Рекомбинация FLP-FRT
Сайт-специфическая рекомбиназа Flp | |||
---|---|---|---|
Идентификаторы | |||
Организм | |||
Символ | ФЛП1 | ||
ЮниПрот | P03870 | ||
|

В генетике - Flp FRT рекомбинация представляет собой технологию сайт-направленной рекомбинации , все чаще используемую для манипулирования ДНК организма в контролируемых условиях in vivo . Он аналогичен Crelox рекомбиназы рекомбинации , но включает рекомбинацию последовательностей между сайтами-мишенями распознавания короткой флипазы ( FRT ) с помощью флипазы ( Flp ), полученной из 2-мк плазмиды пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisiae .
Последовательность минимального сайта FRT длиной 34 п.о. имеет последовательность
- 5' GAAGTTTCCTATTC tctagaaa GAATAGGAACTTC 3'
для которого флиппаза (Flp) связывается с обоими плечами 5'-GAAGTTCCTATTC-3' длиной 13 п.о., фланкирующими спейсер длиной 8 п.о., т.е. сайт-специфическая рекомбинация (область кроссовера) в обратной ориентации. Расщепление, опосредованное FRT, происходит непосредственно перед асимметричной основной областью 8 п.н. 5' тктагааа 3' ) на верхней пряди и за этой последовательностью на нижней пряди. [ 1 ] Существует несколько вариантов сайтов FRT , но рекомбинация обычно может происходить только между двумя идентичными FRT , но обычно не происходит среди неидентичных («гетероспецифичных») FRT . [ 2 ] [ 3 ]
Биологическая функция
[ редактировать ]У дрожжей этот фермент корректирует уменьшение количества копий плазмиды размером 2 мкм, вызванное редкими событиями неправильной сегрегации. Это достигается за счет рекомбинации между двумя инвертированными повторениями на плазмиде размером 2 мкм во время репликации ДНК . Это меняет направление одной вилки репликации, вызывая несколько раундов копирования за одну инициацию. [ 4 ]
Мутации последовательности сайта FRT
[ редактировать ]Сенеков и др. (1987) исследовали, как нуклеотидные замены в FRT влияют на эффективность рекомбинации, опосредованной FLP. Авторы индуцировали замены оснований в одном или обоих сайтах FRT и проверяли концентрацию FLP, необходимую для наблюдения сайт-специфических рекомбинаций. Каждую замену оснований выполняли на каждом из тринадцати нуклеотидов в сайте FRT (пример G на A, T и C). Во-первых, авторы показали, что большинство мутаций в последовательности FRT вызывают минимальные эффекты, если присутствуют только в одном из двух сайтов. Если мутации произошли внутри обоих сайтов, эффективность FLP резко снижается. Во-вторых, авторы предоставили данные, какие нуклеотиды наиболее важны для связывания FLP и эффективности сайт-специфической рекомбинации. Если первый нуклеотид в обоих сайтах FRT заменен на цитозин (от G до C), третий нуклеотид заменен на тимин (от A до T) или седьмой нуклеотид заменен на аденозин (от G до A), то эффективность FLP-опосредованной сайт-специфической рекомбинации снижается более чем в 100 раз. [ 5 ] При этом замена оснований любого из вышеупомянутых нуклеотидов только в одном из сайтов FRT приводила к десятикратному, десятикратному и пятикратному снижению эффективности соответственно. [ 5 ]
Замены оснований в нуклеотидах с заглавной буквы приводили к наибольшему снижению FLP-опосредованной сайт-специфической рекомбинации (мутант x дикого типа и мутант x мутант):
- 5' GaAtagGaacttc 3' [ 5 ]
Многие доступные конструкции включают дополнительные последовательности плеч (5'- ГААГТТКТАТТСС -3') на одну пару оснований дальше от вышележащего элемента и в той же ориентации:
- 5' GAAGTTCCTATTC c GAAGTTCCTATTC tctagaaa G t ATAGGAACTTC 3'
Этот сегмент необязателен для удаления, но необходим для интеграции, включая обмен кассет, опосредованный рекомбиназой . [ 6 ]
Поскольку рекомбинационная активность может быть направлена на выбранный орган или можно использовать низкий уровень рекомбинационной активности для последовательного изменения ДНК только подмножества клеток, Flp- FRT можно использовать для построения генетической мозаики в многоклеточных организмах. Используя эту технологию , потерю или изменение гена можно изучить в данном интересующем органе-мишени, даже в тех случаях, когда экспериментальные животные не пережили бы потерю этого гена в других органах ( пространственный контроль ). Эффект изменения гена также можно изучать с течением времени, используя индуцируемый промотор для запуска рекомбинационной активности на поздних стадиях развития ( временной контроль ) — это предотвращает изменение.
