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Este protocolo descreve o procedimento experimental para a rápida construção de factores de transcrição artificiais (ATFs) com repórteres GFP cognatas e quantificação da capacidade ATFs para estimular a expressão de GFP por meio de citometria de fluxo.
A biologia sintética visa racionalmente projetar e construir circuitos sintéticos com propriedades quantitativas desejadas, bem como fornecer ferramentas para interrogar a estrutura dos circuitos de controle de origem. Em ambos os casos, a capacidade de programar a expressão do gene de uma forma rápida e sintonizável, sem efeitos fora do alvo, podem ser úteis. Foram construídas estirpes de levedura contendo o promotor a montante ACT1 de uma cassete URA3 seguido pelo domínio de ligação ao ligando do receptor estrogénio humano e VP16. Ao transformar essa tensão, com um produto de PCR linear contendo um domínio de ligação ao ADN e de selecção contra a presença de URA3, um factor de transcrição artificial constitutivamente expresso (ATF) podem ser gerados por recombinação homóloga. ATFs modificadas desta forma podem activar um gene alvo único, na presença de indutor, eliminando assim tanto a activação fora do alvo e das condições de crescimento não fisiológicas encontrados com condiciona utilizadaOs sistemas de expressão de genes onal. Um método simples para a rápida construção de plasmídeos repórter GFP que respondem especificamente a um factor de transcrição nativo ou artificial de interesse também é fornecido.
Desenvolvimento de interruptores genéticos em leveduras é de grande interesse na pesquisa, tanto acadêmica e industrial. No caso ideal, interruptores genéticos pode ser usado para activar um gene particular (ou o conjunto de genes) apenas quando desejado pelo experimentador. Uma sequência de codificação do gene colocado a jusante de um promotor sintético que não é expressa na ausência de uma molécula de indução: depois da adição do indutor do gene deve ser expresso rapidamente. Foi recentemente demonstrado que uma tal mudança pode ser manipulada em levedura, em que, na ausência do indutor, a estirpe exibe um fenótipo de supressão, mas na presença de indutor, a expressão é activada em proporção com o nível de indutor em todas as células 1,2. Historicamente, os sistemas de expressão condicional em leveduras têm dependido pesadamente sobre seqüências de DNA em nutrientes sensível, incluindo o MET, PHO, e promotores GAL (cujas atividades são sensíveis aos níveis extracelulares de metionina, fosfato egalactose, respectivamente). Enquanto expressão condicional pode ser alcançado, ele vem com o custo de efeitos pleiotrópicos significativos.
Receptores hormonais, tais como os receptores de estrogênio humanos provaram ser eficazes interruptores em eucariotos 3,4. Na ausência de hormona, uma proteína fundida a um receptor hormonal pode ser sequestrado no citoplasma onde interage com o complexo Hsp90 chaperone. Após a ligação do ligando apropriado, o receptor sofre uma alteração conformacional, fazendo com que seja libertada a partir do complexo Hsp90 chaperone e revelando um sinal de localização nuclear. Para observar a dinâmica de localização de uma determinada proteína contendo o receptor da hormona, foi criada uma fusão C-terminal do Gal4dbd.ER.VP16 (GEV, um factor de transcrição sintética, contendo o domínio de ligação ao ADN Gal4p, o domínio de ligação ao ligando do receptor estrogénio humano , e VP16) com GFP 2. A localização nuclear foi observada a cerca de 8 minutos após a adição dequantidades saturantes do indutor, ß-estradiol, para o tipo selvagem de levedura é completamente inerte. Por esta altura, a maioria das células têm sítios de transcrição activas claramente visíveis para os genes alvo (GEV ensaiadas através de hibridação in situ fluorescente), bem como os ARNm totalmente maduros 2,5. Genes-alvo GEV aumento na expressão> 2 vezes dentro de 2,5 min 2,6 (medido utilizando microarrays), demonstrando que leva <2,5 min para o activador quimérico para translocar para o núcleo, ligar ao ADN e activar a transcrição.
