WO2005033322A1 - Methods and tools for the chromosomal modification of bacteria - Google Patents
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- WO2005033322A1 WO2005033322A1 PCT/FR2004/002504 FR2004002504W WO2005033322A1 WO 2005033322 A1 WO2005033322 A1 WO 2005033322A1 FR 2004002504 W FR2004002504 W FR 2004002504W WO 2005033322 A1 WO2005033322 A1 WO 2005033322A1
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- C12N15/90—Stable introduction of foreign DNA into chromosome
- C12N15/902—Stable introduction of foreign DNA into chromosome using homologous recombination
Definitions
- the present application relates to methods and tools for modifying the chromosome of bacteria. It relates in particular to methods for targeted modification of the genome of bacteria, for example by inactivating or replacing a target gene.
- the methods and tools of the invention are based on homologous recombination and on the use of a particularly efficient selection and counter-selection system.
- the invention is applicable to multiple species of bacteria, making it possible, for example, to analyze the function of genes, to create new metabolic pathways and / or to screen gene banks.
- the protocols commonly used to obtain the deletion of a gene are based on the possibility of homologous recombination between a linear DNA strand and the chromosome, in a strain whose recombination properties are altered (recB recC sbcB strains).
- the selection of the recombination event is ensured by the general insertion of an antibiotic resistance cassette between the recombinant sequences, sometimes by a metabolic marker allowing the assimilation of a new nutritive source, or even by the introduction of a marker conferring a coloration or a fluorescence on the bacteria detected by suitable means.
- the accumulation of multiple deletions in the same strain is limited by the number of resistance genes available.
- the exchange of a wild allele by a modified allele may require a first step of integration into the chromosome of a circular construction (plasmid) carrying a homologous sequence, which results in the presence on the chromosome of the two alleles. This first event is selected by the integration into the construction of an antibiotic resistance cassette. Allele exchange takes place after a second recombination event between the two homologous sequences, which eliminates non-homologous sequences, including the resistance cassette. The new allele must therefore be directly selectable.
- the present invention provides entirely reliable recombination methods which can be used in an automated manner.
- the negative selection used is based on the conditional lethality induced by thymidine kinase in the presence of a nucleoside analog.
- One of the advantages of this tdk marker is that it can also be a positive selection marker in the presence of certain toxicants. The functionality of the chromosomal insertion of the tdk gene can therefore be verified before proceeding to the counter-selection linked to this same gene.
- the present patent application describes in particular the use of the tdk gene, coding for a thymidine kinase activity and whose translation product phosphorylates nucleoside analogs such as Pazidothymidine, as a marker gene for the selection of a genetic recombination event (positive screen ) in bacteria, and the loss of which is directly selectable by the resistance of the bacteria to the nucleoside analog (negative screen).
- This method has been developed and validated in different species of bacteria, in particular in E. coli and in Acinetobacter ADP1.
- a first aspect of the invention therefore resides in the use of a gene encoding a thymidine kinase activity as a marker for selection of recombination event in bacteria.
- Another object of the invention relates to a method for targeted alteration of the genome of a bacterium by homologous double recombination, comprising: a) the introduction, into a bacterium deficient for thymidine kinase activity, of a genetic construction comprising (i) at least one region having a sequence homologous to a selected segment of the genome of the bacterium, the alteration of which is desired, said region having a length sufficient to allow homologous recombination, (ii) a positive selection marker and (iii) a negative counter-selection marker comprising a gene encoding a polypeptide having a thymidine kinase activity, b) the culture of the bacteria under conditions of selection with respect to the positive marker and the selection of the bacteria expressing the positive marker inserted into their chromosome, and c) the culture of bacteria obtained in step b) in the presence of a nucleoside analog metabolized by l a thymidine
- the positive selection marker confers resistance to an antibiotic compound and / or the negative counter-selection marker is a tdk gene conferring toxicity on a nucleoside analog and / or the nucleoside analog is AZT .
- the positive selection marker and the negative counter-selection marker are a single gene.
- the alteration can relate to any part of the genome of the bacteria, such as for example a gene of interest.
- the bacterium can be any bacterium transformable by a nucleic acid in vitro, such as for example E.
- the genetic construct used for altering the genome does not replicate in the bacteria.
- This construction may be a circular or linear DNA fragment.
- Another subject of the invention relates to a product comprising: - a genetic construct comprising (i) a region having a sequence homologous to a selected segment of the genome of a bacterium whose alteration is desired, said region having a length sufficient for allow homologous recombination, (ii) a positive selection marker and (iii) a negative counter-selection marker comprising a gene encoding a polypeptide having thymidine kinase activity; and - a nucleoside analog metabolized by this thymidine kinase.
- the invention also relates to a recombinant genetic construction, consisting of (i) a region having a sequence homologous to a selected segment of the genome of a bacterium whose alteration is desired, said region having a length sufficient to allow homologous recombination, (ii) a positive selection marker conferring resistance to an antibiotic compound and (iii) a negative counter-selection marker comprising a gene encoding a polypeptide having thymidine kinase activity.
- the invention further relates to methods for altering metabolic pathways or for creating new metabolic pathways in bacteria, including alteration, in a bacteria, a gene involved in a metabolic pathway using a method described above.
- the invention also relates to methods for determining the function of genes in bacteria, comprising the alteration, in a bacterium, of a gene whose function is to be studied, using a method described above, and the analysis the phenotype of the bacteria thus obtained.
- the phenotype broadly designates morphology, growth, mobility, division, the expression of surface markers, the secretion of factors in the environment, survival, etc.
- the invention is generally applicable to the modification of any gene or region of the genome of any bacterium, is reliable and rapid, and provides new effective and powerful tools for genetic analysis, the construction of modified genomes and the creation of genetic diversity. or metabolic.
- Figure 1 Schematic representation of a genetic construction of the invention and the allelic exchange protocol, applied to the ileS gene of Pisoleucyl-fRNA synthetase from E. coli.
- Figure 2 Schematic representation of a genetic construction of the invention and the gene replacement protocol, applied to the icd gene of isocitrate dehydrogenase from E. coli.
- Figure 3 Schematic representation of a genetic construction of the invention and the gene deletion protocol, applied to the cysN gene of Acinetobacter ADP1 sulfurylase. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
- the invention relates to compositions and methods making it possible to modify the genome of bacteria in a targeted manner, for example to inactivate a selected gene.
- the compositions and methods of the invention are based in particular on the development of particular genetic constructs and particular selection genes, ensuring high efficiency and wide application of the invention.
- the term genetic construction refers to any recombinant nucleic acid molecule. It can be single-stranded or double-stranded DNA, preferably double-stranded, linear or circular.
- the genetic construction can be of the plasmid or phage type, or a DNA fragment. It can be constructed by conventional techniques of molecular biology, including ligation, cloning, artificial synthesis, amplification, etc.
- the region of homology (i) is intended to allow targeted chromosomal insertion of the genetic construction (or a part of it), by homologous recombination.
- This region therefore comprises a sequence homologous to a selected segment of the genome of the bacterium (for example a gene or a regulatory region), the alteration of which is desired, and it has a length sufficient to allow homologous recombination.
- the selected segment of the genome may be all or part of a gene (that is to say a region of the genome coding for an RNA or a protein), of a regulatory region (e.g. promoter, terminator, etc.), from an uncharacterized region, etc. Mention may be made, for example, of a gene for a biosynthetic pathway of a metabolite, an antibiotic, an amino acid, a vitamin, an enzyme, a membrane or wall protein. bacteria, an involved gene in the virulence of a bacterium, a gene involved in a transporter system present in a membrane of the bacteria, etc.
- the alteration can consist, for example, of an allelic exchange (that is to say the substitution of all or part of a gene by an altered copy of it), a replacement of a gene (i.e. say the replacement of all or part of a gene with a different gene) or a deletion of all or part of a segment of the genome.
- the region of homology to a selected segment of the genome of the bacterium allows homologous recombination at the level of this segment, and thus the targeted alteration of the genome.
- the region of homology must be of sufficient length to allow homologous recombination. It is generally accepted that a region of homology of at least 30 bases is sufficient in bacteria to allow the realization of a recombination event. However, it is preferred to use regions of larger homologies, typically comprising from 30 to 2000 bases, for example from 50 to 1000, typically from 80 to 800.
- the degree of homology must be sufficient to allow homologous recombination.
- the homology i.e.
- sequence identity is perfect over at least a portion of the region of homology, or at least greater than 80%, preferably 85%, 90% , 95%, 97% or 98%.
- the degree of homology can indeed affect the selectivity of the method and, above all, its yield. It is therefore preferred that the regions of homologies have a high degree of identity, preferably greater than 95% with the targeted segment. It is understood that the length and the composition of the region of homology can be adjusted by a person skilled in the art, depending on the type of alteration sought, the bacteria considered, and the type of genetic construction.
- the region of homology typically comprises the sequence of an altered copy of at least part of the gene whose modification is sought.
- This altered copy preferably comprises two regions of perfect homology with the target gene, allowing double homologous recombination, framing an altered region of the target gene, for example carrying one or more mutation (s), deletion (s) and or addition ( s) one or more residues.
- gene alteration includes one or more mutations, occasional or not.
- a point mutation consists of the substitution of one base by another in the gene sequence (which can result in a codon change, for example resulting in a stop codon, nonsense, or in a codon coding a different amino acid) .
- a non-point mutation consists of the substitution of several consecutive bases in the gene sequence, which can result in a change of one or more consecutive codons.
- a deletion consists of the deletion of one or more bases, consecutive or not, in the gene sequence. This deletion can create stop or nonsense codons, for example, or introduce an offset in the reading frame. Additions of one or more bases can also be envisaged.
- the region of homology typically consists of two sub-regions of homology each having a sequence homologous to a distinct segment of the gene of the bacterium whose alteration is desired, and each having a length sufficient to allow homologous recombination. Each of these sub-regions is chosen so as to frame the sequence of the target gene whose replacement or deletion is desired.
- the two sub-regions surround the positive selection marker (ii) or any other nucleic acid which will be inserted into the target gene, replacing the gene sequences.
- the two sub-regions surround a set consisting of the positive selection marker (ii) and the negative counter-selection marker (iii).
- the region of homology can be defined on the basis of the gene sequence or of the segment targeted in the genome of the bacterium. Once the target region has been identified and the type of alteration has been determined, a region of homology (i) can be prepared, typically by artificial synthesis, or by cloning and / or amplification.
- the positive selection marker (ii) can be any gene (that is to say any nucleic acid) encoding an RNA product or polypeptide conferring on the bacterial cell the containing resistance to a toxic compound. It is preferably a gene encoding a product conferring resistance to an antibiotic.
- kan gene conferring resistance to kanamycin By way of nonlimiting examples, mention may be made of the kan gene conferring resistance to kanamycin, the neo gene conferring resistance to neomycin, the cat gene conferring resistance to chloramphenicol, the aad gene conferring resistance to spectinomycin, the Strept R gene, conferring resistance to streptomycin, the aac gene conferring resistance to apramycin or the tdk gene conferring resistance to trimethoprime in the presence of thymidine in a rich medium.
- This last positive selection marker and the conditions under which it operates constitute another particular object of the present invention. Indeed, the present application proposes to use a tdk gene both as a positive and negative marker, thus providing simplified genetic constructions.
- the tdk gene coding for thymidine kinase activity constitutes, in E. coli, in the presence of thymidine, a gene for resistance to trimethoprime.
- Trimethoprime is a dihydrofolate reductase inhibitor; it causes secondarily, by exhaustion of the intracellular stock of methylene tetrahydrofolate (co-substrate with the dUMP of thymidilate synhthase), the blocking of the synthesis of thymidilate (dTMP) and leads to cell death by absence of the base T ("thyminless death ").
- dTMP methylene tetrahydrofolate
- thymidine kinase activity allows cell growth in the presence of thymidine.
- trimethoprime the bacteria resistant to the rich medium of Muller Hinton (HD) supplemented with thymidine are selected.
- HD Muller Hinton
- tdk as a positive selection marker is applicable to bacteria having a trimethoprime-sensitive dihydrofolate reductase and a thyA-type thymidilate synthase.
- the positive selection marker (ii) and the negative counter-selection marker (iii) are represented by a single gene, encoding a polypeptide with thymidine kinase activity, preferably a tdk gene. .
- step b) of the method comprises the culture of bacteria in the presence of the toxic compound and the selection of cells capable of survival and / or growth on this medium.
- concentrations used for the toxic compound are concentrations which are not toxic to cells expressing resistance, but toxic to cells which do not express the marker. These concentrations are known to a person skilled in the art and can be adapted, if necessary, as illustrated in the examples.
- the positive selection marker may be a metabolic marker allowing the assimilation of a new nutritive source, or even a marker conferring a coloration or a fluorescence or any other physical character on the bacteria which will be selected after detection by appropriate means. .
- the negative counter-selection marker (iii) comprises a gene coding for thymidine kinase activity.
- a gene coding for thymidine kinase activity designates any nucleic acid molecule coding for a polypeptide having a thymidine kinase type activity which is functional in the bacterium considered.
- Thymidine kinase activity is mainly characterized by the ability to phosphorylate a nucleoside analog, such as azidothymidine (AZT), into the corresponding monophosphate form, in the case of AZT into azidothymidine phosphate (AZT-MP).
- the nucleic acid molecule can be an RNA or a DNA, typically a recombinant DNA (eg, cDNA) comprising a nucleic sequence coding for the thymidine kinase polypeptide.
- a recombinant DNA eg, cDNA
- Different thymidine kinases have been described in the literature, such as, for example, bacterial, viral (in particular the herpes simplex virus) or mammalian (for example human, bovine, etc.) thymidine kinases.
- the gene used in the invention can come from viruses, bacteria, archaebacteria, and eukaryotes such as fungi, plants and animals. This gene can be a synthetic gene.
- thymidine kinase can be a wild type thymidine kinase, or possibly modified in its structure to improve its properties, for example its stability, its expression in the bacteria, its substrate specificity, its enzymatic activity, etc.
- a thymidine kinase of bacterial origin is used, in particular originating from or derived from E. coli, from Haemophilus influenzae, from Streptococus gordonii (McNab, 1996, FEMS Microbiol Lett. 135: 103- 10) of humans (Wang, 2000, Biochem Pharmacol. 59: 1583-8), of the human herpes virus (Cazaux, 1998, Cancer Gene Ther. 5: 83-91)
- the negative counter-selection marker used in the invention is a gene coding for a protein having a thymidine kinase activity (EC 2.7.1.21) and capable of catalyzing the phosphorylation of azidothymidine (AZT) into azidothymidine 5 phosphate (AZT-MP), preferably chosen from genes homologous to the E. coli tdk gene (Bockamp et al., Gene 1991, 101: 9-14; Black, Mol. Microbiol. 1991, 5: 373-379) or the Haemophilus influenzae tdk gene (Fleischmann, Science, 1995, 269: 496-512). layout
- the marker genes (ii) and (iii) present in the genetic construction must be able to be expressed in the bacterial host in which the homologous recombination is carried out, to allow the synthesis of an active and functional product. To improve the expression of these genes, one or both are therefore generally placed, in the genetic construction, under the control of a functional transcriptional promoter in the host.
