نقدم بروتوكول شاشة القامع بسيطة في انشطار الخميرة. يعد هذا الأسلوب كفاءة خالية مطفر والانتقائي للطفرات التي غالباً ما تحدث في موضع الجينوم واحد. البروتوكول مناسبة لعزل المكثفات التي تخفف من عيوب النمو في الثقافة السائلة التي تنتج عن طفرة أو دواء.
شاشة وراثية للمسخ الآليلات التي تقمع المظهرية العيوب الناجمة عن طفرة هو نهج قوية لتحديد الجينات التي تنتمي إلى المسارات البيوكيميائية ارتباطاً وثيقا. الأساليب السابقة مثل تحليل صفيف الجينية الاصطناعية (SGA)، وتقنيات الطفرات العشوائية باستخدام الأشعة فوق البنفسجية (الأشعة فوق البنفسجية) أو المواد الكيميائية مثل إيثيل ميثانيسولفوناتي (EMS) أو N-إيثيل-ن-نيتروسوريا (ENU)، وقد استخدمت على نطاق واسع ولكن غالباً ما تكون مكلفة و شاقة. أيضا، هذه الأساليب المستندة إلى مطفر الفرز كثيرا ما يرتبط مع آثار جانبية حادة في الكائن الحي، وحمل العديد من الطفرات التي إضافة إلى الطابع المعقد لعزل المكثفات. نقدم هنا، بروتوكول بسيطة وفعالة للتعرف على الطفرات القامع في طفرات الذي يضفي على وجود خلل نمو في بومبي شيزوساكتشاروميسيس. يمكن رصد اللياقة البدنية للخلايا مع نقص نمو في وسائل الإعلام السائلة الغنية القياسية أو وسائل الإعلام السائلة الاصطناعية للاسترداد باستخدام قارئ الآلي 96-كذلك لوحة لفترة طويلة. وبمجرد خلية يكتسب طفرة القامع في الثقافة، توابعه أووتكومبيتي تلك الخلايا الأبوية. يمكن عزل الخلايا المستردة التي تتمتع بميزة تنافسية نمو عبر الخلايا الأبوية وباككروسيد مع الخلايا الأبوية. ثم تحديد الطفرات القامع استخدام تسلسل الجينوم كلياً. باستخدام هذا النهج، نحن قد عزلت بنجاح المكثفات المتعددة التي تخفف من عيوب النمو الحاد الناجم عن فقدان Elf1، أأأ أسرة ATPase أن المهم في النقل النووي مرناً وصون الاستقرار المجيني. هناك حاليا أكثر 400 الجينات في بومبي س. مع طفرات منح خلل نمو. كما أن العديد من هذه الجينات أونتشاراكتيريزيد، فإننا نقترح أن لدينا أسلوب سوف يعجل تحديد التفاعلات الوظيفية الرواية مع هذا النهج سهلة الاستعمال، والفائق.
الأساس لفهم الصلات الوظيفية بين الجينات يعتمد على القدرة على تحديد الآليات الجزيئية التي تتباعد المعقدة الصفات الوراثية لإنتاج متنوعة تعمل1. في انشطار الخميرة، بومبي شيزوساكتشاروميسيس (S. بومبي)، غالبية الجينات ترميز البروتين يمكن الاستغناء عنها لبقاء2. ولا يتكلم هذه النتيجة إلى أونيمبورتانسي من هذه الجينات، ولكن بدلاً من ذلك إلى الآليات التعويضية المعقدة الكامنة وراء الممرات البيوكيميائية التي تنتمي إليها تلك الجينات. تشريح هذه الآليات التعويضية قد ولدت خرائط ابيستاسيس، والتي كشفت عن التفاعلات الجينية شاملة وتوسيع فهمنا لمسارات وظيفية البيوكيميائية3،4.
