Summary

Isolering af aktiv caenorhabditis elegans nukleare ekstrakt og rekonstitution for In Vitro Transskription

Published: August 11, 2021
doi:

Summary

Her beskriver vi en detaljeret protokol til isolering af aktivt nukleart ekstrakt fra larvestadiet 4 C. elegans og visualisering af transskriptionsaktivitet i et in vitro-system .

Abstract

Caenorhabditis elegans har været et vigtigt modelsystem for biologisk forskning, siden det blev indført i 1963. C. elegans er imidlertid ikke blevet udnyttet fuldt ud i den biokemiske undersøgelse af biologiske reaktioner ved hjælp af sine nukleare ekstrakter som in vitro transskription og DNA-replikation. En betydelig forhindring for brug af C. elegans i biokemiske undersøgelser forstyrrer nematodens tykke ydre neglebånd uden at ofre aktiviteten af det nukleare ekstrakt. Mens flere metoder bruges til at bryde neglebånd, såsom Dounce homogenisering eller sonikering, de ofte fører til protein ustabilitet. Der findes ingen fastlagte protokoller for isolering af aktive nukleare proteiner fra larve eller voksne C. eleganer til in vitro-reaktioner . Her beskriver protokollen i detaljer homogeniseringen af larvestadiet 4 C. eleganer ved hjælp af en Balch homogenizer. Balch homogenisatoren bruger tryk til langsomt at tvinge dyrene gennem et smalt hul, der bryder neglebånd i processen. Balch homogenisatorens ensartede design og præcise bearbejdning giver mulighed for ensartet slibning af dyr mellem forsøg. Fraktionering af homogenatet fra Balch homogenisatoren giver funktionelt aktivt nukleart ekstrakt, der kan anvendes i en in vitro-metode til analyse af transskription af C. elegans.

Introduction

Den lille, fritlevende nematode Caenorhabditis elegans er en enkel, men kraftfuld modelorganisme til at løse en lang række biologiske spørgsmål. Siden indførelsen i 1963 har nematoderne været uvurderlige for at besvare spørgsmål inden for neurobiologi, metabolisme, aldring, udvikling, immunitet og genetik1. Nogle af dyrets mange egenskaber, der gør det til en ideel modelorganisme, omfatter kort generationstid, effektiviteten af RNA-interferens, gennemsigtig krop og de færdige kort over både dets cellulære afstamning og nervesystem.

Mens nematodens bidrag til videnskaben er enorme, er de blevet underudnyttet til at belyse det eukaryote transskriptionssystem, hvor det meste af vores forståelse af disse mekanismer kommer fra undersøgelser ved hjælp af nukleart ekstrakt fra gær, frugtflue og pattedyrcellekultur2. Den største forhindring, der afskrækker forskere fra at udvinde funktionelle nukleare ekstrakt er nematoden hårde ydre kutikula. Dette exoskelet omfatter krydsbundne kollagen, cuticlins, glycoproteiner og lipider, hvilket gør C. elegans fra larvestadiet til voksenalderen resistente over for proteinudvinding via kemiske eller mekaniske kræfter3. Et in vitro transskriptionssystem ved hjælp af C. elegans nukleare ekstrakt blev engang udviklet, men ikke bredt vedtaget på grund af systemets begrænsede omfang, og brugen af Dounce homogenisator til fremstilling af ekstraktet kan føre til protein ustabilitet4,5.

I modsætning til den tidligere protokol for nuklear ekstrakt isolation, som udnyttede en Dounce homogenizer til at bryde C. elegans, denne protokol bruger en Balch homogenizer. Balch homogenisatoren består af to hovedkomponenter: en wolframcarbidkugle og en blok i rustfrit stål med en kanal, der keder sig igennem fra den ene ende til den anden. Balch homogenisatoren er fyldt med wolframcarbidkuglen og udjævnes på begge sider for at forsegle slibekammeret. Sprøjter kan lastes på de to lodrette porte, der fører ind i slibekammeret. Da materialet overføres fra den ene sprøjte til den anden gennem slibekammeret, tvinger trykket fra sprøjterne materialet gennem et smalt mellemrum mellem bolden og væggen i kammeret. Dette langsomme og konstante tryk bryder materialet, indtil det når en ensartet størrelse, der er i stand til at passere gennem det smalle hul let. Tvinger C. elegans gennem det smalle hul via et konstant, men blidt tryk bryder dyrene åbne og frigiver deres indhold i den omgivende buffer. Skift af kuglestørrelser strammer yderligere hullet, bryder de nyligt frigivne celler og frigør kernerne i bufferen. Flere tilfælde af centrifugering adskiller kernerne fra resten af celleaffaldet, hvilket giver mulighed for indsamling af et rent nukleart ekstrakt. Balch homogenisatoren foretrækkes frem for Dounce homogenisatoren af flere grunde: systemet kan håndtere et stort antal dyr, hvilket gør det muligt at udtrække en høj mængde aktive proteiner i et enkelt forsøg; den præcise bearbejdning af kuglerne og stålblokken giver mulighed for ensartet slibning mellem flere prøver; den tunge stålblok fungerer som en køleplade, der ensartet trækker varme væk fra slibekammeret, hvilket forhindrer denaturering.

