اصلا چرا باید کلونینگ در یوکاریوتها و مخمرانجام میشود؟
خب میخواهیم بدانیم چرا وقتی پروکاریوتها هستند ما سراغ مخمر و یوکاریوتها میرویم تا کلونینگ انجام دهیم؟ از بعد science- wise (تدبیر عالمانه) بسیاری از پدیدهها و فنومونهایی که در یوکاریوتهای عالی وجود دارند و در پروکاریوتها یافت نمیشوند؛ باید بررسی شوند. پروکاریوتها میتوکندری ندارند. بنابراین اگر کسی علاقمند به مطالعه بر روی میتوکندری، هیستون، میتوز و میوز باشد یا بخواهد از فوایدی مثل گلیکوزیله کردن پروتئین، فقدان توکسینهای پیروژنیک استفاده ببرد و یا بازدهی بالای تولید پروتئین و تولید biomass زیاد برای او مهم باشد، استفاده از مخمر به عنوان یک مدل یوکاریوتی مناسب است.
نتیجه
بسیاری از فعالیتها و پدیدههایی که در یوکاریوتها متداول است در پروکاریوتها یافت نمیشوند و بررسی بر روی کنترل ژنتیکی این پدیدهها در محیط یوکاریوتی مقدور است:
- لوکالیزه شدن ساخت ATP در میتوکندری
- همراهی DNA با هیستونها
- تقسیمات میتوز و میوز و تمایز سلولی
- توانایی گلیکوزیله کردن پروتئینها
- غیاب توکسینهای پیروژنیک
- بازده بالای تولید پروتئین نوترکیب
ترانسفورماسیون در قارچها
برای این که بتوانیم با قارچها کار کنیم و در کلونینگ و بیان ژن از آنها استفاده کنیم باید بتوانیم آنها را ترانسفورم کنیم. بسیاری از قارچها به راحتی میتوانند ترانسفورم شوند. در سال ۱۹۷۸ اولین ترانسفورم روی مخمر انجام شد که به نوبهی خود یک کار انقلابی بود. یک سال بعد نوروسپورا ترانسفورم شد. سپس ۴ سال بعد آسپرژیلوس به کار گرفته شد و بالاخره در سال ۱۹۸۵ تمام قارچها دستورزی شدند.
نتیجه:
- اساسیترین قدم در کلونینگ ژنها و اثبات این که یک ژن در فنوتایپ موجود یا ایجاد یک فانکشن نقش دارد ترانسفورماسیون است.
- بسیاری از قارچها به راحتی با روشهای مختلفی ترانسفورم میشوند.
تاریخچهی کوتاهی از ترانسفورماسیون قارچها
- در سال ۱۹۷۸ اولین بار مخمر توسط Hinnen و Beggs ترانسفورم شد.
- در سال ۱۹۷۹ اولین گزارش ترانسفورماسیون از نوروسپورا با استفاده از یک وکتور پلاسمیدی توسط Case منتشر شد.
- در سال ۱۹۸۳ آسپرژیولوس نیدولانس ترانسفورم شد.
تا سال ۱۹۸۵ تقریبا تمام تحقیقات مولکولی بر روی قارچهای رشتهای درگیر استفاده از ترانسفورماسیون شد تا بتوانند به کمک آن به پاسخهای لازم برای سؤالات مولکولی دسترسی پیدا کنند.
نیازمندیهای اساسی و روششناسی در ترانسفورماسیون
برای این که بتوانیم با قارچها کار کنیم و در کلونینگ و بیان ژن از آنها استفاده کنیم باید بتوانیم آنها را ترانسفورم کنیم. بسیاری از قارچها به راحتی میتوانند ترانسفورم شوند. در سال ۱۹۷۸ اولین ترانسفورم روی مخمر انجام شد که به نوبهی خود یک کار انقلابی بود. یک سال بعد نوروسپورا ترانسفورم شد. سپس ۴ سال بعد آسپرژیلوس به کار گرفته شد و بالاخره در سال ۱۹۸۵ تمام قارچها دستورزی شدند.
