尽管在C. elegans中通过喂食dsRNA是评估基因功能的有力工具,但现有的大规模喂食筛选方案常导致基因沉默效率不稳定。本文介绍了一种改进的大规模RNAi喂食筛选方案,可实现高效且可重复的基因表达沉默。
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尽管在C. elegans中通过喂食dsRNA是评估基因功能的有力工具,但现有的大规模喂食筛选方案常导致基因沉默效率不稳定。本文介绍了一种改进的大规模RNAi喂食筛选方案,可实现高效且可重复的基因表达沉默。
通过喂食表达双链RNA(dsRNA)的细菌来实现线虫的RNA干扰,已成为研究C. elegans基因功能的有效工具。尽管在靶向少数基因进行基因沉默时该策略效果良好,但在大规模喂食筛选中,基因沉默效率存在较大变异,限制了其应用价值。我们对先前发表的RNAi基因沉默实验方案进行了系统分析,发现导致沉默效率降低的主要原因是喂食过程中细菌丢失了编码dsRNA的质粒。基于这些发现,我们开发了一种dsRNA喂食方案,可显著减少甚至消除质粒丢失,从而实现高效、高通量的基因沉默。我们证明,该方案可在包括神经元在内的多种C. elegans组织类型中产生强烈且可重复的基因沉默效果,并适用于大规模筛选实验。本方案使用 commercially available 的dsRNA喂食文库,并详细描述了文库扩增及开展dsRNA筛选所需的全部步骤。该方案无需使用任何复杂仪器,因此任何C. elegans实验室均可实施。
传统上,C. elegans 的遗传筛选是通过使用甲基磺酸乙酯等化学诱变剂处理线虫,从而在 DNA 中产生随机突变。随后分离经诱变处理的线虫的子代或孙代,筛选出具有特定异常表型的个体。然后通过耗时且繁琐的基因定位方法,或通过对突变线虫的全基因组进行测序,来确定导致该表型的突变位点。化学诱变筛选具有诸多优势,因其可在线虫基因组中产生永久性损伤,从而导致功能获得性或功能缺失性表型;但其基因定位过程较为缓慢且成本较高。
双链RNA干扰(dsRNAi)为鉴定参与重要生物学过程的基因提供了一种替代方法。该方法将与内源基因编码序列匹配的双链RNA导入线虫体内。该双链RNA被加工处理 体内 产生小分子(21-22个核苷酸)RNA,作为引导序列识别并结合互补的内源mRNA,从而靶向其降解 1该方法相对较快,但由于双链RNA(dsRNA)靶向的是mRNA而非DNA,因此使用此方法仅能观察到功能降低的表型。
将双链RNA(dsRNA)导入动物体内可通过直接注射dsRNA 2、将动物浸泡在dsRNA溶液中 3,或喂食表达dsRNA的细菌 4来实现。这些递送方法均可引起系统性的基因沉默效应,因为动物的大多数细胞都表达SID-1——一种能够摄取dsRNA的跨膜通道蛋白 5。最初,该技术被用作反向遗传学手段,逐个敲低单个基因的表达;随着两种喂食文库的开发,现已可进行大规模的遗传筛选。市面上可获得的dsRNA文库包含细菌克隆,分别覆盖了约55%或87%的全部C. elegans基因 6, 7。
遗憾的是,大规模 dsRNAi 饲喂筛选通常会导致基因敲低效率的差异8-10。尽管RNAi介导的基因敲低绝对水平难以直接测量,但在大规模筛选中观察到的敲低效率降低必然源于部分基因特异性mRNA未被RNAi机制降解而残留下来。这可能是由于在筛选过程中喂给动物的细菌丢失了表达dsRNA的质粒所致。支持这一观点的证据表明,当动物被喂食仅50%细菌表达靶基因dsRNA的混合菌液时,其基因敲低效果与对照组动物相比显著降低(甚至完全消失)11。在进行dsRNAi筛选时,基因敲低的程度成为一个关键问题,因为大多数 C. elegans 基因具有单倍充足性,因此基因表达水平必须至少降低50%,才能产生功能缺失表型12。
