该协议详细介绍了酵母细胞周期停滞和可选释放的两种方法,并详细阐述了使用荧光显微镜来研究 酿酒酵母细胞周期依赖性过程。
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该协议详细介绍了酵母细胞周期停滞和可选释放的两种方法,并详细阐述了使用荧光显微镜来研究 酿酒酵母细胞周期依赖性过程。
真核细胞遵循保守的细胞周期,调节多种过程,包括 DNA 维持和细胞器稳态。通常需要以细胞周期依赖性的方式研究细胞过程,以正确解释实验结果。有化学和遗传方法可用于在包括脊椎动物模型在内的广泛生物体的培养细胞中产生细胞周期同步,从而能够研究细胞周期依赖性过程。然而,在模式生物中,出芽酵母由于其特别强大的同步方法、较短的生成时间和遗传易处理性,仍然是细胞周期分析的动力源。酵母与其他真核生物共享核心细胞周期机制,这使得细胞周期调节方面取得了里程碑式的发现。该协议详细介绍了酵母细胞周期分析的方法,重点关注G1停滞释放和有丝分裂停滞释放实验,包括菌株构建,培养制备和显微镜检查。提出了用于生产适合细胞周期停滞的菌株和荧光显微镜的PCR标记方法。使用肽信息素α因子实现 G1 停滞,短暂洗涤导致同步释放和细胞周期进展。在释放到细胞周期后的不同时间点采集样品,并固定用于显微镜检查。第二种方法通过耗尽细胞周期调节剂 Cdc20 来阻止酵母细胞的有丝分裂,以实现中期停滞的群体,以及可选的释放到后期。样品被固定并准备用于释放前和释放后成像,并进行成像和分析。图像分析侧重于对细胞周期中蛋白质的动态定位和群体丰度变化进行编目。这些同步方法适用于各种细胞周期作,虽然这里重点介绍了它们在固定细胞成像中的应用,但它们可以适用于许多其他分析,包括活细胞成像以及生化和分子测定。
真核细胞分裂通过称为细胞周期的程序受到高度调节。细胞周期中发生的高度保守和动态过程使研究本身变得有趣,但也具有广泛的影响,为其他细胞生物学过程的研究提供信息——例如,许多细胞器在细胞分裂过程中经历了戏剧性的重塑,并且许多蛋白质的丰度和定位在整个过程中受到高度调节1,2,3.尽管与酵母相比,后生动物系统中存在一些额外的复杂性,包括更多种类的调节激酶和蛋白质,以及后生动物中来自外部信号传导的额外输入,但细胞分裂在所有真核生物中总体上都是非常高度保守的4,5。在酵母中完成了许多基础工作,建立了对细胞周期进程和关键调节步骤的关键见解,并且由于多种原因,它仍然是一种极具吸引力的生物体,用于研究细胞周期相关问题6,7。其中最主要的是可用于纵细胞周期的多种方法,允许在各个阶段停滞并同步细胞。其他优点包括酵母的短细胞周期(~90-150 分钟,取决于温度和培养基条件)、易于遗传作以及广泛的条件等位基因,可以在其他野生型环境中进行研究。
细胞周期不同阶段的进展是由几种关键激酶的活性驱动的,包括普遍存在的细胞周期蛋白依赖性激酶 (Cdk)、Polo 样激酶和极光激酶。细胞周期检查点调节整个细胞周期的进展,确保除非满足特定条件,否则细胞不会进入下一阶段的分裂 8,9。研究人员可以劫持这些检查点及其调节的过渡,以实现长期停滞,或瞬时停滞和释放以同步细胞群(图1)。例如,细胞周期承诺检查点(限制点或酵母中的开始)确保细胞在开始 DNA 复制10 之前有足够的营养物质来承诺分裂。该检查点可以在单倍体酵母中进行纵,以利用与细胞周期相互作用的酵母交配程序来实现 G1 停滞。在面包酵母(酿酒酵母)中,单倍体细胞具有两种交配类型之一,即 MATa 或 MATα,这是由交配类型基因座遗传决定的。一种交配类型的酵母对另一种交配类型的交配信息素敏感,并通过激活 MAP 激酶信号级联反应,最终磷酸化并稳定 Cdk 抑制剂 Far1,从而通过与 Cln1/2-Cdk 复合物结合并阻断其活性来阻止细胞周期进入 11,12,13。对交配信息素做出反应的细胞可以通过交配投射或shmoo的存在来直观地确定(图1)。因此,化学合成的α因子可以添加到MATa细胞的培养物中以实现G1停滞。