Sıcaklık duyarlı Öldürücü Mutants Yüksek Verim robotik Destekli İzolasyonu içinde<em> Chlamydomonas reinhardtii</em
Summary
Temperature-sensitive (ts) lethal mutants are valuable tools to identify and analyze essential functions. Here we describe methods to generate and classify ts lethal mutants in high throughput.
Abstract
Systematic identification and characterization of genetic perturbations have proven useful to decipher gene function and cellular pathways. However, the conventional approaches of permanent gene deletion cannot be applied to essential genes. We have pioneered a unique collection of ~70 temperature-sensitive (ts) lethal mutants for studying cell cycle regulation in the unicellular green algae Chlamydomonas reinhardtii1. These mutations identify essential genes, and the ts alleles can be conditionally inactivated by temperature shift, providing valuable tools to identify and analyze essential functions. Mutant collections are much more valuable if they are close to comprehensive, since scattershot collections can miss important components. However, this requires the efficient collection of a large number of mutants, especially in a wide-target screen. Here, we describe a robotics-based pipeline for generating ts lethal mutants and analyzing their phenotype in Chlamydomonas. This technique can be applied to any microorganism that grows on agar. We have collected over 3000 ts mutants, probably including mutations in most or all cell-essential pathways, including about 200 new candidate cell cycle mutations. Subsequent molecular and cellular characterization of these mutants should provide new insights in plant cell biology; a comprehensive mutant collection is an essential prerequisite to ensure coverage of a broad range of biological pathways. These methods are integrated with downstream genetics and bioinformatics procedures for efficient mapping and identification of the causative mutations that are beyond the scope of this manuscript.
Introduction
model organizmaların sistematik mutant koleksiyonları Fenotipik karakterizasyonu hücresel karmaşıklığı diseksiyon için kanıtlanmış bir yaklaşımdır. Haploid tek hücreli yeşil algler chlamydomonas reinhardtii bir bitki gibi gen kümesi vardır, ancak arazi bitki soyu 2 çoklu genom duplications önce kara bitkileri uzaklaşmıştır. Prensip olarak, gen çoğaltılması ve özellikle haploid yaşam döngüsü eksikliği büyük ölçüde zarar fonksiyon-genetik yaklaşımlar kolaylaştırır. Bununla birlikte, ilgi konusu gen, hedeflenen bozulma nedeniyle verimli homolog genomik entegrasyon eksikliği neredeyse imkansızdır. Bir rastgele sokma bozulması kütüphane bugüne kadar 1.562 genleri 3 temsil 1,935 eşlenen kesintileri bir dizilmiş bir dizi verimli kesintiye sitenin tanımlama ile birlikte yapım aşamasındadır. Bununla birlikte, (sıfır mutasyon üretmek için, genel olarak beklenen) bu yaklaşım elzem genlerine için geçerli değildir. Sıcaklığa duyarlı (ts) mutasyonlar recovere edilebilirtemel genlerdeki d ve son yöntemler mutasyona uğramış gen ve nedensel lezyonun etkin kimlik izin verir. yüksek sıcaklıkta Fenotipik analizi, daha sonra mutasyona uğramış genin fonksiyonu hakkında derhal bilgi verir. Biz hücre döngüsü ilerlemesinde rol oynayan genlerin özellikle odaklanarak, Chlamydomonas ~ 70 temel genlerdeki ts ölümcül mutasyonlar izolasyonu ve karakterizasyonu üzerine rapor ve 1,4 kontrol eder.