- a promoter identical or preferably different, can be used for each of the two marker genes, or a single promoter directing the expression of the two marker genes, in the form of a bicistronic unit.
- the promoter (s) used can be constitutive or regulated, that is to say active (or activated) or inactive (or inactivated) in the presence or in the absence of a substance (eg, inducer, repressor, etc.) or a particular condition (eg, temperature, etc.).
- a substance eg, inducer, repressor, etc.
- a particular condition eg, temperature, etc.
- promoters in bacterial hosts are known to those skilled in the art, and can be used in the context of the invention, such as, for example, the promoter of the lactose operon (Plac), of the tryptophan operon, hybrid promoters (e.g. Ptac) and / or synthetic, phage promoters (e.g. T5, T7), promoters of bacterial genes (e.g. ValS), etc.
- lactose operon Plac
- hybrid promoters e.g. Ptac
- phage promoters e.g. T5, T7
- promoters of bacterial genes e.g. ValS
- the arrangement of elements (i) to (iii) in the genetic construction can be adapted by a person skilled in the art, and generally depends on the type of alteration chosen (allelic exchange, gene replacement, deletion, etc.).
- the positive selection marker and the negative selection marker can be positioned either 5 'or 3' relative to each other, in the same transcriptional orientation or in an opposite orientation.
- allelic exchange the respective order of elements (i) to (iii) is not critical for the method of the invention.
- a 5 '-> 3' arrangement can be used (i) - (ii) - (iii); (iii) - (ii) - (i); etc.
- the region of homology is generally subdivided into two portions framing the gene (ii), and the gene (iii) can be located 5 ′ or 3 'of this assembly.
- the region of homology is generally subdivided into two portions framing the genes (ii) and (iii), which can be arranged in any order.
- the genetic construction may, where appropriate, include other elements, such as an origin of replication, additional marker genes, etc.
- an origin of replication When it contains an origin of replication, it is preferably conditional (for example the replicon of RK6) or non-functional in the bacteria which it is desired to modify. Indeed, the absence of functional replication limits positive selection to chromosomal insertion events by homologous recombination.
- the genetic construction is a circular, double-stranded DNA, for example a plasmid.
- This type of construction is particularly suitable for bacteria of the genus E. coli. It can be constructed from any commercially available plasmid, such as plasmids pBR322, pUC, pTL, pSH, etc.
- the overall size of the plasmid can be adapted by a person skilled in the art to be preferably compatible with the transformation of bacteria. Any plasmid comprising the elements (i) to (iii) described above is compatible.
- the genetic construction is a linear DNA, preferably double-stranded.
- Such linear DNA can be prepared in vitro by techniques known per se, such as artificial synthesis, cloning, ligation and / or amplification, etc.
- the linear DNA is produced in vitro by simultaneous amplification of one, several, or all of the elements (i) to (iii) using a mixture of specific oligonucleotide primers and appropriate matrices.
- the templates are therefore used as a mixture, and the primers have appropriate covering sequences, allowing direct assembly of the genetic construction comprising the amplification products (i), (ii) and / or (iii). This aspect constitutes another particular object of the invention.
- the methods of the invention are applicable to bacteria.
- the bacteria used in the invention are typically deficient in thymidine kinase activity, that is to say that they are not sensitive to the nucleoside analog used.
- a bacterium does not express a functional endogenous tdk protein or does not express it sufficiently to confer sensitivity to the concentrations of nucleoside analog used.
- the bacterium can be naturally deficient for tdk activity, as is the case for example of bacteria of the genus Acinetobacter, or can be made deficient by inactivation of the endogenous tdk gene as is the case for E. coli.
- the bacteria which can be used for the invention can be chosen from any bacterium of interest, which is transformable by an exogenous nucleic acid. Mention may in particular be made of cultivable bacteria such as E. coli, Pseudomonas, Acinetobacter, Pseudomonas, Bacillus, Helicobacter, Synechocystis, Methanobacterium, Methanococcus, Streptococcus, Lactobacillus, Staphylococcus, Klebsiella, Xanthomonas, Agrobacterium, etc. conditions well known to those skilled in the art, such as for example in defined media or rich media such as LB (Luria Bertani) or MH (Muller Hinton) media. Cultures are typically carried out in boxes, flasks, bags, tubes, etc., preferably in a sterile condition.
- cultivable bacteria such as E. coli, Pseudomonas, Acinetobacter, Pseudomonas, Bac
- the bacterium is a strain of E. coli or an Acinetobacter strain, preferably Acinetobacter calcoaceticus (ADP 1).
- the genetic construction can be introduced into the bacterium by any technique known to a person skilled in the art, generally gathered under the designations "transfection” or "transformation”.
- the construction can be introduced in vitro (that is to say in culture) by electroporation, conjugative transfer, precipitation with calcium phosphate, micro-injection, etc.
- the introduction can also be carried out using agents which facilitate the introduction of nucleic acid into prokaryotic cells, such as cationic lipids or liposomes, cationic peptides, polymers, phages, etc. It is not essential for the method of the invention that the introduction of the constructions is carried out with very high efficiency, insofar as a selection is then applied.
- the second step of the method aims to select the chromosomal insertion, that is to say the cells that have integrated the genetic construction (or a part of it) in their genome .
- This selection is generally carried out on the basis of the expression of the positive selection marker, that is to say, depending on the type of positive marker, the resistance of the cell to a toxic compound (for example an antibiotic), the ability to use a particular nutrient source, expression of a marking, etc.
- the bacteria are cultivated under conditions of selection with respect to the positive marker, that is to say in the presence of the toxic compound, the nutritive source, etc. and the cells expressing the selection marker are selected.
- the cells are cultured in the presence of the compound and selected on the basis of their capacity for survival and / or growth in this selection medium .
- the genetic construction is not capable of efficient autonomous replication in the host bacterium, the cells thus selected result indeed from chromosomal insertion.
- the third step of the method generally aims to excise from the genome of the bacteria the regions of the genetic construction which are not essential to the desired modification.
- allelic exchange or a deletion it is important to be able to eliminate the sequence of marker genes from the cell genome.
- gene replacement it is also desirable to eliminate the sequences other than the positive marker.
- the invention is based on the use of the particular negative selection marker, thymidine kinase.
- the invention indeed shows that this marker is functional in bacteria and particularly effective for the selection of this excision event. Since the negative counter-selection marker used makes the cells which contain it and which express it sensitive to nucleoside analogues, in particular AZT, while these same cells, which do not contain this gene, are resistant to AZT, cell culture in the presence of the analog makes it possible to select the cells having lost the negative counter-selection marker.
- the nucleoside analog is AZT.
- other analogs can be considered, such as gancyclovir (GCV), acyclovir, dideoxynucleosides such as dideoxythymidine (ddT), dideoxyinosine (ddl), stavudine (d4T) etc.
- GCV gancyclovir
- ddT dideoxythymidine
- ddl dideoxyinosine
- d4T stavudine
- the toxicity of AZT and these other analogues is exerted mainly after their transformation into triphosphate derivatives by blocking the replication of DNA.
- AZT-triphosphate is a substrate for DNA polymerases. It is produced in E.
- AZT thymidine kinase
- tdk thymidine kinase
- tmk thymidilate kinase
- ndp nucleoside diphosphate kinase
- the cells are therefore cultured in the presence of the nucleoside analog, at a concentration and for a period of time sufficient to eliminate the cells containing and expressing the functional thymidine kinase.
- This culture can be carried out under selection pressure for the positive selection marker (that is to say for example in the presence of the antibiotic compound when the positive selection marker is an antibiotic resistance marker) or, alternatively, without selection pressure for the positive selection marker (that is to say for example in the absence of the antibiotic compound when the positive selection marker is an antibiotic resistance marker).
- the ability of cells to grow or survive in the presence of the nucleoside analog can be verified by any technique known to those skilled in the art, including cell counting, morphological observation, trypan blue staining, etc.
- the exchange of a wild allele by a modified allele or the deletion of all or part of a chromosome region may require a first step of integration into the chromosome of a first linear construction carrying a cassette containing the positive selection and negative counter-selection markers framed by two regions of homology to extreme segments (that is to say located in the 5 'and 3' regions) of the wild-type or of the region to be deleted, which causes the presence on the chromosome of the allele interrupted by the cassette.
- This first event is selected by the resistance to an antibiotic brought by the integrated cassette.
- the allelic exchange is carried out after a second stage of integration into the chromosome of a second linear construction carrying the modified or deleted allele. This second event is selected by resistance to the pro-toxic (the nucleoside analog) activated by the negative counter-selection marker.
- the method of the invention allows the carrying out of an allele exchange or a deletion of at least part of a gene, and comprises: a) the introduction, into a deficient bacterium for thymidine kinase activity, a linear DNA comprising a positive selection marker (ii) and a negative counter-selection marker (iii) comprising a gene coding for a polypeptide having thymidine kinase activity, the assembly consisting of (ii) and (iii) being framed by two regions of homology to extreme segments of the gene to be modified or deleting, said regions of homology having a length sufficient to allow homologous recombination; b) the culture of the bacteria under selection conditions with respect to the positive marker and the selection of the bacteria expressing the positive marker, said bacteria comprising the positive marker inserted into their chromosome, and c) the culture of bacteria obtained with the step b) in the presence of a nucleoside analogue metabolized by
- the modification is carried out in two stages, firstly by the insertion, by double homologous recombination, of a first construction, which is then exchanged with a second construction carrying the desired modification.
- the cells obtained have a modification of their genome, targeted at the level of the region of interest.
- the modification can be controlled by any known technique, in particular PCR, in situ hybridization, etc.
- the bacteria obtained can be used for phenotypic analysis, the expression of proteins or other products of interest, the production of metabolites, etc.
- the method according to the present application is particularly advantageous insofar as it is effective, does not generate false positives, and is applicable to a wide range of bacteria and target genes.
- the examples which follow serve to illustrate the method of the invention, without limiting its scope. The content of all publications, patents and patent applications cited in this description and in the examples is incorporated herein by reference.
- Example 1 Allelic exchange at the IS island locus. coli coding for isoleucyl-tRNA synthetase.
- IleRS isoleucyl-tRNA synthetase
- an allele of the ileS gene of E. coli coding for a defective synthetase in its editing capacity was constructed by replacing amino acids 241 to 250 with a series of alanines (ileSalall allele, plasmid pTLH33). This mutated allele was integrated into a plasmid construct which should allow its exchange with the ileS chromosomal allele.
- tdkl.3 5 'CCCGTCGACTTAAATTTGACCGCACTTTTCTTTA: SEQ ID NO: 1
- tdkl .5 5' ATGGCGAAACTCTACTTCTATTAC: SEQ ID NO : 2) for the tdk gene, and secondly,
- ValS 1.5 (5 'CCCCTCGAGGATAAAGGTTATCATGTTG: SEQ ID NO: 3) and ValS 1.3 (5' TAGAGTTTCGCCATTTATTTTTTCTCTTTATTATAA: SEQ ID NO: 4) for the promoter sequence of the valS gene.
- the DNA fragments obtained in the previous step were pooled by PCR with the oligonucleotides tdkl.3 and ValS 1.5 (described above) thus forming the Pra / S cassette H i ⁇ H i
- This cassette was cloned into the Xhol site of the vector pEVL497 after digestion with Xhol and Sali (plasmid pSH93).
- the vector pEVL497 carries the cat gene which confers resistance to chloramphenicol and the conditional replicon of the plasmid R6K which requires the expression of the protein Pi to maintain and propagate in cells (strain BW19610).
- the ileSalal 1a gene was inserted into the plasmid pSH93 between the EcoRI and Xmal sites, thus giving the plasmid pSH102.
- the plasmid pSH102 was introduced by transformation into the strain of E.
- the clones resistant to AZT were tested for their sensitivity to chloramphenicol.
- the sensitivity to norvaline of the double recombinants was tested.
- the sensitivity to norvaline indicates the presence of an allele ileS whose editing is deficient.
- the chromosomal DNA of the clones sensitive to norvaline was extracted for carrying out amplifications.
- Example 2 Deletion of the icd gene from E. coli coding for Pisocitrate dehydrogenase.
- Isocitrate dehydrogenase catalyzes the oxidative decarboxylation of isocitrate to alpha-ketoglutarate, a reaction of the tricarboxylic cycle.
- Alpha-ketoglutarate is the precursor of glutamic acid; the absence of isocitrate dehydrogenase activity therefore causes an auxotrophy for glutamic acid.
- a partial deletion of the icd gene containing the spectinomycin resistance marker gene was obtained using the plasmid construct pEVL194.
- This plasmid derived from the plasmid pEVL497 (see example 1), contained the tdk gene of E. coli preceded by the phage promoter T5 (pT5-tdk), cloned in the Kpnl site, and the aad spectinomycin resistance cassette cloned between the BamHI and Sphl sites.
- the resistance cassette was framed with sequences homologous to the chromosome of E.
- coli in 5 ′ by the upstream region of the ATG initiation codon of the icd gene (350 base pairs), cloned between the EcoRI and BamHI sites, in 3 ′ by the sequence corresponding to nucleotides 603 to 1083 of the icd gene cloned between the Sphl and Notl sites. All the elements inserted into the plasmid pEVL497 to construct the plasmid pEVL194 were amplified by PCR from DNA templates and pairs of appropriate oligonucleotides by adding the cloning sites used.
- the plasmid pEVL194 was introduced by transformation into the strain of E. coli +755 which does not express thymidine kinase activity ( ⁇ tdk :: kani marker) and recombinant transformants selected on Muller Hinton medium (HD) in the presence of spectinomycin (20 ⁇ g / ml).
- ⁇ tdk thymidine kinase activity
- HD Muller Hinton medium
- the bacteria of a clone resistant to spectinomycin were cultured in HD medium supplemented with spectinomycin (20 ⁇ g / ml) and glutamic acid (1 mM) at 37 ° C. with stirring until an OD600 of 0.2.
- the bacteria contained in 10 ml of this culture were concentrated and spread on an MH dish supplemented with spectinomycin (20 ⁇ g / ml), glutamic acid (1 mM) and AZT (30 ⁇ M).
- the spec r AZT r clones obtained after incubation at 37 ° C. for 18 h, were tested for their sensitivity to chloramphenicol and for their phenotype of glutamic acid auxotrophy.
