Мутагенез (метод молекулярной биологии)
В молекулярной биологии мутагенез является важным лабораторным методом, с помощью которого мутации ДНК намеренно создаются для создания библиотек мутантных генов, белков, штаммов бактерий или других генетически модифицированных организмов . Различные компоненты гена, а также его регуляторные элементы и его генные продукты могут быть мутированы так, чтобы можно было детально изучить функционирование генетического локуса, процесса или продукта. Мутация может привести к образованию мутантных белков с интересными свойствами или улучшенными или новыми функциями, которые могут найти коммерческое использование. Также можно получить мутантные штаммы, которые имеют практическое применение или позволяют исследовать молекулярную основу конкретной функции клетки.
Сегодня существует множество методов мутагенеза. Первоначально мутации, искусственно вызванные в лаборатории, были совершенно случайными с использованием таких механизмов, как УФ-облучение. Случайный мутагенез не может быть нацелен на определенные области или последовательности генома; однако с развитием сайт-направленного мутагенеза можно внести более специфические изменения. С 2013 года развитие технологии CRISPR /Cas9, основанной на системе защиты прокариот от вирусов, позволило редактировать или мутагенез генома in vivo . [ 1 ] Сайт-направленный мутагенез оказался полезным в ситуациях, когда случайный мутагенез бесполезен. Другие методы мутагенеза включают комбинаторный и инсерционный мутагенез. Неслучайный мутагенез может быть использован для клонирования ДНК. [ 2 ] исследовать действие мутагенов, [ 3 ] и инженерные белки. [ 4 ] Он также имеет медицинские применения, такие как помощь пациентам с ослабленным иммунитетом, исследование и лечение заболеваний, включая ВИЧ и рак, а также лечение таких заболеваний, как бета-талассемия . [ 5 ]
Случайный мутагенез
[ редактировать ]Ранние подходы к мутагенезу основывались на методах, вызывающих совершенно случайные мутации. В таких методах клетки или организмы подвергаются воздействию мутагенов, таких как УФ-излучение или мутагенные химические вещества, а затем отбираются мутанты с желаемыми характеристиками. Герман Мюллер в 1927 году обнаружил, что рентгеновские лучи могут вызывать генетические мутации у плодовых мух . [ 6 ] и продолжал использовать созданных им мутантов для своих исследований в области генетики . [ 7 ] Для Escherichia coli мутанты могут быть сначала отобраны путем воздействия УФ-излучения, а затем высеяны на агаризованную среду. Образовавшиеся колонии затем высевают на чашки : одну в богатую среду , другую в минимальную среду, и затем мутанты, имеющие особые потребности в питании, могут быть идентифицированы по их неспособности расти в минимальной среде. Аналогичные процедуры можно повторить с другими типами клеток и с другими средами для селекции.
ряд методов генерации случайных мутаций в конкретных белках Позже был разработан для выявления мутантов с интересными или улучшенными свойствами. Эти методы могут включать использование допированных нуклеотидов в синтезе олигонуклеотидов или проведение реакции ПЦР в условиях, которые усиливают неправильное включение нуклеотидов (ПЦР, склонная к ошибкам), например, за счет снижения точности репликации или использования аналогов нуклеотидов. [ 8 ] Разновидностью этого метода интеграции несмещенных мутаций в ген является мутагенез с насыщением последовательности . [ 9 ] Продукты ПЦР, содержащие мутации, затем клонируются в вектор экспрессии , и полученные мутантные белки затем можно охарактеризовать.
