JP2010539994A - 大型核酸のアッセンブリー - Google Patents
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Abstract
【選択図】 図1
Description
1つの視点において、本発明は、目的のヌクレオチド配列に基づくか、又は任意の所望のヌクレオチドを有する大型で、任意的に合成的でも良い(optionally synthetic)核酸分子の組み立て方法に関する。該方法は、およそ50キロベース以上を含む任意の配列に簡単に適用することができる。
所望の核酸分子の合成方法であって、
下記のステップa)〜c):
a) 複数のカセットを提供するステップ、<但し、ステップa)において、該カセットの各々は、所望の核酸の一部のヌクレオチド配列を含み、該カセットは、所望の核酸分子のヌクレオチド配列の重複部分(複数)を含み、そして、該カセットは、該重複部分(複数)に従って結合(コンバイン:combine)した場合には、所望の核酸の完全なヌクレオチド配列を提供すること>、
b) インビトロで前記カセットを結合して、結果として形成される複数のサブセットを得るステップ、<但し、ステップb)において、前記サブセットは、所望の配列の重複部分(複数)を含み、そして、該サブセットは、重複部分(複数)に従って組み立てた場合には、所望の核酸のヌクレオチド配列を提供すること>、
c) インビボで該サブセット(複数)を組み立て(assemble)て、所望の核酸分子を得るステップ、<但し、ステップc)において、前記組み立て物は、複製起点を更に含むこと>、
を含む方法に向けられる。
宿主細胞において、重複配列を有する少なくとも10個の核酸断片を同時に組み立てる方法であって、下記のステップを含む方法に向けられる:
前記細胞の培養物(ないしは、培養液)を前記複数断片の混合物で形質転換するステップ、<但し、複製起点をコードするDNA、そして、好ましくはセントロメア、が前記複数断片の中(among)に含まれること>、及び
組み立てた複数断片を形質移入した前記宿主又は他の複製細胞を培養するステップ。
10個以上のDNA断片をターゲットDNA分子に組み立てる方法であって、下記のステップ(a)〜(c)を含む方法に向けられる:
(a) 宿主細胞の培養物を十分な数の前記10個の断片(fragments)の各々のコピーを含む混合物で形質転換して、前記培養物の平均の細胞によって異なる断片の数の少なくともおよそ2倍に達する量のコピーを取り込ませるステップ、
<但し、ステップa)において、前記断片は少なくとも10塩基対の重複配列を含み、該重複配列は、配列が重複して所望の順番の組み立て物を提供するように整列し、そして、複製起点が、前記断片の中に含まれること>、
(b) 前記酵母培養物における前記断片の組み立てのために十分な時間を許容するステップ、さらに、
(c) 以下のいずれかのステップ:
(i)前記宿主を培養して、回収のための組み立てた核酸分子の十分なコピーを得るステップ、又は
(ii)前記宿主からDNAを抽出し、他の培養物に形質移入して、前記他の培養物が前記回収のための組み立てた核酸分子の十分なコピーを複製するようにするステップ。
調製A
M.ゲニタリウムゲノム配列の確認
天然の580,076kbのM.ゲニタリウムゲノム配列(Mycoplasma genitalium G37 ATCC 33530ゲノム配列;アクセッション番号:L43967 (Glass, J. I., et al. PNAS (USA) (2006) 103:425-430))を、個々に合成してシーケンスするおよそ5から7kbの長さの101個のカセットに分割した。通常、各カセットが1又は数個(several)の完全な遺伝子を含むように、カセットの境界を遺伝子の間に設置して、個々のカセットの、後における遺伝子の欠損(ないしは削除)又は操作を簡素化した。大部分のカセットは、それらの隣接するカセットに80bpだけ重複したが、いくつかのセグメントは、360bpぐらいだけ重複した。カセット101をカセット1に重複させて、それにより、円を完成させた。
半分のゲノムクローンは、上記のインビトロ組み換え法では、大腸菌において増殖できなかった。C78−101クローンでさえ、Stbl4(登録商標)大腸菌細胞中を除いては、維持することが難しかった。そのため、出芽酵母(S. cerevisiae)を、クローニングの宿主として使用した。
sMgTARBAC37のアガロースプラグを、酵母用のBioRad CHEFマニュアルプロトコールに従って、0.5のODまで30℃で培養した1.5LのCM−HIS培養液から調製した。プラグを洗浄し、1×NEBバッファー4の中で透析し、そしてオーバーナイトで、37℃で、酵母を切断するがsMgTARBAC37は切断しない制限酵素RsrII、FseI、及びAsiSIと共にインキュベーションした。4.5V/cmで2時間のアガロースゲル電気泳動によって消化したリニア状の酵母DNAをプラグから除去した。無傷の環状sMGTARBAC37のDNAは、これら条件下ではプラグ内に残った。1つのプラグをNotIと共にインキュベートし、そして、プラグ中のDNAを電気泳動によって解析して、sMgTARBAC37のDNAのサイズ及び純度を評価した。ゲルは、SYBRゴールドで染色した。
採用したDNA断片は、マイコプラズマ・ゲニタリウムのゲノムの重複部分であり、Gibson, D. G., et al., Science (2008) 319:1215 1220 (前記)に、詳細に記載される。