研究人员可以针对酵母细胞同步的另一个细胞周期转变是中期到后期的转变。在有丝分裂过程中,纺锤体组装检查点 (SAC) 监测着丝粒与微管的附着情况,并在检测到未连接的着丝粒时通过螯合其激活剂 Cdc20 来抑制后期促进复合物/环粒 (APC/C)。APC/C 是一种 E3 连接酶复合物,对于进入后期至关重要。当 SAC 得到满足时,Cdc20 结合 APC/C,APC/C 泛素化几种蛋白质,主要是 securin 和细胞周期蛋白 B,靶向它们进行降解,并促进染色体分离和有丝分裂退出14,15。虽然Cdc20本身不是SAC的组成部分,但其抑制作用是SAC激活的靶标;因此,可以利用Cdc20的诱导性耗竭来阻止中期的酵母培养物(图1)16。
该协议包含两种酵母细胞周期作方法,以及每种方法的示例应用。在第一个中,α因子用于阻滞 G1 中的细胞,然后是洗涤步骤以将细胞从停滞中释放出来,从而导致同步细胞周期重新进入。同步细胞将持续贯穿整个细胞周期,使研究人员能够跟踪和研究每个细胞周期阶段的细胞。在这种方法中,始终监测感兴趣的GFP标记蛋白Stu2的动态定位,并跟踪其与有丝分裂纺锤体的关联。该方法还利用了标记的纺锤体极体(SPB)组件Spc110-mCherry,它能够测量有丝分裂纺锤体长度,并且是细胞周期进程的极好代表17。该方法展示了细胞周期停滞和释放如何实现细胞群的同步,从而促进整个细胞周期中蛋白质或其他感兴趣成分的研究。
在第二种方法中,通过使用生长素诱导的去体(AID)系统18通过耗尽Cdc20来实现有丝分裂停滞。在表达 TIR1(一种植物来源的 F-box 蛋白)的细胞中,任何带有 AID 标签的蛋白质都会在添加生长素后泛素化和降解。在这里,我们使用带有 AID 标记的 Cdc20 来实现 Cdc20 的诱导降解,从而导致中期停滞。然后使用标记的着丝粒蛋白 Mtw1-mCherry 作为基准标记,监测该细胞群以招募标记的 SAC 成分 Bub1-GFP 到着丝粒。尽管Bub1在着丝粒中起SAC非依赖性作用,并在早期有丝分裂中定位于着丝粒,但其在停滞细胞中的持续着丝粒定位表明着丝粒-微管附着不当19。我们通过用微管毒物诺考达唑处理细胞来证明这一点,诺考达唑会破坏着丝粒-微管附着。该实验强调了如何使用高度可调的停滞方法研究特定于不同细胞周期阶段的过程。我们进一步证明生长素可以从 cdc20-AID 培养物中洗掉,从而允许释放到后期并进入新的细胞周期,尽管根据我们的经验,这些培养物不会像α因素停滞释放那样同步释放。这两种停滞释放方法既有效又易于实施,但酵母研究人员可以使用许多其他方法来阻止不同细胞周期阶段的细胞 20,21,22,23。这些方法的更多详细信息可以在讨论中找到。
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1. 构建用于细胞周期分析和成像的菌株
2. 酵母培养和细胞周期同步:α因素停滞释放
3. 酵母培养与细胞周期同步:Cdc20耗竭停滞释放
4.酵母固定
5. 准备用于成像的载玻片
6. 成像
7. 图像分析
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使用我们在这里描述的方法可以轻松完成通过荧光显微镜分析细胞周期依赖性蛋白质定位的变化。我们小组长期以来一直对有丝分裂纺锤体的动态调节和功能感兴趣。在酵母中,纺锤体极体(由成分 Spc110 标记)充当微管组织中心,微管丝从中发出以形成有丝分裂纺锤体30 的结构。微管结合蛋白 Stu2 通过聚合微管31 在纺锤体形成中发挥作用。Stu2 还在许多细胞位置发挥不同的作用,包括着丝粒、纺锤体极体和微管加端,整个细胞周期定位的变化促进了这些功能 32,33,34,35。带有标记的 Spc110 和 Stu2 的荧光显微镜可用于了解它们在细胞周期中的定位和功能。
