Genome-Wide A → G and C → T Mutations Induced by Functional TadA Variants in Escherichia coli

引物酶 生物 遗传学 大肠杆菌 基因组 分子生物学 基因 细菌圆形染色体
作者
Hao Wang,Zhengxin Dong,Jingyi Shi,Lei Chen,Tao Sun,Weiwen Zhang
出处
期刊:ACS Synthetic Biology [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acssynbio.4c00597
摘要

The fusion expression of deoxyribonucleic acid (DNA) replication-related proteins with nucleotide deaminase enzymes promotes random mutations in bacterial genomes, thereby increasing genetic diversity among the population. Most previous studies have focused on cytosine deaminase, which produces only C → T mutations, significantly limiting the variety of mutation types. In this study, we developed a fusion expression system by combining DnaG (RNA primase) with adenine deaminase TadA-8e (DnaG-TadA) in Escherichia coli, which is capable of rapidly introducing A → G mutations into the E. coli genome, resulting in a 664-fold increase in terms of mutation rate. Additionally, we tested a dual-functional TadA variant, TadAD, and then fused it with DnaG. This construct introduced both C → T and A → G mutations into the E. coli genome, with the mutation rate increased by 370-fold upon coexpression with a uracil glycosylase inhibitor (DnaG-TadAD-UGI). We applied DnaG-TadA and DnaG-TadAD-UGI systems to the adaptive laboratory evolution for Cd2+ and kanamycin resistance, achieving an 8.0 mM Cd2+ and 200 μg/mL kanamycin tolerance within just 17 days and 132 h, respectively. Compared to conventional evolution methods, the final tolerance levels were increased by 320 and 266%, respectively. Our work offers a novel strategy for random mutagenesis in E. coli and potentially other prokaryotic species.
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