介绍了一种在Saccharomyces cerevisiae基因组原位对组蛋白基因进行突变的策略。
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介绍了一种在Saccharomyces cerevisiae基因组原位对组蛋白基因进行突变的策略。
我们描述了一种基于PCR和同源重组的系统,用于在芽殖酵母细胞中对组蛋白基因进行靶向突变。所获得的突变等位基因位于其内源基因组位点,且在操作完成后基因组中不残留任何外源DNA序列。由于在单倍体酵母细胞中,四种核心组蛋白中的每一种均由两个非等位基因编码,且这些基因具有高度同源的开放阅读框(ORF),因此针对编码特定组蛋白的两个基因之一进行特异性靶向诱变可能存在困难。本文所述策略通过在同源重组步骤中利用靶基因ORF以外的序列而非其内部序列,从而规避了这一问题。该系统的另一特点是,驱动同源重组的DNA区域可设计得非常长,从而提高成功整合事件的发生概率。这些特点使该策略特别适用于组蛋白基因的诱变,但也可适用于酵母基因组中其他基因的诱变。
核心组蛋白H2A、H2B、H3和H4在真核生物染色体的压缩、组织和功能中发挥着核心作用。每种组蛋白各两份共同形成组蛋白八聚体,这一分子“卷轴”可引导约147个碱基对的DNA缠绕其上,最终形成核小体1。核小体积极参与多种基于染色体的过程,例如基因转录的调控以及常染色质和异染色质在染色体上的形成,因此在过去数十年中一直是深入研究的重点。已有多种机制被描述,表明核小体可通过这些机制被调控,从而促进特定生物学过程的执行——这些机制包括组蛋白残基的翻译后修饰、ATP依赖性的核小体重塑,以及ATP非依赖性的核小体重组与组装/去组装2,3。
芽殖酵母Saccharomyces cerevisiae 是研究真核生物组蛋白功能的极为强大的模式生物。这主要归因于组蛋白在真核生物域内具有高度的进化保守性,以及酵母适用于多种遗传学和生物化学实验方法4。酵母中的反向遗传学方法已被广泛用于研究特定组蛋白突变对染色质生物学多个方面的效应。在进行此类实验时,通常更倾向于使用突变组蛋白在其天然基因组位点表达的细胞,因为由自主型质粒表达可能导致组蛋白蛋白在细胞内水平异常(由于细胞中质粒拷贝数不均),并随之改变染色质环境,最终干扰实验结果的解释。
本文描述了一种基于PCR的技术,可实现组蛋白基因在其天然基因组位点上的靶向诱变,该技术无需克隆步骤,且可在基因组中产生目标突变,而不残留外源DNA序列。该技术利用了酵母高效的同源重组系统,与其他研究团队开发的类似技术具有多个共同特点,尤其是Delitto Perfetto、位点特异性基因组(SSG)诱变以及无克隆PCR介导的等位基因替换方法5,6,7。然而,本文所述技术具有一项独特优势,使其特别适用于组蛋白基因的诱变。在单倍体酵母细胞中,四种核心组蛋白中的每一种均由两个非等位且高度同源的基因编码:例如,组蛋白H3由HHT1和HHT2基因编码,这两个基因的开放阅读框(ORFs)序列同源性超过90%。如此高的同源性可能使旨在特异性靶向其中一个组蛋白编码基因的诱变实验变得复杂。前述方法通常需要利用目标基因ORF内的部分序列来驱动同源重组,而本文所述技术则利用组蛋白基因ORF两侧的侧翼序列(这些区域的序列同源性较低)进行重组,从而提高了成功靶向目标位点进行诱变的可能性。此外,驱动重组的同源区域可非常长,进一步增强了靶向同源重组的效率。
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注意:靶向实验策略的 原位 组蛋白基因诱变包含多个步骤(概括如下) 图1)。这些步骤包括:(1)用目标组蛋白基因的替换 URA3 基因,(2)利用带有目标突变的引物扩增并纯化对应于目标组蛋白基因两个部分重叠片段的PCR产物,(3)通过融合PCR将两个部分重叠的片段连接,获得用于整合的全长PCR产物,(4)将全长PCR产物与骨架质粒共转化,并基于质粒上的标记进行筛选,(5)筛选对5-FOA具有抗性的转化子,(6)纯化5-FOA抗性菌落并确认骨架质粒的丢失,(7)分子分析以检测突变等位基因的正确整合。

