|
20В ГЛАВА 7 |
ст 5?ag |
p*ti |
EcoRI Hind И |
мРНК |
pBR322 |
|
оц-кДНК.. |
с: |
АЦ-кДНК |
С С)п |
т |
Отжиг (реассоциация) |
|
CTGCAG(G)nGG GACGTC(C)nCC • |
4 Трансформация -------- CC(C)nCTGCAG GG(G)nGACGT С |
кДНК PBR322 |
f |
Pst I |
|
(G)n- ACGT(C)n |
■*** |
Обратная транскриптазы |
t |
Фрагмент Кленова ДНК-попимеразы f |
! |
Обратная транскриптаза |
* |
* |
Нуклеаза S1 |
♦ |
Т ерминальная трансфераэа |
(С)п |
|
(C)nTGCA tG)n |
Выделенный фрагмент (кДНК)' |
Рис. 7.1. Синтез второй цепи кДНК. (Efstratiadis et al., 1976), широко используются и сейчас (Wic- kens et al., 1978). Коротко о методе: реакцию проводят при pH 6,9, чтобы свести к минимуму 5'—>-3'-экзонуклеазную активность ДНК-полимеразы I, и при 15 °С для уменьшения вероятности схлопывания синтезируемой ДНК. Для синтеза второй цели кДНК был также успешно использован фрагмент Кленова ДНК- |
СИНТЕЗ И КЛОНИРОВАНИЕ кДНК 20£* |
полимеразы I, у которого отсутствует б'-^З'-эзонуклеазная активность. Многие исследователи для синтеза второй цепи кДНК использовали обратную транскриптазу в условиях, аналогичных ранее описанным для синтеза первой цепи кДНК. Несмотря н» одно сообщение о том, что обратную транскриптазу из вируса миелобластоза птиц (AMV) нельзя использовать для синтеза второй цепи иммуноглобулиновой кДНК (Rougeon, Mach, 1976), успешное проведение большого числа экспериментов по синтезу второй цепи с помощью обратной транскриптазы указывает на то, что это затруднение не носит общего характера. Мы рекомендуем использовать оба фермента последовательно. Смысл этого* метода, предложенного Эфстратиадисом, заключается в том, что ДНК-полимераза I и обратная транскриптаза могут задерживаться или останавливаться на различных последовательностях. Таким образом, вторые цепи, частично синтезированные одними ферментом, могут быть завершены другим. РАСЩЕПЛЕНИЕ ПЕТЛИ ШПИЛЬКИ НУКЛЕАЗОИ S1 По окончании синтеза кДНК первая и вторая цепи остаются ковалентно связанными петлей шпильки, служившей затравкой при синтезе второй цепи (Efctratiadis et al., 1976). Эта петля может быть расщеплена нуклеазой S1, специфически разрушающей одноцепочечные участки нуклеиновых кислот. Образующиеся при этом концы не всегда оказываются полностью тупыми, и для повышения эффективности клонирования их достраивают с помощью фрагмента Кленова ДНК-полимеразы I Е. coli (Se- eburg et al., 1977). Затем либо двухцепочечную ДНК фракционируют по размеру и самые крупные молекулы встраивают бактериальные плазмиды, либо клонируют весь спектр молекул двухцепочечных ДНК для создания библиотеки кДНК. |
МОЛЕКУЛЯРНОЕ КЛОНИРОВАНИЕ ДВУХЦЕПОЧЕЧНОЙ к ДНК Существует множество методов связывания двухцепочечной' кДНК с плазмидными векторами (Efstratiadis, Villa-Komaroff^ 1979; Maniatis 1980; Williams, 1981). К наиболее распространенным относятся следующие методы: 1. Добавление к двухцепочечной кДНК и к плазмидной ДНК комплементарных гомополимерных последовательностей. За счет образования водородных связей между комплементарными го- мополимерными «хвостами» вектор и двухцепочечная кДНК соединяются, образуя открытые кольцевые гибридные молекулы, способные трансформировать клетки Е. coli. Для стабилизации: рекомбинантных плазмид в клетках Е. coli формирование замк- |
14—164 |
310 ГЛАВА 7 |