В исследованиях на животных алкилирующие агенты , такие как N -этил- N -нитрозомочевина (ENU), использовались для создания мутантных мышей. [ 10 ] [ 11 ] Этилметансульфонат (ЭМС) также часто используется для создания мутантов животных, растений и вирусов. [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]
В законе Европейского Союза (как директива 2001/18) этот вид мутагенеза может использоваться для производства ГМО , но продукты освобождены от регулирования: нет маркировки, нет оценки. [ 15 ]
Сайт-направленный мутагенез
[ редактировать ]До разработки методов сайт-направленного мутагенеза все возникающие мутации были случайными, и ученым приходилось использовать отбор по желаемому фенотипу, чтобы найти желаемую мутацию. Методы случайного мутагенеза имеют преимущество с точки зрения количества возможных мутаций; однако, хотя случайный мутагенез может привести к изменению отдельных нуклеотидов, он не обеспечивает особого контроля над тем, какой нуклеотид изменяется. [ 5 ] Поэтому многие исследователи стремятся внести избранные изменения в ДНК точным и специфичным для сайта способом. Ранние попытки использования аналогов нуклеотидов и других химических веществ были впервые использованы для создания локализованных точковых мутаций . [ 16 ] К таким химическим веществам относятся аминопурин АТ в GC , который индуцирует переход , [ 17 ] в то время как нитрозогуанидин , [ 18 ] бисульфит , [ 19 ] и Н 4 -гидроксицитидин может индуцировать переход GC в AT. [ 20 ] [ 21 ] Эти методы позволяют встроить в белок определенные мутации; однако они не являются гибкими в отношении типов образующихся мутантов и не столь специфичны, как более поздние методы сайт-направленного мутагенеза, и поэтому имеют некоторую степень случайности. Другие технологии, такие как расщепление ДНК в определенных участках хромосомы, добавление новых нуклеотидов и замена пар оснований, теперь позволяют решать, куда могут пойти мутации. [ 11 ] [ 8 ]
Современные методы сайт-специфической мутации берут начало в методе удлинения праймера, разработанном в 1978 году. Такие методы обычно включают использование предварительно изготовленных мутагенных олигонуклеотидов в праймера реакции удлинения с помощью ДНК-полимеразы . Этот метод позволяет производить точечную мутацию, удаление или вставку небольших участков ДНК в определенных участках. Достижения в методологии сделали такой мутагенез теперь относительно простым и эффективным процессом. [ 3 ]
Постоянно разрабатываются новые и более эффективные методы сайт-направленного мутагенеза. Например, метод под названием «Экстракт клонирования с помощью бесшовного лигирования» (или сокращенно SLiCE) позволяет клонировать определенные последовательности ДНК внутри генома, и в геном можно вставить более одного фрагмента ДНК одновременно. [ 2 ]
Сайт-направленный мутагенез позволяет исследовать влияние конкретной мутации. Есть множество применений; например, его использовали для определения того, насколько восприимчивы определенные виды к химическим веществам, которые часто используются в лабораториях. В эксперименте использовался сайт-направленный мутагенез для имитации ожидаемых мутаций конкретного химического вещества. Мутация привела к изменению конкретных аминокислот, и были проанализированы эффекты этой мутации. [ 3 ]
Сайт-направленный подход может применяться систематически с помощью таких методов, как сканирующий мутагенез аланина , при котором остатки систематически мутируют в аланин , чтобы идентифицировать остатки, важные для структуры или функции белка. [ 22 ] Другим комплексным подходом является сайт -насыщенный мутагенез, при котором один кодон или набор кодонов можно заменить всеми возможными аминокислотами в определенных положениях. [ 23 ] [ 24 ]
Комбинаторный мутагенез
