CN108103089B - 一种无缝多片段克隆的构建方法 - Google Patents

一种无缝多片段克隆的构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无缝多片段克隆的构建方法,载体依次包括启动子序列、核糖体结合位点、Golden Gate反应位点、自杀基因、Golden Gate反应位点、终止子、筛选基因、大肠杆菌复制子和编码抑制子。该方案具有如下优点:载体质粒无需预先经过线性化等处理,且质粒用量少,可降低质粒抽提成本;可以在同一体系中进行限制性内切酶消化反应和连接反应;每次反应均只需要一种限制性内切酶,无需考虑反应条件冲突等问题;反应中,酶切位点会被切除,无需考虑有多余片段引入是否会对目的基因产生不良影响;通过人为控制粘性末端,可避免克隆载体自连产生背景;可进行高达9个片段的无缝连接。

Description

一种无缝多片段克隆的构建方法
技术领域
本发明涉及一种载体的构建方法,特别涉及一种无缝多片段克隆的构建方法。
背景技术
基因克隆又称分子克隆,是指在大肠杆菌中将目的DNA分子片段与特定载体的DNA分子连接而产生重组质粒的方法。传统意义上,质粒重组是基于碱基互补配对的原理,一般做法为:通过引物在目的片段两端引入酶切位点;用相同的限制性内切酶分别对目的片段和质粒载体进行酶切处理;目的片段和质粒载体的酶切产物在体外连接;连接产物转化大肠杆菌;筛选重组子。后来,为满足不同的实验需求,在传统的质粒重组技术的基础上,研究者们又提出多种不同的分子克隆技术:如LIC技术、SLIC技术、Gibson组装,Gateway技术等。
LIC技术,最早由Aslanidis(Aslanicis C et al.,1990)提出,这种方法依赖于T4DNA聚合酶的3’-5’外切酶活性。具体做法为:设计PCR扩增引物,其中目的DNA分子引物5’端12个碱基不含有dCMP,线性载体末端的5’端12个碱基不含有dGMP;利用T4DNA聚合酶的3’-5’外切酶活性分别处理待插入的目的DNA片段和线性化载体,使其5’端分别产生粘性末端;目的DNA分子和线性化载体退火反应;转化大肠杆菌;重组子筛选。同传统质粒重组方法一样,LIC技术也是基于碱基互补配对的原理,“酶切”(外切酶反应)和“连接”反应同样是分步进行。
SLIC技术是后续研究者在LIC技术的基础上,摒弃碱基互补配对的原则而建立的不依赖于序列和连接的克隆方法(Li M Z et al.,2007)。具体做法是:设计目的DNA分子的PCR扩增引物,引物两端加上与载体同源的20~30bp的DNA片段;载体质粒线性化处理暴露出同源序列;转化大肠杆菌;重组子筛选。同传统质粒重组方法一样,该技术的“酶切”(限制性内切酶反应)和“连接”(同源重组)过程也是分步进行。
Gibson组装最早由Daniel及其同事于2009年提出,该技术适于拼接多个线性DNA片段以及进行载体组装,具体做法是:通过PCR引物在DNA分子末端加上同源片段;将DNA片段以及线性化载体在master mix(混合酶体系)作用下孵育1h;转化大肠杆菌;重组子筛选。这种master mix含有三种不同类型的酶:一种外切酶,从5’端开始对DNA进行消化,产生长的黏性末端,这样便于与另外的同源末端进行配对结合;一种聚合酶,用于修补碱基的缺口;一种DNA连接酶,实现无痕拼接,形成完整的DNA分子。从作用原理上来看,Gibson组装同样延续了传统质粒重组的碱基互补配对原则,只不过是互补序列进一步加长;该反应既需要限制性内切酶也需要限制性外切酶作用,且“酶切”(外切酶)和“连接”反应在同一个体系中完成,反应时间更短,效率更高。
Walhout最先提出Gateway技术,后经Invitrogen公司进一步趋于成熟。该技术是利用λ噬菌体的位点特异性重组原理(λ噬菌体用此重组系统进行裂解途径和溶源途径之间的相互转换),实现了不需要传统酶切连接过程的基因快速克隆和载体间平行转移,同时还保持正确的ORF(open reading fragment,开放阅读框,即基因表达序列)和插入方向。在Gateway技术中起到重组作用的是重组位点:attB,attP,attL和attR,包含两个反应,分别为BP反应和LR反应。BP反应是利用一个attB DNA片段和一个attP供体载体之间的重组反应,创建一个入门克隆。LR反应是一个attL入门克隆和一个attR目的载体之间的重组反应。几种质粒重组技术的对比如表1所示:
表1.几种常规质粒重组方法对比
Figure BDA0001486426190000021
表2.几种常规质粒重组方法缺陷
Figure BDA0001486426190000022
在传统的质粒重组方案中,限制性内切酶消化反应和连接分步进行,耗时较长;多个限制性内切酶反应还需考虑缓冲液和反应温度冲突的问题;为获得较多的酶切产物,一般所需的质粒量较多;普遍存在载体大量自连背景克隆数目较多的问题。LIC技术为了保证连接效率,需要先对质粒载体进行改造,以产生较长的粘性末端;SLIC技术和Gibson组装则依赖于同源片段,同源片段不理想则容易产生二级结构等,影响重组效率;且Gibson反应中,限制性外切酶产生的用于碱基互补配对的粘性末端较长,混合酶中聚合酶的保真性不足容易产生碱基突变或者缺失;此外Gateway技术的反应产物会在重组质粒中引入多余片段(即同源重组序列),可能会对目的基因的表达产生影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种高效的无缝多克隆片段的构建方法。
本发明所采取的技术方案是:
一种用于多片段插入的载体,依次包括启动子序列、核糖体结合位点、GoldenGate反应位点、负筛选基因、Golden Gate反应位点、终止子、筛选基因、大肠杆菌复制子和编码抑制子。
作为上述载体的进一步改进,Golden Gate反应位点选自内切酶BsaI、AarI、BpiI、Esp3I、LguI识别位点中的至少一个。
作为上述载体的进一步改进,Golden Gate反应位点的内切酶识别位点后补充有待剪切的多余序列。
作为上述载体的进一步改进,编码抑制子为LacⅠ。
作为上述载体的进一步改进,筛选基因为抗性筛选基因。
作为上述载体的进一步改进,负筛选基因为ccdB。
一种无缝片段克隆的构建方法,包括如下步骤:
1)设计目的DNA分子PCR引物:用于Golden Gate反应的目的DNA分子PCR引物的结构为:
正向引物:5’-保护碱基-限制性酶识别位点-补充碱基-粘性末端1互补序列-引物特异性序列F-3’;
反向引物:5’-保护碱基-限制性酶识别位点-补充碱基-粘性末端2互补序列-引物特异性序列R-3’;
2)使用目的DNA分子PCR引物扩增目的基因,得到PCR产物;
3)将PCR产物与上述的载体混合,加入Golden Gate反应试剂,进行Golden Gate反应;
4)反应结束后,转化普通感受态细菌;
5)筛选得到无缝多片段克隆。
作为上述构建方法的进一步改进,目的基因的数量为1~9个。
本发明的有益效果是:
本发明的载体,主要利用II型限制性内切酶识别位点与切割位点不同,且切割位点位于识别位点外面的特点,从而达到多片段无缝连接的目的。反应时,只需在反应管中加入带有相应II型限制性内切酶位点的插入片段(通过PCR引物引入)、设计好的克隆载体及连接酶、II型限制性内切酶,然后进行反应,后期筛选即可得到有效的克隆。该方案具有如下优点:
1)载体质粒无需预先经过线性化等处理,且质粒用量少,可降低质粒抽提成本;
2)可以在同一体系中进行限制性内切酶消化反应和连接反应;
3)每次反应均只需要一种限制性内切酶,无需考虑反应条件冲突等问题;
