Summary

Optogenetic Tilfældig mutagenese ved anvendelse histon-miniSOG i<em> C. elegans</em

Published: November 14, 2016
doi:

Summary

Genetisk kodet histon-miniSOG inducerer genom-dækkende arvelige mutationer i et blåt lys-afhængig måde. Denne mutagenese metode er enkel, hurtig, fri for giftige kemikalier, og velegnet til frem genetisk screening og transgen integration.

Abstract

Forward genetic screening in model organisms is the workhorse to discover functionally important genes and pathways in many biological processes. In most mutagenesis-based screens, researchers have relied on the use of toxic chemicals, carcinogens, or irradiation, which requires designated equipment, safety setup, and/or disposal of hazardous materials. We have developed a simple approach to induce heritable mutations in C. elegans using germline-expressed histone-miniSOG, a light-inducible potent generator of reactive oxygen species. This mutagenesis method is free of toxic chemicals and requires minimal laboratory safety and waste management. The induced DNA modifications include single-nucleotide changes and small deletions, and complement those caused by classical chemical mutagenesis. This methodology can also be used to induce integration of extrachromosomal transgenes. Here, we provide the details of the LED setup and protocols for standard mutagenesis and transgene integration.

Introduction

Fremad genetiske skærme er ofte blevet brugt til at generere genetiske mutanter forstyrre forskellige biologiske processer i modelorganismer såsom Caenorhabditis elegans (C. elegans) 1. Analyser af sådanne mutanter føre til opdagelsen af funktionelt vigtige gener og deres signalveje 1,2. Traditionelt mutagenese i C. elegans opnås ved anvendelse af mutagene kemikalier, stråling eller transposoner 2. Kemikalier såsom -ethylmethansulfonat (EMS) og N-ethyl-N -nitrosourea (ENU) er giftige for mennesker; gamma-ray eller ultraviolet (UV) stråling mutagenese kræver særligt udstyr; og transposon-aktiv stammer, såsom mutatorstammer 3, kan forårsage unødvendige mutationer under vedligeholdelse. Vi har udviklet en enkel fremgangsmåde til at fremkalde arvelige mutationer under anvendelse af en genetisk kodet fotosensibilisator 4.

Reaktive Oxygen Species (ROS) kan skade DNA 5.Mini Singlet Oxygen Generator (miniSOG) er et grønt fluorescerende protein af 106 aminosyrer, som blev manipuleret fra LOV (Light, oxygen og spænding) domæne af Arabidopsis phototropin 2 6. Ved udsættelse for blåt lys (~ 450 nm), miniSOG genererer ROS herunder singlet oxygen med fl avin mononukleotid som en cofaktor 6-8, som er til stede i alle celler. Vi konstruerede et His-mSOG fusionsproteinet ved tagging miniSOG til C-terminalen af histon-72, en C. elegans variant af histon 3. Vi genererede et enkelt eksemplar transgen 9 til at udtrykke His-mSOG i kimcellelinje C. elegans. Under normale dyrkningsbetingelser i mørke, de His-mSOG transgene orme har normal yngel størrelse og levetid 4. Ved udsættelse for blå LED lys, His-mSOG orme producerer arvelige mutationer blandt deres afkom 4. Spektret af inducerede mutationer omfatter nukleotidændringer, såsom G: C til T: A og G: C til C: G, og små chromosomig deletioner 4. Denne mutagenese procedure er enkel at udføre, og kræver minimal opsætning lab sikkerhed. Her beskriver vi LED belysning setup og procedurer for optogenetic mutagenese.

Protocol

1. Konstruktion af LED-lampe BEMÆRK: Den nødvendige LED udstyr er sammenfattet i listen over stoffer. Hele LED opsætning er lille og kan placeres overalt i laboratoriet, selvom vi anbefaler det anbringes i et mørkt rum for at kontrollere lyseksponering af orme 4. Tilslut LED til en controller med kabler (figur 1A, D). Tilslut controlleren til en digital funktion generator / forstærker med en BNC-kabel (figur 1A, C, D). Fastgør LED …

Representative Results

Vi udførte en forward genetisk skærm med CZ20310 juSi164 unc-119 (ED3) ved hjælp af 30 min lys eksponering efter standard protokollen beskrevet i afsnit 2 og 3. Blandt 60 F 1 plader svarende til 120 mutageniseret haploide genomer, fandt vi 8 F 1 plader med F 2 orme udviser synlige fænotyper såsom kropsstørrelse defekt (figur 3B), ukoordineret bevægelse (figur 3C), og voksen dødelighed (fi…

Discussion

Her beskriver vi en detaljeret procedure for optogenetic mutagenese hjælp His-mSOG udtryk i kimcellelinje og giver et eksempel på en lille skala fremad genetisk skærm. Sammenlignet med standard kemisk mutagenese, denne optogenetic mutagenese metode har flere fordele. For det første er ikke-toksisk og dermed holde lab personale væk fra toksiske kemiske mutagener, såsom EMS, ENU og trimethylpsoralen med ultraviolet lys (TMP / UV). For det andet kan den eksperimentelle fremgangsmåde for mutagenese anvendes til et li…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

The work is supported by HHMI. We thank our lab members for their help with testing the protocol and revising the manuscript.

