高校化学工程学报    2023, Vol. 37 Issue (6): 943-950  DOI: 10.3969/j.issn.1003-9015.2023.06.009
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引用本文 

蔡思杰, 张书衍, 王晓微, 郭显阳, 詹硕. 基于特异性引物高效构建TALE文库[J]. 高校化学工程学报, 2023, 37(6): 943-950.   DOI: 10.3969/j.issn.1003-9015.2023.06.009.
CAI Sijie, ZHANG Shuyan, WANG Xiaowei, GUO Xianyang, ZHAN Shuo. Efficient construction of TALE library based on specific primers[J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 2023, 37(6): 943-950.   DOI: 10.3969/j.issn.1003-9015.2023.06.009.

基金项目

国家级大学生创新创业训练计划平台-创新训练项目(202211035010X)。

通讯联系人

张书衍,E-mail:zhangshuyansyu@126.com

作者简介

蔡思杰(2000-),男,江苏宿迁人,沈阳大学学士生。

文章历史

收稿日期:2022-09-06;
修订日期:2023-01-08。
基于特异性引物高效构建TALE文库
蔡思杰 1, 张书衍 1, 王晓微 2, 郭显阳 1, 詹硕 1     
1. 沈阳大学 生命科学与工程学院, 辽宁 沈阳 110044;
2. 沈阳双鼎制药有限公司, 辽宁 沈阳 110179
摘要:人工构建的转录激活因子样效应物(TALE)已广泛应用于基因转录调控和基因组编辑领域,针对TALE构建过程非常复杂,研发了一种构建TALE文库的新方法。首先,基于金门酶切连接方法,设计3种用于识别碱基G的TALE骨架质粒;其次,使用4种特异性引物扩增3种骨架质粒得到质粒突变体;最后,使用金门酶切连接方法连接3种质粒突变体,成功构建最终的TALE文库。基因测序结果表明该文库包含所有可能确定TALE-DNA结合特异性的核苷酸组。由于TALE的高靶向性和多功能性,该TALE文库将广泛用于生命科学领域。
关键词TALE文库    基因转录调控    基因组编辑    特异性引物    金门酶切连接方法    
Efficient construction of TALE library based on specific primers
CAI Sijie 1, ZHANG Shuyan 1, WANG Xiaowei 2, GUO Xianyang 1, ZHAN Shuo 1     
1. College of Life Science and Bioengineering, Shenyang University, Shenyang 110044, China;
2. Shenyang Shuangding Pharmaceutical Co. Ltd., Shenyang 110179, China
Abstract: Artificially constructed transcriptional activator like effectors (TALE) are widely used in gene transcription regulation and genome editing. A new method for constructing a TALE library was invented due to the complexity of TALE construction processes. Based on the golden gate restriction enzyme digestion method, three backbone plasmids of TALE were first designed to recognize the guanine(G). Three backbone plasmids were then amplified with four specific primers to obtain plasmid mutants. The final TALE library was successfully constructed by connecting three plasmid mutants with the golden gate restriction enzyme digestion method. The results of gene sequencing show the library contains all nucleotides that could determine the specificity of TALE-DNA binding. This provides the best material for researchers to use TALE directly. The TALE library can be widely used in life sciences for its high targeting and versatility.
Key words: TALE library    gene transcription regulation    genome editing    specific primers    golden gate restriction enzyme digestion method    
1 前言

转录激活因子样效应物(TALE)是黄单胞菌分泌的针对特定DNA序列的蛋白质[1-2]。TALE家族成员包含一个高度保守和重复的区域,其与DNA的结合能力取决于每个模块重复的第12和第13个氨基酸残基(即重复可变双氨基酸残基(RVD))。每个RVD中都有一个简单的代码,用来指定对特定碱基的识别,这决定了TALE核苷酸结合的特异性。例如,NI(Asn/Ile)对应A,NG(Asn/Gly)对应T,HD(His/Asp)对应C,NH(Asn/His)对应G[3-5]。人工构建的带有功能域的DNA结合域(DBD)补充的TALE可应用于基因工程的许多方面,包括用于转录调控的转录因子(TALE-TF) [6-9]和用于基因组编辑的转录激活因子样效应核酸酶(TALEN)[10-12]。因此,TALE在基因工程领域发挥了巨大的作用。