Биохимическая структура Flp и механизм действия
[ редактировать ]Биохимически значимая структура и активный центр
[ редактировать ]Белок Flp, как и Cre, представляет собой сайт-специфическую рекомбиназу семейства тирозина. [ 7 ] Это семейство рекомбиназ выполняет свою функцию через топоизомеразный механизм типа IB, вызывающий рекомбинацию двух отдельных цепей ДНК. [ 7 ] Рекомбинация осуществляется посредством повторяющегося двухэтапного процесса. На начальном этапе создается промежуточное соединение Холлидея . Второй этап способствует результирующей рекомбинации двух комплементарных цепей. Как следует из названия их семьи, высококонсервативный тирозиновый нуклеофил расщепляет нити ДНК. [ 7 ] Нуклеофильные свойства тирозина атакуют и связываются с 3'-фосфатом в точке расщепления ДНК. [ 7 ] Образовавшаяся 5'-гидроксильная группа расщепленной ДНК действует как нуклеофил и атакует 3'-фосфат комплементарно расщепленной цепи ДНК, что приводит к успешной рекомбинации. [ 7 ] Помимо остатка тирозина имеется консервативная каталитическая пентада. Эта пентада состоит из лизина (Lysβ), двух аргининов (Arg I и II), гистидина (His-II) и гистидина/триптофана (His/Trp-III), которые составляют обязательную и высококонсервативную совокупность остатки активного центра Flp и Cre (наряду с другими топиосомеразами IB). [ 7 ] Эти другие остатки имеют решающее значение для правильной ориентации связывания и позиционирования Flp на цепях ДНК.
Применение FLP-опосредованной сайт-специфической рекомбинации
[ редактировать ]Первоначальные проблемы
[ редактировать ]Термолабильность
[ редактировать ]Первоначальное применение рекомбиназы FLP-FRT не сработало у млекопитающих. Белок FLP был термолабилен (денатурировался при повышенных температурах) и поэтому не был полезен в модели млекопитающих из-за повышенных температур тела этих модельных систем. Однако из-за патентов и ограничений на использование рекомбинации Cre-Lox был проявлен большой интерес к производству более термостабильной кассеты FLP-FRT. Некоторые из первых результатов были получены Buchholz et al. (1997) с использованием циклического мутагенеза в Escherichia coli . В своем исследовании авторы трансфицировали клетки E. coli двумя плазмидами: одна, кодирующая случайно мутированные белки FLP, расположенные ниже промотора арабинозы, и другая, содержащая промотор гена lacZ внутри кассеты FRT. E. coli выращивали на чашках с арабинозой при 37 °C и 40 °C, и если бы произошла рекомбинация, экспрессия lacZ была бы ослаблена, и колонии выглядели бы белыми. Белые колонии отбирали из каждого поколения и выращивали на новых чашках с арабинозой при тех же предыдущих температурах в течение восьми поколений. [ 8 ] После того как рекомбинация была подтверждена вестерн-блоттингом и секвенированы мутированные гены FLP, этот восьмого поколения белок FLP (FLPe) был трансфицирован в культуру клеток млекопитающих, и рекомбинация в клетках млекопитающих была подтверждена. [ 8 ] Этот вариант FLP имеет только 4 аминокислотные замены: P2S, L33S, Y108N и S294P.
