タンパク質は、多くの場合、異なる細胞機能を発揮することができ、複数のドメインを含みます。遺伝子ノックアウト(KO)は、この機能的多様性を考慮していません。ここでは、様々な機能ドメインまたはタンパク質の変異体の分子解剖を可能KO胚性幹細胞における組み換え媒介カセット交換(RMCE)ベースの構造と機能のアプローチを報告しています。
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タンパク質は、多くの場合、異なる細胞機能を発揮することができ、複数のドメインを含みます。遺伝子ノックアウト(KO)は、この機能的多様性を考慮していません。ここでは、様々な機能ドメインまたはタンパク質の変異体の分子解剖を可能KO胚性幹細胞における組み換え媒介カセット交換(RMCE)ベースの構造と機能のアプローチを報告しています。
マウスの胚または胚性幹細胞における遺伝子工学(たmESC)は、与えられたタンパク質の機能を研究することができます。タンパク質は、細胞の主力であり、しばしば翻訳後修飾によって影響を受けることができる複数の機能ドメインからなります。条件付きまたは構成ノックアウト(KO)マウスでは、全タンパク質の枯渇を考慮に入れ、この機能的多様性と規制を負いません。 MESCラインとFLPe組換え媒介カセット交換(RMCE)のためのドッキング部位がROSA26(R26)遺伝子座内に挿入された誘導されたマウスモデルは、以前に報告されました。ここでは、マルチドメインタンパク質の異なる機能の分子解剖することができます構造 - 機能アプローチについて報告します。このため、RMCE互換マウスは、KOマウスと交配されている必要があり、その後、RMCE互換KOたmESCを分離する必要があります。次に、推定レスキュー構築物のパネルは、RMCE targetiを介してR26遺伝子座に導入することができますNG。候補レスキューcDNAを容易組換えクローニングを使用してターゲティングベクターのRMCE部位の間に挿入することができます。次に、KOのたmESCはFLPeリコンビナーゼ発現プラスミドと組み合わせたターゲティングベクターでトランスフェクトされます。 RMCEは、ROSA26ドッキング部位でプロモーターレスネオマイシン耐性遺伝子を再活性化し、正しい標的化事象の選択を可能にします。このように、100%に近い高いターゲティング効率は、半高スループット様式での複数の推定レスキュー構築物の挿入を可能にする、得られます。最後に、R26駆動型救助構築物の多くは、親のKOたmESCで観察された表現型を救出する能力について試験することができます。私たちは、P120カテニン(p120ctn)表現型の読み出しとして胚様体(EB)中胚葉分化を使用してのKOたmESCにおける実証の原則構造と機能の研究を提示します。このアプローチは、重要なドメイン、推定下流経路、および疾患関連点の識別を可能にします与えられたタンパク質のためのKO表現型の基礎となる変異。
哺乳動物のゲノムは、約20,000のタンパク質をコードする遺伝子が含まれていると推定されています。選択的スプライシングと翻訳後修飾は、さらに、タンパク質のレパートリーを増やします。タンパク質は、モジュラー構造1を有し、しばしば、異なるタンパク質複合体へのそれらの動員および複数の細胞プロセス2への参加を可能にする、複数の相互作用ドメインを含みます。一つの例は、p120ctnと呼ばれる多機能性タンパク質です。 p120ctnはCtnnd1遺伝子によってコードされ、N末端およびC末端領域によって隣接大きな中央アルマジロリピートドメインから構成されています。 p120ctnのアルマジロドメインは、細胞 - 細胞接着に関与している古典的カドヘリンの高度に保存された膜近傍ドメインに結合し、それはまた、転写リプレッサーKaisoに結合します。 p120ctnのN末端ドメインは、異なるキナーゼ、ホスファターゼ、小さなRhoGTPases、及び微小管関連Pと相互作用しますroteins 3。興味深いことに、選択的スプライシングの結果として、p120ctnアイソフォームは、4つの代替開始コドン4から生成することができます。それは最も5' 開始コドンから翻訳および全長N末端セグメントを含むようp120ctnアイソフォーム1Aは、最長です。 p120ctnアイソフォーム3および図4に、このN末端セグメントは、それぞれ、部分的におよび完全に削除されます。さまざまな細胞機能におけるタンパク質(またはタンパク質アイソフォーム)とそのドメインの正確な役割を理解することが課題です。
