Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.
Bu çalışmada, maya Saccharomyces cerevisiae'de çiftleşme verimliliğinin ölçülmesi için sağlam bir yöntem açıklanmaktadır. Bu yöntem, türleşme çalışmalarında zigotik öncesi bariyerlerin nicelleştirilmesi için özellikle yararlıdır.
Saccharomyces cerevisiae, genetik, evrim ve moleküler biyolojide yaygın olarak kullanılan bir model organizmadır. Son yıllarda, türleşme ile ilgili problemleri incelemek için popüler bir model organizma haline gelmiştir. Mayanın yaşam döngüsü hem aseksüel hem de cinsel üreme aşamalarını içerir. Evrim deneylerinin gerçekleştirilmesinin kolaylığı ve organizmanın kısa üretim süresi, üreme engellerinin evriminin incelenmesine izin verir. İki çiftleşme tipinin (a ve α) a / α diploidi oluşturmak için çiftleştiği verimlilik, çiftleşme verimliliği olarak adlandırılır. Haploidler arasındaki çiftleşme verimliliğindeki herhangi bir azalma, zigotik öncesi bir bariyeri gösterir. Bu nedenle, iki haploid arasındaki üreme izolasyonunun derecesini ölçmek için, çiftleşme verimliliğini ölçmek için sağlam bir yöntem gereklidir. Bu amaçla, burada basit ve son derece tekrarlanabilir bir protokol sunulmaktadır. Protokol, haploidleri bir YPD plakasına yamalamak, haploidleri eşit sayıda karıştırmak, tek koloniler için seyreltmek ve kaplamak ve son olarak, bir bırakma plakasındaki kolonilerin sayısına göre verimliliği hesaplamak gibi dört ana adımı içerir. Toksotrofik belirteçler, haploidler ve diploidler arasındaki ayrımı açıkça yapmak için kullanılır.
Genellikle tomurcuklanan maya olarak adlandırılan Saccharomyces cerevisiae, tek hücreli bir ökaryottur. A ve α olmak üzere iki çiftleşme tipi vardır ve hem aseksüel hem de cinsel üreme döngüleri sergiler. A ve α çiftleşme tipleri haploidlerdir ve mayanın aseksüel döngüsünü temsil eden çevredeki diğer çiftleşme tipinin yokluğunda mitotik olarak bölünebilir. İki çiftleşme tipi birbirine yakın olduğunda, mitotik olarak bölünmeyi durdururlar ve bir diploid hücre oluşturmak için kaynaşırlar. Diploid maya, besinler mevcut olduğunda mitotik olarak bölünebilir veya asetat1 gibi fermente edilemeyen zayıf bir karbon kaynağının varlığında azot açlığı koşulları altında mayoza uğrayabilir. Bu, uygun büyüme koşulları olana kadar uykuda kalan sporların oluşumuyla sonuçlanır. Bu sporlar çimlendiğinde yaşam döngüsü tamamlanır ve iki haploid tip haploid havuzuna geri salınır 2,3 (Şekil 1).
Maya hücrelerinin çiftleşmesi, aglutinasyon, çiftleşme projeksiyonu veya "shmoo" oluşumu, ardından hücre ve nükleer füzyon 4,5 gibi birkaç adımı içerir. İki çiftleşme tipi a ve α, çiftleşmeyi başlatmak için sırasıyla a-faktörü ve α-faktörü üretir. Bu faktörler, karşıt çiftleşme tipi5'in hücre yüzeyinde bulunan reseptörlere (Ste2 ve Ste3) bağlanan polipeptit feromonlardır. Feromonların reseptörlere bağlanması, feromon yanıt yolunu, mitojen ile aktive edilmiş protein kinaz (MAPK) sinyal iletim yolu 6,7,8'i başlatır. Bu, G1 fazında hücre döngüsünün tutuklanmasıyla sonuçlanır ve metabolik olarak aktif bir durağan faz9'a yol açar. Hücreler daha sonra mitotik olarak bölünmeyi durdurur ve çiftleşme için gerekli proteinler sentezlenir. Haploid hücreler birbirlerine doğru hareket edemediğinden, çiftleşme projeksiyonu veya "shmoo" çiftleşme partnerine yönlendirilir. Hücreler temas ettiğinde, hücre duvarı bozulur ve sitoplazmik içerikler kaynaşır, bu da bir diploid hücre10,11 oluşturmak üzere çiftleşmeye neden olur. Haploidler arasındaki çiftleşme verimliliği, laboratuvarda evrimleşmiş suşlarda ve mevcut türler arasında türleşmenin bir ölçüsü olarak kullanılmıştır12.