وقد وضعت أساليب الفائق (مثلاً، تحليل “صفيف الجينية الاصطناعية”، أو SGA) لتحديد التفاعلات الوراثية الجينوم على نطاق المنظومة في مهدها الخميرة، وقد توسعت للاستخدام في انشطار الخميرة5،6. مثل هذا النهج كثيرا ما تعتمد على مكتبة سلالات تحتوي على كل واحد ترميز البروتين مجدية الجينات الحذف (طفرات الحذف فرداني حوالي 3,300 تغطي أكثر من 92% جينوم الخميرة الأنشطار)، وتتطلب ذراع إليه لأداء الصلبان الوراثية بين سلالة من الفائدة وجميع سلالات الممكنة في library6. علاوة على ذلك، SGA تقنيات تعتمد على قدرة سلالات المكتبة أن يكون التزاوج سليمة وفعالة، وتتميز النمط الظاهري الذي حاليا غير طبيعي إلى 444 الجينات في بومبي س.2.
وعلى الرغم من تعقيد التفاعلات الجينية، مقارنة النمط الظاهري من سلالة تحمل طفرات في اثنين من الجينات للنمط الظاهري سلالات اثنين تحمل الطفرات الفردية لكل الجينات يمكن أن يكون واحداً من اثنين من النتائج الجديرة بالذكر: 1) النمط الظاهري متحولة مزدوجة أسوأ من تعمل الأبوية المضاعف المتوقع في شكل مرض، أو في الحالة الأكثر تطرفاً، القدرة على الفتك. هذا يشار إلى وجود تفاعل وراثية سلبية، وهو علامة على أن تتصرف اثنين من الجينات في مسارات بيولوجية موازية عموما. 2) النمط الظاهري متحولة مزدوج أفضل من الجمع بين الوالدين تعمل، المعروف أيضا تفاعل إيجابي وراثية المتوقعة. تفاعل إيجابي وراثية مثيرة للاهتمام لا سيما لأنها تشير إلى أن هذه الجينات تعمل في نفس العملية. اثنين من الجينات التفاعل إيجابيا علاقات محتملة ثلاثة: مورثة متحولة قد تصل-تنظيم التعبير عن الجينات الأخرى في مسار مواز، قد تعمل اثنين من الجينات في الحفل ضمن المسار نفس المصب من بعضها البعض، أو ترميز الجينات اثنين البروتينات التي تتفاعل مباشرة مع بعضها البعض. ولذلك، يمكن استخدام التفاعلات الجينية الإيجابية لخريطة الجينات العقد التنظيمي وتصنيف الجينات أونتشاراكتيريزيد في المسارات البيوكيميائية7،8.
القامع هو الطفرات التي يمكن أن تخفف من النمط الظاهري المرض من تحور الجين آخر، عادة ما تمثل وراثية تفاعل إيجابي بين9،اثنين من الجينات10. وتعرف الطفرات القامع على موضع مختلف عن الطفرة أنها قمع المكثفات اكستراجينيك. وذات قيمة خاصة في دراسة الطفرات الوراثية غير قادر على الاستمرار بإنقاذ صناعيا الفتاكة النمط الظاهري (يعرف أيضا باسم تأثير لازاروس)11. كما أن لها تطبيقات علاجية محتملة في علاج الأمراض الوراثية12،13.
لكل هذه الأسباب، تم تحديد الطفرات القامع في مختلف نموذج الكائنات تستخدم على نطاق واسع لتسهيل فهمنا لمختلف المسارات البيوكيميائية14،،من1516. فحص المكثفات يستند عادة على النمط الظاهري للطفرة في السؤال، ويتطلب إجراء الطفرات العشوائية لعزل الطفرات التي من شأنه أن يخفف النمط الظاهري. وقد أنشأت تقريبا كل نموذج الكائنات أساليب الطفرات العشوائية. على سبيل المثال، N-إيثيل-ن-نيتروسوريا (ENU) واثيلميثانيسولفوناتي (EMS)، والمطفرات اثنين التي هي قادرة على استحثاث الطفرات في الحمض النووي، وهي تستخدم على نطاق واسع في نماذج مختلفة من البكتيريا للفئران17،،من1819 . وباﻹضافة إلى ذلك، كلوريد المنغنيز طالما استخدمت في الخمائر لقدرة الموجبة المنغنيز تمنع الحمض النووي إصلاح مسارات20. نهج مشترك آخر هو الطفرات المستحثة بالأشعة فوق البنفسجية، الذي يولد على نطاق الجينوم مطفرة بيريميدين dimers21،22.