Efter isolering skal det nukleare ekstrakts transskriptionsaktivitet verificeres, før den anvendes i biokemiske eksperimenter. Traditionelt blev transskription aktivitet målt ved hjælp af radiomærkede nukleotider til at spore og visualisere den nyligt syntetiserede RNA. Radioaktiv mærkning kan dog være byrdefuld, da det kræver forsigtighed under brug og bortskaffelse6. Teknologiske fremskridt gør det muligt for forskere i dag at bruge langt mindre skadelige eller besværlige metoder til at måle selv små RNA-mængder ved hjælp af teknikker som kvantitativ realtids-PCR (qRT-PCR)7. Her beskriver protokollen en metode til at isolere aktivt nukleart ekstrakt fra larvestadiet 4 (L4) C. elegans og visualisere transskription aktivitet i et in vitro-system.

Protocol

1. Medieforberedelser Forbered sterile lysogeny bouillon (LB) agarplader og flydende medier efter producentens anvisninger. Streak Escherichia coli (E. coli) stamme OP50 på en LB agar plade. Inkuberes bakteriestriben ved 37 °C natten over. Stimepladen E. coli OP50 opbevares ved 4 °C efter inkubation. E. coli OP50-pladen kan opbevares sikkert ved 4 °C i 2 uger, hvis den er pakket ind i parafilm for at forhindre fugttab. Forbered 2 L Nematode G…

Representative Results

Efter de skitserede trin skal give funktionelt nukleart ekstrakt (figur 1), kan afvigelse i slibe- eller vasketrinene føre til dårlig aktivitet eller lavt udbytte. Hvis der opnås funktionelT C. elegans nukleart ekstrakt, vil det transskribere regionen nedstrøms cmv-promotoren på DNA-skabelonen, når den føjes til den tidligere beskrevne in vitro-analyse . Den resulterende RNA udskrift kan renses fra de nukleare proteiner og DNA skabel…

Discussion

C. elegans er en tiltalende modelorganisme til at studere det eukaryote transskriptionssystem på grund af dets billige vedligeholdelse og den lette genetiske manipulation. Her beskrives en protokol for konsekvent isolering af funktionelt aktivt nukleart ekstrakt fra L4 C. elegans . Selvom denne protokol fokuserede på visualisering af transskriptionsaktivitet, kan cDNA produceret post-transcriptionally kvantificeres ved hjælp af RT-qPCR for at opnå en mere præcis måling af transsk…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev støttet af et NIH MIRA-tilskud (R35GM124678 til J.S.).