аутой кольцевой ДНК с помощью ферментативного сшивания не обязательно. 2. Присоединение синтетических связывающих участков (линкеров) к концам, двухцепочечной кДНК. После расщепления под-.ходящей рестриктазой молекулы кДНК встраивают в плазмид- лую ДНК, также расщепленную соответствующим ферментом. ПРИСОЕДИНЕНИЕ ГОМОПОЛИМЕРНЫХ КОНЦЕВЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ Присоединение концевых последовательностей dA*dT Терминальная дезоксинуклеотидилтрансфераза из тимуса теленка, катализирующая присоединение дезоксинуклеотидов к З'-ОН-концам одно- и двухцепочечных ДНК, впервые была использована Венсинком и др. (Wensink et al., 1974) для встраивания рекомбинантной ДНК в клетки Е. coli методом присоединения dA-dT(Jackson et al., 1972; Lobban, Kaiser, 1973). В оригинальной методике с 5'-концов двухцепочечной ДНК удаляли небольшое количество нуклеотидов, так чтобы оставались выступающими одноцепочечные З'-ОН-концы, которые служили эффективными матрицами для терминальной трансферазы. Необходимость в этом этапе отпала, когда было показано, что в присутствии ионов кобальта терминальная трансфераза может использовать и не выступающие З'-концы (Roychoudhury et al., 1976). Обычно присоединяют от 50 до 150 остатков dA к линейной векторной ДНК и соответствующее количество остатков dT к двухцепочечной кДНК. Двухцепочечная кДНК, встроенная в плазмиды с помощью присоединения dA-dT, может быть вырезана из плазмиды и возвращена в исходное состояние одним из трех способов. Первый способ включает расщепление рекомбинантной плазмидной ДНК нуклеазой S1 в мягких денатурирующих условиях, когда в основном происходит плавление dA-dT-линкеров (Hofstetter >et al., 1976). Этот эффект достигается за счет включения форма- мида (20—50%) в буфер для «уклеазы S1 и проведения расщепления три повышенной температуре (37—55 °С). Эффективность реакции зависит от длины участков dA-dT: встроенные ДНК с короткими линкерами трудно вырезать. Оптимальные условия (включая концентрации ДНК и фермента) следует устанавливать эмпирически для каждого йлона кДНК. В некоторых случаях более высокий выход встроенной ДНК и меньшее количество побочных продуктов расщепления удается получить при использовании вместо нуклеазы S1 нуклеазы из золотистой фасоли (Phaseolus aureus), специфически расщепляющей одно- ■цепочечные участки нуклеиновых кислот (Green, неопубликованные данные). Это может быть обусловлено относительно высо- |
СИНТЕЗ И КЛОНИРОВАНИЕ кДНК 21Ь |
кой специфичностью нуклеазы из золотистой фасоли по отношению к АТ-богатым двухцепочечным ДНК (Johnson, Laskows- ki, 1970). Другой метод, редко используемый, включает превращение плазмидной ДНК в линейные двухцепочечные молекулы при использовании фермента рестрикции, не вносящего разрывов - во встроенную ДНК (Goff, Berg, 1978). Линейную ДНК затем денатурируют и быстро ренатурируют, позволяя схлопнуться. остаткам dA и dT, находящимся по обе стороны встроенной; кДНК. После этого векторную ДНК удаляют обработкой экзонуклеазой VII Е. coli, расщепляющей одноцепочечную ДНК. и в 5'->-3'-, и в З'-^б'-направлениях. Дуплексы dA-dT затем плавят, а две цепи встроенной ДНК подвергают отжигу с образованием двухцепочечной ДНК. Еще один подход — встраивание двухцепочечной ДНК в участок плазмиды, непосредственно окруженный двумя гекса- нуклеотидными сайтами рестрикции; например, в плазмиде pBR 322 сайты рестрикции для ферментов EcoRI, Clal и Hind III находятся внутри области размером 30 нуклеотидных пар. Таким образом, двухцепочечная кДНК, встроенная в сайт рестрикции Clal методом концевого присоединения dA-dT, может быть вырезна рестриктазами £coRI и tfmdlll. В принципе целостность сайтов рестрикции для tfmdlll может быть восстановлена путем расщепления плазмидной ДНК рестриктазой tfmdlll, концевого присоединения oligo (dT) и от-" жига с двухцепочечной кДНК, имеющей dA-концы. После этого встроенную кДНК можно удалить