- the conformity of the deletion of the icd gene from Cm s glu "spec r bacteria was checked by PCR on chromosomal DNA using appropriate oligonucleotides.
- Acinetobacter ADP1 is a gram-negative, aerobic, non-spore-forming, non-pathogenic bacteria found in soil and water. It has the genetic arsenal for multiple metabolic pathways allowing it to use very diverse carbon sources.
- Acinetobacter ADP1 grows in a defined mineral environment with a single source of carbon and without additional growth factor. Cultivated under the same environmental conditions (mineral medium + glucose) and temperature (33-35 ° C), Acinetobacter ADP1 has a shorter generation time than Escherichia coli.
- competence for natural transformation active transport in cells of linear or circular DNA molecules
- high frequency of recombination events there are remarkable properties of competence for natural transformation (active transport in cells of linear or circular DNA molecules) and of high frequency of recombination events.
- Acinetobacter ADP1 does not have any of the enzymes of the nucleoside recovery pathways described in E. coli and does not express thymidine kinase activity.
- the use of the tdk gene as a marker gene in genetic manipulations of the Acinetobacter chromosome is therefore easy, without the need for prior construction.
- the tdk gene as a marker for selection of homologous recombination events in Acinetobacter ADP1 to obtain the deletion of the cysN gene, which codes for the sulfurylase activity essential for the assimilation of sulfur from sulfate.
- the cysN gene was replaced on the chromosome by a cassette, containing the two tandem genes tdk (thymidine kinase) and kan (gene for resistance to kanamycin), introduced by homologous recombination.
- Recombinant bacteria selected by their resistance to kanamycin, express the tdk gene and are therefore sensitive to AZT.
- the tdk-kan cassette was eliminated from the chromosome by a homologous recombination event selected by the restoration of resistance to AZT.
- the tdk-kan cassette was cloned into a derivative of the vector pUC18 as follows: the sequence of the E. coli tdk gene preceded by the bacteriophage T5 promoter was cloned into the EcoRI and Sacl sites and the resistance gene to kanamycin has been cloned into the PstI and Xbal sites (plasmid pEVL385).
- the tdk-kan cassette was amplified by PCR from plasmid pEVL385 using oligonucleotides 1130/1131.
- the sequence corresponding to the first 300 nucleotides and that corresponding to the last 300 nucleotides of the cysN gene were amplified by PCR respectively using the two pairs of oligonucleotides (1150/1151) and (1152/1153) on the chromosomal DNA d 'Acinetobacter ADP1.
- Primers 1151 and 1152 have at one of their ends 20 bases homologous to the ends of the tdk-kan cassette, which made it possible to combine the three fragments by recombinant PCR.
- the tdk-kan cassette was eliminated from the +2912 strain by a recombination event between the chromosome and a DNA fragment obtained by recombinant PCR amplification (primers 1150/1403, 1402/1153 then 1150/1153 ) having in tandem the first 300 and last 300 nucleotides of cysN.
- 15 ⁇ l of the purified PCR product Qiaquick, Qiagen
- the recombinant bacteria were selected on mineral medium + succinate + thiosulfate in the presence of AZT (800 ⁇ M).
- the cysN deletion and the elimination of the tdk-kan cassette were confirmed by PCR on the clones resistant to AZT.
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Abstract
Description
PROCEDES ET OUTILS POUR LA MODIFICATION CHROMOSOMIQUE DE BACTERIES METHODS AND TOOLS FOR CHROMOSOMIC MODIFICATION OF BACTERIA
La présente demande concerne des procédés et outils pour modifier le chromosome de bactéries. Elle concerne en particulier des méthodes pour modifier de manière ciblée le génome de bactéries, par exemple en inactivant ou en remplaçant un gène cible. Les méthodes et outils de l'invention reposent sur la recombinaison homologue et sur l'utilisation d'un système de sélection et de contre-sélection particulièrement efficace. L'invention est applicable à de multiples espèces de bactéries, permettant par exemple d'analyser la fonction de gènes, de créer de nouvelles voies métaboliques et/ou de cribler des banques de gènes.The present application relates to methods and tools for modifying the chromosome of bacteria. It relates in particular to methods for targeted modification of the genome of bacteria, for example by inactivating or replacing a target gene. The methods and tools of the invention are based on homologous recombination and on the use of a particularly efficient selection and counter-selection system. The invention is applicable to multiple species of bacteria, making it possible, for example, to analyze the function of genes, to create new metabolic pathways and / or to screen gene banks.
L'accumulation des connaissances approfondies sur le métabolisme et la génétique de l'organisme bactérien Escherichia coli a été accompagnée et soutenue par l'élaboration de protocoles de manipulation du chromosome patiemment améliorés et optimisés. La plupart de ces protocoles sont basés sur les propriétés de recombinaison entre séquences homologues ; elles permettent de générer des délétions de gènes, d'intégrer des séquences hétérologues, d'échanger des allèles, etc. Bien que parfaitement maîtrisés dans les laboratoires de génétique, ces protocoles demandent du temps, offrent souvent un rendement décevant et présentent certaines limitations.The accumulation of in-depth knowledge on the metabolism and genetics of the bacterial organism Escherichia coli has been accompanied and supported by the development of patiently improved and optimized chromosome manipulation protocols. Most of these protocols are based on the properties of recombination between homologous sequences; they make it possible to generate deletions of genes, to integrate heterologous sequences, to exchange alleles, etc. Although perfectly mastered in genetic laboratories, these protocols take time, often offer disappointing performance and have certain limitations.
Les protocoles couramment utilisés pour obtenir la délétion d'un gène sont basés sur la possibilité de recombinaison homologue entre un brin d'ADN linéaire et le chromosome, dans une souche dont les propriétés de recombinaison sont altérées (souches recB recC sbcB). La sélection de l'événement de recombinaison est assurée par l'insertion en général d'une cassette de résistance à un antibiotique entre les séquences recombinantes, parfois par un marqueur métabolique permettant l'assimilation d'une nouvelle source nutritive, ou encore par l'introduction d'un marqueur conférant une coloration ou une fluorescence à la bactérie détectée par des moyens appropriés. L'accumulation de délétions multiples dans une même souche est limitée par le nombre de gènes de résistance disponibles. L'échange d'un allèle sauvage par un allèle modifié peut requérir une première étape d'intégration dans le chromosome d'une construction circulaire (plasmide) portant une séquence homologue, qui entraîne la présence sur le chromosome des deux allèles. Ce premier événement est sélectionné par l'intégration dans la construction d'une cassette de résistance à un antibiotique. L'échange allèlique est réalisé après un second événement de recombinaison entre les deux séquences homologues, qui élimine les séquences non homologues, dont la cassette de résistance. Le nouvel allèle doit être en conséquence sélectionnable directement.The protocols commonly used to obtain the deletion of a gene are based on the possibility of homologous recombination between a linear DNA strand and the chromosome, in a strain whose recombination properties are altered (recB recC sbcB strains). The selection of the recombination event is ensured by the general insertion of an antibiotic resistance cassette between the recombinant sequences, sometimes by a metabolic marker allowing the assimilation of a new nutritive source, or even by the introduction of a marker conferring a coloration or a fluorescence on the bacteria detected by suitable means. The accumulation of multiple deletions in the same strain is limited by the number of resistance genes available. The exchange of a wild allele by a modified allele may require a first step of integration into the chromosome of a circular construction (plasmid) carrying a homologous sequence, which results in the presence on the chromosome of the two alleles. This first event is selected by the integration into the construction of an antibiotic resistance cassette. Allele exchange takes place after a second recombination event between the two homologous sequences, which eliminates non-homologous sequences, including the resistance cassette. The new allele must therefore be directly selectable.
Une méthode de recombinaison homologue chez E. coli a été décrite par Link (J. Bacteriol. 1997, 179:6228-6237). Cette méthode décrit l'utilisation d'un marqueur de sélection positive et d'un marqueur de sélection négative, le gène sacB. Bien que cette méthode améliore significativement l'état de l'art, les auteurs constatent néanmoins que le marqueur de sélection négative n'est pas absolu et peut conduire dans certains cas à l'isolement de clones non conformes à ce qui est attendu.A homologous recombination method in E. coli has been described by Link (J. Bacteriol. 1997, 179: 6228-6237). This method describes the use of a positive selection marker and a negative selection marker, the sacB gene. Although this method significantly improves the state of the art, the authors nevertheless note that the negative selection marker is not absolute and can lead in certain cases to the isolation of clones not conforming to what is expected.
Les contraintes et limitations de ces protocoles exigent la mise au point de méthodes applicables à priori à tous les gènes et permettant la sélection positive d'événements de recombinaisons rares ainsi que la sélection directe de l'excision du gène marqueur.The constraints and limitations of these protocols require the development of methods applicable a priori to all genes and allowing the positive selection of rare recombination events as well as the direct selection of excision of the marker gene.
Par ailleurs, le développement des programmes d'exploration des génomes qui ouvre l'accès à un nombre chaque jour plus large d'organismes, acclimatés au laboratoire et dont les séquences génomiques sont entièrement connues, réclame des méthodes transposables d'un organisme à un autre.In addition, the development of genome exploration programs which opens access to a larger number of organisms every day, acclimatized in the laboratory and whose genomic sequences are fully known, requires methods that can be transposed from an organism to a other.
La présente invention fournit des méthodes de recombinaison tout à fait fiables et susceptibles d'être utilisées de façon automatisée. La sélection négative utilisée est basée sur la létalité conditionnelle induite par la thymidine kinase en présence d'un analogue de nucléoside. Un des avantages de ce marqueur tdk est qu'il peut aussi être un marqueur de sélection positive en présence de certains toxiques. La fonctionnalité de l'insertion chromosomique du gène tdk peut donc être vérifiée avant de procéder à la contre-sélection liée à ce même gène. La présente demande de brevet décrit notamment l'utilisation du gène tdk, codant pour une activité thymidine kinase et dont le produit de traduction phosphoryle des analogues de nucléosides tels Pazidothymidine, comme gène marqueur pour la sélection d'un événement de recombinaison génétique (crible positif) chez les bactéries, et dont la perte est sélectionnable directement par la résistance des bactéries à l'analogue de nucléoside (crible négatif). Cette méthode a été mise au point et validée dans différentes espèces de bactéries, notamment dans E. coli et dans Acinetobacter ADP1.The present invention provides entirely reliable recombination methods which can be used in an automated manner. The negative selection used is based on the conditional lethality induced by thymidine kinase in the presence of a nucleoside analog. One of the advantages of this tdk marker is that it can also be a positive selection marker in the presence of certain toxicants. The functionality of the chromosomal insertion of the tdk gene can therefore be verified before proceeding to the counter-selection linked to this same gene. The present patent application describes in particular the use of the tdk gene, coding for a thymidine kinase activity and whose translation product phosphorylates nucleoside analogs such as Pazidothymidine, as a marker gene for the selection of a genetic recombination event (positive screen ) in bacteria, and the loss of which is directly selectable by the resistance of the bacteria to the nucleoside analog (negative screen). This method has been developed and validated in different species of bacteria, in particular in E. coli and in Acinetobacter ADP1.
Un premier aspect de l'invention réside donc dans l'utilisation d'un gène codant une activité thymidine kinase comme marqueur de sélection d'événement de recombinaison chez les bactéries.A first aspect of the invention therefore resides in the use of a gene encoding a thymidine kinase activity as a marker for selection of recombination event in bacteria.
Un autre objet de l'invention concerne une méthode pour altérer de manière ciblée le génome d'une bactérie par double recombinaison homologue, comprenant : a) l'introduction, dans une bactérie déficiente pour l'activité thymidine kinase, d'une construction génétique comprenant (i) au moins une région ayant une séquence homologue à un segment sélectionné du génome de la bactérie, dont l'altération est souhaitée, ladite région possédant une longueur suffisante pour permettre la recombinaison homologue, (ii) un marqueur positif de sélection et (iii) un marqueur négatif de contre-sélection comprenant un gène codant un polypeptide ayant une activité thymidine kinase, b) la culture des bactéries dans des conditions de sélection vis-à-vis du marqueur positif et la sélection des bactéries exprimant le marqueur positif inséré dans leur chromosome, et c) la culture de bactéries obtenues à l'étape b) en présence d'un analogue de nucléoside métabolisé par la thymidine kinase, et la sélection des bactéries capables de survie ou de croissance en présence de cet analogue, lesdites bactéries possédant un génome altéré. De manière préférée, le marqueur positif de sélection confère la résistance à un composé antibiotique et/ou le marqueur négatif de contre-sélection est un gène tdk conférant une toxicité à un analogue de nucléoside et/ou l'analogue de nucléoside est l'AZT. Dans un mode particulier de mise en œuvre, le marqueur positif de sélection et le marqueur négatif de contre-sélection sont un seul et unique gène. L'altération peut porter sur toute partie du génome de la bactérie, comme par exemple un gène d'intérêt. La bactérie peut être toute bactérie transformable par un acide nucléique in vitro, comme par exemple E. coli, Acinetobacter, Pseudomonas, Bacillus, Helicobacter, Synechocystis, Methanobacterium, Methanococcus, Streptococcus, Lactobacillus, Staphylococcus, Klebsiella, Xanthomonas, Agrobacterium, etc. De préférence, la construction génétique utilisée pour l'altération du génome ne se réplique dans la bactérie. Cette construction peut-être un fragment d'ADN circulaire ou linéaire.Another object of the invention relates to a method for targeted alteration of the genome of a bacterium by homologous double recombination, comprising: a) the introduction, into a bacterium deficient for thymidine kinase activity, of a genetic construction comprising (i) at least one region having a sequence homologous to a selected segment of the genome of the bacterium, the alteration of which is desired, said region having a length sufficient to allow homologous recombination, (ii) a positive selection marker and (iii) a negative counter-selection marker comprising a gene encoding a polypeptide having a thymidine kinase activity, b) the culture of the bacteria under conditions of selection with respect to the positive marker and the selection of the bacteria expressing the positive marker inserted into their chromosome, and c) the culture of bacteria obtained in step b) in the presence of a nucleoside analog metabolized by l a thymidine kinase, and the selection of bacteria capable of survival or growth in the presence of this analog, said bacteria having an altered genome. Preferably, the positive selection marker confers resistance to an antibiotic compound and / or the negative counter-selection marker is a tdk gene conferring toxicity on a nucleoside analog and / or the nucleoside analog is AZT . In a particular embodiment, the positive selection marker and the negative counter-selection marker are a single gene. The alteration can relate to any part of the genome of the bacteria, such as for example a gene of interest. The bacterium can be any bacterium transformable by a nucleic acid in vitro, such as for example E. coli, Acinetobacter, Pseudomonas, Bacillus, Helicobacter, Synechocystis, Methanobacterium, Methanococcus, Streptococcus, Lactobacillus, Staphylococcus, Klebsiella, Xanthomonas etc. Preferably, the genetic construct used for altering the genome does not replicate in the bacteria. This construction may be a circular or linear DNA fragment.
