Wij presenteren een eenvoudige suppressor scherm protocol in kernsplijting gist. Deze methode is efficiënt, mutageen-vrije en selectieve voor mutaties die vaak bij een enkele genomic locus voorkomen. Het protocol is geschikt voor het isoleren van suppressors die verlichten van gebreken van de groei in vloeibare cultuur die worden veroorzaakt door een mutatie of een drug.
Een genetische scherm voor mutant allelen die fenotypische defecten veroorzaakt door een mutatie onderdrukken is een krachtige aanpak om genen die deel uitmaken van nauw verwante biochemische pathways te identificeren. Vorige methoden zoals de synthetische genetische Array (SGA) analyse en willekeurige mutagenese technieken met behulp van ultraviolet (UV) of chemische stoffen zoals ethyl methanesulfonate (EMS) of N-ethyl-N-nitrosourea (ENU), hebben op grote schaal gebruikt, maar zijn vaak kostbaar en moeizaam. Ook deze mutagen gebaseerde screeningmethoden worden vaak geassocieerd met ernstige bijwerkingen op het organisme, inducerende meerdere mutaties die aan de complexiteit toevoegt van het isoleren van de suppressors. Hier presenteren we een eenvoudige en effectieve protocol ter identificatie van de suppressor mutaties in mutanten die een defect van de groei in de Schizosaccharomyces pombe verlenen. De geschiktheid van cellen met een deficiëntie van de groei in standaard rijke vloeibare media of synthetische vloeibare media kan voor herstel met behulp van een geautomatiseerde 96-Wells-afleesapparaat over een langere periode worden gecontroleerd. Zodra een cel een mutatie suppressorgenen in de cultuur verwerft, outcompete de afstammelingen die van de ouderlijke cellen. De herstelde cellen die een concurrerende groei voordeel opzichte van de ouderlijke cellen ten kunnen vervolgens worden geïsoleerd en backcrossed met de ouderlijke cellen. De suppressor mutaties worden vervolgens geïdentificeerd met behulp van geheel-genoom sequencing. Met behulp van deze aanpak, hebben wij meerdere suppressors die verlichten van de ernstige groei defecten veroorzaakt door verlies van Elf1, een AAA + familie ATPase dat is belangrijk in nucleaire mRNA transport en onderhoud van genomic stabiliteit met succes geïsoleerd. Er zijn momenteel meer dan 400 genen in S. pombe met mutanten toekenning van een defect van de groei. Zoals velen van deze genen genfunctieonderzoek, stellen wij voor dat onze werkwijze de identificatie van nieuwe functionele interacties met deze gebruiksvriendelijke, hoge-doorvoer aanpak zal bespoedigen.
De basis van het begrip functionele banden tussen genen, is afhankelijk van het vermogen om te identificeren van de moleculaire mechanism(s) waarmee complexe genetische eigenschappen afwijken om te produceren verschillende fenotypes1. In de kernsplijting gist, Schizosaccharomyces pombe (S. pombe), zijn de meerderheid van de eiwit-codeert genen overbodig voor levensvatbaarheid2. Dit resultaat spreekt niet aan de unimportance van deze genen, maar eerder aan de ingewikkelde compenserende mechanismen ten grondslag liggen aan de biochemische trajecten die dergelijke genen behoren. Ontrafeling van deze compenserende mechanismen heeft geleid tot Epistasie kaarten, die hebben ontdekt uitgebreide genetische interacties en verbreed van ons begrip van functionele biochemische pathways,3,4.
