Введение
Метод молекулярной биологии, используемый для внесения специфических и намеренных мутационных изменений в последовательности ДНК. Направленный мутагенез – это метод молекулярной биологии, который применяется для внесения специфических и намеренных мутационных изменений в последовательность ДНК гена и его продуктов. Также известный как сайт-специфический или олигонуклеотид-направленный мутагенез, он используется для изучения структуры и биологической активности молекул ДНК, РНК и белков, а также для белковой инженерии. Направленный мутагенез является одним из важнейших лабораторных методов для создания библиотек ДНК путем введения мутаций в последовательности ДНК. Существует множество способов осуществления направленного мутагенеза, однако благодаря снижению стоимости синтеза олигонуклеотидов, искусственный синтез генов иногда используется как альтернатива направленному мутагенезу. С 2013 года разработка технологии CRISPR/Cas9, основанной на прокариотической системе вирусной защиты, также позволила редактировать геном, и мутагенез может быть выполнен in vivo относительно легко.
Site directed mutagenesis is a molecular biology method that is used to make specific and intentional mutating changes to the DNA sequence of a gene and any gene products. Also called site specific mutagenesis or oligonucleotide directed mutagenesis, it is used for investigating the structure and biological activity of DNA, RNA, and protein molecules, and for protein engineering. Site directed mutagenesis is one of the most important laboratory techniques for creating DNA libraries by introducing mutations into DNA sequences. There are numerous methods for achieving site directed mutagenesis, but with decreasing costs of oligonucleotide synthesis, artificial gene synthesis is now occasionally used as an alternative to site directed mutagenesis. Since 2013, the development of the CRISPR/Cas9 technology, based on a prokaryotic viral defense system, has also allowed for the editing of the genome, and mutagenesis may be performed in vivo with relative ease.
История
Ранние попытки мутагенеза с использованием радиации или химических мутагенов были неспецифичными, вызывая случайные мутации. Аналоги нуклеотидов и другие химические вещества позже стали использоваться для создания локализованных точечных мутаций, примерами таких веществ являются аминопурин, нитрозогуанидин и бисульфит. Мутагенез, направленный на конкретное место, был впервые осуществлен в 1974 году в лаборатории Чарльза Вайсмана с использованием нуклеотидного аналога N4-гидроксицитидина, который индуцирует переход GC в AT. Однако эти методы мутагенеза ограничены типом мутаций, которые они позволяют получать, и не обладают такой специфичностью, как более поздние методы мутагенеза, направленные на конкретное место. В 1971 году Клайд Хатчисон и Маршалл Эджелл показали, что возможно получение мутантов с использованием небольших фрагментов фага φX174 и рестрикционных нуклеаз. Позже, в 1978 году, Хатчисон совместно со своим коллегой Майклом Смитом разработал более гибкий подход к мутагенезу, направленному на конкретное место, с использованием олигонуклеотидов в методе удлинения праймера с помощью ДНК-полимеразы. За вклад в разработку этого метода Майкл Смит в октябре 1993 года разделил Нобелевскую премию по химии с Кари Б. Муллисом, изобретателем полимеразной цепной реакции.
Основной механизм
Основная процедура требует синтеза короткого ДНК-праймера. Этот синтетический праймер содержит желаемую мутацию и комплементарен ДНК-матрице в области мутации, чтобы обеспечить его гибридизацию с ДНК в интересующем гене. Мутация может представлять собой изменение одной базы (точечную мутацию), множественные изменения баз, делецию или инсерцию. Затем одноцепочечный праймер удлиняется с помощью ДНК-полимеразы, которая копирует остальную часть гена. Таким образом скопированный ген содержит мутировавший участок и затем вводится в клетку-хозяина с помощью вектора и клонируется. Наконец, мутанты отбираются путем секвенирования ДНК для подтверждения наличия желаемой мутации.
Подходы
Первоначальный метод с использованием однократного праймерного расширения был неэффективен из-за низкого выхода мутантов. Полученная смесь содержит как исходный немутированный шаблон, так и мутантную цепь, что приводит к смешанной популяции мутантных и немутантных потомков. Более того, используемый шаблон метилирован, а мутантная цепь – не метилирована, и мутанты могут подвергаться негативному отбору из-за наличия системы репарации неспаренных оснований, которая отдает предпочтение метилированной ДНК-матрице, что приводит к уменьшению количества мутантов. С тех пор было разработано множество подходов для повышения эффективности мутагенеза. Существует большое количество методов, позволяющих проводить сайт-направленный мутагенез, однако большинство из них редко используются в лабораториях с начала 2000-х годов, поскольку более новые методы обеспечивают более простые и удобные способы введения точечных мутаций в гены.