TALE的脱靶率比目前热门的CRISPR/Cas9(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/Cas9)[13-15]要低,识别DNA长度也较长;基因调控和编辑的位置不受前间区序列邻近基序(PAM)的限制;具有更低的非靶点结合能力,更低的细胞毒性,基于TALE具有高靶向能力[16],所以,已由法国Cellectis公司用于生产通用嵌合抗原受体T细胞[17],并已被批准用于癌症免疫疗法。接受该基因编辑疗法的患者已显示出显著的治疗效果[18]。最重要的是,在设计和构建TALE时,理论上可以靶向任何DNA序列。但是构建TALE的方法比较繁琐复杂,而且构建的TALE长度有限,容易脱靶。并且,大多数研究人员仍然使用软件来预测TALE靶向的目标区域,然后构建一个有针对性的TALE。在这种情况下,需要构建更多的TALE,构建周期太长,效率偏低[19-21]

本研究发明了一种新的简单的TALE文库的构建方法,设计了一种可以轻松实现靶向较长DNA序列的TALE文库的方法。该组装方法是快速且标准化的,能够精确控制产生的RVD和整体DNA结合域的组成。而且研究人员可以直接将其作为实验材料,为TALE研究人员节省了大量的时间。

2 材料与方法 2.1 材料

金门组装试剂盒来自Addgene;限制酶BsaI、牛血清白蛋白(BSA)、T4 DNA连接酶、腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)来自NEB公司;质粒核酸安全酶来自Epicentre公司;BsmBI来自Thermo Scientific公司;DH5α感受态细胞、壮观霉素、卡那霉素、X-gal、IPTG(Isopropyl β-D-Thiogalactoside,异丙基硫代半乳糖苷)来自南京源恩浩生物试剂;PrimeSTAR® GXL DNA Polymerase高保真聚合酶混合液来自Takara公司。

2.2 方法

采用基于金门组装试剂盒优化改进的新方法构建了18 bp-TALE-VP64文库(bp表示碱基对)。

第1部分:构建含10个串联重复序列(RVDs:NH1-NH10)组合的PFUS-A+10×NH质粒。

步骤1(第1天,3 h):第1次金门酶切连接反应。将10个RVD构建模块质粒(NH1到NH10)各加入150 ng于0.5 mL离心管中。然后,加入150 ng pFUS-A质粒、1 µL BsaI、1 µL BSA、1 µL T4 DNA连接酶、2 µL T4 DNA连接酶反应缓冲液。然后加入蒸馏水,使总反应体积达到10 µL。

步骤2(第1天,10 min):上述反应体系混合并短暂旋转,涡旋混匀30 s。

步骤3(第1天,3 h):将反应体系在PCR仪上孵育。孵育条件为37 ℃、5 min和16 ℃、10 min共计10个循环,然后50 ℃、5 min;80 ℃、5 min。

步骤4(第1天,1 h):反应体系(10 µL)加入1 µL质粒核酸安全酶和1 µL 10 mmol⋅L−1 ATP在37 ℃下孵育1 h。

步骤5(第1天,4 h):将步骤4的反应体系转化到100 µL DH5α中,加入溶菌肉汤(LB)液体培养基得到1 mL该细胞悬液,涂布于LB琼脂细菌培养皿(含有壮观霉素50 μg⋅mL−1和20 mg⋅mL−1 X-gal) (X-gal是β-半乳糖苷酶的显色底物)以及0.1 mol⋅L−1 IPTG,由于PFUS-A+10×NH,PFUS-B7+7×NH和pLR-NH骨架质粒都具有壮观霉素抗性,所以,培养微生物大肠杆菌细胞DH5α,有抗性的说明质粒构建转染成功,没有转染成功的没有抗性,不会生长出菌落。

步骤6(第2天,6 h):从培养皿上挑选几个白色菌落,并使用引物pCR8-F1和pCR8-R1(表 1)进行菌落PCR检验。PCR程序:96 ℃预变性3 min;96 ℃变性20 s,55 ℃退火20 s,72 ℃延伸2 min,进行30个循环;72 ℃总延伸3 min,4 ℃保存。PCR检测正确的菌落经过培养、提取,得到PFUS-A+10×NH质粒。

表 1 质粒突变体和菌落PCR的引物 Table 1 Primers for plasmid mutation and colony PCR

第2部分:构建含有7个串联重复序列(RVDs:NH1-NH7)组合的PFUS-B7+7×NH质粒。

步骤1(第1天,3 h):取7个RVD构建质粒模块(NH1到NH7)各加入150 ng,加入pFUS-B7质粒150 ng、1 µL BsaI、1 µL BSA、1 µL T4 DNA连接酶、2 µL T4 DNA连接酶反应缓冲液。然后加入蒸馏水,使总反应体积达到10 µL。