Ts öldürücü ekranlar yıllardır 5,6 mikroorganizmaların genetik analizlerin bir dayanak olmuştur. Prensip olarak, arzu edilen bir özellik, ölümcül TS mutasyona yeteneğine sahip tüm genlerin tam bir analiz sağlayan en az bir mutant tarafından tanımlanan olduğu anlamına gelen "doygunluğu," yaklaşım sağlamaktır. Bununla birlikte, uygulamada, çeşitli faktörler doygunluk yaklaşım sınırlar. Hemen hemen tüm genlerin yüksek sıcaklıkta aktivite kaybına uğramış olabilir İlk olarak, bu tür mutant geri kazanım veriminin en az göre değişirbüyüklüğü 7,8 bir düzen. Bu nedenle, rastgele bir ekran doygunluk yaklaştı uzun zaman önce "sık sık el ilanları" tekrarlayan hit almak için başlar. ts mutasyonlar genellikle fonksiyonunun azalmasına neden olurken İkincisi, onlar gerçek bir kısıtlayıcı sıcaklıkta nulls olmayabilir (ve tersi, sık sık bir keyfi sıcaklıkta tamamen işlevsel değildir). Bu sorun, birden allelleri karşılaştırarak bir ölçüde ele alınabilir; hepsi ortak bir fenotip paylaşan, bu genin basit inaktivasyonu sonucu yansıtmak için daha olasıdır. Çoklu alleller da etken lezyon 1 kesin moleküler tanımlanması için çok faydalıdır. Ancak, "sık uçan" sorunu nadiren vurmak genlerdeki birden alleller kurtarmak için zor olabilir anlamına gelir.
Bu nedenlerden dolayı, izole etmek ve fenotipik TS mutantlar karakterize için geliştirilmiş boru hattı geliştirilmektedir. Biz i bugüne kadar 3.000'in üzerinde ts mutantlar topladık200, yeni bir aday hücre döngüsü mutasyonlar ncluding. Zaten muhtemelen çoğu veya tüm hücre gerekli yollar mutasyonlar içeren bu koleksiyonda, Moleküler ve fenotipik analizi, bitki hücre biyolojisinde yeni anlayışlar ve hipotezleri sağlamalıdır. Önemli olarak, bu boru hattının verimli, Ts mutantı koleksiyonları oluşturmak için agarı üzerinde yetişen herhangi bir mikroorganizma uygulanabilir.
ekipman ile ilgili bir not: İki robot bu prosedür (bir koloni toplayıcı ve bir arada kopya plater / kiraz seçici) verimlilik açısından çok önemlidir. Toplayıcıları tipik olarak metal işaretçilerine var. Çekilen koloniler (modele bağlı olarak, saniyeler dakika) belli bir süre için bu iğneler üzerinde havada yapılır. Chlamydomonas havada metal pim üzerinde yaklaşık 20 saniye içinde ölür. Bu organizma modeli seçimi kısıtlar. Doğruluk önemlidir. Bizim koloni seçici makul doğru; Ancak, onun eylem biraz şiddet ve sprey bazlı çapraz kontaminasyon için bazı olasılığı vardır. Yüksek de kullanılmazer daha 384 yoğunluğu (4.5 mm merkez merkez boşluk); Bu yoğunlukta, doğruluk tamamen kabul edilebilir. çoğaltma kaplama / kiraz toplama robotu (bu uygulamalar için kullanılan farklı ekleri) toplama çok daha yavaştır, ancak (6144 bile bu çok doğru robot için bir meydan okumadır 1536 yoğunluğu için yeterli doğrudur, biz bu yoğunluk değerlendirildi ancak seçtiler ) nedeniyle çeşitli zorluklar kullanmak için. Levha vb, dengesiz yüklenen ise robot iyi çalışmaz. Doğru şeyler oluyor emin olmak için nokta-kontrol etmek önemlidir; Elbette, robot gözetimsiz çalışacak ve genel olarak tüm ilk birkaç tabak doğruydu de eğer gidecek.
Protocol
Representative Results
Discussion
ts öldürücü mutantların yüksek verim izolasyonu için burada açıklanan boru hattı Chlamydomonas genomunun muhtemelen tüm hücresel-temel yollar temsil edilmesini sağlar. Potansiyel hücre döngüsü genlerinin verimli bir şekilde toplanması ve tekrarlayan "sık uçan" allellerin ortadan kaldırılması için iki en kritik adımlar şunlardır: eksik hücre döngüsü ve 2) zaten tanımlanan karşı paralel tamamlama testi için tutuklama fenotip özelliklerinin 1) tutarlı tanım yeni izole olanlarla koleksiyonu büyütmek için genleri sorgular.
