このプロトコルは、同族のGFPレポーターおよびフローサイトメトリーを経由してGFPの発現を刺激するATFS能力を定量化した人工転写因子(ATFS)を迅速に構築するための実験的な手順を説明します。
方法論記事
* These authors contributed equally
このプロトコルは、同族のGFPレポーターおよびフローサイトメトリーを経由してGFPの発現を刺激するATFS能力を定量化した人工転写因子(ATFS)を迅速に構築するための実験的な手順を説明します。
合成生物学は、合理的に設計し、必要な定量性を有する合成回路を構築するだけでなく、ネイティブな制御回路の構造を問い合わせるためのツールを提供することを目的とする。両方の場合において、迅速かつ調整可能な様式で遺伝子発現をプログラムする能力は、無オフターゲット効果で、有用であり得る。我々は、ヒトエストロゲン受容体およびVP16のリガンド結合ドメインが続くURA3カセットの上流にACT1プロモーターを含む酵母株を構築した。 URA3の存在に対するDNA結合ドメインおよび選択することを含む直鎖状PCR産物でこの株を形質転換することによって、恒常的に発現人工転写因子(ATF)は、相同組換えにより生成することができる。このように設計さATFS、それによって標的外の活性化と一般的に使用されるconditiで見つかった非生理学的な成長条件の両方を排除し、誘導物質の存在下で、独特の標的遺伝子を活性化することができますonal遺伝子発現系。関心対象の天然または人工的な転写因子に特異的に応答するGFPレポータープラスミドを迅速に構築するための簡便な方法も提供される。
酵母における遺伝子スイッチの開発は、学術と産業の両方の研究において非常に興味深いです。理想的なケースでは、遺伝子スイッチは、実験者が所望する場合にのみ、特定の遺伝子(または遺伝子セット)を活性化するために使用することができる。合成プロモーターの下流に配置された遺伝子のコード配列は、誘導分子の非存在下で発現されていません:デューサーを添加すると遺伝子が急速に表現されるべきである。これは、ごく最近、このようなスイッチは、誘導物質の非存在下で、歪みが欠失表現型を示すが、インデューサーの存在下では、発現は全ての細胞において誘導物質のレベルに比例して活性化される酵母で操作することができることが実証されている1,2。歴史的には、酵母中の条件式システムは、MET、PHO、およびGALプロモーター (活動メチオニン、リン酸の細胞外レベルに敏感であり、などの栄養素応答性DNA配列、に大きく依存してきたガラクトース、それぞれ)。条件式を得ることができるが、それは重要な多面的効果が犠牲になっている。
例えば、ヒトエストロゲン受容体などのホルモン受容体は、真核生物において有効3,4のスイッチであることが証明された。ホルモンの非存在下では、ホルモン受容体への融合タンパク質は、Hsp90のシャペロン複合体と相互作用する細胞質中に隔離され得る。適切なリガンドを結合すると、受容体は、Hsp90のシャペロン複合体から放出されるようにする、核局在化シグナルを明らかにし、コンフォメーション変化を受ける。特定のホルモン受容体含有タンパク質の局在化の動態を観察するために、我々はGal4dbd.ER.VP16(GEV、Gal4p DNA結合ドメイン、ヒトエストロゲン受容体のリガンド結合ドメインを含む合成転写因子のC末端融合を作成したGFPを2とし、VP16)。核局在を添加した後の8分以内に観察されたその野生型酵母は完全に不活性であり、誘導物質、β-エストラジオールの飽和量。この時までに、細胞の大部分は、2,5(蛍光in situハイブリダイゼーションを介してアッセイ)GeVの標的遺伝子のためのはっきりと目に見える活性転写·サイトだけでなく、完全に成熟したmRNAを持っています。 GEV標的遺伝子は、核に転位DNAに結合し、転写を活性化する<キメラアクチベーターのための2.5分を要することを実証し、2.5分の2,6(マイクロアレイを用いて測定)内に発現> 2倍に増加した。
スイッチON-いくつかの他の( 大腸菌(Escherichia coli)7,8とシロイヌナズナからのインジゴ系スイッチ9からの古典的なドキシサイクリンベースのスイッチを含む)は、様々な小分子や薬物を利用した酵母で適用されてきたが、どれも、スピードを達成しなかった特異性、またはホルモンベースのスイッチが示す規制の圧迫感。それは、T言及する価値がある帽子ラピッド·スイッチもオフ酵母内で開発されており、典型的には、配列2,10,11,12を対象としたプロテアーゼまたはユビキチンリガーゼに遺伝子を融合させることにより動作します。 10を削除した際に速やかに細胞から標的タンパク質を除去する能力は必須の遺伝子だけでなく、遺伝的抑制を起こしやすい遺伝子の研究を促進する。
