Кіріспе

Молекулалық биология техникасы, ДНК тізбектерінде нақты және қасақана мутациялық өзгерістер жасау үшін қолданылады. Сайтқа бағытталған мутагенез – геннің және кез келген ген өнімдерінің ДНК тізбегінде нақты және қасақана мутациялық өзгерістер жасауға арналған молекулалық биологиялық әдіс. Сайтқа тән мутагенез немесе олигонуклеотидке бағытталған мутагенез деп те аталады, ол ДНК, РНК және белок молекулаларының құрылымын және биологиялық белсенділігін зерттеу, сондай-ақ белок инженериясы үшін қолданылады. Сайтқа бағытталған мутагенез – ДНК тізбегіне мутацияларды енгізу арқылы ДНК кітапханаларын құрудың ең маңызды зертханалық әдістерінің бірі. Сайтқа бағытталған мутагенезге қол жеткізудің көптеген әдістері бар, бірақ олигонуклеотид синтезінің құны төмендегендіктен, жасанды ген синтезі кейде сайтқа бағытталған мутагенезге балама ретінде қолданылады. 2013 жылдан бері прокариоттық вирустық қорғаныс жүйесіне негізделген CRISPR/Cas9 технологиясы геномды өңдеуге мүмкіндік берді және мутагенез салыстырмалы түрде оңай тірі организмде (in vivo) жүргізілуі мүмкін.

Тарих

Радиациялық немесе химиялық мутагендерді қолдану арқылы мутагенезге жасалған алғашқы талпыныстар нақты орынға бағытталмаған, кездейсоқ мутацияларды тудырды. Нуклеотидтердің және басқа химиялық заттардың аналогтары кейіннен локальды нүктелік мутацияларды жасау үшін қолданылды, мысалы, аминопурин, нитрозогуанидин және бисульфит. 1974 жылы Чарльз Вайсманнның зертханасында GC-нің AT-ге өтуін қоздыратын N4 гидроксицитидин нуклеотид аналогын қолдану арқылы сайтқа бағытталған мутагенезге қол жеткізілді. Дегенмен, бұл мутагенез әдістері олардың тудыра алатын мутация түрлерімен шектеледі және кейінгі сайтқа бағытталған мутагенез әдістерінен гөрі аз нақты. 1971 жылы Клайд Хатчисон және Маршалл Эджелл φX174 фагының шағын фрагменттері мен рестрикциялық нуклеазалар арқылы мутанттар жасау мүмкін екенін көрсетті. Кейіннен, 1978 жылы Хатчисон өзінің әріптесі Майкл Смитпен бірге ДНК полимеразамен праймерлік кеңейту әдісінде олигонуклеотидтерді пайдалану арқылы сайтқа бағытталған мутагенезге көбірек бейімделген тәсіл жасады. Бұл процестің дамуына қосқан үлесі үшін Майкл Смит 1993 жылғы қазан айында полимераза тізбектік реакциясын ойлап тапқан Кари Б. Муллиспен бірге химия бойынша Нобель сыйлығын бөлісті.

Негізгі механизм

Негізгі процедура қысқа ДНК праймерін синтездеуді талап етеді. Бұл синтетикалық праймерде қажетті мутация болады және ол мутация орнындағы матрицалық ДНК-мен толықтырылады, осылайша қызығушылық тудыратын гендегі ДНК-мен гибридтесуге мүмкіндік береді. Мутация бір негіздің өзгеруі (тоқ нүктелік мутация), бірнеше негіздің өзгеруі, жойылу немесе енгізілу болуы мүмкін. Содан кейін бір тізбекті праймер ДНК полимераза арқылы ұзартылады, ол геннің қалған бөлігін көшіреді. Осылайша көшірілген генде мутацияланған орын болады, содан кейін ол вектордағы жасушаға енгізіліп, клондалады. Соңында, мутанттар ДНК тізбегін анықтау арқылы іріктеледі, олардың қажетті мутацияны қамтитынын тексеру үшін.