4)反应中,酶切位点会被切除,无需考虑有多余片段引入是否会对目的基因产生不良影响;
5)通过人为控制粘性末端,可避免克隆载体自连产生背景;
6)可进行高达9个片段的无缝连接。
附图说明
图1是本发明的一种载体结构示意图;
图2是Golden Gate反应酶切位点的反应方向示意图;
图3是菌落PCR鉴定阳性克隆的结果。
具体实施方式
下面结合图1,示例性说明本发明的技术方案。
图1为本发明一种载体的结构示意图,载体主要功能元件及其作用如下表所示:
Figure BDA0001486426190000041
Figure BDA0001486426190000051
载体需要特别注意:
1、Golden Gate反应酶切位点的方向。限制性内切酶识别位点5’端远离需保留的区域,如图2所示,箭头表示AarI限制性酶识别位点5’-3’方向。
2、Golden Gate反应内切酶的切割位点在识别位点之外。如图2所示,AarI识别“5’CACCTGC 3’(SEQ ID NO:1)”序列,并在5’端后第11个和第12个碱基之间开始切割(即切割位点在5’CACCTGC NNNN-3’后(SEQ ID NO:2)),暴露出有4个碱基的粘性末端,如粘性末端1和粘性末端2。因此,为保证骨架序列的完整,在设计骨架时,需在限制性内切酶识别位点后补充待剪切的多余序列,以免骨架序列被切割而不完整。酶切位点3’端需要补充的碱基数目由限制性酶的切割位点决定,如AarI为4,BsaI为1等。
3、在骨架载体设计时,为避免载体自连产生背景克隆,可将粘性末端1和2设计成不同的粘性末端。
目的DNA分子PCR引物设计
正向引物:5’-保护碱基-限制性酶识别位点-补充碱基-粘性末端1互补序列-引物特异性序列F-3’;
反向引物:5’-保护碱基-限制性酶识别位点-补充碱基-粘性末端2互补序列-引物特异性序列R-3’。
Golden Gate因含有ccdB自杀基因,不能在普通感受态细胞中正常生长。将GoldenGate反应产物转化Stbl3等非抗ccdB普通感受态细胞,只有重组质粒能生长,避免了反应体系中未反应完全的骨架载体产生大量背景克隆。
如将A、B两个目的片段通过Goldengate方式重组到目的表达载体,设计重组后A、B基因的结构为
Figure BDA0001486426190000052
A表示前面一个基因,B表示后面一个基因,选定加粗倾斜区域ATGT作为连接的粘性末端(粘性末端通常选在两个基因连接处,例如A基因的TAA区,或者B基因的ATG区)。以BsaI为内切酶为例,则扩增A的后端引物为:
BsaI-A-R:atcgGGTCTCGACATTTAAAGTTTGGCCTGAGCTAGTTTG(SEQ ID NO:5);
扩增B的前端引物为:
BsaI-B-F:atcgGGTCTCGATGTGGGTGACCAAACTCCTG(SEQ ID NO:6)
A片段正向引物和B片段的反向引物设计同理,粘性末端互补序列与载体互补即可。
实施例:
骨架载体pRP-BsaI-ccdB-Chl-BsaI,目的片段BsaI-IRES-BsaI和BsaI-EGFP-BsaI,利用Goldengate方法构建pRP-IRES-EGFP重组载体:
引物设计:
Figure BDA0001486426190000061
反应体系:
Figure BDA0001486426190000062
反应程序:
37℃ 5min
20℃ 5min
80℃ 10min
12℃ 5min
转化及结果:
宿主类型 实验组长菌个数 对照组长菌个数
Stbl3 840 3
DB3.1 855 0
按标准转化流程,取上述2μl反应产物转化100μl Stbl3和DB3.1感受态,将转化产物取相同的量涂在氨苄(Amp)板板上,第二天氨苄板上长出上百个克隆,对照组长出的克隆很少或没有,证明酶切非常充分,且载体自连概率低。在实验组板上挑8个克隆进行菌落鉴定,目的条带大小为1.5kb,阳性率100%,如图3所示。
参考文献:
Aslanidis C,De Jong P J.Ligation-independent clonging of PCR products(LIC-PCR)[J].Nucleic Acids Res,1990,18(20):6069-6074.
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Li M Z et al.,Harnessing homologous recombination in vitro togenerate recombinant DNA via SLIC[J].Nat Methods,2007,4:251-256.
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序列表
<110> 赛业(广州)生物科技有限公司
<120> 一种无缝多片段克隆及其构建方法
<160> 10
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 1
<211> 7
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 1
cacctgc 7
<210> 2
<211> 11
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 2
cacctgcnnn n 11
<210> 3
<211> 50
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 3
caaactagct caggccaaac tttaaatgtg ggtgaccaaa ctcctgccag 50
<210> 4
<211> 50
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 4
ctggcaggag tttggtcacc cacatttaaa gtttggcctg agctagtttg 50
<210> 5
<211> 40
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 5
atcgggtctc gacatttaaa gtttggcctg agctagtttg 40
<210> 6
<211> 32
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 6
atcgggtctc gatgtgggtg accaaactcc tg 32
<210> 7
<211> 33
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 7
atcgggtctc gggctgcccc tctccctccc ccc 33
<210> 8
<211> 39
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 8
atcgggtctc gccatggttg tggccatatt atcatcgtg 39
<210> 9
<211> 32
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 9
atcgggtctc gatggtgagc aagggcgagg ag 32
<210> 10
<211> 38
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 10
atcgggtctc ggggtttact tgtacagctc gtccatgc 38

