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Questo protocollo descrive una procedura sperimentale per la rapida costruzione di fattori di trascrizione artificiali (ATF) con i reporter GFP cognate e la quantificazione della capacità ATF di stimolare l'espressione della GFP mediante citometria a flusso.
Biologia sintetica mira a progettare e costruire razionalmente circuiti sintetici con proprietà quantitativi desiderati, nonché fornire strumenti che consentono di analizzare la struttura dei circuiti di controllo native. In entrambi i casi, la possibilità di programmare l'espressione genica in maniera rapida e sintonizzabile, senza effetti off bersaglio, può essere utile. Abbiamo costruito ceppi di lievito contenenti il promotore ACT1 monte di una cassetta URA3 seguito dal dominio di legame del ligando del recettore di estrogeno umano e VP16. Trasformando questo ceppo con un prodotto di PCR lineare contenente un dominio di legame al DNA e selezionando contro la presenza di URA3, un fattore di trascrizione artificiale costitutivamente espresso (ATF) può essere generato mediante ricombinazione omologa. ATF ingegnerizzati in questo modo può attivare un gene bersaglio unico in presenza di induttore, eliminando in tal modo sia l'attivazione off-target e condizioni di crescita non fisiologici trovati con Conditi comunemente usatosistemi di espressione genica onal. Viene inoltre fornito un metodo semplice per la costruzione rapida di plasmidi reporter GFP che rispondono specificamente a un fattore di trascrizione nativo o artificiale di interesse.
Sviluppare interruttori genetici nel lievito è di grande interesse per la ricerca sia accademica che industriale. Nel caso ideale, interruttori genetici possono essere utilizzati per attivare un gene particolare (o insieme di geni) solo quando desiderato dallo sperimentatore. Sequenza codificante di un gene posto a valle di un promotore sintetico non è espresso in assenza di una molecola che induce: su induttore Inoltre il gene deve essere espresso rapidamente. E 'stato solo recentemente dimostrato che tale interruttore può essere progettato in lievito, quando, in assenza di induttore, il ceppo mostra un fenotipo delezione, ma in presenza di induttore, espressione viene attivato in proporzione al livello di induttore in tutte le cellule 1,2. Storicamente, sistemi di espressione condizionali in lievito hanno fatto affidamento su di sequenze di DNA di nutrienti-sensibile, tra cui il MET, PHO, e promotori GAL (le cui attività sono sensibili ai livelli extracellulari di metionina, fosfato egalattosio, rispettivamente). Mentre espressione condizionale può essere realizzato, si tratta a costo di significativi effetti pleiotropici.
Recettori ormonali come i recettori degli estrogeni umani hanno dimostrato di essere efficaci interruttori in eucarioti 3,4. In assenza di ormone, una proteina fusa ad un recettore ormonale può essere sequestrato nel citoplasma dove interagisce con il complesso chaperone Hsp90. In seguito al legame del ligando appropriato, il recettore subisce un cambiamento conformazionale, facendolo essere rilasciato dal complesso chaperone Hsp90 e rivelare un segnale di localizzazione nucleare. Per osservare le dinamiche di localizzazione di una particolare proteina-recettore contenente ormone, abbiamo creato una fusione C-terminale di Gal4dbd.ER.VP16 (GEV, un fattore di trascrizione sintetico contenente il dominio di legame al DNA Gal4p, il dominio di legame del ligando del recettore di estrogeno umano , e VP16) con GFP 2. Localizzazione nucleare è stata osservata entro 8 minuti in seguito all'aggiunta disaturando quantità di induttore, ß-estradiolo, alla quale tipo selvatico lievito è completamente inerte. A questo punto, la maggior parte delle cellule hanno chiaramente visibili siti attivi per la trascrizione di geni bersaglio GEV (dosati mediante ibridazione in situ fluorescente) e mRNA completamente maturi 2,5. GEV geni bersaglio aumento nell'espressione> 2 volte entro 2,5 min 2,6 (misurata utilizzando microarrays), dimostrando che essa impiega <2,5 min per l'attivatore chimerico di traslocare al nucleo, legare il DNA, e attivare la trascrizione.
Mentre molti altri on-switch sono stati applicati in lievito che utilizzano varie piccole molecole o farmaci (inclusi i classici interruttori a base di doxiciclina da Escherichia coli 7,8 e un interruttore a base di indaco-9 da Arabidopsis thaliana), nessuno ha raggiunto la velocità, specificità, o tensione di regolamentazione esibito da interruttori a base di ormoni. Vale la pena ricordare tcappello rapido off-switch sono stati anche sviluppati nel lievito, e in genere funziona fondendo un gene per una proteasi o ubiquitina ligasi di targeting sequenza 2,10,11,12. La possibilità di rimuovere rapidamente una proteina bersaglio dalla cella facilita lo studio di geni essenziali e geni che sono inclini a soppressione genetica quando soppresso 10.