Қадамдар

Бір ғана праймерді қолдану арқылы жасалған бастапқы әдіс мутанттардың төмен шығымына байланысты тиімсіз болды. Нәтижесіндегі қоспада бастапқы, мутацияланбаған матрица да, мутацияланған тізбек те болады, бұл мутацияланған және мутацияланбаған ұрпақтардың аралас популяциясын құрайды. Бұдан әрі, қолданылған матрица метилделген, ал мутацияланған тізбек метилделмеген, және мутациялар метилделген матрица ДНК-ны жақсы көретін сәйкессіздіктерді түзету жүйесінің болуына байланысты кері таңдалуға ұшырауы мүмкін, нәтижесінде мутанттардың саны азаяды. Осыдан кейін мутагенездің тиімділігін арттыру үшін көптеген тәсілдер әзірленді. Сайтқа бағытталған мутагенезді іске асыру үшін көптеген әдістер бар, бірақ олардың көпшілігі 2000 жылдардың басынан бері зертханаларда сирек қолданылады, себебі жаңа техникалар гендерге нақты мутацияны енгізудің оңай және қарапайым жолдарын ұсынады.

Кункель әдісі

1985 жылы Томас Кункель мутанттарды іріктеу қажеттілігін азайтатын әдіс енгізді. Мутацияланатын ДНҚ фрагменті M13mp18/19 сияқты фагемидке енгізіледі, содан кейін dUTPase (dut) және урацил дегликозидазасы (udg) екі ферменті жетіспейтін E. coli штаммына трансформацияланады. Екі фермент те ДНҚ жөндеу жолының бөлігі болып табылады, ол бактериялық хромосоманы dCTP-нің dUTP-ге спонтанды деаминациялануы арқылы мутациялардан қорғайды. dUTPase жетіспеушілігі dUTP-нің ыдырауына кедергі келтіреді, нәтижесінде жасушада dUTP деңгейі жоғарылайды. Урацил дегликозидазасының жетіспеушілігі жаңа синтезделген ДНҚ-дан урацилдің алынуын тоқтатады. Қос мутантты E. coli фаг ДНҚ-сын көбейтіп, оның ферменттік жүйесі dTTP орнына dUTP-ні қате енгізеді, нәтижесінде урацилдері бар бір тізбекті ДНҚ (ssUDNA) пайда болады. ssUDNA бактериофагтан ортаға шығарылып, мутагенез үшін матрица ретінде қолданылады. Көтерілу үшін қажетті мутацияны қамтитын олигонуклеотид праймер ретінде пайдаланылады. Құралатын гетеродиплексті ДНҚ бір аталық, мутацияланбаған тізбектен (dUTP бар) және мутацияланған тізбектен (dTTP бар) тұрады. ДНҚ содан кейін жабайы типтегі dut және udg гендерін тасымалдайтын E. coli штаммына трансформацияланады. Мұнда урацил бар аталық ДНҚ тізбегі ыдырайды, сондықтан алынған ДНҚ-ның көбісі мутацияланған тізбектен тұрады.

Касеталық мутагенез

Басқа әдістерден өзгеше, кассеталық мутагенезде ДНК полимераза қолданып, праймерді ұзарту міндетті емес. Бұл әдісте ДНК фрагменті синтезделеді, содан кейін плазмидке енгізіледі. Ол плазмидтің белгілі бір жерінде рестрикциялық ферментпен кесілуін және қызығушылық тудыратын гендегі мутацияны қамтитын екі толықтыратын олигонуклеотидті плазмидке қосуды қамтиды. Көбінесе плазмидті және олигонуклеотидті кесетін рестрикциялық ферменттер бірдей болады, бұл плазмид пен енгізілген фрагменттің жабысқақ ұштарының бірігуіне мүмкіндік береді. Бұл әдіс шамамен 100% тиімділікпен мутанттар жасауға мүмкіндік береді, бірақ мутацияланатын орынның жанындағы қолайлы рестрикциялық орындардың болуымен шектеледі.

