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要約

ここでは、非コーディング DNA 要素のトランスポゾンを介したランダム挿入の力は、その最適な染色体の位置の解決に使用されました。

要約

与えられた DNA 要素の最適な染色体位置/フィットネス選択続いてトランスポゾンを介したランダムな挿入によって定められました。細菌、遺伝的要素の機能に関する遺伝的コンテキストの影響は評価することは困難することができます。近隣の遺伝子や複製関連遺伝子投与量から転写干渉位相効果を含むいくつかのメカニズムは、与えられた遺伝的要素の機能に影響があります。ここでは、大腸菌と単純な成長競争を使用して最も有利な場所実験選択の染色体への DNA 要素のランダムな統合を可能にする手法について述べる。メソッドは、ランダムな挿入、結合で適者生存のクローンの選択成長の利点は、実験のニーズに簡単に調整されているプロシージャのよく説明トランスポゾン ベース システムの利点を受け取ります。適者生存のクローンの性質は、複雑な多クローン集団の全ゲノム シーケンスまたは選択されたクローンの迅速同定のため歩きやすい遺伝子によって決定できます。ここでは、 DARS2エシェリヒア属大腸菌の染色体複製開始を制御する DNA の非コード領域は例として使用されました。複製関連遺伝子の用量の影響を受けるDARS2の機能は知られています。近いDARS2をさらにアクティブになる、DNA の複製の起源に取得します。DARS2DARS2の染色体に挿入されたランダムに-ひずみを削除します。個々 の挿入を含む結果のクローンはプールされ、何百世代のため互いに競った。最後に、適者生存のクローンは、特徴し、 DARS2元のDARS2の場所の近くに挿入が含まれて発見されました。

概要

遺伝的要素の機能は、ゲノムでの位置によって影響を受けます。細菌、これは主に、隣接遺伝子、ローカル DNA のトポロジー、および/または複製関連遺伝子量のトランスクリプションによって干渉から結果します。特に、DNA 複製と偏析の過程の制御は、少なくとも一部では、非コーディング染色体領域で1とこれらの地域の適切な機能のゲノム位置/コンテキストに依存します。エシェリヒア属大腸菌、例としては、妹に必要なdifサイト染色体の解像度2KOPS シーケンス、染色体分離3に必要なデータDARS1DARS2の地域、(以下; 適切な染色体複製制御に必要な4). ここでDARS2非コード領域の研究に代表されるランダムな再配置、選択、および与えられた遺伝的要素の最適な遺伝的コンテキストの定量を可能にする手法を提案します。

大腸菌DnaA は、イニシエーター蛋白質 DNA 鎖、単一のレプリケーションの起源、oriC、開くとヘリカーゼ DnaB5,67の採用担当。AAA+ (すなわち、多様な活動に伴う Atpase) に属する DnaA タンパク質同様高い ATP、ADP をバインドできます、親和性5。DnaAATPのレベルのピーク開始時8、DnaAATPが上、多量体を形成oriC DNA 両面開口部9を起動します。開始後oriC hemimethylated に複製蛋白質の結合を含むメカニズムによって隔離のため再開始のため一時的に使用できなくされるoriC10,11。隔離中に DnaAATPのレベルは、少なくとも 2 つのメカニズムによって減少: DnaA (ライダー)12,13データの規制不活化-依存 DnaAATP加水分解 (DDAH)14 ,15。ライダーと DDAH の両方は、DnaAATPの DnaAADPへの変換を促進します。開始の新ラウンドは、前に DnaAADPは特定 DnaA 再アクティブ化シーケンス (邸宅) に DnaAATPに再活性化される: DARS1およびDARS216,17。染色体データ DARS1および DARS2地域非コーディング、DnaAATPを調節するシャペロンのような方法で行動/DnaAADP相互変換。複製の起源の外に位置するこれらの地域はいずれかの複雑な DnaA のアセンブリを有効に不活化 (データ;14) または活性化 (DARS1およびDARS2;17) DnaA の。セルのDARS2を削除する質量の 2 倍の時間が、非同期レプリケーション開始15,16,18の結果を変更しません。ただし、 DARS2-フィットネスがある欠損細胞豊富な媒体で両方の継続的な成長の競争の間にまたはマウス腸18の植民地化の確立の間にそうしないと同質遺伝子野生型に比べてコスト。これは非同期/起源濃度の些細な変更が細菌フィットネスにマイナスの影響であることを示します。大腸菌染色体の対称性 (すなわち、 2 長さがほぼ等しいレプリケーション腕)19を維持する選択的な圧力があります。データDARS1、およびDARS2領域に同じ相対的な間隔があるoriCすべて大腸菌株シーケンス18染色体サイズの大きな変化にもかかわらず。