Işık-karanlık döngüleri ile senkronize olduğunda, Chlamydomonas herhangi bir DNA replikasyonu veya hücre bölünmesi 13 olmadan gündüz saatleri ve hücre boyutu> 10x artışlar sırasında fotosentetik büyür. Gece başlangıcından yaklaşık tesadüf hücreler daha sonra DNA replikasyonu, mitoz ve hücre bölünmesi (Şekil 8) alternatif defalarca tekrarlayabilir. Bu düzenleyici şematiktirE, öncelikle hücre büyümesi ve bütünlük ve hücre bölünmesi döngüsü için özel olarak gerekli olan genler için gerekli genler arasında doğal bir ayrım sağlar. Biz 10 saat ve 20 saatlik zaman noktaları bir başlangıç kaba fenotipik 1 kesmek için çok bilgilendirici bulundu. Bu görüntülere dayanan şu anda tanımak ts öldürücü mutantlar, geniş sınıfları 1 (Tulin ve Cross, 2014 SI bakınız) şunlardır: Notch, Popcorn, Yuvarlak, Küçük, Orta, erken lizis ve çoklu-çevrim (Şekil 8 ).
Biz odaklanmak üç en alakalı kategoriler Notch, Patlamış mısır ve Yuvarlak vardır. "Çentik" ve "patlamış mısır" fenotipleri çoğu hücre döngüsü spesifik lezyonları için daha önce gösterilen (örn, mitotik sikline bağlı kinaz, DNA replikasyon makine ve topoizomeraz II); 1. biri (Notch) ya da çoklu görünüm (Popcorn) başlangıç ama başarısız hücre bölünmesinin belirgin uçakları uygun bir morfolin olduğunuHücre döngüsü inisiyasyon ogical göstergesi. Bu mutantlar, genel olarak 10 saat gösterirken WT benzer hücre hacmindeki artışlar, çok az veya hiç bir büyüme kusurlar sergilerler. Notch ve Popcorn fenotipleri 10 saatte belirgindir ve tam 20 saat ile (sıklıkla hücre parçalama ile ilişkili) geliştirilmiştir. "Yuvarlak" hücreler, böylece büyük, yuvarlak tutuklandı hücreleri verimli, WT ama belirgin başlangıç bölümü uçaklarının çok azaltılmış üretimi ile benzer büyür. Bu kategoride önceki mutantlar mikrotübül fonksiyonu (tübülin-katlama kofaktör, gama-tubulin halka kompleks) 1 için gerekli anafaz-teşvik 14 karmaşık ya da genlerin bileşenlerine düşmüş. Daha sonra zaman zaman, bu hücreler sıklıkla belirgin hücre parçalama sergilerler.
"Küçük" ve "Orta" hücreleri WT (Orta) daha ihmal edilebilir (Küçük) ya da daha az ya da büyür. Bugüne kadar belirlenen bu mutantların birçok ek açıklamalar temel cellula rol önermek genlerdeki lezyonları varr büyüme süreçleri (çeviri veya zar biyogenezi). (:;: Azaltılmış Orta WT gibi Yuvarlak) Orta ve Yuvarlak arasındaki ana mikroskobik ayrımcılık 10 saatte büyüme miktarına dayanmaktadır. Küçük ve Orta Ölçekli kategoriler oldukça büyük ve muhtemelen hücresel yolların büyük bir aralıkta lezyonları yansıtan, çünkü biz bu kategorileri doyurmak için çalışırken değildir; Ancak, farklı yollardaki kaybı fenotipleri anlamak için sınıfın temsilcilerini belirlemek moleküler yönden istiyoruz. İki çalışılmamış kategoriler şunlardır: 1) Erken parçalama önce hücre büyümesinin çok az kanıt ve 2) çoklu döngüleri ile, 10 saat işareti ile yeşil renk (kaybı, refraktilitesi kaybı) bütünlüğünü kaybeder mutantlar. Hücreler, daha uzun vadeli bir proliferasyonunu gerçekleştirmek için tam bir yetersizlik sergiler ama, 10 ve 20 saat sonra ağırlıkla benzer çoğalır.