[ редактировать ]Комбинаторный мутагенез — это метод сайт-направленной белковой инженерии, при котором можно одновременно создать несколько мутантов белка на основе анализа эффектов аддитивных отдельных мутаций. [ 25 ] Он обеспечивает полезный метод оценки комбинаторного влияния большого количества мутаций на функцию белка. [ 26 ] Большое количество мутантов можно проверить на наличие определенной характеристики с помощью комбинаторного анализа. [ 25 ] С помощью этого метода можно полностью модифицировать множество позиций или коротких последовательностей на цепи ДНК для получения обширной библиотеки мутантных белков. [ 25 ] Частоту встречаемости полезных вариантов можно повысить с помощью различных методов создания библиотек мутагенеза. Один из подходов к этому методу заключается в извлечении и замене части последовательности ДНК библиотекой последовательностей, содержащей все возможные комбинации в желаемом сайте мутации. Содержимое вставленного сегмента может включать последовательности, имеющие структурное значение, иммуногенные свойства или ферментативную функцию. Сегмент также может быть вставлен в ген случайным образом, чтобы оценить структурное или функциональное значение конкретной части белка. [ 25 ]
Инсерционный мутагенез
[ редактировать ]Вставка одной или нескольких пар оснований, приводящая к мутациям ДНК, также известна как инсерционный мутагенез . [ 27 ] Подобные инженерные мутации могут предоставить важную информацию в исследованиях рака, например, понимание механизмов развития заболевания. Ретровирусы и транспозоны являются основными инструментами инсерционного мутагенеза. Ретровирусы, такие как вирус опухоли молочной железы мышей и вирус мышиного лейкоза, можно использовать для идентификации генов, участвующих в канцерогенезе, и понимания биологических путей развития конкретных видов рака. [ 28 ] Транспозоны, хромосомные сегменты, которые могут подвергаться транспозиции, могут быть разработаны и применены для инсерционного мутагенеза в качестве инструмента для открытия генов рака. [ 28 ] Эти хромосомные сегменты позволяют применять инсерционный мутагенез практически к любой выбранной ткани, а также обеспечивают более полную и объективную глубину секвенирования ДНК. [ 28 ]
Исследователи обнаружили четыре механизма инсерционного мутагенеза, которые можно использовать на людях. первый механизм называется вставкой энхансера. Энхансеры усиливают транскрипцию определенного гена, взаимодействуя с промотором этого гена. Этот конкретный механизм был впервые использован, чтобы помочь пациентам с тяжелым иммунодефицитом, которым нужен костный мозг. Затем пациентам вводили гаммаретровирусы, несущие энхансеры. Второй механизм называется вставкой промотора. Промоторы снабжают наши клетки определенными последовательностями, необходимыми для начала трансляции. Вставка промотора помогла исследователям узнать больше о вирусе ВИЧ. Третий механизм – инактивация генов. Примером инактивации генов является использование инсерционного мутагенеза для вставки ретровируса, который разрушает геном Т-клеток у пациентов с лейкемией, и предоставления им специфического антигена, называемого CAR, позволяющего Т-клеткам нацеливаться на раковые клетки. Последний механизм называется заменой на 3'-конце мРНК. В наших генах время от времени происходят точечные мутации, вызывающие бета-талассемию, которая нарушает функцию эритроцитов. Чтобы решить эту проблему, вводится правильная последовательность генов эритроцитов и производится замена. [ 5 ]
Гомологичная рекомбинация
[ редактировать ]Гомологичная рекомбинация может быть использована для создания специфической мутации в организме. Вектор, содержащий последовательность ДНК, аналогичную модифицируемому гену, вводится в клетку и посредством процесса рекомбинации заменяет целевой ген в хромосоме. Этот метод можно использовать для введения мутации или выключения гена, например, при производстве нокаутных мышей . [ 29 ]
КРИСПР
[ редактировать ]С 2013 года развитие технологии CRISPR -Cas9 позволило эффективно внедрять различные типы мутаций в геном самых разных организмов. Этот метод не требует места вставки транспозона, не оставляет маркера, а его эффективность и простота сделали его предпочтительным методом редактирования генома . [ 30 ] [ 31 ]
Синтез генов
[ редактировать ]Поскольку стоимость синтеза ДНК-олигонуклеотидов падает, искусственный синтез полного гена теперь является жизнеспособным методом внесения мутаций в ген. Этот метод позволяет осуществлять обширные мутации в нескольких сайтах, включая полную переработку использования кодонов гена для оптимизации его для конкретного организма. [ 32 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Сюй П.Д., Ландер Э.С., Чжан Ф. (июнь 2014 г.). «Разработка и применение CRISPR-Cas9 для генной инженерии» . Клетка . 157 (6): 1262–78. дои : 10.1016/j.cell.2014.05.010 . ПМЦ 4343198 . ПМИД 24906146 .
