TWI739247B - 戀臭假單胞菌s12基因編輯系統及其應用 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種戀臭假單胞菌基因編輯系統,包含戀臭假單胞菌、RedCas表達質體和外源基因表現質體。其中RedCas表達質體包含第一複製起始點、第一抵抗抗生素基因、λ-Red表現卡匣和Cas表現卡匣,外源基因表現質體包含第二複製起始點、同源互換左臂、第二抵抗抗生素基因、外源基因表現卡匣、同源互換右臂和gRNA卡匣。所述戀臭假單胞菌基因編輯系統包含CRISPR系統和λ-Red系統,可成功地一次將外源基因同源重組嵌入戀臭假單胞菌的多倍體染色體中,以得到外源基因表現穩定的同源重組體。
Description
本發明是有關於一種戀臭假單胞菌之基因表現調控系統及應用,特別是戀臭假單胞菌基因編輯之方法及其應用。
戀臭假單胞菌(Pseudomonas putida)是一種腐生營養土壤桿菌,屬於格蘭氏陰性菌。基於16SrRNA基因分析,戀臭假單胞菌被分類學上證實為假單胞菌屬。
戀臭假單胞菌具有耐高鹽、可利用甘油(glycerol)作為生長碳源,並具有許多代謝途徑可以分解許多有機分子(例如可降解甲苯),因此被廣泛應用於生物修復技術,或是用於微生物分解漏油,並可作為處理石化產業大量的含鹽甘油廢水的重要菌株平台。此外,和其他假單胞菌屬的菌株相比,戀臭假單胞菌更安全無害,且不像綠膿桿菌(Pseudomonas aeruginosa)有成為人類病原體的可能性。
先前文獻報導將外源基因轉型至戀臭假單胞菌體中來進行有機分子分解的方法仍有所限制,仍以送入質體並用抗生素維持外源基因穩定存在的方式進行,完成轉型的
菌株常較不穩定,容易失去分解有機分子的能力,需要額外添加抗生素維持其分解有機分子的能力,這在工業化生產終將會額外增加大量成本。除了前述方法之外,有文獻報導可利用CRIM將外源基因嵌入戀臭假單胞菌染色體中並進行基因編輯,此方法需要以質體不斷重複轉型進入同一染色體位置,但由於此方法限制很難精確嵌入外源染色體,並且很容易流失外源基因,或是需要以十分龐大或複雜的質體轉型系統進行基因編輯,使得整個基因編輯過程需要耗時將近兩周。後續雖然有其他研究藉由特定酵素切位(I-SecI)進行雙股斷裂(double strand breaks;DSBs)輔助的方法來縮短基因編輯的花費時間,但因酵素切位限制於染色體上某些地方而不能隨意進行基因編輯。因此如何得到穩定表現外源基因的戀臭假單胞菌轉型株,將其有效地應用於生物修復,用以移除或中和污染現場內污染物,始終是相當重要的課題。
有鑒於此,本發明提供一種戀臭假單胞菌基因編輯系統及戀臭假單胞菌基因編輯方法,透過將外源基因同源重組嵌入戀臭假單胞菌染色體中,得到穩定表現外源基因的同源重組體,可克服以質體生產的短處,並可加速將外源基因同時嵌入戀臭假單胞菌的多倍體染色體的程序。而利用本發明之戀臭假單胞菌基因編輯系統及戀臭假單胞菌基因編輯方法,可方便快速地實現刪除、點突變、替換及片段插
入等基因編輯,用以編輯戀臭假單胞菌之代謝網路,使其成為分解有機分子之菌株。
本發明之一態樣係在於提供一種戀臭假單胞菌(Pseudomonas putida)基因編輯系統,包含戀臭假單胞菌、RedCas表達質體和外源基因表現質體。所述RedCas表達質體包含依序排列之第一複製起始點、第一抵抗抗生素基因、λ-Red表現卡匣和Cas表現卡匣,其中第一複製起始點包含SEQ ID NO:1所示序列,λ-Red表現卡匣包含第一啟動子、Gam基因、Bet基因和Exo基因,Cas表現卡匣包含第二啟動子和Cas基因。所述外源基因表現質體包含依序排列之第二複製起始點、同源互換左臂、第二抵抗抗生素基因、外源基因表現卡匣、同源互換右臂和gRNA卡匣,其中外源基因表現卡匣包含第三啟動子和外源基因,gRNA卡匣包含第四啟動子和gRNA序列,且gRNA序列由一間隔(spacer)和一骨架所構成。其中同源互換左臂和同源互換右臂構成同源互換區,同源互換區之序列與戀臭假單胞菌之染色體之第一特定序列相對應,間隔之序列與戀臭假單胞菌之染色體之第二特定序列相對應,且第一抵抗抗生素基因和第二抵抗抗生素基因不相同。
依據前述之戀臭假單胞菌基因編輯系統,其中所述RedCas表達質體可更包含一araC基因,且第一啟動子可為araBAD啟動子。
依據前述之戀臭假單胞菌基因編輯系統,其中Cas基因可包含如SEQ ID NO:9所示序列、SEQ ID NO:10所示序列或SEQ ID NO:11所示序列。
依據前述之戀臭假單胞菌基因編輯系統,其中外源基因表現質體可更包含二Flp/FRT剔除作用序列,且第二抵抗抗生素基因位於所述二Flp/FRT剔除作用序列之間。
