حفز الكميات وتحليل تشكيل HO - نوكلياز داخلية Translocations الصبغية التي ستراند ، واحدة في التخمير السكيراء الجعوية</em
Summary
في مقايسة إزفاء HO – حفز مراقبين منفردة الجديلة الصلب بعد إنشاء فواصل المزدوج حبلا الحمض النووي في مواضع متعددة في ضعفاني<em> السكيراء الجعوية</em>. قد يكون هذا النموذج آلية إعادة ترتيب الجينوم في الخلايا الجسمية العالي حقيقيات النوى عقب التعرض لجرعات عالية من الإشعاعات المؤينة.
Abstract
Genetic variation is frequently mediated by genomic rearrangements that arise through interaction between dispersed repetitive elements present in every eukaryotic genome. This process is an important mechanism for generating diversity between and within organisms1-3. The human genome consists of approximately 40% repetitive sequence of retrotransposon origin, including a variety of LINEs and SINEs4. Exchange events between these repetitive elements can lead to genome rearrangements, including translocations, that can disrupt gene dosage and expression that can result in autoimmune and cardiovascular diseases5, as well as cancer in humans6-9.
Exchange between repetitive elements occurs in a variety of ways. Exchange between sequences that share perfect (or near-perfect) homology occurs by a process called homologous recombination (HR). By contrast, non-homologous end joining (NHEJ) uses little-or-no sequence homology for exchange10,11. The primary purpose of HR, in mitotic cells, is to repair double-strand breaks (DSBs) generated endogenously by aberrant DNA replication and oxidative lesions, or by exposure to ionizing radiation (IR), and other exogenous DNA damaging agents.
In the assay described here, DSBs are simultaneously created bordering recombination substrates at two different chromosomal loci in diploid cells by a galactose-inducible HO-endonuclease (Figure 1). The repair of the broken chromosomes generates chromosomal translocations by single strand annealing (SSA), a process where homologous sequences adjacent to the chromosome ends are covalently joined subsequent to annealing. One of the substrates, his3-Δ3′, contains a 3′ truncated HIS3 allele and is located on one copy of chromosome XV at the native HIS3 locus. The second substrate, his3-Δ5′, is located at the LEU2 locus on one copy of chromosome III, and contains a 5′ truncated HIS3 allele. Both substrates are flanked by a HO endonuclease recognition site that can be targeted for incision by HO-endonuclease. HO endonuclease recognition sites native to the MAT locus, on both copies of chromosome III, have been deleted in all strains. This prevents interaction between the recombination substrates and other broken chromosome ends from interfering in the assay. The KAN-MX-marked galactose-inducible HO endonuclease expression cassette is inserted at the TRP1 locus on chromosome IV. The substrates share 311 bp or 60 bp of the HIS3 coding sequence that can be used by the HR machinery for repair by SSA. Cells that use these substrates to repair broken chromosomes by HR form an intact HIS3 allele and a tXV::III chromosomal translocation that can be selected for by the ability to grow on medium lacking histidine (Figure 2A). Translocation frequency by HR is calculated by dividing the number of histidine prototrophic colonies that arise on selective medium by the total number of viable cells that arise after plating appropriate dilutions onto non-selective medium (Figure 2B). A variety of DNA repair mutants have been used to study the genetic control of translocation formation by SSA using this system12-14.
Protocol
Discussion
جرعات عالية من الإشعاعات المؤينة تمثل مخاطر عدم الاستقرار المتأصلة في الجينوم من خلال توليد عدد كبير من DSBs 19. الجينوم حقيقية النواة تزخر تسلسل المتكررة التي هي ركائز ممتازة لتوليد translocations وإعادة ترتيب الجينوم أخرى 20،21. ويلاحظ في كثير من الأحيان عن طريق الموارد البشرية translocations الكروموسومات عند إدخال DSBs بين متواليات تكرارية 12،21،22. أدلة دامغة تشير إلى أن الكثير من عدم الاستقرار الجيني المرتبطة اللوكيميا والأورام اللمفاوية ويمكن أن يعزى إلى translocations الكروموسومات ، مسلطا الضوء على أهمية فهم كيفية حدوث هذه الآلية في حقيقيات النوى 22،23. قمنا بتطوير نظام الخميرة في مهدها لدراسة تشكيل الصبغيات إزفاء بواسطة جهاز تسوية المنازعات الناجمة عن الموارد البشرية بين المناطق قصيرة من التماثل على الكروموسومات المختلفة التي تشبه في الحجم العناصر المتكررة في جميع أنحاء متفرقة الخميرة والجينوم البشري.
