JP2016538865A - 微生物に対する新規ゲノム改変システム - Google Patents
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Abstract
Description
(実施例1)
材料および方法
菌株と培養条件
本研究で用いられた全てのサッカロマイセス株は表Iにリストとして示した。液体培地での成長では、振とうフラスコは振とう培養器に200rpm、30℃の条件で置かれた。プレート上での成長では、CBS1483を除くすべての株は30℃で生育された。CBS1483は20℃で生育された。これらの株は異なる培地で生育された。非選択的な条件では、酵母の生育は、10g/Lの酵母抽出物、20g/Lペプトン、22g/Lグルコース一水和物を含むpH6の酵母・ペプトン・ブドウ糖(Yeast Peptone Dextrose)(YPD)培地、5.0g/L (NH4)2SO4、3.0g/L KH2PO4、0.5g/L MgSO4・7H2O、1mL/L トレースエレメント溶液(Trace elements solution)および1mL/Lのビタミン溶液(Verduyn et al., 1992)を含む合成培地(SM)が用いられた(Verduyn et al. (1990). J General Microbiology 136: 395-403)。
重合連鎖反応(PCR)
2つの異なるPCR法が行われた。配列決定およびクローニングの目的のため、Phusion High Fidelity DNAポリメラーゼ(Finnzymes社、ヴァンター、フィンランド)がより正確な読み出しのために適用された。なぜなら、このポリメラーゼは3’から5’へのエクソヌクレアーゼ校正活性を有するからである。選択の手順(酵母のコロニーPCR)においては、3’から5’へのエクソヌクレアーゼ校正活性の無い、Dream Taq PCR master mix(Fermentas GmbH、ザンクト・レオン=ロート、ドイツ)が用いられた。
このプロジェクトに用いた制限酵素は、Fermentas社により供給された。消化混合液(digestion mix)は、最終的に望ましい量に応じて、総体積が20μLまたは30μLで調製された。多くの混合液は1μLのそれぞれの制限酵素(1 FastDigest 単位/μL)と、2または3μLの10x FastDigestバッファと、ヌクレアーゼを含まない脱塩水とを包含した。総量が20μLの混合液にはおおよそ50-200ngのDNAが用いられ、総量が30μLの混合液にはおおよそ100ng-2μgのDNAが用いられた。消化混合液は37℃の温度でインキュベートされた。
異なるDNA技術を分析するため、核酸分子は1x TAE バッファ(40mM Tris acetate および1mM EDTA)とともに1%アガロースゲル(0.001% SybrSafeで前もって染色したもの)に投入された。全てのDNA分子は100Vで30分間の電場を適用されることにより分離された。ゲルの画像は紫外線に露出することにより撮影された。
ゲルからDNAを精製するため、ゲル抽出キット(Sigma-Aldricch社、ズウェインドレヒト、オランダ)を用いた。関心をもったDNA断片は、刃を用いてアガロースゲルから切り抜かれた。製造者の推奨するところに沿ってDNAは抽出された。
付着末端または平滑末端のDNA断片は、T4 DNA リガーゼ(Life Technologies Europe BV社、ブレイスウェイク、オランダ)を用いて接合された。ライゲーション混合液は標準的な製造者のプロトコルに応じて調製され、16℃で20時間インキュベートされた。ライゲーション後の生成されたプラスミドは、E.coliへの形質転換にすぐに用いることが可能な状態である。
小体積のプラスミド(5μL)が、50μLのOne Shot TOP10 化学的コンピテント細胞(Life Technologies社)に加えられ、E.coliを化学的に形質転換する供給者からのプロトコルに従って形質転換が行われた。形質転換された細胞は37℃で振とうしながら1時間インキュベートされ、これにより細胞を回復させ、用いる抗生物質への耐性を獲得させた。細胞の懸濁液は予め温めておいた選択プレートに播かれ、37℃で一夜インキュベートした。無方向性のBlunt End TOPOクローニング(Life Technologies社)の結果として得られたプラスミドを有する細胞は、50μg/mLカナマイシン(125μL)または100μg/mL アンピシリン(125μL)を含有するLB-寒天プレート(10g トリプトン、5g 酵母抽出物、10g NaCl、15g/L寒天)に播かれた。pUC19における切断とライゲーションの結果として得られたプラスミドを有する細胞は、100 μg/mLのアンピシリン(250μL)を有するLBにストリーク(streak)(画線播種)された。一夜インキュベーションした後、単一コロニーは、予め温められた新しい選択プレートに再ストリークされ、再び一夜生育された。再ストリークの後、単一のE.coliの選択はバックグラウンド無しで可能であった。単一のコロニーは5mL LB培地に適切な抗生物質と共に植菌され、一夜生育された。プラスミドの単離の前に、200μLのグリセロール溶液が800μLの培養物に加えられ、その後、試料は-80℃のフリーザーで保管された。