我们曾采用先前发表的饲喂方案进行大规模筛选,结果发现与他人报道的相同,基因敲低效果存在变异 8-10。在寻找可能原因的过程中,我们发现筛选中喂给线虫的细菌中近60%已丢失了dsRNA质粒。为此,我们开发了一种文库扩增与筛选方案,可显著减少甚至完全避免质粒丢失,从而大幅提高基因敲低效率。该方案适用于在C. elegans中开展大规模筛选,可用于筛选任意一种市售的dsRNA文库。采用此方案后,我们发现筛选过程中喂给线虫的细菌几乎100%均保留了编码dsRNA的质粒,并在所检测的所有组织中均引起强烈且高度完全的基因功能缺失表型。
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注意:本实验方案可用于鉴定多种组织类型中多种生物过程所必需的基因。在筛选过程中,作为必要的质量控制步骤,需用表达阳性对照和阴性对照dsRNA的细菌饲喂动物,以证明在靶向组织中产生RNA干扰效应。
其他已发表的饲喂方案在含有50 μg/ml氨苄青霉素或25 μg/ml羧苄青霉素的条件下培养表达dsRNA的细菌8-10。我们发现,在上述任一条件下培养的细菌会以较高频率丢失dsRNA质粒。事实上,即使在极高浓度(高达2 mg/ml)的氨苄青霉素中过夜培养细菌,仍有超过50%的细菌不再含有质粒。虽然在羧苄青霉素中培养通常能实现较高的质粒保留率,但25 μg/ml的浓度仍不足以防止质粒丢失。相反,我们发现,在液体培养过程中,需要500 μg/ml的羧苄青霉素浓度才能阻止质粒丢失;而在固体琼脂基质上培养细菌时,则需要2 mg/ml的羧苄青霉素浓度才能阻止质粒丢失。
由于质粒的保留对于基因敲低的成功至关重要,因此在本方案中培养dsRNA细菌时仅使用羧苄青霉素。我们已仔细优化了本方案所述细菌培养过程中所用羧苄青霉素的浓度,以确保不含质粒的细菌无法在这些培养物中生长。然而,作为质量控制措施,需在方案的多个步骤中检测质粒丢失情况。为确保高效的基因敲低,每个步骤中超过80%的细菌必须含有dsRNA质粒。若在任一步骤中有超过20%的细菌丢失了dsRNA质粒,则应检查所用羧苄青霉素的质量。羧苄青霉素应在使用当天新鲜配制。请重新配制新鲜的羧苄青霉素并重复培养。
1. 如何确定质粒丢失

2. 制备重复文库板
概述: dsRNA文库将由制造商(OpenBiosystems)以10,566个细菌克隆的形式提供,分装于96孔板中。收到后应立即将这些板存放于-80 °C超低温冰箱中。原始文库板将被复制,所有饲喂筛选实验均使用复制后的文库板作为细菌来源。建议将原始文库板和复制文库板分别存放在不同的冰箱中。为便于操作,建议每天仅复制10块文库板。
注意: 我们发现原始文库平板中每个孔内的细菌有相当一部分不含有质粒。然而,由于文库细菌是宝贵的资源,不建议对原始文库培养物进行质粒丢失的检测。
3. 在 Omniplates 上制作文库的临时拷贝
概述:为了开始为dsRNA筛选制备食物,需将来自两份重复文库平板的细菌转移至固体琼脂OmniPlate中,并过夜培养。为防止在固体培养基上发生质粒丢失,OmniPlate中含有浓度为2 mg/ml的羧苄青霉素。这些平板上的细菌可在一周内使用,且未出现质粒丢失现象。我们尚未检测在OmniPlate上培养超过一周的细菌是否会发生质粒丢失。
4. 准备用于喂食线虫的细菌
概述:用于喂养线虫的细菌通过96孔板格式,使用来自omniplates的细菌制备成1 ml液体培养物。这些液体培养物需过夜培养以产生饱和的、非对数生长期的细菌培养物。过夜培养可确保所有培养物中含有相似浓度的细菌,从而保证所有线虫获得等量的食物。在此培养过程中不应观察到质粒丢失现象。
5. 生成L1期停滞的C. elegans幼虫