Enquanto vários outros on-chaves foram aplicadas em leveduras que utilizam várias moléculas pequenas ou drogas (incluindo as opções de base em doxiciclina clássicos da Escherichia coli 7,8 e um switch baseado em indigo 9 de Arabidopsis thaliana), nenhum alcançaram a velocidade, especificidade, ou aperto da regulação exibida pelos interruptores à base de hormônios. Vale ressaltar tchapéu rápida fora dos interruptores, também têm sido desenvolvidas na levedura, e normalmente funcionam por fusão de um gene para uma protease ou ubiquitina ligase sequência de direccionamento 2,10,11,12. A capacidade de remover rapidamente uma proteína alvo a partir da célula facilita o estudo de genes essenciais, bem como os genes que são propensas a supressão genético quando apagados 10.
Os métodos descritos neste protocolo são para a construção e caracterização sintética on-chaves em levedura. Primeiro, vamos mostrar como gerar rapidamente as proteínas de fusão genomically integrados constituídos por um domínio de ligação ao DNA de interesse, a ligação do ligante de domínio do receptor de estrógeno humano e VP16 (DBD-EV). Conforme o protocolo, a proteína de fusão é expressa a partir de um promotor ACT1. Em seguida, mostramos como criar um plasmídeo repórter cognato para o ATF e testar sua funcionalidade usando citometria de fluxo. Embora prevemos estes plasmídeos repórter sendo usado com novas ATFs (Figura 1), que pode be utilizado como repórteres para um activador da transcrição nativo bem. Finalmente, os detalhes para testar o efeito de activação do ATF no crescimento celular em placas de 96 poços e para a engenharia de alelos genómicas indutíveis são fornecidos.
A Figura 2 proporciona um esquema de secções de protocolo 1-3.
1. Criação de ATFs
2. Criação de ATF plasmídeo repórter
3. Quantificar o efeito da ATF indução na expressão do gene GFP Usando Reporter
Preparação das amostras:
4. Quantificar o efeito da ATF indução no crescimento celular
A Figura 5 mostra a indução de GFP por Z 3 EV, Z 4 VE, ou GEV ao longo do tempo. Notar o aumento na produção de GFP em resposta aos ATFs contendo ADN nonyeast domínios de ligação. Recentemente, especulou que isto resulta a partir destes factores alcançar especificidade de um único gene no genoma de levedura 1. GEV indução por si só conduz à activação / repressão de centenas de genes, enquanto que Z 3 e Z 4 VE VE apenas activar a expressão de um gene alvo colocado a jusante de um promotor sintético que contém os locais de ligação adequados (5'-GCGTGGGCG-3 'e 5'- GCGGCGGAGGAG-3 ', respectivamente), 1. Figura 7 demonstra a regulação apertada do sistema (não há resultados indutor em não detectável GFP) e todas as células que se induzida em resposta ao indutor A capacidade de Z 3 EV para induzir GFP através de uma variedade de concentrações β-estradiol é mostrado na Figura 8.
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Figura 2. Esquemática do protocolo para as estirpes de engenharia que contêm fatores de transcrição artificiais e construção / testando repórteres GFP cognatos.
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Figura 3. A sequência ACT1pr-URA3-VE na estirpe yMN15 no locus LEU2.
Figura 4. Desenho de primers de PCR para a amplificação de um domínio de ligação de ADN de interesse com uma homologia de sequência adicional para gerar uma nova proteína de fusão quando transformado com sucesso em yMN15.
Figura 5. Indução GFP por três pares de ATF-promotores diferentes em resposta a 1 uM β-estradiol.
Figura 6. Um script MATLAB para o fluxo de processamento de dados de citometria. Este roteiro foi adaptado de http://openwetware.org/wiki/McClean:_Matlab_Code_for_Analyzing_FACS_Data .
Figura 7. Indução de GFP por Z 3 EV em resposta a 0 μ M β-estradiol e 1 uM β-estradiol seguinte de 18 horas de indução. Fluorescência foi também meamedido a partir de células sem GFP para ilustrar a forte regulamentação do sistema Z 3 EV. Esta figura foi gerada usando o código na Figura 6.