نتیجه:
- اساسیترین قدم در کلونینگ ژنها و اثبات این که یک ژن در فنوتایپ موجود یا ایجاد یک فانکشن نقش دارد ترانسفورماسیون است.
- بسیاری از قارچها به راحتی با روشهای مختلفی ترانسفورم میشوند.
تاریخچهی کوتاهی از ترانسفورماسیون قارچها
- در سال ۱۹۷۸ اولین بار مخمر توسط Hinnen و Beggs ترانسفورم شد.
- در سال ۱۹۷۹ اولین گزارش ترانسفورماسیون از نوروسپورا با استفاده از یک وکتور پلاسمیدی توسط Case منتشر شد.
- در سال ۱۹۸۳ آسپرژیولوس نیدولانس ترانسفورم شد.
تا سال ۱۹۸۵ تقریبا تمام تحقیقات مولکولی بر روی قارچهای رشتهای درگیر استفاده از ترانسفورماسیون شد تا بتوانند به کمک آن به پاسخهای لازم برای سؤالات مولکولی دسترسی پیدا کنند.
آشنایی با ایجاد پروتوپلاست
در روشهای کلاسیک با یک سری آنزیمهای خاص دیوارهی سلولی را حذف میکنند. این کار چه در مورد مخمر و چه در مورد قارچ رشتهای انجام میشود. آنچه پس از این حذف آنزیمی باقی میماند پروتوپلاست نامیده میشود. پروتوپلاست بسیار حساس است. باید بسیار مراقب باشیم که تحت تأثیر هیچ نوع شوک اسموتیک قرار نگیرد.
روشهای ورود DNA: یونهای مثبت؛ الکتروپوریشن؛ gene gun
برای وارد کردن DNA به داخل پروتوپلاست را در محیطی که یون کلسیم و یا لیتیم دارد قرار میدهیم (یادآوری: این یونها بر دافعهی بین DNA و غشاء غلبه میکنند) روشهای دیگری که برای ورود DNA به داخل پروتوپلاست استفاده میشود الکتروپوریشن و یا روش بالستیک (استفاده از gene gun) است. gene gun تا پیش از این برای گیاهان استفاده میشد که در چند سال اخیر در مورد قارچها نیز به کار گرفته شد. در این حالت، ژنهایی را که میخواهند وارد سلول کنند روی ذرات طلا یا تنگستن قرار میدهند. سپس ذرات آغشته به DNA را توسط دستگاهی با شتاب بسیار زیاد به سمت سلول یا بافت پرت میکنند تا وارد نسج شود. (احتمالا خانم دکتر احسانی از این دستگاه داشته باشد) از این دستگاه برای قارچها به خصوص برای بازیدیومیستها (قارچهای خوراکی از این دسته هستند) میتوان استفاده کرد.
آشنایی با آگروباکتریوم
روش دیگر استفاده از آگروباکتریوم است. آگروباکتریوم یک باکتری است که قادر است گیاه را آلوده کند. این باکتری در واقع آفت گیاهان است. آگروباکتریوم پلاسمیدی به نام T-plasmid دارد که به این کار کمک میکند. درواقع در حال حاضر گیاه را با آگروباکتریوم ترانسفورم میکنند. چندین سال قبل (حدود ۱۲ سال پیش) متوجه شدند که علاوه بر گیاه، آگروباکتریوم میتواندقارچها را نیز آلوده کند. به این ترتیب عمل میشود که سازهی ژنی را وارد این باکتری میکنیم سپس باکتری را روی گیاه میریزیم به طوری که گیاه را آلوده کند و در نتیجه ژن را به گیاه تزریق کند. در نتیجه سازه مورد نظر داخل خواهد شد.
نتیجه:
- اساسیترین قدم در کلونینگ ژنها و اثبات این که یک ژن در فنوتایپ موجود یا ایجاد یک فانکشن نقش دارد ترانسفورماسیون است.
- بسیاری از قارچها به راحتی با روشهای مختلفی ترانسفورم میشوند.
تاریخچهی کوتاهی از ترانسفورماسیون قارچها
- در سال ۱۹۷۸ اولین بار مخمر توسط Hinnen و Beggs ترانسفورم شد.