I metodi descritti in questo protocollo sono per la costruzione e la caratterizzazione sintetica-switch nel lievito. In primo luogo, mostriamo come generare rapidamente proteine di fusione genomically integrati costituiti da un dominio di legame al DNA di interesse, il ligando dominio del recettore degli estrogeni umani vincolante, e VP16 (DBD-EV). Seguendo il nostro protocollo, la proteina di fusione è espressa da un promotore ACT1. Abbiamo poi mostreremo come creare un reporter plasmide affine per l'ATF e testare la sua funzionalità mediante citometria a flusso. Sebbene prevediamo questi plasmidi reporter in uso con nuove ATF (Figura 1), si possono be utilizzati come reporter per un attivatore trascrizionale nativo pure. Infine, vengono forniti dettagli per testare l'effetto dell'attivazione ATF sulla crescita delle cellule in piastre da 96 pozzetti e per l'ingegneria inducibili alleli genomiche.
La Figura 2 fornisce uno schema di protocollo sezioni 1-3.
1. Creazione di ATF
2. Creazione di ATF plasmidi Reporter
3. Quantificare l'effetto di ATF induzione sull'espressione genica Uso GFP Reporter
Preparazione dei campioni:
4. Quantificare l'effetto di ATF induzione sulla crescita delle cellule
Figura 5 mostra l'induzione di GFP da Z 3 EV, Z 4 EV, o GEV nel tempo. Nota l'aumento della produzione GFP in risposta alle ATF contenenti domini di legame al DNA nonyeast. Recentemente abbiamo ipotizzato che questo risulta da questi fattori raggiungono singolo gene specificità nel genoma di lievito 1. Induzione GEV sola porta all'attivazione / repressione di centinaia di geni, mentre solo 3 EV Z e Z 4 EV attivare l'espressione di un gene bersaglio posto a valle di un promotore sintetico contenente opportuni siti di legame (5'-GCGTGGGCG-3 'e 5'- GCGGCGGAGGAG-3 ', rispettivamente) 1. Figura 7 illustra la stretta regolazione del sistema (risultati induttore in alcun rilevabile GFP) e che tutte le cellule vengono indotti in risposta ad induttore La capacità di Z 3 EV per indurre GFP attraverso una gamma di concentrazioni di β-estradiolo è mostrata in Figura 8.
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Figura 2. Schema di protocollo per i ceppi di ingegneria che contengono fattori di trascrizione artificiali e costruzione / collaudo reporter GFP affini.
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Figura 3. La sequenza ACT1pr-URA3-EV nel ceppo yMN15 al locus LEU2.
Figura 4. Progettazione di primer PCR per amplificare un dominio di legame al DNA di interesse con ulteriori omologia di sequenza per generare una nuova proteina di fusione quando trasformato con successo in yMN15.
Figura 5. Induzione GFP da tre diverse coppie ATF-promotore in risposta a 1 mM β-estradiolo.
Figura 6. Uno script MATLAB per il flusso di elaborazione citometria di dati. Questo script è stato adattato da http://openwetware.org/wiki/McClean:_Matlab_Code_for_Analyzing_FACS_Data .
Figura 7. Induzione di GFP da Z 3 EV in risposta a 0 μ M β-estradiolo e 1 mM β-estradiolo seguente 18 ore di induzione. Fluorescenza era anche meaassicurata da cellule prive GFP per illustrare la stretta regolazione del sistema EV Z 3. Questa figura è stata generata utilizzando il codice nella Figura 6.
Figura 8. Il rapporto tra la concentrazione di induttore e uscita espressione è classificato con un coefficiente di Hill ~ 1. (A) Distribuzione di espressione GFP in funzione della concentrazione di β-estradiolo. (B) La fluorescenza media delle distribuzioni da (A). I dati erano idonei per la funzione G (D) = G min + (G max-min G) D n / (n + K D n) dove D è la dose β-estradiolo, G e G min max sono minime e GFP valori massimi, resture rispettivamente, n è il coefficiente di Hill, e K è la dose β-estradiolo che produce ½ (G max + G min).
Oligonucleotide Sequence | Nome |
5'-TTGAAACCA AACTCGCCTCT-3 ' | DBD Verifica Forward |
5'-tccagagac ttcagggtgct-3 ' | DBD partner di Reverse |
Tabella 1. Primer per confermare corretta fusione DBD di interesse al Estrogen Receptor. Il primer forward è omologa promotore EFF1 e l'innesco inverso è omologo al recettore estrogeno. Per DBDS tipici (~ 300 bp), il prodotto di PCR è <1,5 kb.