Un autre objet de l'invention concerne un produit comprenant : - une construction génétique comprenant (i) une région ayant une séquence homologue à un segment sélectionné du génome d'une bactérie dont l'altération est souhaitée, ladite région possédant une longueur suffisante pour permettre la recombinaison homologue, (ii) un marqueur positif de sélection et (iii) un marqueur négatif de contre-sélection comprenant un gène codant un polypeptide ayant une activité thymidine kinase ; et - un analogue de nucléoside métabolisé par cette thymidine kinase.Another subject of the invention relates to a product comprising: - a genetic construct comprising (i) a region having a sequence homologous to a selected segment of the genome of a bacterium whose alteration is desired, said region having a length sufficient for allow homologous recombination, (ii) a positive selection marker and (iii) a negative counter-selection marker comprising a gene encoding a polypeptide having thymidine kinase activity; and - a nucleoside analog metabolized by this thymidine kinase.
L'invention concerne également une construction génétique recombinante, constituée par (i) une région ayant une séquence homologue à un segment sélectionné du génome d'une bactérie dont l'altération est souhaitée, ladite région possédant une longueur suffisante pour permettre la recombinaison homologue, (ii) un marqueur positif de sélection conférant la résistance à un composé antibiotique et (iii) un marqueur négatif de contre-sélection comprenant un gène codant un polypeptide ayant une activité thymidine kinase.The invention also relates to a recombinant genetic construction, consisting of (i) a region having a sequence homologous to a selected segment of the genome of a bacterium whose alteration is desired, said region having a length sufficient to allow homologous recombination, (ii) a positive selection marker conferring resistance to an antibiotic compound and (iii) a negative counter-selection marker comprising a gene encoding a polypeptide having thymidine kinase activity.
L'invention concerne encore des méthodes pour altérer des voies métaboliques ou pour créer de nouvelles voies métaboliques chez les bactéries, comprenant l'altération, dans une bactérie, d'un gène impliqué dans une voie métabolique en utilisant une méthode décrite ci-avant.The invention further relates to methods for altering metabolic pathways or for creating new metabolic pathways in bacteria, including alteration, in a bacteria, a gene involved in a metabolic pathway using a method described above.
L'invention concerne encore des méthodes pour déterminer la fonction de gènes chez les bactéries, comprenant l'altération, dans une bactérie, d'un gène dont la fonction est à étudier, en utilisant une méthode décrite ci-avant, et l'analyse du phénotype de la bactérie ainsi obtenue. Au sens de l'invention, le phénotype désigne au sens large la morphologie, croissance, mobilité, division, l'expression de marqueurs de surface, la sécrétion de facteurs dans le milieu, la survie, etc.The invention also relates to methods for determining the function of genes in bacteria, comprising the alteration, in a bacterium, of a gene whose function is to be studied, using a method described above, and the analysis the phenotype of the bacteria thus obtained. Within the meaning of the invention, the phenotype broadly designates morphology, growth, mobility, division, the expression of surface markers, the secretion of factors in the environment, survival, etc.
L'invention est généralement applicable à la modification de tout gène ou région du génome de toute bactérie, est fiable et rapide, et fournit des nouveaux outils efficaces et puissants pour l'analyse génétique, la construction de génomes modifiés et la création de diversité génétique ou métabolique.The invention is generally applicable to the modification of any gene or region of the genome of any bacterium, is reliable and rapid, and provides new effective and powerful tools for genetic analysis, the construction of modified genomes and the creation of genetic diversity. or metabolic.
LEGENDE DES FIGURESLEGEND OF FIGURES
Figure 1 : Représentation schématique d'une construction génétique de l'invention et du protocole d'échange allèlique, appliqué au gène ileS de Pisoleucyl-fRNA synthétase de E.coli.Figure 1: Schematic representation of a genetic construction of the invention and the allelic exchange protocol, applied to the ileS gene of Pisoleucyl-fRNA synthetase from E. coli.
Figure 2 : Représentation schématique d'une construction génétique de l'invention et du protocole de remplacement de gène, appliqué au gène icd de l' isocitrate déhydrogénase de E.coli.Figure 2: Schematic representation of a genetic construction of the invention and the gene replacement protocol, applied to the icd gene of isocitrate dehydrogenase from E. coli.
Figure 3 : Représentation schématique d'une construction génétique de l'invention et du protocole de délétion de gène, appliqué au gène cysN de la sulfurylase d'Acinetobacter ADP1. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTIONFigure 3: Schematic representation of a genetic construction of the invention and the gene deletion protocol, applied to the cysN gene of Acinetobacter ADP1 sulfurylase. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Comme indiqué, l'invention porte sur des compositions et méthodes permettant de modifier le génome de bactéries de manière ciblée, par exemple pour inactiver un gène sélectionné. Les compositions et méthodes de l'invention reposent notamment sur la mise au point de constructions génétiques particulières et de gènes de sélection particuliers, assurant une grande efficacité et une application large de l'invention.As indicated, the invention relates to compositions and methods making it possible to modify the genome of bacteria in a targeted manner, for example to inactivate a selected gene. The compositions and methods of the invention are based in particular on the development of particular genetic constructs and particular selection genes, ensuring high efficiency and wide application of the invention.
Construction GénétiqueGenetic engineering
Le terme construction génétique désigne toute molécule recombinante d'acide nucléique. Il peut s'agir d'ADN simple-brin ou double-brin, de préférence double-brin, linéaire ou circulaire. La construction génétique peut être de type plasmide ou phage, ou un fragment d'ADN. Elle peut être construite par les techniques classiques de la biologie moléculaire, comprenant la ligation, le clonage, la synthèse artificielle, l'amplification, etc.The term genetic construction refers to any recombinant nucleic acid molecule. It can be single-stranded or double-stranded DNA, preferably double-stranded, linear or circular. The genetic construction can be of the plasmid or phage type, or a DNA fragment. It can be constructed by conventional techniques of molecular biology, including ligation, cloning, artificial synthesis, amplification, etc.
(i) Région d'Homologie(i) Region of Homology
La région d'homologie (i) est destinée à permettre l'insertion chromosomique ciblée de la construction génétique (ou d'une partie de celle-ci), par recombinaison homologue. Cette région comprend donc une séquence homologue à un segment sélectionné du génome de la bactérie (par exemple un gène ou une région régulatrice), dont l'altération est souhaitée, et elle possède une longueur suffisante pour permettre la recombinaison homologue.The region of homology (i) is intended to allow targeted chromosomal insertion of the genetic construction (or a part of it), by homologous recombination. This region therefore comprises a sequence homologous to a selected segment of the genome of the bacterium (for example a gene or a regulatory region), the alteration of which is desired, and it has a length sufficient to allow homologous recombination.
Le segment sélectionné du génome (et dont l'altération est souhaitée) peut être tout ou partie d'un gène (c'est-à-dire une région du génome codant pour un ARN ou une protéine), d'une région régulatrice (par exemple un promoteur, une terminateur, etc.), d'une région non caractérisée, etc. On peut citer par exemple un gène d'une voie de biosynthèse d'un métabolite, d'un antibiotique, d'un acide aminé, d'une vitamine, d'une enzyme, d'une protéine de la membrane ou de la paroi de la bactérie, d'un gène impliqué dans la virulence d'une bactérie, d'un gène impliqué dans un système transporteur présent dans une membrane de la bactérie, etc.The selected segment of the genome (and the alteration of which is desired) may be all or part of a gene (that is to say a region of the genome coding for an RNA or a protein), of a regulatory region ( e.g. promoter, terminator, etc.), from an uncharacterized region, etc. Mention may be made, for example, of a gene for a biosynthetic pathway of a metabolite, an antibiotic, an amino acid, a vitamin, an enzyme, a membrane or wall protein. bacteria, an involved gene in the virulence of a bacterium, a gene involved in a transporter system present in a membrane of the bacteria, etc.
L'altération peut consister par exemple en un échange allèlique (c'est-à-dire la substitution de tout ou partie d'un gène par une copie altérée de celui-ci), un remplacement de gène (c'est-à-dire le remplacement de tout ou partie d'un gène par un gène différent) ou une délétion de tout ou partie d'un segment du génome.The alteration can consist, for example, of an allelic exchange (that is to say the substitution of all or part of a gene by an altered copy of it), a replacement of a gene (i.e. say the replacement of all or part of a gene with a different gene) or a deletion of all or part of a segment of the genome.
La région d'homologie à un segment sélectionné du génome de la bactérie permet la recombinaison homologue au niveau de ce segment, et ainsi l'altération ciblée du génome. La région d'homologie doit être d'une longueur suffisante pour permettre la recombinaison homologue. Il est généralement admis qu'une région d'homologie de 30 bases au moins est suffisante chez les bactéries pour permettre la réalisation d'un événement de recombinaison. On préfère toutefois utiliser des régions d'homologies plus grandes, typiquement comprenant de 30 à 2000 bases, par exemple de 50 à 1000, typiquement de 80 à 800. Par ailleurs, le degré d'homologie doit être suffisant pour permettre la recombinaison homologue. De préférence, l'homologie (c'est-à-dire l'identité de séquence) est parfaite sur une portion au moins de la région d'homologie, ou au moins supérieure à 80%, de préférence à 85%, 90%, 95%, 97% ou 98%. Le degré d'homologie peut en effet affecter la sélectivité de la méthode et, surtout, son rendement. On préfère donc que les régions d'homologies présentent un degré d'identité élevé, de préférence supérieur à 95% avec le segment ciblé. Il est entendu que la longueur et la composition de la région d'homologie peuvent être ajustées par l'homme du métier, en fonction du type d'altération recherché, de la bactérie considérée, et du type de construction génétique.The region of homology to a selected segment of the genome of the bacterium allows homologous recombination at the level of this segment, and thus the targeted alteration of the genome. The region of homology must be of sufficient length to allow homologous recombination. It is generally accepted that a region of homology of at least 30 bases is sufficient in bacteria to allow the realization of a recombination event. However, it is preferred to use regions of larger homologies, typically comprising from 30 to 2000 bases, for example from 50 to 1000, typically from 80 to 800. Furthermore, the degree of homology must be sufficient to allow homologous recombination. Preferably, the homology (i.e. the sequence identity) is perfect over at least a portion of the region of homology, or at least greater than 80%, preferably 85%, 90% , 95%, 97% or 98%. The degree of homology can indeed affect the selectivity of the method and, above all, its yield. It is therefore preferred that the regions of homologies have a high degree of identity, preferably greater than 95% with the targeted segment. It is understood that the length and the composition of the region of homology can be adjusted by a person skilled in the art, depending on the type of alteration sought, the bacteria considered, and the type of genetic construction.
Ainsi, pour un échange allèlique, la région d'homologie comprend typiquement la séquence d'une copie altérée d'une partie au moins du gène dont la modification est recherchée. Cette copie altérée comprend de préférence deux régions d'homologie parfaite avec le gène cible, permettant la double recombinaison homologue, encadrant une région altérée du gène cible, par exemple portant une ou plusieurs mutation(s), délétion(s) et ou addition(s) d'un ou plusieurs résidus. Typiquement, l'altération du gène comprend une ou plusieurs mutations, ponctuelles ou non. Une mutation ponctuelle consiste en la substitution d'une base par une autre dans la séquence du gène (pouvant résulter en un changement de codon, par exemple résultant en un codon stop, non-sens, ou en un codon codant un acide aminé différent). Une mutation non ponctuelle consiste en la substitution de plusieurs bases consécutives dans la séquence du gène, pouvant résulter en un changement d'un ou plusieurs codons consécutifs. Une délétion consiste en la suppression d'une ou plusieurs bases, consécutives ou non, dans la séquence du gène. Cette délétion peut créer par exemple des codons stops ou non-sens, ou introduire un décalage du cadre de lecture. Des additions d'une ou plusieurs bases peuvent également être envisagées.Thus, for an allelic exchange, the region of homology typically comprises the sequence of an altered copy of at least part of the gene whose modification is sought. This altered copy preferably comprises two regions of perfect homology with the target gene, allowing double homologous recombination, framing an altered region of the target gene, for example carrying one or more mutation (s), deletion (s) and or addition ( s) one or more residues. Typically, gene alteration includes one or more mutations, occasional or not. A point mutation consists of the substitution of one base by another in the gene sequence (which can result in a codon change, for example resulting in a stop codon, nonsense, or in a codon coding a different amino acid) . A non-point mutation consists of the substitution of several consecutive bases in the gene sequence, which can result in a change of one or more consecutive codons. A deletion consists of the deletion of one or more bases, consecutive or not, in the gene sequence. This deletion can create stop or nonsense codons, for example, or introduce an offset in the reading frame. Additions of one or more bases can also be envisaged.
Dans le cas d'un remplacement (partiel ou total) ou d'une délétion (partielle ou totale) de gène, la région d'homologie se compose typiquement de deux sous-régions d'homologie ayant chacune une séquence homologue à un segment distinct du gène de la bactérie dont l'altération est souhaitée, et possédant chacune une longueur suffisante pour permettre la recombinaison homologue. Chacune de ces sous-régions est choisie de manière à encadrer la séquence du gène cible dont le remplacement ou la délétion est souhaité. Dans le cas d'un remplacement de gène, les deux sous-régions encadrent le marqueur positif de sélection (ii) ou tout autre acide nucléique qui sera inséré dans le gène cible, en remplacement de séquences du gène. Dans le cas d'une délétion de gène, les deux sous-régions encadrent un ensemble constitué du marqueur positif de sélection (ii) et du marqueur négatif de contre-sélection (iii).In the case of a replacement (partial or total) or a deletion (partial or total) of gene, the region of homology typically consists of two sub-regions of homology each having a sequence homologous to a distinct segment of the gene of the bacterium whose alteration is desired, and each having a length sufficient to allow homologous recombination. Each of these sub-regions is chosen so as to frame the sequence of the target gene whose replacement or deletion is desired. In the case of a gene replacement, the two sub-regions surround the positive selection marker (ii) or any other nucleic acid which will be inserted into the target gene, replacing the gene sequences. In the case of a gene deletion, the two sub-regions surround a set consisting of the positive selection marker (ii) and the negative counter-selection marker (iii).
