Neste artigo, nós apresentamos dois métodos complementares para medir taxas específicas do erro translacional e do Tradução no modelo Mycobacterium, smegmatis do Mycobacterium, usando sistemas do repórter do ganho–função. Os métodos podem ser empregados para medir taxas de erro precisas em baixa taxa de transferência ou taxas de erro relativas em uma configuração mais alta taxa de transferência.
A tradução de genes em proteínas é propensa a erros. Embora a taxa média de erro translacional em sistemas modelo seja estimada em 1/10000 por Codon, as taxas de erro reais variam muito, dependendo da espécie, do ambiente e dos códons estudados. Nós mostramos previamente que os micobactérias usam um caminho de duas etapas para a geração de tRNAs aminoacylated do glutamina e do asparagina e que este está associado especificamente com as taxas de erro relativamente elevadas devido à modulação de taxas do Tradução por um componente essencial da via, a amidotransferase GatCAB. Nós modificamos um sistema previamente empregado da duplo-luciferase do renilla-Firefly que fosse usado para medir taxas do tradução em Escherichia coli para o uso nas micobactérias para medir taxas de tradução específicas do glutamato na glutamina códons e aspartato para códons de asparagina. Embora este sistema do repórter fosse apropriado para a estimativa exata de taxas de erro específicas, a falta da sensibilidade e das exigências para etapas de manipulação excessivas fêz impróprio para aplicações da elevado-taxa de transferência. Conseqüentemente, nós desenvolvemos um segundo sistema do repórter do ganho–função, usando o luciferase de nluc e a proteína fluorescente verde (GFP), que é mais passíveis às configurações do Medium/high-throughput. Nós usamos este sistema para identificar o casugamicina como uma molécula pequena que possa diminuir o mistranslation Mycobacterial. Embora os repórteres que nós descrevemos aqui sejam usados para medir tipos específicos de tradução Mycobacterial, podem ser modificados para medir outros tipos de tradução em um número de sistemas modelo.
O fluxo de informações em biologia molecular requer a tradução de informações genéticas para proteínas funcionais. Como em todos os sistemas biológicos, a tradução genética também envolve erros mensuráveis. As estimativas das taxas de erro na tradução são tipicamente citadas como aproximadamente 1/10000 por Codon (revisada por Ribas de Pouplana et al.1). Entretanto, as taxas de erro variam extensamente, de menos de 10-5 a mais de 0.05/Codon1,2,3,4,5. A ampla gama de taxas de erro, abrangendo mais de três ordens de magnitude, é devido ao fato de que os erros podem surgir a partir de várias etapas na via de Tradução: a partir de erros estocásticos, mutacionais, ou induzida por estresse na aminoacilação6, 7 º de , 8 anos de , 9 anos de , 10, misacylation physiological de asparaginyl-e glutaminyl-tRNAs5, ou erros ribosomal da decodificação2,3,11. As taxas de erro mensuravelmente elevadas, representando sobre 0.01/Codon, sugeriram que os erros translacional possam executar funções physiological1,12 e esse tradução pode ser contexto-específico13.
Nós e outros temos demonstrado que erros de ocorrência natural na tradução gênica podem ser adaptativos, especialmente durante o estresse ambiental1,5,12,14,15,16 ,17,18. Em micobactérias, os erros gerados pela via indireta de duas etapas de glutamina/asparagina tRNA aminoacilação19,20 resultam em uma tolerância notavelmente aumentada para a rifampicina antibiótica antituberculose de primeira linha 5. Conseqüentemente, nós especulamos que diminuir o tradução Mycobacterial com uma molécula pequena pode potenciar a matança pela rifampicina. Nós selecionamos para e identificamos o casugamicina do aminoglicosídeos de ocorrência natural como um composto que poderia diminuir o mistranslation Mycobacterial, potenciar a matança Rifampicin-negociada das micobactérias in vitro e in vivo21, e limitamos o emergência da resistência21do rifampicina, que ameaça o controle global da tuberculose22 -o micróbio patogénico o mais mortal do mundo.
Para estudar o erro translacional, os métodos para a medida do tradução têm que ser empregados. Existem vários métodos que foram desenvolvidos para a medição da desconfiança, cada um com vantagens e desvantagens. Brevemente, métodos baseados em espectrometria de massa de precisão têm várias vantagens, o mais importante é que, com algoritmos mais recentes para a detecção de vários tipos de erro translacional, uma medida relativamente imparcial de tradução pode ser realizada18. No entanto, a espectrometria de massas não é muito adequada para a mensuração de eventos de desconfiança de deamidação — precisamente o tipo de desconfiança que ocorre em micobactérias devido à via de aminoacilação indireta de tRNA propensa a erros. Isso ocorre por causa da deamidação não enzimática de alta frequência que se dá no processamento de amostras para espectrometria de massas23, resultando em um sinal de fundo extremamente alto. Portanto, para a detecção de erros nesta via, os repórteres genéticos de ganho de função oferecem vantagens distintas. Especificamente, os repórteres de ganho de função adequados podem ter taxas de fundo extremamente baixas, permitindo a medição de taxas de erro muito baixas11.