图1:靶向策略概述 原位 酿酒酵母组蛋白基因的诱变 在此示例中,靶基因为 HHT2,但也可使用此策略对任何其他核心组蛋白基因进行诱变。A单倍体酵母细胞含有两个编码组蛋白H3的基因(HHT1 和 HHT2)以及两个编码组蛋白H4的基因 (HHF1 和 HHF2)排列方式如图所示( HHT1 和 HHF1 基因位于II号染色体上,且 HHT2 和 HHF2 基因位于第 XIV 号染色体上——在每种情况下,箭头均指向转录方向。在该实验步骤的第一步中,目标基因的开放阅读框(ORF) HHT2 基因被替换为 URA3 基因,产生一个 hht2Δ::URA3 菌株。 (B在第1部分中,一个野生型拷贝的 HHT2 从基因组DNA样本中提取的基因作为模板,用于两次PCR反应,以扩增出该基因的两个部分重叠的片段。第一次反应的反向引物包含一个或多个错配的核苷酸(以红色圆圈表示),对应于拟引入基因组中的目标突变;第二次反应的正向引物则在反向互补位置含有相应的错配序列(同样以红色圆圈表示)。在第一部分中产生的两个PCR产物(产物) a 和 b) 随后作为融合 PCR 的模板,使用两种与产物退火的引物进行扩增 a 和 b 如第2部分所示的方式进行。这将产生全长的PCR产物(产物 c 在第3部分)含有目标突变(s)。C)该 hht2Δ::URA3 菌株随后与全长PCR产物和一个骨架质粒共转化(一个 HIS3-标记质粒(本示例中为含组氨酸合成基因的质粒),并通过在缺乏组氨酸的培养基上培养来筛选含有该质粒的细胞。随后对转化子进行5-FOA抗性筛选——具有5-FOA抗性的细胞可能是发生了同源重组事件,导致PCR产物整合并切除了质粒上的标记基因 URA3 基因,如图所示。随后通过有丝分裂丢失骨架质粒,从而获得最终所需组蛋白突变菌株。我们发现,与直接在5-FOA平板上进行筛选相比,先对骨架质粒进行筛选,再筛选5-FOA抗性,能够显著提高正确整合事件的检出频率,后者主要识别的是自发产生抗性的细胞 URA3 突变。(此图已根据参考文献修改)14). 请点击此处以查看此图的放大版本。
1. 用 URA3 基因替换目标组蛋白基因
2. 利用含有目标突变的引物扩增并纯化对应于目标组蛋白基因两个部分重叠片段的PCR产物
3. 通过融合 PCR 连接两个部分重叠的片段以获得用于整合的完整大小 PCR 产物
4. 全长PCR产物与骨架质粒的共转化及质粒标记基因的筛选
5. 筛选5-FOA抗性转化子
6. 5-FOA抗性菌落的纯化及骨架质粒的丢失
7. 检测突变等位基因正确整合的分子分析
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我们以生成表达组蛋白H3突变蛋白的hht2等位基因为例,该突变蛋白在第53位氨基酸上发生由精氨酸到谷氨酸的置换(H3-R53E突变体),以此作为靶向原位诱变策略的代表性示例。
我们构建了一个菌株,其中 HHT2 的整个开放阅读框被 URA3 基因完全取代(见方案步骤1)。该菌株 yAAD156 还携带一个 his3Δ200 等位基因,导致细胞对组氨酸营养缺陷。根据方案中步骤2所述的操作流程,我们随后扩增出两个部分重叠的 HHT2 片段。用于第一片段的引物如下:正向引物(OAD20):5' GCGTTCATTATCGCCCAATGTG 3',反向引物(R53Erev):5' GTTCAGTAGATTTTTGGAATtcTCTAATTTCTCTCAAG 3'。用于第二片段的引物如下:正向引物(R53Efor):5' CTTGAGAGAAATTAGAg...