- ^ Перейти обратно: а б Мотохаси К. (июнь 2015 г.). «Простой и эффективный метод бесшовного клонирования ДНК с использованием SLiCE из лабораторных штаммов Escherichia coli и его применение для сайт-направленного мутагенеза SLiP» . БМК Биотехнология . 15:47 . дои : 10.1186/s12896-015-0162-8 . ПМЦ 4453199 . ПМИД 26037246 .
- ^ Перейти обратно: а б с Деринг Дж.А., Ли С., Кристиансен К., Эвенсет Л., Бэррон М.Г., Силте И., ЛаЛон, Калифорния (ноябрь 2018 г.). «Сайт-направленный мутагенез In Silico позволяет делать видоспецифичные прогнозы химической восприимчивости, полученные на основе выравнивания последовательностей, для прогнозирования межвидовой восприимчивости (SeqAPASS)» . Токсикологические науки . 166 (1): 131–145. дои : 10.1093/toxsci/kfy186 . ПМК 6390969 . ПМИД 30060110 .
- ^ Чой Г.С., Чжоу П., Юэнь К.Т., Чан Б.К., Сюй Ф., Бао С. и др. (август 2019 г.). «Массовый комбинаторный мутагенез оптимизирует деятельность по редактированию генома SpCas9». Природные методы . 16 (8): 722–730. дои : 10.1038/s41592-019-0473-0 . ПМИД 31308554 . S2CID 196811756 .
- ^ Перейти обратно: а б с Бушман Ф.Д. (февраль 2020 г.). «Ретровирусный инсерционный мутагенез у людей: доказательства четырех генетических механизмов, способствующих расширению клеточных клонов» . Молекулярная терапия . 28 (2): 352–356. дои : 10.1016/j.ymthe.2019.12.009 . ПМК 7001082 . ПМИД 31951833 .
- ^ Мюллер HJ (июль 1927 г.). «Искусственная трансмутация гена» (PDF) . Наука . 66 (1699): 84–7. Бибкод : 1927Sci....66...84M . дои : 10.1126/science.66.1699.84 . ПМИД 17802387 .
- ^ Кроу Дж. Ф., Абрахамсон С. (декабрь 1997 г.). «Семьдесят лет назад: мутация становится экспериментальной» . Генетика . 147 (4): 1491–6. дои : 10.1093/генетика/147.4.1491 . ПМК 1208325 . ПМИД 9409815 .
- ^ Перейти обратно: а б Блэкберн GM, изд. (2006). Нуклеиновые кислоты в химии и биологии (3-е изд.). Королевское химическое общество. стр. 191–192. ISBN 978-0854046546 .
- ^ Вонг Т.С., Ти К.Л., Хауэр Б., Шванеберг У. (февраль 2004 г.). «Мутагенез с насыщением последовательностей (SeSaM): новый метод направленной эволюции» . Исследования нуклеиновых кислот . 32 (3): 26д–26. дои : 10.1093/нар/gnh028 . ПМЦ 373423 . ПМИД 14872057 .
- ^ Судья М.Дж., Новероске Дж.К., Вебер Дж.С., Чжэн Б., Брэдли А. (1999). «Мутагенез ЕНУ мыши» . Молекулярная генетика человека . 8 (10): 1955–63. дои : 10.1093/hmg/8.10.1955 . ПМИД 10469849 .
- ^ Перейти обратно: а б Грабе де Анжелис М., Баллинг Р. (май 1998 г.). «Крупномасштабные экраны ENU на мышах: генетика встречается с геномикой». Мутационные исследования . 400 (1–2): 25–32. Бибкод : 1998MRFMM.400...25D . дои : 10.1016/s0027-5107(98)00061-x . ПМИД 9685575 .