- در سال ۱۹۷۹ اولین گزارش ترانسفورماسیون از نوروسپورا با استفاده از یک وکتور پلاسمیدی توسط Case منتشر شد.
- در سال ۱۹۸۳ آسپرژیولوس نیدولانس ترانسفورم شد.
تا سال ۱۹۸۵ تقریبا تمام تحقیقات مولکولی بر روی قارچهای رشتهای درگیر استفاده از ترانسفورماسیون شد تا بتوانند به کمک آن به پاسخهای لازم برای سؤالات مولکولی دسترسی پیدا کنند.
تأکید بر استفاده از اسموتیک استابیلایزر
این که از دست دیوارهی سلولی خلاص شویم بسیار مهم است. گفتیم که برای این کار از آنزیمهای مختلفی استفاده میشود. بعد از این که دیوارهی سلولی قارچ برداشته شد؛ قارچ دیگر حفاظی ندارد. کافی است که کمی مشکل دسموتیک پیدا کند که چروکیده شود یا بترکد. در هر کدام از این حالتها دیگر نمیتواند DNA را دریافت کند. بنابراین حتما باید از اسموتیک استابیلایزر[۱] استفاده کنیم
[۱] osmotic stabilizer: محلولهایی که در طی آمادهسازی و نگهداری از پروتوپلاست مخمر استفاده میشوند اصطلاحا osmotic stabilizer نامیده میشوند وبرای ایجاد محیط ایزوتونیک برای رشد پروتوپلاست کاربرد دارند.
استفاده از PEG یا پلیتن گلیکول
در مورد قارچها از PEG استفاده میکنیم. DNA را با PEG وارد پروتوپلاست میکنند. PEG را آرام آرام اضافه میکنند. هنوزمشخص نیست با چه مکانیسمی این اتفاق میافتد اما میدانیم که PEG خاصیت فوزوژنیک یا فیوز کننده دارد و میتواند باعث بشود که DNA در کنار غشاء سلولی قرار بگیرد و باعث شود که DNA، بتواند uptake شود. هنوز مکانیسم دقیق آن مشخص نیست.
فرصتی برای ساخت مجدد دیوارهی سلولی توسط پروتوپلاست ترانسفورم شده
به هر حال بعد از اینن که ترانسفورم انجام شد بایستی با سلام و صلوات ان را پروتوپلاست قارچ را در محیط کشت کامل بگذاریم تا بتواند recover بشود. قارچ در این مرحله بسیار بسیار حساس است. با این امید که ژن داخل شده و بیان هم خواهد شد منتظر رشد قارچ باقی میمانیم.
نیازهای اساسی برای ترانسفورماسیون:
- سازههای وکتوری که دارای پروموتر و ترمیناتور و selection markerهای مناسب باشند.
- سلول قارچی باید برای دریافت DNA، یک سلول شایسته (competent) باشد؛ یعنی باید برای قابل نفوذ بشود به طوری که DNA بتواند وارد شود. شایستهترین فرم برای دریافت DNA شکل پروتوپلاست است.
- به یک سیستم انتخاب نیاز است: به راهی نیاز است که به سرعت بتوان سلولهای ترانسفورمشده را جدا کرد. که به طور معمول از مقاومتهای دارویی استفاده میشود.
- بایستی امکان ایجاد دوبارهی فرم مسلیوم به پروتوپلاست برگردد.
روششناسی در انتقال DNA
- روشهای کلاسیک شامل مواردی مثل تیمار پروتوپلاست با یون کلسیم و لیتیم است.
- الکتروپوریشن
- بمباران ذرهای یا همان gene gun
- آگروباکتریوم به عنوان یک واسطهی ترانسفورماسیون: آگروباکتریوم تومیفاسینس[۱] دارای یک پلاسمید بزرگ است که به آن پلاسمید Ti گفته میشود. قسمتی از این پلاسمید که DNA ترانسفورم شده داخل آن قرار میگیرد را T-DNA مینامند که میتواند میتواند به وسیله کانژوگاسیون به پروتوپلاست سکارومیسس و تعدادی از قارچهای رشتهای انتقال پیدا کند. T-DNA میتواند به هیف[۲] و کونیدیا[۳] هم منتقل شود.