ここでは、その機能に最適な染色体の位置の同定の例としてエシェリヒア属大腸菌DARS2領域を用いてください。DARS2が NKBOR トランスポゾンと結果 NKBOR に挿入された:: その後ランダムに MG1655 のゲノムに挿入DARS2トランスポゾン ΔDARS2。我々 はこのように細胞のコレクションを生成された、それぞれの所有しているDARS2は染色体上の別の場所に配置します。体外競争実験、コレクション内のすべてのセルがプール、ポンドで推定 700 世代のための持続的な成長の間に互いに競ったかを行った。競争実験の結果監視/決定された南しみ、簡単な遺伝子を歩いて、全ゲノム シーケンス (WGS; を使用して図 1)。簡単な遺伝子を踏んで解決エンドポイント クローンは細胞周期のパラメーターを評価するフローサイトメトリーにより特徴づけられた.フローサイトメトリー解析、セル サイズ、DNA コンテンツ、および開始同期が多数のセルを測定できます。フローサイトメトリー、単一セルの流通過提供が、同時に放出される蛍光、DNA 含量の測定を収集フォトマルによって登録されますし、ステンド グラスの DNA を刺激する適切な波長の光線、細胞は DNA のステンド グラスします。前方散乱光は、細胞質量20の指標です。

ここでは提示の in vitro競争の実験、染色体の位置および遺伝的要素のゲノムのコンテキストの重要性に関連する質問に対処するため使用されます。メソッドは、公平な使いやすいです。

プロトコル

1 トランスポゾン ライブラリのコレクション

注: ミニ Tn 10 に複製された染色体 DARS2 の軌跡-トランスポゾン (pNKBOR) に NKBOR 21 の結果を基。NKBOR:: DARS2 (pJFM1)。pNKBOR オンライン 22 が得られます。pNKBOR は、イニシエーター蛋白質 π をレプリケーション 23 R6K ベース自殺ベクトルです。プラスミド pJFM1 つまり、pir 遺伝子の染色体コピーを含む 大腸菌 の菌株 (例えば Dh5α λ pir) に複製することができます。しかし、pJFM1 は、Pir 欠損または MG1655 に変換されると、pJFM1 をレプリケートできません、NKBOR のランダムな挿入によって生成されたカナマイシン耐性クローンの選択につながる:: 細菌の染色体に DARS2。わかりやすくするためは、これらを DARS2 挿入と呼びます。方法論の図式の 図 1 を参照してください

  1. 準備 electrocompetent MG1655 Δ DARS2 積極的に成長してから細胞のホストゲノム スープ (LB) 37 ° C 24 で成長しています
  2. 。 Electrocompetent MG1655 Δ に
  3. Electroporate pJFM1 DARS2、ゴンザレス によると 24 electrocompetent 大腸菌 MG1655 Δ
    1. 40 (水の 1 μ L) で pJFM1 の追加 1 μ μ DARS2 中古冷蔵、滅菌の 0.2 cm ギャップ キュベットにこの混合物を転送。キュベットをエレクトロポレーション室に挿入します。18 Electroporate kV、500 Ω、25 μ F。時定数は ~5.0 ms をする必要があります、アーク放電は発生しません
    2. 流体培養基 LB に予め温めておいた 1 mL、15 mL の試験管に転送で再によって細菌懸濁液をすばやく回復します
    3. 抗生物質選択なしの 30 分の 37 ° C で気泡の成長条件の下での孵化によって回復細胞ができます。50µg/mL カナマイシンを添加した LB 寒天培地プレート上に細菌をプレートし、37 ° C で一晩インキュベートします
  4. 、エレクトロポレーションからコロニーをカウント: 1 つのコロニーは 1 つの染色体のトランスポゾン挿入に等しいと見なされます
    。 注: 目、コロニー カウンターは、コロニーが数えることができます。コロニーの数、各クローンの染色体にあるトランスポゾンを分離する平均距離に反比例します
  5. 。 流体培養基 LB のそれぞれに追加の 1 mL
  6. プレートし、すべてのコロニーを洗い流して; 流体培養基 LB の 1 mL は 〜 100,000 コロニーを洗浄するための十分な必要があります。流体培養基 LB の細菌濃度を増加する同じ 1 mL を再利用します。同じ 50 mL のチューブですべてのコロニーをプールします
  7. 渦管凍結開始材料と (t = 0)。それを凍結、氷の上の 50% のグリセロールの 1 mL の細胞懸濁液の 1 mL を混ぜます。10 分のドライアイスにチューブを転送します。文化が固定されている一度は-80 ° C のフリーザーにそれらを転送します
    。 注: 50,000 CFU/mL 以上の細胞濃度はこの段階で予想します