本發明之另一態樣係在於提供一種戀臭假單胞菌基因編輯方法,包含下述步驟:先構築RedCas表達質體和外源基因表現質體,構築之RedCas表達質體包含依序排列之第一複製起始點、第一抵抗抗生素基因、λ-Red表現卡匣和Cas表現卡匣。其中第一複製起始點包含SEQ ID NO:1所示序列,λ-Red表現卡匣包含第一啟動子、Gam基因、Bet基因和Exo基因,Cas表現卡匣包含第二啟動子和Cas基因。構築之外源基因表現質體包含依序排列之第二複製起始點、同源互換左臂、第二抵抗抗生素基因、外源基因表現卡匣、同源互換右臂和gRNA卡匣。其中外源基因表現卡匣包含第三啟動子和外源基因,gRNA卡匣包含第四啟動子和gRNA序列,gRNA序列由間隔(spacer)和骨架所構成。其中同源互換左臂和同源互換右臂構成一同源互換區,同源互換區之序列與戀臭假單胞菌之染色體之第一特定序列相對應,間隔之序列與戀臭假單胞菌之染色體之第二特定序列相對應,且第一抵抗抗生素基因和第二抵抗抗生素基因不相同。將RedCas表達質體轉型至戀臭假單胞菌(Pseudomonas putida)中,以得到第一轉型株。再進行誘
導步驟,係培養第一轉型株後加入誘導物,以誘導RedCas表達質體表現Gam蛋白、Beta蛋白、Exo蛋白和Cas蛋白。接著將外源基因表現質體轉型至經誘導後的第一轉型株中,以得到第二轉型株,使外源基因表現質體表現gRNA,其中gRNA與Cas蛋白形成Cas蛋白複合體,對第二轉型株之染色體之第二特定序列進行雙股斷裂。Gam蛋白、Beta蛋白和Exo蛋白共同引導外源基因表現質體之同源互換區與第二轉型株之染色體之第一特定序列進行同源交換,將外源基因嵌入轉型株之染色體之第一特定序列中。
依據前述之戀臭假單胞菌基因編輯方法,其中於誘導步驟中,可將第一轉型株培養至停滯期(stationary phase)後加入誘導物,可確保轉型效率。
依據前述之戀臭假單胞菌基因編輯方法,其中RedCas表達質體可更包含一araC基因,且第一啟動子可為araBAD啟動子。所述誘導物可為阿拉伯糖(arabinose)。
依據前述之戀臭假單胞菌基因編輯方法,其中可更包含第一篩選步驟,係以含有第一抗生素之第一培養基培養第一轉型株。
依據前述之戀臭假單胞菌基因編輯方法,其中可更包含第二篩選步驟,係以含有第二抗生素之第二培養基培養第二轉型株。
100:戀臭假單胞菌之基因編輯方法
110、120、130、140、150:步驟
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂,所附圖式之說明如下:第1A圖繪示本發明之RedCas表達質體構築示意圖;第1B圖繪示本發明之外源基因表現質體構築示意圖;第2圖繪示本發明之戀臭假單胞菌基因編輯方法之步驟流程圖;第3A圖繪示CRISPR/Cas系統測試例之構築示意圖;第3B圖為CRISPR/Cas系統造成戀臭假單胞菌雙股斷裂效率的定性圖;第3C圖為CRISPR/Cas系統造成戀臭假單胞菌雙股斷裂效率的定量圖;第4A圖繪示本發明之RedCas表達質體之第1實施例、第2實施例和第3實施例之構築示意圖;第4B圖繪示本發明之外源基因表現質體之第1實施例、第2實施例和第3實施例之構築示意圖;第4C圖繪示本發明之戀臭假單胞菌基因編輯系統在戀臭假單胞菌運作示意圖;第4D圖繪示第1比較例、第2比較例和第3比較例之戀臭假單胞菌基因編輯系統之構築示意圖;第4E圖繪示第4比較例、第5比較例和第6比較例之戀臭假單胞菌基因編輯系統之構築示意圖;第5A圖為本發明之第1實施例、第2實施例和第3實施例之戀臭假單胞菌基因編輯系統在戀臭假單胞菌運作後存活菌落之定性圖;
第5B圖為第1比較例、第2比較例和第3比較例之戀臭假單胞菌基因編輯系統在戀臭假單胞菌運作後存活菌落之定性圖;第5C圖為第4比較例、第5比較例和第6比較例之戀臭假單胞菌基因編輯系統在戀臭假單胞菌運作後存活菌落之定性圖;第5D圖為本發明之第1實施例、第2實施例和第3實施例之戀臭假單胞菌基因編輯系統之同源互換效率之結果圖;第5E圖為本發明之第1實施例、第2實施例和第3實施例之戀臭假單胞菌基因編輯系統在戀臭假單胞菌運作後存活菌落比例之定量圖;第6A圖繪示為進行菌落(colony)PCR而設計之6組獨特引子之位置示意圖;第6B圖、第6C圖和第6D圖為利用菌落PCR確認外源基因嵌入戀臭假單胞菌染色體之結果圖;第6E圖為利用菌落PCR確認經戀臭假單胞菌基因編輯系統處理後,戀臭假單胞菌染色體原始序列存在狀況之結果圖;第7A圖為利用菌落PCR確認經戀臭假單胞菌基因編輯系統處理6天後外源基因嵌入戀臭假單胞菌染色體之結果圖;以及第7B圖為外源基因嵌入戀臭假單胞菌之染色體的基因拷貝數之結果圖。
本發明之戀臭假單胞菌基因編輯系統包含戀臭假單胞菌(Pseudomonas putida)、RedCas表達質體和外源基因表現質體。請參照第1A圖和第1B圖,第1A圖繪示本發明之RedCas表達質體構築示意圖,第1B圖繪示本發明之外源基因表現質體構築示意圖。
RedCas表達質體包含依序排列之第一複製起始點、第一抵抗抗生素基因、λ-Red表現卡匣和Cas表現卡匣,其中第一複製起始點包含SEQ ID NO:1所示序列,λ-Red表現卡匣包含第一啟動子、Gam基因、Bet基因和Exo基因,Cas表現卡匣包含第二啟動子和Cas基因。進一步地,RedCas表達質體可更包含一araC基因,且第一啟動子可為araBAD啟動子。所述第一抵抗抗生素基因可為抵抗慶大黴素(gentamicin resistance,GmR)基因、抵抗卡納黴素(kanamycin resistance,KmR)基因或抵抗四環黴素(tetracycline resistance,TcR)基因。