- ^ Флиботт С., Эджли М.Л., Чаудри И., Тейлор Дж., Нил С.Е., Рогула А. и др. (июнь 2010 г.). «Полногеномное профилирование мутагенеза Caenorhabditis elegans» . Генетика . 185 (2): 431–41. дои : 10.1534/genetics.110.116616 . ПМЦ 2881127 . ПМИД 20439774 .
- ^ Бёкель С (2008). «ЭМС-экраны: от мутагенеза к скринингу и картированию». Дрозофила . Методы молекулярной биологии. Том. 420. стр. 119–38. дои : 10.1007/978-1-59745-583-1_7 . ISBN 978-1-58829-817-1 . ПМИД 18641944 .
- ^ Фавор АХ, Лланос КД, Янгблут МД, Бардалес Дж.А. (2020). «Оптимизация инженерии бактериофагов с помощью платформы ускоренной эволюции» . Научные отчеты . 10 (1): 13981. doi : 10.1038/s41598-020-70841-1 . ПМЦ 7438504 . ПМИД 32814789 .
- ^ Кринк С. (март 2018 г.). «Директива о ГМО: истоки освобождения от мутагенеза» . Инф'ОГМ .
- ^ Шортл Д., ДиМайо Д., Натанс Д. (1981). «Направленный мутагенез». Ежегодный обзор генетики . 15 : 265–94. дои : 10.1146/annurev.ge.15.120181.001405 . ПМИД 6279018 .
- ^ Лица И.В., Макиннес М.А., Персинг Д.Х., Коффино П., Мартин Д.В. (сентябрь 1982 г.). «Механизм мутагенеза 2-аминопурина в клетках Т-лимфосаркомы мыши» . Молекулярная и клеточная биология . 2 (9): 1096–103. дои : 10.1128/mcb.2.9.1096 . ПМК 369902 . ПМИД 6983647 .
- ^ Макхью Г.Л., Миллер К.Г. (октябрь 1974 г.). «Выделение и характеристика мутантов пролинпептидазы Salmonella typhimurium» . Журнал бактериологии . 120 (1): 364–71. дои : 10.1128/JB.120.1.364-371.1974 . ПМЦ 245771 . ПМИД 4607625 .
- ^ Шортл Д., Натанс Д. (май 1978 г.). «Локальный мутагенез: метод создания вирусных мутантов с заменами оснований в заранее выбранных участках вирусного генома» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 75 (5): 2170–4. Бибкод : 1978PNAS...75.2170S . дои : 10.1073/pnas.75.5.2170 . ПМЦ 392513 . ПМИД 209457 .
- ^ Флавелл Р.А., Сабо Д.Л., Бандл Э.Ф., Вайсманн К. (январь 1975 г.). «Сайт-направленный мутагенез: влияние экстрацистронной мутации на размножение in vitro РНК бактериофага Qbeta» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 72 (1): 367–71. Бибкод : 1975PNAS...72..367F . дои : 10.1073/pnas.72.1.367 . ПМК 432306 . ПМИД 47176 .
- ^ Мюллер В., Вебер Х., Мейер Ф., Вайсманн К. (сентябрь 1978 г.). «Сайт-направленный мутагенез в ДНК: создание точечных мутаций в клонированной комплементарной ДНК бета-глобина в положениях, соответствующих аминокислотам со 121 по 123». Журнал молекулярной биологии . 124 (2): 343–58. дои : 10.1016/0022-2836(78)90303-0 . ПМИД 712841 .
- ^ Ванесса Э. Грей; Рональд Дж. Хаус; Дуглас М. Фаулер (1 сентября 2017 г.). «Анализ данных крупномасштабного мутагенеза для оценки влияния одиночных аминокислотных замен» . Генетика . 207 (1): 53–61. doi : 10.1534/genetics.117.300064 . ПМК 5586385 . ПМИД 28751422 .
