Ce protocole décrit la méthode de piégeage de gènes mutagenèse insertionnelle utilisant Gal4-VP16 comme le journaliste primaire et GFP / DP en tant que reporters secondaires chez le poisson zèbre. Environ une personne sur dix co-exprimant haut exprimant F0 gène de rendement de piège à poissons progéniture GFP et DP. La procédure de criblage peut être facilement mis à l'échelle pour s'adapter à la taille du laboratoire effectuant l'écran de mutagenèse insertionnelle.
Grande taille de l'embrayage et du développement externe d'embryons de poisson zèbre optiquement transparents font un système de modèle vertébré exceptionnelle pour la mutagenèse par insertion in vivo en utilisant journalistes fluorescents pour marquer l'expression de gènes mutés. Plusieurs laboratoires ont construit et testé des vecteurs d'amplificateur et de piégeage de gènes chez le poisson zèbre, en utilisant des protéines fluorescentes, des activateurs de la transcription à base de lexA Gal4 et que les journalistes 1-7. Ces vecteurs ont deux inconvénients potentiels: rigueur optimale (par exemple, le manque de capacité de se différencier entre les événements d'amplificateur et de piégeage de gènes) et une faible mutagénicité (par exemple, les intégrations dans des gènes rarement produites allèles nuls). Gene rupture transposon (GBTS) ont été développés pour répondre à ces inconvénients 8-10. Nous avons modifié l'un des premiers vecteurs GBT, GBT-R15, pour une utilisation avec Gal4-VP16 comme le principal journaliste de piégeage de gènes et SAMU ajoutés: eGFP comme le journaliste secondaire pour la détection directe des événements de piège à gènes. Application de Gal4-VP16 comme le principal journaliste de piégeage de gènes offre deux avantages principaux. En premier lieu, il augmente la sensibilité de gènes exprimés à de faibles niveaux d'expression. Deuxièmement, il permet aux chercheurs d'utiliser des lignes de piégeage de gènes que les pilotes Gal4 à l'expression directe d'autres transgènes dans les tissus très spécifiques. Cela est particulièrement pertinent pour les gènes ayant des fonctions non essentielles ou redondants, où l'intégration de piégeage de gènes peut pas donner lieu à des phénotypes manifestes. L'inconvénient d'utiliser Gal4-VP16 comme le primaire reporter de piégeage de gènes est que les gènes codant pour des protéines avec des séquences signal N-terminales ne se prêtent pas à la trappe, comme les protéines de fusion Gal4-VP16 qui en résultent sont peu susceptibles d'être en mesure de pénétrer dans le noyau et activent transcription. Fait important, l'utilisation de Gal4-VP16 ne pas pré-sélectionner pour des protéines nucléaires: nous avons récupéré mutations de piégeage de gènes dans des gènes codant pour des protéines qui fonctionnent dans le noyau, le cytoplasme et la membrane plasmique.
La mutagenèse par insertion s'est avérée être une approche puissante pour disséquer la fonction des gènes dans différents systèmes modèles à partir d'organismes unicellulaires tels que des bactéries et des levures à des organismes multicellulaires tels que les souris et les plantes. De préférence de l'ADN exogène (virus, plasmide ou transposon) peut servir comme un agent mutagène en interrompant éléments essentiels de gènes tels que des promoteurs ou des exons. La cible effective de ces approches simples est extrêmement faible dans de grands génomes complexes, étant donné que les exons comprennent seulement 1-3% d'un génome de vertébré typique. Petite taille cible efficace peut être surmontée par des taux d'intégration très élevé de vecteur, comme en témoigne l'énorme succès de la mutagenèse par insertion rétrovirale chez le poisson zèbre 11,12. En revanche, les introns comprennent environ 20 à 30% des génomes de vertébrés. Chez le poisson zèbre, d'insertion des vecteurs de mutagenèse à base de transposons qui introduisent effectivement nulle ou mutations hypomorphic graves sur l'intégration dans les introns ont été nommés "transposo de gène de rupturens "(GBTS) 8-10. Pour une intégration efficace de piégeage de gènes, ils utilisent un Tol2 transposon minimale 13,14. Mutagénicité de GBTS repose sur les poissons dérivé accepteur d'épissage et de la transcription des séquences terminaison / polyadénylation. Les éléments responsables de GBT mutagène sont flanqués par des sites loxP directes pour l'excision par la recombinase Cre. Ainsi, l'injection de Cre ARNm conduit à la réversion efficace des mutations induites par GBT, bien que certaines séquences de transposon restent au niveau du locus d'intégration 9,10.