外源基因表現質體包含依序排列之第二複製起始點、同源互換左臂、第二抵抗抗生素基因、外源基因表現卡匣、同源互換右臂和gRNA卡匣,其中外源基因表現卡匣包含第三啟動子和外源基因,gRNA卡匣包含第四啟動子和gRNA序列,gRNA序列由一間隔(spacer)和一骨架所構成。其中同源互換左臂和同源互換右臂構成同源互換區,同源互換區之序列與戀臭假單胞菌之染色體之第一特定序列
相對應,間隔之序列與戀臭假單胞菌之染色體之第二特定序列相對應,且第一抵抗抗生素基因和第二抵抗抗生素基因不相同。進一步地,外源基因表現質體可更包含二Flp/FRT剔除作用序列,且第二抵抗抗生素基因位於所述二Flp/FRT剔除作用序列之間。所述第二抵抗抗生素基因可為抵抗慶大黴素基因、抵抗卡納黴素基因或抵抗四環黴素基因。
請參照第2圖,其繪示本發明之戀臭假單胞菌基因編輯方法之步驟流程圖。第2圖中,戀臭假單胞菌基因編輯之方法100包含步驟110、步驟120、步驟130、步驟140和步驟150。
步驟110為構築RedCas表達質體,構築之RedCas表達質體包含依序排列之第一複製起始點、第一抵抗抗生素基因、λ-Red表現卡匣和Cas表現卡匣。其中第一複製起始點包含SEQ ID NO:1所示序列,λ-Red表現卡匣包含第一啟動子、Gam基因、Bet基因和Exo基因,Cas表現卡匣包含第二啟動子和Cas基因。進一步地,RedCas表達質體可更包含araC基因,且第一啟動子可為araBAD啟動子。
步驟120為構築外源基因表現質體,構築之外源基因表現質體包含依序排列之第二複製起始點、同源互換左臂、第二抵抗抗生素基因、外源基因表現卡匣、同源互換右臂和gRNA卡匣。其中外源基因表現卡匣包含第三啟動子和外源基因,gRNA卡匣包含第四啟動子和gRNA序列,
gRNA序列由間隔(spacer)和骨架所構成。其中同源互換左臂和同源互換右臂構成一同源互換區,同源互換區之序列與戀臭假單胞菌之染色體之第一特定序列相對應,間隔之序列與戀臭假單胞菌之染色體之第二特定序列相對應,且第一抵抗抗生素基因和第二抵抗抗生素基因不相同。
步驟130為將RedCas表達質體轉型至戀臭假單胞菌中,以得到第一轉型株。進一步地,可更包含第一篩選步驟,係以含有第一抗生素之第一培養基培養第一轉型株,以篩選成功轉型RedCas表達質體的第一轉型株。所述第一抗生素可為慶大黴素(gentamicin)、卡納黴素(kanamycin)或四環黴素(tetracycline)。
步驟140為進行誘導步驟,係培養第一轉型株後加入誘導物,以誘導RedCas表達質體表現Gam蛋白、Beta蛋白、Exo蛋白和Cas蛋白。進一步地,可將第一轉型株培養至停滯期(stationary phase)後加入誘導物,再進行後續試驗。例如培養第一轉型株12小時後加入誘導物,可確保轉型效率。
步驟150為將外源基因表現質體轉型至經誘導後的第一轉型株中,以得到第二轉型株,使外源基因表現質體表現gRNA,其中gRNA與Cas蛋白形成Cas蛋白複合體,對第二轉型株之染色體之第二特定序列進行雙股斷裂。Gam蛋白、Beta蛋白和Exo蛋白共同引導外源基因表現質體之同源互換區與第二轉型株之染色體之第一特定序列進行同源交換,將外源基因嵌入轉型株之染色體之第一特定序
列中。進一步地,可更包含第二篩選步驟,係以含有第二抗生素之第二培養基培養第二轉型株,以篩選成功轉型外源基因表現質體的第二轉型株。所述第二抗生素可為慶大黴素、卡納黴素或四環黴素。
茲以下列具體試驗例進一步示範說明本發明,用以有利於本發明所屬技術領域通常知識者,可在不需過度解讀的情形下完整利用並實踐本發明,而不應將這些試驗例視為對本發明範圍的限制,但用於說明如何實施本發明的材料及方法。
1.建立戀臭假單胞菌CRISPR/Cas系統
目前在尚無將CRISPR/Cas系統應用於戀臭假單胞菌的文獻報導。為了驗證CRISPR/Cas系統可在戀臭假單胞菌造成雙股斷裂,試驗上建構了三種不同CRISPR/Cas系統,包括SpCas9、SaCas9以及FnCas12a,並且設計gRNA對應戀臭假單胞菌染色體之Upp位置(PP_0746)作為測試例,試驗所使用的戀臭假單胞菌為Pseudomonas putida S12。
請參照第3A圖,其繪示CRISPR/Cas系統測試例之構築示意圖。第1測試例包含pGR-SpCas9質體和pKB-UppSp質體,其中pGR-SpCas9質體包含SpCas9基因,其核苷酸序列如SEQ ID NO:9所示,pKB-UppSp質體對應戀臭假單胞菌染色體之Upp位置的gRNA序列,其核苷酸序列如SEQ ID NO:18所示。第2測試例包含pGR-SaCas9質體和pKB-UppSa質體,其中pGR-SaCas9
