本稿では、機能的なレポーターシステムを用いて、モデル・ smegmatisの特定の翻訳誤差と誤訳を測定する2つの相補的な方法を提示します。この方法を使用して、高スループットの設定で、低スループットまたは相対エラー率で正確なエラー率を測定することができます。
タンパク質への遺伝子の翻訳は誤りを起こしやすい。モデル系における並進誤差の平均速度はコドンあたり 1/10000 であると推定されるが、実際の誤差率は、研究されている種、環境、およびコドンによって大きく異なる。我々は以前に、マイコバクテリアが aminoacylated グルタミンおよびアスパラギン tRNAs の生成のための2段階の経路を使用することを示しており、これは具体的には誤訳率の変調に起因する比較的高いエラー率に関連していることを示す経路の必須成分は、amidotransferase GatCAB である。以前に使用されていたレニラルシフェリン-Firefly の二重ルシフェラーゼシステムを修正し、グルタミン酸での特定の誤訳率を測定するために、マイコバクテリアにおける誤訳率を測定しました。アスパラギンコドンに対するコドンおよびアスパラギン酸。このレポーターシステムは、特定のエラー率の正確な推定に適していましたが、過剰な操作手順の感度と要件の欠如は、高スループットのアプリケーションには適していませんでした。そこで、Nluc ルシフェラーゼと緑色蛍光タンパク質 (GFP) を用いて、中・高スループットの設定により適した2つ目の機能向上レポーターシステムを開発しました。このシステムを用いて、マイコバクテリアの誤訳を減少させることができる小分子としてカスガマイシンを同定した。ここで説明するレポーターは、特定のタイプのマイコバクテリア誤訳を測定するために使用されていますが、多くのモデルシステムで他のタイプの誤訳を測定するように変更することができます。
分子生物学における情報の流れは、遺伝子情報を機能タンパク質に変換することを必要とします。すべての生物学的システムと同様に、遺伝子翻訳も測定可能な誤差を伴います。翻訳における誤差の割合の推定は、典型的には、コドン当たり約 1/10000 として引用される (リバス de Pouplana et al.1によって見直される)。しかし、エラー率は 10-5未満から 0.05/コドン1、2、3、4、5に大きく変化します。3桁以上の誤差率の広い範囲は、翻訳経路の複数のステップからエラーが発生する可能性があるという事実によるものです: aminoacylation6のストキャスティクス、変異、またはストレス誘発エラーから、7,8,9,図10は、アスパラギニル-およびグルタミニルペプチド-tRNAs5の生理的 misacylation、またはリボソーム復号エラー2、3、11である。程度までは 0.01/コドンを超える高いエラー率を示し、翻訳エラーが生理的機能1,12を実行し、誤訳が文脈特異的13である可能性があることを示唆しました。
我々と他の人々は、特に環境ストレス1、5、12、14、15、16 時に、遺伝子翻訳における自然発生的なエラーが適応可能であることを示している 、17、18。マイコバクテリアにおいて、aminoacylation 経路19、20の2段階の間接的グルタミン/アスパラギン tRNA によって生成された誤差は、第1のライン antituberculosis 抗生物質リファンピシンに対して著しく増加した耐性をもたらす5.そのため、小分子でマイコバクテリアの誤訳が減少すると、リファンピシンによる殺傷を増強可能性があると推測しました。我々は、マイコバクテリアの誤訳を減少させることができる化合物として天然に存在するアミノグリコシドカスガマイシンをスクリーニングして同定し、インビトロおよびインビボでの抗酸菌の増強リファンピシン媒介性の死滅を抑制し、世界で最も致命的な病原菌である結核22の世界的制御を脅かすリファンピシン耐性21の出現。