في مقايسة ، ويقع على الركيزة his3 – Δ3 'إزفاء على نسخة واحدة من الكروموسوم الخامس عشر. الآخر his3 أليل (his3 – Δ200) قد حذف من 1KB ~ المروج HIS3 وتسلسل الترميز الذي يمنع هذا التسلسل من أن تستخدم كنموذج لإصلاح 24. يقع على الركيزة his3 – Δ5 "في موضع LEU2 على نسخة واحدة من الكروموسوم الثالث ، مع نسخة أخرى من كروموسوم الثالث يحتوي على LEU2 أليل دون تغيير (الشكل 1). أدرجت نوكلياز داخلية HO – الغالاكتوز محرض الكاسيت التعبير ملحوظ مع KAN – MX في الموضع الرابع TRP1 الصبغي (trp1 : GAL – HO – KAN – MX). ويحيط كل ركيزة من خلال تسلسل إزفاء الاعتراف HO – نوكلياز داخلية يمكن أن تكون مستهدفة من قبل لإحداث انشقاق التعبير عن الجينات HO من خلال إضافة اللبن إلى المتوسط. بعد الانقسام الناجم HO – نوكلياز داخلية في his3 – Δ3 'وhis3 – Δ5' ركائز ، يمكن استخدام الخلايا كفاءة الجهاز المشتركة قصيرة من تسلسل تناظر HIS3 (311 سنة مضت أو غليان 60) لإصلاح الكروموزومات تخللتها الموارد البشرية ، وتوليد كروموسوم إزفاء مع أليل HIS3 12-14،25 سليمة.
لأن الأصل عدم الخلايا نسخة سليمة من الجين HIS3 ، فهي غير قادرة على النمو على صاحب المتوسط. يمكن تحديد الخلايا الوحيدة التي خضعت لهذا الحدث إزفاء على الحامض الاميني المتوسطة معدومة. لذا ، يمكن حساب تواتر الصبغيات translocations بقسمة عدد من المستعمرات بدئية الحامض الاميني على العدد الكلي للخلايا قابلة للحياة مطلي ، والتي تحددها الطلاء على YPD. ويمكن بعد ذلك الحمض النووي الجينومية والكروموسومات سليمة يمكن عزلها عن المستعمرات + ممثل له ، وجود كروموسوم إزفاء التحقق من جنوب الجينومية وتحليلات لطخة الصبغي.
وقد سمح لنا تحليلا دقيقا لجمع معلومات مهمة إضافية حول مقايسة 12. وقد وفرت جنوب لطخة تحليل الجينوم أدلة على أن هناك عدة قطاعات كاملة تقريبا من الصبغيات الخامس عشر والثالث بعد 30 دقيقة من HO – نوكلياز داخلية الاستقراء ، وبالتالي ليس هناك أي خلفية هامة من ركائز الكروموسومات غير المصقول في عدد السكان (G. مانثي Bailis & A. ، لم تنشر النتائج). الجينومية تحليلات لطخة الجنوبية وصاحب كروموسوم — الناجين تشير إلى أن تفقد الخلايا بشكل متكرر واحد ، وأخرى ، أو كليهما الكروموسومات قص وتبقى قابلة للحياة (L. A. Bailis ويديل ، ونتائج غير منشورة). الأهم من ذلك ، الكفاءات الطلاء يعادل تقريبا على غير انتقائية المتوسط قبل وبعد تحريض من التعبير HO – نوكلياز داخلية تشير إلى أن أيا من الفشل في إصلاح الكروموزومات مكسورة ، أو فشل في الاحتفاظ الكروموسومات إزفاء يؤثر على القدرة على البقاء على قيد الحياة تشكيل جهاز تسوية المنازعات. تمشيا مع هذا ، tXV : لقد ثبت الثالث كروموسوم إزفاء أن تكون غير مستقرة في الخلايا الإنقسامية في غياب التحديد. وقد تجلى ذلك من خلال تنامي tXV : الثالث الذي يشتمل recombinants + بلده بين عشية وضحاها غير انتقائي ، والطلاء واحد على المستعمرات غير انتقائية لوحات ، والطلاء على طبق متوسط انتقائية تفتقر الحامض الاميني. وكان عشرة إلى 70 ٪ من المستعمرات الناتجة عن هذه اللوحات فقدت tXV : كروموسوم إزفاء الثالث (N. Pannunzio Bailis & A. ، نتائج غير منشورة).