Biz çoğunlukla, hem de küçük ve orta yuvarlak hücreler "çentik", "patlamış mısır" ve "yuvarlak" karakterize ve dışarıda olanolarak sızdıran mutantlar bu tam kaç hücre bölünmeleri. Bu, büyüme ve membran bütünlüğünün, gibi temel hücresel özellikleri, fonksiyonel olmasını sağlamak ve bölünme ile ilgili genler için olasılığını zenginleştirmek için esas olduğunu. Bu yaklaşım, deneysel olarak etkili olduğu bulunmuştur; Ancak, bir hücre döngüsü gen gerçek bölünmeden önce, pleiotropik ve önceki G1 ek rolleri vardır olabilir. biz nadir olmasını bekliyoruz Bu gibi durumlarda, cevapsız. Daha genel olarak, biz yüksek olasılık tamamen işlevsiz proteindir nedeniyle bir etken mutasyon homojen tutuklama, hedefliyoruz. Bununla birlikte, aşağıda açıklanan aynı nedenden dolayı, çok sayıda tutuklama noktalar ve bu nedenle, bazı esnekliğin adayları seçmek tavsiye edilir.
yeni tanımlanan genlerle koleksiyonunu zenginleştirmek amacıyla, seçilen adaylar tamamlama için deneye tabi tutulur. Biz pozitif kontrol negatif kontrol (sorgu mutasyon karşı sorgu) ve ts + TS-gerektirir (querWT karşı Y). sorguda aynı tamamlama grubu yeni mutantlar TS- vardır. Aynı tamamlama grubuna üyelik neredeyse kaçınılmaz aynı genin moleküler lezyon (bu test ettik her tür gen için böyle olmuştur) yansıtır. Bu nedenle, için "sık sık el ilanları," Bu kriter daha karakterizasyon için dışlayıcı olduğunu. Test sorgular aynı tamamlama grupları değildi mutantlar yeni genlerin için aday olan ve daha fazla biyoinformatik ve deneysel araçları ile karakterizedir. Farklı tamamlama gruplarına TS-allellerinin yüksek değişkenliğe sahip kurtarma iyi bilinen bir olgudur-olan değişkenlik nedeniyle, farklı genler arasındaki TS- için mutability büyük içsel değişkenlik, Poisson gürültü belirgin derecede daha yüksektir olmasıdır. içsel thermolability farklılıkları içerebilir Nedenler; farklı protein boyutları; Büyük bir şekilde, karmaşık bir stabilize karşı bir monomer gibi bir proteinin varlığı; ve mutajenik sıcak noktalar. Bu neredeyse saf nuisa olduğununce. Ancak, bir ortaya çıkan olumlu sonuç "sık uçan" listesi (listenin en işgal yalnızca birkaç hedeflerle) uzun değil, bu yüzden emek-yoğun tamamlama testi projenin ileriki aşamalarında kadar büyük bir girişim değil olmasıdır.