このプロトコルに記載された方法は、建物やスイッチON-酵母における合成を特徴付けるためのものである。まず、迅速に目的のDNA結合ドメインからなるゲノムに統合された融合タンパク質を生成する方法を示し、リガンドは、ヒトエストロゲン受容体の結合ドメイン及びVP16(DBD-EVの)。我々のプロトコルに従って、融合タンパク質は、ACT1プロモーターから発現される。それから、ATFのための同族レポータープラスミドを作成し、フローサイトメトリーを使用してその機能をテストする方法を示しています。我々は新しいATFS( 図1)で使用されているこれらのレポータープラスミドを想像するが、それらはできるBEだけでなく、ネイティブの転写活性化因子のためのレポーターとして使用される。最後に、96ウェルプレートで細胞増殖に対するATF活性化の効果を試験するためのゲノムおよび誘導性対立遺伝子を操作するための詳細が提供される。
図2は、プロトコルのセクション1-3の模式図を提供しています。
1。 ATFSの作成
2。 ATFプラスミドレポーターの作成
3。 GFPレポーターを用いた遺伝子発現にATF誘導の影響を定量化
サンプルを調製する。
4。細胞増殖に対するATFの誘導の影響を定量化
図5に、時間をかけて、Z 3、EV、Z 4、EV、またはGEVによるGFPの誘導を示す。 nonyeastのDNA結合ドメインを含むATFSに応じて、GFPの生産の増加に注意してください。我々は最近、これが酵母ゲノム1に単一遺伝子特異性を達成するため、これらの要因に起因すると推測した。 Z 3 EV及びZ 4 EVのみ適切な結合部位(5'-GCGTGGGCG-3 'を含む合成プロモーターの下流に配置された標的遺伝子の発現を活性化し、5'-に対し、単独GEV誘導は、数百の遺伝子の活性化/抑制につながりGCGGCGGAGGAG-3 'のそれぞれ)1。 図7は 、システム(検出可能なGFP無しデューサーの結果)の厳密な調節を示し、すべてのセルを範囲全体にGFPを誘導するための、Z 3、EVの能力を誘導物質に応答して誘導取得することをβ-エストラジオール濃度は、 図8に示されている。
ENT "FO:キープtogether.withinページを="常に ">

図2。人工転写因子および建物/同族のGFPレポーターをテストが含まれているエンジニアリング株のためのプロトコルの概略。
load/51153/51153fig3highres.jpg "SRC =" / files/ftp_upload/51153/51153fig3.jpg "/>
図3。LEU2遺伝子座のひずみyMN15中ACT1pr-URA3-EVシーケンス。

図4 yMN15正常に形質転換されたときに新しい融合タンパク質を生成するために、付加的な配列相同性により、目的のDNA結合ドメインを増幅するためのPCRプライマーの設計。

図5。1μMのβ-エストラジオールに応じて三つの異なるATF-プロモーターの組み合わせによるGFPの誘導 。</ pの>

図6の処理フローサイトメトリーデータのためのMATLABスクリプト 。このスクリプトは、から適応したhttp://openwetware.org/wiki/McClean:_Matlab_Code_for_Analyzing_FACS_Data 。

図7。0μMの誘導のβ-エストラジオールおよび1μMのβ-エストラジオール、次の18時間に応じて、Z 3、EVによるGFPの誘導。蛍光はまた、MEAたZ 3 EVシステムの厳密な調節を説明するために、GFPを欠く細胞からsured。この図は、 図6のコードを使用して生成された。

図8誘導物質濃度と発現量との関係は〜1のHill係数で傾斜している。(A)β-エストラジオール濃度の関数としてのGFP発現の分布。 (B)(A)の分布の平均蛍光。データは、Dは、β-エストラジオールの用量である= G 最小 +(G のmax-G minの )D のn /(K nの + D n)は 、G min及びG maxは最小であり、関数G(D)に適合させたとGFP最大値、解像度pectively、nはHill係数であり、Kは½(G + G 最大最小 ) が得られるβ-エストラジオールの投与量である。
| オリゴヌクレオチド配列 | 名前 |
| 5'-TTGAAACCA AACTCGCCTCT-3 ' | DBDはフォワードチェック |
| 5'-tccagagac ttcagggtgct-3 ' | DBDチェックリバース |
表1:エストロゲン受容体への関心のDBDの正確な融合を確認するためのプライマー。フォワードプライマーは、相同ACT1プロモーターであり、リバースプライマーは、エストロゲン受容体に相同である。典型的なのDBD(〜300 bp)のために、PCR産物は<1.5 kbのである。
| オリゴヌクレオチド配列 | 名前 |
| 5'-ggccgc ... DBDの一気飲みサイト... t-ブチル3 ' | トップオリゴ |
| 5'-ctaga ... DNA結合部位の逆... GC-3 ' | 下のオリゴ |