High-throughput methoden (bijvoorbeeld synthetische genetische matrix analyse of SGA) zijn ontwikkeld om te identificeren van genoom-brede genetische interacties in de ontluikende gist, en hebben uitgebreid voor gebruik in kernsplijting gist5,6. Dergelijke benaderingen vaak afhankelijk van een bibliotheek van stammen met alle haalbare één eiwit-codeert genen verwijderingen (ongeveer 3300 haploïde schrapping mutanten die betrekking hebben op meer dan 92% van het genoom van de gist kernsplijting), en vereisen een robotachtig wapen voor het uitvoeren van de genetische kruisen tussen de stam van belang en alle mogelijke stammen in de library6. Further, SGA technieken afhankelijk van de mogelijkheid van bibliotheek stammen om adequate en doeltreffende paring, een fenotype dat abnormale tot 444 momenteel gekenmerkt genen in S. pombe2.
Ondanks de complexiteit van genetische interacties, vergelijken van het fenotype van een stam mutaties in twee genen aan het fenotype van twee stammen, uitvoering van individuele mutaties van elk gen draagt annuleerteken zijn men van twee opmerkelijke resultaten: 1) het dubbele mutant fenotype is erger dan de verwachte multiplicatieve ouderlijke fenotypen in de vorm van de ziekte of, in het meest extreme geval letaliteit. Dit wordt aangeduid als een negatieve genetische interactie, en is over het algemeen een teken dat de twee genen in parallelle biologische trajecten handelen. 2) het dubbele mutant fenotype is beter dan de verwachte combinatie van ouderlijke fenotypen, ook bekend als een positieve genetische interactie. Een positieve genetische interactie is bijzonder interessant omdat het aangeeft dat deze genen in hetzelfde proces functioneren. Twee positieve interactie genen hebben drie potentiële relaties: een gemuteerde gen kan de expressie van het andere gen in een parallelle weg omhoog-regelen, de twee genen kunnen werken in onderling overleg binnen de zelfde pathway stroomafwaarts van elkaar of de twee genen coderen eiwitten die directe interactie met elkaar. Daarom kunnen positieve interacties van genetische kaart gene regelgevende knooppunten te classificeren genfunctieonderzoek genen in biochemische pathways7,8worden gebruikt.
Een suppressor is een mutatie die kan verlichten het fenotype van de ziekte van de mutatie van een gen, meestal vertegenwoordigt een positieve genetische interactie tussen de twee genen9,10. Suppressor mutaties op een verschillende locus van die van de mutatie die ze onderdrukken staan bekend als extragenic suppressors. Ze zijn vooral waardevol analyse van niet-levensvatbare genetische mutaties door middel van synthetisch redden van de dodelijke fenotype (ook bekend als het Lazarus effect)11. Ze hebben ook potentiële therapeutische toepassingen bij de behandeling van erfelijke ziekten12,13.
Om al deze redenen, is de identificatie van de suppressor mutaties in verschillende modelorganismen wijd gebruikt om ons begrip van de verschillende biochemische pathways14,15,16. Screening voor suppressors is meestal gebaseerd op het fenotype van de mutatie in kwestie en is vereist voor het uitvoeren van willekeurige mutagenese om te isoleren van de mutaties die het fenotype verlichten zou. Bijna alle modelorganismen hebben gevestigde willekeurige mutagenese methoden. Bijvoorbeeld, N-ethyl-N-nitrosourea (ENU) en ethylmethanesulfonate (EMS), twee mutagene agentia die staat inducerende punt mutaties in DNA, algemeen werkzaam zijn in diverse modellen van bacteriën tot muizen17,18,19 . Bovendien, is mangaan chloride lang gebruikt in gisten voor het vermogen van de mangaan catie voor de remming van de DNA repair pathways20. Een andere gemeenschappelijke benadering is UV-geïnduceerde mutagenese, die genoom-brede mutagene pyrimidine-Dimeren21,22 genereert.
Hoewel het gebruik van chemische mutagenese te identificeren suppressor mutaties zijn populair geweest, heeft de methode veel nadelen, met inbegrip van het gebruik van gevaarlijke chemische stoffen, zeer variabel slagingspercentages en de invoering van extra storende variabelen gepresenteerd door de negatieve bijwerkingen van de mutagene stof op meerdere cellulaire processen23,24. Bovendien, induceert chemische mutagenese vaak meerdere mutaties in het genoom die wordt toegevoegd aan de complexiteit van het gebruik van genetische en sequencing technieken om te identificeren van de exacte mutaties die het fenotype van de suppressor in het organisme25 verleende.