PCR-мен сайтқа бағытталған мутагенез

Кассеталық мутагенездегі шектеу орындарының жеткіліксіздігін олигонуклеотидтік "праймерлермен" полимераза тізбекті реакциясын (ПТР) қолдану арқылы шешуге болады, осылайша екі ыңғайлы шектеу орындарын қамтитын үлкен фрагмент жасауға мүмкіндік туады. ПТР-дегі экспоненциалдық амплификация нәтижесінде, қажетті мутацияны қамтитын жеткілікті мөлшердегі фрагмент алынады, оны бастапқы, мутацияланбаған плазмидтен гельдік электрофорез арқылы бөліп, стандартты рекомбинантты молекулалық биология әдістерін қолданып бастапқы контекстке енгізуге болады. Осы техниканың көптеген нұсқалары бар. Ең қарапайым әдіс мутация орнын фрагменттің бір шетіне жақын орналастырады, сонда фрагментті жасау үшін қолданылатын екі олигонуклеотидтің бірі мутацияны қамтиды. Бұл бір қадамдық ПТР-ді қамтиды, бірақ өте ұзын праймер қолданылмаса, мутация орнына жақын қолайлы шектеу орынын табу қажеттігінің мәселесі сақталады. Сондықтан, басқа нұсқаулар үш немесе төрт олигонуклеотидті қолданады, олардың екеуі екі ыңғайлы шектеу орындарын қамтитын және плазмидке қосылатын фрагментті құратын мутагендік емес олигонуклеотидтер болуы мүмкін, ал мутагендік олигонуклеотид осы фрагменттегі кез келген ыңғайлы шектеу орынынан алыс орналасқан жерге толықтырылады. Бұл әдістер ПТР-дің бірнеше қадамдарын қажет етеді, осылайша соңғы фрагментте қажетті мутация болады. Қажетті мутация мен тиісті шектеу орындары бар фрагментті жобалау процесі қиын болуы мүмкін. SDM Assist сияқты бағдарламалық құралдар осы процесті жеңілдетеді.

Бүкіл плазмидтің мутагенезі

Плазмидтерді өңдеу үшін, басқа сайтқа бағытталған мутагенез әдістері көбінесе жоғары тиімді, бірақ салыстырмалы түрде қарапайым, қолдануға оңай және жиынтық ретінде коммерциялық түрде қол жетімді әдістермен алмастырылды. Мұндай әдістердің мысалы – "Quikchange" әдісі, онда бір-біріне толықтыратын мутагенді праймерлер жұбы жоғары дәлдікті ДНК полимеразаны (мысалы, Pfu полимеразасын) қолдана отырып, термоциклдік реакцияда бүкіл плазмидті күшейтеді. Реакция нәтижесінде жарылған, дөңгелек ДНК пайда болады. Үлгілік ДНК-ны метилирленген ДНК-ға тән DpnI сияқты шектеу ферментімен ферментативті қорыту арқылы жою қажет. Көптеген Escherichia coli штаммдарынан алынған ДНК метилирленген болады; сондықтан, E. coli-де биосинтезделген плазмид қорытылады, ал in vitro жаратылған және демек, метилирленбеген мутацияланған плазмид қорытылмайды. Бұл екі тізбекті плазмидтік мутагенез әдістерінде термоциклдік реакция қолданылуы мүмкін, бірақ егер екі праймер мутагенез орнының айналасындағы бір аймаққа симметриялық байланысатын етіп жобаланған болса, ДНК экспоненциалды түрде күшейтілмейді, бұл түпнұсқа хаттамада сипатталған. Бұл жағдайда күшейту сызықтық болып табылады, сондықтан процедураны ПТР (Пайдалы тізбекті реакция) деп сипаттау дұрыс емес, себебі тізбекті реакция болмайды. Дегенмен, егер праймерлер өзгеше байланысқа арналған болса, яғни мутагенез орны екі праймердің 5' ұшына жақын болса, праймерлердің 3' аймағы да күшейтілген өнімдермен байланыса алады, соның салдарынан экспоненциалды өнім пайда болады. "Quikchange" атауы Stratagene компаниясының "QuikChange mutagenesis" тіркелген тауарлық белгісінен шыққан, қазір Agilent Technologies компаниясы, сайтқа бағытталған мутагенез жиынтықтары үшін. Бұл әдіс Stratagene-де жұмыс істеген ғалымдармен әзірленген. Бұл әдістің SPRINP деп аталатын түрі бұл артефактқа жол бермейді және сайтқа бағытталған мутагенездің әртүрлі түрлерінде қолданылады. Бұл техника бір мутациядан бастап, бүкіл гендегі кең ауқымды кодондық мутагенезге дейін плазмидтік мутагенез кітапханаларын құруға мүмкіндік береді.