Uma vez que a realização de experimentos com Mycobacterium tuberculosis patogénicos requer instalações especializadas e precauções extras, realizamos a maioria das experiências na Mycobacterium M. smegmatis não patogênicas — e mostramos anteriormente que os resultados entre as duas espécies são amplamente comparáveis5,21. Para mensurar as taxas de desconfiança em micobactérias geradas pela via indireta de aminoacilação de tRNA, modificamos um sistema de dupla luciferase de Renilla-Firefly que havia sido previamente desenvolvido para medir erros de decodificação ribossomal em E. coli 11 para uso em micobactérias. Fizemos três modificações específicas: o repórter original não expressava de forma eficiente em micobactérias e, portanto, a sequência foi otimizada para o Codon, e o C-terminal três aminoácidos da luciferase do vagalume, serina-lisina-leucina, que foi anotado como um sinal de tráfico em alguns sistemas24, foi modificado para isoleucina-alanina-valina25. O repórter original teve um resíduo crítico do lisina no luciferase do Firefly Mutated. Em vez disso, mutou-se um resíduo de aspartato (D120) ou glutamato (E144), criticamente conservado, na Renilla luciferase para asparagina e glutamina, respectivamente25 (Figura 1). O repórter foi subclonado no plasmídeo pUV-tetOR epissomal tetraciclina-inducible (ver tabela de materiais). Repórteres de ganho de função mutam resíduos funcionais criticamente conservados em enzimas/proteínas fluorescentes que os tornam não funcionais11,12. Os erros translacionais (ou teoricamente, transcricionais) que sintetizam a variante funcional da proteína resultarão em atividade enzimática mensurável em um subconjunto de proteínas traduzidas. Para corrigir para a variação na abundância da proteína, o repórter mutação é coexpressado com uma proteína funcional que actue como um benchmark e permita a quantificação exata do ganho–função11. Enquanto o repórter renilla-Firefly Dual-luciferase permitiu a mensuração exata das taxas de tradução micobacterianas específicas5,25 (Figura 2 e seção 1 do protocolo), nós rapidamente percebeu que não é adequado para a triagem média/alta taxa de transferência de moléculas que alterariam a taxa de desconfiança. Isto é devido principalmente a duas razões, a saber, a) a falta relativa de potência de renilla luciferase significou que um mínimo de 1 ml de cultura/amostra Mycobacterial foi exigido para medir taxas do tradução, e b) a exigência para o lysis das pilhas antes à medida da atividade de enzima exigiu a manipulação manual excessiva: as pilhas Mycobacterial têm uma parede e um envelope grossos e multi-camadas da pilha que seja relativamente resistente ao lysis. Portanto, procuramos desenvolver um novo sistema de repórter de ganho de função que pudesse ser usado com pequenos volumes (por exemplo, em um sistema de placas de 96 poços) e não necessitava de lise celular para medições. Utilizou-se a alta potência de nluc luciferase e identificou um resíduo crítico de aspartato que, quando transformado em asparagina, resultou em 2 registros de perda de função (Figura 1). Além disso, o tamanho pequeno de nluc permitiu-o de ter um Tag do sinal da secreção do N-terminal-do antígeno 85a, um antígeno secretado principal nos micobactérias27 -que permitiria que nluc seja secretado no sobrenadante da cultura e contorce a exigência para lise celular. A proteína de referência, GFP, foi expressa a partir do mesmo promotor que o nluc mutado, mas a partir de um vetor integrado (ver a tabela de materiais), e poderia ser medido em células intactas21 (Figura 3). Apesar destas vantagens, o repórter do nluc/GFP (seção 2 do protocolo) igualmente tem desvantagens: a redução relativamente modesta na atividade de nluc (100 vezes) com a mutação de D140N não permitiria a medida de taxas extremamente baixas do tradução, tornando o repórter mais adequado como uma ferramenta de triagem do que para as medições precisas de erro translacional. Além disso, nluc não tem resíduos críticos de glutamato; Conseqüentemente, somente as taxas de erro do asparagine-à-aspartato podiam ser medidas. Os princípios gerais descritos neste trabalho devem permitir que os pesquisadores usem esses repórteres como fizemos ou modificamos os repórteres conforme apropriado para uma medição precisa e/ou facile de outras taxas de erro translacionais específicas em seu sistema modelo de Escolha.