Om de tekortkomingen van de huidige aanpak van de mutagenese, presenteren we een methode om scherm voor spontane suppressor mutaties in kernsplijting gist die niet afhankelijk is van een mutageen of een bibliotheek verwijderen. De methode isoleert suppressors via een positieve selectie assay. Het uitgangspunt van deze methode is gebaseerd op het voordeel van de groei van de gemuteerde suppressor subpopulatie in de vloeibare cultuur, die kan worden gecontroleerd door een geautomatiseerde afleesapparaat. Paring en meiose worden alleen gebruikt als men willen zou opruimen van de genetische achtergrond of de aanwezigheid van monogeen allelen van suppressors voor geheel-genoom sequencing bevestigen. Als de onderdrukking fenotype wordt veroorzaakt door een enkele mutatie, zal het fenotype suppressor 2:2 scheiden na backcrossing met de ouderlijke stammen. De suppressor mutaties kunnen vervolgens worden vastgesteld met behulp van geheel-genoom sequencing. Wij stellen voor dat deze methode is van toepassing voor het screenen van suppressors in alle micro-organismen die tot een grote populatie in vloeibare cultuur groeien kunnen.
Het protocol beschreven hier vertegenwoordigt een roman en eenvoudige scherm voor spontane suppressor mutaties aantoonbaar door fenotypische herstel van mutaties overdracht van trage groei in kernsplijting gist, een fenotype karakteristiek van meer dan 400 genen in S. pombe, de functie van veel van die blijft onbekend2,–32. Vorige methoden hebben andere benaderingen te screenen voor suppressor mutaties in micro-organismen, met inbegrip van het gebruik van mutagenen21, of de toepassing van een verschuiving van de temperatuur in temperatuurgevoelige mutant achtergronden33genomen. In tegenstelling, blijkt dit protocol dat fenotypische herstel treedt op zonder extra milieu/chemische inmenging en hoogtepunten van het voordeel van de geschiktheid van de opkomst van onderdrukking mutaties uiteindelijk op de overname van de beschikbare middelen in vloeistof cultuur. Dit scherm staat de isolatie van zowel bypass suppressors of interactie suppressors, omdat het is effectief voor beide mutaties van de verlies-van-functie zoals elf1∆ of fal1∆ en puntmutaties zoals clr6-1, zolang de mutanten fitness gebreken in vloeibare cultuur tonen.
Alle herstelde S stammen die we hebben onderzocht gebleken tot nu toe wisselend van fenotypische herstel. Opgespoord door middel van genetische kruising, het herstelde fenotype is toe te schrijven aan een enkel element van de genetische en erfelijke (voorbeelden afgebeeld in Figuur 2). Dit is een van de belangrijkste voordelen van deze methode ten opzichte van chemische-gebaseerde of op basis van UV suppressor schermen, die vaak meerdere genomic loci richten. Het is gebruikelijk om het observeren van een of twee kolonies teruggewonnen uit 16 kolonies/stam (ongeveer 10%) binnen een week. Nochtans, merkte we dat bepaalde mutanten, zoals de verlies-van-functie van Rrp6, de nucleaire-specifieke exosome subeenheid, nooit hersteld tot de groei van bijna wild-type in elf1Δ cellen31 waargenomen. Het is waarschijnlijk dat de functie van Rrp6 kan alleen worden gedeeltelijk gecompenseerd door suppressors, in tegenstelling tot de functie van de andere mutanten getest, met inbegrip van fal1∆, die bleek te veroorzaken een ernstige Meiotische defect door haar belangrijke functie in regelgevende splicing34. Wij zijn van mening dat alternatieve suppressor screeningmethoden zou onderworpen aan hetzelfde probleem als yfg unieke, niet-vervangbare rollen in celgroei heeft.