質體包含SaCas9基因,其核苷酸序列如SEQ ID NO:10所示,pKB-UppSa質體對應戀臭假單胞菌染色體之Upp位置的gRNA序列,其核苷酸序列如SEQ ID NO:19所示。第3測試例包含pGR-FnCas12a質體和pKB-UppFn質體,其中pGR-FnCas12a質體包含FnCas12a基因,其核苷酸序列如SEQ ID NO:11所示,pKB-UppFn質體對應戀臭假單胞菌染色體之Upp位置的gRNA序列,其核苷酸序列如SEQ ID NO:20所示。另外為了驗證不同系統的雙股斷裂效率,試驗上另建構了pKB-ΔUpp質體做為對照組,其不會對戀臭假單胞菌染色體造成雙股斷裂。
為了證實CRISPR/Cas系統在戀臭假單胞菌中確實有效果,將前述構築好的質體轉型至戀臭假單胞菌內後,並觀察是否按照預期製造出Cas蛋白複合體並對戀臭假單胞菌之染色體上目標位置進行雙股斷裂。若成功進行雙股斷裂,則戀臭假單胞菌會因此死亡,便可以經由存活下的菌落數對比來驗證CRISPR/Cas系統是否有效果,並驗證CRISPR/Cas系統對於戀臭假單胞菌本身是否會造成毒害作用。試驗上包含實驗組及對照組,實驗組為分別加入第1測試例、第2測試例或第3測試例至戀臭假單胞菌進行轉型,而對照組為將第1測試例、第2測試例和第3測試例的gRNA置換為pKB-ΔUpp質體,藉由戀臭假單胞菌死亡率來驗證CRISPR/Cas系統在戀臭假單胞菌中造成雙股斷裂的效率。死亡率的計算如下述公式:
請參照第3B圖和第3C圖,第3B圖為CRISPR/Cas系統造成戀臭假單胞菌雙股斷裂效率的定性圖,第3C圖為CRISPR/Cas系統造成戀臭假單胞菌雙股斷裂效率的定量圖。結果顯示,第1測試例和第2測試例可造成99.9%的死亡率,第3測試例所造成的死亡率較低。推測可能為FnCas12a造成雙股斷裂後的DNA缺口為不平整形狀,相較SpCas9和SaCas9的平整斷裂口,戀臭假單胞菌較易自我修復由FnCas12a造成的破損處。因此最終顯示的戀臭假單胞菌的死亡率明顯有所差異。
2.建立戀臭假單胞菌基因編輯系統
在證實CRISPR/Cas系統可確實造成戀臭假單胞菌的雙股斷裂後,本試驗例以SpCas9、SaCas9以及FnCas12a建構三種不同戀臭假單胞菌基因編輯系統,本發明之戀臭假單胞菌基因編輯系統包含戀臭假單胞菌、RedCas表達質體和外源基因表現質體。
請參照第4A圖,繪示本發明之RedCas表達質體之第1實施例、第2實施例和第3實施例之構築示意圖。於試驗例中的RedCas表達質體包含依序排列之第一複製起始點、第一抵抗抗生素基因、araC基因、λ-Red表現卡匣和Cas表現卡匣,其中第一複製起始點為RSF1010 ori,其SEQ ID NO:1所示序列,第一抵抗抗生素基因為如SEQ ID NO:2所示之抵抗慶大黴素基因,araC基因的核苷酸序列
如SEQ ID NO:3所示。λ-Red表現卡匣包含第一啟動子、Gam基因、Bet基因和Exo基因,其中第一啟動子為如SEQ ID NO:4所示之araBAD啟動子,Gam基因的核苷酸序列如SEQ ID NO:5所示,Bet基因的核苷酸序列如SEQ ID NO:6所示,以及Exo基因的核苷酸序列如SEQ ID NO:7所示。Cas表現卡匣包含第二啟動子和Cas基因,其中第二啟動子為如SEQ ID NO:8所示之Tet啟動子。本發明之RedCas表達質體包含第1實施例、第2實施例和第3實施例,分別為pRedSpCas9質體、pRedSaCas9質體和pRedFnCas12a質體。其中pRedSpCas9質體的Cas基因序列如SEQ ID NO:9所示,pRedSaCas9質體的Cas基因序列如SEQ ID NO:10所示,pRedFnCas12a質體的Cas基因序列如SEQ ID NO:11所示。
請參照第4B圖,繪示本發明之外源基因表現質體之第1實施例、第2實施例和第3實施例之構築示意圖。於試驗例中的外源基因表現質體包含依序排列之第二複製起始點、同源互換左臂、Flp/FRT剔除作用序列、第二抵抗抗生素基因、Flp/FRT剔除作用序列、外源基因表現卡匣、同源互換右臂和gRNA卡匣,其中第二複製起始點為如SEQ ID NO:12所示之ColE1 ori,同源互換左臂的序列如SEQ ID NO:15所示,Flp/FRT剔除作用序列如SEQ ID NO:22所示,第二抵抗抗生素基因為如SEQ ID NO:13所示的抵抗四環黴素基因。外源基因表現卡匣包含第三啟動子和外源基因,其中第三啟動子為如SEQ ID NO:14所示的HCE啟
動子,外源基因為如SEQ ID NO:21所示的HmfH基因作為例示,同源互換右臂的序列如SEQ ID NO:16所示。gRNA卡匣包含第四啟動子和gRNA序列,gRNA序列由間隔(spacer)和骨架所構成。其中第四啟動子為如SEQ ID NO:17所示之J23119啟動子。本發明之外源基因表現質體包含第1實施例、第2實施例和第3實施例,分別為pHU-Sp質體、pHU-Sa質體和pHU-Fn質體。其中pHU-Sp質體的gRNA序列如SEQ ID NO:18所示,pHU-Sa質體的gRNA序列如SEQ ID NO:19所示,pHU-Fn質體的gRNA序列如SEQ ID NO:20所示。試驗上另建構了pHΔU質體做為對照組,其不會對戀臭假單胞菌染色體造成雙股斷裂。其中同源互換左臂和同源互換右臂構成同源互換區,同源互換區之序列與戀臭假單胞菌之染色體之第一特定序列相對應,間隔之序列與戀臭假單胞菌之染色體之戀臭假單胞菌染色體之Upp位置相對應,骨架則與Cas蛋白相互作用。