2。LB の競争実験

  1. 融解氷-80 ° C からトランスポゾン ライブラリ。ピペッティングでミックスします
  2. 10 ml LB の 15 mL の試験管にトランスポゾン ライブラリの転送 100 μ L.
  3. 固定相への 37 ° C で 8 時間の連続振動 (250 rpm)、曝気、細胞の成長 (すなわち、 外径 600 〜 4.0 を =)。必要に応じて、生育条件にこれらのパラメーターを調整します
  4. は、すべて 〜 10 世代、新鮮な prewarmed 中に連続転送によって細菌の人口を反映します。以前の固定相文化の 10 μ L を新鮮なポンドの 10 mL に転送する、静止した段階別の 8 h の成長によってこれを行う (すなわち、 外径 600 〜 4.0 を =).
    注: 開始と終了の光学密度は同じ、1,000 倍希釈対応 〜 10 世代の成長する (2 10 = 1,024)。細菌の人口が新鮮な prewarmed 媒体に直接反映したり、0 - 4 保存 ° C (氷上) し、次の日を反映します。ポンドがここでは、できるだけ (22 分近く倍加時間) 時間の短い多くの細胞の doublings を確保するために使用されたします
  5. 競争の各 100 世代後、付けて-80 ° c の 5 つの 1 mL サンプル (ステップ 3.3 で説明します).
  6. 個々 のトランスポゾンの挿入を含むセルとフィットネスの差が小さい場合は、期間を保つ、競争の長い; ここでは、700 世代 (t = 700) 使用された

3。競争期間実験を監視する南しみ分析

    特異的プライマーを用いたポリメラーゼ連鎖反応 (PCR) の拡大を実行してしみ (1 kb、NKBOR 部)、サザンのプローブ
  1. 準備: NKBOR_Probe_FW: gatgttggacgagtcggaat と NKBOR_Probe_RV: cgttacatccctggcttgtt。 初期変性
    1. 加温 30 98 ° C で s。次に、10 の 98 ° C で 35 サイクルを実行 s、60 ° C、30 s、および 45 のための 72 ° C s。最後の拡張使用 72 ° C で 10 分間
      注: PCR の反作用のテンプレートだった精製 pNKBOR プラスミド 21
    2. スミス 25 によると任意プライマーを用いた α [32 P] dATP の結果 PCR のフラグメントのラベルします
  2. Løbner 欧米とフォン Freiesleben 26 によると総細胞 DNA を備える t t まで 0 と選択した時点を = = 競争の世代を推定 700
  3. ダイジェスト Pvu プローブによって覆われていない領域でのみ一度関心の領域を含む NKBOR をカット、私の全細胞の DNA; Pvu の 1 単位使えます基板 DNA の完全にダイジェスト 1 μ g にします
    。 メモ: プローブの挿入部位によって、様々 な長さの染色体 DNA と共に、トランスポゾンの一部を含むフラグメントが認識されます
  4. 南しみ Løbner 欧米とフォン Freiesleben 26 によると 0.7% の agarose のゲルを使用してを実行します

