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Ce protocole décrit comment utiliser la méthode analytique MEDUSA pour quantifier l’effet régulateur de la mort de chaque gène knock-out. Il comprend des instructions sur la détermination des conditions expérimentales qui optimisent la sensibilité et un tutoriel étape par étape sur la réalisation de l’analyse.
Le dépistage systématique des perturbations génétiques de gain ou de perte de fonction peut être utilisé pour caractériser les dépendances génétiques et les mécanismes de régulation pour essentiellement n’importe quel processus cellulaire d’intérêt. Ces expériences impliquent généralement le profilage à partir d’un ensemble de perturbations génétiques uniques et la façon dont chaque perturbation génétique affecte la valeur adaptative relative des cellules. Lorsqu’elles sont appliquées dans le contexte d’études d’efficacité des médicaments, souvent appelées profilage chimiogénétique, ces méthodes devraient être efficaces pour identifier les mécanismes d’action des médicaments. Malheureusement, les études de profilage chimiogénétique basées sur la condition physique sont inefficaces pour identifier tous les composants d’une réponse médicamenteuse. Par exemple, ces études ne parviennent généralement pas à identifier les gènes qui régulent la mort cellulaire induite par les médicaments. Plusieurs problèmes contribuent à obscurcir la régulation de la mort dans les dépistages basés sur la valeur adaptative, notamment les effets confondants de la variation du taux de prolifération, la variation de la coordination induite par le médicament entre la croissance et la mort et, dans certains cas, l’incapacité à séparer l’ADN des cellules vivantes et mortes. MEDUSA est une méthode analytique permettant d’identifier les gènes régulateurs de la mort dans les données de profilage chimio-génétique conventionnelles. Il fonctionne en utilisant des simulations informatiques pour estimer les taux de croissance et de mortalité qui ont créé un profil de fitness observé plutôt que de noter la condition physique elle-même. L’utilisation efficace de la méthode dépend de la détermination optimale des conditions expérimentales, y compris la dose de médicament, la taille de la population de départ et la durée du test. Ce manuscrit décrira comment mettre en place une étude de profilage chimio-génétique pour l’analyse basée sur MEDUSA, et nous montrerons comment utiliser la méthode pour quantifier les taux de mortalité dans les données de profilage chimio-génétique.
Dans le profilage chimio-génétique, des perturbations génétiques systématiques sont utilisées pour comprendre la contribution de chaque gène à une réponse médicamenteuse donnée 1,2,3. Ces expériences sont précieuses et peuvent révéler des informations importantes sur les réponses aux médicaments, y compris la cible de liaison du médicament et les mécanismes d’afflux et d’efflux de médicaments. Cependant, comme ces expériences sont généralement réalisées de manière regroupée qui évalue tous les gènes simultanément, il peut être difficile de générer des informations mécanistes à partir de données de profilage chimiogénétique.
Les mécanismes de contrôle et les dépendances génétiques de la mort cellulaire induite par les médicaments ont tendance à être difficiles à résoudre dans les données de profilage chimiogénétique. Il y a plusieurs raisons à ce problème, mais beaucoup d’entre elles découlent de l’impact de la variation de la prolifération cellulaire4. Par exemple, parce que les cellules prolifèrent de manière exponentielle, l’effet d’une perturbation génétique sur le taux de prolifération a un impact plus important sur la taille de la population que la modification des taux de mortalité cellulaire. De plus, parce que cette sensibilité biaisée est exacerbée avec le temps et que ces expériences sont généralement réalisées sur plusieurs semaines, la plupart des études sont optimisées pour être très sensibles aux défauts de prolifération et essentiellement insensibles aux changements dans la mort cellulaire induite par les médicaments. D’autres problèmes liés à la prolifération comprennent la coordination variée entre la prolifération et la mort (p. ex., à quelle vitesse chaque clone se développe-t-il pendant qu’il meurt, et cela varie-t-il entre les perturbations génétiques) et les variations des taux de prolifération pour chaque clone en l’absence de médicament, ce qui modifie le nombre prévu de cellules qui auraient dû ou auraient pu être récupérées si le médicament n’avait pas été efficace. En fin de compte, les expériences de profilage chimio-génétique notent généralement l’impact des perturbations génétiques à l’aide de mesures proportionnelles à la taille relative des populations, en comparant les populations traitées et non traitées. Parce que la taille de la population est le produit à la fois de la croissance cellulaire et des taux de mort cellulaire, du point de vue de la mort cellulaire, la prolifération représente une influence confondante.
