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Department of Biology, Boston College
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Coleman, B. I., Gubbels, M. J. A Genetic Screen to Isolate Toxoplasma gondii Host-cell Egress Mutants. J. Vis. Exp. (60), e3807, doi:10.3791/3807 (2012).
Die weit verbreitete, obligat intrazelluläre, einzelligen Parasiten Toxoplasma gondii verursacht opportunistische Erkrankung bei immungeschwächten Patienten und verursacht Missbildungen bei kongenitaler Infektion. 1: Die lytischen Replikationszyklus wird durch drei Phasen gekennzeichnet. aktive Invasion eines kernhaltigen Wirtszelle; 2. Replikation in der Wirtszelle; 3. aktive Austritt aus der Wirtszelle. Der Mechanismus des Austritts wird zunehmend als eine einzigartige, stark regulierten Prozess, der immer noch schlecht ist auf molekularer Ebene zu verstehen, zu schätzen. Die zugrunde liegenden Ausgangs-Signalwege sind durch die Verwendung von pharmakologischen Mitteln, die auf verschiedene Aspekte der Wege 1-5 gekennzeichnet. Als solches, mehrere unabhängige Auslöser Austritts identifiziert worden, die alle auf die Freisetzung von intrazellulärem Ca 2 + konvergieren, ein Signal, das ebenfalls kritisch ist für die Host-Invasion 6-8. Diese Einsicht teilte ein Kandidatengen-Ansatz, der auf die identi geführtFIZIERUNG der Pflanze wie Kalzium abhängige Proteinkinase (CDPK) in Egress 9 beteiligt. Darüber hinaus haben mehrere neuere Durchbrüche im Verständnis Egress gemacht worden mit (chemischen) genetische Ansätze 12.10. Um die Fülle an Informationen pharmakologische mit der zunehmenden Verfügbarkeit von genetischen Toxoplasma kombinieren wir vor kurzem ein Bildschirm erlaubt die Anreicherung für Parasiten Mutanten mit einem Defekt in der Wirtszelle Egress 13. Obwohl chemische Mutagenese mit N-Ethyl-N-nitrosoharnstoff (ENU) oder Ethylmethansulfonat (EMS) wird seit Jahrzehnten in der Studie von Toxoplasma Biologie 11,14,15 verwendet worden, erst vor kurzem hat genetische Kartierung von Mutationen zugrunde liegen, die Phänotypen zur Routine geworden 16 -18. Ferner kann durch Erzeugen temperaturempfindlichen Mutanten können essentielle Verfahren präpariert und die zugrunde liegenden Genen direkt identifiziert. Diese Mutanten verhalten, als Wild-Typ unter der permissiven Temperatur (35 ° C), aber nicht zu proliferate bei der restriktiven Temperatur (40 ° C) als Ergebnis der Mutation in Frage. Hier zeigen eine neue phänotypische Screening-Verfahren, um Mutanten mit einem temperaturempfindlichen Austritts-Phänotyp 13 zu isolieren. Die Herausforderung für die Ausgangs-Bildschirmen ist es, aus Nicht-egressed Parasiten, die durch schnelle Re-Invasion und die allgemeine Klebrigkeit der Parasiten zu Wirtszellen kompliziert ist egressed trennen. Ein vorher festgelegten Ausstieg Bildschirm wurde auf einer Reihe von umständlichen Biotinylierung Schritte zur Trennung von extrazellulären Parasiten 11 intrazellulären basiert. Auch diese Methode nicht erzeugen bedingte Mutanten was zu schwachen Phänotypen. Das hier beschriebene Verfahren überwindet die starke Bindung von Parasiten austritt, indem ein Glykan Konkurrenten, Dextransulfat (DS), die Parasiten verhindert das Anhaften von dem Host-Zelle 19. Darüber hinaus sind extrazelluläre Parasiten speziell durch Pyrrolidin (PDTC), die intrazelluläre Parasiten verlässt getötet20 unverletzt. Deshalb mit einem neuen phänotypischen Bildschirm, um gezielt zu isolieren Parasit Mutanten mit Defekten in induzierter Egress, kann die Kraft der Genetik nun voll eingesetzt werden, um die molekularen Mechanismen der Wirtszelle Egress entwirren.
Überblick
Protokolle sind vorgesehen, um zunächst den Dosierung des Mutagen was zu einer 70% igen Abtötung der Parasiten (Protokoll 1). Im nächsten Verfahren wird bereitgestellt, um die induzierten Mutanten Austritt aus einer mutagenisierten Parasit Pool (Protokoll 2, Abbildung 2) zu bereichern. Dies wird durch ein Protokoll, um die Inzidenz von Austritts-Mutanten, die in dem angereicherten Pool zu testen, oder um den Austritt Phänotyp in den einzelnen Mutanten (Protokoll 3) validieren gefolgt. Schließlich wird ein Protokoll vorgesehen, um einzelne Klone aus Parasiten angereichert Populationen zu erzeugen durch limitierende Verdünnung (Protokoll 4).
1. Titration von Mutagen
Seien Sie besonders vorsichtig, wie zB doppelte Handschuhe, beim Umgang mit hoch mutagene Verbindungen und Flüssigkeiten. Sammeln flüssiger Abfälle getrennt für die ordnungsgemäße Entsorgung.
2. Anreicherung von Austritts-Mutanten (2)
3. Validierung der Mutante durch Austritts-Assays
Nach der Durchführung der Bereicherung Bildschirm und das Erwachsenwerden der angereicherten Population für eine Passage in HFF-Zellen müssen die Phänotypen von einem Austritt Assay 11,13 bestätigt werden. Dieser Test sollte auch verwendet, um einzelne Klone nach dem Protokoll Nr. 4 zu bestätigen.
4. Klonen Austritts-Mutanten durch limitierende Verdünnung
Nach der Validierung der Phänotyp des angereicherten Egress Mutantenpopulation Verwendung des Protokolls Nr. 3, muss der polyklonalen Population zu geklont, um einzelne Parasiten Klone zu erhalten.
5. Repräsentative Ergebnisse
Die Mutagene ENU und EMS sind nicht stabil, wenn sie über lange Zeiträume gelagert. Daher Testen des mutagenen Machtdie Bestände ist entscheidend, um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten. Typische Titrationsergebnisse und Tötung Kurven sowohl für ENU und EMS sind in Abbildung 1 dargestellt. Es wird jedoch empfohlen, Plaque-Assays für jede Mutagenese-Experiment zu vergewissern, dass die geeignete Dosis verwendet wurde durchführen. Um die Vielfalt in der mutagenisierten Parasit Bevölkerung zu erhalten, ist es wichtig, mit dem Austritts-Mutante Bildschirm so schnell wie möglich vorzugehen. Typischerweise wird eine Passage der Parasiten in einen neuen Kolben durchgeführt, damit die überlebenden Parasiten, bevor er nach vorne mit dem Bildschirm wiederherzustellen. Es sollte bedacht werden, dass dies gelingt, werden in der Division der Mutanten führen. Daher kann nicht ausgeschlossen werden, dass mehrere klonale Mutanten nach Abschluss des gesamten Verfahrens isoliert genau das gleiche Erbgut enthalten sein. Um zu vermeiden, Isolieren der gleichen Mutante mehrfach empfohlen, nur eine einzige Austritts-Mutante pro Mutagenese zu isolieren ist, sofern sich die Phänotypen (zB differentielle Austritts-Induktor Empfindlichkeiten) sindsehr verschieden voneinander. Auf der anderen Seite, nicht alle Bildschirm führt zur Isolierung von Mutanten mit dem gewünschten Phänotyp. Vor allem die Ca 2 +-Ionophor A23187 resistenten Phänotyp ist selten und erfordert mehrere Bildschirme und Mutagenese-Experimente, um eine einzelne Austritt mutierten zu isolieren. Deshalb ist es empfehlenswert, um 10.05 Mutagenese und Bildschirm Experimenten parallel durchführen.
Die Anreicherung Leistung des Bildschirms wurde durch Mischen einer bekannten Austritts-Mutante mit Wildtyp-Parasiten in unterschiedlichen Verhältnissen getestet. Diese Mischungen wurden auf dem Bildschirm unterworfen, und die Häufigkeit des mutanten Phänotyps in der angereicherten Population wurde bewertet. Durch die Verwendung von Wildtyp-Parasiten auszudrücken zytoplasmatische RFP und eine mutierte Linie, die zytoplasmatische YFP die Inzidenzen konnte schnell mittels Durchflusszytometrie (Abbildung 3) 13 eingerichtet werden. Die Ergebnisse zeigen, dass Mutantenphänotypen routinemäßig zu 80% Reinheit werden durch die mit 1 beginnt Egress mutierten Parasiten pro 10.000 Wildtyp-p angereichertarasites 13. Wenn jedoch die Austritts-Mutante: Wildtyp-Parasiten Start Verhältnis 1:100.000 Parasiten, ist die isolierte Population nur 1-2% (1:100) Austritts-Mutanten. Deshalb ist die Bereicherung Macht des Bildschirms befindet sich das 1000-fache. Da der Bildschirm beginnt mit Impfung von 120.000 Parasiten, von denen typischerweise 70% lebensfähig sind wir in der Regel führen zwei Runden der Anreicherung. Die isolierten Parasiten werden zwischen den Runden Bereicherung gewachsen. Dieses Verfahren führt zu einer 100%-Mutante Bevölkerung auch beim Anfahren mit 1:1.000.000 Egress Mutante: Wildtyp-Parasiten.
Der Austritt Assay zu validieren und zu charakterisieren, die Phänotypen erfordert eine Vielzahl von Wirtszelle Infektion, die Differenzierung der einzelnen Vakuolen erlaubt. Dies ist besonders kritisch bei der Analyse der Bedingungen mit einem hohen Anteil von Austritts wie die einzelnen Parasiten finden sich überall. Wie in 4 gezeigt, wenn egressed Populationen nicht gut getrennt sind, ist es einfach, den Anteil zu unterschätzendes Ausgangs durch Zählen zwei egressed Vakuolen als eine Vakuole. Seit Egress und Invasion verbundenen Prozesse sind, und einige temperaturempfindliche Phänotypen zeigen einen milden Phänotyp bei der niedrigeren Temperatur, werden nicht alle Mutanten haben ähnliche Invasion Wirkungsgrade. Solche Mutanten ist daher an das Mehrfache Dosen inokuliert werden, um eine ausreichend hohe Dichte Vakuole für eine genaue Bewertung der Austritts-Phänotyp zu erhalten. Darüber hinaus haben einige Austritts-Induktoren nicht effizient stimulieren Austritt von Vakuolen, die vier oder weniger Parasiten. Als solches ist es wichtig, dass Vakuolen acht Parasiten oder mehr enthalten beim Starten des Austritts-Assay. In unserem Labor haben wir Mutanten-Bildschirm mit einer bestimmten Ausgangs-Enhancer gegen andere Ausgangs-Enhancer isoliert. Durch die Profilierung ihrer Kreuzreaktivität können die Mutanten in verschiedene Klassen eingeteilt werden. Schließlich werden nicht alle Egress Mutanten sein temperaturempfindlich. Insbesondere Mutanten mit Induktoren Egress Auslösung Schritte vor der Veröffentlichung von intracellula isoliertr Ca 2 + sind anfällig für nicht-temperaturempfindliche Phänotypen. Dies liegt an den Bahnen, die parallel zu führen austreten, bevor das Signal konvergiert auf die Freisetzung von intrazellulären Ca 2 + kann.

Abbildung 1. Chemischen Mutagen Dosistitration. A. Plaque-Assays in einer 6-Well-Platte unter Verwendung verschiedener Konzentrationen und EMS verschiedene Anzahlen von Parasiten pro sowie angegeben durchgeführt. Die weißen Flecken sind Parasiten Plaques in der HFF Monoschicht gebildet. B, C. Die Überlebenskurven von Parasiten bei Bestrahlung mit verschiedenen Dosierungen von EMS (B) und ENU (C). Das Überleben wurde durch Plaque-Assays beurteilt. Eine Dosierung induziert 70% Töten ist für Mutagenese-Experimente ausgewählt. Mittelwerte von drei unabhängigen Experimenten + / - Standardabweichung dargestellt.

et al. 13.

Abbildung 3. Typische Anreicherung von Austritts-Phänotypen. Anreicherung Ergebnisse eines Austritts-Mutante in Wildtyp-Parasiten in verschiedenen Verhältnissen (x-Achse) versetzt. Der Anteil der Austritts-Phänotypen in der Bevölkerung bis nach dem Bildschirm aufgewachsen auf der y-Achse aufgetragen und wurde durch Durchflusszytometrie (Austritts-Mutante Parasiten exprimiert cytoplasmatischen YFP beurteilt, ausgedrückt Wildtyp-Parasiten cytoplasmic RFP). Ergebnisse von drei unabhängigen Experimenten sind durch rote, blaue und grüne Datenpunkte dargestellt. Angenommen von Eidell et al. 13.

Abbildung 4. Typische Ergebnisse eines Austritts-Assay. A. Pfeile kennzeichnen vier verschiedenen intakt enthaltenden Vakuolen 4-8 Parasiten. B. Pfeile kennzeichnen vier Gruppen von verstreuten Parasiten widerspiegeln vier unabhängige egressed Vakuolen. Egress wurde durch A23187 (B) oder DMSO als negative Kontrolle (A) induziert. Parasiten exprimieren zytoplasmatische YFP 22.

Abbildung 5. Verdünnungsstufe zur klonalen Linien Parasiten. Vier polyklonale Populationen (rot, blau, gelb, grün) seriell in einem einzigen 384-Well-Platte mit konfluenten HFF-Zellen verdünnt. Row C und I erhalten 10 Parasiten pro Vertiefung undsind 2-fach verdünnter (40 + 40 ul ul) bis H und N Reihen, jeweils. Der Grauton zeigt die sinkende Zahl der Parasiten pro Vertiefung. In der Regel werden einzelne Klone in Reihen DF und JL gefunden.
| Verbindung | Lager | Arbeitskonzentration | ul für T25 (10 ml) erforderlich | Inkubationszeit (min) |
| DTT | 1 M in DMSO | 5 mM | 50 | 15 |
| Ethanol | 190 Proof | 5% | 500 | 30 |
| A23187 | 2 mM in DMSO | 1 uM | 5 | 5 |
| Nigericin * | 2 mM in DMSO | 10 uM | 50 | 30 |
* Nigericin nicht in der Anreicherung verwendet werdenment-Bildschirm, wie die Parasiten nicht überleben Nigericin Stimulation; nur Nigericin bei der Validierung von Egress Mutanten.
Tabelle 1. Egress-Induktoren in Verfahren verwendet werden. Verdünnen Sie in 10 ml HBBSc mit 25 mg / ml DS für den Bildschirm, oder gar keine DS-Mutante für die Validierung (Ausgangs-Assay). Alle Verbindungen von Sigma-Aldrich.
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Die beschriebene Protokoll stellt eine effiziente Methode zur Toxoplasma Mutanten mit einer Austritts-Defekt zu isolieren. Wir haben erfolgreich Mutanten auf verschiedenen Stufen des Austritts Bahn, von denen einige eine doppelte Invasion Phänotyp 13 haben isoliert. Mögliche Auswirkungen auf die Invasion kann mit Hilfe der sogenannten Rot-Grün-Assay, die aus Nicht-Parasiten eingedrungen durch Differential-Antikörper-Färbung differenziert 23,24 überfallen werden. Für beide Invasion und Austritts-Assays könnte es bequem, eine autofluoreszierende Protein-Marker in das Zytoplasma der Parasiten 13,22 auszudrücken. Wenn jedoch die Parasiten wobei mutagenisiert bereits ein fluoreszierendes Protein exprimieren das mit zusätzliche phänotypische Charakterisierung durch Immunfluoreszenz später stören könnten. Es ist immer möglich, einen fluoreszierenden Marker an ein mutiertes hinzuzufügen nach der Isolierung. Wie beschrieben, ist eine einfache, nicht-fluoreszierenden Alternative Diff-Quick-Färbung für den Austritt.
t "> Historisch gesehen, das Mutagen ENU hat gegen Toxoplasma Genetik 14 angewandt worden. Allerdings ENU bevorzugt Ziele in 25 Basenpaaren, die wir in Toxoplasma validiert (Farrell, Marth, Gubbels et al., eingereichte Manuskript). Da die Frequenz des A / T kleiner in der Aminosäure-kodierenden Sequenz als nicht-kodierenden Sequenz, wird die Mehrheit der Mutationen durch ENU induziert nicht-kodierenden Sequenz sein. jedoch EMS hat typischerweise eine Präferenz für GC-Basenpaare, dh kodierenden Sequenzen. Die überwiegende Mehrheit der temperaturempfindlichen Mutationen entstehen in wechselnden Codon-Mutationen, die ein Grund zum EMS über ENU bedienen ist.Obwohl eine Vielzahl von Austritts-Induktoren dass unterschiedliche Aspekte des Signalweges in Tabelle 1 beschrieben, gibt es andere pharmakologische Wirkstoffe bekannt, auf Verfahren zur Austritts-umgesetzt, so. So hat sich gezeigt, dass Koffein microneme Sekretion in den extrazellulären Parasiten zu induzieren, welche sowohl für das erforderlicheAusstieg und Invasion 7,26,27. Doch Koffein kann nicht zum Austritt aus infizierten Wirtszellen auslösen werden, wahrscheinlich, weil Koffein nicht effizient diffundieren durch die Wirtszelle gegen die Parasiten mit Wohnsitz in einem vakuolären Kompartiment. In ähnlicher Weise ist ein Austritts-Trigger die Akkumulation von Abscisinsäure, aber es ist unmöglich zum Screening auf Mutationen in diesem Weg, da Abscisinsäure nicht in der Host-Zelle 28 zu diffundieren. Und wie in Tabelle 1 gezeigt, ist die K +-Ionophor Nigericin eine effiziente Austritts-Induktor 5, jedoch Parasiten nicht überleben Nigericin Stimulation. Daher ist diese Verbindung nicht geeignet für den Bildschirm. In einer alternativen, ausführlichere Screening-Verfahren für Ionophor Mutanten wurde berichtet, dass viele Mutanten mit einer Verzögerung im Ionophor induzierte Austritts verlängerte Exposition gegenüber extrazellulären Ionophor 11 überleben. Es wurden jedoch keine Austritts-resistente Mutanten zu induzierten Austritts-Ionophor in dieser Maske getrennt, sodass die Phänotypenschwächer. Es ist derzeit unklar, ob die Mutanten mit einer Resistenz gegen längere Exposition gegenüber anderen Ausgangs-Induktoren erhalten werden können.
Da scheint es mehrere parallele Wege, die zum Austritt führen kann, stellt sich die Frage auf den man sich die wichtigsten in einer (experimentellen) Infektion sein. Es scheint, dass das Immunsystem Angriffe auf die infizierte Zelle sind die wichtigsten Auslöser von Austritts-29. Es ist möglich, wie Trigger in der Mutante Bildschirm verwendet wird. Zum Beispiel, dass CD8 + T-Zellen sowohl durch eine Austritts-Fas-vermittelte und Perforin-vermittelten Weg 30 zu stimulieren. Daher kann durch Verwendung eines FasL exprimieren humane T-Zellen als Wirtszelle in der Austritts-Bild können Austritts durch Inkubation mit einem Anti-Fas-Antikörper ausgelöst werden, um Mutanten in diesem Weg zu bereichern.
Um genetisch Kartierung der Mutationen zugrunde liegenden Austritt Phänotypen, sind zwei verschiedene Ansätze in Toxoplasma. Im Gegensatz zu genetischen Modellorganismen, die alleElic Segregation durch Kreuzung ist keine Option, da die sexuelle Entwicklung des Parasiten nur im Darm der Katze ausgelöst werden. Abgesehen von der Unmöglichkeit und schlechte Effizienz dieses Prozesses, Parasiten-Stämme im Labor gezüchtet werden sehr schnell die Fähigkeit verlieren, Katzen infizieren. Um dieses Problem zu umgehen, eine effiziente Wildtyp-Cosmid-Bibliothek Komplementierungsansatz entwickelt worden, die ergänzt 90% der Zellteilung Mutanten 18. Darüber hinaus haben wir vor kurzem komplette Genom etabliert Resequenzierung Protokolle, um alle Mutationen im Genom induziert identifizieren (Farrell, Marth, Gubbels et al., Eingereichte Manuskript). Normalerweise identifizieren wir 20 bis 70 Single Nucleotide Polymorphismen in chemisch induzierten Mutanten. Zwischen diesen beiden Ansätzen ist es uns gelungen, die ursächliche Mutation in allen chemisch induzierten Mutanten charakterisiert bis heute identifizieren.
Insgesamt bietet der beschriebene Bildschirm ein vielseitiges Werkzeug, das uns genetische Dissektion der erlauben wirddie Austritts-Wege. Wir erwarten, dass diese werden mehrere Komponenten des Signalwegs bekannt, dass es basierend auf pharmakologischen Daten zu identifizieren, für die jedoch keine guten Kandidaten Gene könnten in der Toxoplasma Genom identifiziert werden.
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Wir haben nichts zu offenbaren.
Diese Arbeit wurde von der American Heart Association Scientist Development Grant 0635480N und National Institutes of Health Research Grant AI081220 finanziert. BIC wird von einem Tempelritter Eye Foundation Forschungsstipendium unterstützt.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| ENU | Sigma-Aldrich | N3385 | 1 M Stock in DMSO, store at -20°C |
| EMS | Sigma-Aldrich | M0880 | 1 M Stock in DMSO, store at -20°C |
| Dextran Sulfate | Sigma-Aldrich | D4911 | |
| PDTC | Sigma-Aldrich | P8765 | 100 mM Stock in PBS |
| Diff Quick | EMD Chemicals | 65044-93 | |
| Filter holder | Cole-Parmer | 540100 | |
| 3 μm polycarbonate filter | Whatman Schleicher & Schuell | 110612 | |
| Hemocytometer | Hausser Scientific | 1475 | |
| CO2 incubators | Various manufacturers | Humidified, 5% CO2, at 35, 37 and 40°C | |
| Fluorescence microscope | Various manufacturers | Ideally inverted, wide-field with 63x or 100x oil objective | |
HBSSc (according to Black et al.11): |
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