4。適者生存のクローンの同定

ウォーキング、前述のハリソン によって
  1. 使用簡単な遺伝子 27, 700 推定世代競争の後 (LB の版に分離) 単一のクローンから DARS2 挿入サイトを識別するために他のバンドすべてトランスポゾン挿入をカバーするためにより多くの分離、サザンブロット上。 PCR テンプレート用
    1. 分離株のゲノム DNA。50 μ G/ml カナマイシンを含む LB 寒天培地プレートに細菌を広げるし、37 ° C で一晩インキュベートします。流体培養基 LB の 37 ° c で一晩シングル コロニーを成長しその後オートクレーブに蒸留水を 200 μ L に 20 μ L を転送 (または、ステップ 3.2 のように、DNA の浄化を使用)。
      1. ミックスする渦。100 ° C でミックスを熱の 10 min と max 速度で 5 分間遠心するを保存する将来の使用のための-20 ° C でライセートのセル
    2. 好みのトランスポゾンでアニールする 3 つの入れ子になったプライマーを設計 (PCR 戦略のグラフィック表現の 図 2 を参照).
      注: はプライマー 3 の入れ子にある知られている 5 に最も近いように入れ子にプライマーの設計 ' トランスポゾン DNA、続いてネスト プライマー 2 と 1 の終わり。入れ子になっているプライマー 3 と 5 の間隔 ' 知られている t の終わりransposon DNA は、(特定の染色体トランスポゾン挿入部位を見つける) に未知の dna 既知の DNA からシーケンス リード スルーのため十分なはずです。NKBOR 次の入り込まれたプライマーは使用された: pNKBOR_Nested3_RV: gcagggctttattgattcca pNKBOR_Nested2_RV: tcagcaacaccttcttcacg、および pNKBOR_Nested1_RV: actttctggctggatgatgg。知られている制限酵素の認識部位を含むランダム プライマーも使用されます。結果を確保するため、1 つは少なくとも 2 つの異なるランダムなプライマーを使用する必要があります。制限酵素 (e.g.,Sau 3AI、Hin dIII) の制限のサイトは 3 時位置にする必要があります ' を終了し、10 のランダムな塩基によって先行 5 ' - NNNNNNNNNNGATC - 3 ' と 5 ' - NNNNNNNNNNAAGCTT - 3 '、プライマーそれぞれ、ソウ 3AI サイト (GATC) と Hin dIII サイト (AAGCTT) を含む、N = A、T、G、または C
    3. 、20 の DNA の使用 200 ng μ L の PCR 反応。30 98 ° C の孵化初期変性の s。30 の 98 ° C で 25 サイクルを実行 s、50 ° C、15 s と 4 分の 72 ° C。最後の拡張使用 72 ° C 10 分使用プライマー プライマー 1 の入れ子になっているとランダムなプライマーのいずれかから成る
    4. テンプレートとして 1 μ L の反応は以前を使用して入れ子になったプライマー 2 と 2 番目の増幅から同じ任意プライマーから成るプライマー対を使用します
    5. プライマー プライマー 3 のネストと同じ任意プライマーから成ると繰り返しステップ 4.1.4
    6. は、1.5% の agarose のゲルとエチジウム ブロマイドで染色に最終的な PCR の反作用から製品を実行します。100-800 bp の範囲でバンドをカットし、抽出キットの製造元によって任意の商業 DNA ゲルを用いた DNA を隔離 ' s 方向。水の 15 μ L の DNA を再懸濁します
      。 注: 注意。臭化エチジウムは毒性があり注意して処理する必要があります
    7. サンガーを使用して配列のプライマーとしてネスト プライマー 3 前の手順 (手順 4.1.6) で分離帯をシーケンス商業プロバイダーの配列
  2. 実行 WGS
    1. から抽出した DNA の合計実行 WG Frimodt Møller 4 で説明されているように競争実験中に収集されたサンプルを選択した
  3. シーケンス解析を実行します
    1. 整列ペアエンド読み取り 150 Ns NKBOR、AF310136.1 1,904 に隣接した … Bowtie2 28 を用いた種子部分文字列 (S、1、1.15) とあいまいな文字 (L、0, 0.9) の最大数間隔 2,204
    2. 配向の読み取りを選択し、両方 MG1655 ref に再整列 |NC_000913.3 と NKBOR gb |AF310136 blastN 29 を使用して
    3. 接合 MG1655 NKBOR で、挿入位置の転位を割り当てる