步骤2(第1天,10 min):反应体系短暂旋转混合,涡旋混匀30 s。

步骤3(第1天,3 h):将反应体系在PCR仪上孵育,孵育条件为37 ℃、5 min和16 ℃、10 min共计10个循环;然后50 ℃、5 min;80 ℃、5 min。

步骤4(第1天,1 h):反应体系(10 µL)加入1 µL质粒核酸安全酶和1 µL 10 mmol⋅L−1 ATP在37 ℃下孵育1 h。

步骤5(第1天,4 h):将步骤4的反应体系转化到100 µL DH5α感受态细胞。然后加入LB培养基得到1 mL细胞悬液涂布于LB琼脂细菌培养皿(含有壮观霉素50 µg⋅mL−1和20 mg⋅mL−1 X-gal以及0.1 mol⋅L−1 IPTG)。

步骤6(第2天,6 h):从培养皿中挑选几个白色菌落,使用引物pCR8-F1和pCR8-R1(见表 1)进行菌落PCR检测。PCR程序:96 ℃预变性3 min;96 ℃变性20 s,55 ℃退火20 s,72 ℃延伸1 min,进行30个循环;72 ℃总延伸3 min,4 ℃保存。PCR检测正确的菌落经过培养、提取,得到PFUS-B7+7×NH质粒。

第3部分:PFUS-A+10×NH质粒突变体、PFUS-B7+7×NH质粒突变体及pLR-NH质粒突变体的构建。

步骤1(第3天,3 h):PFUS-A+10×NH质粒突变体、PFUS-B7+7×NH质粒突变体、pLR-NH质粒突变体均采用PCR扩增得到,引物如表 1所示。利用HD-C、NH-G、NG-T和NI-A这4种特殊引物(表 1)对PFUS-A+10×NH质粒、PFUS-B7+7×NH质粒、pLR-NH质粒分别进行PCR扩增。3个PCR反应(240 μL)均包含1 ng质粒、10 μmol⋅L−1 HD-C、10 μmol⋅L−1 NH-G、10 μmol⋅L−1 NG-T、10 μmol⋅L−1 NI-A和PrimeSTAR® GXL DNA Polymerase高保真聚合酶混合液。PCR程序:96 ℃预变性3 min;96 ℃变性20 s,58 ℃退火20 s,72 ℃延伸3 min,进行28个循环;72 ℃总延伸3 min,4 ℃保存。PCR产物用1% 琼脂糖凝胶电泳检测。PCR产物经苯酚/氯仿萃取法纯化,用无水乙醇沉淀。PCR产物在水中重悬,3种PCR产物即PFUS-A+10×NH质粒突变体、PFUS-B7+7×NH质粒突变体、pLR-NH质粒突变体。

第4部分:构建TALE-VP64文库(RVDs:NH1-NH17和pLR-NH)。

步骤1(第3天,3 h):在20 µL反应体系中,包括150 ng PFUS-A+10×NH质粒突变体,150 ng PFUS-B7+7×NH质粒突变体,150 ng pLR-NH质粒突变体和75 ng TALE-backbone-VP64。加入1 µL BsmBI,1 µL T4 DNA连接酶、2 µL T4 DNA连接酶反应缓冲液。最后加入蒸馏水使总反应体积为20 µL。

步骤2(第3天,10 min):该反应体系短暂旋转混合,涡旋混匀30 s。

步骤3(第3天,3 h):将反应体系在热循环PCR仪上孵育。热循环条件为37 ℃、5 min和16 ℃、10 min,共计10个循环;然后37 ℃、15 min;80 ℃、5 min。

步骤4(第3天,4 h):将20 µL的反应体系转化到200 µL DH5α感受态细胞中。加入LB培养基得到1 mL细胞悬液涂布于LB琼脂细菌培养皿(含有卡那霉素50 µg⋅mL−1和20 mg⋅mL−1 X-gal以及0.1 mol⋅L−1 IPTG)。

