Summary

Abordagem genética para a frente para descobrir genes de resistência a estresse em ratos - Uma tela de alta capacidade em células ES

Published: November 11, 2015
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Summary

Resistência ao estresse é uma das marcas para a longevidade e é conhecido por ser geneticamente governada. Aqui, desenvolvemos um método de alto rendimento imparcial para triagem de mutações que conferem resistência ao estresse em células ES com que para desenvolver modelos de rato para estudos de longevidade.

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

A longevidade tem uma relação íntima com a resistência ao estresse. Em geral, as espécies de vida longa demonstram muitas vezes uma maior resistência para vários factores de stress, tais como peróxido de hidrogénio, paraquato (PQ), UV, calor, e metais pesados ​​1,2. Em contraste, o aumento da sensibilidade ao stress tende a predizer a vida encurtada e / ou um fenótipo de doença mais propensas. A via de eliminação de anti-oxidante tem sido especulado para desempenhar um papel importante no que confere resistência de stress ao animal. No entanto, com poucas exceções, os estudos de uma variedade de animais transgênicos com manipulações em várias enzimas anti-oxidantes (por exemplo, SOD) indicam que o aumento do nível de enzimas eliminadoras oxidantes não aumenta vida útil ou extensão de saúde 3. Estes dados sugerem que o traço de resistência ao estresse consistentemente observado em animais de longa duração é mediada por outras vias celulares ainda para ser descoberto.

Nós pegamos uma frente imparcialabordagem genética para identificar genes, que após mutação, poderia conferir um fenótipo de resistência ao estresse em células estaminais embrionárias cultivadas (ES). As células ES oferecem duas vantagens principais neste estudo: (1) manipulação genética sofisticadas estão disponíveis para modificar o genoma das células ES; e (2) as células ES resistentes estresse recuperados a partir do ecrã pode ser usado directamente para a produção do mouse, permitindo rápida tradução em estudos com animais inteiros para medir tempo de vida útil e de saúde.

Neste relatório, nós descrevemos o uso de linha de células C9 ES, em que os alelos Blm estavam sob controle por um elemento que responde a tetraciclina. Tratamento de doxiciclina (dox) transitoriamente desligada a expressão de Blm levando a um aumento de incidentes de troca de cromátides irmãs. Este curto prazo Blm knock-out permitiu a geração de mutações homozigotas numa população de heterozigotos, de modo que mutações recessivas para resistência stress pode ser capturado no processo de rastreio. Nóstambém descreveram a utilização de piggyBac (PB) como a transposão mutagénica para inserir aleatoriamente um poli-A cassete armadilha (PB-UPA) para mutar os genes no genoma. As células com um gene de ruptura pela poli-A armadilha se tornou resistente a G418 e pode ser recuperado de modo a que um conjunto de mutantes de gene-trap (biblioteca de genes-trap) pode ser feita, e subsequentemente pesquisada quanto a clones mutantes que eram resistentes ao estresse.

Os clones resistentes de Stress recuperados a partir da selecção poderia ser caracterizada bastante rapidamente por meio de técnicas moleculares no que se refere ao número de inserções (qPCR), o local de inserção (splinkerette PCR), a identidade do gene interrompido (BLAST), e o seu nível de expressão ( RT-qPCR). A inserção pode ser PB remobilizados por expressão transiente de MPB transposase no clone para restaurar a sequência de ADN de tipo selvagem e, portanto, para testar a perda de resistência à tensão. Estas são maneiras poderosas para confirmar a causalidade da mutação, o que deve ser feito antesa produção caro mouse. Estudos anteriores mostraram que as células expostas a estressores perderam a 4,5 pluripotência. Assim, neste protocolo, a preservação de um conjunto de réplicas de células mutantes, que não seriam tratados com fatores de estresse é fundamental para a produção bem sucedida mouse.

Nosso laboratório projetou a linha de células ES C9 eo vetor PB-UPA, ambos estão disponíveis para outros pesquisadores, mediante solicitação. O protocolo aqui relatado começará pela geração da biblioteca de de novo de células ES preso por genes com OP-UPA (Figura 1A), seguido de réplica de placas e selecção de stress para isolar os clones resistentes de tensão (Figura 1B). Nós demonstramos a seleção com paraquat, um potente gerador de radicais livres dentro das células. Praticamente, qualquer composto citotóxico ou toxina, por exemplo, factores de stress ER (por exemplo, tapsigargina e tunicamicina), neuronal oxidante (por exemplo, MPP +, dopamina 6-hidroxi, e rotenona), do calor, e pesadometais (por exemplo, CD, SE), poderia ser adaptada para o método de escolha para os respectivos mutantes resistentes.

Protocol

1. preso Gene-ES celular Biblioteca da construção que usa piggyBac Transposon Prepare rato primária fibroblastos embrionárias (PMEF) como alimentadores para cultura de células ES Descongelar um frasco de mitomicina-C PMEF inactivadas (5,0 x 10 6) em um banho de água a 37 ° C. Transferir as células em 5 ml de meio de células ES (DMEM contendo FBS a 15%, 1.000 unidades / mL de factores de inibição de leucemia, 100 uM de aminoácidos não essenciais, 2 mM de glutamina, 55?…

Representative Results

Numa experiência típica a mutagénese, a transfecção é constituído por um total de 3 x 10 7 células ES com OP-UPA e MPB transposase. Os números de células ES preso de gene gerados em duas experiências independentes estão resumidos na Tabela 1. A eficiência do gene-aprisionamento é de cerca de 0,04%. As bibliotecas de genes-armadilha combinadas contêm 22.400 mutantes independentes, sobre a cobertura completa do genoma do rato (23.000 genes codificadores). Excesso…

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

  1. 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).
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Cite This Article
Ludwig, M., Kitzenberg, D., Chick, W. S. Forward Genetic Approach to Uncover Stress Resistance Genes in Mice — A High-throughput Screen in ES Cells. J. Vis. Exp. (105), e53062, doi:10.3791/53062 (2015).

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