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在单倍体 S. cerevisiae 细胞中,编码四种核心组蛋白蛋白的两个非等位基因之间存在高度的序列同源性,这对希望特异性靶向其中一个基因进行诱变的研究人员构成了挑战。以往报道的酵母诱变方法,包括 Delitto Perfetto、位点特异性基因组(SSG)诱变以及无需克隆的基于PCR的等位基因替换方法5,6,7,以及较新的基于CRISPR的酵母技术15,通常至少部分依赖靶基因ORF内的序列,以将重组或修复机制招募至目标基因组位点,最终产生突变等位基因。相比之下,本文所提出的方法利用靶向ORF两侧的DNA序列来驱动同源重组事件,从而实现突变的整合;因此,即使两个基因的ORF高度同源,该方法仍可实现对其中一个基因的更特异性靶向。这一特点使本策略特别适用于组蛋白的诱变研究。然而,该策略也可适用于酵母基因组中其他基因的诱变。
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作者声明不存在任何竞争性经济利益。
我们感谢 Reine Protacio 在准备本手稿期间提出的宝贵意见。我们感谢美国国家科学基金会(资助编号:1243680 和 1613754)以及亨德里克斯学院 Odyssey 项目提供的经费支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1 kb DNA Ladder(DNA标准品) | New England BioLabs | N3232L | |
| Agarose | Sigma | A5093-100G | |
| 硼酸 | Sigma | B0394-500G | |
| dNTP混合物(每种10 mM) | ThermoFisher Scientific | R0192 | |
| EDTA溶液(0.5 M,pH 8.0) | AmericanBio | AB00502-01000 | |
| 乙醇(200 Proof) | Fisher Scientific | 16-100-824 | |
| 乙二胺四乙酸二钠盐二水合物(EDTA) | Sigma | E4884-500G | |
| 乙酸锂二水合物 | Sigma | L6883-250G | |
| MyCycler Thermal Cycler | BioRad | 170-9703 | |
| 聚乙二醇(PEG) | Sigma | P3640-1KG | |
| PrimeSTAR HS DNA Polymerase(高保真DNA聚合酶) 及5x缓冲液 | Fisher Scientific | 50-443-960 | |
| 鲑鱼精DNA溶液 | ThermoFisher Scientific | 15632-011 | |
| Sigma 7-9(Tris碱,粉末状) | Sigma | T1378-1KG | |
| 三水合乙酸钠 | Sigma | 236500-500G | |
| Supra Sieve GPG Agarose(低熔点琼脂糖) | AmericanBio | AB00985-00100 | |
| Taq聚合酶及10x缓冲液 | New England BioLabs | M0273X | |
| 牙签 | Fisher Scientific | S67859 | |
| Tris-HCl(1 M,pH 8.0) | AmericanBio | AB14043-01000 | |
| a-D(+)-葡萄糖 | Fisher Scientific | AC170080025 | 用于酵母培养基 |
| 琼脂 | Fisher Scientific | DF0140-01-0 | 用于酵母培养基 |
| 蛋白胨 | Fisher Scientific | DF0118-07-2 | 用于YPD培养基 |
| 酵母提取物 | Fisher Scientific | DF0127-17-9 | 用于YPD培养基 |
| 4-氨基苯甲酸 | Sigma | A9878-100G | 用于完全最小缺陷培养基 |
| 腺嘌呤 | Sigma | A8626-100G | 用于完全最小缺陷培养基 |
| 甘氨酸盐酸盐 | Sigma | G2879-100G | 用于完全最小缺陷培养基 |
| L-丙氨酸 | Sigma | A7627-100G | 用于完全最小缺陷培养基 |
| L-精氨酸单盐酸盐 | Sigma | A5131-100G | 用于完全最小缺陷培养基 |
| L-天冬酰胺一水合物 | Sigma | A8381-100G | 用于完全最小缺陷培养基 |
| L-天冬氨酸钠盐一水合物 | Sigma | A6683-100G | 用于完全最小缺陷培养基 |
| L-半胱氨酸盐酸盐一水合物 | Sigma | C7880-100G | 用于完全最小缺陷培养基 |
| L-谷氨酸盐酸盐 | Sigma | G2128-100G | 用于完全最小缺陷培养基 |
| L-谷氨酰胺 | Sigma | G3126-100G | 用于完全最小缺陷培养基 |
| L-组氨酸单盐酸盐一水合物 | Sigma | H8125-100G | 用于完全最小缺陷培养基 |
| L-异亮氨酸 | Sigma | I2752-100G | 用于完全最小缺陷培养基 |
| L-亮氨酸 | Sigma | L8000-100G | 用于完全最小缺陷培养基 |
| L-赖氨酸单盐酸盐 | Sigma | L5626-100G | 用于完全最小缺陷培养基 |
| L-甲硫氨酸 | Sigma | M9625-100G | 用于完全最小缺陷培养基 |
| L-苯丙氨酸 | Sigma | P2126-100G | 用于完全最小缺陷培养基 |
| L-脯氨酸 | Sigma | P0380-100G | 用于完全最小缺陷培养基 |
| L-丝氨酸 | Sigma | S4500-100G | 用于完全最小缺陷培养基 |
| L-苏氨酸 | Sigma | T8625-100G | 用于完全最小缺陷培养基 |
| L-色氨酸 | Sigma | T0254-100G | 用于完全最小缺陷培养基 |
| L-酪氨酸 | Sigma | T3754-100G | 用于完全最小缺陷培养基 |
| L-缬氨酸 | Sigma | V0500-100G | 用于完全最小缺陷培养基 |
| 肌醇(myo-Inositol) | Sigma | I5125-100G | 用于完全最小缺陷培养基 |
| 尿嘧啶 | Sigma | U0750-100G | 用于完全最小缺陷培养基 |
| 硫酸铵 | Fisher Scientific | A702-500 | 用于完全最小缺陷培养基 |
| 酵母氮源基础 | Fisher Scientific | DF0919-07-3 | 用于完全最小缺陷培养基 |
| 5-氟乳清酸(5-FOA) | AmericanBio | AB04067-00005 | 用于 5-FOA培养基 |
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