本文描述了一套转基因拟南芥(Arabidopsis thaliana)品系的构建与应用,该品系可在三种主要分生组织——茎尖分生组织、根尖分生组织和形成层中实现可诱导的、组织特异性的基因表达。
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本文描述了一套转基因拟南芥(Arabidopsis thaliana)品系的构建与应用,该品系可在三种主要分生组织——茎尖分生组织、根尖分生组织和形成层中实现可诱导的、组织特异性的基因表达。
可诱导的、组织特异性表达是研究基因扰动时空动态的重要且强大的工具。通过将灵活高效的GreenGate克隆系统与已验证且作为基准的LhGR系统(本文称为GR-LhG4)相结合,用于实现可诱导表达,我们构建了一组转基因拟南芥品系,可在三种主要植物分生组织的多种特定细胞类型中驱动效应元件表达。为此,我们选用了先前开发的基于嵌合转录因子及其对应顺式作用元件的GR-LhG4系统 pOp型 启动子,可在广泛的表达水平上实现严密调控。此外,为了可视化合成转录因子活性的表达区域,使用由该启动子控制的、定位于内质网的mTurquoise2荧光报告基因 pOp4 或 pOp6 启动子编码在驱动系中。本文描述了构建驱动系或效应系所需的步骤,并展示了如何在茎尖分生组织、根尖分生组织以及维管形成层中诱导并追踪细胞类型特异性表达 拟南芥通过使用一种或多种驱动品系,可在特定背景下研究在人工调控下表达一个或多个因子(效应分子)的作用效果 pOp 启动子可以快速评估,例如在一种效应子与多个驱动系杂交所得的F1代植株中。该策略的一个实例是VND7的异位表达,VND7是一种NAC转录因子,能够以细胞自主的方式诱导异位的次生细胞壁沉积。
在后基因组时代,生物学研究的一个主要局限在于解析特定环境下某一因子或遗传扰动的具体作用。组成型遗传扰动方法(如功能缺失和功能获得策略)通常仅能对终生适应过程进行终点分析,从而模糊了初级效应与次级效应之间的区别。此外,特定环境下的功能可能被远端组织的大范围效应或发育其他阶段的影响所掩盖或稀释。更极端情况下,致死性会阻碍任何机制性研究的开展。理想情况下,为克服上述问题,可在特定细胞类型等具体环境中,以时间分辨的方式分析急性遗传扰动所产生的效应。为此,需要具备可诱导、细胞类型特异性表达功能的遗传工具。1为了提供一种快速评估特定效应物反应时空动态的资源,我们结合了GreenGate系统在克隆操作上的简便性2 GR-LhG4 系统已证实的有效性3,4,5,6我们构建了一系列表达嵌合型转录因子LhG4与大鼠皮质类固醇受体(GR)配体结合域融合蛋白的品系7 在特征明确的细胞类型特异性启动子的调控下8在静息状态下,转录因子位于细胞核外,因为糖皮质激素受体(GR)结构域与胞质中的HSP90结合。加入合成配体地塞米松(Dex)后,可诱导其向细胞核内转位,LhG4将介导由相应合成启动子控制的表达盒的转录 pOp型 启动子,例如驱动品系中包含的 mTurquoise2 报告基因,用于在诱导后可视化表达区域。 因此,驱动品系在技术上也包含一个效应子表达盒。将一组驱动品系与携带效应子表达游戏副本的品系进行杂交,该表达盒中例如包含受同一调控元件控制的目标基因 pOp型 因此,该启动子能够快速评估效应分子在多种细胞类型中表达后的急性或长期效应。
本文提供了一种实验方案,描述了构建驱动系和效应系所需的步骤,并展示了如何在拟南芥(Arabidopsis)的茎顶端分生组织、根顶端分生组织以及形成层中诱导并追踪特定细胞类型的表达。为展示该方法的强大功能与特异性,我们采用了已知的转录因子VND7,该因子能够异位诱导木质部样次生细胞壁加厚9。将pSCR10,11驱动系与pOp6:VND7效应系杂交所得的F1代植株进行处理,可在拟南芥茎的淀粉鞘细胞中诱导产生异位的木质部样细胞。
为了促进构建驱动元件和效应元件表达质粒所需的大型DNA组装,我们采用了快速高效的GreenGate克隆方法2。GreenGate克隆基于II型S限制性内切酶,例如Eco31I或其同裂酶BsaI2。这些酶在其不对称识别位点的下游切割,产生具有不同碱基组成的黏性末端。通过在寡核苷酸中引入Eco31I/BsaI限制性酶切位点,并为DNA元件分配特定的黏性末端序列,实现模块化克隆,从而促进大型DNA组装的构建。在GreenGate体系中,DNA模块根据其黏性末端序列分为A-F类,作为适配器按此顺序进行组装。因此,设计用于扩增目标产物的引物应与所选模块相匹配2(图1A)。如果目标序列内部存在Eco31I/BsaI位点,且该序列与GreenGate入门载体和目的载体模块不兼容,可不进行突变直接进行实验,但效率较低。或者,可通过定点突变去除Eco31I/BsaI限制性酶切位点,同时注意避免改变基因产物中的氨基酸序列。
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载体和模块可从非营利性资源库 Addgene(https://www.addgene.org)获取。
1. 使用 GreenGate 进行克隆
2. 拟南芥转基因植株的制备
3. 反式激活的诱导 拟南芥 驱动品系
4. 报告基因表达的成像 拟南芥 驱动细胞系
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通过 GreenGate 克隆技术构建驱动和效应子品系
GreenGate 克隆系统基于 GoldenGate 克隆技术,使用 I 型切口限制性内切酶 BsaI 或其同裂酶 Eco31I。由于该酶在其不对称识别位点之外产生黏性末端,因此黏性末端的碱基组成可自由选择,这构成了该系统模块化设计的基础。每一个通过 PCR 生成的元件(例如启动子序列、CDS 或终止子)首先被插入到具有匹配黏性末端的特定入门载体中,这些黏性末端由限制性酶切产生,从而形成一个模块。在完成亚克隆后,通常将六个匹配的模块用于 GreenGate 连接反应,最终在植物双元载体中组装成完整的构建体。