Basit bir ökaryotik organizma olan maya, karmaşık ökaryotik organizmalarla ilişkili çok sayıda araştırma sorusu için tercih edilen modeldir. Böyle bir soru, türleşme ve üreme engellerinin evrimi ile ilişkilidir13,14. Cinsel olarak üreyen organizmalar için, bir tür, Ernst Mayr15 tarafından önerilen biyolojik tür kavramı (BSC) ile tanımlanır. Bu konsepte göre, bir popülasyonun iki bireyinin, iç içe geçememeleri ve üreme yoluyla izole edilmeleri durumunda iki farklı türe ait oldukları söylenir. Cinsel üreme döngüsünün bozulması (gametlerin bir zigot oluşturmak için kaynaşmasını, zigotun bir döle dönüşmesini ve dölde cinsel olgunluğun elde edilmesini içerir) üreme izolasyonuna yol açar. Şekil 1'de gösterildiği gibi, S. cerevisiae'nin yaşam döngüsü cinsel üreme döngüsü ile karşılaştırılabilir: a) iki çiftleşme tipi a ve α'nin füzyonu, cinsel olarak üreyen organizmalarda gametlerin füzyonuna benzer; b) Diploidin mitotik bölünmeye uğrama yeteneği, soyuna dönüşen zigota eşdeğerdir; ve c) sporülasyona uğrayan diploid, gametogenez14 süreci ile karşılaştırılabilir.
Zigotik öncesi izolasyon, çeşitli çiftleşme gözlendiğinde ortaya çıkar. Genetik olarak farklı iki a tipi ile çiftleşmek için eşit bir fırsat verildiğinde, α bir tip tercihen biri diğeriyle çiftleşir veya bunun tersi de geçerlidir14. Haploidlerin farklı ortamlarda evrimleştiği evrim deneyleri söz konusu olduğunda, çiftleşme öncesi bir bariyerin varlığı, bir çiftleşme testi yapılarak belirlenebilir. Ataya kıyasla çiftleşme verimliliğindeki bir azalma, çiftleşme öncesi bir bariyerin evrimini gösterir. Post-zigotik izolasyon, diploidin haploid sporları oluşturmak için etkili mitotik bölünme ve / veya sporülasyona maruz kalmaması nedeniyle ortaya çıkabilir14. Bunlar, sırasıyla diploidlerin büyüme hızını ölçerek ve sporülasyon verimliliğini hesaplayarak ölçülebilir. Bu nedenle, üreme engellerinin evrimini incelemek için, (a) çiftleşme verimliliğini, (b) diploidin mitotik büyümesini ve (c) diploidin sporülasyon verimliliğini ölçmek için sağlam yöntemler gereklidir. Bu çalışmada, maya suşlarının çiftleşme verimliliğini ölçmek için sağlam bir yöntem bildirilmiştir.
Laboratuvar deneylerinde, çiftleşme oluşumunun tespit edilebilmesinin yollarından biri, beslenme gereksinimlerini tamamlayan oksitrofik belirteçlerin kullanılmasıdır. İki çiftleşme tipi iki farklı amino asit için oksirofik olduğunda, sadece iki çiftleşme tipinin füzyonu ile oluşan diploid hücre, her iki amino asitte de eksik olan bir ortamda büyüyebilir. Bu nedenle, öksotrofik belirteçler çiftleşmeyi hem kalitatif hem de kantitatif olarak tespit etmek için yararlıdır. Kalitatif bir test, mayoz16'dan sonra bir suşun çiftleşme tipini tanımlamak için yeterli olacaktır. Kantitatif testler, çiftleşme yolunda yer alan genleri incelerken çiftleşmedeki bir azalmayı tanımlamakla ilgilendiğinde önemlidir17,18. Ek olarak, mayanın türleşme çalışmalarında giderek daha fazla kullanılmasıyla, çiftleşme verimliliğinin nicelleştirilmesi zigotik öncesi bariyerin bir ölçüsü olduğundan, uygun ve tekrarlanabilir bir çiftleşme testi gereklidir.
İki maya çiftleşme türü arasındaki çiftleşme verimliliği daha önce 16,19,20 olarak ölçülmüştür. Daha önce kullanılan yöntemlerin çoğu, tasarımlarında birkaç varyasyonla benzerdir 16,21,22,23,24,25. Bazıları erken log faz kültürlerini kullanırken, diğerleri haploid suşların orta log faz kültürlerini kullanır. İki çiftleşme tipinin karıştırıldığı oranlarda farklılıklar vardır. Hemen hemen tüm protokoller nitroselüloz membran kullanır. Daha önce yetiştirilen kültürlerden alınan her iki çiftleşme tipinin süspansiyonları karıştırılır ve bir YPD plakası üzerine yerleştirilmiş bir nitroselüloz membran üzerine süzülür. Protokolün varyasyonlarından birinde, haploid süspansiyon doğrudan bir YPD plaka21 üzerine yamalanır. İki çiftleşme tipinin feromon üretiminde yer alan genlerle ilgili deneylerde, iki çiftleşme tipininsüspansiyonları 24 yapılırken feromonlar harici olarak eklenir.