プラスミドの単離では、所望のプラスミドを含むE.coli 培養がLB培地において一夜生育された。1-5mLの試料がペレット化された後は、Gen Elute Plasmid Miniprepキット(Sigma-Aldrich社)のプロトコルに従って単離を行った。最後のステップでは、100μLの代わりに50μLの、ヌクレアーゼを含まない脱塩水を用いて、カラムから精製されたプラスミドを溶出させた。
酵母の形質転換では、分光光度計により660nmの波長を測定して得た吸収から吸光度(OD)が導出された。OD660が0.6-0.8の間にあるとき(2×107 細胞/mL、10回の形質転換)、または個々の形質転換の必要に応じた細胞の量により補正された値にあるとき、酢酸リチウム・一本鎖キャリアDNA・ポリエチレングリコール法(Gietz and Woods, (2002). Methods in Enzymology 350: 87-96)に従って形質転換を行った。酵母の細胞は対応する選択プレートにストリークされた。
amdS-ISceIと呼ぶ、完全な遺伝子欠失カセットの中心的な部分は、2つのSceI認識部位にはさまれた、コドン最適化されたamdS遺伝子と、ガラクトース1プロモーター(GAL1p)下にあるI-SCEIとを備える。欠失カセットamdS-ISceIは2つの断片に分離され、当該2つの断片はamdS遺伝子の中の400ベースペアの重なり合いを包含することで、当該カセットの生体内での組み込みにおいて、相同組換えのステップを本質的な部分にすることができる。プライマー配列は表IIに示される。
最終的な遺伝子欠失断片の構築には、エールリッヒ経路において関与するフェニルピルビン酸デカルボキシラーゼをコードする遺伝子ScAro10(Vuralhan. et al., (2005). Appl Environ Microbiol 71 3276-3284)の5’および3’末端からの500ベースペアの配列がCBS1483ゲノムDNAから増幅された。
pUDC114の生体内での組み込み・組み換え
CEN.PK113-7Dにおける形質転換の効率に関する多くのデータが見出されるが、この研究に用いられる株に適用可能な60ベースペアの相同組換えの比較データは無い。倍数性と染色体の再構成は細胞の相同組換えを行う能力に影響するため、異なる倍数関係の3つのS.セレビシエの種は表IIにリストされた重なり合う断片を用いて形質転換され、pUDC114プラスミドが生成された。一倍体のCEN.PK113-7DはIMC067を生成し、二倍体のCEN.PK122はIMC076を生成し、倍数体のPRG410はIMC077を生成した。さらに、倍数体のS.パストリアヌス株CMBS33およびCBS1483、ならびに最近発見された二倍体S.ユーバヤヌスCBS12357(Libkind et al., (2011). PNAS USA 108: 14539-14544)がpUDC114プラスミドの生産能力を有するか、CBS12357についてはIMC064、CMBS33についてはIMC066が生成されるかを研究した。CBS1483については、相同性配列の短さにより組み込みが起きないと予見されていた。
2つに分かれた選択マーカーを生成するために、amdSマーカーは、amdSのORFにおいて400ベースペアの重なり合いを共に有する2つの部分に分離された。第1部分は、アッシビヤ・ゴシッピー(Ashbya gossipii)TEF2プロモーターと、pUGamdSYからのamdSのオープンリーディングフレームにおける最初の1138ヌクレオチドとを増幅して得られた。結果として得られた1569ベースペアの断片はその5’末端にSceI エンドヌクレアーゼの制限部位を有していた。この断片のpCR4Blunt-TOPOプラスミドでのクローニングの結果、pUD266が得られた。2つに分かれたマーカーシステムの第2部分は二段階のステップで構築された。1)マーカーの第2部分はamdS選択可能マーカーの最後の908ベースペアとAgTEF2ターミネーターを含んでいた。このカセットはその3’末端にSCEIカセットに相補的な60bpの伸長が配置された。2)GAL1プロモーターの制御の下にSCEI遺伝子を保持しているエンドヌクレアーゼSCEIカセットがpUDC073から増幅された。この断片はその3’末端に追加のエンドヌクレアーゼSceI制限部位を有していた。その後、2つの断片はフュージョンPCR(fusion PCR)により結合され、結果として得られた融合断片はpCR4Blunt-TOPOベクターにクローニングされ、pUDC267が得られた。