Voordat u genomic volgorde uitvoert, is het optimaal aan rug-cross de fenotypische herstelde kolonies, geïdentificeerd uit de plaat-lezer, met de ouderlijke stammen om de genetische achtergrond en verkrijgen van biologische wordt gerepliceerd. Daarnaast geeft diep geheel-genoom sequencing honderden één nucleotide wijzigingen, waarvan de meeste zijn niet identiek tussen biologische wordt gerepliceerd die van weinig belang voor de screening. Bijvoorbeeld, vonden we een totaal van 660 genomic veranderingen over alle drie chromosomen tussen de twee elf1Δ P en de vijf verschillende S stammen (Figuur 3). Wij deden niet algemeen respecteren identiek mutaties tussen gesequenceerd biologische repliceert van elke stam, suggereren dat nieuwe mutaties voordoen tijdens het kweken van elf1Δ cellen vóór genomic bibliotheek bouw of willekeurige fouten kunnen worden tijdens de bouw van de bibliotheek en sequentiebepaling geïntroduceerd. Vandaar, isoleren van mutaties die over biologische replicatieonderzoeken stroken is een belangrijk aspect bij het succesvol identificeren van suppressors met behulp van geheel-genoom sequencing.
We geïdentificeerd en twee suppressors in vijf gesequenceerd S stammen regio cd’s bevestigd. Hoewel mutaties in SPBPJ4664.02 werden ontdekt in zowel S-A1 en S-A2 stammen, is het onwaarschijnlijk dat SPBPJ4664.02 een geldige suppressor is omdat S-A1 en S-A2 niet een suppressor op hetzelfde gen bevatten als ze niet met elkaar (complementaire gegevens niet worden weergegeven). Wij deed ook niet bevestigen rli1 in S-A3, die niet samen met het fenotype van S scheiden deed als backcrossed met elf1Δ. Anderzijds vonden we specifieke mutaties in niet-codeert gebieden in S-A1, S-A2 en S-A3. Het is mogelijk dat deze veranderde niet-coderende genomic regio’s verlichten het fenotype van de elf1Δ , die zal worden behandeld in onze toekomstige studies. In vergelijking met traditionele methoden, zoals een koppeling assay, die jaren duren kan om een genetische mutatie kaart, we twee suppressors geïdentificeerd binnen twee maanden nadat u hebt bevestigd dat een monogeen element het fenotype S veroorzaakt. Met de snelle ontwikkeling van geheel-genoom sequencing technologie zijn we optimistisch dat deze methode efficiënter te identificeren van consistente genetische mutaties in de nabije toekomst zal zijn.
Kortom biedt dit protocol stapsgewijze instructies voor het succesvol identificeren van mutaties van de suppressor voor een gen van belang met een langzaam groeiende gebrek in vloeibare cultuur. De eenvoud van deze test zorgt voor het grootschalig onderzoek van meerdere genetische achtergronden van belang met weinig hands-on opleiding. Er is ruimte om het proces verder te automatiseren met behulp van een liquid handling robot uit te voeren van de dagelijkse verdunningen. Aangezien laboratorium manipulatie van micro-organismen vereist onvermijdelijk groei in vloeibare cultuur, een proces dat is inherent selectief voor fitness, stellen wij voor dat dit protocol in grote lijnen kan worden toegepast op andere grote-populatie modelorganismen zoals bacteriën en andere soorten gist.
The authors have nothing to disclose.
Dit werk werd gesteund door de National Institute of General Medical Sciences, subsidies 1R15GM119105-01 tot en met K.Z. Wij danken Alle reviewers voor inzichtelijke commentaar. Wij danken ook James Tucker, Alicia Anderson, Elizabeth zwart en Glen Marrs voor de discussie en commentaar op dit manuscript.
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) |