Materials

Consumables and reagents
0.2 mL 8-Strip Tubes & Flat Strip Caps, Clear Genesee Scientific  24-706
0.2 mL Individual PCR tubes Genesee Scientific  24-153G
1.7 mL sterile microtubes Genesee Scientific 24-282S
100% absolute molecular grade ethanol Fisher Scientific  BP2818
100% ethanol, Koptec Decon Labs  V1001
10 mL serological pipet VWR international  89130-898
150 mm petri plates Tritech Research  T3325
15 mL conical centrifuge tubes Genesee Scientific  28-103
20 mL plastic syringes Fisher Scientific 14955460
2 mL Norm-Ject syringes Henke-Sass Wolf GmbH 4020
500 mL vacuum filter cup 0.22 µm PES, Stericup Millipore Express Plus Millipore Sigma SCGPU10RE
50 mL conical centrifuge tubes ThermoFisher Scientific 339652
50 mL serological pipet VWR international  89130-902
5 mL serological pipet VWR international  89130-896
Agar, Criterion VWR International  C7432
Agarose Denville Scientific  CA3510-6
Alcohol proof marker VWR International  52877-310
Bacto peptone VWR International  90000-264
Caenorhabditis elegans CGC N2
Calcium dichloride Millipore Sigma  C4901
Cholesterol Millipore Sigma  C8667
Control DNA temple cloning primers, Forward 5’- ctc atg ttt gac agc tta tcg atc cgg gc -3’
Control DNA temple cloning primers, Forward 5’- aca gga cgg gtg tgg tcg cca tga t -3’
Deionized water
Dithiothreitol Invitrogen  15508-013
DNA gel stain, SYBR safe Invitrogen  S33102
DNA ladder mix, O’gene ruler Fisher Scientific  SM1173
DNA Loading Dye, 6x TriTrack Fisher Scientific  FERR1161
DNase, Baseline-ZERO Lucigen  DB0715K
Dry ice
Escherichia coli OP50 strain CGC OP50
Glacial acetic acid Fisher Scientific  A38
Glycerol Millipore Sigma  G6279
HeLa nuclear extract in vitro transcription system, HeLaScribe Promega  E3110
Hepes Solution, 1 M Gibco Millipore Sigma 15630080
Hydrochloric acid 37% Millipore Sigma  P0662
Hypochlorite bleach Clorox
LB Broth Millipore Sigma  L3022
Magnesium dichloride Millipore Sigma  M8266
Magnesium Sulfate Millipore Sigma  M7506
Medium weigh dishes Fisher Scientific  02-202-101
microscope slides, Vista vision VWR International 16004-368
molecular grade water, Hypure Hyclone Laboratories  SH30538
Nystatin Millipore Sigma  N1638
PCR system, FailSafe with premix A Lucigen  FS99100
Potassium chloride Millipore Sigma  P39111
Potassium phosphate dibasic Millipore Sigma  P3786
Potassium phosphate monobasic Millipore Sigma  P0662
Protease inhibitor, Halt single use cocktail 100x ThermoFisher Scientific 78430
protein assay kit, Qubit ThermoFisher Scientific  Q33211
reverse transcription kit, Sensiscript Qiagen 205211
RNA extraction kit RNeasy micro kit Qiagen 74004
RNase Inhibitor Applied Biosystems  N8080119
Sodium Chloride VWR International  BDH9286-12KG
Sodium hydroxide Millipore Sigma  1-09137
Sterile syringe filter with 0.2 µm Polyethersulfone membrane VWR international 28145-501
Sucrose VWR International  200-334-9
transcription primers, Forward 5’- gcc ggg cct ctt gcg gga tat -3’
transcription primers, Reverse 5’- cgg cca aag cgg tcg gac agt-3’
Tris-Base Fisher Scientific  BP152
Tween20 Millipore Sigma  P2287
Equipment
-20 °C incubator ThermoFisher Scientific
20 °C incubator ThermoFisher Scientific
37 °C incubator Forma Scientific
4 °C refrigerator ThermoFisher Scientific
-80 °C freezer Eppendorf
Autoclave Sanyo
Balch homogenizer, isobiotec cell homogenizer Isobiotec
Benchtop Vortexer Fisher Scientific 2215365
Centrifuge, Eppendorf 5418 R Eppendorf 5401000013
Centrifuge, VWR Clinical 50 VWR International 82013-800
Dissection microscope, Leica M80 Leica Microsystems
Fluorometer, Qubit 2.0 Invitrogen Q32866
Gel imaging system, iBright FL1500 ThermoFisher Scientific  A44241
Gel system ThermoFisher Scientific
Heat block VWR International 12621-048
Microcentrifuges, Eppendorf 5424 Eppendorf 22620401
PIPETBOY acu 2 Integra 155017
Pipette L-1000 XLS+, Pipet-Lite LTS Rainin 17014382
Pipette L-10 XLS+, Pipet-Lite LTS Rainin 17014388
Pipette L-200 XLS+, Pipet-Lite LTS Rainin 17014391
Pipette L-20 XLS+, Pipet-Lite LTS Rainin 17014392
Rocking platform VWR International
Thermocycler, Eppendorf Mastercycler Pro Eppendorf 950030010

Referenzen

  1. Corsi, A. K., Wightman, B., Chalfie, M. A Transparent window into biology: A on Caenorhabditis elegans. Genetik. 200 (2), 387-407 (2015).
  2. Blackwell, T. K., Walker, A. K. Transcription mechanisms. WormBook: The Online Review of C. elegans Biology. , 1-16 (2006).
  3. Page, A. P., Johnstone, I. L. The cuticle. WormBook: The Online Review of C. elegans Biology. , 1-15 (2007).
  4. Lichtsteiner, S., Tjian, R. Cloning and properties of the Caenorhabditis elegans TATA-box-binding protein. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 90 (20), 9673-9677 (1993).
  5. Lichtsteiner, S., Tjian, R. Synergistic activation of transcription by UNC-86 and MEC-3 in Caenorhabditis elegans embryo extracts. EMBO Journal. 14 (16), 3937-3945 (1995).
  6. Shan, G., et al. Isotope-labeled immunoassays without radiation waste. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 97 (6), 2445-2449 (2000).
  7. Voss, C., et al. A novel, non-radioactive eukaryotic in vitro transcription assay for sensitive quantification of RNA polymerase II activity. BMC Molecular Biology. 15, 7 (2014).
  8. Wibisono, P., Liu, Y., Sun, J. A novel in vitro Caenorhabditis elegans transcription system. BMC Molecular and Cell Biology. 21 (1), 87 (2020).
  9. Stiernagle, T. Maintenance of C. elegans. WormBook: The Online Review of C. elegans Biology. , 1-11 (2006).
  10. Zbacnik, T. J., et al. Role of buffers in protein formulations. Journal of Pharmaceutical Sciences. 106 (3), 713-733 (2017).
check_url/de/62723?article_type=t

Play Video

Diesen Artikel zitieren
Wibisono, P., Sun, J. Isolation of Active Caenorhabditis elegans Nuclear Extract and Reconstitution for In Vitro Transcription. J. Vis. Exp. (174), e62723, doi:10.3791/62723 (2021).

View Video