標準ベクターpUD266およびpUD267に遺伝子欠失カセットの中心的部分が連結されたが、相同組換えの配列は欠失カセットに組み込まれていなかった。相同組換え断片を生産するために、CBS1483のゲノムDNAは、Fw 5’ScAro10 NotIおよびRv 5’ScARO10 SacIでScARO10の上流部分が増幅され、Fw 3’ScARO10 BamHI 80bpおよびRv 3’ScARO10 PstIで下流部分が増幅された。pUDC266およびpUD267はそれぞれNotI/SacIおよびPstI/PmeIで切断され、5’断片(NotI/SacI)および3’断片(調整されたPstI)と連結された。これらのライゲーションにより、ScARO10遺伝子座の5’側にターゲッティングする第1の選択可能なカセット要素を保持するpUD268ベクターと、ScARO10遺伝子座の3’側にターゲッティングする第2の選択可能なカセット要素を保持するpUD269との2つの新しいベクターが生成された。
500ベースペアの相同性をもつ側部を有するamdS-ISceIカセットによる、この新しい方法を用いた遺伝子の欠失とマーカーの取り出しの原理を証明するための第1のステップは、いくつかの株において遺伝子の欠失を成功させることである。2つのこれまでに生成したカセットを用いた標的遺伝子の欠失は、相同性に基づいた3つの本質的な組換えステップからなる(図3A)。
誘導可能なエンドヌクレアーゼSCEIを用いて、組み込まれた二分したコンストラクトを標的遺伝子座から容易に取り出せることを検証するため、IMK490株(一箇所の欠失遺伝子座Scaro10Δ::amdSがあったCBS1483)が、SCEIの発現を制御するGAL1プロモーターを誘導するガラクトース培地で生育された。IMK490株はガラクトースを含む合成培地で48時間生育された。誘導後、エンドヌクレアーゼは欠失カセットをはさむSceI部位を切断し、そしてコード領域を染色体から除去し、ゲノムを編集するコンストラクトのリサイクルを可能にする。
IMK386、IMK487、IMK488、IMK489株は同様に処理された。
ガラクトースで生育されたIMK490細胞はガラクトースを炭素源として包含するプレートにストリークされ30℃で3時間インキュベートされた。単離単一コロニーは100μlの滅菌水で懸濁させ、アンモニウムまたはアセトアミドのみを窒素源として包含する合成培地プレートに5μlトランスファーされた。これらのプレートは30℃で二日間生育された。同様に、IMK386、IMK487、IMK488、IMK489の単離単一コロニーは、アンモニウムまたはアセトアミドのみを窒素源として包含する合成培地プレートに配置された。
マーカーを除去するための第2の方法は、amdS-ISceIカセットを包含するそれぞれの株から1mLの培養物を、主要な炭素源として2%ガラクトースと、0.05%グルコースとを含む液体培地に接種することを備え、これにより異なる酵母株の生育を高めた。この液体培地で4時間生育させた後、試料が取り出され滅菌水で200倍に希釈し、100μlがガラクトースとフルオロアセトアミドのプレートの液体培地に配置された。amdS遺伝子を発現するコロニーはフルオロアセトアミドをアンモニウムと毒性のあるフルオロアセテートに加水分解する。amdS選択可能マーカーを失った細胞のみが生育することができる。
クルイウェロマイセス・ラクティス(Kluyveromyces lactis)株ATCC8585のゲノムDNAが文献の記載のように調製された(Burke et al., 2000. Cold Spring Harbor Laboratory. Methods in yeast genetics: a Cold Spring Harbor Laboratory course manual)。KlGBU1をコードするORFのKLLA0F27995gは、Phusion Hot-Start polymerase(Finnzymes社)と、GBU1 フォワードプライマー(5'-CATCCGAACATAAACAACCATGAA GGTTGCAGGATTTATATTG)およびGBU1 リバースプライマー(5'-CAAGAAT CTTTTTATTGTCAGTACTGATCAGGCTTGCAAAACAAATTGTTC)を用いて増幅された。K. lactis GBU遺伝子のコード配列が得られた。
Claims (15)
- ターゲッティングコンストラクトのセットであって、
微生物の標的ゲノムと相同性を有する第1領域、エンドヌクレアーゼの認識部位、および選択マーカーの第1部分を備える第1コンストラクトと、
