こりんの基礎医学研究日記

都内の医大を2014年に卒業。現在は大学院で基礎研究中。日々の研究の中で疑問に思ったことや勉強したことなどを主に自分のための備忘録として書いていきいます。ときどき臨床の話や趣味の話も。必ずしも学術論文等が元となっていない内容もありますので、情報の二次利用の際はご注意ください。

インバースPCRを用いたプラスミド変異の入れ方 Site-directed mutagenesis

本日はPCRを利用してプラスミドに任意の変異を入れる方法について紹介していきます。

 

PCRを用い、プラスミドDNAの一部を書き換えたり、欠損させたり、任意の配列を挿入したりすることができます。

 

通常のPCRは以下の図のように内向きの2つのプライマーを用い、プライマーに挟まれた部分のDNA断片を作ります。

 

出典:研究ネット https://www.wdb.com/kenq/dictionary/pcr

変異を挿入するなどしたいときは、これとは逆に、外向きのプライマーを2つ用い、逆方向にプラスミド1周分のDNAを作るという手法を用います。これをインバースPCRと言います。

 

以下の図が参考になります。

 

出典:リケラボ https://www.rikelab.jp/post/3218.html

上記のように外向きの2つのプライマーを用いてPCRをすると、プラスミドと同じ長さの環状になっていないまっすぐのままのDNA断片が2つできます。この新しくできたDNA断片を次の実験に用いたいのですが、元々のテンプレートプラスミドが邪魔なので、DpnI処理をします。

 

DpnIは制限酵素の1つであり、認識箇所は以下の通りです。

 

 GA | TC

 CT  | AG

 

DpnIが他の制限酵素と異なるのは、メチル化されているDNAのみを切断するという点です。大腸菌などから作られたプラスミドは通常メチル化されていますが、試験管内で作られたPCR産物はメチル化されていません。なので、PCRで作られたものだけが残り、テンプレートとなったもとももとのプラスミドは制限酵素で切られてバラバラになります。

 

その後セルフライゲーションにて環状にし、新しく変異の入ったプラスミドが出来上がります。入れられる変異の種類はいろいろあります。入れたい変異が組み込まれたプライマーを作る必要があります。

 

出典:リケラボ https://www.rikelab.jp/post/3218.html

 

このとき、プライマー同士は重複してはいけません。

重複部分があるとどうなるかというと、以下のようなプロトコールになります。

出典:Site Directed Mutagenesis by PCR By Guest Blogger https://blog.addgene.org/site-directed-mutagenesis-by-pcr

つまりセルフライゲーションをせずに、次の段階であるトランスフォーメーションに移ります。※セルフライゲーションをしてしまうと重複した箇所ができてしまう。

 

こちらのサイトも参考になります。

https://lifescience.toyobo.co.jp/user_data/pdf/upload/upload87/kodplus87pc01.pdf

 

重複部分は大腸菌がうまく調整してくれるようです。もう1つ別のプロトコルを参考までに掲載します。

BACKGROUND

Site-directed mutagenesis involves the use of primer sequences that anneal to a template DNA sequence, targeting a desired area for mutation. Polymerase chain reaction (PCR) methods allow for amplification of genomic targets in sufficient numbers for transformation.

This protocol uses MilliporeSigma's KOD Xtreme™ Hot Start DNA Polymerase, which allows for high fidelity PCR using a simple three-step thermocycle. It is important to complete the entirety of this protocol in one go, rather than delay performing the PCR, digestion, or transformation. From beginning to end, site-directed mutagenesis using this protocol can be completed in approximately 5 hours, with results from the transformation immediately available the next day.

After PCRDpnI digestion cleaves any plasmids with methylated sites. This selects for the mutated plasmids (which are unmethylated) by destroying any remaining template DNA that were not mutated in the PCR. The DpnI from NEB is designated as a Time-Saver™ restriction enzyme that can sufficiently digest the PCR product in 15 minutes. However, it is safe to digest for longer periods of time and an incubation period of 1 hour is recommended for this protocol.