| 5'-GCC gcGTGGGCG T GCGTGGGCG G G CGTGGGCG T GCGTGGGCG G GCGTG GGCG T GCGTGGGCG T-3 ' | トップオリゴ+ 6X Zif268の結合部位 |
| 5'-ctagaCGCCCACGCACGCCCACGCC CGCCCACGCACGCCCACGCCCGCC CACGCACGCCCACgc-3 ' | 下のオリゴ+ 6X Zif268の結合部位 |
興味のある結合部位を含む二本鎖DNAを作成するためのプライマーの表2。のS tructure。Z 3 EV-応答性プロモーターを作成するには、オリゴヌクレオチド上のオリゴ+ 6X Zif268の結合部位およびボトムオリゴ+ 6X Zif268の結合が使用された。正しいDNAオーバーハングを作成するための配列は小文字です。 Zif268のコンセンサス結合部位、GCGTGGGCGは、一番上のオリゴに下線が引かれている。
| 試薬 | 額 |
| T4ポリヌクレオチドキナーゼ緩衝液 | 5μL |
| T4ポリヌクレオチドキナーゼ(10,000単位/ ml @) | 1μL |
| トップオリゴ(100μM) | 1.5μL |
| 下のオリゴ(100μM) | 1.5μL |
| 水 | 41μL |
表3。リン酸化し、上記の反応液50μlを使用したサーモサイクラー中でアニールするプライマー。2サーモサイクラーのステップがあります。ステップ1:37℃、30分(リン酸化)、ステップ2:95℃、30秒(4℃まで1℃ごとに30秒をステップダウン、アニール)。
| 試薬 | 額 |
| をXbaI | 1μL |
| NotIで-HF | 1μL |
| プラスミドDNA | 5μL(1〜2μgの) |
| 10倍のカットスマートバッファ | 5μL |
| 水 | 38μL |
表4。 XbaIおよびNotIでプラスミドpMN8の制限消化。
| 試薬 | 額 |
| のT4リガーゼBufのFER | 2μL |
| T4リガーゼ | 0.2μL |
| 10 NG /μL@バックボーン | 1μL |
| 5倍モル濃度/μL@結合配列 | 1μL |
| 水 | 15.8μL |
表5プラスミドDNAへの結合部位をライゲーションする 。
| プライマー | 説明 |
| 〜40塩基対上流のATG + CGCACTTAACTTCGCATCTG-3 ' | KanMX-プロモーターを増幅するためのフォワードプライマー |
| 5'-逆相補(ATG +〜37bp)+ TATAGTTTTTTCTCCTTGACG-3 ' | PRIを逆転KanMX-プロモーターを増幅するためのマー |
| 5'-caatttgtctgctcaagaaaataaa ttaaatacaaataaaCGCAC TTAACTTCGCATCTG-3 ' | GCN4プロモータースワップを作るためのフォワードプライマー。 |
| 5'-tggatttaaagcaaataaacttgg ctgatattcggacatTATAGTT TTTTCTCCTTGACG-3 ' | GCN4プロモータースワップを作るためのリバースプライマー。 |
表6。PCRはtitratible対立遺伝子を作るためのKanMX-プロモーターを増幅する。
ここで説明するホルモンベースのスイッチは、 生体内で DNA配列を対象とする目的のDNA結合ドメインの能力を試験するネイティブの細胞生物学を研究から、無数の用途がある。システムは、インデューサー、高速動作、および厳しい規制の段階的な応答を含む多くの望ましい特徴、持っていない( すなわち 。測定可能な漏出を、 図7を参照)。しかし、改善と拡張の余地がある。
合成生物学における最近の研究は、多重合成システムを強調し、十分に特徴づけられた、プログラム可能なDNAの部分16のレパートリーを拡大しました。別個の標的遺伝子とは無関係に、条件式は、複数のインデューサーと重なる特異性を欠くDNA結合ドメインの両方を必要とする。設計および天然に存在する受容体の利用可能性は、新たな人工的な転写因子を開発するためにどの部分での大規模なセットを提供します。拡大する相互に直交するスイッチのレパートリーが大幅17,18に近づく方向進化によって支援されています。我々の人工的な転写因子のリガンド結合特異性を再プログラムする現在の努力は、将来的に提示される。
以前は、遺伝子欠失/過剰発現の表現型の結果は、広範囲に酵母19,20に研究されている。しかしながら、発現レベルの範囲にわたって異なる表現型上の発現の効果を研究するための簡単されていない。ここに提示され、システムの主な特徴は、その段階的な性質( 図8)である。多くの場合を想定しながら、遺伝子発現と目的の表現型の間の関係は必ずしも単調でない場合があります。このような、Z 3、EV、およびZ 4、EVなどの人工的な転写因子は、直接的な遺伝子発現の変化を表現型の応答をアッセイする作業を行います。