Haploidleri karıştırdıktan sonra birkaç saat (tipik olarak yaklaşık 5 saat) inkübasyondan sonra, hücreler membrandan yıkanır, seyreltilir ve seçici ortam üzerine kaplanır. 1973'te bildirilen daha önceki yöntemlerden birinde, zigot oluşumunun veya çiftleşmenin etkinliği, hemositometre26 kullanılarak mikroskop altında tomurcuklanmış hücrelerin, tomurcuklanmamış hücrelerin ve çiftleşme çiftlerinin sayısını sayarak hesaplandı. Bununla birlikte, daha sonra bildirilen yöntemlerin çoğu, haploidleri ve diploidleri ayırt etmek için öksotrofik belirteçler kullanır. Çiftleşme verimliliği, hücresel havuzdaki diploid ve haploid hücrelerin sayısına göre diploid hücrelerin yüzdesiolarak hesaplanır: 16,21,23.
Bununla birlikte, türleşmeyi incelemek için mayayı model organizma olarak kullanan bir dizi rapora rağmen, çiftleşmenin verimliliğini hesaplamak için literatürde şimdiye kadar bildirilen standart bir protokol yoktur. Günlük fazındaki hücreler, çiftleşme verimliliğinin nicelleştirilmesi için ideal olmayabilir. Çiftleşme sırasında, iki haploidin hücre döngüsü tutuklanır ve bu nedenle çiftleşme sırasındaki hücreler9'a bölünmez. Hücre döngüsünün de durağan faz27'deki hücrelerde benzer şekilde tutuklandığı bilindiğinden, bu tür hücrelerin kullanılması protokolü daha tekrarlanabilir hale getirebilir. Sabit faz hücreleri, çiftleşme için YPD plakalarına (yani besleyici açıdan zengin bir ortama) karıştırılabilir ve yerleştirilebilir. Geleneksel prosedürler ayrıca bir nitroselüloz membran ve hücrelerin yıkanmasını gerektirir, bu da süreci hantal ve işleme hatalarına maruz bırakır. Ek olarak, bugüne kadar kullanılan protokoller, çiftleşme verimliliğini bir haploid cinsinden ölçer. Bununla birlikte, üreme izolasyonunu ölçerken, çiftleşme verimliliği, tek bir haploid yerine belirli bir haploid kombinasyonu için ölçülür.
Bu sorunları ele almak için, burada, mayada çiftleşme verimliliğinin ölçülmesi için yüksek oranda tekrarlanabilir ve kullanımı kolay sağlam bir yöntem sunuyoruz. Ayrıca, bu yöntem ve burada kullanılan maya suşları, gen akışının çiftleşme bariyerlerinin evrimi üzerindeki etkisini inceleyen çalışmalarda da kullanılabilir.
Bu çalışmada iki farklı S. cerevisiae suşu kullanılmıştır. Suşlardan biri SK1 arka planından türetilmiştir; bu, laboratuvarımızda MAT lokusunun yakınında oksotrofik belirteçler eklenerek modifiye edildi. Haploidlerin ortaya çıkan genotipleri Tablo 128,29,30'da verilmiştir. SK1 suşunda, bir haploid, TRP1 genini MAT lokusunun yanına yerleştirdi ve α haploid, MAT lokusunun yakınına LEU2 genine yerleştirildi. ScAM suşunda, TRP1 ve URA3 genleri sırasıyla a ve α haploidlere yerleştirildi. Yerleştirme yeri kromozom III'ün ARS bölgesindeydi (Chr III: 197378..197609). Burada bildirilen protokol için, genomun herhangi bir yerindeki öksotrofik belirteçler yeterli olacaktır. Bununla birlikte, MAT lokusunun yakınında öksotrofik belirteçlere sahip olmak, bu suşların gen akışının türleşme üzerindeki etkisini inceleyen çalışmalar için de kullanılabileceği anlamına gelir31,32. İşaretçiler, rekombinasyon nedeniyle belirteçlerin yeniden karıştırılmasını önlemek için MAT lokusuna yakın bir yere eklenmiştir. Bu nedenle, bu protokol, türleşmeyi içeren çalışmalarda çiftleşme verimliliğini ölçmek ve ayrıca çiftleşme yolunda yer alan proteinleri incelerken çiftleşme verimliliğinin değişimini tanımlamak için kullanılabilir.