из плазмиды с помощью обработки Hindlll, По неизвестным причинам этим методом пользовались только в редких случаях. Присоединение концевых последовательностей dC-dG В настоящее время наиболее широко применяемый метод клонирования кДНК с использованием концевого присоединения гомополимерных последовательностей включает добавление концов dG к плазмиде и комплементарных концов dC к KflHK(Villa-Komaroff et al., 1978; Rowekamp, Firtel, 1980). С помощью этого метода получают клоны, из которых легко может быть удалена встроенная ДНК. Такие плазмиды, как pBR* 322 или рАТ153т расщепляются ферментом PstI, который вносит- разрывы в последовательность 5'С—Т—G—С—A—G3' 3, G—А—С—G—Т—С5/ оставляя выступающие З'-концы. Добавление к линейной плазмидной ДНК короткой последовательности из остатков dG приводит к восстановлению сайта рестрикции для PstI на каждом; |
и* |
212 ГЛАВА 7 |
конце встроенной ДНК, которая, следовательно, может быть удалена из плазмиды обработкой Pstl (рис. 7.1). На практике эффективность восстановления целостности сайта рестрикции для Pstl зависит от качества рестриктазы Pstl, использованной для превращения ДНК плазмиды pBR322 в линейную форму, и от качества терминальной трансферазы. Если с выступающего З'-конца оледовыми количествами экзонуклеазы удаляется предпоследний остаток, последующее добавление остатков dG не приведет к восстановлению последовательности узнавания для Pstl. Тем не менее при соблюдении необходимой осторожности до 80—90% рекомбинантных плазмид, сконструированных этим методом, содержат встроенные фрагменты, окруженные сайтами рестрикции для Pstl. Недавно было определено число остатков dA-dT и dG-dC, необходимое для наиболее эффективной трансформации ДНК (Peacock et al., 1981). Как правило, число остатков, приходящееся на плазмиду, должно примерно совпадать с числом остатков, приходящимся на кДНК, составляя ~ 100 добавленных остатков на каждую молекулу ДНК в случае присоединения dA* *dT и около 20 остатков в случае присоединения dG-dC (Peacock et al., 1981). Интересно, что бактериальные штаммы значительно различаются по эффективности трансформации. Штамм RR1 (гесЛ+-штамм Е. coli) дает в 10 раз больше рекомбинантных клонов с кДНК, полученных методом концевого присоединения dA*dT, чем гесА~-штамм НВ101. В том же эксперименте интактная ДНК плазмиды pBR322 трансформировала оба штампа с одинаковой эффективностью (Peacock et al., 1981). Таким ■образом, можно предположить, что бактериальная система гесА участвует в репарации открытых кольцевых гибридных молекул ДНК, содержащих на концах гомополимерные последовательности. СИНТЕТИЧЕСКИЕ ЛИНКЕРЫ Другой метод присоединения двухцепочечной кДНК к плаз- тмидным векторам основан на 'использовании синтетических линкеров, содержащих один или несколько сайтов рестрикции. Двухцепочечную кДНК, полученную, как описано ранее, обрабатывают ДНК-полимеразой бактериофага Т4 или ДНК-полиме- разой I Е. coli — ферментами, расщепляющими выступающие одноцепочечные З'-концы благодаря своей 3'-^5'-экзонуклеазной активности и достраивающими укороченные таким образом 3'- концы благодаря полимеразной активности. Сочетание этих активностей приводит к образованию молекул кДНК с тупыми концами, которые далее инкубируют с большим избытком лин- тсерных молекул в присутствии ДНК-лигазы бактериофага Т4— «фермента, способного катализировать сшивание молекул ДНК |
СИНТЕЗ И КЛОНИРОВАНИЕ кДНК 213 |
Двухцепоче^ная кДНК |
f |
Репарация с помощью обработки фрагментом Кленова ДНК-полимеразы I Е. coli |
♦ |
Присоединение первого линкера |
ШШ |
♦ |
Обработка нуклеазой S1 |
ТГПТ |