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利用出芽酵母中的细胞周期同步可以研究各种细胞过程的重要机制。将 G1 停滞释放与α因子处理一起使用允许细胞群在细胞周期的各个阶段同步进展,并且正如我们所展示的,可以揭示细胞调节因子(如 Stu236)的动态定位模式。细胞周期停滞也可以使用遗传手段通过耗尽细胞周期调节因子(如 Cdc20) 来 实现,Cdc20 用于阻止中期细胞。这允许评估有丝分裂特异性过程,例如在没有纺锤体张力的情况下 Bub1 募集到着丝粒37。
还有许多其他遗传手段可以在出芽酵母中产生细胞周期停滞。cdc34(泛素连接酶 SCF 复合物的一种成分)的温度敏感突变体通过阻断蛋白体介导的 G1/S 转变所需的细胞周期调节剂的蛋白水解,在 G1 晚期产生停滞40。在非允许温度下,cdc34-ts 细胞在复制其纺锤体极体后但在开始 DNA 复制之前停滞
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提交人声明没有竞争的经济利益。
我们感谢犹他大学细胞成像核心维护 Delta Vision 显微镜设施。这项工作部分得到了 NIH 拨款 F31CA2717405(给 M.G.S.)和 T32GM141848(给 M.G.S. 和 T.C.S.)、5 For the Fight(给 M.P.M.)、皮尤生物医学学者(给 M.P.M.)和 NIH 拨款 R35GM142749(给 M.P.M.)。
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| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| ?-因素 | 犹他大学核心合成设施 | 序列:WHWLQLKPGQPMY | |
| 1.5毫升埃彭多夫管 | 阿克西根 | MCT-175-C | |
| 10mM dNTP 混合 | 热力科学 | R0193 | |
| 50毫升锥形管 | 格赖纳生物一号 | 227 261 | |
| 5个Phusion HF反应缓冲液 | 新英格兰生物实验室 | B0518S | |
| 醋酸,冰川 | 费舍尔化学 | BP2401C-212 | |
| 腺嘌呤半硫酸盐 | 西格玛-奥尔德里奇 | A9126-100G | |
| 琼脂,颗粒状 | Apex化学品与试剂 | 20-275 | |
| 琼脂 糖 | Apex生物研究产品 | 20-102GP | |
| 高压灭菌器 Amsco 世纪蒸汽灭菌器 | 斯特里斯 | SV-1262 | |
| 高压消毒DI水 | |||
| 生长素 | 西格玛-奥尔德里奇 | 猫#I3750-5G-A;CAS:87-51-4 | |
| 嘉吉激光液 | 嘉吉实验室 | 20130 | |
| D-山梨醇 | 西格玛-奥尔德里奇 | S1876-500G | |
| DAPI(40,6-二酰胺-2-苯哚,二盐酸盐) | 分子探针 | 编号#D1306 | |
| 来自鲑鱼睾丸的脱氧核糖核酸钠盐 | 西格玛-奥尔德里奇 | D1626 | |
| 右旋糖 | 费舍尔化学 | D16-10 | |
| 二钠乙二胺四乙酸酯 | 费舍尔化学 | S811-10 | |
| DMSO | 热力科学 | 20688 | |
| FIJI/ImageJ2 与 2.14.0/1.54f 比较 | 图片J2 | https://imagej.net/software/fiji/ | |
| 定速涡旋混合器 | VWR | https://dabos.com/product/vortex-mixers-vwr-fixed-speed-vortex-mixer-00001-24763?srsltid=AfmBOoo5TH0aoExvrrrphDaFt8XAsDqLvkjxtEUj1QWlFbWh7_gwzMObLT4&gQT=2 | |