tamamlayıcı bir yaklaşım olarak, biz bir bağlantı testi uygulandı. Bu deneyde, iki dayanıklı yavrularıyla seçilir ve TS- fenotipi için test edilir. Bir TS-fenotip beklenen (ve gözlenen) sorgusu ya da sıkıca bağlı mutasyonlar için aynı tamamlama grubu mutantlar için bir. Test edilen genlerin her biri için, bir WT döl genetik mesafeye bağlı olarak belli bir olasılık (ts + fenotip) çıkması bekleniyor. Biz bu noktalar her çiftleşme için yaklaşık 100 zygospores olduğunu tahmin ediyoruz. % 100 öz değişmesine ait başarı ile, bu durum, M bağlantısız ilaç direnci kasetleri yaklaşık 100 çift ilaca dirençli soyun (öz değişmesine ait döl% 25, mayoz başına dört sonuçlanacaktırendelian miras). Bu aynı zamanda döllerinde% 25'i çift mutant olacak TS- mutasyonlar için durumda olacağını ve sorgu ve test mutasyonları bağlantısız ise% 25 WT olacaktır. Bu nedenle, çift-ilaca dirençli döl üzerinden, ağırlıkça% 25 (yaklaşık 25 hücre) olacaktır. Bu tamamen bağlantısız mutasyonlar için de geçerlidir; Ancak, orta bağlantı (~ 20 cm, yaklaşık 2 Mb, ya da genom 115% 2 içinde) şiddetle azaltmak veya ts + sinyali ortadan kaldıracaktır. Antibiyotik kaseti test mutasyonun bağlanması durumunda, çift ilaca dirençli + haploids TS çok düşük miktarlarda mevcut bulunmaktadır. Bu, tüm mutantlar kaydetti kolayca bir anormal bir sonuç test tamamlayan rağmen, test edilen tüm mutantlar ile recombine açıkça başarısızlık olarak ortaya çıkar; Bu gibi durumlarda, geriye melezleme sorunu çözecektir.
Önceki bilgileri ve dizi analizi, her ikisi de mo birlikte, Chlamydomonas hücre döngüsü genlerinin 500 genler 2 olmasını bekliyoruzst, ama muhtemelen hepsi değil, esastır. Biz başka bir mutasyon tur için gerekliliğini daha fazla mutantlar toplanır olarak ve doygunluk yükselir düzeyini değerlendirecek.
Bu prosedür benzersiz temel biyolojik süreçleri ve bunları yürütmek genleri ve proteinleri çalışmak için tasarlanmıştır. Diğer yöntemler temel genlerdeki tedirginlikler var oluşturmak için (örneğin, rastgele mutagenized alellerin 16, koşullu transkripsiyonu alellerin 17 veya hypomorphic allellerin 18 dönüşüm). Bununla birlikte, tüm kuvvetli bitkisel Chlamydomonas bastırılır homolog rekombinasyonu gerektirir. Kümelenmiş düzenli interspaced kısa palindromic tekrar (CRISPR) / Cas9 sistem gen modifikasyonu 19 için güçlü bir araç olarak kurulmuştur; Ancak, Chlamydomonas 20 verimli çalışmasını henüz. Kritik, bu yöntemlerin hepsi hedefin ön bilgi gerektirir. Bu ciddi bir kısıtlama olduğunuyeni bir şeyler öğrenmek olanağına sahip olmak isterse! Bizim yaklaşım herhangi bir ön bilgi bağımsız temel genleri tanımlama mutasyonları verecektir. Bu nedenle, teknolojinin bugünkü düzeyinde, derin sıralama ile gen tanımlama ardından rastgele ts mutasyonların izolasyon bitki superkingdom mikrobiyal hücre biyolojisi içine hızlı bir giriş kazanmanın en etkili yöntem olabilir.
neden olan mutasyonların tanımlanması bu yazının kapsamı dışındadır (kodlama-dizi-değişen her klon mutasyonlar 100 ~ arasından). Hacimli segregant havuzlar 1 derin sıralama etkili ama emek-yoğundur. suşu çok sayıda Tüm mutasyonlar belirlenmesi için bir birleştirici havuzu strateji, havuzları az sayıda sekanslanması sonra çok maliyet ve emek etkilidir. kombinatoryal bulked segregant dizileme için yeni bir strateji sim mutantlar onlarca yol açan mutasyonların belirlenmesi sağlayacak geliştirme aşamasındadır(Hazırlık aşamasında) tek bir sıralama vadede ultaneously. Bu verimlilik kritik gen tanımlama adımı burada anlatılan prosedürler ile mümkün olmaktadır mutantlar çok hızlı birikimi ayak uydurmak için izin için çok önemlidir.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Biz tavsiye ve yararlı bir tartışma için Çapraz laboratuvar üyelerine teşekkür ederim. Bu çalışma PHS 5RO1-GM078153 tarafından ve tarafından desteklenen Michal Breker için Simons Vakfı Junior Fellow ödülü.