Materials

Ultra High Power LED light source Prizmatix UHP-mic-LED-460 460 ± 5 nm
LED controller Prizmatix UHPLCC-01
Digital function generator/amplifier PASCO PI-9587C PI-9587C is no longer available. The replacement is PI-8127.
BNC cable male/male THORLABS CA3136
USB-TTL interface Prizmatix Optional
Photometer THORLABS PM50 and Model D10MM
Filter paper Whatman 1001-110
Copper chloride dihydrate (CuCl2∙2H2O) Sigma C6641
Stereomicroscope Leica MZ95
NGM plate Dissolve 5g NaCl, 2.5g Peptone, 20g Agar, 10 µg/ml cholesterol in 1 L H2O. After autoclaving, add 1 mM CaCl2, 1 mM MgSO4, 25 mM KH2PO4(pH6.0). 
Lysis solution 10 mM Tris(pH8.8), 50 mM KCl, 0.1% Triton X100, 2.5 mM MgCl2, 100 µg/ml Proteinase K

Referências

  1. Jorgensen, E. M., Mango, S. E. The art and design of genetic screens: caenorhabditis elegans. Nat Rev Genet. 3 (5), 356-369 (2002).
  2. Kutscher, L. M., Shaham, S. Forward and reverse mutagenesis in C. elegans. WormBook. , 1-26 (2014).
  3. Collins, J., Saari, B., Anderson, P. Activation of a transposable element in the germ line but not the soma of Caenorhabditis elegans. Nature. 328 (6132), 726-728 (1987).
  4. Noma, K., Jin, Y. Optogenetic mutagenesis in Caenorhabditis elegans. Nat Commun. 6, 8868 (2015).
  5. Cooke, M. S., Evans, M. D., Dizdaroglu, M., Lunec, J. Oxidative DNA damage: mechanisms, mutation, and disease. FASEB J. 17 (10), 1195-1214 (2003).
  6. Shu, X., et al. A genetically encoded tag for correlated light and electron microscopy of intact cells, tissues, and organisms. PLoS Biol. 9 (4), 1001041 (2011).
  7. Ruiz-Gonzalez, R., et al. Singlet oxygen generation by the genetically encoded tag miniSOG. J Am Chem Soc. 135 (26), 9564-9567 (2013).
  8. Pimenta, F. M., Jensen, R. L., Breitenbach, T., Etzerodt, M., Ogilby, P. R. Oxygen-dependent photochemistry and photophysics of “miniSOG,” a protein-encased flavin. Photochem Photobiol. 89 (5), 1116-1126 (2013).
  9. Frokjaer-Jensen, C., et al. Random and targeted transgene insertion in Caenorhabditis elegans using a modified Mos1 transposon. Nat Methods. 11 (5), 529-534 (2014).
  10. Brenner, S. The genetics of Caenorhabditis elegans. Genética. 77 (1), 71-94 (1974).
  11. Chaudhuri, J., Parihar, M., Pires-daSilva, A. An introduction to worm lab: from culturing worms to mutagenesis. J Vis Exp. (47), (2011).
  12. Berkowitz, L. A., Knight, A. L., Caldwell, G. A., Caldwell, K. A. Generation of stable transgenic C. elegans using microinjection. J Vis Exp. (18), (2008).
  13. Mello, C., Fire, A. DNA transformation. Methods Cell Biol. 48, 451-482 (1995).
  14. Fay, D., Bender, A. Genetic mapping and manipulation: chapter 4–SNPs: introduction and two-point mapping. WormBook. , 1-7 (2006).
  15. Lee, P. Y., Costumbrado, J., Hsu, C. Y., Kim, Y. H. Agarose gel electrophoresis for the separation of DNA fragments. J Vis Exp. (62), (2012).
  16. Westberg, M., Holmegaard, L., Pimenta, F. M., Etzerodt, M., Ogilby, P. R. Rational design of an efficient, genetically encodable, protein-encased singlet oxygen photosensitizer. J Am Chem Soc. 137 (4), 1632-1642 (2015).
  17. Xu, S., Chisholm, A. D. Highly efficient optogenetic cell ablation in C. elegans using membrane-targeted miniSOG. Sci Rep. 6, 21271 (2016).
  18. Mariol, M. C., Walter, L., Bellemin, S., Gieseler, K. A rapid protocol for integrating extrachromosomal arrays with high transmission rate into the C. elegans genome. J Vis Exp. (82), (2013).
  19. Lin, J. Y., et al. Optogenetic inhibition of synaptic release with chromophore-assisted light inactivation (CALI). Neuron. 79 (2), 241-253 (2013).
  20. Minevich, G., Park, D. S., Blankenberg, D., Poole, R. J., Hobert, O. CloudMap: A Cloud-Based Pipeline for Analysis of Mutant Genome Sequences. Genética. 192 (>4), 1249-1269 (2012).
  21. Qi, Y., Xu, S. MiniSOG-mediated Photoablation in Caenorhabdtis elegans. Bio-protocol. 3 (1), 316 (2013).
  22. Qi, Y. B., Garren, E. J., Shu, X., Tsien, R. Y., Jin, Y. Photo-inducible cell ablation in Caenorhabditis elegans using the genetically encoded singlet oxygen generating protein miniSOG. Proc Natl Acad Sci U S A. 109 (19), 7499-7504 (2012).
  23. Nagel, G., et al. Light activation of channelrhodopsin-2 in excitable cells of Caenorhabditis elegans triggers rapid behavioral responses. Curr Biol. 15 (24), 2279-2284 (2005).

Play Video

Citar este artigo
Noma, K., Jin, Y. Optogenetic Random Mutagenesis Using Histone-miniSOG in C. elegans. J. Vis. Exp. (117), e54810, doi:10.3791/54810 (2016).

View Video