La région d'homologie peut être définie à partir de la séquence du gène ou du segment ciblé dans le génome de la bactérie. Une fois que la région cible a été identifiée et que le type d'altération est déterminé, une région d'homologie (i) peut être préparée, typiquement par synthèse artificielle, ou par clonage et/ou amplification.The region of homology can be defined on the basis of the gene sequence or of the segment targeted in the genome of the bacterium. Once the target region has been identified and the type of alteration has been determined, a region of homology (i) can be prepared, typically by artificial synthesis, or by cloning and / or amplification.
(ii) Marqueur Positif(ii) Positive marker
Le marqueur positif de sélection (ii) peut être tout gène (c'est-à-dire tout acide nucléique) codant un produit ARN ou polypeptide conférant à la cellule bactérienne le contenant la résistance à un composé toxique. Il s'agit de préférence d'un gène codant un produit conférant la résistance à un antibiotique. A titre d'exemples non limitatifs, on peut citer le gène kan conférant la résistance à la kanamycine, le gène neo conférant la résistance à la néomycine, le gène cat conférant la résistance au chloramphénicol, le gène aad conférant la résistance à la spectinomycine, le gène StreptR, conférant la résistance à la streptomycine, le gène aac conférant la résistance à l'apramycine ou le gène tdk conférant la résistance au trimethoprime en présence de thymidine en milieu riche. Ce dernier marqueur positif de sélection et les conditions dans lesquelles il opère constituent un autre objet particulier de la présente invention. En effet, la présente demande propose d'utiliser un gène tdk à la fois comme marqueur positif et négatif, fournissant ainsi des constructions génétiques simplifiées.The positive selection marker (ii) can be any gene (that is to say any nucleic acid) encoding an RNA product or polypeptide conferring on the bacterial cell the containing resistance to a toxic compound. It is preferably a gene encoding a product conferring resistance to an antibiotic. By way of nonlimiting examples, mention may be made of the kan gene conferring resistance to kanamycin, the neo gene conferring resistance to neomycin, the cat gene conferring resistance to chloramphenicol, the aad gene conferring resistance to spectinomycin, the Strept R gene, conferring resistance to streptomycin, the aac gene conferring resistance to apramycin or the tdk gene conferring resistance to trimethoprime in the presence of thymidine in a rich medium. This last positive selection marker and the conditions under which it operates constitute another particular object of the present invention. Indeed, the present application proposes to use a tdk gene both as a positive and negative marker, thus providing simplified genetic constructions.
Le gène tdk codant pour l'activité thymidine kinase constitue chez E. coli, en présence de thymidine, un gène de résistance au trimethoprime. Le trimethoprime est un inhibiteur de la dihydrofolate réductase ; il provoque secondairement, par épuisement du stock intracellulaire de méthylène tétrahydrofolate (co-substrat avec le dUMP de la thymidilate synhthase), le blocage de la synthèse du thymidilate (dTMP) et entraîne la mort cellulaire par absence de la base T (« thyminless death »). Dans une souche de E. coli dont la fonction thymidilate synthase est déficiente (en présence de trimethoprime ou par inactivation du gène thyA), l'activité thymidine kinase permet la croissance cellulaire en présence de thymidine. En présence de trimethoprime, on procède à la sélection de bactéries résistantes en milieu riche de Muller Hinton (MH) additionné de thymidine. L'utilisation de tdk comme marqueur positif de sélection est applicable aux bactéries ayant une dihydrofolate réductase sensible au trimethoprime et une thymidilate synthase de type thyA.The tdk gene coding for thymidine kinase activity constitutes, in E. coli, in the presence of thymidine, a gene for resistance to trimethoprime. Trimethoprime is a dihydrofolate reductase inhibitor; it causes secondarily, by exhaustion of the intracellular stock of methylene tetrahydrofolate (co-substrate with the dUMP of thymidilate synhthase), the blocking of the synthesis of thymidilate (dTMP) and leads to cell death by absence of the base T ("thyminless death "). In an E. coli strain whose thymidilate synthase function is deficient (in the presence of trimethoprime or by inactivation of the thyA gene), the thymidine kinase activity allows cell growth in the presence of thymidine. In the presence of trimethoprime, the bacteria resistant to the rich medium of Muller Hinton (HD) supplemented with thymidine are selected. The use of tdk as a positive selection marker is applicable to bacteria having a trimethoprime-sensitive dihydrofolate reductase and a thyA-type thymidilate synthase.
Dans ce mode de réalisation particulier de l'invention, le marqueur positif de sélection (ii) et le marqueur négatif de contre-sélection (iii) sont représentés par un gène unique, codant un polypeptide à activité thymidine kinase, de préférence un gène tdk.In this particular embodiment of the invention, the positive selection marker (ii) and the negative counter-selection marker (iii) are represented by a single gene, encoding a polypeptide with thymidine kinase activity, preferably a tdk gene. .
Lorsque le marqueur positif de sélection est un marqueur conférant la résistance à un composé toxique (par exemple un antibiotique), l'étape b) de la méthode comprend la culture des bactéries en présence du composé toxique et la sélection des cellules capables de survie et/ou de croissance sur ce milieu. Les concentrations utilisées pour le composé toxiques sont des concentrations non toxiques pour les cellules exprimant la résistance, mais toxiques pour les cellules qui n'expriment pas le marqueur. Ces concentrations sont connues de homme du métier et peuvent être adaptées, le cas échéant, comme illustré dans les exemples.When the positive selection marker is a marker conferring resistance to a toxic compound (for example an antibiotic), step b) of the method comprises the culture of bacteria in the presence of the toxic compound and the selection of cells capable of survival and / or growth on this medium. The concentrations used for the toxic compound are concentrations which are not toxic to cells expressing resistance, but toxic to cells which do not express the marker. These concentrations are known to a person skilled in the art and can be adapted, if necessary, as illustrated in the examples.
Alternativement le marqueur positif de sélection peut-être un marqueur métabolique permettant l'assimilation d'une nouvelle source nutritive, ou encore un marqueur conférant une coloration ou une fluorescence ou tout autre caractère physique à la bactérie qui sera sélectionnée après détection par des moyens appropriés.Alternatively, the positive selection marker may be a metabolic marker allowing the assimilation of a new nutritive source, or even a marker conferring a coloration or a fluorescence or any other physical character on the bacteria which will be selected after detection by appropriate means. .
(iii) Marqueur Négatif(iii) Negative marker
Le marqueur négatif de contre-sélection (iii) comprend un gène codant une activité thymidine kinase. Un gène codant une activité thymidine kinase désigne toute molécule d'acide nucléique codant un polypeptide ayant une activité de type thymidine kinase fonctionnelle dans la bactérie considérée. Une activité de type thymidine kinase se caractérise principalement par la capacité de phosphoryler un analogue de nucléoside, tel l'azidothymidine (AZT), en la forme monophosphate correspondante, dans le cas de l'AZT en azidothymidine 5 phosphate (AZT-MP). La molécule d'acide nucléique peut être un ARN ou un ADN, typiquement un ADN recombinant (e.g., ADNc) comprenant une séquence nucléique codant le polypeptide thymidine kinase. Différentes thymidine kinases ont été décrites dans la littérature, comme par exemple les thymidines kinases bactériennes, virales (notamment du virus de l'herpès simplex) ou de mammifère (par exemple humaine, bovine, etc.). Le gène utilisé dans l'invention peut provenir de virus, de bactéries, d'archaebactéries, et d'eukaryotes tels que des champignons, plantes et animaux. Ce gène peut être un gène synthétique. Il peut s'agir d'une thymidine kinase de type sauvage, ou éventuellement modifiée dans sa structure pour améliorer ses propriétés, par exemple sa stabilité, son expression dans la bactérie, sa spécificité de substrat, son activité enzymatique, etc. De préférence, on utilise dans le cadre de la présente invention une thymidine kinase d'origine bactérienne, notamment provenant ou dérivée de E. coli, d'Haemophilus influenzae, de Streptococus gordonii (McNab, 1996, FEMS Microbiol Lett. 135:103-10) de l'homme (Wang, 2000, Biochem Pharmacol. 59:1583-8), du virus de l'herpès humain (Cazaux, 1998, Cancer Gène Ther. 5:83-91)The negative counter-selection marker (iii) comprises a gene coding for thymidine kinase activity. A gene coding for thymidine kinase activity designates any nucleic acid molecule coding for a polypeptide having a thymidine kinase type activity which is functional in the bacterium considered. Thymidine kinase activity is mainly characterized by the ability to phosphorylate a nucleoside analog, such as azidothymidine (AZT), into the corresponding monophosphate form, in the case of AZT into azidothymidine phosphate (AZT-MP). The nucleic acid molecule can be an RNA or a DNA, typically a recombinant DNA (eg, cDNA) comprising a nucleic sequence coding for the thymidine kinase polypeptide. Different thymidine kinases have been described in the literature, such as, for example, bacterial, viral (in particular the herpes simplex virus) or mammalian (for example human, bovine, etc.) thymidine kinases. The gene used in the invention can come from viruses, bacteria, archaebacteria, and eukaryotes such as fungi, plants and animals. This gene can be a synthetic gene. It can be a wild type thymidine kinase, or possibly modified in its structure to improve its properties, for example its stability, its expression in the bacteria, its substrate specificity, its enzymatic activity, etc. Preferably, in the context of the present invention, a thymidine kinase of bacterial origin is used, in particular originating from or derived from E. coli, from Haemophilus influenzae, from Streptococus gordonii (McNab, 1996, FEMS Microbiol Lett. 135: 103- 10) of humans (Wang, 2000, Biochem Pharmacol. 59: 1583-8), of the human herpes virus (Cazaux, 1998, Cancer Gene Ther. 5: 83-91)
De manière particulièrement préférée, le marqueur négatif de contre-sélection utilisé dans l'invention est un gène codant pour une protéine possédant une activité thymidine kinase (E. C. 2.7.1.21) et capable de catalyser la phosphorylation de l'azidothymidine (AZT) en azidothymidine 5 phosphate (AZT-MP), choisi préférentiellement parmi les gènes homologues au gène tdk de E. coli (Bockamp et al., Gène 1991, 101:9-14 ; Black, Mol. Microbiol. 1991, 5:373-379) ou au gène tdk de Haemophilus influenzae (Fleischmann, Science, 1995, 269:496-512). AgencementIn a particularly preferred manner, the negative counter-selection marker used in the invention is a gene coding for a protein having a thymidine kinase activity (EC 2.7.1.21) and capable of catalyzing the phosphorylation of azidothymidine (AZT) into azidothymidine 5 phosphate (AZT-MP), preferably chosen from genes homologous to the E. coli tdk gene (Bockamp et al., Gene 1991, 101: 9-14; Black, Mol. Microbiol. 1991, 5: 373-379) or the Haemophilus influenzae tdk gene (Fleischmann, Science, 1995, 269: 496-512). layout
Les gènes marqueurs (ii) et (iii) présents dans la construction génétique doivent pouvoir s'exprimer dans l'hôte bactérien dans lequel la recombinaison homologue est effectuée, pour permettre la synthèse d'un produit actif et fonctionnel. Pour améliorer l'expression de ces gènes, l'un ou les deux sont donc généralement placés, dans la construction génétique, sous contrôle d'un promoteur transcriptionnel fonctionnel dans l'hôte. Un promoteur, identique ou de préférence différent, peut être utilisé pour chacun des deux gènes marqueurs, ou un promoteur unique dirigeant l'expression des deux gènes marqueurs, sous forme d'une unité bicistronique. Le ou les promoteurs utilisés peuvent être constitutifs ou régulés, c'est-à-dire actifs (ou activés) ou inactifs (ou inactivés) en présence ou en l'absence d'une substance (e.g., inducteur, répresseur, etc.) ou d'une condition particulière (e.g., température, etc.).The marker genes (ii) and (iii) present in the genetic construction must be able to be expressed in the bacterial host in which the homologous recombination is carried out, to allow the synthesis of an active and functional product. To improve the expression of these genes, one or both are therefore generally placed, in the genetic construction, under the control of a functional transcriptional promoter in the host. A promoter, identical or preferably different, can be used for each of the two marker genes, or a single promoter directing the expression of the two marker genes, in the form of a bicistronic unit. The promoter (s) used can be constitutive or regulated, that is to say active (or activated) or inactive (or inactivated) in the presence or in the absence of a substance (eg, inducer, repressor, etc.) or a particular condition (eg, temperature, etc.).
De nombreux promoteurs fonctionnels dans les hôtes bactériens sont connus de l'homme du métier, et peuvent être utilisés dans le cadre de l'invention, comme par exemple le promoteur de l'opéron lactose (Plac), de l'opéron tryptophane, des promoteurs hybrides (par exemple Ptac) et/ou synthétiques, des promoteurs de phages (par exemple T5, T7), des promoteurs de gènes bactériens (par exemple ValS), etc.Many functional promoters in bacterial hosts are known to those skilled in the art, and can be used in the context of the invention, such as, for example, the promoter of the lactose operon (Plac), of the tryptophan operon, hybrid promoters (e.g. Ptac) and / or synthetic, phage promoters (e.g. T5, T7), promoters of bacterial genes (e.g. ValS), etc.
L'agencement des éléments (i) à (iii) dans la construction génétique peut être adapté par l'homme du métier, et dépend généralement du type d'altération choisi (échange allèlique, remplacement de gène, délétion, etc.). En général, le marqueur de sélection positif et le marqueur de sélection négatif peuvent être positionnés indifféremment en 5' ou en 3' l'un par rapport à l'autre, dans la même orientation transcriptionnelle ou dans une orientation opposée. Dans le cas d'un échange allèlique, l'ordre respectif des éléments (i) à (iii) n'est pas critique pour la méthode de l'invention. Ainsi, pour une construction circulaire, on peut utiliser un agencement 5'->3' (i)-(ii)-(iii) ; (iii)-(ii)-(i) ; etc. Dans le cas d'un remplacement (total ou partiel) de gène, la région d'homologie est généralement sub-divisée en deux portions encadrant le gène (ii), et le gène (iii) peut être situé en 5' ou en 3' de cet assemblage. Dans le cas d'une délétion (totale ou partielle) de gène, la région d'homologie est généralement sub-divisée en deux portions encadrant les gènes (ii) et (iii), qui peuvent être agencés dans un ordre indifférent.The arrangement of elements (i) to (iii) in the genetic construction can be adapted by a person skilled in the art, and generally depends on the type of alteration chosen (allelic exchange, gene replacement, deletion, etc.). In general, the positive selection marker and the negative selection marker can be positioned either 5 'or 3' relative to each other, in the same transcriptional orientation or in an opposite orientation. In the case of an allelic exchange, the respective order of elements (i) to (iii) is not critical for the method of the invention. Thus, for a circular construction, a 5 '-> 3' arrangement can be used (i) - (ii) - (iii); (iii) - (ii) - (i); etc. In the case of a gene replacement (total or partial), the region of homology is generally subdivided into two portions framing the gene (ii), and the gene (iii) can be located 5 ′ or 3 'of this assembly. In the case of a gene deletion (total or partial), the region of homology is generally subdivided into two portions framing the genes (ii) and (iii), which can be arranged in any order.
