גישה גנטית קדימה ללחשוף גני התנגדות מתח בעכברים - מסך תפוקה גבוהה בתאי גזע עובריים
Summary
התנגדות מתח היא אחד מסימני ההיכר לאריכות ימים, והוא ידוע להיות נשלטת גנטי. כאן, פיתחנו שיטת תפוקה גבוהה משוחדת למסך למוטציות המעניקות התנגדות מתח בתאי גזע עובריים שבה לפתח מודלים של עכברים ללימודי אריכות ימים.
Abstract
Phenotype-driven genetic screens in mice is a powerful technique to uncover gene functions, but are often hampered by extremely high costs, which severely limits its potential. We describe here the use of mouse embryonic stem (ES) cells as surrogate cells to screen for a phenotype of interest and subsequently introduce these cells into a host embryo to develop into a living mouse carrying the phenotype. This method provides (1) a cost effective, high-throughput platform for genetic screen in mammalian cells; (2) a rapid way to identify the mutated genes and verify causality; and (3) a short-cut to develop mouse mutants directly from these selected ES cells for whole animal studies. We demonstrated the use of paraquat (PQ) to select resistant mutants and identify mutations that confer oxidative stress resistance. Other stressors or cytotoxic compounds may also be used to screen for resistant mutants to uncover novel genetic determinants of a variety of cellular stress resistance.
Introduction
יש אריכות ימים מערכת יחסים אינטימיות עם התנגדות ללחץ. באופן כללי, מיני חיים ארוכים לעתים קרובות להפגין גדלו התנגדות ללחצים מרובים, כגון מי חמצן, paraquat (PQ), UV, חום, ומתכות כבדות 1,2. לעומת זאת, רגישות מוגברת ללחץ נוטה לנבא תוחלת חיים מקוצרים ו / או פנוטיפ מחלה נוטה יותר. מסלול הדחה נוגד החמצון כבר זמן רב העריך לשחק תפקיד מרכזי בהענקת התנגדות מתח לבעלי החיים. עם זאת, עם כמה יוצאים מן הכלל, מחקרים ממגוון רחב של בעלי חיים מהונדסים עם מניפולציות באנזימים שונים נוגד חמצון (לדוגמא, SOD) מצביעים על כך שהגדלת רמת אנזימי הדחה חמצון אינו מגבירה את תוחלת חיים או בריאות תוחלת 3. נתונים אלה מצביעים על כך שתכונת התנגדות המתח נצפתה באופן עקבי בבעלי חיים חיים ארוכים מתווכת על ידי מסלולים סלולריים אחרים עדיין לא נחשפו.
לקחנו קדימה משוחדגישה גנטית לזיהוי גנים, אשר על מוטציה, יכול להעניק הפנוטיפ התנגדות מתח בתאי גזע עוברי בתרבית (ES). תאי גזע עובריים מציעים שני יתרונות עיקריים במחקר זה: (1) מניפולציות גנטיות מתוחכמות זמינות כדי לשנות את הגנום של תאי גזע עובריים; ו- (2) בכל תאי גזע עובריים עמידים לחץ התאוששו מהמסך ניתן להשתמש ישירות לייצור עכבר, המאפשרים תרגום מהיר למחקרים בבעלי חיים שלמים כדי למדוד את תוחלת חיים ותוחלת בריאות.
בדו"ח זה, שתארנו את השימוש בקו תא C9 ES, שבו אללים BLM היו בשליטה על ידי אלמנט תגובה טטרציקלין. הטיפול בדוקסיציקלין (DOX) כבוי זמני הביטוי של BLM המוביל לאירוע מוגבר של בורסה כרומטידה אחות. לטווח קצר זה BLM נוק-אאוט אפשר לדור של מוטציות הומוזיגוטים בתוך אוכלוסיית heterozygote כך שמוטציות רצסיבי להתנגדות ללחץ יכולות להיות שנתפסו בתהליך המיון. אנחנוגם תאר את השימוש בpiggyBac transposon (PB) כmutagen להכניס באופן אקראי פולי-קלטת מלכודת (PB-UPA) להשתנות גנים בגנום. תאים עם הפרעה של גן על ידי פולי-מלכודת הפכו G418 עמידים ויכולים להיות התאוששו, כך שאוסף של מוטציות גנטי מלכודת (ספריית גן-מלכודת) יכול להתבצע, ולאחר מכן הוקרן לשיבוטי מוטציה שהיו מתח עמיד.