Figura 8. A relação entre a concentração de indutor e saída de expressão é classificada com um coeficiente de Hill de 1 ~. (A) As distribuições de expressão da GFP como uma função da concentração de β-estradiol. (B) O valor médio de fluorescência das distribuições de (A). Os dados foram ajustados à função G (D) = L + min (L-L max min) D n / (n + K D n) onde D é a dose β-estradiol, L min e G são o máximo e mínimo valores máximos GFP, respectivamente, n é o coeficiente de Hill, e K é a dose β-estradiol que produz ½ (L max + L min).
Seqüência de oligonucleotídeos | Nome |
5'-TTGAAACCA AACTCGCCTCT-3 ' | DBD Verifique Encaminhar |
5'-tccagagac ttcagggtgct-3 ' | DBD check Reversa |
Tabela 1. Primers para confirmar fusão correcta de DBD de interesse para o receptor de estrogênio. O iniciador directo é homóloga do promotor ACT1 e o iniciador reverso é homólogo ao receptor de estrogénio. Para DBDs típicas (~ 300 pb), o produto de PCR é <1,5 kb.
Seqüência de oligonucleotídeos | Nome |
5'-ggccgc ... Local binging DBD ... t-3 ' | Top oligo |
5'-ctaga ... sítio de ligação do DNA reverter ... gc-3 ' | Oligo inferior |
5'-gcc gcGTGGGCG T GCGTGGGCG G G CGTGGGCG T GCGTGGGCG G GCGTG GGCG T GCGTGGGCG t-3 ' | Top oligo + 6x Zif268 Sites Encadernação |
5'-ctagaCGCCCACGCACGCCCACGCC CGCCCACGCACGCCCACGCCCGCC CACGCACGCCCACgc-3 ' | Oligo inferior + 6x Zif268 Sites Encadernação |
Tabela 2. STRUTURA de primers para a criação de dsDNA contendo sítios de ligação de interesse. Para criar a Z 3 EV-responsive promotor, os oligonucleotídeos Top oligo + 6x Zif268 sítios de ligação e oligo inferior + 6x Zif268 foram usados Binding.Seqüências para criar as saliências de DNA corretas estão em minúsculas. O sítio de ligação consenso Zif268, GCGTGGGCG, é sublinhado no top oligo.
Reagente | Quantidade |
Tampão de quinase de polinucleótido T4 | 5 ul |
Polinucleotídeo cinase de T4 (@ 10.000 unidades / ml) | 1 ul |
Topo de oligo (100 uM) | 1,5 mL |
Oligo inferior (100 uM) | 1,5 mL |
Água | 41 mL |
Tabela 3. Fosforilar e iniciadores de recozimento em um termociclador utilizando 50 ul de reacção descrito acima. Existem duas etapas termociclador. Passo 1: 37 ° C, 30 min (fosforilar), e Passo 2: 95 ° C 30 seg (descer 1 ° C em cada 30 segundos até a 4 ° C; hibridação).
Reagente | Quantidade |
XbaI | 1 ul |
Notl-HF | 1 ul |
O DNA de plasmídeo | 5 ul (1-2 ug) |
10x Cut inteligente de buffer | 5 ul |
Água | 38 mL |
Tabela 4. Digestão de restrição do plasmídeo pMN8 com Xbal e Notl.
Reagente | Quantidade |
T4 ligase Buffer | 2 ul |
T4 ligase | 0,2 mL |
Backbone @ 10 ng / mL | 1 ul |
Encadernação Seqüências @ 5x molar concentração / mL | 1 ul |
Água | 15,8 mL |
Tabela 5. Ligadura sítios de ligação para o DNA de plasmídeo.