على الرغم من أن قد تم استغلال الطفرات الكيميائية التعرف على الطفرات القامع شعبية، الأسلوب يحتوي على العديد من العوائق، بما في ذلك استخدام المواد الكيميائية الخطرة ومعدلات نجاح عالية المتغير، والأخذ بالمتغيرات التباس إضافية وعرض الآثار الجانبية السلبية مطفر في العمليات الخلوية متعددة،من2324. بالإضافة إلى ذلك، يدفع الطفرات الكيميائية غالباً متعددة الطفرات في الجينوم الذي يضيف إلى تعقيد استخدام الوراثية وتقنيات التسلسل لتحديد الطفرة الدقيقة التي تمنح النمط الظاهري القامع في الكائن الحي25.
لمعالجة أوجه قصور النهج الطفرات الحالية، نقدم طريقة إلى الشاشة للطفرات العفوية القامع في انشطار الخميرة التي لا تعتمد على أي المطفرة أو مكتبة حذف. الأسلوب الذي يعزل المكثفات من خلال مقايسة تحديد إيجابي. يستند مبدأ هذا الأسلوب ميزة النمو يتدنى القامع تحور في الثقافة السائلة، التي يمكن رصدها بقارئ لوحة الآلي. التزاوج والانقسام الاختزالي تستخدم فقط إذا كان أحد يود أن تنظيف الخلفية الجينية أو تأكيد وجود الآليلات monogenic المكثفات قبل تسلسل الجينوم كلياً. النمط الظاهري القامع إذا كان النمط الظاهري قمع سببه طفرة واحدة، سيتم فصل 2:2 بعد باككروسينج مع السلالات الأبوية. يمكن ثم تحديد الطفرات القامع استخدام تسلسل الجينوم كلياً. ونحن نقترح أن هذا الأسلوب الواجب التطبيق لفحص المكثفات في جميع الكائنات الحية الدقيقة التي يمكن أن تنمو لعدد كبير من سكان في ثقافة السائل.
البروتوكول هو موضح هنا يمثل الرواية وشاشة بسيطة للطفرات العفوية القامع لا يمكن اكتشافها من خلال استرداد المظهرية من الطفرات التي تخول النمو البطيء في انشطار الخميرة، النمط الظاهري مميزة لما يزيد على 400 الجينات في بومبي س.، الدالة للكثير منها ما زال غير معروف2،32. الأساليب السابقة اتخذت نهج أخرى للشاشة للطفرات القامع في الكائنات الحية الدقيقة، بما في ذلك استخدام والمطفرات21، أو تطبيق درجة حرارة التحول في الخلفيات متحولة حساسة لدرجة الحرارة33. وفي المقابل، يظهر هذا البروتوكول أن الانتعاش المظهرية يحدث دون تدخل البيئية الكيميائية الإضافية، ويسلط الضوء على اللياقة البدنية وميزة ظهور الطفرات قمع الاستيلاء في نهاية المطاف على الموارد المتاحة في السائل الثقافة. تسمح هذه الشاشة عزلة المكثفات تجاوز أو المكثفات التفاعل لأنها فعالة بالنسبة لكل الطفرات الخسارة من دالة مثل elf1∆ أو fal1∆ والطفرات مثل clr6-1، ما دام ذلك طفرات إظهار عيوب اللياقة البدنية في ثقافة السائل.
