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在合成生物学中,科学家致力于通过对核酸进行化学修饰从而构建具有特定功能的可调控的复杂系统。在微生物和人体细胞中引入化学修饰核酸在生物技术及医药领域具有潜在应用。比利时鲁汶大学的Piet Herdewijn教授课题组在先前的研究中已成功将全碱基修饰(7-deaza-adenine, 5-chlorouracil, 7-deaza-guanine,5-fluorocytosine)的DNA序列(DZA)引入大肠杆菌中。最近,他们合成了编码酵母增强型红色荧光蛋白(yeast-enhanced red fluorescent protein,yEmRFP)部分或全部修饰的长DZA片段。该片段通过酵母的同源重组机制被直接引入其基因组中。这种DZA修饰方法为在酵母体内开展异种生物学研究提供了简单且直接的克隆策略。
作者首先通过化学方法合成了四种非天然三磷酸单体(7-deazaA [A*]、5-CIU [T*]、7-deazaG [G*]和5-FC [C*])(图1a)。作者接下来设计了基于PCR的筛选方法,用于探究DNA聚合酶对这些核酸类似物的兼容性。结果发现全为非天然核苷酸(dZTPs)的PCR产物量可达到天然核苷酸(dNTPs)的80%(图1b)。
图1.用于探究聚合酶对dNTPs兼容性的PCR扩增方法。 在之前的研究中,作者证明了DZA片段携带的遗传信息可在原核细胞(大肠杆菌)中精确传递。相比于传统的基因克隆方法,酵母体内组装技术具有无酶消化、无体外连接、无多步纯化等优势,因此作者选择其作为真核细胞模型。 作者先模拟设计了三种不同的质粒组装。将红色荧光蛋白基因(RFP)DNA片段与载体组装,构建空白对照质粒(blank-DNA-RFP)。再将DZA RFP基因和DNA RFP基因与携带有GFP的载体组装,构建DZA-RFP-GFP和DNA-RFP-GFP。如果酵母细胞能成功识别插入的DZA或DNA片段,则选择琼脂平板上可检测到绿色和红色荧光克隆(图2)。 图2.天然或修饰基因片段与载体经体内组装后于酵母中表达。 作者接下来以blank-DNA-RFP为模板,通过PCR扩增获得DZA-RFP和DNA-RFP片段。作者发现嘧啶修饰核苷酸的扩增效率显著高于嘌呤修饰核苷酸(图3a)。作者推测7-deazaG修饰低效率的实际原因是含7-deazaG的PCR产物不易被DNA染料染色,而并非PCR产物的量少。而7-deazaA修饰低效率的原因是RFP基因中AT含量过高,多个连续修饰A的插入不利于DZA片段的合成。作者还用LC/MS-MS进一步验证了DZA-RFP-GFP片段中碱基的修饰(图3b)。 图3.DNA-和DZA-RFP-GFP基因片段的合成与核苷组成分析。 随后,作者将blank-DNA-RFP、DNA-和DZA-RFP-GFP与线性化载体共转染进酵母细胞中。为了排除污染,作者还设置了多个质控步骤以确保表达蛋白的来源为合成的DNA和DZA。实验结果发现DZA-RFP-GFP组产生了黄色克隆,这表明酵母可正确的识别DZA片段并将其翻译成功能性的荧光蛋白(图4)。 图4.在酿酒酵母中表达blank-DNA-RFP和DNA/DZA-RFP-GFP。 最后,作者发现目的基因的表达不会影响细胞的生长(表1)。然而,当RFP基因被A*修饰后,红色荧光蛋白克隆比例显著降低。作者推测既可能是因为RFP基因中的poly-A结构,也可能是因为7-deazaA的高突变累积导致了酵母死亡。作者对酵母的RFP片段进行了测序验证了猜想。 表1.在基因转化后,酿酒酵母在两种选择培养基中的克隆生长数。 综上所述,作者在这篇文章中报道了一种在真核细胞中引入非天然核酸的方法。由7-deazaA, 5-CIU, 7-deazaG和5-FC组成的复杂长片段DZA基因可用于编码荧光蛋白。酵母细胞以同源重组的形式识别和利用这些合成DZA片段。该酵母体内组装方法无需额外酶参与,避免了可能的损失和污染。通过对该方法进行进一步优化,未来可用于糖环或骨架修饰的其他非天然核酸的组装。 论文信息 In Vivo Assembly and Expression of DNA Containing Non-canonical Bases in the Yeast Saccharomyces cerevisiae Dr. Hoai Nguyen, Dr. Mikhail Abramov, Prof. Jef Rozenski, Dr. Elena Eremeeva, Prof. Piet Herdewijn ChemBioChem
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