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Method Article
We describe here a system utilizing a site-specific, reversible in vivo protein block to stall and collapse replication forks in Escherichia coli. The establishment of the replication block is evaluated by fluorescence microscopy and neutral-neutral 2-dimensional agarose gel electrophoresis is used to visualize replication intermediates.
密結合タンパク質と様々な病変を含むDNA上に存在する障害物は、深刻な細胞の複製機構の進行を阻害することができます。レプリソームの失速は、複製フォークの崩壊につながる、一部または全部のいずれか、染色体からの解離につながることができます。この崩壊からの回復は、細胞に対して正確に完全な染色体重複、その後分割の必要性です。崩壊が発生したときしたがって、細胞はDNAのフォークを復元し、レプリケーションが高い忠実度で完了することができるようにするために行われる多様な機構を進化させました。以前は、細菌におけるこれらの複製修復経路は、既知の部位に局在化されていないという欠点を有するUVダメージを用いて研究されています。この原稿は、foは複製の失速と崩壊を誘導することができる部位特異的なタンパク質のブロックを作成するために、蛍光プレッサーオペレータシステム(FROS)を利用するシステムを説明します大腸菌でRKS。複製の状態は、蛍光顕微鏡およびDNA複製中間体を用いて、単一の生細胞内で可視化することができる方法のプロトコルの詳細は、2次元のアガロースゲル電気泳動によって分析することができます。レプリソーム構成要素( 例えば DnaBts)の温度感受性変異体は、複製フォークの同期崩壊を誘導するためにシステムに組み込むことができます。さらに、これらのプロセスに関与している組換えタンパク質およびヘリカーゼの役割は、このシステム内での遺伝子ノックアウトを用いて研究することができます。
DNA複製時には、レプリソームは、その進行を阻害し、DNA上の障害に直面しています。病変とのギャップだけでなく、異常な構造を含むDNA損傷は、1を進むからレプリソームを防ぐことができます。最近、DNAに結合したタンパク質は、フォークの進行2を複製する障害の最も一般的な供給源であることが見出されました。核ブロックでレプリソームの出会いを次のイベントの知識は以前から知られている場所で生きている細胞の染色体にそのようなブロックを誘導することができないことによって制限されてきた。 インビトロ分析は、速度論的挙動の理解を強化しましたそれは核閉塞3、ならびにレプリソーム自体4,5のメカニズムの詳細を満たしているアクティブレプリソームの。レプリケーションの修理の現在の理解は、一般的に、インビボ 6-8 にプラスミドDNAを用いて、損傷剤としてのUVで行われ、研究されていますアップ。それはin vivoで核ブロックに遭遇した後、DNAの修復に関与することができるタンパク質は、一般的に複製ブロックの明確な原因による修復経路内の分子イベントにばらつきがあるかどうか、これらの研究から理解されているがまだ残っています決断される。
ここでは、核のブロックは蛍光プレッサーオペレータシステム(FROS)を使用して、染色体の特定の場所に確立することを可能にするシステムを説明します。私たちは、Eの歪みを利用します9番染色体に組み込まれた240 のtetO部位の配列を持っていた大腸菌 。アレイ内のそれぞれのtetO部位は、アレイ内のRecA媒介性の再結合を防止することにより、配列の安定性を高めるために、それに隣接する10塩基対のランダムな配列を有します。この配列、およびそれの変形は、元々 E.を理解するために使用しました。 大腸菌染色体ダイナミクス10,11が、その後preveに適応させましたntのin vivoでの複製12。アレイは安定に維持されるとのTetR 10,12によって結合されたときに複製フォークの100%に近いブロックすることが見出されています。 in vitroでの類似のlacO配列の使用は、この短い配列は生体内 13 にはあまり効果的であったが、22のサイトは、複製の90%を阻止するのに十分であったとして、いくつかのを発見しました。