5。フローサイトメトリー

  1. フローサイトメトリー用サンプルを収集します。 少なくとも 10 世代のため指数関数的成長の段階でそれを維持する
    1. バランス各文化です。外径 600 を確認し、それが 0.3 を超えることはありません
    2. は、フロー サンプルの 2 種類を収集します。
      1. リフ-振れのリフ CEF (300 μ g/mL リファンピシン、36 μ g/mL セファレキシン 12.5 mM NaOH に溶解) の 30 μ L を含む 15 mL チューブ文化の 1 mL に転送します。揺れの 4 h の最小値の 37 ° C でそれを残しています
        。 注: リファンピシン直接ブロックないのレプリケーションの継続的なラウンドを終了し続けるようにしながら染色体複製開始します。セファレキシンは、レプリケーション振れ (リフ振れ) および完全に複製された染色体を持つ細胞の蓄積で起因する細胞分裂を防ぐことができます。リファンピシン、セファレキシン 20 治療の時に完全に複製された染色体の数は起源の数と等しい
      2. EXP サンプル、転送指数関数的に成長する氷を 1.5 mL チューブに文化の 1 mL
  2. 次のようにセルを修正します。4 で 5 分間 15,000 × g で遠心分離によって細胞を収穫 ° C の冷たい 10 mM Tris pH 7.5 100 μ L でペレットを再懸濁し、冷たい 77% エタノール 1 mL を加えます。使用するまで 4 ° c のサンプルを格納します
  3. は、次のとおりセルを汚します。上澄み 15 分削除 15,000 × g で遠心分離によって固定セルの 100-300 μ L を収穫し、130 μ でペレットを再懸濁します " DNA 染色液 " (90 μ g/mL ミスラマイシン、20 μ G/ml エチジウム ブロマイド、10 mM MgCl 2、と 10 mM Tris pH 7.5)。暗闇の中、氷の上にサンプルを置くサンプルは 10 分後フローサイトメトリー解析のため準備ができている
    注: 他の DNA のエチジウム ブロマイドよりも汚れし、ミスラマイシンはまた使用される 30 , 31 をすることができます
  4. フローサイトメトリー分析によるセル、相対セル質量と相対的核 DNA 量あたりの起点を特定します
    1. 実行フローサイトメトリー、 32 を前述のよう。リフ振れと流れの cytometer メーカーを使用して EXP サンプルを実行 ' の指示 .ミスラマイシン、エチジウム ブロマイド染色細胞励起波長 395 と 440 nm を使用し、収集 565 上記蛍光 nm。
      1. 携帯番号ヒストグラム対単一パラメーター前方光散乱と 30,000 イベントの最小値のセル番号ヒストグラムと蛍光強度を取得する EXP サンプルを実行相対セル質量と相対の DNA の内容を決定するにはセル信号に対応する
      2. 使用を前方散乱平均相対を測定するための光単一パラメーターの分布細胞マサチューセッツ州
        注: 前方散乱光は平均セル質量 20 の尺度
      3. 平均の DNA を測定する使用蛍光強度単一パラメーター分布コンテンツ 20
      4. 平均セル質量 20 平均核 DNA 量の比として DNA の濃度を取得します
    2. 起源細胞 1 個あたりの数を決定します。
      1. 対単一パラメーター蛍光強度を取得する実行リフ振れサンプル セル セル信号に対応する 30,000 のイベントの最小数のヒストグラム
      2. それぞれの染色体の数を決定する使用蛍光強度単一パラメーター分布細胞 20
  5. 非同期性指数 (Ai) を計算します
    1. 計算 Løbner 欧米 による記述で、Ai 32、リフ振れサンプルと数式の Ai の蛍光強度の単一のパラメーター分布を使用して (f3 キー + f5 キー + f6 f7) =/(f2 f4 + f8), fx が完全に複製された染色体の x の数と分画細胞。イニシエーションを非同期考慮するとき A > 0.1

結果

南しみはDARS2がトランスポゾン ライブラリでは染色体の中でランダムに配布されたことを確認する行われていた (t = 0) と適者生存のクローンを時間をかけて永続化でしょう。南しみは初期トランスポゾン プールから抽出した DNA を行った (t = 0) と (図 3) の競争の 700 世代からすべての推定 100。ここでは、それぞれの時点から全細胞 DNA は?...