Claims (6)

1.一种用于多片段插入的载体,依次包括启动子序列、核糖体结合位点、Golden Gate反应位点、负筛选基因、Golden Gate反应位点、终止子、筛选基因、大肠杆菌复制子和编码抑制子;Golden Gate反应位点的内切酶识别位点后补充有待剪切的多余序列,GoldenGate反应位点被剪切后得到的粘性末端不互补;Golden Gate反应位点选自内切酶BsaI、AarI、BpiI、Esp3I、LguI识别位点中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的载体,其特征在于:编码抑制子为Lac Ⅰ。
3.根据权利要求1所述的载体,其特征在于:负筛选基因为ccdB。
4.根据权利要求1所述的载体,其特征在于:筛选基因为抗性筛选基因。
5.一种无缝片段克隆的构建方法,包括如下步骤:
1)设计目的DNA分子PCR引物:用于Golden Gate反应的目的DNA分子PCR引物的结构为:
正向引物:5’-保护碱基-限制性酶识别位点-补充碱基-粘性末端1互补序列-引物特异性序F-3’;
反向引物:5’-保护碱基-限制性酶识别位点-补充碱基-粘性末端2互补序列-引物特异性序R-3’;
2)使用目的DNA分子PCR引物扩增目的基因,得到PCR产物;
3)将PCR产物与权利要求1~4任一项所述的载体混合,加入Golden Gate反应试剂,进行Golden Gate反应;
4)反应结束后,转化普通感受态细菌;
5)筛选得到无缝多片段克隆。
6.根据权利要求5所述的构建方法,其特征在于:目的基因的数量为1~9个。
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