Репарация с помощью обработки фрагментом Кленова ДНК-полимеразы I Е. Coli |
шш |
Присоединение второго линкера |
<с тупыми концами. В ре- Затем эти молекулы раз- Двухцепочечные мо- Кроме того, сам вектор присоединения различных Nicodemus, 1981) к кДНК что в результате этого процесса 50% молекул кДНК будут иметь на обоих концах одинаковые линкеры; такие молекулы не могут быть встроены в плазмидную ДНК с помощью направленного клонирования..На практике эта цифра оказывается даже выше, поскольку один из линкеров почти всегда присоединяется к кДНК быстрее, чем другой. Эту проблему можно разрешить, добавляя к кДНК один линкер до расщепления петли |
ОООООс |
-f rr m |
♦ |
Обработка рестриктазами |
* |
Сшивание с плазмидной ДНК |
|
Рис. 7.2. Клонирование кДНК методом последовательного присоединения синтетических линкерных ДНК. |
214 ГЛАВА 7 |
шпильки нуклеазой S1, а другой после расщепления. кДНК с двумя линкерами затем может быть обработана подходящим ферментом рестрикции и встроена в плазмидный вектор с помощью направленного клонирования (рис. 7.2). Этим методом можно встраивать в векторы кДНК в правильной ориентации, позволяющей осуществлять экспрессию встроенных последовательностей в бактериальной клетке (гл. 12). Он позволяет также идентифицировать интересующие исследователя клоны путем отбора бактериальных колоний по наличию материала, вступающего в реакцию со специфической антисывороткой к определенному продукту гена. Значение такой техники исследования особенно возрастает в случае клонирования мРНК> представленных в геноме малым числом копий, для которых отсутствуют нуклеиновые кислоты — зонды. При описанном подходе возникает одно затруднение, связанное с тем, что двухцепочечные гибриды кДНК — линкерная ДНК должны быть обработаны подходящими ферментами рестрикции для образования липких концов (Scheller et al., 1977). Если двухцепочечная кДНК содержит один или несколько сайтов рестрикции хотя бы для одной рестриктазы, она будет разрезана и затем клонирована как два или несколько фрагментов ДНК, что затруднит анализ структуры полноразмерной кДНК. Это препятствие можно преодолеть, либо используя синтетические линкеры с сайтами рестрикции для ферментов, как правило, не вносящих разрывы в ДНК млекопитающих (например, Sail), либо добавляя метилазу EcoRI для защиты ДНК отвоз- действия рестриктазы £coRI, либо применяя вместо линкеров синтетические адаптеры. Адаптеры — это короткие синтетические двухцепочечные кДНК, один конец которых тупой, а другой липкий (например, липкий конец для tfmdlll). Молекулы адаптера после присоединения 5'-фосфатной группы к их тупому концу и З'-гидроксильной группы к их липкому концу будут взаимодействовать с двухцепочечной кДНК с тупыми концами, но -не друг с другом. В отличие от линкеров перед присоединением адаптеров к двухцепочечной кДНК их не надо расщеплять рестриктазами. ДРУГИЕ МЕТОДЫ КЛОНИРОВАНИЯ кДНК Большинство охарактеризованных к настоящему времени клонов, содержащих кДНК, было сконструировано при помощи описанных выше методов. Далее мы в сжатой форме описываем три других метода клонирования кДНК. Применимость первого метода — клонирования гибридов мРНК — кДНК — ограничена его низкой эффективностью. Второй метод включает синтез второй цепи кДНК при использовании в качестве затравка олигонуклеотидов, тогда как по треьему методу синтезируются |
СИНТЕЗ И КЛОНИРОВАНИЕ кДНК 215 |