O protocolo descrito aqui pode ser adaptado para a medida de taxas de tradução em uma grande variedade de organismos. Há uma série de considerações que devem ser mantidas em mente ao adaptar o protocolo a outros sistemas. Primeiramente, a finalidade da medida deve ser considerada. Para a medição exata das taxas de desconfiança usando repórteres de ganho de função, o que é necessário é (a) um ensaio de leitura robusto (por exemplo, função enzimática [neste caso, atividade de luciferase] com uma ampla faixa linear). Também, procure (b) uma perda de mutação de função em um resíduo crítico da proteína do repórter que resulte em uma perda muito significativa da função, abaixo da taxa esperada de mistranslation. Por exemplo, se a taxa de desconfiança esperada a ser medida for aproximadamente 10-3/Codon, a perda de mutação de função precisa ser maior do que 1.000 vezes; caso contrário, o intervalo mais baixo de eventos de tradução não será detectado sensivelmente. Por último, para a medição exata das taxas de desconfiança usando repórteres de ganho de função, (c) é necessário um repórter de benchmark robusto-neste caso, luciferase Firefly para a seção 1 do protocolo. Idealmente, o repórter de referência deve ser fundido com o repórter enzimático mutado, garantindo (para todos os efeitos) que ambos são expressos em proporções equimolares. A leitura da referência (e do repórter preliminar) deve ser robusta às perturbações aos ambientes expostos. Por exemplo, a fluorescência do GFP de tipo selvagem é altamente suscetível à perturbação por alterações no pH28, tornando-a inadequada como referência para a mensuração das taxas de desconfiança em micobactérias fagocitadas em macrófagos, que residem em fagossomos que estão abaixo de pH 729. Por outro lado, para aplicações como a triagem de pequenas moléculas, as considerações mais importantes para uma tela primária será a reprodutibilidade das medições (ou seja, precisão, em oposição à precisão), a minimização do manuseio manual, e pequenas volumes de cultura. As medidas exatas das taxas de tradução são menos importantes e podem ser executadas como ensaios secundários. Finalmente, deve-se notar que os repórteres descritos neste protocolo, com base na função enzimática de enzimas luciferase, só irá medir as taxas de desconfiança média de uma população bacteriana, mas não pode dar informações sobre a heterogeneidade de célula única variação das taxas de desconfiança. Dada a importância da variabilidade de célula única em fenótipos adaptativos30,31,32, repórteres fluorescentes para a mensuração de eventos de tradução foram desenvolvidos12,33 , incluindo para a medida de tradução em micobactérias5.
Tendo considerado as exigências para a medida do tradução, deve-se notar que os repórteres do ganho–função genético tais como descritos neste protocolo podem somente medir um tipo de tradução (isto é, uma substituição do amino-ácido para um Codon) por repórter. Portanto, para a medição de diferentes eventos de desconfiança, vários repórteres são necessários. Por exemplo, para a mensuração da desconfiança por erros de decodificação ribossômica de códons quase cognatos por lysyl-tRNA em uma posição, pelo menos 16 repórteres são necessários2,3,11. A espectrometria de massas de alta precisão e a bioinformática permitem a identificação potencial de muitos tipos diferentes de eventos de tradução simultânea18; no entanto, esses métodos também vêm com ressalvas. Em geral, eles são menos precisos do que os repórteres de ganho de função. Além disso, como afirmado anteriormente, eles são menos adequados para a detecção de certos tipos de desconfiança, ou seja, aqueles que poderiam ser confundeados com desamidação não enzimática23. Finalmente, a espectrometria de massas não é adequada como uma leitura para triagem de média ou alta taxa de transferência.
Para a adaptação desses repórteres e protocolos para a medição da desconfiança em outros sistemas, considerações adicionais incluem uma expressão robusta do repórter no sistema de modelo desejado. Inicialmente, tentamos usar o sistema dual-luciferase desenvolvido por Farabaugh e colegas em nosso sistema Micobacteriano sem modificações, mas não teve sucesso, devido à falta de expressão de repórter. A solução de problemas extensiva identificou que a optimização do Codon e uma modificação pequena da seqüência dos repórteres foram exigidas para permitir a expressão robusta25 (e veja acima). É concebível que adaptações semelhantes dos repórteres seriam necessárias para uso em outros sistemas.
Finalmente, deve-se considerar o tipo de evento de desconfiança que está sendo medido. Por exemplo, se há uma necessidade de medir a readthrough do batente-Codon (supressão do absurdo), a perda do Codon da parada da mutação da função precisa de ser introduzida dentro de uma região não críticos da proteína preliminar do repórter34. Caso contrário, apenas eventos de supressão de absurdo específicos que recuperam o resíduo crítico (e, portanto, função de repórter) serão medidos pelo ensaio, o que potencialmente levaria a uma subestimativa substancial das taxas de verdadeira desconfiança. Há cada vez mais evidências de que o erro translacional desempenha um possível papel adaptativo em um grande número de organismos1,12,13,35. No entanto, a mensuração dos eventos de desconfiança ainda é limitada a um número pequeno, embora crescente de espécies modelo. A adaptação de métodos sensíveis para medir a desconfiança tem o potencial de aumentar ainda mais a compreensão dos cientistas sobre o papel do erro de tradução em fisiologia e patologia.
The authors have nothing to disclose.
Este trabalho foi em parte apoiado por subvenções da Fundação Bill e Melinda Gates (OPP1109789), a Fundação Nacional de ciência natural da China (31570129), e os fundos de start-up da faculdade de medicina da Universidade de Tsinghua para BJ BJ é um Wellcome Trust Investigador (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 |