إزفاء الكروموسومات التي تم إنشاؤها بواسطة الأشعة تحت الحمراء التعرض في البشر مماثلة يحمل عدم الاستقرار 26. هذا يشير إلى أن تشكيل إزفاء قد تسهم في احداث تكون الأورام في وقت مبكر عن طريق تعزيز فقدان تغاير الزيجوت. الثانية ، تحليلات واسعة النطاق الوراثية والجزيئية تشير إلى أن منطقة أفريقيا جنوب الصحراء ، وإنشاء آلية فعالة وغير المحافظ اجباريا للموارد البشرية ، هو الآلية الأساسية لتكوين الموارد البشرية إزفاء التي أعقبت إنشاء في وقت واحد على اثنين من الكروموزومات DSBs 12،27،28. ويشترك هذاnsistent مع الحقائق أن جرعات كبيرة من الأشعة تحت الحمراء في نتيجة كثافة DSBs كافية لإنشاء فواصل المتاخمة لمتواليات تكرارية متعددة في الجينوم الخميرة ، وارتفاع وتيرة تشكيل إزفاء بواسطة الموارد البشرية. معا ، هذه الملاحظات تشير إلى أن تأثير الأشعة تحت الحمراء أنكجنيك التعرض في البشر ، قد جزئيا ، نتيجة لإصلاح DSBs بواسطة آلية فعالة للموارد البشرية التي تولد translocations أنه ، من خلال عدم الاستقرار الكامنة ، وتعزيز التغيرات الجينية التي تكون الأورام الاطلاق. لأنه غالبا ما تستخدم لعلاج الإشعاع سرطان إعادة ترتيب الجينوم ، التي تنتج عن إصلاح الناجمة عن الاشعاع DSBs يمكن أن تسهم في توليد السرطانات الثانوية التي تنشأ في كثير من الأحيان المرضى. وبالتالي ، قد يكون هذا النموذج يساعدنا على اكتساب فهم أفضل للأساس الوراثية والجزيئية للاستجابة للعلاج السريري مهم الأشعة تحت الحمراء.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل من جانب صناديق من المعاهد الوطنية للصحة والبحوث معهد بيكمان في مدينة الأمل. نود أن نشكر المقيمين على تعليقاتهم البناءة التي الوضوح وأضاف أن المخطوطة.
References
- Sen, S. K. Human genomic deletions mediated by recombination between Alu elements. The American Journal of Human Genetics. 79, 41-53 (2006).
- Han, K. Alu recombination-mediated structural deletions in the chimpanzee genome. Plos Genetics. 3, 1939-1949 (2007).
- Zhang, F. Copy number variation in human health, disease, and evolution. Annual Review of Genomics and Human Genetics. 10, 451-481 (2009).
- Goodier, J. L., Kazazian, H. H. Retrotransposons revisited: The restraint and rehabilitation of parasites. Cell. 135, 23-35 (2008).
- Lanktree, M., Hegele, R. Copy number variation in metabolic phenotypes. Cytogenet Genome Res. 123, 169-175 (2008).