翻訳誤差を研究するには、誤訳の測定方法を採用する必要があります。誤訳の測定のために開発された複数の方法があり、それぞれに長所と短所があります。簡単に言えば、精密質量分析法に基づく方法はいくつかの利点を有するが、その最も重要なものは、複数のタイプの翻訳誤差を検出するための新しいアルゴリズムを用いて、誤訳の比較的偏りのない測定が可能であることである18を行いました。しかしながら、質量分析法は、脱アミド化誤訳事象の測定にはあまり適しておらず、正確にはエラーが起こりやすい間接 tRNA aminoacylation 経路に起因するマイコバクテリアに発生する誤訳の種類である。これは、質量分析器23のための試料の処理において発生する高周波おける脱アミド化のためであり、極めて高いバックグラウンドシグナルをもたらす。したがって、この経路におけるエラーの検出については、遺伝的機能の増加のレポーターは、明確な利点を提供します。具体的には、適切な機能の利益のレポーターは、非常に低いバックグラウンドレートを持つことができ、非常に低いエラー率11の測定を可能にします。
病原性結核菌による実験を行うには特殊な設備と特別な予防措置が必要であるため、我々は nonpathogenic smegmatis でほとんどの実験を行い、以前にそのことを示した。 この2種の間の結果は、概ね5,21と比較可能である。間接 tRNA aminoacylation 経路により生成されたマイコバクテリアにおける誤訳率を測定するために、大腸菌でのリボソームの復号エラーを測定するために開発済みのレニラルシフェリン-Firefly の二重ルシフェラーゼシステムを改良しました。11マイコバクテリアでの使用のため。我々は3つの特異的修飾を行った: 元のレポーターはマイコバクテリアで効率的に発現せず、したがって、配列はコドン最適化され、そしてその C 末端はホタルルシフェラーゼの3つのアミノ酸、セリン-リジン−ロイシンいくつかのシステム24において人身売買シグナルとして注釈付けされ、-アラニン-バリン25のイソロイシンを修飾した。元のレポーターは、ホタルルシフェラーゼに重大なリジン残基を変異させました。代わりに、我々は、レニラルシフェリンルシフェラーゼ中の批判的に保存されたアスパラギン酸 (D120) またはグルタミン酸 (E144) 残基をそれぞれ25 個(図 1) にアスパラギンとグルタミンに変異した。レポーターは、エピソームテトラサイクリン誘導性プラスミド pUV-tetOR (材料の表を参照) にサブクローニングしました。機能を持つレポーターは、非機能的11,26をレンダリングする酵素/蛍光タンパク質において、極めて保存された機能残基を変異させます。タンパク質の機能的変異体を合成する並進 (または理論的には転写) エラーは、翻訳されたタンパク質のサブセットにおいて測定可能な酵素活性をもたらすであろう。タンパク質の存在量の変化を補正するために、変異レポーターは、ベンチマークとして機能し、有し11の正確な定量を可能にする機能性タンパク質と共に作用します。レニラルシフェリン-ホタルの二重-ルシフェラーゼレポーターは、特定のマイコバクテリア誤訳率5,25 (プロトコルの図 2とセクション 1) の正確な測定を可能にしましたが、我々はすぐに誤訳率を変化させる分子の中・高スループットスクリーニングには適していないことがわかった。これは主に2つの理由、すなわち、a)レニラルシフェリンルシフェラーゼの効力の相対的な欠如が誤訳率を測定するのに最低1ml のマイコバクテリア培養/サンプルが必要であることを意味し、b) 前の細胞の溶解の要件酵素活性測定を必要とする過剰な手動処理: マイコバクテリア細胞は、溶解に比較的耐性のある厚いおよび多層の細胞壁およびエンベロープを有する。したがって、我々は、小容量 (例えば、96プレートシステム) で使用することができ、測定のための細胞溶解を必要としなかった新しい機能の関数型レポーターシステムを開発することを検討しました。我々は、非常に強力な Nluc ルシフェラーゼを用い、アスパラギンに突然変異したときに、2ログの機能の損失をもたらした臨界アスパラギン酸残基を同定した (図 1)。さらに、Nluc のサイズが小さいため、抗酸菌27の主要な分泌された抗原である抗原85A から N 末端分泌シグナルタグを持つことが可能になり、Nluc は培養上清中に分泌し、その要件を回避することができる。細胞溶解ベンチマークタンパク質である GFP は、変異 Nluc と同じプロモーターから表されたが、統合ベクター (材料の表を参照) から、無傷の細胞21で測定することができた (図 3)。