первая м вторая дени кДНК с плазмидой в качестве затравки. Несмотря на то что последние два метода пока не нашли широкого применения и мы сами не имеем непосредственного опыта их использования, опубликованные данные указывают на то, что они служат эффективными способами получения клонов, содержащих полноразмерную кДНК. Клонирование гибридов мРНК—кДНК Этот метод клонирования кДНК включает трансформацию клеток Е. coli гибридами мРНК—«ДНК, пришитыми к ллазмид- яым векторам (Wood, Lee, 1976; Zain et al., 1979). В клетке бактерии-хозяина мРНК удаляется и заменяется на ДНК. После синтеза первой цепи кДНК обычным способом к гибриду мРНК—кДНК присоединяют последовательность dA, после чего его отжигают с плазмидой, имеющей концевую dT-последовательность. Поскольку эффективность присоединения концевой последовательности к З'-ОН-группе РНК как минимум в 10 раз меньше, чем эффективность аналогичной реакции с ДНК, большая часть добавленных к гибриду остатков dA присоединяется к 3'-концу цепи ДНК. Присоединение другого конца гибрида к вектору, по-видимому, осуществляется за счет образования водородных связей между природной poly (А)-последовательностью на З'-конце мРНК и концевой dT-последовательностью плазмиды. Этот метод с практической точки зрения имеет два преимущества: во-первых, нет необходимости в синтезе второй цепи кДНК и, во-вторых, не требуется расщеплять шпильку в молекуле ДНК нуклеазой S1. Кроме того, теоретически этот метод позволяет клонировать последовательности, находящиеся на 5'-коице мРНК (которые обычно теряются при обработке нуклеазой S1). В то же время его основной недостаток состоит в том, что он по меньшей мере в 10 раз менее эффективен, чем клонирование двухцепочечной кДНК, и поэтому не подходит для получения большого числа клонов с кДНК. Синтез второй цепи кДНК с использованием в качестве затравки олигонуклеотидов При синтезе второй цепи кДНК затравкой обычно служат структуры типа шпильки, находящиеся на З'-конце первой цепи. Другой метод состоит в прямом присоединении к концу кДНК последовательности oligo (dT) (Rougeon et al., 1975) или oligo (dC) (Land et al., 1981). Затем при использовании в качестве затравки соответственно oligo (dA)- или oligo (dG)-последовательности синтезируется вторая цепь, в результате чего образуется двухцепочечная кДНК, окруженная с двух сторон двух- цепочёчными гомополимерными последовательностями. После |
216 ГЛАВА 7 |
этого к двухцепочечной ДНК присоединяют концевую oligo (dC)- последовательность и встраивают ДНК в плазмиду, разрезанную Pstl и несущую концевую последовательность oligo (dG). Основное преимущество этого метода состоит в том, что в нем отсутствует сложная операция расщепления петли шпильки в двухцепочечной кДНК нуклеазой S1. Это повышает эффективность клонирования полноразмерной двухцепочечной кДНК. Потенциальная опасность этого метода связана с тем, что даже высокоочищенные препараты терминальной трансферазы загрязнены примесями нуклеаз, специфически расщепляющих одноцепочечные участки нуклеиновых кислот. По всей вероятности, последнее препятствие можно преодолеть, присоединяя концевую последовательность к первой цепи кДНК, находящейся в составе ДНК — РНК-гибрида. |
Синтез первой и второй цепей кДНК с использованием в качестве затравки плазмиды Недавно Окаяма*и Берг (Okayama, Berg, 1982) опубликовали новый метод высокоэффективного клонирования полноразмерной двухцепочечной кДНК. Метод включает следующие стадии (рис. 7.3). 1. Сначала к плазмиде-затравке для синтеза кДНК присо-. единяют терминальной трансферазой концевую последовательность oligo (dT). Затем путем расщепления вторым ферментом с последующими электрофорезом в агарозном геле и хроматографией на oligo(dA)-целлюлозе (рис. 7.3,А) получают фрагмент, содержащий один из dT-концов, точку начала репликации бактериальной ДНК и ген устойчивости к ампициллину. 