1755
MSU & SkolTech
Genetic engineering Sergiev P.V. 1755 Enzymes used for genetic - - PowerPoint PPT Presentation
MSU & SkolTech Genetic engineering Sergiev P.V. 1755 Enzymes used for genetic engineering Restriction endonucleases 5' 3' 3' 5' 5'p 3' 5' 3' 3' 5' 3' p ' 5 recognition sites usually symmetrical ( ) EcoRI G AATTC
MSU & SkolTech
1755
Restriction endonucleases
5' 5' 3' 3' 5' 5' 3' 3' 5'p 3' p ' 5 3' recognition sites usually symmetrical EcoRI G AATTC CTTAA G GGG CCC G ACGTG after cleavage phosphate is located at ( ) 5' side SmaI CCC GGG PstI CTGCA G
1755
DNA ligase
5' 5' 3' 3' 5' 5' 3' 3' 5'p 3' p ' 5 3' T4 DNA ligase ATP , For ligation, phosphate should be at 5’-side
1755
DNA polymerases
DNA polymerases commonly used: Klenov fragment – medium polymerizing and 3’-exo activity T4 DNAP – strong polymerizing and 3’-exo activity Taq DNAP – thermostable polymerase, no 3’-exo activity (5’ exo) Pfu DNAP etc – thermostable polymerase, high 3’-exo activity
5' 5' 3' 3' 5' 3' DNA polymerase dATP,dCTP,dGTP,dTTP , 5' 3' 5' 5' 3' 3' 5' 3' DNA polymerase (exo) dATP,dCTP,dGTP,dTTP , 5' 3'
1755
Reverse transcriptase (revertase, RT)
5' 3' 5' 3' RT dATP,dCTP,dGTP,dTTP , 5' 3' RT commonly used: AMV RT – medium processivity, RNaseH MuMLV RT – high processivity, RNase H various engineered RT for cDNA synthesis
1755
RNA polymerase
5' 5' 3' 3' Т7 , RNA polymerase ATP,CTP,GTP,UTP 5' Т7 promoter 3' DNA RNA
1755
Polynucleotide kinase (PNK)
5' Т4 , PNK ATP 3' 5'p 3' 5' AP 3' 5'p 3'
Alkaline phosphatase (AP)
1755
Amidophosphite method
O B O (MeO)2Tr O ... O B HO O ... O B O (MeO)2Tr O P N OMe N N N NH O B O (MeO)2Tr O P OMe O O B O ... O B O (MeO)2Tr O P O O B O ... OMe O
CF COOH
3
CH COOH, I , Py
3 2
1755
96 at a time
Typical oligonucleotide 16-20 nt synthesis for several hours Up to 120 nt
1755
Genomic DNA Phenol deproteinization Ethanol precipitation
Plasmid DNA Binding to a column
1755
Polymerase chain reaction (PCR)
5' 3' 5' 3' 5' 3' 5' 3' 5' 3' 5' 3' 5' 3' 5' 3' 5' 3' 5' 3' 5' 3' 5' 3'
96 oC, denaturation Specific temperature, hybridization 72 (or 68) oC, polymerization
1755
Polymerase chain reaction (PCR)
Taq DNA polymerase – “simple”, quick, cheap, but many errors Pfu and derivatives – slower, expensive but low error frequency RT PCR – reverse transcription, followed by PCR
1755
Quantitative PCR (qPCR)
1. ( ) Intercalating fluorophore SYBR green
1755
Sanger sequencing
5' 5' 3' 3' ddA+dN ddC+dN ddG+dN ddT+dN C C G G G C G T G T G C A A T G C A T C A G C T G G C C C G C Ax G G C C C G C A C Ax G G C C C G C A C A C G T T Ax G G C C C G C A C A C G T T A C G T Ax G G C C C G C A C A C G T T A C G T A G T C G Ax
O P O O O- P O O- O P O O-
O B
1755
Detection of the primer extension products
ddA ddC ddG ddT
T A G C G T A C G T A T G G T G T T C C G A A C T G G
nucleotides
1755
Pyrosequencing (Roche 454)
fragmentation conversion to blunt ends linker ligation purification on streptavidine beads
1755
Pyrosequencing (Roche 454)
PCR mix hybridization suspension PCR streptavidin beads purification denaturation
(but multiple copies!)