前記選択マーカーの第2部分、前記エンドヌクレアーゼの認識部位のコピー、および前記微生物の前記標的ゲノムと相同性を有する第2領域を備える第2コンストラクトと、
を備え、
前記標的ゲノムと相同性を有する前記第1および第2領域のそれぞれは少なくとも20ベースペア(bp)を備え、
前記選択マーカーの前記第1部分の断片と、前記選択マーカーの前記第2部分に存在する断片とは重なり合い、前記選択マーカーの前記第1および第2部分の間の組換えを可能にし、
前記断片は50から600bpの間であることが好ましく、
誘導可能なプロモーターと連結された前記エンドヌクレアーゼをコードするコード配列が前記第1または第2コンストラクトに存在し、
前記第1コンストラクトにある前記標的ゲノムと相同性を有する前記第1領域の一部分は、前記第2コンストラクトにある、前記エンドヌクレアーゼの認識部位の前記コピーと前記標的ゲノムと相同性を有する前記第2領域との間で重複するか、または、前記第2コンストラクトにある前記標的ゲノムと相同性を有する前記第2領域の一部分は、前記第1コンストラクトにある、前記標的ゲノムと相同性を有する第1領域と前記エンドヌクレアーゼの認識部位との間で重複し、
前記重複する領域は、20bpから200bpの間であることが好ましいターゲッティングコンストラクトのセット。 - 請求項1に記載のターゲッティングコンストラクトのセットにおいて、
前記選択マーカーの重なり合う前記断片はおおよそ200ベースペア(bp)であるターゲティングコンストラクトのセット。 - 請求項1または2に記載のターゲッティングコンストラクトのセットにおいて、
前記第1および第2ターゲッティングコンストラクトにある前記標的ゲノムと相同性を有する前記重複する領域は、おおよそ80bpであることが好ましいターゲティングコンストラクトのセット。 - 請求項1から3までのいずれか一項に記載のターゲッティングコンストラクトのセットにおいて、
前記エンドヌクレアーゼはホーミングエンドヌクレアーゼであるターゲッティングコンストラクトのセット。 - 請求項1から4までのいずれか一項に記載のターゲッティングコンストラクトにおいて、
前記選択可能なマーカーは栄養要求性のマーカーおよび/または優性マーカーであるターゲッティングコンストラクトのセット。 - 請求項1から5までのいずれか一項に記載のターゲッティングコンストラクトのセットにおいて、
前記誘導可能なプロモーターは、GAL1プロモーター、GAL10プロモーター、SUC2プロモーター、MAL12プロモーター、CUP1、およびテトラサイクリンにより調節可能なプロモーター、から選択されるターゲッティングコンストラクトのセット。 - 請求項1から6までのいずれか一項に記載のターゲッティングコンストラクトのセットにおいて、
前記微生物は、異数性の微生物であるターゲッティングコンストラクトのセット。 - 請求項1から7までのいずれか一項に記載のターゲッティングコンストラクトのセットにおいて、
前記微生物は、子嚢菌門であり、好ましくはサッカロマイセス亜門であるターゲッティングコンストラクトのセット。 - 請求項1から8までのいずれか一項に記載のターゲッティングコンストラクトのセットにおいて、
前記微生物は、サッカロマイセス・パストリアヌスであるターゲッティングコンストラクトのセット。 - 微生物のゲノムを改変する方法であって、
請求項1から9までのいずれか一項に記載のターゲッティングコンストラクトのセットを前記微生物に提供することと、
前記ゲノムが改変された微生物を選択することと、
を備える微生物のゲノムを改変する方法。 - ゲノムの改変を備える微生物の生産方法であって、
請求項1から9までのいずれか一項に記載のターゲッティングコンストラクトのセットを前記微生物に提供することと、
前記ゲノムが改変され、組み換えられた前記選択マーカーを機能的に発現する微生物を選択する微生物の生産方法。 - 請求項11に記載の方法において、
前記エンドヌクレアーゼの発現のための誘導可能なプロモーターを誘導することをさらに備える微生物の生産方法。 - ゲノム改変を備え、請求項11または12に記載の方法により生産された微生物。
- ゲノムの改変を備える微生物であって、
前記改変は、機能的で組み換えられた選択マーカーと、誘導可能なプロモーターに連結されたエンドヌクレアーゼのコード配列との挿入を備え、前記挿入の部位は、前記挿入の両方の部位に前記エンドヌクレアーゼの1コピーの認識配列を備える微生物。 - 改変された染色体の領域を備える微生物の生産方法であって、
請求項14に記載の微生物を提供することと、
前記誘導可能なプロモーターを誘導して前記エンドヌクレアーゼの前記認識配列における前記核酸配列を除去することと、
を備える微生物の生産方法。
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