حتى الآن، أظهرت جميع سلالات S المستردة التي كنا قد حققت درجات متفاوتة من الانتعاش المظهرية. كما كشف عن طريق معبر الوراثية، النمط الظاهري المستردة يعزى إلى عنصر واحد وراثية والموروثة (الأمثلة هو مبين في الشكل 2). هذا هو واحد من أهم مزايا هذا الأسلوب مقارنة بالشاشات القامع المستندة إلى المادة الكيميائية أو المستندة إلى الأشعة فوق البنفسجية، التي كثيرا ما تستهدف المكاني الجينوم متعددة. ومن الشائع لمراقبة واحد أو اثنين من المستعمرات استردادها من أصل 16 المستعمرات/سلالة (حوالي 10%) في غضون أسبوع واحد. ومع ذلك، نحن فعلت إشعار التقيد بطفرات معينة، مثل فقدان الوظيفة Rrp6، فرعية اكسوسومي النووية الخاصة، تسترد ابدأ إلى معدل النمو تقريبا البرية من نوع في الخلايا elf1Δ 31. ومن المرجح أن وظيفة Rrp6 يمكن فقط الحصول على تعويض جزئي من المكثفات، خلافا لوظيفة أخرى طفرات اختبارها، بما في ذلك fal1∆، التي تبين أن يسبب عيب هو الالتهاب من خلال وظيفة هامة في تنظيم الربط34. ونحن نعتقد أن القامع البديلة فحص أساليب ستكون خاضعة لنفس المشكلة عندما يفج أدوار فريدة من نوعها، وعدم الاستبدال في نمو الخلايا.
قبل تنفيذ تسلسل الجينوم، الأمثل الخلف عبر المستعمرات phenotypically المستردة، حددت من اللوحة-القارئ، ومع الضغوط الوالدية لمسح الخلفية الوراثية والحصول على replicates البيولوجية. وباﻹضافة إلى ذلك، يحدد تسلسل العميق الجامع-الجينوم مئات التغييرات النوكليوتيدات واحدة، معظمها ليست متطابقة بين replicates البيولوجية التي تحظى باهتمام ضئيل للفحص. على سبيل المثال، وجدنا ما مجموعة 660 التعديلات الجينية عبر جميع الكروموسومات ثلاثة بين اثنين elf1Δ ف وخمس سلالات S مختلفة (الشكل 3). ونحن لم عادة يلاحظ الطفرات متماثلة بين التسلسل البيولوجية وإنشاء نسخ متماثلة لكل سلالة، مما يوحي بأن الطفرات الجديدة قد تنشأ خلال استزراع الخلايا elf1Δ قبل بناء مكتبة الجينوم أو قد تكون أخطاء عشوائية وعرض خلال بناء مكتبة وتسلسلها. ومن ثم عزل الطفرات التي تتسق عبر replicates البيولوجية جانبا مهما في تحديد المكثفات باستخدام تسلسل الجينوم كل نجاح.
حددنا وأكد المكثفات اثنين في مناطق الأقراص المدمجة في خمس سلالات S متسلسلة. على الرغم من أن تم الكشف عن الطفرات في SPBPJ4664.02 في S-A1 و S A2 سلالات، أنه من المستبعد أن SPBPJ4664.02 هو القامع صالحة لأن S-A1 و S A2 لا تتضمن القامع في نفس الجين كما أنها ليست متكاملة مع بعضها البعض ( البيانات لا تظهر). ونحن أيضا لم تؤكد rli1 في S-A3، وعدم فصل يشترك مع النمط الظاهري S عندما باككروسيد مع elf1Δ. وبدلاً من ذلك، وجدنا طفرات محددة في مناطق غير الترميز S-A1, S-A2 و S-A3. فمن الممكن أن هذه المناطق الجينوم غيرت الترميز غير التخفيف من النمط الظاهري elf1Δ ، التي سيجري تناولها في دراساتنا المستقبلية. مقارنة بالطرق التقليدية مثل مقايسة ربط، الذي قد يستغرق سنوات لخريطة طفرة جينية، حددنا المكثفات اثنين خلال شهرين بعد التأكد من أن عنصر مونوجينيك بسبب النمط الظاهري S. مع التطور السريع للتكنولوجيا تسلسل الجينوم كلياً، نحن متفائلون بأن هذا الأسلوب سوف تكون أكثر فعالية لتحديد الطفرات الوراثية متسقة في المستقبل المنظور.