核の閉塞を作成するために、アレイを適応させるために、リプレッサータンパク質は非常にそれがその後、バリケードを作成するために、配列に特異的に結合する最適化された条件の下で過剰生産されなければなりません。 Tetリプレッサーの蛍光タグ付けされた変異体が使用される場合、閉塞の形成、およびその後の放出は、蛍光顕微鏡を使用することによって監視することができます。各セルの複製のステータスが単一焦点が配列のコピーは1つだけのセル内に存在すると、複数の病巣がアクティブ複製の指標である意味見病巣の数によって示されています。このアクティブ再核の閉塞がレプリソームは、配列を続行するために十分なオペレーター部位のためのTetRの結合親和性を低下させる無償誘導物質の添加により逆転されたときに襞が有効になっています。リプレッサータンパク質は、まだアレイの現在複数のコピーを可視化することができる十分に高い親和性でDNAに結合することができます。
核の閉塞でのイベントのより複雑な詳細は中立中立的な2次元アガロースゲル電気泳動及びサザンハイブリダイゼーション14-16を使用して検出することができます。これらの技術は、集団を横切るDNA構造の分析を可能にします。複製イベントの間に形成される中間体、および潜在的に修復されないままであるが、可視化することができます。複製フォークが17,18を退行する際に利用制限酵素およびプローブを変化させることにより、中間体は、アレイ領域ではなく、アレイの上流だけでなく可視化することができます。ザ回帰はレプリソーム解離に続いて行われます。先頭とラギング新生鎖は4ウェイDNA構造(ホリデイジャンクション)で得られたテンプレート鎖同時に再アニールとして互いにテンプレート鎖とアニールとは別。
このシステムを使用して、このブロック18を検出したときに複製フォークが安定しないことが示されています。また、レプリソーム部品の温度に敏感な誘導体は、それが崩壊した後、複製フォークの再読み込みを防止するために利用することができます。ブロックが確立されると、歪みがレプリソームの同期失活及びリロードの制御予防を確実にするために、非許容温度にシフトすることができます。この温度誘導不活性化は、所定の時間で崩壊した集団内のフォークのすべてを確実にし、レプリソームは、DNAがどのように処理されるか、崩壊、そして何を再する必要があるときに何が起こるかの評価を可能にしますDNA複製のプロセスを開始します。
ここで説明するシステムの利点は、核のブロックが完全に可逆的であるということです。従って、核ブロックから回復する細胞の能力を追跡することが可能です。細胞へのアンヒドロを添加すると、複製フォークが通過進行させる、タイトなリプレッサーの結合を軽減し、細胞は生存能力を取り戻すために。閉塞の緩和は5分後、10分以内に顕微鏡によって中性中性二次元アガロースゲル電気泳動により可視化することができます。また、生存率分析は、複製閉塞から回復する株の能力を明らかにし、増殖し続けることができます。
ここに記載の実験手順で使用される菌株の遺伝的背景を変更することによって、閉塞のこのタイプの修復経路を解明することができます。
1. FROSでレプリケーションをブロック
図1:FROS レプリケーションブロックとリリース実験手順の概要E.。 tetO配列を保有する大腸菌株を30℃で増殖させます。細胞は0.05上記のOD 600nmまでに到達すると、のTetR-YFP生産はアラビノース(; 0.1%ARA)を用いて誘導されます。非誘導細胞の亜集団は、30℃におけるコントロールとして機能するように成長を続けています。 2時間(2.1を参照) - 誘発された細胞のサンプルを、1後に蛍光顕微鏡により分析されます。複製がある場合ブロックされたことが確認され、サンプルを試験管(3.1を参照)で示される2-Dゲル分析のために(オプション)生存率試験のために採取します。複製遮断は、(AT;を0.1μg/ ml)のアンヒドロテトラサイクリンを用いて除去することができ、細胞は、10分後に分析しました。細胞が温度感受性対立遺伝子( 例えば DNAB TS)を実行する場合、これは適切な分析のために42°Cにブロックされた細胞をシフトすることによって不活性化することができる。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
2.蛍光顕微鏡
3. DNA抽出/アガロースプラグ
4.ニュートラルニュートラルな2次元ゲル電気泳動
5.サザンハイブリダイゼーション
FROSは、生きた細胞12,18で可視化することが複製中間体を可能に誘導、サイト固有の核ブロックです。細胞をサンプリングするための一般的な実験設計は、図1に示されている。遺伝的背景におけるサンプリングおよび変化のタイミングは、このようなブロックの修復を研究するための汎用性の高いシステムにします。概略的には、18以前に...