روششناسی در انتقال DNA
- روشهای کلاسیک شامل مواردی مثل تیمار پروتوپلاست با یون کلسیم و لیتیم است.
- الکتروپوریشن
- بمباران ذرهای یا همان gene gun
- آگروباکتریوم به عنوان یک واسطهی ترانسفورماسیون: آگروباکتریوم تومیفاسینس[۱] دارای یک پلاسمید بزرگ است که به آن پلاسمید Ti گفته میشود. قسمتی از این پلاسمید که DNA ترانسفورم شده داخل آن قرار میگیرد را T-DNA مینامند که میتواند میتواند به وسیله کانژوگاسیون به پروتوپلاست سکارومیسس و تعدادی از قارچهای رشتهای انتقال پیدا کند. T-DNA میتواند به هیف[۲] و کونیدیا[۳] هم منتقل شود.
روشهای کلاسیک تولید پروتوپلاست و اسفروبلاست:
- برای حذف دیوارهی سلولی از آنزیم ها استفاده میکنند: این آنزیمها را شرکت بیوتکنولوژی Novozim تولید میکند که شامل کیتیناز[۴]، بتاگلوکاناز[۵] هستند که از تریکودرما هارزیانوم[۶] گرفته میشود.
- برای پایدار نگهداشتن غشاء پروتوپلاست در غیاب دیوارهی سلولی از اسموتیک استابیلایزر استفاده میشود که شامل استفاده از سوربیتول، ساکروز، مانیتول، کلسیم، پروتوپلاست، DNA، و PEGچهل درصد است. اسموتیک استابیلایزر به خوبی با آگار پوشانده میشود یا به دقت پخش میشود.
- استفاده از یونهای که باعث نفوذپذیری غشاء میشوند و غشاء را شایسته (competent) یا قابل نشت میکنند. مثل یونهای لیتیم و کلسیم
[۱] Agrobacterium tumefaciens
[2] hyphae: رشتههایی که از مسیلیوم قارچ خارج میشوند هیف نامیده میشود.
[۳] conidia: قسمت انتهایی هر هیف که برای تولید اسپور تخصص مییابد کونیدیا نامیده میشود.
[۴] Chitinase: آنزیم هیدرولایتیکی که باعث شکسته شدن پیوندهای گلیکوزیدی در کیتین از اجزای دیواره سلولی قارچها میشود.
[۵] β-glucanase enzyme: آنزیم هیدرولایتیکی که باندهای گلیکوزیدی را در گلیکانها که از زیرواحدهای متنوعی از گلوکز تشکیل شدهاند؛ میشکند.
[۶] Trichoderma harzianum
selection marker
همانطور که گفته شد وکتوری که برای کلونینگ میخواهیم استفاده کنیم باید حتماً selection marker داشته باشد. از بهترین مارکرها برای انتخاب، مارکرهای اگزوتروفیک هستند. در اسلاید ۲۹ لیستی از مارکرهای مهم دیده میشود که دسته بندی آنها در زیر آورده شده است:
مارکرهای کاملکنندهی اگزوتروفها شامل موارد زیر هستند:
- arg B: نقص در سنتز آرژنین دارند
- pyr4 نقص در سنتز پیریمیدنها دارند
- Leu2:
- His3
- Ura3
- Lys2
از میان این مارکرها Leu2 و His3 هم در قارچهای رشتهای دیده میشوندو هم در مخمرها. اما کاربرد آنها در مخمر اهمیت بیشتری دارد. میتوانید از ژن Leu2 در سازهی خود به عنوان سلکشن مارکر استفاده کنید. بنابراین برای این که یک Leu2مارکر به دست بیاورید باید یک سویه Leu2 auxotrophe داشته باشید برای Ura3 هم همینطور به سویهی Ura3 auxotrophe نیاز دارید.