Cartilha | Descrição |
~ 40 pb a montante do ATG + CGCACTTAACTTCGCATCTG-3 ' | Cartilha para a frente para amplificar KanMX-Promoter |
5'-inversa do complemento (ATG + ~ 37BP) + TATAGTTTTTTCTCCTTGACG-3 ' | Reverter primer para amplificar KanMX-Promoter |
5'-caatttgtctgctcaagaaaataaa ttaaatacaaataaaCGCAC TTAACTTCGCATCTG-3 ' | Cartilha para a frente para fazer troca GCN4 promotor. |
5'-tggatttaaagcaaataaacttgg ctgatattcggacatTATAGTT TTTTCTCCTTGACG-3 ' | Reverter cartilha para fazer troca GCN4 promotor. |
Tabela 6. Amplificar por PCR KanMX-Promotor para fazer alelo titratible.
Os interruptores com base de hormonas aqui descritas ter múltiplas aplicações, a partir do estudo da biologia celular nativo para testar a capacidade de um domínio de ligação ao ADN de interesse para alvejar uma sequência de ADN in vivo. O sistema tem muitas características desejáveis, incluindo uma resposta graduada para indutor, ação rápida, e regulação apertada (ie. Leakiness não mensurável, ver Figura 7). No entanto, ainda há espaço para melhorias e expansão.
Trabalhos recentes em biologia sintética tem enfatizado sistemas sintéticos de multiplexação e ampliando o repertório de bem caracterizados, peças de DNA programáveis 16. Independente expressão condicional de genes-alvo distintos requer ambos os vários indutores e domínios de ligação ao DNA que não têm sobreposição de especificidade. A disponibilidade de receptores de engenharia e naturais fornece um grande conjunto de peças com as quais a desenvolver novos fatores de transcrição artificial. Expansão darepertório de interruptores ortogonais entre si, foi muito facilitada pela evolução dirigida aproxima 17,18. Os esforços actuais para reprogramar a especificidade de ligação ao ligando dos nossos factores de transcrição artificiais serão apresentados no futuro.
Anteriormente, as conseqüências fenotípicas de gene exclusão / superexpressão têm sido extensivamente estudadas em leveduras 19,20. No entanto, isso não tem sido fácil para estudar o efeito da expressão em diferentes fenótipos longo de uma gama de níveis de expressão. Uma característica principal do sistema aqui apresentado é a sua natureza graduada (Figura 8). Embora muitas vezes assumida, a relação entre a expressão dos genes e fenótipos de interesse pode não ser necessariamente monótona. Fatores de transcrição artificiais, como Z e Z 3 EV 4 EV vai tornar a tarefa de ensaiar as respostas fenotípicas para mudanças na expressão gênica direta.
Finalmente, os protocolos de discutired no texto são em engenharia e caracterizar factores de transcrição artificiais que respondem a β-estradiol, no entanto, uma importante alternativa para domínios quimicamente sensíveis é a utilização de domínios de luz que respondem a (tais como o PhyB/Pif3, LOV e BLUF), cujas atividades são reversíveis sem ter que perturbar o meio de crescimento da cultura 21-23. Sistemas baseados em Luz facilitar o controle espaço-temporal da expressão gênica, interações proteína-proteína, transporte de íons, e atividade enzimática, que já provaram poderoso 21-26.
Em conclusão, nós apresentamos os métodos para a rápida construção de factores de transcrição indutíveis, artificiais em levedura. Este protocolo fornece um modelo para a construção em conjunto com os repórteres GFP cognato, bem como métodos para a análise dos dados repórter usando citometria de fluxo e ensaio do efeito de activação de ATF em crescimento.
McIsaac, Noyes, e Botstein (com os outros) apresentaram parte desse sistema como uma divulgação de Patentes.
RSM reconhece financiamento do NSF Graduate Research Fellowship. MBN reconhece financiamento de um Lewis-Sigler Fellowship eo dom dotado de Peter Lewis. DB reconhece financiamento do NIH (GM046406) do Instituto Nacional de Ciências Médicas Gerais Centro de Biologia Quantitativa (GM071508). Reconhecemos Christina DeCoste para assistência com experimentos de citometria de fluxo.
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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