これらの利点にもかかわらず、Nluc/GFP レポーター (プロトコルのセクション 2) には不利な点もあります: D140N 変異による Nluc 活性 (100-倍) の比較的控えめな減少は、極めて低い誤訳率の測定を許可しないでしょう、レポーターが翻訳誤差の正確な測定よりもスクリーニングツールとしてより適していること。さらに、Nluc には重要なグルタミン酸残基がありません。したがって、アスパラギン-アスパラギン酸のみの誤差率を測定することができます。.本研究で説明されている一般的な原則は、彼らのモデルシステムにおける他の特定の並進誤差率の正確かつ/または容易なの測定に適切なようにレポーターを使用するか、または変更するために調査者がこれらのレポーターを利用することを可能にすべきである選択。
ここで説明するプロトコルは、多種多様な生物における誤訳率の測定に適合させることができる。プロトコルを他のシステムに適応させる際には、留意すべき考慮事項がいくつかあります。まず、測定の目的を考慮する必要があります。機能的なレポーターを用いて誤訳率を正確に測定するために必要なのは、(a) ロバスト読み出しアッセイ (例えば、酵素機能 [この場合、ルシフェラーゼ活性] の広い線形範囲) です。また、(b) レポータータンパク質の重要な残留物における機能突然変異の損失を調べて、予想される誤訳の速度を下回り、機能の非常に重要な損失をもたらします。例えば、予想される誤訳率が約 10-3/codon である場合、関数変異の損失は1000よりも大きくなければなりません。さもなければ、誤訳事象のより低い範囲は敏感に検出されません。最後に、機能的なレポーターを用いて誤訳率を正確に測定するには、(c) 堅牢なベンチマークレポーターが必要です (この場合、プロトコルのセクション1では firefly ルシフェラーゼ)。理想的には、ベンチマークレポーターは、変異酵素レポーターに融合し、それらが両方とも等モル比で表されることを保証する (すべての意図と目的のために) 必要があります。ベンチマーク (およびプライマリレポーター) の読み出しは、露出した環境への摂動に対して堅牢である必要があります。例えば、野生型 GFP の蛍光は pH28の変化による摂動の影響を強く受けており、マクロファージの貪食マイコバクテリアにおける誤訳率の測定基準としては不適当である。pH 729の下にある phagosomes。一方、小分子スクリーニングなどの用途では、一次スクリーンに対する最も重要な考慮事項は、測定の再現性 (精度とは対照的に精度)、手動処理の最小化、および小文化のボリューム。誤訳率の正確な測定はそれほど重要ではなく、二次アッセイとして行うことができます。最後に、このプロトコルに記載されたレポーターは、ルシフェラーゼ酵素の酵素的機能に基づいて、細菌集団の平均誤訳率を測定するだけであるが、単一細胞の不均一性についての情報を与えることはできないということに留意すべきである。誤訳率のばらつき。適応表現型における単一細胞変動性の重要性を考えると、30,31,32, 誤訳事象の測定のための蛍光レポーターが開発された12,33、マイコバクテリア5における誤訳の測定を含む。
誤訳の測定のための要件を考慮したが、このプロトコルに記載されているような遺伝的利益のレポーターは、1つのタイプの誤訳 (すなわち、1つのアミノ酸置換) しか測定できないことに留意すべきである) レポーターあたりのコドンである。したがって、異なる誤訳事象の測定には、複数のレポーターが必要となる。例えば、リジルオキシダーゼ tRNA による近接性コドンのリボソーム復号エラーによる誤訳の測定を1つの位置で行うためには、少なくとも16人のレポーターが2、3、11を必要とする。高精度質量分析とバイオインフォマティクスにより、多くの異なるタイプの誤訳イベントを同時に18の潜在的な識別が可能になります。ただし、これらの方法にも注意が伴います。一般に、これらの関数は、機能向上のレポーターよりも精度が低くなります。さらに、先に述べたように、それらは特定のタイプの誤訳、すなわちおける脱アミド化23で conflated ことができるものの検出にはあまり適していません。最後に、質量分析法は、中またはハイスループットスクリーニングのための読み出しとして不適当である。