請參照第4C圖,繪示本發明之戀臭假單胞菌基因編輯系統在戀臭假單胞菌運作示意圖。先將前述構築好的RedCas表達質體(pRedSpCas9質體、pRedSaCas9質體和pRedFnCas12a質體)以電穿孔的方式轉型至戀臭假單胞菌中,以得到第一轉型株。進一步地,可利用含有慶大黴素的LB培養基培養第一轉型株,以篩選成功轉型RedCas表達質體的第一轉型株。再將第一轉型株培養於30mL新鮮且含有慶大黴素的LB培養基培養隔夜,再以加入0.5%的阿拉伯糖後再培養2小時,以誘導第一轉型株中的RedCas表達質體
表現Gam蛋白、Beta蛋白、Exo蛋白和Cas蛋白。以離心收集誘導後的第一轉型株,並以300mM的蔗糖洗滌2次後,再將外源基因表現質體(pHU-Sp質體、pHU-Sa質體和pHU-Fn質體)以電穿孔的方式轉型至第一轉型株中,以得到第二轉型株。進一步地,可利用含有四環黴素的LB培養基培養第二轉型株,以篩選成功轉型外源基因表現質體的第二轉型株。再培養第二轉型株,使外源基因表現質體表現gRNA,其中gRNA與Cas蛋白形成Cas蛋白複合體,對第二轉型株之染色體之第二特定序列進行雙股斷裂。Gam蛋白、Beta蛋白和Exo蛋白共同引導外源基因表現質體之同源互換區與第二轉型株之染色體之第一特定序列進行同源交換,將HmfH基因嵌入轉型株之染色體之Upp位置中,以得到同源重組體。
本試驗例另以CRISPR系統構築第1比較例至第6比較例之戀臭假單胞菌基因編輯系統。請參照第4D圖和第4E圖,第4D圖繪示第1比較例、第2比較例和第3比較例之戀臭假單胞菌基因編輯系統之構築示意圖,第4E圖繪示第4比較例、第5比較例和第6比較例之戀臭假單胞菌基因編輯系統之構築示意圖。
如第4D圖所示,第1比較例、第2比較例和第3比較例為將gRNA和外源基因分別構築於gRNA轉錄質體和模板質體中。其中第1比較例、第2比較例和第3比較例的模板質體相同,包含依序排列之同源互換左臂(長度約為1000bps)、Flp/FRT剔除作用序列、抵抗四環黴素基因、
Flp/FRT剔除作用序列、HCE啟動子和HmfH基因,而第1比較例、第2比較例和第3比較例的gRNA轉錄質體分別為pKB-UppSp、pKB-UppSa和pKB-UppFn。其中pKB-UppSp質體的gRNA序列如SEQ ID NO:18所示,pKB-UppSa質體的gRNA序列如SEQ ID NO:19所示,pKB-UppFn質體的gRNA序列如SEQ ID NO:20所示。試驗上另建構了pKB-ΔUpp質體做為對照組,其不會對戀臭假單胞菌染色體造成雙股斷裂。進行試驗時,第1比較例、第2比較例和第3比較例之戀臭假單胞菌基因編輯系統為先將帶有Cas蛋白產生質體(pGR-SpCas9、pGR-SaCas9或pGR-FnCas12a)的細胞作為勝任細胞,再同時以電穿孔的方式將模板質體和gRNA轉錄質體(pKB-UppSp質體、pKB-UppSa質體、pKB-UppFn質體或pKB-ΔUpp質體)轉型至勝任細胞中。再將共轉型後的細胞塗盤於含有四環黴素的固態培養基上,以進行存活菌落的定性分析。
如第4E圖所示,第4比較例、第5比較例和第6比較例為將gRNA和外源基因共同構築於外源基因表現質體中。第4比較例、第5比較例和第6比較例的外源基因表現質體與第1實施例、第2實施例和第3實施例的外源基因表現質體相同,分別為pHU-Sp質體、pHU-Sa質體和pHU-Fn質體。試驗上另建構了pHΔU質體做為對照組,其不會對戀臭假單胞菌染色體造成雙股斷裂。進行試驗時,第4比較例、第5比較例和第6比較例之戀臭假單胞菌基因編輯系統為先將帶有Cas蛋白產生質體(pGR-SpCas9、
pGR-SaCas9或pGR-FnCas12a)的細胞作為勝任細胞,再以電穿孔的方式將外源基因表現質體(pHU-Sp質體、pHU-Sa質體和pHU-Fn質體或pHΔU質體)轉型至勝任細胞中。再將轉型後的細胞塗盤於含有四環黴素的固態培養基上,以進行存活菌落的定性分析。
為了證實本發明之戀臭假單胞菌基因編輯系統在戀臭假單胞菌中確實有效果,將前述構築好的質體轉型至戀臭假單胞菌內後,經由含有四環黴素的培養基進行篩選獲得的第二轉型株,最終存活下來之菌落數便代表成功將外源基因同源重組進入第一轉型株之染色體中之第二轉型株數量。