Генерация генетической мозаики
[ редактировать ]Генетический мозаицизм возникает внутри организма, когда одинаковые типы клеток выражают разные фенотипы из-за разных генотипов в определенных локусах. Проще говоря, это происходит, когда в одном организме присутствуют разные генотипы, что обычно редко встречается в природе. Однако это можно легко (и проблематично) получить с помощью рекомбинации FLP-FRT. Если в клетке присутствуют два разных сайта FRT и FLP присутствует в соответствующих концентрациях, кассета FRT будет продолжать вырезаться и вставляться между двумя сайтами FRT. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока концентрация белков FLP не упадет ниже необходимой концентрации, в результате чего клетки организма начнут приобретать разные генотипы. [ 9 ] Это наблюдалось от плодовых мух до мышей и неизбирательно в отношении конкретных хромосом (соматических и половых) или типов клеток (соматических и зародышевых). [ 9 ] [ 10 ]
Определение клеточных линий
[ редактировать ]До публикации Dymecki et al . (1998), рекомбиназа Cre использовалась для картирования клеточных судеб предшественников нейронов у мышей с использованием промотора En2 . [ 11 ] Так, авторы Dymecki et al . (1998) предположили, что рекомбиназу FLP можно использовать таким же образом с такой же эффективностью, как и рекомбиназу Cre у мышей. Авторы создали две трансгенные линии мышей: линию слияния нейронов Wnt1::Flp и линию, которая обладала кассетой FRT, фланкирующей 18-й экзон tm1Cwr . [ 9 ] Авторы выбрали этот экзон для удаления, потому что, если его удалить, это приведет к нулевому фенотипу. Авторы скрестили две линии и позволили потомству достичь взрослой жизни, прежде чем потомство было умерщвлено. Экстракцию РНК проводили на нейрональной, мышечной, кишечной и хвостовой тканях. ПЦР с обратной транскрипцией и нозерн-блоттинг подтвердили удаление 18-го экзона tm1Cwr в большом количестве в ткани головного мозга и умеренно в мышечной ткани (из-за клеток Шванна внутри мышц). Как и ожидалось, в других тканях иссечение не наблюдалось. Авторы увидели равную, если не лучшую, эффективность рекомбиназы FLP в определении судьбы клеток, чем рекомбиназы Cre.
У Drosophila melanogaster (Плодовая муха)
[ редактировать ]На сегодняшний день рекомбиназа Flp многократно использовалась у D. melanogaster. Сравнение рекомбиназы Flp с рекомбиназой Cre у D. melanogaster было опубликовано Frickenhaus et al. (2015) [ 12 ] . Авторы Frickenhaus et al. (2015) преследовали двоякую цель: охарактеризовать и сравнить эффективность «нокаута» рекомбиназы Flp с «нокаутом» рекомбиназы Cre и нокдауном RNAi и выявить функцию cabeza (caz), ортолога FUS у мух , в нейронах и мышечной ткани D. melanogaster . ФУС тесно связан с боковым амиотрофическим склерозом (АЛС) и лобно-височной деменцией у людей. [ 12 ] . Авторы использовали систему elav - Gal4/UAS -Flp или Cre для экспрессии рекомбиназы специфично в нейронах и систему Mef2 -Gal4/UAS-Flp или Cre для ее экспрессии специфично в мышцах. [ 12 ] Авторы приходят к выводу, что инструмент «нокаута» рекомбиназы Flp более эффективен, чем рекомбиназа RNAi и Cre, с целью нокаута определенных генов в определенных тканях или клеточных линиях из-за отсутствия утечки экспрессии, наблюдаемой как в белке Cre, так и в белке Cre. и транскрипт РНКи. Кроме того, авторы стали свидетелями токсичности белка Cre, которой не наблюдается у белка Flp. [ 12 ]
У данио рерио (рыбка данио)
[ редактировать ]Эффективность рекомбиназной системы FLPe оценивали на рыбках данио Wong et al . (2009). [ 13 ] Эмбрионам, которые были гемизиготными по FRT-фланкированному усиленному зеленому флуоресцентному белку (EGFP), расположенному ниже мышечно-специфического промотора, инъецировали белок FLPe. Без FLPe эти эмбрионы должны экспрессировать EGFP во всей мышечной ткани, а при скрещивании с цепью дикого типа 50% полученного потомства также должны экспрессировать EGFP в мышечной ткани. Эмбрионы, которым инъецировали FLPe, имели значительно сниженную экспрессию EGFP в мышечной ткани, а также наблюдался мозаицизм. [ 13 ] Когда эти эмбрионы достигли зрелого возраста, их скрестили со штаммом дикого типа, и полученные кладки имели значительно меньше потомства, экспрессирующего EGFP в мышечной ткани (0-4%). [ 13 ] Эти результаты показывают, что FLPE высокоэффективен не только в соматических клетках, но и в зародышевой линии рыбок данио.
В растениях
[ редактировать ]Создание «фитосенсоров» или «сторожей» у Arabidopsis thaliana и табака.