对于驱动载体,将包含组织特异性启动子(pTS)的DNA序列、GR-LHG4转录因子、pOp6启动子以及与N端信号肽和C端内质网滞留信号融合的mTurquoise2报告基因的模块,连同终止子、多种适配器模块以及用于转基因筛选的模块进行连接,具体构建方法如前所述
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本文描述了构建和应用一种多功能且全面的诱导型、细胞类型特异性trans-激活工具包所需的关键步骤。将携带由pOp启动子调控的效应元件表达盒的品系与驱动品系杂交,可在F1代中研究基因异位表达的效应,从而快速评估多种细胞类型中遗传扰动的结果。此外,也可将效应元件构建体转化至驱动品系中;或者通过调整克隆策略,将驱动元件和效应元件构建体共同构建于同一T-DNA上。该系统应用广泛,包括时空可控的基因异位表达研究、结构域特异性基因敲低或基因编辑,以及细胞类型特异性的功能互补实验。
本文所述的所有实验步骤对于具备常规分子生物学技术条件的实验室而言均不应构成困难。LhG4表达系统经过充分验证,可确保无泄漏且可调节的表达,并能够实现高水平的表达8,但我们提醒,诱导剂浓度的动态范围应针对每种驱动系与效应系组合通过实验确定。将这一经过验证的系统与模块化的GreenGate克隆技术相结合,为在任何具有特异性启动子的细胞类型中实现可诱导表达提供了一种快速而简便的方法。我们注意到,在含有pOp-type启动子...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本实验室的工作得到了德国研究基金会(DFG)基金项目WO 1660/6-1(资助S.W.)、GR 2104/4-1(资助T.G.)以及SFB1101(资助T.G.和J.U.L)的支持,同时也获得了欧洲研究委员会整合基金(PLANTSTEMS 647148)对T.G.的资助。 S.W. 还获得了DFG颁发的埃米·诺特奖学金(项目编号WO 1660/2)的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 氨苄青霉素 | Carl Roth GmbH + Co. KG | K029.1 | |
| 三磷酸腺苷(ATP) | Sigma-Aldrich | A9187 | |
| 氯霉素 | Sigma-Aldrich | C1919 | |
| 柱层析纯化 | Qiagen | QIAquick PCR 纯化试剂盒 (250) | |
| 成像用培养室 | Sarstedt AG & Co. KG | 1 孔组织培养室,置于盖玻片 II 上 | |
| 地塞米松 | Sigma-Aldrich | D4903 | |
| 二甲基亚砜(DMSO) | Fisher Scientific, UK | D139-1 | |
| Eco31I | Thermo Fisher Scientific | FD0294 | |
| 注射套管(0.30 × 12 mm,30 G × 1/2) | Sterican, Braun | ||
| 卡那霉素 | Carl Roth GmbH + Co. KG | T832.2 | |
| Leica TCS SP5 共聚焦激光扫描显微镜,HCX PL APO lambda blue 63× 水浸物镜 | Leica, Wetzlar, Germany | ||
| MS 培养基 | Duchefa, Haarlem, Netherlands | M0221.0050 | |
| Nikon A1 共聚焦激光扫描显微镜,Apo LWD 25× 1.1 NA 水浸物镜 | Nikon, Minato, Tokyo, Japan | ||
| 培养皿 35/10 mm | Greiner Bio-One GmbH, Germany | 627102 | |
| 培养皿 60/150 mm | Greiner Bio-One GmbH, Germany | 628102 | |
| 培养皿 120/120/17 | Greiner Bio-One GmbH, Germany | 688102 | |
| 植物琼脂 | Duchefa, Haarlem, Netherlands | P1001 | |
| 质粒提取 | Qiagen | QIAprep Spin Miniprep 试剂盒 | |
| 碘化丙啶(PI) | Sigma-Aldrich | P4170 | |
| 剃刀刀片 | Classic, Wilkinson Sword GmbH | 7005115E | |
| 反应管 | Sarstedt AG & Co. KG | 72.690.001 | |
| Silwet L-77 | Kurt Obermeier GmbH & Co. KG, Bad Berleburg, Germany | ||
| 壮观霉素 | AppliChem GmbH | 3834.001 | |
| 分光光度计 | Thermo Fisher Scientific | NanoDrop 2000c | |
| 蔗糖 | Carl Roth GmbH + Co. KG | 4621.1 | |
| 磺胺嘧啶 | Sigma-Aldrich | S6387 | |
| 四环素 | AppliChem GmbH | 2228.0025 | |
| T4 连接酶 5 U/µl | Thermo Fisher Scientific | EL0011 | |
| T4 连接酶 30 U/µl | Thermo Fisher Scientific | EL0013 |
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