Les vecteurs GBT récemment publiés utilisent mRFP comme le piège de gène rapporteur 9,10, conduisant à deux inconvénients potentiels. Tout d'abord, on ne sait pas quelle fraction de gènes de poisson zèbre sont exprimés à un niveau suffisamment élevé pour être détecté par des protéines de fusion fluorescentes journaliste directs. Deuxièmement, seul un petit sous-ensemble de gènes devraient avoir des fonctions essentielles. Il a été estimé qu'il n'y a que 1,400-2,400 gènes nécessaires pour dével poisson zèbrent 15,16. La plupart des mutants de piège à gènes ne devraient pas afficher les phénotypes visibles et auront donc une utilité limitée. Pour surmonter ces deux limitations, nous avons modifié GBT-R15 9,10 à utiliser avec Gal4-VP16 comme le principal journaliste de piégeage de gènes (Balčiūnienė et al. Dans la préparation). Comme avec AUG-mRFP moins dans GBT-R15, le site d'initiation de la traduction a été retiré de Gal4-VP16. Pour la détection directe des événements de piège à gènes, nos vecteurs contiennent un rapporteur de l'EGFP sous le contrôle de 14x Gal4 SAMU 17,18.
Plusieurs fonctionnalités supplémentaires sont conçus dans notre vecteur de piégeage de gènes bipartite. Les SAMU: cassette eGFP est flanqué par des sites FRT directs (des chevrons gris sur la figure 1). Injection de recombinase Flp ARNm conduit à l'excision de l'UAS: Cassette eGFP, laissant la mutation de piégeage de gènes pas marquées par fluorescence eGFP. Il peut ensuite être utilisé dans des lignées transgéniques qui marquent des tissus spécifiques ou à des événements de développement par fluorescence de la GFP. Comme dans les autresGBTS, toute la cassette de piège à gène est flanqué par des sites loxP directs (pentagones ouvertes dans la figure 1). Cela rend les événements de piège à gènes réversibles par l'expression de la recombinase Cre, facilement établir la preuve de la relation de causalité entre une intégration spécifique de piégeage de gènes et observé phénotype (Figure 2). Enfin, la cassette de piège à gène est flanqué par des sites inversées méganucléase I-Scel (triangles noirs sur la figure 1). Chez la drosophile, les intégrations de transposons sont souvent convertis en suppressions (lacunes) par excision imprécise de l'élément de P. Il n'existe aucune preuve que l'excision du transposon Tol2 (ou tout autre transposon actif chez les vertébrés tels que Sleeping Beauty, PiggyBac ou Ac / Ds) peut conduire à des suppressions. Nous avons donc inclus sites I-Scel comme une méthode de substitution potentiel pour l'induction de suppressions, même si rien ne prouve que I-Scel peut induire des délétions chez le poisson zèbre. Il convient de noter que, bien que I-Scel méganucléase peut être utilisé pour faciliter la transgénèse chez le poisson zèbre, clivage de l'ADN par méganucléase I-Scel est utilisée pour étudier les mécanismes de réparation d'ADN, y compris les erreurs fin non homologue rejoindre, dans la levure et les cellules de mammifères 19-22.
Intégration de notre vecteur de piégeage de gène peut conduire à l'expression eGFP par deux mécanismes différents. Le premier est un véritable événement de piégeage de gènes (figure 1C): le vecteur s'intègre dans un gène (IMG pour par insertion gène mutant), un transcrit de fusion entre la 5 'de la transcription endogène IMG et le Gal4-VP16 est faite et traduits en un protéine de fusion contenant la terminaison N de la protéine codée par IMG et Gal4-VP16. Cette protéine de fusion se lie à l'UAS 14x et active la transcription de eGFP. Le second cas, moins souhaitable est un piège d'activateur (figure 1D): le promoteur minimal devant eGFP tombe sous le contrôle d'un amplificateur à proximité du site d'intégration, ce qui conduit à la production de eGFP dans la absence de production Gal4-VP16. Dans notre estimation, 30-50% des événements d'expression eGFP sont dus à un piège à un amplificateur et 50-70% sont dus à un piège de gène 23 (Balčiūnienė et al. Dans la préparation). Pour faire la distinction entre ces deux catégories d'événements, nous avons fait un 14xUAS: mRFP lignée transgénique (figure 1B), pour plus de commodité marquée par spécifiques lentille γCry: (. Balčiūnienė et al en préparation) GFP. Gene événements d'interruption sont contrôlés par la co-expression de GFP et RFP (comparer C et D sur la figure 2).
Dans l'écran de pilote, nous avons récupéré plus de 40 événements de piège à gènes après criblage 270 F0 poissons injectés avec un mélange d'ADN de transposon et la transposase ARNm. Deux de nos intégrations de piège à gènes ont eu lieu dans des gènes avec déjà publiés mutants chimiquement induites: NSF et ét. Les phénotypes de notre mutants d'insertion tpl6 NSF et ét tpl24 sont superficiellement impossible de distinguer le phénotypes des mutants chimiquement induites correspondantes. Nous avons également remarqué que les événements de piège à gènes semblent biaisées vers les introns près de l'extrémité 5 'des gènes, augmentant ainsi la probabilité d'allèles nuls. Nous faisons observer un certain degré de SAMU silence (panaché) dans l'ensemble de nos lignes de piégeage de gène, et certains lieux sont nettement plus sensibles à la bigarrure que d'autres. Nous ne croyons pas que la SAMU silence est un problème important pour la propagation de lignes de piégeage de gène, comme nous l'avons été en mesure de se propager facilement l'ensemble de nos lignes de piégeage de gène par au moins cinq générations par la sélection pour l'expression de la GFP seule.