[ редактировать ]Фитосенсоры — это генетически модифицированные растения, которые могут сообщать о наличии биотических или абиотических загрязнителей. [ 14 ] Производство этих инженерных установок имеет большие сельскохозяйственные и лабораторные перспективы. Однако создание подходящего репортерного вектора оказалось проблематичным. цис -регуляторные элементы играют важную роль в активации транскрипции генов у растений, и многие из них еще недостаточно изучены. Многие фитосенсоры либо недостаточно экспрессируют свои репортерные гены, либо сообщают о ложноположительных результатах из-за синтетических промоторов. [ 14 ] Авторы Рао и др. (2010) использовали рекомбиназу FLP для создания высокоэффективных фитосенсоров. Авторы использовали промотор теплового шока, чтобы индуцировать продукцию FLP, в то время как фланкированный FRT вектор отделял промотор 35S CaMV от гена бета-глюкуронидазы (GUS). Когда растения подвергались тепловому шоку, FLP-индукция приводила к удалению FRT-фланкированного вектора, эффективно перемещая ген GUS непосредственно ниже промотора 35S CaMV. Активация GUS привела к тому, что листья растений изменили цвет с зеленого на синий; таким образом, фитосенсор эффективно сообщал модельной системе о стрессе! [ 14 ]
С Cre-рекомбиназой
[ редактировать ]Производство системы экспрессии индуцируемой микроРНК (GRIM), готовой к использованию.
[ редактировать ]РНК-интерференция (РНКи) вызвала сдвиг парадигмы экспрессии генов и потенциальные нокауты генов у эукариот. До создания системы экспрессии GRIM создание векторов РНКи было дорогостоящим и трудоемким. Векторы были получены традиционным методом молекулярного клонирования методом копирования и вставки. [ 15 ] Гарвик-Коппенс и др . (2011) разработали гораздо более эффективный метод производства векторов РНКи, в котором экспрессию РНКи можно нокаутировать с помощью Cre-рекомбиназы и нокаутировать с помощью Flp-рекомбиназы. Новая система экспрессии GRIM позволяет гораздо быстрее создавать векторы экспрессии, содержащие искусственные конструкции РНКи. [ 15 ] Далее авторы показали, что их система экспрессии работает весьма эффективно в клетках эмбриональных почек человека (HEK), распространенной иммортализованной клеточной линии человека в молекулярных исследованиях.
См. также
[ редактировать ]- Технология сайт-специфической рекомбиназы
- Обмен кассет, опосредованный рекомбиназой
- Cre рекомбиназа
- Кре-Локс рекомбинация
- Генетическая рекомбинация
- Гомологичная рекомбинация
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Чжу XD, Садовский П.Д. (сентябрь 1995 г.). «Зависимое от расщепления лигирование рекомбиназой FLP. Характеристика мутантного белка FLP с изменением каталитической аминокислоты» . Журнал биологической химии . 270 (39): 23044–54. дои : 10.1074/jbc.270.39.23044 . ПМИД 7559444 .
- ^ Шлейк Т., Боде Дж. (ноябрь 1994 г.). «Использование мутированных сайтов-мишеней распознавания FLP (FRT) для обмена кассетами экспрессии в определенных хромосомных локусах». Биохимия . 33 (43): 12746–51. дои : 10.1021/bi00209a003 . ПМИД 7947678 .
- ^ Туран С., Кюле Дж., Шамбах А., Баум С., Боде Дж. (сентябрь 2010 г.). «Мультиплексирование RMCE: универсальное расширение технологии кассетного обмена, опосредованной Flp-рекомбиназой». Журнал молекулярной биологии . 402 (1): 52–69. дои : 10.1016/j.jmb.2010.07.015 . ПМИД 20650281 .
- ^ Рейнольдс А.Е., Мюррей А.В., Шостак Дж.В. (октябрь 1987 г.). «Роль продуктов гена размером 2 микрона в стабильном поддержании плазмиды размером 2 микрона Saccharomyces cerevisiae» . Молекулярная и клеточная биология . 7 (10): 3566–73. дои : 10.1128/mcb.7.10.3566 . ПМК 368010 . ПМИД 3316982 .
- ^ Перейти обратно: а б с Сенеков Дж. Ф., Россмайсль П. Дж., Кокс М. М. (май 1988 г.). «Распознавание ДНК рекомбиназой FLP плазмиды дрожжей 2 mu. Мутационный анализ сайта связывания FLP». Журнал молекулярной биологии . 201 (2): 405–21. дои : 10.1016/0022-2836(88)90147-7 . ПМИД 3047402 .