In mutagenesis, the final mutated plasmid after PCR and DpnI digestion is generally low in concentration. Therefore, high-efficiency transformation methods must be used with ultra-competent DH5α cells to achieve colonies containing the desired plasmid. The entirety of the PCR product should be used when mixing with the competent cells, and SOC medium is highly recommended for all components of the transformation (outgrowth and plate) over LB medium. Additionally, although high-throughput transformation protocols allow for some steps to be skipped, it is recommended that both heat shock and outgrowth in SOC medium are performed for mutagenesis.

REQUIRED MATERIALS

  • KOD Xtreme™ Hot Start DNA Polymerase, 1.0 U/μL  
  • KOD Xtreme™ Buffer, 2X  
  • dNTPs, 2 mM  
  • Autoclaved Milli-Q® water  
  • Forward & reverse primers
  • Template DNA, 25 ng/μL
  • DpnI restriction enzyme  
  • CutSmart® Buffer, 10X  
  • DH5α competent cells  
  • SOC medium  

PROTOCOL

PCR amplification

    1. This step should be performed in a cold room or on ice. For each reaction, combine the following in a PCR tube (adjust Milli-Q® water volume to compensate for template DNA concentration as necessary):
      Component Volume
      KOD Xtreme™ Buffer, 2X 25 μL
      Autoclaved Milli-Q® water 10 μL
      dNTPs, 2 mM 10 μL
      Template DNA, 25 ng/μL 2 μL
      Forward primer 1 μL
      Reverse primer 1 μL
      * KOD Xtreme™ Hot Start DNA Polymerase, 1.0 U/μL 1 μL
      Total Volume 50 μL
      * NOTE: Always add the KOD Xtreme™ Hot Start DNA Polymerase as the last component, immediately before use in thermocycler. Keep the polymerase in the freezer until needed.
    2. Spin the PCR tube in a mini centrifuge for 2–3 seconds. Do NOT spin at high rpm—only enough to ensure the polymerase is evenly mixed in.
    3. Set the thermocycler for the following cycles:
* NOTE: Adjust time according to the length of the template DNA.
  1. Set the lid temperature to 105 °C and the reaction volume to 50 μL.
  2. Start the run. The PCR run should take approximately 30 mins per kb of template DNA (e.g. a 6 kb plasmid template will require about 3 hours for PCR).

DpnI digestion

  1. Add 5 μL of CutSmart® Buffer directly to the PCR product.
  2. Add 1 μL of DpnI restriction enzyme.
  3. Spin the PCR tube in a mini centrifuge for 2–3 seconds. Do NOT spin at high rpm—only enough to ensure the enzyme is evenly mixed in.
  4. Incubate the PCR tube in a thermocycler at 37 °C for at least 15 minutes.

High-efficiency transformation

  1. Thaw competent DH5α cells on ice for approximately 5–10 minutes.
  2. Add all of the PCR product to the competent cells tube. Mix by gently tapping the side of the tube. Do NOT vortex or pipette the mix.
  3. Incubate on ice for 10–15 minutes.
  4. Heat shock the cells in a 42 °C water bath for 40–45 seconds.
  5. Immediately place cells on ice for 2 minutes.
  6. Add 500 μL of SOC media to the tube.
  7. Incubate the cells at 37 °C while shaking at 250 rpm for 1 hour.
  8. Spread contents of the entire transformation tube on an SOC media plate containing the appropriate antibiotic. Incubate at 37 °C for 16–18 hours.

TROUBLESHOOTING

If there are issues with mutagenesis, try the following troubleshooting tips:

  1. Run a small amount of PCR product (~10 μL) on an agarose gel. If primer dimerization is favored over primer–template annealing, reduce the concentration of primers in the initial PCR reaction.
  2. Check primer sequences to ensure they are complementary to the desired target on the template DNA strand.
  3. Increase the number of cycles (max. 35) in Step 2 of the PCR.

出典:SEN LAB SITE-DIRECTED MUTAGENESIS

receptor.nsm.uh.edu