1755
Pyrosequencing (Roche 454)
“ ” 400 000 nano wells wells dNTP Ppi ATP свет dATP dGTP dCTP dTTP sulfurylase, luciferase Sequential feeding by dATP, dCTP dGTP,dTTP detection of light emission ,
1755
Pyrosequencing (Roche 454)
Genome Sequencer FLX 1 000 000 400 reads ~ nt 10 1 000 000 000 hours ~ nt/day
1755
Illumina sequencing
fragmentation linker ligation PCR conversion to blunt ends
1755
denaturation hybridization Illumina sequencing
1755
Illumina sequencing polymerization denaturation/hybridization
1755
Illumina sequencing
polymerization denaturation bridge PCR restriction endonuclease
1755
Illumina sequencing
DNA polymerase fluorescent 3'-azidomethyl dNTP ,
1755
Illumina sequencing
scanning TCEP demodification next cycle
1755
Transcriptome (RNAseq) Genome wide binding sites of protein on DNA or RNA
cross-linking, fragmentation purification sequencing
1755
Translated regions (ribosome profiling)
fragmentation, ultracentrifugation sequencing mRNA
1755
chromosome conformation capture (3C) cross-linking, fragmentation sequencing, analysis
ligation
1755
Identification of DNA, associated with specific compartment (DamID) fragmentation purification sequencing in vivo modification Dam methylase, associated with specific nuclear compartment
1755
PUC19.TXT
2686 bps
500 1000 1500 2000 2500
P-lac O-lac
HindIII SphI Sse8387 PstI BspMI SalI HincII AccI XbaI BamHI XmaI SmaI AvaI KpnI Asp718 SacI Ecl136 BanII EcoRI ApoI KasI EheI NarI BbeI NdeI AatII SspI XmnI ScaI GsuI Cfr10 BsaI Eam1105 AlwNI
AflIII SapI
lacZ AmpR
Plasmid vector Usual features of a plasmid vector length up to 15 kbp
selective marker (antibiotic resistance) (regulated) promoter polylinker
1755
replication origins ColE1 (most frequently used) - pUC, pET, pQE etc /cell p15A (rather frequent) pACYC /cell pSC rare pKD /cell pCloDF13 exotic - pCDFDuet (Novagen) /cell pRSF exotic pRSFDuet (Novagen) /cell 40-100
101 ( ) - 1-2 ( ) 20-40 1030 ( ) 100
Compatibility groups
1755
Antibiotic resistance Ampicillin (most frequent) Kanamycin (frequent) Chloramphenicol (occasionally used) Tetracyclin (occasionally used) Streptomycin (rare) Spectinomycin (rare) Zeocine (rare) Promoters lac (IPTG) taq (IPTG) lacUV5 (IPTG) T5lac (IPTG) T7 (needs T7 RNAP) T7lac (IPTG, needs T7 RNAP) ara (arabinose) tet (anhydroteracyclin)
1755
Phage vectors
M13
6 4 , 4 , . kbp up to kbp insert ssDNA in virions dsDNA in cells used for sequencing and mutagenesis 50 , 23 kbp up to kbp insert dsDNA used for cloning of large inserts
1755
Yeast vectors
Centromere 2m high copy number 40-200 ARS 2m URA3 HIS3 LEU2 TRP1
AmpR low copy number CEN 1-3 ARS + URA3 HIS3 LEU2 TRP1
AmpR
1755
Chemical CaCl Ultracompetent cells MnCl growth at C heat shock + 18 +
2 2
kV needs low conductivity 1.4 - 2.8
1755
Yeast chemical transformation LiOAc + PEG High eukaryotes cation lipid electroporation viruses microinjection oocytes ( ) : ( )
O N
+
O
+ + + + + + + + +
+ + + + + + + + + +
1755
Host selection
mammalian cells S.cerevisiae baculovirus yield simplicity Post translation modification folding
1755
Datsenko-Wanner method
KanR 5'-flank 3'-flank gene of interst PCR-product KanR l a b g RED proteins ( ) ' exonuclease ( ) ssDNA binding strand annealing protein ( ) RecBCD inhibitor
, , electroporation abg 40 bp 40 bp
1755
Integration by homologous recombination
>40 bp 5'-flank 3'-flank gene yeast tarnsformation homologous recombination >40 bp marker marker
1755
Transient transfection 48-72 hours plasmid vector expressed protein
1755
plasmid vector genes necessary for virus packaging viral particles with the gene
Stable cell line construction
1755
Stable cell line construction
lentivirus vector DNA intergated to the genome
1755
siRNA
gene mRNA mRNA siRNA mRNA mRNA degradation
1755
shRNA
gene mRNA mRNA mRNA mRNA degradation shRNA
1755
Sleeping beauty system insert flanked by IR transposase expression vector
1755
Knock-in: вставка гена а случайное место генома Knock-out: инактивация гена редактирование гена
1755
Для создания моделей генетических заболеваний
1755
Чтобы разобраться, как это устроено
1755
Knock-out: инактивация гена использование гомологичной рекомбинации для редактирования генома Нужны очень большие фланкирующие области: плазмиды не подходят, нужны БАКи создание – рекомбиниринг в E. coli >10 000 п.о. >10 000 п.о.
