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Le reti di interazioni genetiche forniscono informazioni funzionali sui geni e delineano percorsi e processi biologici in cui questi geni possono essere coinvolti in vivo. Inoltre, possono anche fornire informazioni su come diversi geni interagiscono tra loro, risultando in uno specifico fenotipo 1,2,3. Nel corso degli anni, una varietà di schermi genetici sono stati progettati dai ricercatori per rispondere a domande biologiche fondamentali e studiare le malattie umane. Gli screening per l'identificazione delle interazioni genetiche possono essere eseguiti in diversi modi. Le interazioni genetiche identificate in diversi schermi genetici possono rappresentare relazioni meccanicistiche distinte tra geni. Inoltre, gli studi hanno rivelato che un insieme comune di interazioni genetiche sono condivise da geni che codificano proteine appartenenti allo stesso percorso o complesso 4,5. Pertanto, le reti di interazione genetica possono essere utilizzate per stabilire l'organizzazione funzionale in una cellula, in cui i geni che condividono i profili più simili appartengono allo stesso complesso o percorso, quei geni che condividono profili un po 'meno simili appartengono allo stesso processo biologico e quei geni che mostrano profili sovrapposti ma più diversi riflettono membri appartenenti allo stesso compartimento cellulare6.
Gli schermi di interazione genetica basati sulla soppressione del dosaggio ("soppressione ad alta copia o multicopia") sono uno degli approcci comunemente usati. Questi screening possono essere eseguiti trasformando un ceppo mutante interrogativo con una libreria genomica o di cDNA ad alto numero di copie, seguita da adeguate tecniche di analisi/selezione per identificare la soppressione o il miglioramento delle interazioni genetiche 7,8,9. Per garantire una copertura completa dell'intero genoma, questi screening sono stati effettuati anche sovraesprimendo un gene specifico di interesse in una raccolta di mutanti con perdita di funzione a livello di genoma o sovraesprimendo una libreria genomica o cDNA codificata da plasmidi ad alto numero di copie in una query con perdita di funzione mutante 9,10,11,12,13,14,15 . La strategia multicopia potrebbe anche funzionare utilizzando un approccio dominante/sovraespressione utilizzando un promotore regolabile.
I principali vantaggi dell'utilizzo di screening basati su soppressori sono che la soppressione di un fenotipo preesistente in un ceppo mutante da parte di un altro gene stabilisce una relazione genetica tra questi due prodotti genici che potrebbe non essere stata dimostrata utilizzando altri approcci. In secondo luogo, è stato osservato che la presenza di una mutazione preesistente sensibilizza una particolare via, consentendo di identificare ulteriori componenti di quella via mediante l'isolamento di soppressori, che potrebbero non essere stati identificati da selezioni genetiche più dirette. Inoltre, questa schermata può essere utilizzata per identificare i soppressori che hanno diversi meccanismi di soppressione16. Le interazioni soppressori di solito si verificano tra geni che sono funzionalmente correlati e possono essere utilizzati per chiarire le gerarchie nei percorsi. L'esatto meccanismo sottostante alla soppressione può differire in base a diversi fattori, tra cui il tipo di query mutante utilizzato nello schermo, le condizioni sperimentali e il livello di espressione genica. Uno dei comuni meccanismi di soppressione del dosaggio coinvolge geni che codificano prodotti che funzionano insieme nello stesso complesso o in parallelo nello stesso processo cellulare / biologico. I risultati di tali screening in organismi modello più semplici come il lievito possono essere estesi agli organismi eucarioti superiori poiché la maggior parte dei percorsi e dei processi biologici fondamentali sono conservati attraverso l'evoluzione.
Questi schermi genetici possono anche essere modificati in diversi modi per rispondere a diverse domande biologiche. Ad esempio, è possibile identificare geni ortologhi di diversi organismi che possono sopprimere il fenotipo del ceppo mutante di query. È stato anche usato per delineare potenziali meccanismi di resistenza e determinare bersagli proteici di nuovi composti antibatterici17,18, antifungini19,20, antiparassitari 21 e antitumorali 22. Questo schermo è stato sfruttato anche per identificare i soppressori dell'attività dei farmaci il cui meccanismo d'azione non è noto. Pertanto, in linea di principio, questi schermi soppressori multicopia possono essere ottimizzati e utilizzati in una varietà di applicazioni in diversi organismi. Sebbene la maggior parte degli screening genetici impiegati dai ricercatori sul lievito siano stati inizialmente sviluppati in S. cerevisiae, S. pombe è emerso come un sistema modello complementare per l'esecuzione di vari screening genetici e saggi23. Inoltre, l'organizzazione genomica e i processi biologici in S. pombe, come la presenza di introni in più geni, la complessità delle origini della replicazione del DNA, la struttura del centromero, l'organizzazione del ciclo cellulare e la presenza del macchinario RNAi, mostrano una maggiore somiglianza tra S. pombe e gli eucarioti superiori23,24, sottolineando l'importanza di progettare e utilizzare strumenti genetici in S. pombe.
Questo articolo descrive un protocollo per identificare gli interattori genetici basati sulla "soppressione del dosaggio" di un fenotipo mutante con perdita di funzione in S. pombe. La base di questo protocollo è che si tratta di un metodo rapido ed efficiente per lo screening di una libreria di cDNA che sovraesprime geni wild-type su un plasmide multicopia e/o da un forte promotore. Questo protocollo ha quattro fasi principali: trasformazione della libreria in un ceppo mutante di query, selezione di cloni plasmidi che sopprimono il fenotipo desiderato del ceppo mutante di query, recupero del plasmide da questi cloni soppressori e identificazione del gene responsabile della soppressione del fenotipo. Come è vero per qualsiasi metodo basato sulla selezione e l'identificazione di cDNA da una libreria, il successo dello schermo dipende dall'utilizzo di una libreria di alta qualità e alta complessità in quanto lo schermo può recuperare solo quei cloni di cDNA presenti nella libreria.
Utilizzando questo protocollo, abbiamo identificato con successo due nuovi soppressori del fenotipo genotossico sensibile allo stress del mutante nullo S. pombe ell1. La famiglia ELL (Eleven Nineteen Lysine Rich Leukemia) di fattori di allungamento della trascrizione sopprime la pausa transitoria della RNA polimerasi II su modelli di DNA in saggi biochimici in vitro e sono conservati in vari organismi, dal lievito di fissione all'uomo25. Lavori precedenti hanno fornito prove che un mutante nullo di S. pombe ell1 mostra sensibilità genotossica allo stress in presenza di 4-nitrochinolina 1-ossido (4-NQO) e metil metansolfonato (MMS)26. Pertanto, abbiamo trasformato una libreria di cDNA multicopia codificata da plasmide S. pombe nella query S. pombe ell1 null mutant e identificato due cloni putativi che mostravano la capacità di sopprimere la sensibilità genotossica allo stress del mutante nullo S. pombe ell1 in presenza di 4-NQO, un composto che induce lesioni del DNA. Il successivo sequenziamento dell'inserto presente nei cloni plasmidi ha identificato che i geni che codificano rax2+ e osh6+ erano responsabili della soppressione della sensibilità genotossica allo stress del mutante nullo ell1 quando sovraespresso nel mutante nullo ell1.