步骤5(第4天,4 h):利用引物TAL-F和TAL-R(表 1)进行菌落PCR实验,根据电泳条带鉴定阳性菌落。最后PCR检测正确的菌落,过夜培养。

步骤6(第5天,2 h):提取培养的菌液中的质粒为18 bp-TALE-VP64文库质粒表达载体。

3 实验结果与分析 3.1 TALE文库构建流程的建立

经过对金门法的优化构建了TALE文库,详细流程见图 1,此流程显示了构建TALE-VP64文库的示例,该质粒文库可以结合18 bp DNA长度的目标靶向位点。其中PFUS-A+10×NH是一种由10个单体质粒和一个骨架质粒PFUS-A在第1次酶切连接反应中制备的质粒;PFUS-B7+7×NH是一种由7个单体质粒和1个骨架质粒PFUS-B7在第1次酶切连接反应中制备的质粒。因此,PFUS-A +10×NH是表达与N1-N10核苷酸结合的氨基酸的质粒载体,PFUS-B7+7×NH是表达与N11-N17核苷酸结合的氨基酸的质粒载体。编码与最后一个核苷酸(N18)结合的氨基酸的序列包含在另一个单体质粒(pLR-NH)中。第2次酶切连接反应包含4个质粒,包括PFUS-A+10×NH质粒突变体(PFUS-A+10×(NH,HD,NG,NI))、PFUS-B7 +7×NH质粒突变体(PFUS-B7+7× (NH,HD,NG,NI))、pLR-NH质粒突变体(pLR-NH/HD/NG /NI)和TALE骨架载体(TALE-backbone-VP64)(见图 2,图中bp为碱基对)。

图 1 利用金门法基于4种特异性引物构建TALE-VP64文库的流程 Fig.1 Flowchart of the construction of TALE-VP64 libraries by the Golden-Gate method based on new specific primers pipeline
图 2 质粒图谱及其组成 Fig.2 Plasmids maps and their elements

另外,在构建过程中所使作的各种骨架质粒图谱(即突变前质粒)见图 2中PFUS-A+10×NH、PFUS-B7×NH、pLR-NH质粒。最后,预计构建成功的TALE-VP64质粒文库具有转染各种细胞的能力,并可以激活下游基因的表达(见图 3),Zhang等[21]单独构建的TALE-VP64质料转染293T细胞,确实激活了绿色荧光基因ZsGreen,使绿色荧光蛋白高表达。TALE-VPR质料转染HepG2细胞和PANCl细胞,分别使得内源基因HNF4a和E47基因上调,从而证实了TALE-VP64/VPR强大的靶向和激活功能。TALE-VP64文库中每个DNA结合模块由34个氨基酸组成,其中每个模块的第12和13位氨基酸变化较大,其他氨基酸高度保守,这2个不保守的氨基酸被命名为重复可变残基(RVD),RVD氨基酸对应DNA碱基之间的分子密码是NI对应A、HD对应C、NG对应T、NH对应G,所有的TALE由N末端的转移结构域(AD)组成(图 3)。TALE的末端转移结构域以及C末端的核定位信号和转录激活结构域具有高度的保守性,不同成员之间互换这些功能区域并不影响其正常发挥作用。TALE-DNA结合域与合成的VP64转录激活因子融合,该激活因子募集RNA聚合酶和启动转录所需的其他因子,激活下游基因的表达(见图 3)。

图 3 用于基因组工程的TALE-VP64文库 Fig.3 The TALE -VP64 libraries for genome engineering
3.2 质粒和文库的菌落PCR检测

第1部分和第2部分中从每个平板上选取白色菌落,使用引物pCR8-F1和pCR8-R1进行菌落PCR检验。条带应达到预期大小(PFUS-A+10×NH质粒约12 kb、PFUS-B7+7×NH载体约0.8 kb (kb表示1 000碱基对)),但一般不可能得到单一的条带,一般条带“阶梯”从约200 bp开始,这是正确克隆的标志,是克隆中重复的结果[22](见图 4中1和2泳道)。

图 4 质粒和菌落PCR产物的琼脂糖凝胶电泳结果 Fig.4 Results of agarose gel electrophoresis of plasmid and colony PCR products M: DL2 000 DNA marker; m: DL5 000 DNA marker; M: 100-bp DNA ladder.
1. Colony PCR of PFUS-A+10×NH plasmid 2. Colony PCR of PFUS-B7+7×NH plasmid 3: DNA from pLR-NH plasmid vector mutation 4. pLR-NH plasmid 5. DNA from PFUS-B7+7×NH plasmid vector mutation 6. PFUS-B7+7×NH plasmid 7. DNA from PFUS-A+10×NH plasmid vector mutation 8. PFUS-A+10×NH plasmid 9. Final colony PCR of 18 bp-TALE-VP64

第3部分中用4种特异引物和长链高保真DNA聚合酶分别扩增PFUS-A+10×NH质粒、PFUS-B7+7×NH和pLR-NH质粒(见图 4中4、6、8泳道),获得各个质粒载体突变体(见图 4中3、5、7泳道),由于质粒突变体实际是PCR产物,并且主要是各种质粒的混合物,但是也不排除有短链的一些PCR产物,所以,从电泳图观察,质粒突变体主要条带的分子量与对应的质粒基本一致。