Materials
| Equipment: | |||
| Hudson RapidPick colony picker | Hudson Robotics | ||
| MultiDrop Combi Reagent Dispenser | Thermo Scientific | 5840300 | |
| Small tube metal tip cassette | Thermo Scientific | 24073295 | |
| Singer RotoR replica-plating robot | Singer Instruments | Very essential for the process. For lower scale screenings you can use an in-house manual tool | |
| Singer single-colony picking attachment (‘Stinger’) | Singer Instruments | Can be picked manually, however for large scales it is nearly impossible | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Materials: | |||
| SYTOX Green Nucleic Acid Stain | ThermoFisher Scientific | S7020 |
References
- Tulin, F., Cross, F. R. A microbial avenue to cell cycle control in the plant superkingdom. Plant Cell. 26, 4019-4038 (2014).
- Cross, F. R., Umen, J. G. The Chlamydomonas cell cycle. Plant J. 82, 370-392 (2015).
- Li, X., et al. An Indexed, Mapped Mutant Library Enables Reverse Genetics Studies of Biological Processes in Chlamydomonas reinhardtii. Plant Cell. 28, 367-387 (2016).
- Tulin, F., Cross, F. R. Cyclin-Dependent Kinase Regulation of Diurnal Transcription in Chlamydomonas. Plant Cell. 27, 2727-2742 (2015).
- Simchen, G. Cell cycle mutants. Annu. Rev. Genet. 12, 161-191 (1978).
- Hartwell, L. H., Culotti, J., Reid, B. Genetic control of the cell-division cycle in yeast. I. Detection of mutants. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 66, 352-359 (1970).
- Li, Z., et al. Systematic exploration of essential yeast gene function with temperature-sensitive mutants. Nat. Biotechnol. 29, 361-367 (2011).
- Ben-Aroya, S., et al. Toward a comprehensive temperature-sensitive mutant repository of the essential genes of Saccharomyces cerevisiae. Mol Cell. 30, 248-258 (2008).
- Harris, E. . The Chlamydomonas Sourcebook: Introduction into Chlamydomonas and Its Laboratory Use. , (2008).
- Dutcher, S. K. Mating and tetrad analysis in Chlamydomonas reinhardtii. Methods Cell Biol. 47, 531-540 (1995).
- Gill, S. S., Anjum, N. A., Gill, R., Jha, M., Tuteja, N. DNA damage and repair in plants under ultraviolet and ionizing radiations. Sci World J. 2015, 250158 (2015).
- Liu, Z., Wang, L., Zhong, D. Dynamics and mechanisms of DNA repair by photolyase. Phys. Chem. Chem. Phys. 17, 11933-11949 (2015).
- Francis, D. Cell cycle control and plant development. Annual Plant Reviews, Volume 32. Ann. Bot. 101, 1049-1050 (2008).
- Zachariae, W., Nasmyth, K. Whose end is destruction: cell division and the anaphase-promoting complex. Genes Dev. 13, 2039-2058 (1999).
- Merchant, S. S., et al. The Chlamydomonas genome reveals the evolution of key animal and plant functions. Science. 318, 245-250 (2007).
- Ben-Aroya, S., et al. Toward a comprehensive temperature-sensitive mutant repository of the essential genes of Saccharomyces cerevisiae. Mol. Cell. 30, 248-258 (2008).
- Mnaimneh, S., et al. Exploration of essential gene functions via titratable promoter alleles. Cell. 118, 31-44 (2004).
- Schuldiner, M., et al. Exploration of the function and organization of the yeast early secretory pathway through an epistatic miniarray profile. Cell. 123, 507-519 (2005).
- Hsu, P. D., et al. DNA targeting specificity of RNA-guided Cas9 nucleases. Nat. Biotechnol. 31, 827-832 (2013).
- Jiang, W., Brueggeman, A. J., Horken, K. M., Plucinak, T. M., Weeks, D. P. Successful transient expression of Cas9 and single guide RNA genes in Chlamydomonas reinhardtii. Eukaryot. Cell. 13, 1465-1469 (2014).