En plus des éléments mentionnés ci-dessus, la construction génétique peut, le cas échéant, comporter d'autres éléments, tels que une origine de réplication, des gènes marqueurs supplémentaires, etc. Lorsqu'elle contient une origine de réplication, celle-ci est de préférence conditionnelle (par exemple le réplicon de RK6) ou non-fonctionnelle dans la bactérie que l'on souhaite modifier. En effet, l'absence de réplication fonctionnelle limite la sélection positive aux événements d'insertion chromosomique par recombinaison homologue.In addition to the elements mentioned above, the genetic construction may, where appropriate, include other elements, such as an origin of replication, additional marker genes, etc. When it contains an origin of replication, it is preferably conditional (for example the replicon of RK6) or non-functional in the bacteria which it is desired to modify. Indeed, the absence of functional replication limits positive selection to chromosomal insertion events by homologous recombination.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, la construction génétique est un ADN circulaire, double-brin, par exemple un plasmide. Ce type de construction est particulièrement adapté pour les bactéries du genre E. coli. Elle peut être construite à partir de tout plasmide disponible dans le commerce, tels que les plasmides pBR322, pUC, pTL, pSH, etc. La taille globale du plasmide peut être adaptée par l'homme du métier pour être de préférence compatible avec la transformation de bactéries. Tout plasmide comportant les éléments (i) à (iii) décrits précédemment est compatible. Dans un autre mode de réalisation particulier de l'invention, la construction génétique est un ADN linéaire, de préférence double-brin. Un tel ADN linéaire peut être préparé in vitro par des techniques connues en soi, telles que synthèse artificielle, clonage, ligation et/ou amplification, etc. Dans une variante particulière de mise en œuvre, l' ADN linéaire est fabriqué in vitro par amplification simultanée d'un, de plusieurs, ou de l'ensemble des éléments (i) à (iii) en utilisant un mélange d'amorces oligonucléotidiques spécifiques et des matrices appropriées. De préférence, les matrices sont donc utilisées en mélange, et les amorces possèdent des séquences de recouvrement appropriées, permettant l'assemblage direct de la construction génétique comprenant les produits d'amplification (i), (ii) et/ou (iii). Cet aspect constitue un autre objet particulier de l'invention.In a particular embodiment of the invention, the genetic construction is a circular, double-stranded DNA, for example a plasmid. This type of construction is particularly suitable for bacteria of the genus E. coli. It can be constructed from any commercially available plasmid, such as plasmids pBR322, pUC, pTL, pSH, etc. The overall size of the plasmid can be adapted by a person skilled in the art to be preferably compatible with the transformation of bacteria. Any plasmid comprising the elements (i) to (iii) described above is compatible. In another particular embodiment of the invention, the genetic construction is a linear DNA, preferably double-stranded. Such linear DNA can be prepared in vitro by techniques known per se, such as artificial synthesis, cloning, ligation and / or amplification, etc. In a particular implementation variant, the linear DNA is produced in vitro by simultaneous amplification of one, several, or all of the elements (i) to (iii) using a mixture of specific oligonucleotide primers and appropriate matrices. Preferably, the templates are therefore used as a mixture, and the primers have appropriate covering sequences, allowing direct assembly of the genetic construction comprising the amplification products (i), (ii) and / or (iii). This aspect constitutes another particular object of the invention.
Bactéries et cultures :Bacteria and cultures:
Comme indiqué, les méthodes de l'invention sont applicables aux bactéries. Compte tenu du système de sélection utilisé, les bactéries mises en œuvre dans l'invention sont typiquement déficientes pour l'activité thymidine kinase, c'est-à-dire qu'elles ne sont pas sensibles à l'analogue de nucléoside utilisé. Typiquement, une telle bactérie n'exprime pas de protéine tdk endogène fonctionnelle ou ne l'exprime pas suffisamment pour conférer une sensibilité aux concentrations d'analogue de nucléoside utilisées. La bactérie peut être naturellement déficiente pour l'activité tdk, comme c'est le cas par exemple de bactéries du genre Acinetobacter, ou peut être rendue déficiente par inactivation du gène tdk endogène comme c'est le cas pour E. coli.As indicated, the methods of the invention are applicable to bacteria. Given the selection system used, the bacteria used in the invention are typically deficient in thymidine kinase activity, that is to say that they are not sensitive to the nucleoside analog used. Typically, such a bacterium does not express a functional endogenous tdk protein or does not express it sufficiently to confer sensitivity to the concentrations of nucleoside analog used. The bacterium can be naturally deficient for tdk activity, as is the case for example of bacteria of the genus Acinetobacter, or can be made deficient by inactivation of the endogenous tdk gene as is the case for E. coli.
Les bactéries utilisables pour l'invention peuvent être choisies parmi toute bactérie d'intérêt, qui soit transformable par un acide nucléique exogène. On peut mentionner notamment les bactéries cultivables telles que E. coli, Pseudomonas, Acinetobacter, Pseudomonas, Bacillus, Helicobacter, Synechocystis, Methanobacterium, Methanococcus, Streptococcus, Lactobacillus, Staphylococcus, Klebsiella, Xanthomonas, Agrobacterium, etc.. Ces bactéries peuvent être cultivées dans des conditions bien connues de l'homme du métier, comme par exemple dans des milieux définis ou des milieux riches tels les milieux LB (Luria Bertani) ou MH (Muller Hinton). Les cultures sont typiquement réalisées dans des boîtes, flasques, poches, tubes, etc., de préférence en condition stérile.The bacteria which can be used for the invention can be chosen from any bacterium of interest, which is transformable by an exogenous nucleic acid. Mention may in particular be made of cultivable bacteria such as E. coli, Pseudomonas, Acinetobacter, Pseudomonas, Bacillus, Helicobacter, Synechocystis, Methanobacterium, Methanococcus, Streptococcus, Lactobacillus, Staphylococcus, Klebsiella, Xanthomonas, Agrobacterium, etc. conditions well known to those skilled in the art, such as for example in defined media or rich media such as LB (Luria Bertani) or MH (Muller Hinton) media. Cultures are typically carried out in boxes, flasks, bags, tubes, etc., preferably in a sterile condition.
Dans un mode de mise en œuvre préféré, la bactérie est une souche de E. coli ou une souche Acinetobacter, de préférence Acinetobacter calcoaceticus (ADP 1).In a preferred embodiment, the bacterium is a strain of E. coli or an Acinetobacter strain, preferably Acinetobacter calcoaceticus (ADP 1).
La construction génétique peut être introduite dans la bactérie par toutes techniques connues de l'homme du métier, généralement rassemblées sous les désignations « transfection » ou « transformation ». Ainsi, la construction peut être introduite in vitro (c'est-à-dire en culture) par électroporation, transfert conjugatif, précipitation au phosphate de calcium, micro-injection, etc. L'introduction peut également être réalisée en utilisant des agents facilitant l'introduction d'acide nucléique dans les cellules procaryotes, tels que des lipides cationiques ou des liposomes, des peptides cationiques, des polymères, des phages, etc. Il n'est pas essentiel pour la méthode de l'invention que l'introduction des constructions soit réalisée avec une efficacité très élevée, dans la mesure où une sélection est ensuite appliquée.The genetic construction can be introduced into the bacterium by any technique known to a person skilled in the art, generally gathered under the designations "transfection" or "transformation". Thus, the construction can be introduced in vitro (that is to say in culture) by electroporation, conjugative transfer, precipitation with calcium phosphate, micro-injection, etc. The introduction can also be carried out using agents which facilitate the introduction of nucleic acid into prokaryotic cells, such as cationic lipids or liposomes, cationic peptides, polymers, phages, etc. It is not essential for the method of the invention that the introduction of the constructions is carried out with very high efficiency, insofar as a selection is then applied.
Après l'étape d'introduction, la seconde étape de la méthode a pour objectif de sélectionner l'insertion chromosomique, c'est-à-dire les cellules ayant intégré la construction génétique (ou une partie de celle-ci) dans leur génome. Cette sélection est généralement réalisée sur la base de l'expression du marqueur de sélection positif, c'est- à-dire, selon le type de marqueur positif, la résistance de la cellule à un composé toxique (par exemple un antibiotique), la capacité d'utiliser une source nutritive particulière, l'expression d'un marquage, etc. Pour cela, les bactéries sont cultivées dans des conditions de sélection vis-à-vis du marqueur positif, c'est à dire en présence du composé toxique, de la source nutritive, etc. et les cellules exprimant le marqueur de sélection sont sélectionnées. Dans le cas d'un marqueur de sélection conférant la résistance à un composé toxique (notamment un antibiotique), les cellules sont cultivées en présence du composé et sélectionnées sur la base de leur capacité de survie et/ou de croissance dans ce milieu de sélection. Dans la mesure où la construction génétique n'est pas capable de réplication autonome efficace dans la bactérie hôte, les cellules ainsi sélectionnées résultent bien d'une insertion chromosomique. La troisième étape de la méthode a généralement pour objectif d'exciser du génome de la bactérie les régions de la construction génétique non-essentielles à la modification recherchée. En particulier, dans le cas d'un échange allèlique ou d'une délétion, il est important de pouvoir éliminer du génome des cellules la séquence des gènes marqueurs. Dans le cas d'un remplacement de gène, il est également souhaitable d'éliminer les séquences autres que le marqueur positif. Pour ce faire, l'invention repose sur l'utilisation du marqueur de sélection négatif particulier, la thymidine kinase. L'invention montre en effet que ce marqueur est fonctionnel dans les bactéries et particulièrement efficace pour la sélection de cet événement d'excision. Puisque le marqueur négatif de contre-sélection utilisé rend les cellules qui le contiennent et qui l'expriment sensibles à des analogues de nucléosides, notamment l'AZT, tandis que ces mêmes cellules, qui ne contiennent pas ce gène, sont résistantes à l'AZT, la culture des cellules en présence de l'analogue permet de sélectionner les cellules ayant perdu le marqueur négatif de contre-sélection.After the introduction step, the second step of the method aims to select the chromosomal insertion, that is to say the cells that have integrated the genetic construction (or a part of it) in their genome . This selection is generally carried out on the basis of the expression of the positive selection marker, that is to say, depending on the type of positive marker, the resistance of the cell to a toxic compound (for example an antibiotic), the ability to use a particular nutrient source, expression of a marking, etc. For this, the bacteria are cultivated under conditions of selection with respect to the positive marker, that is to say in the presence of the toxic compound, the nutritive source, etc. and the cells expressing the selection marker are selected. In the case of a selection marker conferring resistance to a toxic compound (in particular an antibiotic), the cells are cultured in the presence of the compound and selected on the basis of their capacity for survival and / or growth in this selection medium . Insofar as the genetic construction is not capable of efficient autonomous replication in the host bacterium, the cells thus selected result indeed from chromosomal insertion. The third step of the method generally aims to excise from the genome of the bacteria the regions of the genetic construction which are not essential to the desired modification. In particular, in the case of an allelic exchange or a deletion, it is important to be able to eliminate the sequence of marker genes from the cell genome. In the case of gene replacement, it is also desirable to eliminate the sequences other than the positive marker. To do this, the invention is based on the use of the particular negative selection marker, thymidine kinase. The invention indeed shows that this marker is functional in bacteria and particularly effective for the selection of this excision event. Since the negative counter-selection marker used makes the cells which contain it and which express it sensitive to nucleoside analogues, in particular AZT, while these same cells, which do not contain this gene, are resistant to AZT, cell culture in the presence of the analog makes it possible to select the cells having lost the negative counter-selection marker.
Préférentiellement, l'analogue de nucléoside est l'AZT. Néanmoins, d'autres analogues peuvent être envisagés, tels que le gancyclovir (GCV), l'acyclovir, les dideoxynucléosides tels que la didéoxythymidine (ddT), la didéoxyinosine (ddl), la stavudine (d4T) etc. La toxicité de l'AZT et de ces autres analogues s'exerce principalement après leur transformation en dérivés triphosphates par le blocage de la réplication de l'ADN. Il est établi que l'AZT-triphosphate est substrat des ADN polymérases. Il est produit chez E. coli à partir de l'AZT par trois étapes de phosphorylation successives : par la thymidine kinase (tdk), la thymidilate kinase (tmk) et la nucléoside diphosphate kinase (ndp). L'utilisation de l'AZT comme composé de contre-sélection conditionnelle dans d'autres organismes que E. coli exige que ces trois étapes de phosphorylation aient effectivement lieu. Il est toujours possible pour des organismes dépourvus de l'activité tmk sur l'AZT-phosphate et/ou ndk sur l'AZT- diphosphate, d'intégrer sur le chromosome ou d'apporter en trans un élément comportant le gène tmk et/ou le gène ndk de E. coli par exemple, afin de remplir les conditions permettant la contre-sélection du gène tdk dans les étapes de recombinaisons homologues. Dans l'étape c) des méthodes de l'invention, les cellules sont donc cultivées en présence de l'analogue de nucléoside, à une concentration et pendant une période de temps suffisantes pour éliminer les cellules contenant et exprimant la thymidine kinase fonctionnelle. Cette culture peut être effectuée sous pression de sélection pour le marqueur positif de sélection (c'est-à-dire par exemple en présence du composé antibiotique lorsque le marqueur positif de sélection est un marqueur de résistance à un antibiotique) ou, en variante, sans pression de sélection pour le marqueur positif de sélection (c'est-à-dire par exemple en absence du composé antibiotique lorsque le marqueur positif de sélection est un marqueur de résistance à un antibiotique).Preferably, the nucleoside analog is AZT. However, other analogs can be considered, such as gancyclovir (GCV), acyclovir, dideoxynucleosides such as dideoxythymidine (ddT), dideoxyinosine (ddl), stavudine (d4T) etc. The toxicity of AZT and these other analogues is exerted mainly after their transformation into triphosphate derivatives by blocking the replication of DNA. AZT-triphosphate is a substrate for DNA polymerases. It is produced in E. coli from AZT by three successive phosphorylation stages: by thymidine kinase (tdk), thymidilate kinase (tmk) and nucleoside diphosphate kinase (ndp). The use of AZT as a conditional counter-selection compound in organisms other than E. coli requires that these three stages of phosphorylation actually take place. It is always possible for organisms lacking tmk activity on AZT-phosphate and / or ndk on AZT-diphosphate, to integrate on the chromosome or to provide in trans an element comprising the tmk gene and / or the E. coli ndk gene for example, in order to fulfill the conditions allowing the counter-selection of the tdk gene in the stages of homologous recombinations. In step c) of the methods of the invention, the cells are therefore cultured in the presence of the nucleoside analog, at a concentration and for a period of time sufficient to eliminate the cells containing and expressing the functional thymidine kinase. This culture can be carried out under selection pressure for the positive selection marker (that is to say for example in the presence of the antibiotic compound when the positive selection marker is an antibiotic resistance marker) or, alternatively, without selection pressure for the positive selection marker (that is to say for example in the absence of the antibiotic compound when the positive selection marker is an antibiotic resistance marker).