ディスカッション

ここで使用した方法論は、技術遺伝的要素の最適な genomic 位置に関する難しい質問に答えるための活用します。(トランスポゾンを介した) 遺伝的要素のランダムな挿入、お互いの調査遺伝的要素の最適な位置を選択するに対抗するために作ることができるクローンの何千もの迅速かつ簡単のコレクションを有効に (すなわち、適者生存のクローン)。

ここでは、 ...

開示事項

著者は競合する財務持分を有していません。

謝辞

著者は、細菌のストレス応答と永続性 (BASP) ノボ ノルディスク財団とルンドベック財団、中心を通ってデンマークの国立研究財団 (DNRF120) からの助成金で賄われました。

資料

NameCompanyCatalog NumberComments
Autoclaved Mili-Q waterNone
Electroporation Cuvettes, 0.1 cmThermo Fisher ScientificP41050
Bio-Rad MicroPulser Electroporation SystemBio-Rad165-2100
LB BrothThermo Fisher Scientific12780029 
LB Agar, powder (Lennox L agar)Thermo Fisher Scientific22700025
GlycerolThermo Fisher Scientific17904
Fisherbrand Plastic Petri DishesFisher ScientificS33580A
Falcon 50mL Conical Centrifuge TubesFisher Scientific14-432-22
Falcon 15mL Conical Centrifuge TubesFisher Scientific14-959-53A
Nunc CryoTubesSigma-AldrichV7634 
Phusion High-Fidelity DNA Polymerase (2 U/µL)Thermo Fisher ScientificF530S
dATP, [α-32P]- 3000Ci/mmol 10mCi/ml, 250 µCiPerkinElmerBLU012H250UC
DECAprime II DNA Labeling KitThermo Fisher ScientificAM1455
Spectrophotometer  SF/MBV/03.32Pharmacia
Hermle Centrifuge    SF/MBV/03.46Hermle
Ole Dich Centrifuge  SF/MBV/03.29Ole Dich
Eppendorftubes 1.5 mLSigma-AldrichT9661
Eppendorftubes 2.0 mLSigma-AldrichT2795
Sodium ChlorideMerck6404
96% EthanolSigma-Aldrich16368
Trizma HClSigma-AldrichT-3253
Phenol Ultra PureBRL5509UA
ChloroformMerck2445
Ribonuclease A type II ASigma-AldrichR5000
Sodiumdodecylsulphate (SDS)Merck13760
LysozymeSigma-AldrichL 6876
IsopropanolSigma-Aldrich405-7
0.5M Na-EDTA pH 8.0BRL5575 UA
Kanamycin sulfateSigma-Aldrich10106801001
PvuI (10 U/µL)Thermo Fisher ScientificER0621
UltraPure AgaroseThermo Fisher Scientific16500500
DNA Gel Loading Dye (6X)Thermo Fisher ScientificR0611
Tris-Borate-EDTA bufferSigma-AldrichT4415
Ethidium bromideSigma-AldrichE7637
Hydrochloric acidSigma-Aldrich433160
Sodium HydroxideSigma-Aldrich71687
Whatman 3MM papersSigma-AldrichWHA3030931
SSC Buffer 20× ConcentrateSigma-AldrichS6639
Amersham Hybond-N+GE HealthcareRPN119B
Ficoll 400Sigma-AldrichF8016
PolyvinylpyrrolidoneSigma-AldrichPVP40
Bovine Serum Albumin - Fraction VSigma-Aldrich85040C
Deoxyribonucleic acid sodium salt from salmon testesSigma-AldrichD1626
Carestream Kodak  BioMax  light filmSigma-AldrichZ373494
GenElute  Gel Extraction KitSigma-AldrichNA1111 
GenElute  PCR Clean-Up KitSigma-AldrichNA1020
T100  Thermal CyclerBio-Rad
SmartSpec Plus SpectrophotometerBio-Rad
RifampicinServa34514.01
CephalexinSigma-AldrichC4895
MithramycinServa29803.02
Magnesium chloride hexahydrateSigma-Aldrich246964
Apogee A10 instrumentApogee

参考文献

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