第4部分中挑取4个白色菌落用菌落PCR检测最终18 bp-TALE-VP64文库。全长PCR产物通常不太突出,大约是2 051 bp,从结果观察,主条带确实在2 051 bp左右,但是不明显。而“阶梯效应”是成功组装的有力指标[22](见图 4中9泳道)。

PFUS-A+10×NH、PFUS-B7+7×NH、pLR-NH骨架质粒分别与各自的质粒突变体不同,3种质粒突变体是各自以3种质粒(PFUS-A+10×NH、PFUS-B7+7×NH和pLR-NH骨架质粒)为模板,加入4种特异性引物经过PCR反应后得到3种PCR产物,PFUS-A+10×NH质粒突变体就是PFUS-A+10× (NH,HD,NG,NI不同排列组合)的混合物,即410种质粒的混合物;PFUS-B7+7×NH质粒突变体就是PFUS-B7+7× (NH,HD,NG,NI不同排列组合)的混合物,即47种质粒的混合物;pLR-NH质粒突变体就是pLR-NH、pLR-HD、pLR-NG、pLR-NI的混合物,即4种质粒的混合物。

3.3 TALE文库质粒的基因测序

将最后提取的18bp-TALE-VP64质粒文库送基因公司测序,最后得到的测序结果见图 5,图中有6个核苷酸的重复序列(RVDs),显示“噪声”信号。RVD结构域预期核苷酸组成与构建的18 bp-TALE-VP64文库一致(图 5)。通过基因测序验证了该文库的所有序列是正确的,并且包含所有可能的DNA靶点的序列组合,该TALE-VP64质粒文库对18个碱基(ATCG)的排列组合都有靶向性,所以就是418,共计68 719 476 736个组合。所以涵盖了可能的核苷酸DNA靶点。因为也有很多研究者构建针对11个碱基或者12个碱基的TALE文库质粒,由于靶向的碱基越多,脱靶的可能性越小,此处主要是体现该质粒文库的高靶向性。另外从测序结果观察,虽然NH对应的序列较多,但是也存在HD、NG、NI对应的序列,由于测序的质粒文库实际是多种质粒的混合物,里面相当于418的各种排列组合的质粒的混合物。注意观察峰图,RVD对应有几个是双峰、三峰,所以从测序结果得出,构建的文库涵盖了预期的RVD组成。

图 5 18-bp TALE-VP64文库的DNA测序图谱 Fig.5 DNA sequencing profiles of the 18 bp-TALE-VP64 libraries
4 讨论

先前文献报道中的构建TALE的方法都是构建独立个体的方法,无论用什么方法来单独构建若干TALE质粒,都不可能形成一个巨大的文库,这些方法是低效和耗时的。在本研究中,建立了一种基于独特引物组装完整、高效的TALE文库构建的方法,与其他技术相比[23-24],TALE靶向DNA目标的长度可以控制。增加DNA靶标的长度将获得更高的特异性,然而,构建TALE文库的成本和时间也将大大增加;另一种增加文库靶向DNA目标长度的方法,不增加额外的实验负担或增加复杂性,包括利用RVD特异性。例如,已知RVD-NN可以同时靶向A和G,因此,只有4个模块(即NH、NI、NG和HD)可用于组装完整的TALE文库。所以,研究构建的这4个模块的18 bp-TALE文库将产生最多68 719 476 736种组合。靶向DNA长度更大的TALE文库的组装在实验上可能很麻烦,在某些情况下,实际上是无法实现的。另一个问题在于,在破译给定的RVD序列的TALE-DNA结合方面存在一定程度的不确定性,这可能也会使全基因组分析中潜在目标序列的识别复杂化,这个问题可以通过染色质免疫共沉淀-测序技术(ChIP-seq)[25]进行进一步研究。总之,本研究成功建立了一种基于TALE的多功能文库的组装方法,构建成功的TALE文库可以利用酵母单杂交试验探索其功能完整性[26]。进一步说明,TALE-DBD可以完全定制,以靶向任何核苷酸含量(如GC含量丰富的DNA区域)、核苷酸限制(如转录因子基序)或其他修饰[27-28]。最后,TALE蛋白的编码序列易于分离和测序,便于快速识别其靶基因。总之,考虑到该组装方法的高度模块化的特性,控制其靶向DNA长度大小从而调整其文库特异性的能力,以及构建的文库的多功能性和方便性,预计未来将有更广泛的应用。

5 结论

在本研究中,使用TALE试剂盒和独特设计的引物,建立了一种快速构建TALE文库的新方法。利用该方法构建了可靶向18bp-DNA序列的TALE文库,并对其进行了DNA测序验证,满足预期结果。为基因组调控和基因组编辑技术提供了简单高效的方法和实验工具。

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