- ^ Туран С., Боде Дж. (декабрь 2011 г.). «Сайт-специфические рекомбиназы: от геномных модификаций на основе тегов и мишеней» . Журнал ФАСЭБ . 25 (12): 4088–107. дои : 10.1096/fj.11-186940 . ПМИД 21891781 . S2CID 7075677 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Ма Ч., Квиатек А., Болусани С., Возиянов Ю., Джаярам М. (апрель 2007 г.). «Раскрытие скрытого каталитического вклада консервативного His / Trp-III в тирозин-рекомбиназы: сборка нового активного сайта в рекомбиназе Flp, содержащего аланин в этом положении» . Журнал молекулярной биологии . 368 (1): 183–96. дои : 10.1016/j.jmb.2007.02.022 . ПМК 2002523 . ПМИД 17367810 .
- ^ Перейти обратно: а б Бухгольц Ф., Ангранд П.О., Стюарт А.Ф. (июль 1998 г.). «Улучшенные свойства рекомбиназы FLP, полученные путем циклического мутагенеза». Природная биотехнология . 16 (7): 657–62. дои : 10.1038/nbt0798-657 . ПМИД 9661200 . S2CID 21298037 .
- ^ Перейти обратно: а б с Дымецкий С.М., Томасевич Х (сентябрь 1998 г.). «Использование Flp-рекомбиназы для характеристики экспансии нейрональных предшественников, экспрессирующих Wnt1, у мышей» . Биология развития . 201 (1): 57–65. дои : 10.1006/dbio.1998.8971 . ПМИД 9733573 .
- ^ Голич М.М., Ронг Ю.С., Петерсен Р.Б., Линдквист С.Л., Голич К.Г. (сентябрь 1997 г.). «FLP-опосредованная мобилизация ДНК к определенным целевым сайтам в хромосомах дрозофилы» . Исследования нуклеиновых кислот . 25 (18): 3665–71. дои : 10.1093/нар/25.18.3665 . ПМК 146935 . ПМИД 9278488 .
- ^ Зиник Д.Л., Мерсер Э.Х., Харрис Э., Андерсон DJ, Джойнер А.Л. (май 1998 г.). «Картирование судьбы сужения среднего и заднего мозга мыши с использованием системы сайт-специфической рекомбинации» (PDF) . Современная биология . 8 (11): 665–8. Бибкод : 1998CBio....8..665Z . дои : 10.1016/S0960-9822(98)70255-6 . ПМИД 9635195 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Фрикенхаус М., Вагнер М., Маллик М., Катиноцци М., Сторкебаум Е. (март 2015 г.). «Высокоэффективная инактивация генов, специфичных для определенного типа клеток, раскрывает ключевую функцию гомолога cabeza FUS дрозофилы в нейронах» . Научные отчеты . 5 : 9107. дои : 10.1038/srep09107 . ПМК 5390904 . ПМИД 25772687 .
- ^ Перейти обратно: а б с Вонг А.С., Дрейпер Б.В., Ван Эненнаам А.Л. (апрель 2011 г.). «Функции FLPe в эмбрионах рыбок данио» . Трансгенные исследования . 20 (2): 409–15. дои : 10.1007/s11248-010-9410-9 . ПМК 3051101 . ПМИД 20552273 .
- ^ Перейти обратно: а б с Рао М.Р., Мун Х.С., Шенк Т.М., Беккер Д., Мазарай М., Стюарт К.Н. (13 сентября 2010 г.). «Рекомбинация FLP/FRT из дрожжей: применение двухгенной кассетной схемы в качестве индуцируемой системы у растений» . Датчики . 10 (9): 8526–35. Бибкод : 2010Senso..10.8526R . дои : 10.3390/s100908526 . ПМК 3231192 . ПМИД 22163670 .
- ^ Перейти обратно: а б Гарвик-Коппенс SE, Герман А., Harper SQ (ноябрь 2011 г.). «Создание постоянно индуцируемых векторов экспрессии на основе микроРНК с использованием сайт-специфических рекомбиназ» . БМК Биотехнология . 11 :107. дои : 10.1186/1472-6750-11-107 . ПМК 3252340 . ПМИД 22087765 .