概述:使用L1期停滞的幼虫在dsRNA喂养平板上启动同步的线虫培养。这些幼虫通过漂白处于产卵期的成虫群体以分离出健康的卵,然后将卵置于无食物的S-complete培养基中孵化而获得。在缺乏食物的情况下,孵化出的L1幼虫将停止发育,从而形成同步化的L1幼虫群体。在筛选过程中,应每周制备新鲜的L1期停滞幼虫,因为这些饥饿状态的动物会随着时间推移而活力下降,必须予以丢弃。用于dsRNA喂养实验的线虫遗传背景可根据具体应用而选择;对于神经元相关的筛选,推荐使用eri-1; lin-15B突变体。
注意:在步骤 5.8-5.11 中,线虫和卵将暴露于漂白液中。漂白液会破坏线虫,但对卵的损伤相对较小。然而,如果卵在漂白液中停留时间过长,也会被破坏。在步骤 5.8 加入漂白液时应设置计时器,确保卵暴露于漂白液的时间不超过 10 分钟。
在筛选过程中,应每周新鲜制备滞育的L1幼虫。在完成第一批制备后,后续批次可通过将500条滞育L1幼虫(来自上周批次)分别接种至四个标准的已涂布线虫培养基(NGM)6 cm培养皿(每个培养皿含100 μl过夜培养的OP50大肠杆菌菌液)中,并在20 °C下培养4天来启动。在第4天,培养皿中将出现大量虫卵和怀卵成虫,此时可进行次氯酸钠漂白处理,以获得新鲜虫卵,用于制备更多同步化的L1幼虫。
6. 将滞育的L1幼虫转移至喂养平板
概述:为了进行dsRNA筛选,将20-30条L1期停滞的幼虫转移至含有dsRNA的喂养平板上。在动物摄食表达dsRNA的细菌2-3天后,可观察到早期的基因敲低效应,例如幼虫停滞或致死现象。根据所进行的筛选类型,目标表型可能出现在最初放置在喂养平板上的动物(P0代)中,也可能出现在其子代(F1代)中。表型的出现取决于多种因素,包括被敲低基因所编码蛋白的存续时间,以及目的基因在发育过程中发挥作用的时间点。从仅含20-30个动物开始dsRNA喂养培养,可在食物耗尽前观察到P0代和F1代的表型。
为方便将20-30只动物转移至喂养平板,首先需确定L1期停滞动物在停滞L1培养物中的浓度。
7. 开始喂养筛选
概述:开始双链RNA筛选时,将20-30条停滞在L1期的幼虫分别加入含有表达双链RNA细菌薄层的12孔喂养板的每个孔中。喂养板含有标准线虫生长培养基(NGM),并添加500 μg/ml羧苄青霉素(防止质粒丢失)和1 mM IPTG(诱导双链RNA表达)。将线虫置于20 °C条件下喂养并发育数天。进行P0代筛选时通常喂养3天,进行F1代筛选时通常喂养6-7天。然而,喂养时间可根据筛选中所需观察的特定表型进行调整。
注意: 蠕虫生长 7 天后,取食平板上残留的细菌经检测发现质粒丢失率极低,几乎 100% 的细菌仍保留 dsRNA 质粒。
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在用表达dsRNA的细菌饲喂动物2-3天后,P0基因敲低的表型将开始出现。一些早期表型包括幼虫停滞和致死,应在所有饲喂孔中观察到约2-3%的发生率。这些相同的表型也将在F1代动物中出现。F1代中未能孵化的卵是另一种常见的F1代表型,这三种表型合计将在F1代筛选的所有孔中接近10%的孔中被观察到。
我们采用此处描述的方案,检测了多个在P0和F1代表型中于多种组织类型中表达的基因的敲低效应。由于我们还想检测神经组织中的基因敲低效应,因此在筛选中使用了eri-1; lin-15B突变体。eri-1和lin-15B的突变,以及rrf-3的突变,最初是在筛选增强RNAi敏感性突变体的研究中被发现的8,13,14。
我们测试了四个基因的敲低效果:egl-30、dpy-17、pat-10 和 unc-4。其中两个基因 egl-30 和 unc-4