Pour remédier à ces problèmes, nous avons créé une méthode d’évaluation de la mort à l’aide d’une approche assistée par simulation (MEDUSA)5. MEDUSA interprète les données relatives sur la taille de la population observée à l’aide de simulations informatiques afin de déduire la combinaison de la croissance et des taux de mortalité induits par les médicaments qui a généré la réponse médicamenteuse observée pour chaque clone génétique. Des données antérieures suggèrent que la méthode peut déduire avec précision comment les perturbations génétiques affectent le taux de mortalité induite par le médicament, mais la précision de cette méthode dépend d’une compréhension détaillée de la façon dont la prolifération cellulaire et la mort cellulaire sont coordonnées par un médicament et comment ces taux varient dans le temps 5,6. De plus, les inférences basées sur MEDUSA nécessitent qu’un médicament soit testé à une dose qui provoque une mort cellulaire importante. Il est important de noter que ces conditions de traitement créent des préoccupations supplémentaires concernant la taille de la population de départ et la durée des essais, qui doivent être soigneusement prises en compte et optimisées. Dans ce protocole, nous décrivons comment mettre en place une étude de profilage chimio-génétique pour l’analyse basée sur MEDUSA et fournissons une utilisation détaillée de cette méthode analytique. L’objectif global de MEDUSA est de déterminer l’impact de chaque délétion de gène sur les taux de croissance et de mortalité induits par les médicaments.
1. Optimisation de la dose de médicament pour induire la mort cellulaire
REMARQUE : Le protocole ci-dessous permet d’optimiser une combinaison de lignée cellulaire, de médicament et de dose à l’aide du test FLICK 7,8. Les données d’exemple pour ce protocole décrivent l’optimisation et le criblage de l’étoposide 5 μM dans les cellules U2OS, mais les mêmes étapes d’optimisation pourraient être appliquées à toute autre combinaison souhaitée de lignée cellulaire et de médicament/dose. Ce protocole ne nécessite pas le prélèvement ou l’analyse de cellules mortes. Ce protocole peut être utilisé pour les cultures en suspension, à condition d’éliminer les cellules mortes. Pour les cultures en suspension, les cellules mortes peuvent être triées/séparées à l’aide d’un marqueur de viabilité ou d’un marqueur spécifique de la mort cellulaire.
2. Sélection de la longueur du test
3. Détermination de la taille de la population de départ
4. Réalisation d’un écran CRISPR
REMARQUE : Les cellules peuvent être criblées à l’aide de méthodes de criblage CRISPR établies après optimisation de la dose de médicament et de la durée du test. Les protocoles établis, tels que le protocole de criblage TKO du laboratoire Moffat10,11, peuvent être utilisés pour préparer la banque de criblage CRISPR, produire des virus, effectuer le criblage CRISPR et préparer les banques pour le séquençage (Figure 1A-B). Le protocole ci-dessous décrit les étapes spécifiques à l’analyse MEDUSA, qui doit être effectuée sur des données au niveau du comptage après séquençage.
À l’aide de ce protocole, nous avons exploré les dépendances génétiques de la mort induite par l’étoposide dans les cellules U2OS. L’étoposide est une chimiothérapie qui endommage l’ADNcouramment utilisée 15. Cette expérience de profilage chimio-génétique a été réalisée à l’aide de la banque GeCKOv216 dans Cas9 exprimant les cellules U2OS5. Dans ces types d’expériences, la fonction du g?...
Dans ce protocole, nous décrivons l’utilisation de la méthode analytique MEDUSA pour quantifier les données de profilage chimio-génétique afin de déterminer comment les perturbations génétiques modifient les taux de croissance et de mortalité induits par les médicaments. Étant donné que le résultat principal d’une expérience de profilage chimiogénétique est lié à la taille de la population, et non aux taux, les taux sous-jacents sont déduits à l’aide de simulati...
Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts à divulguer.
Nous remercions tous les membres du Lee Lab, anciens et actuels, pour leurs contributions au point de vue de notre laboratoire sur l’évaluation des réponses aux médicaments. Ce travail a été soutenu par le financement du MJL et du MEH par les National Institutes of Health (U01CA265709, R21CA294000 et R35GM152194 au MJL, et F31CA268847 au MEH), le financement du MJL par la Fondation Jayne Koskinas Ted Giovanis.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
100mm Fisherbrand TC Dishes | Fisher Scientific | FB012924 | For growing cells and optimizing population size |
150mm Fisherbrand TC Dishes | Fisher Scientific | FB012925 | For growing cells and optimizing population size |
DESeq2 | R Package | v1.44.0 | For calculating fold-change |
DMEM | Corning | 10017CV | For seeding and drugging cells |
DMSO | Fisher Scientific | MT-25950CQC | For seeding and drugging cells |
Fisherbrand 96-Well, Cell Culture-Treated, U-Shaped-Bottom Microplate | Fisher Scientific | FB012932 | For seeding and drugging cells (pin plate) |
Greiner Bio-One CELLSTAR μClear 96-well, Cell Culture-Treated, Flat-Bottom Microplate | Greiner | 655090 | For seeding and drugging cells |
MATLAB | Mathworks | R2024a | For performing FLICK, GRADE, and MEDUSA |
Microplate fluorescence reader | Tecan | Spark | For dead cell measurements |
Sytox Green | Thermo Fisher Scientific | S7020 | For dead cell measurements |
TKOV3 CRISPR library | Addgene | 125517 | For performing CRISPR screen |
Triton-X 100 | Thermo Fisher Scientific | J66624-AP | For permeabilizing cells |
Trypan blue | Corning | MT25900CI | For measure live/dead cells |
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