請參照第5A圖、第5B圖、第5C圖、第5D圖和第5E圖,第5A圖為本發明之第1實施例、第2實施例和第3實施例之戀臭假單胞菌基因編輯系統在戀臭假單胞菌運作後存活菌落之定性圖,第5B圖為第1比較例、第2比較例和第3比較例之戀臭假單胞菌基因編輯系統在戀臭假單胞菌運作後存活菌落之定性圖,第5C圖為第4比較例、第5比較例和第6比較例之戀臭假單胞菌基因編輯系統在戀臭假單胞菌運作後存活菌落之定性圖,第5D圖為本發明之第1實施例、第2實施例和第3實施例之戀臭假單胞菌基因編輯系統之同源互換效率之結果圖,第5E圖為本發明之第1實施例、第2實施例和第3實施例之戀臭假單胞菌基因編輯系統在戀臭假單胞菌運作後存活菌落比例之定量圖。
由第5A圖的結果顯示,有gRNA的組別(pHU)有明顯的菌落存活,但沒有gRNA的組別(pHΔU)則完全沒有菌落存活,表示沒有以CRISPR系統造成的雙股斷裂,單獨的λ-Red系統無法有效地將外源基因嵌入戀臭假單胞菌的染色體中,因此外源基因嵌入效率十分低下。試驗上另以未加抗生素所存活的總菌落數作為分母,加入抗生素後的存活菌落數(成功嵌入外源基因之菌落數)作為分子,計算基因編輯細菌的存活比率。而由第5B圖和第5C圖的結果顯示,經由第1比較例、第2比較例、第3比較例、第4比較例、第5比較例或第6比較例之戀臭假單胞菌基因編輯系統處理後的戀臭假單胞菌,皆未有存活的菌落,顯示單獨以CRISPR系統對戀臭假單胞菌進行基因編輯,亦無法有效地將外源基因嵌入戀臭假單胞菌的染色體中。第5D圖和第5E圖的結果顯示,第1實施例、第2實施例和第3實施例的外源基因嵌入效率皆可達接近100%,而SpCas9系統的存活比率較SaCas9和FnCas12a高。
由前述結果可見,單獨以λ-Red系統或CRISPR系統對戀臭假單胞菌進行基因編輯,皆無法有效地將外源基因嵌入戀臭假單胞菌的染色體中。而本發明之戀臭假單胞菌基因編輯及其方法,合併λ-Red系統和CRISPR系統,可成功地嵌入外源基因至戀臭假單胞菌的染色體中。
3.戀臭假單胞菌基因編輯系統在戀臭假單胞菌中促進同源互換效率
試驗上進一步利用菌落(colony)PCR進一步驗證送入的外源基因是否嵌入至戀臭假單胞菌染色體上的目標位置。請參照第6A圖,繪示為進行菌落(colony)PCR而設計之6組獨特引子之位置示意圖,菌落PCR之引子係設計於戀臭假單胞菌染色體及嵌入之外源基因兩端交界處,進行PCR後可分別得到之左端PCR產物(P1+P2)約為1.7kb及右端PCR產物(P3+P4)約為1.5kb,另若以P1+P4進行PCR可得到約6.5kb的PCR產物。此外,另針對戀臭假單胞菌染色體上原始序列設計引子P5和P6,進行PCR後可分別得到PCR產物(P5+P6)約為0.5kb,即表示未成功嵌入外源基因至戀臭假單胞菌染色體中。
請參照第6B圖、第6C圖和第6D圖,為利用菌落PCR確認外源基因嵌入戀臭假單胞菌染色體之結果圖,其中第6B圖、第6C圖和第6D圖係分別於第1實施例、第2實施例和第3實施例中分別挑選21個菌落,以引子P1與P2或P3與P4進行菌落PCR。結果顯示,雖戀臭假單胞菌具有多倍體的染色體,但以本發明之戀臭假單胞菌基因編輯系統進行基因編輯,不論是第1實施例、第2實施例和第3實施例的每一個挑選的菌落皆可成功將外源基因嵌入目標位置,顯示本發明之戀臭假單胞菌基因編輯及其方法可成功地一次編輯戀臭假單胞菌的多倍體染色體。
請再參照第6E圖,為利用菌落PCR確認經戀臭假單胞菌基因編輯系統處理後,戀臭假單胞菌染色體原始序列存在狀況之結果圖。其係於第1實施例、第2實施例和第3
實施例中分別挑選2個菌落,以引子P5與P6進行菌落PCR,若PCR出現訊號表示菌株本該被取代的UPP位置仍然存在,則表示外源基因嵌入錯誤位置或未完全將多倍體的染色體全部嵌入。結果顯示,不論是第1實施例、第2實施例和第3實施例的每一個挑選的菌落皆未偵測到PCR產物,再次證明本發明之戀臭假單胞菌基因編輯及其方法可成功地嵌入外源基因,並能高效的完全取代戀臭假單胞菌的多倍體染色體。
4.利用戀臭假單胞菌基因編輯系統增加戀臭假單胞菌同源重組之效率
為了證實利用本發明之戀臭假單胞菌基因編輯及其方法所得到的同源重組體的外源基因的穩定性,試驗上將確認將外源基因嵌入正確位置的第二轉型株再培養6天(經過144代),再以菌落PCR進一步驗證送入的外源基因是否仍存在於戀臭假單胞菌染色體上的目標位置,並以定量PCR進行外源基因表現的定量分析。
請參照第7A圖和第7B圖,第7A圖為利用菌落PCR確認經戀臭假單胞菌基因編輯系統處理6天後外源基因嵌入戀臭假單胞菌染色體之結果圖,第7B圖為外源基因嵌入戀臭假單胞菌之染色體的基因拷貝數之結果圖。
第7A圖的結果顯示,經過144代的培養後,不論是第1實施例、第2實施例和第3實施例的每一個挑選的菌落,外源基因皆仍存在於戀臭假單胞菌染色體的目標位置。而第7B圖的結果顯示,經本發明之戀臭假單胞菌基因編輯
系統處理後的第二轉型株,即使經過144代的培養,於Pseudomonas putida S12中的25套染色體中仍能穩定表現外源基因(HmfH基因),且不表現戀臭假單胞菌原始序列中的Upp基因,證明經由本發明之戀臭假單胞菌基因編輯系統編輯後的菌株可以於多倍體的染色體中長期穩定的表現所嵌入的外源基因。