- ^ Ритц, Монтана; Карбалейра Джей Ди (2007). «Итеративный насыщающий мутагенез (ISM) для быстрой направленной эволюции функциональных ферментов». Протоколы природы . 2 (4): 891–903. дои : 10.1038/nprot.2007.72 . PMID 17446890 . S2CID 37361631 .
- ^ Черчионе, Дерек; Лавлак, Кэтрин; Тиллотсон, Эрик Л.; Харбински, Фред; ДаСильва, Джен; Келли, Чейз П.; Кестон-Смит, Элиза; Фернандес, Сесилия А.; Майер, Вик Э.; Джаярам, Харихаран; Стейнберг, Барретт Э.; Сюй, Шуан-юн (16 апреля 2020 г.). «Библиотеки SMOOT и индуцированная фагами направленная эволюция Cas9 для снижения нецелевой активности» . ПЛОС ОДИН . 15 (4): e0231716. Бибкод : 2020PLoSO..1531716C . дои : 10.1371/journal.pone.0231716 . ПМК 7161989 . ПМИД 32298334 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Паркер А.С., Грисволд К.Э., Бейли-Келлог С. (ноябрь 2011 г.). «Оптимизация комбинаторного мутагенеза» . Журнал вычислительной биологии . 18 (11): 1743–56. Бибкод : 2011LNCS.6577..321P . дои : 10.1089/cmb.2011.0152 . ПМК 5220575 . ПМИД 21923411 .
- ^ Чой Г.К., Чжоу П., Юэнь К.Т., Чан Б.К., Сюй Ф, Бао С., Чу ХИ, Теан Д., Тан К., Вонг К.Х., Чжэн З., Вонг А.С. (август 2019 г.). «Массовый комбинаторный мутагенез оптимизирует деятельность по редактированию генома SpCas9». Природные методы . 16 (8): 722–730. дои : 10.1038/s41592-019-0473-0 . ПМИД 31308554 . S2CID 196811756 .
- ^ Урен А.Г., Кул Дж., Бернс А., ван Лохуизен М. (ноябрь 2005 г.). «Ретровирусный инсерционный мутагенез: прошлое, настоящее и будущее». Онкоген . 24 (52): 7656–72. дои : 10.1038/sj.onc.1209043 . ПМИД 16299527 . S2CID 14441244 .
- ^ Перейти обратно: а б с Василиу Дж., Рад Р., Брэдли А. (1 января 2010 г.). «Использование ДНК-транспозонов для открытия генов рака у мышей». В Вассармане ПМ, Сориано ПМ (ред.). Руководство по методам выращивания мышей, Часть B: Молекулярная генетика мышей, 2-е издание . Методы энзимологии. Том. 477 (2-е изд.). Академическая пресса. стр. 91–106. дои : 10.1016/s0076-6879(10)77006-3 . ISBN 9780123848802 . ПМИД 20699138 .
- ^ «Метод гомологичной рекомбинации (и нокаутная мышь)» . Дэвидсон Колледж .
- ^ Дамьен Био-Пеллетье; Винсент Джей Джей Мартин (2016). «Бесшовный сайт-направленный мутагенез генома Saccharomyces cerevisiae с использованием CRISPR-Cas9» . Журнал биологической инженерии . 10 :6. дои : 10.1186/s13036-016-0028-1 . ПМЦ 4850645 . ПМИД 27134651 .
- ^ Сюй С (20 августа 2015 г.). «Применение редактирования генома CRISPR-Cas9 у Caenorhabditis elegans» . Дж Генет Геномикс . 42 (8): 413–21. дои : 10.1016/j.jgg.2015.06.005 . ПМК 4560834 . ПМИД 26336798 .
- ^ Худяков Ю.Е., Филдс Х.А., ред. (25 сентября 2002 г.). Искусственная ДНК: методы и приложения . ЦРК Пресс. п. 13. ISBN 9781420040166 .