Les vecteurs de pièges de gène et de la méthodologie décrits ici sont déjà utilisés dans plusieurs laboratoires indépendants. Dans notre expérience, il ya deux étapes importantes dans le processus. La première étape critique est d'atteindre des taux élevés d'intégration de piégeage de gènes dans des embryons de F0 injectés. L'échec de cette étape peut souvent être attribuée à la contamination des réactifs RNase d'injection, en particulier l'ADN miniprep. Il est également très important d'injecter des embryons au stade 1 cellule pour des expériences de piégeage de gènes. Dans notre expérience, la transgénèse Tol2 médiation est très efficace, ce qui permet d'obtenir des lignées transgéniques, même lors de l'injection plus tard au stade 1 cellule ou avec de l'ADN de qualité inférieure. Injections normes sont beaucoup plus problématique dans l'exercice de piégeage de gènes mutagenèse, puisque seule une petite fraction des intégrations vecteur résultat des événements efficaces de piégeage de gène. La deuxième étape critique est de savoir intercepter les événements de gènes par croisement à notre SAMU: ligne mRFP. Absence d'expression est mRFPpresque toujours le signe d'un événement activateur de piège. Cependant, parfois, le manque d'expression mRFP peut indiquer silence des 14x SAMU. Il est donc important de maintenir la SAMU: ligne mRFP dans un état non-réduit au silence par la propagation de la prochaine génération utilisant des individus avec une expression élevée de DP quand on les croise à tpl6 NSF.
Nous pouvons prévoir de faire plusieurs améliorations à nos vecteurs de pièges de gène et le protocole. La première consiste à utiliser un UAS moins répétitif dans la construction de piégeage de gènes. Il a été montré qu'une 5x UAS est suffisante pour obtenir une activation complète dans des expériences de culture de cellules, et que les séquences UAS moins répétitives sont moins sensibles à la méthylation et 6,25 taire. Il peut également être possible de concevoir des gènes vecteurs de pièges pour la mutagenèse conditionnelle entièrement, par analogie avec les vecteurs utilisés par le piège à souris du gène consortium international et récemment adaptées pour le poisson zèbre 2,26,27. Une autre amélioration serait d'utiliser un autre tsystème ransposon, par exemple Sleeping Beauty 28, pour générer un UAS: mRFP ligne de journaliste. Cela permettrait injection de pièges de gènes à base de Tol2 directement dans la ligne de journaliste et de dépistage de F0s par incrossing. En outre, ce serait d'éliminer l'utilisation de deux fonds génétiques différents, ce qui rend l'interprétation de la perte de phénotypes de fonction plus simple. Même avec ces améliorations, la Gal4 protocole général de piégeage de gènes présenté ici serait encore pleinement applicable.
The authors have nothing to disclose.
Nous remercions le Dr Jennifer Emtage pour la lecture critique du manuscrit, Ryan Gill pour l'assistance technique et aide pour les soins du poisson zèbre et le Dr Stephen C. Ekker (Mayo Clinic, Rochster, Minnesota) pour les réactifs. Notre travail a été soutenu par l'University College Temple de la science et de la technologie et le National Institutes of Health (R01-HD061749).
Name of the Reagent/Material | Company | Catalog # | Comments |
Miniprep Kit | Qiagen | 27104 | Optional PB wash step is a must |
XbaI restriction enzyme | ThermoFisher | ER0681 | |
mMessage Machine T3 | Ambion | AM1348 | |
RiboLock RNase Inhibitor | ThermoFisher | EO0381 | |
RNeasy MinElute | Qiagen | 74204 | Can be replaced by phenol extraction and precipitation. Do not use LiCl! |
Nuclease-free water | Ambion | AM9937 | Has to be non-DEPC treated |
Borosilicate glass capiliaries for microinjection needles | World Precision Instruments | 1B100F-4 | |
Microcapiliaries for calibration | Drummond Scientific | 1-000-0010 | |
Microloader tips | Eppendorf | 5242 956.003 | |
Needle puller * | Sutter Instruments | P-87 | |
Stereomicroscope for microinjection * | Nikon | SMZ1500 | We also use Wild 5M and Olympus SZ61 with transmitted light stand |
Picoinjector * | Harvard Instruments | Pli-90 | We also use Pli-100 |
Screening microscope with GFP/RFP fluorescence * | Zeiss | Zeiss AxioImager | 5X Fluar objective has sufficient working distance |
Screening microscope with GFP/RFP fluorescence * | Nikon | SMZ1500 | |
* We suggest this equipment only because we successfully use it in our laboratory. In each category, several comparable options from multiple manufacturers are available. |