上述結果顯示,本發明之戀臭假單胞菌基因編輯系統及戀臭假單胞菌基因編輯方法,其合併λ-Red系統和CRISPR系統,可以同時且有效的使戀臭假單胞菌的多倍體染色體上基因組的目標位置雙股斷裂,以造成戀臭假單胞菌的死亡,並使欲嵌入的外源基因藉由外源基因表現質體,精確地與戀臭假單胞菌的基因組整合,且在轉型後的第6天後仍能偵測到外源基因存在於戀臭假單胞菌的目標位置,顯示經由本發明之戀臭假單胞菌基因編輯系統及戀臭假單胞菌基因編輯方法所得到的同源重組體可長期穩定表現外源基因。於先前技術中λ-Red系統多被使用於大腸桿菌中,目前仍未見於戀臭假單胞菌中利用λ-Red系統進行基因編輯,是以本案提出一種新穎且有效的戀臭假單胞菌基因編輯及其方法,可以突破先前技術的限制,用少量的基因編輯時間自由地挑選需要修改的戀臭假單胞菌染色體位置,同時促進戀臭假單胞菌基因編輯的效率。
然本發明已以實施方式揭露如上,然其並非用以限定本發明,任何熟習此技藝者,在不脫離本發明的精神
和範圍內,當可作各種的更動與潤飾,因此本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
序列表 <![CDATA[<110> 國立清華大學;長春人造樹脂廠股份有限公司;長春石油化學股份有限公司;大連化學工業股份有限公司]]> <![CDATA[<120> 戀臭假單胞菌基因編輯系統及其應用]]> <![CDATA[<160> 28]]> <![CDATA[<210> 1]]> <![CDATA[<211> 3160]]> <![CDATA[<212> DNA]]> <![CDATA[<213> Artificial Sequence]]> <![CDATA[<223> RSF1010 ori]]> <![CDATA[<400> 1]]> atgaagaacg acaggacttt gcaggccata ggccgacagc tcaaggccat gggctgtgag 60 cgcttcgata tcggcgtcag ggacgcaccc accggccaga tgatgaaccg ggaatggtca 120 gccgccgaag tgctccagaa cacgccatgg ctcaagcgga tgaatgccca gggcaatgac 180 gtgtatatca ggcccgccga gcaggagcgg catggtctgg tgctggtgga cgacctcagc 240 gagtttgacc tggatgacat gaaagccgag ggccgggagc ctgccctggt agtggaaacc 300 agcccgaaga actatcaggc atgggtcaag gtggccgacg ccgcaggcgg tgaacttcgg 360 gggcagattg cccggacgct ggccagcgag tacgacgccg acccggccag cgccgacagc 420 cgccactatg gccgcttggc gggcttcacc aaccgcaagg acaagcacac cacccgcgcc 480 ggttatcagc cgtgggtgct gctgcgtgaa tccaagggca agaccgccac cgctggcccg 540 gcgctggtgc agcaggctgg ccagcagatc gagcaggccc agcggcagca ggagaaggcc 600 cgcaggctgg ccagcctcga 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100‧‧‧戀臭假單胞菌之基因編輯方法
110、120、130、140、150‧‧‧步驟
Claims (10)
- 一種戀臭假單胞菌(Pseudomonas putida)S12基因編輯系統,包含:一戀臭假單胞菌S12;一RedCas表達質體,包含依序排列之一第一複製起始點、一第一抵抗抗生素基因、一λ-Red表現卡匣和一Cas表現卡匣,其中該第一複製起始點包含SEQ ID NO:1所示序列,該λ-Red表現卡匣包含一第一啟動子、一Gam基因、一Bet基因和一Exo基因,該Cas表現卡匣包含一第二啟動子和一Cas基因;以及一外源基因表現質體,包含依序排列之一第二複製起始點、一同源互換左臂、一第二抵抗抗生素基因、一外源基因表現卡匣、一同源互換右臂和一gRNA卡匣,其中該外源基因表現卡匣包含一第三啟動子和一外源基因,該gRNA卡匣包含一第四啟動子和一gRNA序列,該gRNA序列由一間隔(spacer)和一骨架所構成;其中該同源互換左臂和該同源互換右臂構成一同源互換區,該同源互換區之序列與該戀臭假單胞菌S12之一染色體之一第一特定序列相對應,該間隔之序列與該戀臭假單胞菌S12之該染色體之一第二特定序列相對應,且該第一抵抗抗生素基因和該第二抵抗抗生素基因不相同。
- 如申請專利範圍第1項所述之戀臭假單胞菌S12基因編輯系統,其中該RedCas表達質體更包含一araC基因,且該第一啟動子為araBAD啟動子。