| 荧光显微镜DV Ultra | 徕卡 | https://www.leica-microsystems.com/c/am/lsr-w/fluorescence-microscope-wf/?nlc=20250214-SFDC-022570&utm_source=google&utm_medium=cpc&utm_campaign=25-AM-LSR-L3-LSPO-LSWF-SE-Google-Ads-WF-Thunder-Search&utm_content=text_ad&utm_term=fluorescence%20microscopes&gad_source=1&gad_campaignid=170130111&gbraid=0AAAAADrbsAF-dGDbxzgT8m_cvXSlf4BB0&gclid=CjwKCAjwmenCBhA4EiwAtVjzmkMJUGFksaHezZvlBUlbbS1tR8RqXP24dbSRzcRgTT8RmJy7nyeThBoC3yQQAvD_BwE | 序列号#:NV01063。不再支持 |
| 甲醛 | 费舍尔化学 | 猫#F79-500 | |
| 凝胶装置 | 热力科学 | 猫头鹰易铸B1 | |
| GeneRuler DNA 梯形混合 | 发酵 | SM0333 | |
| 玻璃珠 | 费舍尔科学 | 11312A | |
| 玻璃幻灯片 | VWR | 48300-026 | |
| Innova 2300 平台摇动器 | 新不伦瑞克省 | NB-2300 | |
| 金威兹 | 金科技 | 06-666 | |
| 1.5 mL管用实验室离心机 | 埃彭多夫 | 2525 | |
| 50毫升管的实验室离心机 | 埃彭多夫 | 5804 | |
| 醋酸锂二水合物 | 西格玛-奥尔德里奇 | L4158-250G | |
| Master cycler nexus X2 | 埃彭多夫 | https://www.eppendorf.com/us-en/Products/PCR/Thermocyclers/Mastercycler-nexus-X2-p-PF-82586 | |
| 微量移液器p2、p20、p200和p1000及其对应的尖端 | 雷宁 | L-2XLS+R,L-20XLS-R,L-200XLS-R,L-1000XLS-R | |
| 显微镜盖玻璃 | 费舍尔科学 | 12541014 | |
| 诺可达唑 | 化学 | 猫#487928;CAS:31430-18-9;拍品#B35705 | |
| 橙色G | 西格玛-奥尔德里奇 | O7252 | |
| 楔子 | 汉普顿研究 | HR2-591 | |
| 颗粒化的肽类; | 费舍尔生物试剂 | BP9725-5 | |
| Phusion HF DNA 聚合酶 | 新英格兰生物实验室 | M0530L | |
| 皮佩特-X | 雷宁 | PX-100R | |
| 磷酸钾,二干性 | 热力科学 | 424195000 | |
| 磷酸钾,单碱性 | 热力科学 | 424200025 | |
| 动力来源 | 生物辐射 | 23786 | |
| 开始获取Ultra 1.2.2 | softWoRx Cytiva | 用DV Ultra获得 | |
| 特里斯基地 | 费舍尔生物试剂 | BP152-10 | |
| 特里顿 X-100 | 西格玛-奥尔德里奇 | 9002-93-1 | |
| 管式旋转器 | VWR | 10136-084 | |
| 水浴 | VWR | WBE10A11B | |
| 水,超纯净 | Apex生物研究产品 | 18-194 | |
| 颗粒化酵母提取物 | 费舍尔生物试剂 | BP9727-5 |
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