During chromosome duplication, the replication machinery will encounter various impediments that prevent its progress. To ensure the entire single-origin chromosome is replicated, bacteria have numerous pathways for repair of the DNA that then enables the replisome to be reloaded20,21. Lesions, single stranded breaks, double stranded breaks and proteins tightly bound to the DNA may each be dealt with using a dedicated pathway, although there is likely to be significant overlap in these pathways. The most commo...
The authors declare that they have no competing financial interests.
This work was supported by the Australian Research Council [DP11010246].
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Tryptone | Sigma-Aldrich | 16922 | Growth media component |
Sodium Chloride | VWR | 27810.364 | Growth media component |
Yeast extract | Sigma-Aldrich | 92144 | Growth media component |
Potassium phosphate monobasic | Sigma-Aldrich | P9791 | Growth media component; Potassium buffer component |
Potassium phosphate dibasic | Sigma-Aldrich | P3786 | Growth media component; Potassium buffer component |
L-Arabinose | Sigma-Aldrich | A3256 | For induction of TetR-YFP production |
Anhydrotetracycline hydrochloride | Sigma-Aldrich | 37919 | Release of replication bloackage |
Axioskop 2 Fluorescence microscope | Zeiss | 452310 | Visualization of cells |
eYFP filter set | Chroma Technology | 41028 | Visualization of YFP |
CCD camera | Hamamatsu | Orca-AG | Visualization of cells |
MetaMorph Software (Molecular Devices) | SDR Scientific | 31282 | Version 7.8.0.0 used in the preparation of this manuscript |
Agarose | Bioline | BIO-41025 | For agarose plugs and gel electrophoresis |
Original Glass Water Repellent (Rain-X) | Autobarn | DIO1470 | For agarose plug manufacture |
TRIS | VWR | VWRC103157P | TE, TBE buffer component |
Ethylene diaminetetraacetic acid | Ajax Finechem | AJA180 | 0.5 M EDTA disodium salt solution adjusted to pH 8.0 with NaOH. |
Sodium azide | Sigma-Aldrich | S2002 | Bacteriostatic agent |
Hydrochloric acid | Sigma-Aldrich | 258148 | TE buffer component |
Sodium deoxycholate | Sigma-Aldrich | D6750 | Cell lysis buffer component |
N-Lauroylsarcosine sodium salt (Sarkosyl) | Sigma-Aldrich | L5125 | Cell lysis and ESP buffer component |
Rnase A | Sigma-Aldrich | R6513 | Cell lysis buffer component |
Lysozyme | Amresco | 6300 | Cell lysis buffer component |
Proteinase K | Amresco | AM0706 | ESP buffer component |
Sub-Cell Model 192 Cell | BioRad | 1704507 | Electrophoresis system |
UV transilluminator 2000 | BioRad | 1708110 | Visualization of DNA |
Ethidium Bromide | BioRad | 1610433 | Visualization of DNA |
Boric acid | VWR | PROL20185.360 | TBE component |
Hybond-XL nylon memrbane | Amersham | RPN203S | Zeta-Probe Memrbane (BioRad 1620159) can also be used |
3MM Whatman chromatography paper | GE Healthcare Life Sciences | 3030690 | Southern blotting |
HL-2000 Hybrilinker | UVP | 95-0031-01/02 | Crosslinking of DNA and hybridization |
Deoxyribonucleic acid from salmon sperm | Sigma-Aldrich | 31149 | Hybridization buffer component |
Sodium hydroxide | Sigma-Aldrich | S5881 | Denaturation buffer component |
Trisodium citrate dihydrate | VWR | PROL27833.363 | Transfer buffer |
Sodium dodecyl sulphate (SDS) | Amresco | 227 | Wash buffer component |
Bovine serum albumin | Sigma-Aldrich | A7906 | Hybridization buffer component |
Random Hexamer Primers | Bioline | BIO-38028 | |
Klenow fragment | New England BioLabs | M0212L | |
dNTP Set | Bioline | BIO-39025 | |
Adenosine 5’-triphosphate-32P-ATP | PerkinElmer | BLU502A | |
Storage Phosphor Screen | GE Healthcare Life Sciences | GEHE28-9564-76 | BAS-IP MS 3543 E multipurpose standard 35 cm x 43 cm screen |
Typhoon FLA 7000 | GE Healthcare Life Sciences | 28-9558-09 | Visualization of blot |
Hybridization bottle | UVP | 07-0194-02 | 35 mm x 300 mm |
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