1755
Knock-out: инактивация гена использование гомологичной рекомбинации для редактирования генома ~800 п.о. ~800 п.о. Достаточны плазмиды, для микромутаций даже олигонуклеотиды с фланками 60-90 нт.
1755
Knock-out: инактивация гена Разрыв может привести к микроделециям и сбою рамки считывания
1755
CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats
R Cas genes R R R R R R spacers
Спейсеры содержат последовательности ДНК фагов CRISPR-Cas система делает бактерию иммунной к фагам, которые она «знает»
1755
R Cas гены R R R R R R Cas белки РНК транскрипт процессированная крРНК Cascade комплекс
CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats
1755
CRISPR-Cas система делает бактерию иммунной к фагам, которые она «знает»
CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats
1755
Cascade узнает и разрезает ДНК CRISPR
PAM протоспейсер Cascade узнавание протоспейсера Разрезание мишени Деградация мишени
1755
Почему CRISPR лучше?
Nat Protoc. 2013 November ; 8(11): 2281
1755
Почему CRISPR лучше?
Nat Protoc. 2013 November ; 8(11): 2281
1755
Как это происходит
METTL3 D19
1755
Как делать трансгенных мышей? модифицировать стволовые клетки модифицировать зиготы
1755
Как делать трансгенных мышей? Мозаичные мыши
1755
А если мутация летальна?
loxP loxP
Cre loxP loxP Cre loxP
Ген (экзон гена) Ген (экзон гена)
1755
Как индуцировать Cre рекомбиназу? Работа эстрогенового рецептора эстроген
1755
Как индуцировать Cre рекомбиназу? тамоксифен
loxP loxP Cre Cre Cre
1755
Стволовые клетки Есть доступные линии, большинство агути 129, иногда C57BL6 A/a бластоциста ICM Без поддерживающих клеток На поддерживающих клетках (MEF) Специальная среда с ингибиторами дифференцировки (LIF, 2i)
1755
Вектора для работы со стволовыми клетками
Skarnes WC, et al., Nature. 474, 337-342.
1755
Как, собственно делать трансгенных мышей? Вазэктомированный самец Самка рецепиент
Стволовые клетки
1755
1755
Инъекции в зиготу Чего инъекции?
рекомбинации в пронуклеус (можно добавлять ингибитор лигазы)
транспозон и транспозаза
1755
Как, собственно делать трансгенных мышей? Вазэктомированный самец Самка рецепиент
1755
Инъекции в зиготу
1755
Инъекции в зиготу Какая эффективность? Или несколько цифр для прикидки Из 10 доноров яйцеклеток 3-9 покрыты, ~100 яйцеклеток Живых яйцеклеток после инъекции 70-80% (10-40%) Развиваются до бластоцист 25-65% (лучше с РНК) Рождаются из пересаженных 8-25% Трансгенов (knock-out) из рожденных 25-100% Трансгенов (замена) из рожденных ~5% (25% с ингибитором)
1755