テーブル1に示した25個のA−シリーズの組み立て物の各々は、pCC1BAC(登録商標)中に含まれ、EPI300大腸菌株(Epicentre、登録商標)において増殖した。
[表1]
M.ゲニタリウムJCVI−1.1合成ゲノムの構築に使用した25個のA−シリーズの組み立て物の概要
VL6 48N酵母株(Kouprina, N., et al., 前記)を使用して、酵母細胞をザイモリエース(登録商標)で処理して細胞壁を弱くし、コンピテント化して、PEG及びCaCl2での処理によって、外来DNAを取り込ませた。細胞は、酵母スフェロプラストの調製の前に、1.3のOD600(〜5×107cells/ml)まで成長させた。消化した25個のA−シリーズの組み立て物をそれぞれ96ng(120ng/μlを0.8μl)の添加によってプールし、そして〜108個の酵母スフェロプラストと混合した。〜100ng又は〜4×109のゲノムに相当する、節(ないしパラグラフ)Aからの等量の各々消化された断片を、ゲル精製せずにプールした。およそ108個の酵母スフェロプラストをこのDNAプールに加え、酵母形質転換を実行した(Kouprina, N., et al., Nat. Protoc. (2008) 3:371-377)。これは、〜40個のM.ゲニタリウムゲノムに相当するか、あるいは、酵母スフェロプラストあたり、〜1000個のDNA分子(40×25)の量である。形質転換の次に、酵母スフェロプラストを再び作製し、ヒスチジンを含まない完全補充培地(CSM−His)にアデニンと1Mのソルビトールとを添加した寒天プレート上で3日間30℃で選別した。3日間、30℃で選択培地でインキュベーションした後に、およそ800個のコロニーを得た。次に、各コロニーを小さい(small)パッチのようにCMS−His寒天プレート上に移し、2日間30℃でインキュベーションした。一度選別して、所望の組み立て物を有することを確認した、これらプレートからの個々のコロニーを解析した。
DNAを、ChargeSwitch Plasmid Yeast Mini Kit(Invitrogen、カタログ番号CS10203、登録商標)を用いて、提供されたマニュアルに従って、培養した酵母細胞から抽出した。多重PCRを、10μlの反応で、PCRバッファー、dNTP´s混合物、及びホットスタートDNAポリメラーゼ(Qiagen、カタログ番号 206143)を含むマスターミックスを使用して実行した。2μlのDNA及び、20個のオリゴを各々5μMで含有する1μlの10×プライマーストック、を各反応に添加した。サイクルのパラメーターは、94℃で15分間、次に、94℃で30秒間、45℃(プライマーセット1)又は55℃(プライマーセット2−4)で90秒間、72℃で90秒間の35サイクル、その後、1回の72℃での3分間のインキュベーションである。2μlの各反応液を2%のE−gel(Invitrogen)に載せ、72Vを30分適用した。バンドは、Amersham Typhoon9410 蛍光イメージャーを使用して可視化した。
多重プライマーセット1−4を使用して多重PCRを実行し、ゲル電気泳動によって解析した。全ての40個ののPCR産物は、単位複製配列1−hを除いて、クローン4から抽出したDNAから効率的に生産された。このことは、全て25個のA−シリーズの組み立て物の存在を証明する(図10Bと比較)。A70−73は、単位複製配列1−h及び3−hによって表される。単位複製配列1−hは、他の単位複製配列と比較して低レベルで生産されるが、単位複製配列3−hは、効率的に生産されため、クローン4中のA70−73の存在の強力な証拠が提供される。クローン4を、更なる解析用に選択した。図10Dに示した結果において、多重PCRを、全ての4つのプライマーセットを使用して、クローン4に対して実行した。単位複製配列1−hを除く全ての40個の単位複製配列を、このクローンから効率的に生産することができた。「L」でラベルした列に、100bpラダー(NEB)を載せ、そしてサイズを示した。
Bio Rad Yeast DNA Plug Kitを使用し、そして提供された指示マニュアルに従って(カタログ番号 170-3593)クローンから1%アガロースにDNAを調製した。このプロトコールの完了した後に、プラグをhorizontal submarine electrophoresisトレイ中で、1xTAEに浸し、5.4V/cmを2時間適用した。プラグは、BioRadマニュアルに従って、EagI、BssHII又はAatIIで消化した(制限酵素及びバッファーはNEBによって供給された)。37℃で16時間インキュベーションした後、同量の各プラグ(およそ20μl)を、1%のBioRadのレディーアガロースミニゲル(Bio Rad Ready Agarose Mini Gels(登録商標))に載せ、そして、HoeferHE33(登録商標)のmini horizontal submarine electrophoresisトレイの中で、0.5μg/mlのエチジウムブロマイドを含有する1×TAEバッファーを使用して、U−2プログラムを使用して、循環なしで、電場反転ゲル電気泳動(FIGE)に、23℃で14時間供した。FIGE U−2に関するパラメーターは、、前進90V、初期のスイッチ5.0秒、最終的なスイッチ30秒、リニア状の傾斜、そして逆行60V、初期のスイッチ5.0秒、最終的なスイッチ30秒である。バンドは、Typhoon9410蛍光イメージャー(Amersham、登録商標)を用いて、532nmの励起波長、610nmの発光波長で可視化した。