Метод Кункеля
В 1985 году Томас Кункель предложил метод, снижающий необходимость в отборе мутантов. Фрагмент ДНК, подлежащий мутации, встраивается в фагемид, например M13mp18/19, и затем трансформируется в штамм *E. coli*, дефицитный по двум ферментам: dUTPase (dut) и урацил-Д-гликозидазе (udg). Оба фермента участвуют в пути репарации ДНК, который защищает бактериальную хромосому от мутаций, вызванных спонтанным деаминированием dCTP в dUTP. Дефицит dUTPase предотвращает расщепление dUTP, что приводит к высокой концентрации dUTP в клетке. Дефицит урацил-Д-гликозидазы препятствует удалению урацила из вновь синтезированной ДНК. При репликации ДНК фага двойным мутантом *E. coli*, его ферментативный аппарат может ошибочно включать dUTP вместо dTTP, в результате чего образуется одноцепочечная ДНК, содержащая урацил (ssUDNA). ssUDNA извлекается из бактериофагов, высвобождаемых в среду, и затем используется в качестве матрицы для мутагенеза. Олигонуклеотид, содержащий желаемую мутацию, используется для продления праймера. Образующаяся гетеродуплексная ДНК состоит из одной родительской немутированной цепи, содержащей dUTP, и мутировавшей цепи, содержащей dTTP. Затем ДНК трансформируется в штамм *E. coli*, несущий гены *dut* и *udg* дикого типа. В этом штамме родительская цепь ДНК, содержащая урацил, подвергается деградации, так что почти вся полученная ДНК состоит из мутировавшей цепи.
Мутагенез кассет
В отличие от других методов, кассетный мутагенез не обязательно требует удлинения праймера с помощью ДНК-полимеразы. В этом методе синтезируется фрагмент ДНК, который затем встраивается в плазмиду. Это включает в себя расщепление плазмиды рестрикционным ферментом в определенном участке и последующую лигацию пары комплементарных олигонуклеотидов, содержащих мутацию в интересующем гене, к плазмиде. Как правило, рестрикционные ферменты, используемые для разрезания плазмиды и олигонуклеотидов, одинаковы, что обеспечивает образование липких концов плазмиды и вставки для их последующего соединения. Этот метод позволяет получать мутанты с эффективностью, близкой к 100%, но ограничен доступностью подходящих сайтов рестрикции, фланкирующих участок, подлежащий мутации.
Мутагенез, направленный на место, ПЦР
Ограничение участков рестрикции при кассетном мутагенезе можно преодолеть, используя полимеразную цепную реакцию с олигонуклеотидными праймерами, что позволяет получить более крупный фрагмент, охватывающий два удобных участка рестрикции. Экспоненциальное амплификация в ПЦР приводит к образованию фрагмента, содержащего желаемую мутацию в достаточном количестве для отделения от исходной, немутировавшей плазмиды с помощью электрофореза в геле, который затем может быть вставлен в исходный контекст с использованием стандартных методов рекомбинантной молекулярной биологии. Существует множество вариантов этой методики. Самый простой способ заключается в размещении сайта мутации у одного из концов фрагмента, при этом один из двух олигонуклеотидов, используемых для генерации фрагмента, содержит мутацию. Это включает в себя один этап ПЦР, но все еще сохраняется проблема необходимости наличия подходящего участка рестрикции вблизи сайта мутации, если не используется очень длинный праймер. Поэтому в других вариантах используются три или четыре олигонуклеотида, два из которых могут быть немутагенными олигонуклеотидами, охватывающими два удобных участка рестрикции и генерирующими фрагмент, который можно расщепить рестриктазами и лигировать в плазмиду, в то время как мутагенный олигонуклеотид может быть комплементарен участку внутри этого фрагмента, расположенному далеко от любого удобного участка рестрикции. Эти методы требуют нескольких этапов ПЦР, чтобы конечный фрагмент, предназначенный для лигирования, содержал желаемую мутацию. Проектирование фрагмента с желаемой мутацией и соответствующими участками рестрикции может быть сложным процессом. Программные инструменты, такие как SDM Assist, могут упростить этот процесс.