وباختصار، يوفر هذا البروتوكول توجيهات خطوة بخطوة لتحديد الطفرات القامع لأي الجينات للفائدة مع وجود خلل النمو البطيء في ثقافة السائل بنجاح. البساطة من هذا الفحص يسمح بفحص واسعة النطاق متعددة الخلفيات الوراثية للفائدة مع القليل من التدريب العملي. هناك مجال زيادة أتمتة العملية باستخدام روبوت مناولة سائل لإجراء تخفيف اليومية. منذ التلاعب مختبر الكائنات الدقيقة يتطلب حتما النمو في الثقافة السائل، وهي عملية التي من طبيعتها انتقائية للياقة البدنية، فإننا نقترح أن هذا البروتوكول يمكن أن تطبق على نطاق واسع للكائنات نموذج السكانية الكبيرة الأخرى مثل البكتيريا و أنواع أخرى من الخميرة.
The authors have nothing to disclose.
وأيد هذا العمل بالمعهد العامة الطبية العلوم الوطنية، منح 1R15GM119105-01 إلى K.Z. ونحن نشكر كافة المراجعين للتعليقات الثاقبة. ونشكر أيضا جيمس تاكر، أليسيا أندرسون، إليزابيث الأسود وغلين Marrs للمناقشة والتعليقات على هذه المخطوطة.
Adenine, Powder | Acros Organics | 147441000 | Use at 75 mg/L to make liquid and solid rich media (YEA) |
Bacteriology Petri Dish | Corning, Falcon | C351029 | 100×15mm, use to grow strains to single colonies on solid rich media |
D-Glucose Anhydrous, Powder | Fisher Chemical | D16-1 | Use at 30 g/L to make liquid and solid rich media (YEA) |
Difco Agar, Granuated | Becton, Dickinson and Co. | 214530 | Use at 20 g/L to make solid rich media (YEA) |
DNA extraction buffer | 2% Triton X-100, 1% SDS, 100 mM NaCl, 10 mM Tris-Cl (pH 8.0), 1mM Na2-EDTA | ||
Focused-ultrasonicator | Covaris Inc. | S220 | Alternatively, use QSonica Q800R sonicator/DNA and chromatin shearing system |
Gen5 Data Collection and Analysis Software | Biotek, Inc. | GEN5SECURE | Or equivalent, must be compatible with the micro-plate reader, use to export data readings from the micro-plate reader |
Hydrochloric Acid 1N, Liquid | Fisher Chemical | SA48-4 | Use to adjust pH to 5.5 in liquid and solid rich media |
Liquid Rich Media (liquid YEA) | 30 g/L D-Glucose, 5 g/L Yeast Extract, 75 mg/L Adenine, pH adjusted to 5.5 with 1 M HCl | ||
Microplate Reader, Synergy H1 Hybrid Multi-Mode Reader | Biotek, Inc. | BTH1MG | Or equivalent, must read visible light at 600nm wavelength range |
Rich Media agar plates (YEA plates) | 30 g/L D-Glucose, 5 g/L Yeast Extract, 75 mg/L Adenine, 20 g/L Agar, pH adjusted to 5.5 with 1 M HCl. | ||
RNase A/T1 mix | Thermo Fisher Scientific | EN0551 | Use according to manufacturer recommendation |
Sterile Polystyrene Inoculating Loop | Corning, Inc. | OS101 | Or equivalent, use to transfer colonies from agar plates to 96-well plate |
Sterile workspace and burners | |||
Tissue Culture Plate, 96-well Optical Flat Bottom with Low Evaporation Lid | Corning, Falcon | C353072 | Or equivalent, must have optical flat bottom for micro-plate ready |
TruSeq DNA PCR-Free LT/HT Library Prep Kit | Illumina, Inc. | 20015962 | Use to prepare the whole-genome sequencing library |
Yeast Extract, Powder | Fisher Chemical | BP1422-500 | Use at 5 g/L to make liquid and solid rich media (YEA) |