שיבוטים עמידים מתח התאוששו מהבחירה יכולים להיות מאופיינים ולא במהירות על ידי טכניקות מולקולריות בהקשר של מספר ההוספות (qPCR), האתר של הכנסה (splinkerette PCR), את זהותו של הגן שיבש (פיצוץ), ורמת הביטוי שלה ( RT-qPCR). הכנסת PB יכולה להיות remobilized על ידי ביטוי חולף של transposase MPB בשיבוט כדי לשחזר את רצף ה- DNA wild-type ובכך לבדוק את אובדן התנגדות לחץ. אלה הם דרכים רבות עוצמה כדי לאשר סיבתיות של המוטציה, אשר צריך להיעשות לפנילייצור עכבר יקר. מחקרים קודמים הראו כי תאים שנחשפו ללחצים איבדו 4.5 pluripotency. כך, בפרוטוקול זה, השמירה על העתק קבוצה של תאים שעברו מוטציה, שלא להיות מטופלים עם גורמי לחץ היא קריטית לייצור עכבר מוצלח.
המעבדה שלנו מהונדסת קו תא C9 ES ווקטור PB-UPA, שניהם זמינות לחוקרים אחרים על פי דרישה. הפרוטוקול דיווח כאן יתחיל בדור של ספריית דה נובו של תאים לכודים גן ES עם PB-UPA (איור 1 א), ואחריו ציפוי העתק ובחירת מתח כדי לבודד שיבוטים לחץ עמידים (איור 1). אנחנו הוכחנו את הבחירה בparaquat, גנרטור רדיקלים חופשי חזק בתוך תאים. כמעט, כל מתחם ציטוטוקסיות או רעלן, למשל, גורמי לחץ ER (למשל, thapsigargin וtunicamycin), חמצון עצבי (למשל, MPP +, דופמין 6-הידרוקסי, וrotenone), חום, וכבדמתכות (למשל, CD, Se), יכולות להיות מותאמות לשיטה כדי לבחור למוטציות עמידות בהתאמה.
Protocol
Representative Results
Discussion
Forward genetic analysis allows for an unbiased interrogation of the genome for genes responsible for a specific phenotype. This method is very powerful to uncover novel gene functions. It has been widely used in lower organisms but not in mammal, such as the mouse, mainly due to the extremely high cost associated with the infrastructure and logistics that would entail. Here, we moved the genetic screening process to the ES cell culture platform, greatly increasing the efficiency and throughput in generating mutants a…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We would like to thank the Wellcome Trust Sanger Institute for the gifts of piggyBac transposon and piggyBac transposase. This work was supported by the Butcher grant of Colorado and the NIH R01 AG041801 (W.S.C).
Materials
| Vector | ||
| PB-UPA | ||
| mPBase | ||
| mPBasePuro | ||
| Tissue Culture | ||
| 500-ml Stericup filters | EMD Millipore | SCGPU05RE |
| 250-ml Stericup filters | EMD Millipore | SCGPU02RE |
| 50-ml Steriflip-GV filters | EMD Millipore | SE1M179M6 |
| KO DMEM | Life Technologies | 10829-018 |
| DMEM | Sigma-Aldrich | D6429 |
| FBS | Tissue Culture Biologicals | 104 |
| Heat Inactivated FBS | Sigma-Aldrich | F4135-500 |
| LIF | EMD Millipore | ESG1107 |
| Non-essential Amino Acids | Life Technologies | 11140-050 |
| GlutaMAX | Life Technologies | 35050-061 |
| Pen/Strep | Life Technologies | 15140148 |
| β-Mercaptoethanol | Life Technologies | 21985-023 |
| Methyl Viologen dichloride (Paraquat) | Sigma-Aldrich | 856177 |
| Dimethyl Sulphoxide Hybri-MAX | Sigma-Aldrich | D2650 |
| EmbryoMAX 0.1% gelatin | EMD Millipore | ES006B |
| DPBS/Modified | HyClone | SH30028.02 |
| 0.25% Trypsin-EDTA | Life Technologies | 25200-056 |
| T25 Flask | Corning | 353108 |
| T75 flask | Corning | 353135 |
| 100-mm plate | Corning | 353003 |
| 150-mm plate | Corning | 430599 |
| 96-well plate | Corning | 3585 |
| 96-well U-bottom plate | Corning | 3799 |
| 24-well plate | Corning | 3526 |
| 50-ml reservoir | Corning | 4870 |
| 15-ml tubes | VWR International, LLC | 82050-276 |
| Primary Mouse Embryonic Fibroblasts | EMD Millipore | PMEF-NL |
| DR4 Mouse Embryonic Fibroblasts | Applied StemCell | ASF-1001 |
| Mitomycin C | Fisher BioReagents | BP25312 |
| Geneticin (G418) | Life Technologies | 11811-023 |
| Doxycycline | Fisher BioReagents | BP26531 |