Oligonucleotide Sequence | Nome |
5'-ggccgc ... site abbuffate DBD ... t-3 ' | Top oligo |
5'-ctaga ... DNA sito di legame inverso ... gc-3 ' | In basso oligo |
5'-gcc gcGTGGGCG T GCGTGGGCG G G CGTGGGCG T GCGTGGGCG G GCGTG GGCG T GCGTGGGCG t-3 ' | Top oligo + 6x zif268 siti di legame |
5'-ctagaCGCCCACGCACGCCCACGCC CGCCCACGCACGCCCACGCCCGCC CACGCACGCCCACgc-3 ' | In basso oligo + 6x zif268 siti di legame |
Tabella 2. S truttura di primer per la creazione di dsDNA contenenti siti di legame di interesse. Per creare la Z 3 EV-reattiva promotore, + 6x Zif268 rilegatura sono stati usati gli oligonucleotidi Top oligo + 6x zif268 siti di legame e inferiore oligo.Sequenze per creare le corrette sbalzi di DNA sono in minuscolo. Il sito di legame Zif268 consenso, GCGTGGGCG, viene sottolineato nella oligo superiore.
Reagente | Importo |
T4 polinucleotide Kinase Buffer | 5 microlitri |
T4 polinucleotide chinasi (@ 10.000 unità / ml) | 1 ml |
Top oligo (100 micron) | 1,5 microlitri |
In basso oligo (100 micron) | 1,5 microlitri |
Acqua | 41 microlitri |
Tabella 3. Fosforilare e primer ricottura in un termociclatore con 50 microlitri di reazione descritto sopra. Esistono due passi termociclatore. Passo 1: 37 ° C 30 min (fosforilare), e il passaggio 2: 95 ° C 30 sec (dimettersi 1 ° C ogni 30 sec fino a 4 ° C; Anneal).
Reagente | Importo |
XbaI | 1 ml |
NotI-HF | 1 ml |
DNA plasmidico | 5 microlitri (1-2 mcg) |
10x taglio intelligente Buffer | 5 microlitri |
Acqua | 38 microlitri |
Tabella 4. Limitazione digest di plasmide pMN8 con XbaI e NotI.
Reagente | Importo |
T4 ligasi Buffer | 2 microlitri |
T4 ligasi | 0.2 microlitri |
Backbone @ 10 ng / ml | 1 ml |
Legatura Sequenze @ 5x molare concentrazione / ml | 1 ml |
Acqua | 15.8 ml |
Tabella 5. Legare i siti di legame nel plasmide DNA.
Primer | Descrizione |
~ 40 bp a monte della ATG + CGCACTTAACTTCGCATCTG-3 ' | Forward primer per amplificare KanMX-Promoter |
5'-reverse complemento (ATG + ~ 37bp) + TATAGTTTTTTCTCCTTGACG-3 ' | Reverse primer per amplificare KanMX-Promoter |
5'-caatttgtctgctcaagaaaataaa ttaaatacaaataaaCGCAC TTAACTTCGCATCTG-3 ' | Primer avanti per rendere promotore GCN4 swap. |
5'-tggatttaaagcaaataaacttgg ctgatattcggacatTATAGTT TTTTCTCCTTGACG-3 ' | Primer reverse per fare promotore GCN4 swap. |
Tabella 6. PCR amplifica KanMX-Promoter per fare allele titratible.
Gli interruttori a base di ormoni descritte hanno una miriade di applicazioni, dallo studio biologia cellulare nativo per valutare la capacità di un dominio di legame al DNA di interesse per indirizzare una sequenza di DNA in vivo. Il sistema ha molte caratteristiche desiderabili, tra cui una risposta graduata a induttore, azione veloce e stretta regolazione (cioè. Senza leakiness misurabile, vedi Figura 7). Tuttavia, c'è ancora margine di miglioramento ed espansione.
Un recente lavoro di biologia sintetica ha sottolineato sistemi sintetici di multiplazione e ampliando il repertorio di ben caratterizzati, parti di DNA programmabili 16. Indipendente, espressione condizionale di geni bersaglio distinti richiede sia più induttori e DNA domini di legame che mancano sovrapposizione specificità. La disponibilità di recettori ingegneria e naturali fornisce un ampio insieme di pezzi con cui sviluppare nuovi fattori di trascrizione artificiale. Ampliare ilrepertorio di interruttori mutuamente ortogonali è stato notevolmente aiutato dalla evoluzione diretta approcci 17,18. Gli attuali sforzi per riprogrammare la specificità-ligando dei nostri fattori di trascrizione artificiali saranno presentati in futuro.