NOT: Protokol genel olarak aşağıdaki adımları içerir: (1) çiftleşme verimliliği ızgaralarındaki haploidlerin bir YPD plakası üzerinde yamalanması, (2) 24 saatlik inkübasyondan sonra haploidlerin eşit sayıda karıştırılması ve karışık haploidlerin çiftleşmesi için birkaç saat verilmesi (bu çalışmada 7 saat), (3) 30 ° C'de 7 saat sonra tek kolonileri izole etmek için karışık hücrelerin YPD üzerine kaplanması, ve son olarak, (4) öxotrofik belirteçler kullanılarak oluşturulan diploidlerin sayısını belirlemek. Bu adımlar aşağıda ayrıntılı olarak ele alınmıştır (ayrıca bkz. Şekil 2).
1. Çiftleşme verimliliği ızgaralarında haploidlerin yamalanması
2. Haploidlerin karıştırılması ve çiftleşmesi
NOT: 24 saat sonra (Şekil 2C), iki haploid tipte eşit sayıda hücre iki ızgaradan kazınır, karıştırılır ve orta dikdörtgene yerleştirilir (Şekil 2D).
3. YPD agar üzerine karışık hücrelerin kaplanması
4. Öksotrofik belirteçler kullanılarak diploidlerin taranması
İki çiftleşme tipinin çiftleşme verimliliğinin ölçülmesi
Burada açıklanan protokol, SK1AM a ve SK1AM α arasındaki ve ScAMa ve ScAMα arasındaki iki maya suşu arasındaki çiftleşme verimliliğini ölçmek için kullanılmıştır (Şekil 3A). Bu deneylerde, iki haploid arasındaki çiftleşme en az 12 kez tekrarlandı. Deneyin tekrarlarının her birinde, en az 100 koloni çift bırakma o...
S. cerevisiae'de çiftleşme verimliliğinin ölçülmesi, çiftleşme yollarında yer alan genlerle ilgili çalışmalar yapmak veya dış çevrenin çiftleşme davranışı üzerindeki etkisini incelemek için gereklidir. Son yirmi yılda, S. cerevisiae, türleşme 14,36,37,38 ile ilgili soruları ele almak için popüler bir model haline gelmiştir. İki çiftleşme tipinin...
Yazarlar bu çalışmada birbiriyle çelişen çıkarları olmadığını beyan ederler. Yazarlar, SK1'den türetilmiş suşları tüm kar amacı gütmeyen kullanım için paylaşmaktan mutluluk duyarlar.
Bu çalışma, S.S.P.N.'ye DBT / Wellcome Trust (Hindistan İttifakı) hibesi (IA / 504632S / 19/2 / 504632) tarafından finanse edilmiştir. A.M., Hindistan Hükümeti Bilimsel ve Endüstriyel Araştırma Konseyi (CSIR) tarafından Kıdemli Araştırma Görevlisi olarak desteklenmektedir (09/087(0873)/2017-EMR-I). Yazarlar tartışmalar için Paike Jayadeva Bhat'a teşekkür eder.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Adenine | Sigma Life Science | A8626 | |
Agar Powder regular grade for bacteriology | SRL | 19661 (0140186) | |
Ammonium Sulphate, Hi-AR | HiMedia | GRM1273 | |
D-(+)-glucose | Sigma Life Science | G8270 | |
Glass Petri plates | HiMedia | PW008 | 90 mm x 15 mm dimension |
L-Arginine | Sigma Life Science | A8094 | |
L-Aspartic acid | Sigma Life Science | A7219 | |
L-Histidine monochloride monohydrate | Sigma Life Science | H5659 | |
L-Isoleucine | Sigma Aldrich | I2752 | |
L-Leucine | Sigma Life Science | L8912 | |
L-Lysine | Aldrich | 62840 | |
L-Methionine | Sigma Life Science | M5308 | |
L-Phenylalanine | Sigma Life Science | P5482 | |
L-Threonine | Sigma Aldrich | T8625 | |
L-Tyrosine | Sigma Life Science | T8566 | |
L-Valine | Sigma Life Science | V0513 | |
Mating efficiency grid | 1 cm x 1.5 cm rectangular grid drawn on the Petri plate | ||
Microcentrifuge tubes | Tarsons | 500010 | |
Peptone | HiMedia | RM001 | |
Uracil | Sigma Life Science | U0750 | |
Yeast Extract Powder | HiMedia | RM027 | |
Yeast Nitrogen Base w/o Amino acids and Ammonium Sulphate | BD Difco | 233520 |
Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi
Izin talebiDaha Fazla Makale Keşfet
This article has been published
Video Coming Soon
JoVE Hakkında
Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır