我们描述了一种增敏方法,利用基于RNAi的基因组筛选和整合的转基因,该转基因表达一种带有荧光标签的功能性蛋白质,以鉴定秀丽隐杆线虫(C. elegans)中调控蛋白质表达和定位的后胚胎期调节因子。
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我们描述了一种增敏方法,利用基于RNAi的基因组筛选和整合的转基因,该转基因表达一种带有荧光标签的功能性蛋白质,以鉴定秀丽隐杆线虫(C. elegans)中调控蛋白质表达和定位的后胚胎期调节因子。
C. elegans 已被证明是发现和功能鉴定众多基因及基因通路的宝贵模式系统1。日益完善的工具和资源正在推动该系统中对具有更细微表型或功能的基因的持续发现。
在此,我们介绍了一种经过改进的通用实验方案,用于鉴定 秀丽隐杆线虫 利用RNAi筛选具有特定 postembryonic 表型的基因2该步骤可根据需要轻松修改,以检测特定表型,无论是通过解剖显微镜还是复式显微镜的透射光或荧光光学系统进行观察。该筛选方案充分利用了生物体的物理特性以及现有的分子工具 秀丽隐杆线虫 科研界已取得的成果。例如,我们展示了一种整合型转基因的应用,该转基因表达一种荧光产物,用于RNAi筛选,以鉴定在幼虫晚期及成虫中维持该产物正常定位所必需的基因。首先,我们使用了一种市售的基因组RNAi文库,其含有全长cDNA插入片段。该文库可通过RNAi介导的候选基因产物下调,实现对多个候选基因的快速鉴定。其次,我们构建了一种整合型转基因,使其在对RNAi敏感的遗传背景下表达我们感兴趣的荧光标记蛋白。第三,通过对孵化后的动物进行RNAi处理,该筛选方法能够鉴定出在胚胎期具有重要功能的基因产物,从而避免其胚胎致死效应掩盖该基因在胚胎后发育阶段对目标蛋白的调控作用。最后,该筛选利用配备单细胞分辨率的复合显微镜进行观察。
1. 筛选菌株的构建
筛选菌株的精心设计对于筛选的成功至关重要,相关方法已在别处描述。3对于某些研究人员而言,实验需要使用表达可见产物的转基因品系。许多携带整合型转基因的品系可从秀丽线虫基因中心(CGC)或个别研究人员处获得。若筛选实验所需的转基因品系尚不可获取,则可通过已发表的方法(如基因枪轰击法)自行构建。4,紫外/三甲基苯醌5或 Mos 转座子插入6为了可视化我们的目标蛋白,我们插入了 gfp-编码序列与成熟的 cDNA 序列保持阅读框一致(我们使用了 dbl-1 序列)。由于该GFP融合蛋白在解剖镜下不可见,我们使用了一种可见的共注射标记物,该标记物不会影响目标蛋白的观察(ttx-3p::rfp,有关其他几种标准标记物的综述,请参见 7)。随后,我们从染色体外阵列构建了一个整合型转基因。我们发现,通过基因枪轰击法将该转基因整合,获得的整合株系拷贝数较低,既不能挽救解剖显微镜下的表型,也无法检测到可见水平的GFP标记产物(Beifuss 和 Gumienny,未发表)。通过UV/TMP方法对最初由显微注射构建的多拷贝染色体外阵列进行整合8,9 产生可见的、具有挽救效应的转基因产物水平(图3A)。使用抗GFP抗体进行Western blot检测,证实了转基因(等位基因名称 texIs100) 的表达和加工是正确的(Beifuss 和 Gumienny,未发表)。无论来源如何,整合的转基因都应进行五次回交以去除额外的背景突变。
在我们的筛选实验中,我们希望唯一关注的蛋白是转基因的带标签形式。因此,我们通过引入一个功能丧失型突变的 dbl-1 等位基因,去除了内源基因的功能。
最后,我们使该品系对RNAi效应更为敏感。若动物携带可增强其对RNAi效应敏感性的突变,则文库中的RNAi对许多基因而言将导致基因产物更显著的降低10,11。在选择合适的RNAi敏感化遗传背景时,应考虑目标组织11。我们采用经典的rrf-3(pk1426)等位基因构建筛选用菌株。RRF-3是一种RNA依赖性RNA聚合酶(RdRP)同源蛋白,通常抑制体细胞中的RNAi10。也可使用其他RNAi超敏感基因(如eri-1或eri-1 lin-15b)的突变,以增强RNAi的效果11-13。
我们构建的筛选菌株基因型为 rrf-3(pk1426); texIs100; dbl-1(nk3)。
2. 选择和准备RNAi文库
市售的 C. elegans cDNA 文库分别代表了 C. elegans 中约 55% 或 87% 的预测基因(分别为 Vidal 实验室和 Ahringer 实验室的文库)。单个克隆可购买(Open Biosystems,Geneservice, Ltd.)。我们选择了由 Vidal 实验室构建的 ORF-RNAi 文库(Open Biosystems),因为其克隆大多为全长 cDNA,并通过 Gateway 克隆技术构建,可直接用于下游应用(Invitrogen Corporation, Carlsbad, CA)。原始的 Ahringer 实验室基因组 cDNA 文库包含的 cDNA 片段在后续功能鉴定实验中的适用性较窄14,15。两个文库均使用含有两个 T7 启动子、并插入片段位于其间的载体(图 1)。这些构建体在细菌菌株 HT115 中培养,该菌株在异丙基-β-D-硫代半乳糖吡喃糖苷(IPTG)诱导下表达 T7 聚合酶。含有文库克隆的细菌经 IPTG 诱导后可产生 dsRNA(见步骤 3.4)。
收到文库后立即制作完整副本,并使用该副本来进行所有实验。原始文库和复制文库应分别储存于连接在不同电路线路上的-80°C冰箱中。
3. 含文库克隆菌株的制备
4. 线虫的制备
从经过发育阶段同步的线虫群体开始实验。对动物进行发育阶段同步可降低因动物发育阶段不同而导致对照组与实验组RNAi结果差异的可能性(然而,若RNAi引起发育延迟,观察者应予以记录(图2))。此外,使用L1期幼虫起始RNAi实验,可避免因靶基因在胚胎期致死效应而对研究其在胚胎后发育中的潜在功能造成干扰。
通过首先漂白筛选品系的混合发育阶段群体来实现分期,该过程中仅有卵壳保护的胚胎能够存活。在20°C下,动物的发育阶段可同步至约12小时内;在16°C下,可同步至约18小时内18。为了更精确地进行分期,可通过将胚胎置于无食物的M9培养基中孵化,使动物停滞在第一幼虫阶段(L1)。饥饿状态的L1动物在放置到食物上后,将从相同的起始年龄恢复生长19。
5. 线虫的观察
(第5天)当线虫生长至所需阶段后(图2A),使用解剖显微镜检查阳性与阴性对照组是否呈现出预期的表型。我们采用bli-4作为RNAi效率的对照,因其可产生剂量依赖性的胚胎后发育缺陷,表型范围从出现水疱的成虫(轻微RNAi表型,未展示)到发育停滞的微小幼虫(强烈且预期的RNAi表型)(图2B)。随后,使用解剖显微镜观察每个实验孔中的个体,并记录由RNAi诱导出的明显异常表型(图2C)。在确认对照组结果并记录宏观表型后,对RNAi实验组进行目标表型的筛选。我们使用配备荧光装置和63倍物镜的复式显微镜,从对照组开始,对每组RNAi实验至少观察五个个体(图3)。
采用该方法,一个人每周可合理地完成并观察两到四组实验。例如,周一和周二处理的动物可在周四和周五分别进行观察,并可在周五和周六再次处理,以便于下周一和周二进行观察。根据每天筛选的表型不同,每组实验可能包含一个24孔板(用于复式显微镜观察),若表型易于快速识别,则可包含更多孔板。因此,在考虑阳性与阴性对照以及筛选速率的情况下,每周至少可观察88种不同的RNAi实验。若采用解剖显微镜进行筛选,则速度可更快,无需将动物固定在载玻片上观察。多人协作亦可通过错开工作时间和/或使用多台显微镜来提高实验室的通量。另一种替代方法是将动物培养在薄层琼脂上,随后直接切取含有动物的琼脂片并转移至载玻片上进行观察,此方法可节省时间。该变体方法已成功用于在400倍放大倍数下筛选雄性尾部异常22。
6. 代表性结果
GFP标记的DBL-1正常与异常定位的示例见图3。GFP标记的DBL-1正常表达包括腹神经索的细胞体以及一排点状结构(图3A)。当线虫摄取可阻止dbl-1 mRNA翻译的RNA后,DBL-1信号显著减弱(图3B)。dbl-1(RNAi) 还会导致动物体型变小,这是本示例中的次级筛选表型(数据未显示)。利用专为此筛选设计的品系,可通过RNAi快速鉴定影响DBL-1定位的基因(图3C)。

图1. 筛选鉴定DBL-1信号通路细胞外调控因子的实验方案。将取自喂食文库的细菌在液体培养基中过夜培养,随后用IPTG诱导,并在37°C下继续孵育4小时,以使细菌产生双链RNA(dsRNA)。将30 μl诱导后的细菌培养物点样至每孔,接种于含有25 μg/ml羧苄青霉素和1 mM IPTG的24孔NGM(线虫生长培养基)平板上,并在无菌通风橱中晾干。我们通过将经次氯酸盐处理的胚胎置于无食物的培养基中孵化,获得同步化的第一龄幼虫(L1)阶段,此过程可诱导L1期滞育(发育停滞)。将约30只同步化的L1期线虫接种至含有RNAi文库细菌的各孔中,使处于特定发育阶段的线虫恢复生长并摄取细菌所产生的dsRNA23。在15°C下培养72小时后,对年轻成虫期的线虫进行可见表型筛选。在此发育阶段,体型异常表型清晰可辨,且由texIs100转基因表达产生的荧光信号较强。

图2. 筛选前用于识别表型的示例所有动物在培养板孔中的图像均使用解剖显微镜在相同放大倍数下拍摄。所有动物均在接种后约72小时以饥饿状态的L1幼虫形式成像。所有图像均经过相同方式处理。A)对一个不引起明显形态缺陷的基因进行RNA干扰。动物表型呈野生型。B)对 bli-4动物发育停滞,体型远小于A图中的动物。C) RNAi干扰 dpy-13动物与A图中的动物处于相同的发育阶段,但表现出“粗短型”体形。

图3. 荧光标记蛋白的示例,以及特定基因的RNA干扰如何改变其定位模式。所有图像均使用旋转盘共聚焦显微镜在630倍放大下拍摄,曝光时间为5秒。比例尺 = 10 μm。所有图像均经过相同处理。空心箭头指示细胞体。箭头标记成簇点状结构的连线。实心箭头指示部分异常定位的GFP标记DBL-1蛋白。A) 饲喂RNA干扰对照假基因C06C3.5(“野生型”)。B) dbl-1(RNAi) 对照。C) 干扰一个对GFP标记DBL-1正常定位必需的基因。

图4. 在24孔板中追踪RNAi实验(文库克隆)的模板示例。该模板可用于创建实验的永久记录,相较于直接标记培养板更为可靠。

图5. RNAi表型记录模板示例。可根据需要扩展。
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本文介绍的RNAi筛选方法能够灵敏且快速地分析正常(或转基因)胚胎后表型所需的基因产物。示例展示的是针对影响荧光标记蛋白亚细胞定位相关基因的筛选。然而,该方案可经修改用于鉴定影响其他特定胚胎后表型的基因。
该方法利用RNAi文库,基于候选基因策略进行研究。采用诱变技术的正向遗传学筛选能够鉴定随机诱导产生的新等位基因,但鉴定这些等位基因通常需要大量时间、人力和/或资金24。相比之下,使用cDNA文库时,只需对导致特定RNAi表型的cDNA插入片段进行测序,即可快速确认候选基因。此外,适用于克隆的cDNA插入片段有利于对鉴定出的候选基因进行后续分析。同时,对于突变后致死的基因,也可通过RNAi技术实现鉴定与分析。通过将孵化后的动物置于诱导表达的细菌上,该方法可实现对同时具有重要胚胎功能的基因进行幼体后发育缺陷的观察。
务必确认所观察的动物未处于饥饿状态。饥饿会影响动物的表型。若在饥饿动物中鉴定出新的RNAi表型,应重复实验以确认该表型是由RNAi引起,而非由饥饿所致。为防止饥饿,应使用已生长至稳定期的新鲜细菌...
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我们无任何披露事项。
作者谨此感谢新泽西州罗格斯大学沃克斯曼研究所的 Rick Padgett 博士惠赠 dbl-1 cDNA,以及 Christopher Rongo 博士(新泽西州罗格斯大学沃克斯曼研究所)提供的注射标记物。Barth Grant 博士实验室完成了基因枪轰击实验,以实现低拷贝数整合 gfp 标记的 dbl-1 构建体。René Garcia 实验室在构建 texIs100 过程中提供了技术支持。René Garcia、Robyn Lints 和 Hongmin Qin 实验室提供了有益的建议。本研究由德克萨斯农工健康科学中心分子与细胞医学系的启动资金资助。复合显微镜和旋转盘共聚焦显微镜由该系及德克萨斯农工健康科学中心医学院院长办公室提供的资金购置。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| NGM 琼脂 | 线虫生长培养基 | IPM Scientific, Inc | 可按照 NGM 琼脂方案制备25 |
| M9 培养基 | 22 mM KH2PO4、 42 mM Na2HPO4、 86 mM NaCl、 1 mM MgSO4 | ||
| 琼脂粉 | EMD Millipore | 1.01614.1000 | 用于 NGM 平板时为 2% 水溶液;用于显微镜载玻片垫片时为 4% 水溶液(首次需高压灭菌,之后可用微波炉熔化)。 |
| 胰蛋白胨 | BD Biosciences | 211677 | 0.25% |
| IPTG | Research Products International Corp. | I56000-5.0 | 终浓度为 1 mM |
| 羧苄青霉素 | Research Products International Corp. | C46000-5.0 | 工作稀释液浓度为 50 μg/ml |
| LB 肉汤(Lennox 配方) | BD Biosciences | 240230 | 20 g/升 |
| 四环素 | Sigma-Aldrich | 268054 | 工作稀释液浓度为 12.5 μg/ml |
| 次氯酸钠 | 任意供应商 | 5% 家用漂白剂 | 使用新鲜漂白剂。 |
| 氢氧化钠 | 任意供应商 | CAS 1310-73-2 | 5 N 储存液 |
| M9 培养基 | Wormlab 食谱手册 | http://130.15.90.245/wormlab_recipe_book.htm#Commonlab | 26 |
| 左旋咪唑 | Sigma-Aldrich | 31742 | 工作稀释液浓度为 100 μM 至 1 mM |
| 叠氮化钠 | Fisher Scientific | S227 | 在 M9 中的工作稀释液浓度为 10 mM |
| 24 孔板 | Greiner Bio-One | 662160 | VWR 分销商 |
| 显微镜载玻片 | 任意供应商 | 75 × 25 × 1 mm | |
| 显微镜盖玻片 | 任意供应商 | 22 × 22 mm,No.1.5 | 应使用显微镜制造商推荐的厚度。 |
| 复式显微镜 | Carl Zeiss, Inc. | A1m | 使用符合实验需求的物镜和滤光片。 |
| 培养基泵 | Manostat 可调速蠕动泵 | Kate 型号 #72-620-000 | 使用适用于该设备的管路和设置。 |
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