- Mullighan, C. Genome-wide analysis of genetic alterations in acute lymphoblastic leukaemia. Nature. 446, 758-764 (2007).
- Mattarucchi, E. Microhomologies and interspersed repeat elements at genomic breakpoints in chronic myeloid leukemia. Genes Chromosomes Cancer. 47, 625-632 (2008).
- Stenger, J. Biased distribution of inverted and direct Alus in the human genome: implications for insertion, exclusion, and genome stability. Genome Res. 11, 12-27 (2001).
- Hedges, D., Deininger, P. Inviting instability: Transposable elements, double-strand breaks, and the maintenance of genome integrity. Mutat Res. 616, 46-59 (2007).
- Symington, L. Role of RAD52 epistasis group genes in homologous recombination and double-strand break repair. Microbiol Mol Biol Rev. 66, 630-670 (2002).
- Lewis, L., Resnick, M. Tying up loose ends: nonhomologous end-joining in Saccharomyces cerevisiae. Mutat Res. 451, 71-89 (2000).
- Pannunzio, N. R., Manthey, G. M., Bailis, A. M. RAD59 is required for efficient repair of simultaneous double-strand breaks resulting in translocations in Saccharomyces cerevisiae. DNA Repair (Amst). 7, 788-800 (2008).
- Nicholas, R., Pannunzio, G. M. M., Bailis, A. M. RAD59 and RAD1 cooperate in translocation formation by single-strand annealing in Saccharomyces cerevisiae. Curr Genet. 56, 87-100 (2010).
- Manthey, G. M., Bailis, A. M. Rad51 Inhibits Translocation Formation by Non-Conservative Homologous Recombination in Saccharyomyces cerevisiae. Plos One. 5, (2010).
- Hoffman, C. S., Winston, F. A ten-minute DNA preparation from yeast efficiently releases autonomous plasmids for transformation of Escherichia coli. Gene. 57, 267-272 (1987).
- Sambrook, J., MacCallum, P., Russell, D. . Molecular Cloning: A Laboratory Manual. , (2001).
- Iadonato, S. P., Gnirke, A. RARE-cleavage analysis of YACs. Methods Mol. Biol. , 75-85 (1999).
- Argueso, J. L. Double-strand breaks associated with repetitive DNA can reshape the genome. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. , 11845-11850 (2008).
- Batzer, D. A. Alu repeats and human disease. Molecular Genetic Metabolism. 67, 183-193 (1999).
- Fasullo, M., Dave, P., Rothstein, R. DNA-damaging agents stimulate the formation of directed reciprocal translocations in Saccharomyces cerevisiae. Mutat. Res. 314, 121-133 (1994).
- Richardson, C., Jasin, M. Frequent chromosomal translocations induced by DNA double-strand breaks. Nature. 405, 697-700 (2000).
- Look, A. T. Genes altered by chromosomal translocations in leukemias and lymphomas. The Genetic Basis of Human Cancer. , (2002).
- Fasullo, M. T., Davis, R. W. Direction of chromosome rearrangements in Saccharomyces cerevisiae by use of his3 recombinational substrates. Mol. Cell. Biol. 8, 4370-4380 (1988).
- Manthey, G. M., Naik, N., Bailis, A. M. Msh2 Blocks an Alternative Mechanism for Non-Homologous Tail Removal during Single-Strand Annealing in Saccharomyces cerevisiae. PLoS One. 4, e7488-e7488 (2009).
- Muller, I. Time-course of radiation-induced chromosomal aberrations in tumor patients after radiotherapy. Int. J. Radiation Oncology Biol. Phys. 63, 1214-1220 (2005).
- Lin, F. L., Sperle, K., Sternberg, N. Model for homologous recombination during transfer of DNA into mouse L cells: role of DNA ends in the recombination process. Mol. Cell. Biol. 4, 1020-1034 (1984).
- Ivanov, E. L. Genetic Requirements for the single-strand annealing pathway of double-strand break repair in Saccharyomyces cerevisiae. Genetics. 142, 693-704 (1996).