2. Получают линкерпую ДНК с концевой последовательностью oligo (dG), присоединяя терминальной трансферазой эту последовательность к As/I-фрагменту ДНК и затем разделяя два конца вторым ферментом. Нужный концевой фрагмент очищают методом электрофореза в агарозном геле (рис. 7.3,5). 3. Вектор-затравку с концевой dT-последовательностью гиб- ридизуют с ро1у(А)-мРНК при молярном соотношении 1,5:3 (мРНК: вектор-затравка) и с помощью обратной транскриптазы синтезируют первую цепь кДНК (рис. 7.3, В). 4. К З'-концу синтезированной кДНК, все еще связанной водородными связями с мРНК-матрицей, присоединяют концевые oligo (dC)-последовательности. Последовательности dC, присоединившиеся к другому концу вектора, затем удаляют с помощью рестриктирующей эндонуклеазы. 5. Плазмиду, содержащую в своем составе кДНК — мРНК* гибрид с oligo (dC) -последовательностью на конце, отжигают и сшивают с линкерной ДНК, имеющей концевую oligo (dG)-последовательность. |
СИНТЕЗ И КЛОНИРОВАНИЕ кДНК 217 |
Лтр |
HmdtC |
Расщепление KpnI Ир о Г____ _________ КрпI Присоединениекон- PvuH цевых последова ■ те;пьностеи oligo tdT терминальной трансферами |
н. м J 117* • I ■., ■ |
HmdST Hpa I |
-.nci III |
Расщепление Hpa I Очистка большого I еле и хроматографиеи |
н I л d Ш нроТ |
? V 'J Ц |
|
мРНК _ — — - д а д д д д |
Pai щ|.'пление Pit i ( 1 '. rs П iH’i..1 11*ДИМ*‘НИ(* ' 4 \ N |>,|М,1.>въ * носледова ■ V. ■ т r?i' ьни(i ей oliqo'fHj гормональной i р а н ссь г р а jut* мРНК |
a 111 |
IJ ГГ p |
|
■ i ■=? з к Д H К |
' л oOp^,H.'1^ транслриш а юи / " p.::!i г,1 in. |
P л (; щуп f l tr м и % r H ff i '1 • H i Очи^. i к а Md ПО' '• мен т d,>лек т ю*.* н аг ар01мом геп** |
П [)\л <.' О в Д И *: Р М И е КОНЦ*?ВЬ1> • Г • ■■■, п;л. r J 1 - и i J. л1 и. |
■ d II! _ Г |
Пинк>'р ■ кочцевоА писледонател и — in к i ьк.' i g'jiclG> |
х |
\ |
„ ungo(Mf., Т ерми nj'1 Г.НГД- |
|
Замена цепи Пик полимеразы I г** О и Дик лигазы 6 ■' |
- д |
т д т д |
Р, J П |
ИI г. й Ш |
О? >»<и! с линкером, содержащим концевую последовательное’ь oiiqo(dG): образование кольцевои формы с помощью ДНКлигаэы |
Р v j It |
Psl I |
Н>л<1 Ш |
О |
G._ |
Трансформаций клеток £ coh с приобретением усгоичивости к ампициллину' |
Линкер с концевой последовательностью oligo(dG) |
Рис. 7.3. Получение плазмидной затравки (А) и линкерной ДНК с концевой oligo (dG)-последовательностью (Z>). В. Стадии конструирования рекомбинантов плазмида—кДНК. Светлые части колец — ДНК pBR322; черные сегменты или сегменты с точками — ДНК вируса SV-40. Числа, расположенные рядом с обозначениями сайтов рестрикции, — соответствующие координаты на карте ДНК вируса SV40. |
6. Цепь мРНК заменяют на ДНК, используя совместное действие ферментов: РНКазы Н, разрушающей цепь РНК в гибриде РНК—ДНК; ДНК-полимеразы I Е. coli, осуществляющей репарацию разрывов во второй цепи кДНК; ДНК-лигазы, катализирующей замыкание в кольцо молекулы ДНК за счет образования ковалентных связей. , Окаяма и Берг обнаружили, что большинство полноразмерных или близких к ним по размеру молекул кДНК превращается в двухцепочечную кДНК; при этом эффективность трансформации составляет около 100 000 трансформантов на 1 мкг исходной мРНК. Считается, что избирательное клонирование длинных кДНК-транскриптов обусловлено их преимущественным использованием терминальной трансферазой. Окаяма и Берг выдвигают предположение о том, что более короткие цепи кДНК |
Дата добавления: 2015-08-29; просмотров: 37 | Нарушение авторских прав
<== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |