Введение

Клонирующий вектор – это небольшой фрагмент ДНК, который может стабильно поддерживаться в организме и в который можно вставить чужеродный фрагмент ДНК для целей клонирования. Клонирующим вектором может быть ДНК, полученная из вируса, клетка высшего организма или плазмида бактерии. Вектор содержит элементы, обеспечивающие удобное введение фрагмента ДНК в вектор или его извлечение из вектора, например, благодаря наличию сайтов рестрикции. Вектор и чужеродная ДНК могут быть обработаны рестрикционным ферментом, разрезающим ДНК, и полученные фрагменты ДНК содержат тупые или липкие концы (одноцепочечные выступы), а векторная ДНК и чужеродная ДНК с совместимыми концами могут быть соединены посредством молекулярной лигации. После клонирования фрагмента ДНК в клонирующий вектор, его можно дополнительно субклонировать в другой вектор, предназначенный для более специфического применения. Существует множество типов клонирующих векторов, но наиболее часто используемые – генетически модифицированные плазмиды. Клонирование обычно начинают с использованием Escherichia coli, а векторы клонирования в E. coli включают плазмиды, бактериофаги (например, фаг λ), космомиды и бактериальные искусственные хромосомы (BAC). Однако некоторые фрагменты ДНК не могут стабильно поддерживаться в E. coli, например, очень крупные фрагменты, и могут быть использованы другие организмы, такие как дрожжи. Клонирующие векторы в дрожжах включают дрожжевые искусственные хромосомы (YAC).

Особенности вектора клонирования

Все широко используемые в молекулярной биологии векторы клонирования обладают ключевыми особенностями, необходимыми для их функционирования, такими как подходящая область клонирования и селективный маркер. Другие векторы могут иметь дополнительные элементы, специфичные для конкретных задач. Для удобства и простоты клонирование часто проводят с использованием *E. coli*. Следовательно, векторы клонирования, как правило, содержат элементы, необходимые для их репликации и поддержания в *E. coli*, например, функциональное начало репликации (ori). Начало репликации ColE1 встречается во многих плазмидах. Некоторые векторы также включают элементы, позволяющие им поддерживаться в другом организме, помимо *E. coli*, и такие векторы называются шаттл-векторами.

Место клонирования

Все векторы клонирования обладают характеристиками, облегчающими вставку или удаление гена из вектора. Это может быть множественный клонирующий сайт (МКС) или полилинкер, содержащий множество уникальных сайтов рестрикции. Сайты рестрикции в МКС сначала расщепляются рестрикционными ферментами, затем целевой ген, амплифицированный ПЦР и также перевариваемый теми же ферментами, лигируется в вектор с помощью ДНК-лигазы. Целевую последовательность ДНК можно вставить в вектор в определенном направлении, если это необходимо. Сайты рестрикции могут быть дополнительно использованы для субклонирования в другой вектор при необходимости. В некоторых векторах клонирования вместо лигазы используется топоизомераза, что позволяет проводить клонирование быстрее, без необходимости рестрикционного переваривания вектора или вставки. В методе TOPO-клонирования линеаризованный вектор активируется путем присоединения топоизомеразы I к его концам, и этот "TOPO-активированный" вектор может затем принять продукт ПЦР, лигируя оба 5'-конца продукта ПЦР, высвобождая топоизомеразу и формируя циркулярный вектор в процессе. Другой метод клонирования, не требующий переваривания ДНК и лигазы, – рекомбинация ДНК, например, используемая в системе клонирования Gateway. Ген, клонированный в вектор клонирования (в этом методе называемый "entry clone" – клоном для входа), может быть удобно введен в различные экспрессионные векторы посредством рекомбинации.

Выбираемый маркер

Вектор несет селективный маркер, позволяющий отбирать положительно трансформированные клетки. Устойчивость к антибиотикам часто используется в качестве маркера, например, ген бета-лактамазы, который обеспечивает устойчивость к пенициллиновой группе бета-лактамных антибиотиков, таких как ампициллин. Некоторые векторы содержат два селективных маркера, например, плазмида pACYC177 содержит гены устойчивости как к ампициллину, так и к канамицину. Шаттл-вектор, предназначенный для поддержания в двух различных организмах, также может требовать два селективных маркера, хотя некоторые селективные маркеры, такие как устойчивость к зеоцину и гигромицину B, эффективны в разных типах клеток. Также могут использоваться маркеры ауксотрофной селекции, позволяющие ауксотрофному организму расти на минимальной питательной среде; примерами являются LEU2 и URA3, используемые с соответствующими ауксотрофными штаммами дрожжей. Другой вид селективного маркера позволяет проводить положительный отбор плазмид с клонированным геном. Это может включать использование гена, летального для клеток-хозяев, такого как барназа, Ccda и токсины parD/parE. Обычно это работает путем инактивации или удаления летального гена в процессе клонирования, и неудачные клоны, в которых летальный ген остается неповрежденным, приводят к гибели клеток-хозяев, поэтому отбираются только успешные клоны.

Репортерский ген

Гены-репортеры используются в некоторых векторах клонирования для облегчения скрининга успешных клонов, благодаря свойствам этих генов, позволяющим легко идентифицировать успешные клоны. К таким свойствам, присутствующим в векторах клонирования, относятся фрагмент lacZα для α-комплементации в методе сине-белого скрининга, и/или маркерный ген или гены-репортеры, находящиеся в рамке считывания и фланкирующие MCS для облегчения производства белковых химер. Примерами химерных партнеров, которые могут быть использованы для скрининга, являются зеленый флуоресцентный белок (GFP) и люцифераза.

Элементы для выражения

Вектор клонирования не обязательно должен содержать подходящие элементы для экспрессии клонированного целевого гена, такие как промотор и рибосомальный связующий сайт (РБС), однако многие из них содержат и в этом случае могут функционировать как вектор экспрессии. Целевая ДНК может быть вставлена в сайт, находящийся под контролем определенного промотора, необходимого для экспрессии целевого гена в выбранном хозяине. При наличии промотора экспрессия гена предпочтительно должна быть жестко контролируемой и индуцируемой, чтобы белки производились только при необходимости. Некоторые из наиболее часто используемых промоторов – T7 и lac-промоторы. Наличие промотора необходимо при использовании методов скрининга, таких как отбор по синему и белому цвету. Клонирующие векторы без промотора и РБС для клонированной последовательности ДНК иногда используются, например, при клонировании генов, продукты которых токсичны для клеток *E. coli*. Промотор и РБС для клонированной последовательности ДНК также не требуются при первичном создании геномной или кДНК-библиотеки клонов, поскольку клонированные гены обычно субклонируются в более подходящий вектор экспрессии, если их экспрессия необходима. Некоторые векторы предназначены исключительно для транскрипции, без экспрессии гетерологичного белка, например, для производства мРНК *in vitro*. Эти векторы называются векторами транскрипции. Они могут не содержать последовательностей, необходимых для полиадениляции и терминации, и, следовательно, не могут использоваться для производства белка.

Типы векторов клонирования

Существует большое количество векторов клонирования, и выбор вектора может зависеть от ряда факторов, таких как размер вставляемого фрагмента, количество копий и метод клонирования. Крупные вставки могут быть нестабильно поддержаны в стандартном векторе клонирования, особенно в векторах с высоким числом копий, поэтому для клонирования больших фрагментов могут потребоваться более специализированные векторы. Некоторые плазмиды содержат начало репликации бактериофага M13 и могут использоваться для получения одноцепочечной ДНК. Такие векторы называются фагемидами, примером которых является серия клонирующих векторов pBluescript.

Бактериофаг

Бактериофаги, используемые для клонирования, – это фаг λ и фаг M13. Существует предел максимального количества ДНК, которое может быть упаковано в фаг (максимум 53 кб), поэтому для встраивания чужеродной ДНК в ДНК фага векторы клонирования на основе фагов могут нуждаться в удалении некоторых несущественных генов, например, генов, ответственных за лизогению, поскольку использование фага λ в качестве вектора клонирования предполагает только литический цикл. Существует два типа λ-фаговых векторов: вектор вставки и вектор замещения. Векторы вставки содержат уникальный сайт рестрикции, в который может быть вставлена чужеродная ДНК размером 5–11 кб. В векторах замещения сайты рестрикции фланкируют область, содержащую гены, не необходимые для литического цикла, и эта область может быть удалена и заменена ДНК-вставкой в процессе клонирования, что позволяет встраивать фрагменты ДНК размером 8–24 кб.

Космид

Космиды — это плазмиды, содержащие фрагмент ДНК бактериофага λ с когезивным концом (cos), включающим элементы, необходимые для упаковки ДНК в фаговые частицы λ. Благодаря наличию подходящего начала репликации (ori), они могут реплицироваться как плазмиды. Обычно космиды используются для клонирования крупных фрагментов ДНК размером от 28 до 45 кб.

Вирусные переносчики животных и растений

Вирусы, инфицирующие растительные и животные клетки, также были модифицированы для введения чужеродных генов в растительные и животные клетки. Естественная способность вирусов адсорбироваться на клетках, вводить свою ДНК и реплицироваться сделала их идеальными переносчиками для доставки чужеродной ДНК в эукариотические клетки в культуре. В первом эксперименте по клонированию с использованием клеток млекопитающих был использован вектор на основе вируса обезьяны 40 (SV40). Для клонирования генов у млекопитающих применялись различные векторы, основанные на других типах вирусов, таких как аденовирусы и папилломавирусы. В настоящее время ретровирусные векторы широко используются для клонирования генов в клетках млекопитающих. В отношении растений, таких как вирус мозаики цветной капусты, вирус мозаики табака и гемминивирусы, применение оказалось ограниченно успешным.

Проверка: пример сине-белого экрана

Многие векторы общего назначения, такие как pUC19, обычно включают систему для обнаружения наличия клонированного фрагмента ДНК, основанную на потере легко определяемого фенотипа. Наиболее широко используется ген, кодирующий β-галактозидазу *E. coli*, активность которой можно легко обнаружить по способности кодируемого ею фермента гидролизовать растворимый бесцветный субстрат X-gal (5-бромо-4-хлоро-3-индолил-β-D-галактозид) в нерастворимый синий продукт (5,5'-дибромо-4,4'-дихлориндиго). Клонирование фрагмента ДНК в последовательность lacZα β-галактозидазы, расположенную в векторе, предотвращает образование активного фермента. Если X-gal добавляют в селективные агарные пластины, то трансформированные колонии обычно голубые в случае вектора без вставленной ДНК и белые – в случае вектора, содержащего фрагмент клонированной ДНК.