Мутагенез целой плазмиды
Для манипуляций с плазмидами другие методы направленного мутагенеза в значительной степени уступили место техникам, которые отличаются высокой эффективностью, но при этом относительно просты в использовании и доступны в виде коммерческих наборов. Примером таких техник является метод "Quikchange", в котором пара комплементарных мутагенных праймеров используется для амплификации всего плазмида в термоциклической реакции с использованием высокоточной ДНК-полимеразы, не вытесняющей цепь, такой как Pfu-полимераза. Реакция приводит к образованию кольцевой ДНК с ником. ДНК-шаблон необходимо элиминировать путем ферментативного переваривания рестрикционным ферментом, таким как DpnI, который специфичен к метилированной ДНК. Вся ДНК, полученная из большинства штаммов Escherichia coli, будет метилирована; следовательно, плазмида-шаблон, биосинтезированная в E. coli, будет подвергаться перевариванию, в то время как мутированная плазмида, сгенерированная in vitro и, следовательно, не метилированная, останется непереваренной. Важно отметить, что в этих методах мутагенеза плазмид двойной цепи, хотя и может использоваться термоциклическая реакция, ДНК не амплифицируется экспоненциально, если два праймера спроектированы так, чтобы симметрично связываться с одной и той же областью вокруг сайта мутагенеза, как описано в оригинальном протоколе. В этом случае амплификация является линейной, и поэтому некорректно описывать процедуру как ПЦР, поскольку цепная реакция отсутствует. Однако, если праймеры спроектированы таким образом, чтобы связываться со смещением, так что сайт мутагенеза находится близко к 5'-концу обоих праймеров, 3'-область праймеров также может связываться с продуктами амплификации, что приводит к экспоненциальному образованию продукта. Название "Quikchange" происходит от зарегистрированной торговой марки "QuikChange mutagenesis" компании Stratagene, ныне Agilent Technologies, для наборов направленного мутагенеза. Метод был разработан учеными, работавшими в Stratagene. Вариант этого метода, называемый SPRINP, предотвращает этот артефакт и используется в различных типах направленного мутагенеза. Эта техника позволяет создавать библиотеки мутагенеза плазмид, варьирующиеся от одиночных мутаций до комплексного кодонового мутагенеза по всему гену.
CRISPR
С 2013 года развитие технологии CRISPR-Cas9 позволило эффективно вносить разнообразные мутации в геном широкого спектра организмов. Метод не требует наличия сайта для транспозонной вставки, не оставляет следов-маркеров, а его эффективность и простота сделали его предпочтительным способом редактирования генома.
Приложения
Мутагенез, направленный на конкретное место, используется для создания мутаций, которые могут привести к получению рационально сконструированного белка с улучшенными или специфическими свойствами (то есть для белковой инженерии). Этот метод является инструментом для исследований – специфические мутации в ДНК позволяют рационально изучать функцию и свойства последовательности ДНК или белка. Более того, внесение изменений в отдельные аминокислоты с помощью мутагенеза, направленного на конкретное место, в белках может помочь понять важность посттрансляционных модификаций. Например, замена определенного серина (акцептора фосфата) на аланин (неакцептор фосфата) в белке-субстрате блокирует присоединение фосфатной группы, что позволяет изучить процесс фосфорилирования. Этот подход был использован для выявления фосфорилирования белка CBP киназой HIPK2. Другим комплексным методом является мутагенез насыщения, при котором один кодон или набор кодонов заменяются всеми возможными аминокислотами в заданных позициях. Коммерческое применение – белки могут быть сконструированы для получения мутантных форм, адаптированных для конкретных задач. Например, широко используемые стиральные порошки могут содержать субтилизин, в природной форме которого присутствует метионин, окисляемый отбеливателем, что значительно снижает активность белка. Этот метионин может быть заменен на аланин или другие остатки, что делает его устойчивым к окислению и сохраняет активность белка в присутствии отбеливателя.
Синтез генов
Поскольку стоимость синтеза ДНК-олигонуклеотидов снижается, искусственный синтез целого гена становится реальным методом внесения мутаций в ген. Этот метод позволяет проводить масштабный мутагенез в нескольких точках, включая полное изменение использования кодонов гена для оптимизации его для конкретного организма.