La capacité des cellules à pousser ou survivre en présence de l'analogue de nucléoside peut être vérifiée par toute technique connue de l'homme du métier, notamment comptage des cellules, observation morphologique, coloration au bleu trypan, etc.The ability of cells to grow or survive in the presence of the nucleoside analog can be verified by any technique known to those skilled in the art, including cell counting, morphological observation, trypan blue staining, etc.
Alternativement, l'échange d'un allèle sauvage par un allèle modifié ou la délétion de tout ou partie d'une région chromosomique (notamment d'un gène) peut requérir une première étape d'intégration dans le chromosome d'une première construction linéaire portant une cassette contenant les marqueurs positif de sélection et négatif de contre- sélection encadrés par deux régions d'homologie à des segments extrêmes (c'est-à-dire situés dans les régions 5' et 3') de l'allèle sauvage ou de la région à déléter, qui entraîne la présence sur le chromosome de l'allèle interrompu par la cassette. Ce premier événement est sélectionné par la résistance à un antibiotique apportée par la cassette intégrée. L'échange allèlique est réalisé après une seconde étape d'intégration dans le chromosome d'une seconde construction linéaire portant l'allèle modifié ou délété. Ce second événement est sélectionné par la résistance au pro-toxique (l'analogue de nucléoside) activé par le marqueur négatif de contre-sélection.Alternatively, the exchange of a wild allele by a modified allele or the deletion of all or part of a chromosome region (in particular of a gene) may require a first step of integration into the chromosome of a first linear construction carrying a cassette containing the positive selection and negative counter-selection markers framed by two regions of homology to extreme segments (that is to say located in the 5 'and 3' regions) of the wild-type or of the region to be deleted, which causes the presence on the chromosome of the allele interrupted by the cassette. This first event is selected by the resistance to an antibiotic brought by the integrated cassette. The allelic exchange is carried out after a second stage of integration into the chromosome of a second linear construction carrying the modified or deleted allele. This second event is selected by resistance to the pro-toxic (the nucleoside analog) activated by the negative counter-selection marker.
Dans un mode de réalisation particulier, la méthode de l'invention permet la réalisation d'un échange d' allèle ou une délétion d'une partie au moins d'un gène, et comprend : a) l'introduction, dans une bactérie déficiente pour l'activité thymidine kinase, d'un ADN linéaire comprenant un marqueur positif de sélection (ii) et un marqueur négatif de contre-sélection (iii) comprenant un gène codant un polypeptide ayant une activité thymidine kinase, l'ensemble constitué de (ii) et (iii) étant encadré par deux régions d'homologie à des segments extrêmes du gène à modifier ou à déléter, lesdites régions d'homologie possédant une longueur suffisante pour permettre la recombinaison homologue ; b) la culture des bactéries dans des conditions de sélection vis-à-vis du marqueur positif et la sélection des bactéries exprimant le marqueur positif, lesdites bactéries comprenant le marqueur positif inséré dans leur chromosome, et c) la culture de bactéries obtenues à l'étape b) en présence d'un analogue de nucléoside métabolisé par la thymidine kinase et d'un second ADN linéaire comportant l'allèle modifié ou délété du gène, et la sélection des bactéries capables de survie ou de croissance en présence de cet analogue, lesdites bactéries possédant un génome altéré.In a particular embodiment, the method of the invention allows the carrying out of an allele exchange or a deletion of at least part of a gene, and comprises: a) the introduction, into a deficient bacterium for thymidine kinase activity, a linear DNA comprising a positive selection marker (ii) and a negative counter-selection marker (iii) comprising a gene coding for a polypeptide having thymidine kinase activity, the assembly consisting of (ii) and (iii) being framed by two regions of homology to extreme segments of the gene to be modified or deleting, said regions of homology having a length sufficient to allow homologous recombination; b) the culture of the bacteria under selection conditions with respect to the positive marker and the selection of the bacteria expressing the positive marker, said bacteria comprising the positive marker inserted into their chromosome, and c) the culture of bacteria obtained with the step b) in the presence of a nucleoside analogue metabolized by thymidine kinase and a second linear DNA comprising the modified or deleted allele of the gene, and the selection of bacteria capable of survival or growth in the presence of this analogue , said bacteria having an altered genome.
Dans ce mode de mise en œuvre, la modification est réalisée en deux temps, tout d'abord par l'insertion, par double recombinaison homologue, d'une première construction, qui est ensuite échangée avec une seconde construction portant la modification souhaitée.In this mode of implementation, the modification is carried out in two stages, firstly by the insertion, by double homologous recombination, of a first construction, which is then exchanged with a second construction carrying the desired modification.
A l'issue de cette étape de sélection c), les cellules obtenues possèdent une modification de leur génome, ciblée au niveau de la région d'intérêt. La modification peut être contrôlée par toute technique connue, notamment PCR, hybridation in situ, etc. Les bactéries obtenues peuvent être utilisées pour l'analyse phénotypique, l'expression de protéines ou autres produits d'intérêt, la fabrication de métabolites, etc.At the end of this selection step c), the cells obtained have a modification of their genome, targeted at the level of the region of interest. The modification can be controlled by any known technique, in particular PCR, in situ hybridization, etc. The bacteria obtained can be used for phenotypic analysis, the expression of proteins or other products of interest, the production of metabolites, etc.
La méthode selon la présente demande est particulièrement avantageuse dans la mesure où elle est efficace, ne génère pas de faux positifs, et est applicable à une large panoplie de bactéries et de gènes cibles. Les exemples qui suivent servent à illustrer la méthode de l'invention, sans en limiter la portée. Le contenu de toutes les publications, brevets et demandes de brevets cités dans la présente description et dans les exemples est incorporé à la présente par référence. Exemple 1. Echange allèlique au locus ileS d'E. coli codant pour l'isoleucyl-tRNA synthétase.The method according to the present application is particularly advantageous insofar as it is effective, does not generate false positives, and is applicable to a wide range of bacteria and target genes. The examples which follow serve to illustrate the method of the invention, without limiting its scope. The content of all publications, patents and patent applications cited in this description and in the examples is incorporated herein by reference. Example 1. Allelic exchange at the IS island locus. coli coding for isoleucyl-tRNA synthetase.
La technique basée sur l'utilisation de la thymidine kinase comme marqueur génétique pour la sélection d'échanges alléliques a été appliquée au gène ileS de l'isoleucyl-tRNA synthétase IleRS. Cette enzyme catalyse la formation de la liaison covalente entre la L- isoleucine et son ARN de transfert spécifique, le tRNAile. Le site actif de l'IleRS est capable d'activer des acides aminés isostériques avec la L-isoleucine, comme la L- valine, et de les charger sur le tRNAile. Afin d' éviter l'accumulation de protéines défectueuses dans la cellule, les tRNAile portant un acide aminé autre que l'isoleucine sont reconnus par un second site actif de l'enzyme (site de correction ou d'editing) qui hydrolyse la liaison aminoacyl erronée.The technique based on the use of thymidine kinase as a genetic marker for the selection of allelic exchanges was applied to the ileS gene of the isoleucyl-tRNA synthetase IleRS. This enzyme catalyzes the formation of the covalent bond between L-isoleucine and its specific transfer RNA, tRNAile. The active site of IleRS is capable of activating isosteric amino acids with L-isoleucine, such as L-valine, and of loading them on tRNAile. In order to avoid the accumulation of defective proteins in the cell, tRNAiles carrying an amino acid other than isoleucine are recognized by a second active site of the enzyme (correction or editing site) which hydrolyzes the aminoacyl bond wrong.
Afin d'étudier les effets sur la viabilité des cellules bactériennes d'un taux d'erreur élevé lors de la biosynthèse des protéines, un allèle du gène ileS d'E. coli codant pour une synthétase défective dans sa capacité d'editing a été construit en remplaçant les acides aminés 241 à 250 par une série d'alanines (allèle ileSalall, plasmide pTLH33). Cet allèle muté a été intégré dans une construction plasmidique devant permettre son échange avec l'allèle chromosomique ileS. La construction de ce plasmide, pSH102, comprenait les étapes suivantes : Le gène tdk et la séquence promotrice du gène valS ont été amplifiés à partir de l'ADN chromosomique d'Haemophilus influenzae ; les paires d'oligonucléotides respectivement utilisées comme amorces dans les réactions d'amplification de ces séquences sont d'une part : tdkl.3 (5' CCCGTCGACTTAAATTTGACCGCACTTTTCTTTA : SEQ ID NO : 1) et tdkl .5 (5' ATGGCGAAACTCTACTTCTATTAC : SEQ ID NO : 2) pour le gène tdk, et d'autre part,To study the effects on bacterial cell viability of a high error rate during protein biosynthesis, an allele of the ileS gene of E. coli coding for a defective synthetase in its editing capacity was constructed by replacing amino acids 241 to 250 with a series of alanines (ileSalall allele, plasmid pTLH33). This mutated allele was integrated into a plasmid construct which should allow its exchange with the ileS chromosomal allele. The construction of this plasmid, pSH102, included the following steps: The tdk gene and the promoter sequence of the valS gene were amplified from the chromosomal DNA of Haemophilus influenzae; the pairs of oligonucleotides respectively used as primers in the amplification reactions of these sequences are on the one hand: tdkl.3 (5 'CCCGTCGACTTAAATTTGACCGCACTTTTCTTTA: SEQ ID NO: 1) and tdkl .5 (5' ATGGCGAAACTCTACTTCTATTAC: SEQ ID NO : 2) for the tdk gene, and secondly,
ValS 1.5 (5' CCCCTCGAGGATAAAGGTTATCATGTTG : SEQ ID NO : 3) et ValS 1.3 (5' TAGAGTTTCGCCATTTATTTTTTCTCTTTATTATAA : SEQ ID NO : 4) pour la séquence promotrice du gène valS. Les fragments d'ADN obtenus à l'étape précédente ont été rassemblés par PCR avec les oligonucléotides tdkl.3 et ValS 1.5 (décrits ci-dessus) formant ainsi la cassette Pra/SHi^Hi Cette cassette a été clonée dans le site Xhol du vecteur pEVL497 après digestion avec Xhol et Sali (plasmide pSH93). Le vecteur pEVL497 porte le gène cat qui confère la résistance au chloramphénicol et le réplicon conditionnel du plasmide R6K qui nécessite l'expression de la protéine Pi pour se maintenir et se propager dans les cellules (souche BW19610). Le gène ileSalal l a été inséré dans le plasmide pSH93 entre les sites EcoRI et Xmal, donnant ainsi le plasmide pSH102. Le plasmide pSH102 a été introduit par transformation dans la souche d'E. coli +755 dont le gène tdk codant pour l'activité thymidine kinase est délété (marqueur Δtdk ::kanr) ; des transformants ont été sélectionnés sur milieu Mϋller Hinton (MH) en présence de chloramphénicol (20μg/ml). La souche +755 n'exprimant pas la protéine Pi, les colonies résistantes au chloramphénicol (Cm1) portent le plasmide pSH102 intégré dans leur chromosome par recombinaison homologue au locus ileS. Ces clones Cmr ont été cultivés en milieu MH sans antibiotique pour permettre le second événement de recombinaison homologue. Les clones doubles recombinants ont été sélectionnés sur boites MH en présence d'AZTValS 1.5 (5 'CCCCTCGAGGATAAAGGTTATCATGTTG: SEQ ID NO: 3) and ValS 1.3 (5' TAGAGTTTCGCCATTTATTTTTTCTCTTTATTATAA: SEQ ID NO: 4) for the promoter sequence of the valS gene. The DNA fragments obtained in the previous step were pooled by PCR with the oligonucleotides tdkl.3 and ValS 1.5 (described above) thus forming the Pra / S cassette H i ^ H i This cassette was cloned into the Xhol site of the vector pEVL497 after digestion with Xhol and Sali (plasmid pSH93). The vector pEVL497 carries the cat gene which confers resistance to chloramphenicol and the conditional replicon of the plasmid R6K which requires the expression of the protein Pi to maintain and propagate in cells (strain BW19610). The ileSalal 1a gene was inserted into the plasmid pSH93 between the EcoRI and Xmal sites, thus giving the plasmid pSH102. The plasmid pSH102 was introduced by transformation into the strain of E. coli +755 whose tdk gene coding for thymidine kinase activity is deleted (Δtdk :: kan r marker); transformants were selected on Mϋller Hinton medium (MH) in the presence of chloramphenicol (20 μg / ml). The +755 strain does not express the Pi protein, the colonies resistant to chloramphenicol (Cm 1 ) carry the plasmid pSH102 integrated into their chromosome by homologous recombination at the ileS locus. These Cm r clones were cultured in HD medium without antibiotics to allow the second homologous recombination event. The recombinant double clones were selected on HD boxes in the presence of AZT
(30μM). Les clones résistants à l'AZT (AZT1") ont été testés pour leur sensibilité au chloramphénicol. Afin de distinguer parmi les clones AZTr Cms ceux qui portent l'allèle muté ileSalal 1 et ceux qui ont conservé l'allèle sauvage ileS, la sensibilité à la norvaline des doubles recombinants a été testée. La sensibilité à la norvaline indique la présence d'un allèle ileS dont l'editing est déficient. L'ADN chromosomique des clones sensibles à la norvaline a été extrait pour effectuer des amplifications d'ADN par PCR avec les deux paires d'oligonucléotides suivantes : la paire Ile3 (5' CGCCGCCGCCGCCGCCGCCGCCGC : SEQ ID NO : 5) et Ile4 (5' GATTGCGCGTGATGAATTAACC : SEQ ID NO : 6), et la paire Ile2 (5' GTTGGCAGGCAGAGTCCACGGC : SEQ ID NO : 7) et Ile4 (5' GATTGCGCGTGATGAATTAACC : SEQ ID NO : 6). Les résultats de ces amplifications par PCR, à savoir la détection d'un fragment amplifié avec la paire Ile3 et Ile4 d'une part, et l'absence d'un fragment amplifié avec la paire Ile2 et Ile4 d'autre part, ont permis de vérifier que, dans les quatre souches qui avaient été obtenues, le gène ileSalall était inséré à la place du gène ileSwt sur le chromosome.(30 .mu.m). The clones resistant to AZT (AZT 1 " ) were tested for their sensitivity to chloramphenicol. In order to distinguish among the clones AZT r Cm s those which carry the mutated allele ileSalal 1 and those which preserved the wild allele ileS , the sensitivity to norvaline of the double recombinants was tested. The sensitivity to norvaline indicates the presence of an allele ileS whose editing is deficient. The chromosomal DNA of the clones sensitive to norvaline was extracted for carrying out amplifications. of DNA by PCR with the following two pairs of oligonucleotides: the pair Ile3 (5 'CGCCGCCGCCGCCGCCGCCGCCGC: SEQ ID NO: 5) and Ile4 (5' GATTGCGCGTGATGAATTAACC: SEQ ID NO: 6), and the pair Ile2 (5 'GTTGGCAGGCAGAGTCCACGGC : SEQ ID NO: 7) and Ile4 (5 'GATTGCGCGTGATGAATTAACC: SEQ ID NO: 6) The results of these PCR amplifications, namely the detection of a fragment amplified with the pair Ile3 and Ile4 on the one hand, and the absence of an amplified fragment with the pair Ile2 and Ile4 on the other hand, made it possible to verify that, in the four strains which had been obtained, the ileSalall gene was inserted in place of the ileSwt gene on the chromosome.