In precedenza, le conseguenze fenotipiche del gene delezione / iperespressione sono stati ampiamente studiati in lievito 19,20. Tuttavia, non è stato semplice per studiare l'effetto di espressione su diversi fenotipi su una gamma di livelli di espressione. Una caratteristica principale del sistema qui presentato è la sua natura graduata (Figura 8). Mentre spesso si pensa, il rapporto tra l'espressione genica e fenotipi di interesse può non necessariamente essere monotona. Fattori di trascrizione artificiali come Z 3 EV e Z 4 EV farà il compito di saggiare le risposte fenotipiche ai cambiamenti nell'espressione genica semplice.
Infine, i protocolli discutonoed in questo manoscritto sono per ingegneria e caratterizzare fattori trascrizionali artificiali che rispondono a β-estradiolo, tuttavia, un'importante alternativa ai domini chimicamente reattivo è l'uso di domini luce-responsive (come il PhyB/Pif3, LOV, e BLUF), attività di cui sono reversibili senza dover turbare il mezzo di crescita della coltura 21-23. Sistemi basati su luce facilitano il controllo spazio-temporale dell'espressione genica, le interazioni proteina-proteina, trasporto di ioni, e l'attività enzimatica, che hanno già dimostrato potente 21-26.
In conclusione, abbiamo presentato metodi per la costruzione rapida di inducibili, fattori di trascrizione artificiali in lievito. Questo protocollo fornisce un modello per la loro costruzione in congiunzione con i reporter GFP affini, nonché metodi per analizzare i dati giornalista citometria a flusso e saggiando l'effetto dell'attivazione ATF sulla crescita.
McIsaac, Noyes, e Botstein (con gli altri) hanno presentato parte di questo sistema come un Disclosure brevetti.
RSM riconosce finanziamento dal NSF Graduate Research Fellowship. MBN riconosce finanziamenti da Lewis-Sigler Fellowship e il dono dotati di Peter Lewis. DB riconosce finanziamenti del NIH (GM046406), l'Istituto Nazionale di General Medical Sciences Center for Quantitative Biology (GM071508). Riconosciamo Christina DeCoste per l'assistenza con gli esperimenti di citometria a flusso.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Name of the Reagent | Company | Catalogue Number | Comments |
Expand High Fidelity PCR System | Roche | 11 732 650 001 | |
T4 DNA Ligase | NEB | M0202S | |
Competent E. coli | Life Technologies | 18258-012 | |
Estradiol | Tocris Biosciences | 2824 | |
Ampicillin | Fisher Scientific | BP1760-5 | |
T4 Polynucleotide Kinase | NEB | M0201 | |
PBS | Life Technologies | 10010-23 | |
Tween-20 | Sigma-Aldrich | 9005-64-5 | |
clonNAT | Jena Bioscience | AB-102L | |
XbaI | NEB | R0145S | |
NotI-HF | NEB | R3189S | |
CutSmart Buffer | NEB | B7204S | |
Glucose | Fisher Scientific | D15-500 | |
Bacto-Peptone | BD Biosciences | 211677 | |
Yeast Extract | BD Biosciences | 210929 | |
Agarose | BD Biosciences | 214010 | |
100% Ethanol | Decon Laboratories | 04-355-222 | |
G418 | Life Technologies | 11811-031 | |
QIAprep Spin Miniprep Kit | QIAGEN | 27104 | |
Lithium acetate dihydrate | Sigma-Aldrich | L-6883 | |
Salmon sperm DNA | Sigma-Aldrich | 93283 | |
PEG 3350 | Sigma-Aldrich | P-3640 | |
Plasmids pMN8 and pMN10; yeast strain yMN15 | Noyes or Botstein labs | ||
Luria Broth | Sigma-Aldrich | L3397 | |
EQUIPMENT: | |||
LSRII Flow Cyometer | BD Biosciences | Various Models | |
MATLAB or FlowJo | MATLAB or FlowJo | Software for analyzing .FCS files from flow cytometry experiments | |
R | Open Source | For analyzing growth-rate data from plate reader. | |
Falcon Tubes | BD Biosciences | 352052 | |
1.7 ml Eppendorf Tubes | GeneMate | C3262-1 | |
250 ml Shake Flasks | Corning | 4446-250 | |
96-well, flat-bottom plates | Costar | 3635 | |
Plate Reader (Synergy H1 Multi-Mode Plate Reader) | BioTek | H1MG | |
Breathe-Easy Membranes | Sigma-Aldrich | Z380059-1PAK | |
Thermocycler | various companies | Various models | |
SC-Ura powder | MP Biomedicals | 114410622 | |
5-FOA | Zymo Research | F9001-1 |
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