| Cryotubes | Thermo Scientific | 377267 |
| Centrifuge | Eppendorf | Centrifuge 5702 |
| TC10 cell counter | Bio-Rad | |
| Counting Slides (for TC10) | Bio-Rad | 1450011 |
| Electroporation | ||
| Gene Pulser Xcell | Bio-Rad | 1652611 |
| Gene Pulser Cuvettes (4 mm gap) | Bio-Rad | 1652088 |
| Molecular Biology | ||
| Thermal Cycler | Eppendorf | Mastercylcer ep Gradient S |
| Puregene Core kit B | Qiagen | 158745 |
| Topo-TA Cloning kit | Life Technologies | 450030 |
| High Capacity cDNA synthesis kit | Applied Biosystems | 4368814 |
| NaCl | Fisher BioReagents | BP358-212 |
| 100% ethanol | Decon Laboratories, Inc. | 2716 |
| Double Processed Tissue Culture Water | Sigma-Aldrich | W3500 |
| Sau3A1 | New England BioLabs | R0169L |
| T4 DNA Ligase | New England BioLabs | M0202T |
| EcoRV | New England BioLabs | R3195S |
| 96-well Lysis Buffer (Ramires-Solis et al. 1992) | ||
| Trizma Base | Sigma-Aldrich | T1503 |
| Hydrochloric Acid | Fisher BioReagents | A144-212 |
| EDTA | Sigma-Aldrich | E5134 |
| N-Lauroylsarcosine sodium salt | Sigma-Aldrich | L5777 |
| Proteinase-K | Fisher BioReagents | BP1700 |
| Electrophoresis | ||
| Mini-Sub Cell GT | Bio-Rad | 170-4469EDU |
| LE Agarose | GeneMate | E3120500 |
| Ethidium Bromide | Fisher BioReagents | BP1302 |
| 100 BP DNA Ladder | New England BioLabs | N3231S |
| 1Kb DNA Ladder | New England BioLabs | N3232S |
| 2-log DNA Ladder | New England BioLabs | N3200L |
References
- Johnson, T. E., et al. Longevity genes in the nematode Caenorhabditis elegans also mediate increased resistance to stress and prevent disease. J Inherit Metab Dis. 25, 197-206 (2002).
- Murakami, S., Salmon, A., Miller, R. A. Multiplex stress resistance in cells from long-lived dwarf mice. Faseb J. 17, 1565-1566 (2003).
- Perez, V. I., et al. The overexpression of major antioxidant enzymes does not extend the lifespan of mice. Aging Cell. 8, 73-75 (2009).
- Martin, G. M. Genetic engineering of mice to test the oxidative damage theory of aging. Ann NY Acad Sci. 1055, 26-34 (2005).
- Chick, W. S., Drechsel, D. A., Hammond, W., Patel, M., Johnson, T. E. Transmission of mutant phenotypes from ES cells to adult mice. Mamm Genome. 20, 734-740 (2009).
- Ramirez-Solis, R., et al. Genomic DNA microextraction: a method to screen numerous samples. Anal Biochem. 201, 331-335 (1992).
- Uren, A. G., et al. A high-throughput splinkerette-PCR method for the isolation and sequencing of retroviral insertion sites. Nat Protoc. 4, 789-798 (2009).
- Wang, W., Bradley, A., Huang, Y. A piggyBac transposon-based genome-wide library of insertionally mutated Blm-deficient murine ES cells. Genome Res. 19, 667-673 (2009).
- Chick, W. S., et al. Screening for stress-resistance mutations in the mouse. Front Genet. 5, 310 (2014).
- Salmon, A. B., et al. Fibroblast cell lines from young adult mice of long-lived mutant strains are resistant to multiple forms of stress. Am J Physiol Endocrinol Metab. 289, 23-29 (2005).
- Skarnes, W. C., et al. A public gene trap resource for mouse functional genomics. Nat Genet. 36, 543-544 (2015).
- Baker, K. E., Parker, R. Nonsense-mediated mRNA decay: terminating erroneous gene expression. Curr Opin Cell Biol. 16, 293-299 (2004).
- Shigeoka, T., Kawaichi, M., Ishida, Y. Suppression of nonsense-mediated mRNA decay permits unbiased gene trapping in mouse embryonic stem cells. Nucleic Acids Res. 33, e20 (2004).
- Symula, D. J., Zhu, Y., Schimenti, J. C., Rubin, E. M. Functional annotation of mouse mutations in embryonic stem cells by use of expression profiling. Mamm Genome. 15, 1-13 (2004).