Exemple 2. Délétion du gène icd d'E. coli codant pour Pisocitrate déhydrogénase. L'isocitrate déhydrogénase catalyse la décarboxylation oxidative de l'isocitrate en alpha- kétoglutarate, une réaction du cycle tricarboxylique. L'alpha-kétoglutarate est le précurseur de l'acide glutamique ; l'absence d'une activité isocitrate déhydrogénase entraîne de ce fait une auxotrophie pour l'acide glutamique. Une délétion partielle du gène icd contenant le gène marqueur de résistance à la spectinomycine a été obtenue à l'aide de la construction plasmidique pEVL194. Ce plasmide, dérivé du plasmide pEVL497 (voir exemple 1), contenait le gène tdk d'E. coli précédé par le promoteur du phage T5 (pT5-tdk), clone dans le site Kpnl, et la cassette de résistance aad à la spectinomycine clonée entre les sites BamHI et Sphl. La cassette de résistance a été encadrée de séquences homologues au chromosome d'E. coli : en 5' par la région amont du codon d'initiation ATG du gène icd (350 paires de bases), clone entre les sites EcoRI et BamHI, en 3' par la séquence correspondant aux nucléotides 603 à 1083 du gène icd clonée entre les sites Sphl et Notl. Tous les éléments insérés dans le plasmide pEVL497 pour construire le plasmide pEVL194 ont été amplifiés par PCR à partir de matrices d'ADN et de paires d'oligonucléotides appropriées en rajoutant les sites de clonage utilisés.Example 2. Deletion of the icd gene from E. coli coding for Pisocitrate dehydrogenase. Isocitrate dehydrogenase catalyzes the oxidative decarboxylation of isocitrate to alpha-ketoglutarate, a reaction of the tricarboxylic cycle. Alpha-ketoglutarate is the precursor of glutamic acid; the absence of isocitrate dehydrogenase activity therefore causes an auxotrophy for glutamic acid. A partial deletion of the icd gene containing the spectinomycin resistance marker gene was obtained using the plasmid construct pEVL194. This plasmid, derived from the plasmid pEVL497 (see example 1), contained the tdk gene of E. coli preceded by the phage promoter T5 (pT5-tdk), cloned in the Kpnl site, and the aad spectinomycin resistance cassette cloned between the BamHI and Sphl sites. The resistance cassette was framed with sequences homologous to the chromosome of E. coli: in 5 ′ by the upstream region of the ATG initiation codon of the icd gene (350 base pairs), cloned between the EcoRI and BamHI sites, in 3 ′ by the sequence corresponding to nucleotides 603 to 1083 of the icd gene cloned between the Sphl and Notl sites. All the elements inserted into the plasmid pEVL497 to construct the plasmid pEVL194 were amplified by PCR from DNA templates and pairs of appropriate oligonucleotides by adding the cloning sites used.
Le plasmide pEVL194 a été introduit par transformation dans la souche d'E. coli +755 qui n'exprime pas d'activité thymidine kinase (marqueur Δtdk ::kani) et des transformants recombinants sélectionnés sur milieu Mùller Hinton (MH) en présence de spectinomycine (20μg/ml). Les bactéries d'un clone résistant à la spectinomycine ont été cultivées en milieu MH additionné de spectinomycine (20μg/ml)et d'acide glutamique (1 mM) à 37°C avec agitation jusqu'à une OD600 de 0,2. Les bactéries contenues dans 10 ml de cette culture ont été concentrées et étalées sur boite MH additionnée de spectinomycine (20μg/mι), d'acide glutamique (1 mM) et d'AZT (30μM). Les clones specr AZTr, obtenus après incubation à 37°C pendant 18h, ont été testés pour leur sensibilité au chloramphénicol et pour leur phénotype d' auxotrophie à l'acide glutamique. La conformité de la délétion du gène icd des bactéries Cms glu" specr a été vérifiée par PCR sur l'ADN chromosomique en utilisant des oligonucléotides appropriés.The plasmid pEVL194 was introduced by transformation into the strain of E. coli +755 which does not express thymidine kinase activity (Δtdk :: kani marker) and recombinant transformants selected on Muller Hinton medium (HD) in the presence of spectinomycin (20 μg / ml). The bacteria of a clone resistant to spectinomycin were cultured in HD medium supplemented with spectinomycin (20 μg / ml) and glutamic acid (1 mM) at 37 ° C. with stirring until an OD600 of 0.2. The bacteria contained in 10 ml of this culture were concentrated and spread on an MH dish supplemented with spectinomycin (20 μg / ml), glutamic acid (1 mM) and AZT (30 μM). The spec r AZT r clones, obtained after incubation at 37 ° C. for 18 h, were tested for their sensitivity to chloramphenicol and for their phenotype of glutamic acid auxotrophy. The conformity of the deletion of the icd gene from Cm s glu "spec r bacteria was checked by PCR on chromosomal DNA using appropriate oligonucleotides.
Exemple 3. Délétion d'un gène chez Acinetobacter ADP1 Acinetobacter ADP1 est une bactérie Gram négatif, aérobie strict, ne sporulant pas, non pathogène, présente dans les sols et les eaux. Elle possède l'arsenal génétique pour de multiples voies métaboliques lui permettant d'utiliser des sources de carbone très diversifiées. Au laboratoire, Acinetobacter ADP1 croît en milieu défini minéral avec une unique source de carbone et sans facteur de croissance additionnel. Cultivé dans les mêmes conditions de milieu (milieu minéral+glucose) et de température (33-35°C), Acinetobacter ADP1 a un temps de génération plus court que Escherichia coli. A ces avantages de culture, s'ajoutent les propriétés remarquables de compétence pour la transformation naturelle (transport actif dans les cellules de molécules d'ADN linéaires ou circulaires) et de fréquence élevée des événements de recombinaison.Example 3. Deletion of a gene in Acinetobacter ADP1 Acinetobacter ADP1 is a gram-negative, aerobic, non-spore-forming, non-pathogenic bacteria found in soil and water. It has the genetic arsenal for multiple metabolic pathways allowing it to use very diverse carbon sources. In the laboratory, Acinetobacter ADP1 grows in a defined mineral environment with a single source of carbon and without additional growth factor. Cultivated under the same environmental conditions (mineral medium + glucose) and temperature (33-35 ° C), Acinetobacter ADP1 has a shorter generation time than Escherichia coli. In addition to these culture advantages, there are remarkable properties of competence for natural transformation (active transport in cells of linear or circular DNA molecules) and of high frequency of recombination events.
Par ailleurs, Acinetobacter ADP1 ne possède aucun des enzymes des voies de récupération des nucléosides décrits chez E. coli et n'exprime pas d'activité thymidine kinase. L'utilisation du gène tdk comme gène marqueur dans les manipulations génétiques du chromosome d' Acinetobacter est donc aisée, sans la nécessité de construction préalable.Furthermore, Acinetobacter ADP1 does not have any of the enzymes of the nucleoside recovery pathways described in E. coli and does not express thymidine kinase activity. The use of the tdk gene as a marker gene in genetic manipulations of the Acinetobacter chromosome is therefore easy, without the need for prior construction.
Nous avons utilisé le gène tdk comme marqueur de sélection d'événements de recombinaison homologue dans Acinetobacter ADP1 pour obtenir la délétion du gène cysN, qui code pour l'activité sulfurylase essentielle pour l'assimilation du soufre à partir du sulfate. Dans une première étape, le gène cysN a été remplacé sur le chromosome par une cassette, contenant les deux gènes en tandem tdk (thymidine kinase) et kan (gène de résistance à la kanamycine), introduite par recombinaison homologue. Les bactéries recombinantes, sélectionnées par leur résistance à la kanamycine, expriment le gène tdk et sont donc sensibles à l'AZT. Dans une deuxième étape, la cassette tdk-kan a été éliminée du chromosome par un événement de recombinaison homologue sélectionné par la restauration de la résistance à l'AZT. La cassette tdk-kan a été clonée dans un dérivé du vecteur pUC18 de la façon suivante : la séquence du gène tdk d' E. coli précédé du promoteur du bactériophage T5 a été clonée dans les site EcoRI et Sacl et le gène de résistance à la kanamycine a été clone dans les sites PstI et Xbal (plasmide pEVL385).We used the tdk gene as a marker for selection of homologous recombination events in Acinetobacter ADP1 to obtain the deletion of the cysN gene, which codes for the sulfurylase activity essential for the assimilation of sulfur from sulfate. In a first step, the cysN gene was replaced on the chromosome by a cassette, containing the two tandem genes tdk (thymidine kinase) and kan (gene for resistance to kanamycin), introduced by homologous recombination. Recombinant bacteria, selected by their resistance to kanamycin, express the tdk gene and are therefore sensitive to AZT. In a second step, the tdk-kan cassette was eliminated from the chromosome by a homologous recombination event selected by the restoration of resistance to AZT. The tdk-kan cassette was cloned into a derivative of the vector pUC18 as follows: the sequence of the E. coli tdk gene preceded by the bacteriophage T5 promoter was cloned into the EcoRI and Sacl sites and the resistance gene to kanamycin has been cloned into the PstI and Xbal sites (plasmid pEVL385).
La construction permettant la délétion de la séquence codante du gène cysN sur le chromosome a été obtenue de la façon suivante : la cassette tdk-kan a été amplifiée par PCR à partir du plasmide pEVL385 à l'aide des oligonucléotides 1130/1131. La séquence correspondant aux 300 premiers nucléotides et celle correspondant aux 300 derniers nucléotides du gène cysN ont été amplifiées par PCR respectivement à l'aide des deux paires d'oligonucléotides (1150/1151) et (1152/1153) sur l'ADN chromosomique d' Acinetobacter ADP1. Les primers 1151 et 1152 possèdent à l'une de leurs extrémités 20 bases homologues aux extrémités de la cassette tdk-kan, ce qui a permis de rassembler les trois fragments par PCR recombinante.The construction allowing the deletion of the coding sequence of the cysN gene on the chromosome was obtained in the following way: the tdk-kan cassette was amplified by PCR from plasmid pEVL385 using oligonucleotides 1130/1131. The sequence corresponding to the first 300 nucleotides and that corresponding to the last 300 nucleotides of the cysN gene were amplified by PCR respectively using the two pairs of oligonucleotides (1150/1151) and (1152/1153) on the chromosomal DNA d 'Acinetobacter ADP1. Primers 1151 and 1152 have at one of their ends 20 bases homologous to the ends of the tdk-kan cassette, which made it possible to combine the three fragments by recombinant PCR.
15 μl du produit PCR purifié (Qiaquick, Qiagen) ont été introduits par transformation dans des bactéries Acinetobacter ADP1 cultivées à 30°C en milieu minéral sans sulfate + succinate et supplémenté avec du thiosulfate ImM jusqu'à une OD600 de 0,5 - 0,6. Après 3 h de croissance à 30°C avec agitation, les bactéries transformantes sont sélectionnées sur milieu minéral + succinate + thiosulfate 1 mM en présence de kanamycine (25μg/ml). Les clones ont été testés pour leur sensibilité à l'AZT (800μM). L'utilisation du sulfate et du sulfite par ces clones résistants à la kanamycine et sensibles à l'AZT a été ensuite testée. La localisation de la cassette au locus cysN a été confirmée par PCR sur l'ADN chromosomique d'un clone (souche +2912) exprimant le phénotype sulfate-/sulfite+.15 μl of the purified PCR product (Qiaquick, Qiagen) were introduced by transformation into Acinetobacter ADP1 bacteria cultivated at 30 ° C. in a mineral medium without sulfate + succinate and supplemented with ImM thiosulfate up to an OD600 of 0.5 - 0 6. After 3 h of growth at 30 ° C. with stirring, the transforming bacteria are selected on mineral medium + succinate + thiosulfate 1 mM in the presence of kanamycin (25 μg / ml). The clones were tested for their sensitivity to AZT (800 μM). The use of sulfate and sulfite by these clones resistant to kanamycin and sensitive to AZT was then tested. The location of the cassette at the cysN locus was confirmed by PCR on the chromosomal DNA of a clone (strain +2912) expressing the sulfate- / sulfite + phenotype.
Dans un second temps, la cassette tdk-kan a été éliminée de la souche +2912 par un événement de recombinaison entre le chromosome et un fragment d'ADN obtenu par amplification PCR recombinante (amorces 1150/1403, 1402/1153 puis 1150/1153) ayant en tandem les 300 premiers et 300 derniers nucléotides de cysN. 15 μl du produit PCR purifié (Qiaquick, Qiagen) ont été introduits pas transformation dans des bactéries de la souche +2912. Les bactéries recombinantes ont été sélectionnées sur milieu minéral + succinate + thiosulfate en présence d'AZT (800 μM). La délétion cysN et l'élimination de la cassette tdk-kan ont été confirmées par PCR sur les clones résistants à l'AZT. TABLEAU DES AMORCESIn a second step, the tdk-kan cassette was eliminated from the +2912 strain by a recombination event between the chromosome and a DNA fragment obtained by recombinant PCR amplification (primers 1150/1403, 1402/1153 then 1150/1153 ) having in tandem the first 300 and last 300 nucleotides of cysN. 15 μl of the purified PCR product (Qiaquick, Qiagen) were introduced by transformation into bacteria of the +2912 strain. The recombinant bacteria were selected on mineral medium + succinate + thiosulfate in the presence of AZT (800 μM). The cysN deletion and the elimination of the tdk-kan cassette were confirmed by PCR on the clones resistant to AZT. PRIMER TABLE
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