Claims (24)
- 下記のステップを含む所望の核酸分子の合成方法であって、
a) 複数のカセットを提供するステップ、但し、ステップa)において、該カセットの各々は、所望の核酸の一部のヌクレオチド配列を含み、該カセットは、所望の核酸分子のヌクレオチド配列の重複部分(複数)を含み、そして、該カセットは、該重複部分(複数)に従って結合(コンバイン:combine)した場合には、所望の核酸の完全なヌクレオチド配列を提供すること、
b) インビトロで前記カセットを結合して、結果として形成される複数のサブセットを得るステップ、但し、ステップb)において、前記サブセットは、所望の配列の重複部分(複数)を含み、そして、該サブセットは、重複部分(複数)に従って組み立てた場合には、所望の核酸のヌクレオチド配列を提供すること、
c) インビボで宿主培養物において該サブセット(複数)を組み立て(assemble)て、所望の核酸分子を得るステップ、但し、ステップc)において、前記組み立て物は、複製起点を更に含むこと、
を特徴とする方法。 - 前記重複部分(複数)は、少なくとも20ベースをそれぞれ含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- ステップb)及び/又はステップc)を、少なくとも1回繰り返すことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- ステップc)を酵母において実行し、前記複製起点は、酵母において作動可能(operable)であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- ステップc)の前記組み立て物は、セントロメア及び/又は選択可能マーカー含むことを特徴とする請求項4に記載の方法。
- 前記複製起点を、追加のベクターに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記セントロメア及び/又は選択可能マーカーを、追加のベクターに含むことを特徴とする請求項5に記載の方法。
- ステップa)の1以上のカセットが、透かし配列(watermark)を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 10個以上のDNA断片を単一のDNA分子に組み立てる方法であって、
下記のステップ:
(a) 宿主細胞の培養物を十分な数の前記10個の断片(fragments)の各々のコピーを含む混合物で形質転換して、前記培養物の平均の細胞によって異なる断片の数の少なくともおよそ2倍に達する量のコピーを取り込ませるステップ、
但し、ステップa)において、前記断片は少なくとも10塩基対の重複配列を含み、該重複配列は、配列が重複して所望の順番の組み立て物を提供するように整列し、そして、複製起点を、前記断片の中に含むこと、
(b) 前記酵母培養物における前記断片の組み立てのために十分な時間を許容するステップ、さらに、
(c) 以下のいずれかのステップ:
(i)前記宿主を培養して、回収のための組み立てた核酸分子の十分なコピーを得るステップ、又は
(ii)前記宿主からDNAを抽出し、他の培養物に形質移入して、前記他の培養物が前記回収のための組み立てた核酸分子の十分なコピーを複製するようにするステップ、
を含むことを特徴とする方法。 - 組み立てたDNA分子を、宿主培養物又は他の培養物から単離するステップをさらに含むことを特徴とする請求項9に記載の方法。
- 少なくとも2つのターゲットDNA分子を前記宿主培養物において組み立てることを特徴とする請求項9に記載の方法。
- 複製起点が宿主において作動可能(operable)であり、宿主において作動可能なセントロメアを前記複数断片の中に含むことを特徴とする請求項9に記載の方法。
- 他のシステムにおいて作動可能な複製起点を前記複数断片の中(among)に含むことを特徴とする請求項9に記載の方法。
- 選択可能なマーカーを前記複数断片の中に含み、前記培養を選択条件下で実行することを特徴とする請求項9に記載の方法。
- 断片(複数)が二重鎖であり、100−5x106塩基対を含むことを特徴とする請求項9に記載の方法。
- 断片(複数)が一重鎖であり、40−1000ヌクレオチドを含むことを特徴とする請求項9に記載の方法。
- 前記断片の2つが、各々、1つの末端にテロメアを含むことを特徴とする請求項9に記載の方法。
- 組み立てたDNA分子が自然に発生するゲノムを表すことを特徴とする請求項9に記載の方法。
- 組み立てたDNA分子が所望の代謝経路を含むことを特徴とする請求項9に記載の方法。
- 宿主培養物が酵母であることを特徴とする請求項9〜19のいずれか1項に記載の方法。
- 請求項1〜19のいずれか1項に記載の方法によって組み立てた単離状態のDNA分子。
- 請求項1〜19のいずれか1項に記載の方法に従って組み立てたDNA分子を含む宿主培養物又は他の培養物。
- 酵母であることを特徴とする請求項22に記載の宿主培養物、及び大腸菌又はバチルスの培養物であることを特徴とする請求項22に記載の他の培養物。
- 遺伝子の決定的性質(criticality)を評価する方法であって、
細胞培養物に形質移入した請求項21に記載の合成核酸分子から候補遺伝子を削除する又は破壊すること、及び前記削除すること又は破壊することの培養物の生存に対する影響を評価すること
を含む方法。
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