- 如申請專利範圍第1項所述之戀臭假單胞菌S12基因編輯系統,其中該Cas基因包含如SEQ ID NO:9所示序列、SEQ ID NO:10所示序列或SEQ ID NO:11所示序列。
- 如申請專利範圍第1項所述之戀臭假單胞菌S12基因編輯系統,其中該外源基因表現質體更包含二Flp/FRT剔除作用序列,且該第二抵抗抗生素基因位於該二Flp/FRT剔除作用序列之間。
- 一種戀臭假單胞菌S12基因編輯方法,包含:構築一RedCas表達質體,其中該RedCas表達質體包含依序排列之一第一複製起始點、一第一抵抗抗生素基因、一λ-Red表現卡匣和一Cas表現卡匣,其中該第一複製起始點包含SEQ ID NO:1所示序列,該λ-Red表現卡匣包含一第一啟動子、一Gam基因、一Bet基因和一Exo基因,該Cas表現卡匣包含一第二啟動子和一Cas基因; 構築一外源基因表現質體,其中該外源基因表現質體包含依序排列之一第二複製起始點、一同源互換左臂、一第二抵抗抗生素基因、一外源基因表現卡匣、一同源互換右臂和一gRNA卡匣,其中該外源基因表現卡匣包含一第三啟動子和一外源基因,該gRNA卡匣包含一第四啟動子和一gRNA序列,其中該gRNA序列由一間隔(spacer)和一骨架所構成,該同源互換左臂和該同源互換右臂構成一同源互換區,該同源互換區之序列與一戀臭假單胞菌(Pseudomonas putida)S12之一染色體之一第一特定序列相對應,該間隔之序列與該戀臭假單胞菌S12之該染色體之一第二特定序列相對應,且該第一抵抗抗生素基因和該第二抵抗抗生素基因不相同;將該RedCas表達質體轉型至該戀臭假單胞菌S12中,以得到一第一轉型株;進行一誘導步驟,係培養該第一轉型株後加入一誘導物,以誘導該RedCas表達質體表現一Gam蛋白、一Beta蛋白、一Exo蛋白和一Cas蛋白;以及將該外源基因表現質體轉型至經誘導後的該第一轉型株中,以得到一第二轉型株,使該外源基因表現質體表現一gRNA,其中該gRNA與該Cas蛋白形成一Cas蛋白複合體,對該第二轉型株之一染色體之該第二特定序列進行雙股斷裂,該Gam蛋白、該Beta蛋白和該Exo蛋白共 同引導該外源基因表現質體之該同源互換區與該第二轉型株之該染色體之該第一特定序列進行同源交換,將該外源基因嵌入該轉型株之該染色體之該第一特定序列中。
- 如申請專利範圍第5項所述之戀臭假單胞菌S12基因編輯方法,其中於該誘導步驟中,該第一轉型株培養至停滯期(stationary phase)後加入該誘導物。
- 如申請專利範圍第5項所述之戀臭假單胞菌S12基因編輯方法,其中該RedCas表達質體更包含一araC基因,且該第一啟動子為araBAD啟動子。
- 如申請專利範圍第7項所述之戀臭假單胞菌S12基因編輯方法,其中該誘導物為阿拉伯糖(arabinose)。
- 如申請專利範圍第5項所述之戀臭假單胞菌S12基因編輯方法,其中更包含一第一篩選步驟,係以含有一第一抗生素之一第一培養基培養該第一轉型株。
- 如申請專利範圍第5項所述之戀臭假單胞菌S12基因編輯方法,其中更包含一第二篩選步驟,係以含有一第二抗生素之一第二培養基培養該第二轉型株。
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Non-Patent Citations (3)
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Chen et. al., "CRISPR/Cas9-based Genome Editing in Pseudomonas aeruginosa and Cytidine Deaminase- Mediated Base Editing in Pseudomonas Species" iScience 6, 222–231, 2018 |
Chen et. al., "CRISPR/Cas9-based Genome Editing in Pseudomonas aeruginosa and Cytidine Deaminase- Mediated Base Editing in Pseudomonas Species" iScience 6, 222–231, 2018 Sun et. al., "Genome editing and transcriptional repression in Pseudomonas putida via the type II CRISPR system" Microb Cell Fact (2018) 17:41 * |
Sun et. al., "Genome editing and transcriptional repression in Pseudomonas putida KT2440 via the type II CRISPR system" Microb Cell Fact (2018) 17:41 |
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