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我们描述了一种利用 commercially available 的 dsRNA 饲喂文库在 C. elegans 中进行大规模筛选的实验方案。我们提供了复制该文库并有效使用它的全部操作步骤。我们证明,该方法能够鉴定出参与动物不同组织中多种生物学过程的基因。尽管本文所描述的表型易于观察(如 Unc、Egl 和 Dpy),但该方案可被调整用于搜索几乎任何生物学过程所必需的基因。例如,我们已利用该方案鉴定了线虫中神经传递所必需的基因25。当动物摄食表达 dsRNA 的细菌后(P0 筛选通常为 3 天,F1 筛选为 6–7 天),可将其从饲喂平板中移出,并检测其是否存在任何行为表型。
质粒丢失:
我们发现,在大规模 dsRNA 筛选中观察到的基因沉默效率降低可直接归因于喂食线虫的细菌中丢失了 dsRNA 质粒。质粒的丢失发生在细菌培养过程中,原因是 dsRNA 文库质粒编码的 β-内酰胺酶能够降解氨苄青霉素和羧苄青霉素,导致这些抗生素的浓度随时间逐渐降低。当抗生素浓度降至足够低时,不含质粒的细菌便能...
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作者声明不存在任何竞争性经济利益。
本研究工作获得了美国国立卫生研究院(NIH)基金 MH097163 的资助。部分菌株由CGC提供,CGC由NIH研究基础设施项目办公室(P40-OD010440)资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 试剂/材料 | |||
| 96孔Falcon平底板 | Fisher Scientific | 353072 | 无菌 |
| 粘性封口膜 | USA Scientific | 2923-0100 | |
| Nunc omniplate | Fisher Scientific | 267060 | |
| 2.0 ml深孔96孔聚丙烯Masterblock | USA Scientific | 5678-0285 | 可高压灭菌 |
| 深孔板盖 | USA Scientific | 5665-6101 | |
| 50 ml Combitips | USA Scientific | 4796-5000 | 单独包装 |
| 储液槽 | USA Scientific | 2977-8500 | 可高压灭菌 |
| 12孔板 | USA Scientific | CC7682-7512 | 单独包装 |
| dsRNA饲喂文库 | OpenBiosystems | RCE1181 | 保存于 -80 °C |
| 氨苄青霉素 | Fisher Scientific | BP1760-5 | |
| 四环素 | Fisher Scientific | BP912-100 | |
| 羧苄青霉素 | 允许2-4周交货时间 www.biochemicaldirect.com | ||
| 细菌学琼脂,超纯级A | Affymetrix | 10906 | 用于线虫培养板 |
| 仪器 | |||
| 压板滚轮 | USA Scientific | 9127-2940 | |
| B–kel 96针复制器 | Fisher Scientific | 05-450-9 | 可高压灭菌 |
| 微型振荡器 | Thomas Scientific | 1231A93 | 3 mm轨道 |
| 12通道多道移液器(0.5-10 μl) | USA Scientific | 7112-0510 | |
| 12通道多道移液器(30-300 μl) | USA Scientific | 7112-3300 | |
| Repeater Plus手动移液器 | USA Scientific | 4026-0201 |
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