Ura3 یک ژن بسیار معروف است که در واقع یک ژن دو منظوره است چرا که هم در Positive selection و هم در negative selection کاربرد دارد. اما هر کدام به چه معنی هستند؟Positive selection زمانی معنی میدهد که با اضافه کردن این ژن در سازهی خود بعد از ورود به سلول، نقص اگزوتروفی سلول (Ura3 auxotroph بودن) از بین برود و و جبران بشود در نتیجه سلول بتواند در محیطی که کمبود Ura3 دارد رشد کند. در این حالت سلولهای پوزیتیو زنده میمانند.
Negative selection کاملاً برعکس مورد بالاست یعنی وقتی ژن Ura3 در سلول وجود داشته باشد باعث مرگ و حذف سلول میشود. اما چه گونه این اتفاق میافتد؟ در پاسخ باید گفت که این انتخاب منفی به حضور یک مادهی دیگر در محیط کشت بستگی دارد که ۵ فلورویوراسیل فولونیک اسید یا ۵FOA نامیده میشود. این ماده در واقع یک پیشساز توکسیک است که اگر ژن Ura3 در سلول وجود داشته باشد به مادهی توکسیکی به نام ۵ فلورواوراسیل یا ۵FU تبدیل میشود. که وجود این ماده توکسیک باعث مرگ سلول میشود.
Lys2 هم می تواند هم در پوزیتیو و هم در نگاتیو سلکشن نقش داشته باشد به طوری که اگر در محیط آلفا آمینوآدیپات[۱] اضافه کنیم باعث مرگ سلولی میشود و گونههایی که این ژن را دارند از بین میروند.
[۱] α-aminoadipate
مارکرهایی که باعث برتری نسبی میشوند (Dominant Selection Markers)
این مارکرها معمولا از آنتیبیوتیکهای معروفی مثل کانامایسین هستند. کانامایسین یک Selection Markers معروف است و ژن دیگر آن G418 نام دارد. یک دسته از Selection Markers وجود دارند که در دو دستهی قبلی قرار ندارند این سلکشن مارکرها اجازه میدهند که یک توانایی جدید به سلول اضافه شود در نتیجه این سلولها میتوانند در شرایط خاصی رشد کنند. ژن استامیداز (acetamidase) را در نظر بگیرید وقتی یک سلول مخمر واجد این ژن باشد آن را به شکل amds+ نشان میدهند که از آسپرژیلوس نیدولانس گرفته میشود. کاری که این ژن میکند این است که سلول را برای رشد بر روی یک سری از منابع نیتروژن بسیار پیچیده از جمله آکریل آمید توانا میکند. آکریل آمید یک منبع نیتروژن غیرعادی است.
نتیجه:
- سلکشن مارکرها دو دستهی کلی دارند: Complementation of auxotrophic mutation و Dominant Selection Markers
- دستهی اول شامل: arg B؛ pyr4؛ Leu2؛ His3؛ Ura3؛ Lys2 هستند.
- اهمیت Ura3 و Lys2 برای این است که هم پوزیتیو سلکشن انجام میدهند و هم نگاتیو سلکشن انجام میدهند.
- Ura3 در صورتی باعث نگاتیو سلکشن یا مرگ سلولی میشود که در محیط ۵ فلورویوراسیل فولونیک اسید یا ۵FOA اضافه شود.
- Lys2 در صورتی باعث نگاتیو سلکشن میشود که در محیط آلفا آمینوآدیپات اضافه شود.
- دستهی دوم مارکرهایی هستند که به یک توانایی اضافه در سلول مربوط میشود
- دستهی دوم خود به دو بخش تقسیم میشود: گروه مقاومت دارویی و گروهی که قادرند از منابع انرژی خاص استفاده کنند.
- گروه مقاومت دارویی شامل مقاومت به آنتیبیوتیکهایی مثل کانامایسین و بنومیل و هیگرومایسین B است.
- در قارچها استفاده از مقاومت به هیگرومایسین بسیار پرکاربرد است.
- amds+ ها سلولهایی هستند که دارای ژن استآمیداز است و این سلولها قادرند از منبع نیتروژن غیرعادی مثل آکریل آمید استفاده کنند.
عالی قشنگ بود
سپاسگزار از شما
😊😊