他のシステムにおける誤訳の測定のためのこれらのレポーターおよびプロトコルの適合のために、さらなる考慮は、所望のモデルシステムにおけるレポーターのロバストな表現を含む。我々は当初、Farabaugh や同僚によって開発された二重ルシフェラーゼシステムを改変なしで、我々のマイコバクテリアシステムで使用しようと試みたが、レポーター発現の欠如のために成功しなかった。広範なトラブルシューティングでは、コドンの最適化と、レポーターのマイナーシーケンスの変更の両方が、ロバストな表現25 (および上記を参照) を可能にすることが必要であることが確認されました。他のシステムで使用するには、レポーターの同様の適応が必要であると考えられます。
最後に、測定される誤訳事象の種類について検討すべきである。例えば、停止コドン読破 (ナンセンス抑制) を測定する必要がある場合、停止コドンの機能変異の消失は、原発性レポータータンパク質34の重要でない領域内に導入される必要がある。さもなければ、重要な残留物 (ひいてはレポーター機能) を回復させる特定の無意味な抑制イベントだけが、真の誤訳率のかなりの過小評価を引き起こす可能性があるアッセイによって測定されます。多数の生物1、12、13、35において翻訳エラーが適応的な役割を果たす可能性があるという証拠が増えている。しかし、誤訳事象の測定は、依然として少数のモデル種に限定されています。誤訳を測定するための敏感な方法の適応は、生理学と病理学における翻訳ミスの役割に対する科学者の理解をさらに高める可能性を秘めている。
The authors have nothing to disclose.
この作品は、ビル・アンド・メリンダ・ゲイツ財団 (OPP1109789)、中国国立自然科学財団 (31570129)、清華大学医学部から B.J. B.J. への助成金によって支えられ、ウェルカムの信頼を受けています。調査員 (207487/z/17/Z)。
Middlebrook 7H9 | BD Difco | 271310 | |
anhydrotetracycline | Cayman Chemical | 10009542 | |
kasugamycin | sigma | K4013 | |
Dual-luciferase reporter assay system | promega | E1960 | |
Nano-Glo luciferase assay | promega | N1120 | |
Fluoroskan Ascent FL luminometer | Thermo | / | |
Assay Plate, 96 Well White, Flat Bottom High Binding, No Lid | Costar | 3922 | |
Assay Plate, 96 Well Black, Flat Bottom High Biding, No Lid | Costar | 3925 | |
96 Well Cell Culture Cluster, Flat Bottom with Lid | Costar | 3599 | |
Non-commercial reagents (plasmids) | |||
pUV-TetOR-RenFF | NA | NA | episomal shuttle plasmid that allows tetracycline-inducible expression of the wild-type dual luciferase reporter |
pUV-TetOR-Ren-D120N-FF | dual-luciferase reporter with mutated Renilla | ||
pUV-TetOR-Ag85ASec-Nluc-D140N | NA | NA | episomal shuttle plasmid with a tetracyclin-inducible secretable version of mutated Nluc luciferase |
pMC1S-GFP | NA | NA | Mycobacterial integrated (L5 site) vector for tetracycline-inducible expression of GFP |