İleri Genetik Yaklaşım Farelerde Stres Direnci Genler ortaya çıkarmak için - ES Hücrelerde bir Yüksek verim Ekranı
Summary
Stres direnci uzun ömürlü özelliklerinden biridir ve genetik yönetilmeye bilinmektedir. Burada, uzun ömürlü çalışmaları için fare modelleri geliştirmek için hangi ES hücreleri stres direnci kazandıran mutasyonlar taranması için tarafsız bir yüksek verimli bir yöntem geliştirdi.
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
Ömür stres direnci ile samimi bir ilişki vardır. Genel olarak, uzun ömürlü türler genellikle hidrojen peroksit paraquatın (PQ), UV, ısı ve ağır metaller 1,2 gibi birden stres, doğru direncin artmasına işlemini göstermektedir. Bunun aksine, strese karşı artan hassasiyet, kısalmış ömür ve / veya daha fazla hastalık eğilimli fenotipi tahmin etmek eğilimindedir. Anti-oksidanın, tutucu yolu uzun hayvana gerilme direnci veren önemli bir rol oynadığı tahmin edilmektedir. Bununla birlikte, birkaç istisna dışında, çeşitli anti-oksidan enzimler (örneğin, akciğer), manipülasyonlara sahip transgenik hayvanların çeşitli çalışmalar, oksitleyici kirleticilerin alınmasına yönelik enzim düzeyi artan yaşam süresi ya da sağlık aralığı 3 arttırmadığını gösterir. Bu veriler sürekli olarak uzun ömürlü hayvanlarda gözlenen stres direnç özelliği henüz ortaya için diğer hücresel yolların aracılık ettiğini göstermektedir.
Biz tarafsız bir ileriye aldıGenetik mutasyona uğramış bir yaklaşım üzerine, kültürlü embriyonik kök (ES) hücrelerde stres direnci fenotipi olabilir genleri tanımlamak için. ES hücreleri Bu çalışmada iki ana avantaj sağlar: (1) sofistike genetik manipülasyonlar ES hücrelerinin genomunun modifiye edilmesi için kullanılabilir; ve (2) ekranında elde herhangi bir strese karşı ES hücreleri ile doğrudan ömrü, sağlık yayılma ölçmek için bütün hayvan çalışmalarında içine hızlı şekilde çevrilmesine izin veren fare üretimi için de kullanılabilir.
Bu yazıda Blm alleller bir tetrasiklin duyarlı eleman tarafından kontrol altına bulundukları C9 ES hücre hattı kullanımını tarif. Doksisiklin (Ortodoks) tedavisi geçici kardeş kromatid değişimi artan olaya lider BLM ifadesini kapalı. Bu kısa vadeli Blm knock-out heterozigot nüfus içerisindeki homozigot mutasyon üretimi için izin stres direnci için çekinik mutasyonlar tarama sürecinde yakalanan olabilir ki. BizAyrıca rastgele genom genlerin mutasyona bir poli-A tuzak kaseti (PB-UPA) eklemek için mutajen olarak piggyBac (PB) transpozonun kullanımını tarif. Poli-A tuzağı ile bir gen bozulması olan hücreler, G418 dirençli hale ve gen-trap mutantlar (gen trap kütüphanesi) oluşan bir koleksiyon yapılmış ve daha sonra, karşı stres olan mutant klonları için tarandı olabilir, böylece elde edilebilir.
Seçim kurtarıldı Stres dirençli klonlar eklemeleri sayısı (qPCR) arasında bağlamda moleküler tekniklerle oldukça hızlı karakterize edilebilir, ekleme site (splinkerette PCR), bozulmuş gen (ŞOK) kimliği ve onun ifade seviyesi ( RT-qPCR). PB yerleştirme Yabani tür bir DNA dizisini ve bu nedenle geri stres direnci kaybını test klonu MPB transpozazın geçici ifade yolu ile remobilized edilebilir. Bunlar önce yapılmalıdır mutasyon nedenselliğini onaylamak için güçlü yollar vardırpahalı bir fare üretimi. Önceki çalışmalar stres maruz kalan hücreler pluripotency 4,5 kaybettiklerini gösterdi. Böylece, bu protokolde, stres ile tedavi olmaz mutant hücreler kümesi bir yineleme, korunması başarılı fare üretimi için kritik öneme sahiptir.
Bizim laboratuvar hem istek üzerine diğer araştırmacılar için kullanılabilir, C9 ES hücre hattı ve PB-UPA vektörü tasarladı. Burada rapor edilen protokol, stres dayanıklı klonların (Şekil 1B) izole etmek için replika plaka ve stres seçimi, ardından PB-UPA (Şekil 1A) gen tuzak ES hücreleri, de novo arşivinin oluşturulması yoluyla başlar. Biz paraquat, hücreler içinde güçlü bir serbest kök üretici madde ile noktası göstermiştir. Hemen hemen, örneğin herhangi bir sitotoksik bileşik veya toksin, ER stres (örneğin, thapsigargin ve tunikamisin), nöronal oksitleyici (örneğin, MPP +, 6-hidroksi dopamin ve rotenon), ısı ve ağırmetaller (örneğin, Cd, Se), ilgili dirençli mutantların seçmek için bir yöntem adapte edilebilir.
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).