CRISPR-тің

2013 жылдан бері CRISPR Cas9 технологиясының дамуы, кең ауқымды организмдердің геномына түрлі мутацияларды тиімді енгізуге мүмкіндік берді. Бұл әдіс транспозонды енгізу орнына мұқтаж болмайды, ешқандай із қалдырмайды, ал оның тиімділігі мен қарапайымдылығы геномды өңдеудің басым әдісіне айналдырды.

Қолданбалар

Сайтқа бағытталған мутагенез рационалды жобаланған немесе ерекше қасиеттері бар ақуызды (яғни ақуыз инженериясы) жасау үшін мутацияларды тудыруға қолданылады. Зерттеу құралдары – ДНК-дағы нақты мутациялар ДНК немесе ақуыздың функциясы мен қасиеттерін рационалды тәсілмен зерттеуге мүмкіндік береді. Сонымен қатар, ақуыздағы сайтқа бағытталған мутагенез арқылы бір ғана аминқышқылының өзгеруі посттрансляциялық модификациялардың маңыздылығын түсінуге көмектеседі. Мысалы, субстрат ақуызындағы белгілі бір серин (фосфоакцептор) аланинге (фосфоакцептор емес) ауыстырылса, фосфат тобының қосылуы тоқтатылады, соның арқасында фосфорилдеуді зерттеуге болады. Осы тәсіл CBP ақуызының HIPK2 киназасымен фосфорилденуін анықтау үшін қолданылды. Тағы бір толыққанды тәсіл – сайтты қанықтыру мутагенезі, онда бір кодон немесе кодондар жиынтығы белгілі бір позицияларда барлық мүмкін аминқышқылдарымен алмастырылуы мүмкін. Коммерциялық қолданыс – Ақуыздарды белгілі бір қолдануға қажетті мутантты түрлерді өндіру үшін өзгертуге болады. Мысалы, жиі қолданылатын кір жуғыш заттарда суптилизин болуы мүмкін, оның табиғи түрінде метионин болады, ол ағартқышпен тотығуға ұшырап, нәтижесінде ақуыздың белсенділігін айтарлықтай төмендетеді. Бұл метионин аланинмен немесе басқа қалдықтармен алмастырылуы мүмкін, бұл оны тотығуға төзімді етеді, соның арқасында ақуыз ағартқыш болған кезде де белсенді болып қалады.

Гендер синтезі

ДНҚ олигонуклеотидтерін синтездеу құны төмендегендіктен, толық генді жасанды түрде синтездеу қазір генге мутация енгізудің мүмкін болатын әдісіне айналды. Бұл әдіс бірнеше нүктеде кең ауқымды мутагенезді қамтамасыз етеді, соның ішінде геннің кодондық қолданысын белгілі бір организм үшін оңтайландыру мақсатында толыққанды қайта жобалауға мүмкіндік береді.