的工具之一。基因敲除技术在改造动植物、微生物基因组、研究发育生物学、鉴定新基因新功能、育种以及医疗领域都有应用价值。针对微生物方面,对实现基因敲除的各种原理方法,RecA系统同源重组法, Red系统同源重组法,基于自杀载体的同源重组法,基于温敏型质粒的同源重组法, CRISPR/Cas系统介导的基因敲除方法进行了总结,比较各自的优缺点,并提供一些成功案例以及各种方法相关的发明专利,以期对了解基因敲除技术的方法与发展提供参考。     

Red同源重组在大肠杆菌基因组修饰中的应用

Red同源重组技术发展迅速,已广泛应用于大肠杆菌基因组修饰,在点突变、基因敲除、序列整合等方面发挥着重要作用。简要综述了Red同源重组的重组机制和操作策略等研究进展,并介绍了Red同源重组在大肠杆菌基因组减小及多基因代谢途径优化方面的应用情况。     

利用Red系统快速改构含鼠β-酪蛋白基因的细菌人工染色体

采用Red系统介导的同源重组方法对含有鼠β-酪蛋白基因的RPCI23-440C1BAC进行快速改构。首先通过PCR方法,获得两端带有鼠β-酪蛋白基因同源序列的tPAm-Zeo同源重组片段,然后将此同源重组片段电击转化至已含有编码Red重组酶质粒的RPCI23-440C1BAC菌中,在λRed重组系统的帮助下,通过同源重组片段两端与RPCI23-440C1中β-酪蛋白同源的序列在菌体内与β-酪蛋白基因发生同源重组,将其置换。最后利用Zeocin抗性基因两侧的FRT位点,通过FLP位点专一性重组将抗性基因剔除。经Southern blot和序列分析鉴定表明,获得了重组正确且无编码两种重组酶质粒的tPAm-RPCI23-440C1BAC克隆。     

一种以PCR产物直接构建同源重组杆状病毒的方法

发展了一种在不构建载体的前提下, 以PCR产物直接构建同源重组杆状病毒的方法. 这种方法建立在λ噬菌体Red重组系统能介导36 bp以上的同源片段产生同源重组的基础之上. 以棉铃虫单粒包埋型核多角体病毒(HaSNPV)为例, 详细地介绍了以氯霉素抗性基因(CmR)置换HaSNPV基因组中orf135的快速重组过程. 人工合成一对长60 bp左右的引物, 其中40 bp与HaSNPV orf135的头部和尾部序列同源, 另20 bp分别为氯霉素抗性基因的尾部和头部序列. 以含有CmR的质粒pKD3为模板, 利用这对引物PCR合成两侧各有40 bp orf135同源臂的CmR基因, 将此线性片段转化含有HaSNPV人工染色体(Bacmid)且能表达λ噬菌体Red重组酶的菌株中, 获得了缺失orf135并对氯霉素具有抗性的重组转化子. 由于整个过程无需构建载体, 重组过程在大肠杆菌中完成, 使得构建同源重组杆状病毒的过程大大缩短. 这种方法将广泛适用于其他具有较大基因组的病毒的基因置换和基因缺失.