最後に、プロトコルが議論本稿では、EDは、エンジニアリングおよびβ-エストラジオールをに応答人工転写因子を特徴づけるためのものであるが、化学的に反応するドメインへの重要な選択肢は、(このようなPhyB/Pif3、LOV、およびBLUFなど)光応答ドメインの使用であり、その活動は、培養増殖培地21-23を摂動することなく、可逆的である。光ベースのシステムは、既に証明されている21-26強力なタンパク質-タンパク質相互作用、イオン輸送、および酵素活性を、遺伝子発現の時空間制御を容易にする。
結論として、我々は、酵母における誘導、人工的な転写因子を迅速に構築するための方法を提示している。このプロトコルは、同族GFPレポーターと一緒に自分の構築のためのテンプレートを提供し、ならびにフローサイトメトリーを用いたレポーターデータを分析し、成長にATF活性化の効果を分析する方法。
McIsaac、ノイス、およびBotstein(他の人とは)特許開示として、このシステムの一部を提出している。
RSMは、NSF大学院研究員から資金提供を認めている。 MBNはルイス·リンディスカラフェローシップからの資金とピーター·ルイスの恵まれ贈り物を認めている。 DBは、NIH(GM046406)定量生物学のための総合医科学センター(GM071508)の国立研究所からの資金提供を認めている。我々は、フローサイトメトリー実験の支援のためにクリスティーナDeCosteを認める。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 試薬 | 会社名 | カタログ番号 | コメント |
| ハイフィデリティPCRシステムを拡大する | Roche | 11 732 650 001 | |
| T4 DNAリガーゼ | NEB | M0202S | |
| コンピテント E. coli | Life Technologies | 18258-012 | |
| Estradiol | Tocris Biosciences | 2824 | |
| Ampicillin | Fisher Scientific | BP1760-5 | |
| T4 Polynucleotide Kinase | NEB | M0201 | |
| PBS | Life Technologies | 10010-23 | |
| Tween-20 | Sigma-Aldrich | 9005-64-5 | |
| clonNAT | イエナ バイオサイエンス | AB-102L | |
| XbaI | NEB | R0145S | |
| NotI-HF | NEB | R3189S | |
| CutSmart バッファー | NEB | B7204S | |
| グルコース | フィッシャーサイエンティフィック | D15-500 | |
| バクトペプトン | BDバイオサイエンス211677 | ||
| 酵母抽出 | 物BDバイオサイエンス210929 | ||
| アガロース | BDバイオサイエンス214010 | ||
| 100%エタノール | デコン研究所 | 04-355-222 | |
| G418 | ライフテクノロジー | ズ11811-031 | |
| QIAprep Spin Miniprep Kit | QIAGEN | 27104 | |
| 酢酸リチウム二水和物 | Sigma-Aldrich | L-6883 | |
| サケ精子 DNA | Sigma-Aldrich | 93283 | |
| PEG 3350 | Sigma-Aldrich | P-3640 | |
| プラスミド pMN8 および pMN10; 酵母株 yMN15 | Noyes または Botstein labs | ||
| ルリアブロス | Sigma-Aldrich | L3397 | |
| 装備: | |||
| LSRIIフローシオメータ | BD Biosciences | 各種モデル | |
| 、MATLABまたはFlowJo | MATLAB、またはFlowJo | ソフトウェアで解析できます。フローサイトメトリー実験のFCSファイル | |
| R | オープンソース | プレートリーダーからの成長率データの解析用 | |
| ファルコンチューブBD | バイオサイエンス | 352052 | |
| 1.7mlエッペンドルフ チューブ | GeneMate | C3262-1 | |
| 250 ml シェイクフラスコ | Corning | 4446-250 | |
| 96ウェル、フラットボトムプレート | Costar | 3635 | |
| プレートリーダー (Synergy H1 マルチモードプレートリーダー) | BioTek | H1MG | |
| Breathe-Easy メンブレン | Sigma-Aldrich | Z380059-1PAK | |
| サーモサイクラー | さまざまな企業 | さまざまなモデル | |
| SC-Uraの粉 | MPの生物医学114410622 | ||
| 5-FOA | のZymoの研究 | F9001-1 |