たmESCにおいて標的遺伝子は、対応する遺伝子の遺伝子欠失を介してタンパク質の機能の研究を可能にし、広く発達重要と疾患関連遺伝子および経路の同定に貢献しています。逆遺伝学では、この画期的なによる相同組換え5にMESC単離及び標的遺伝子の分野における進歩の結果でしたアップ。相同組換えは、DNAフラグメントが二本鎖(ds)DNA切断後に2つの類似または同一の核酸部分との間で交換されるプロセスです。二本鎖DNA切断が頻繁であるため、通常、HRは非効率的です。最近、標的相同性指向性遺伝子の効率は、部位特異的ヌクレアーゼ6,7を用いて増加させることができるが、残念ながら、これらは、オフターゲット効果8を受けやすいです。遺伝子ターゲティングを可能にするためのより信頼性の高い技術は、のCre / loxP配列又はFLPe / FRTなどの部位特異的組換え系に基づいているRMCE、です。 LoxP及びFRT配列は、 バクテリオファージP1で発見され、 サッカロミセス・セレビシエ(Saccharomyces cerevisiae)は 、それぞれ、サイトの向きを決定非対称8塩基対の配列を含む、34塩基対から成ります。例えば、DNAストレッチ内の2つのloxP部位は、flox化DNAを切除またはIとなるかどうかを決定する一方、配向のCre媒介組み換え9時nversed。二つの部位が異なる染色体上に位置している場合また、Creをも転位を誘導することができます。 RMCEは、クロス反応し、ゲノム遺伝子座に埋め込まれていない異種の組換え部位を利用しています。同じ異種部位に隣接するDNA断片を含有するドナープラスミドの存在下で、リコンビナーゼは、なぜなら、二重同時トランスロケーション( 図1)のRMCE互換ゲノム遺伝子座にこのDNA断片を挿入します。ここで、のみ正しくRMCE標的クローンをドッキング細胞のR26ゲノム中に存在する「捕捉された、」プロモーターレスネオマイシン耐性遺伝子(ネオR)を復元着信ベクター上のプロモーター( 図1)に対する薬剤耐性のおかげをレンダリングすることができ10、11。これは、<100%11しばしば近く、非常に高いターゲティング効率をもたらします/ SUP> 12。結論として、RMCEベースのターゲティングは非常に効率的であり、構造機能研究のために使用することができます。しかし、それは事前設計ゲノム遺伝子座を必要とします。

図1. RMCE媒介ターゲティングの略図。両方は、2つの異種FRT部位(白及び赤の三角形によって示される)を保有する場合RMCEは、定義されたゲノム遺伝子座への着信ターゲティングベクターからのDNAセグメントの交換を可能にします。加えて、操作されたゲノム遺伝子座は、プロモーターおよび短縮型ネオマイシン耐性(ネオR)遺伝子を含みます。プロモーターを提供することによってのみ正しい組換え事象は、高いターゲティング効率で得られ、ネオマイシン耐性を復元する、入ってくるDNA断片に開始コドン。 トンの拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。彼のフィギュア。
たmESCにおけるゲノム工学は、RMCE互換マウスの生成を可能にします。 1981年に、2つのグループが胚盤胞の内部細胞塊(ICM)から多能性細胞を捕捉及び培養13、14でそれらを維持することに成功しました。たmESCは、生殖細胞系列を含む、胚および成人の細胞のすべてのタイプの中に自己複製と分化することができます。したがって、たmESCにおいて標的遺伝子(のCre / loxPシステムを使用して)構成的または条件付きKOマウスの開発を通して逆遺伝学的研究を可能にします。しかし、マウスES細胞を分離するための古典的な方法は非常に非効率的です。いくつかの主要な改良が大幅MESC SRとウシ胎児血清(FBS)16を含有する培地、及び薬理学の使用の間に交互に、15培地(SR)に定義血清置換の使用を含む、MESCラインを導出するための成功率が増加しています例えばpluripotin又は2I 17などの論理化合物。 Pluripotin、小さな合成分子は、白血病阻害因子(LIF)およびマウス胚線維芽細胞(MEFの)18の非存在下で未分化状態におけるたmESCの伝播を可能にします。最後に、SR / FBS培地交替プロトコルはLIFと19、20 pluripotin組み合わせた場合たmESCは(100%に近い)非常に高い効率で単離することができることが示されています。これらのプロトコルは、その後、構造 - 機能研究のために使用することができるRMCE互換ノックアウトたmESCの効率的な分離を可能にします。
本論文では、特定の細胞プロセスに責任があるタンパク質内のキーのドメインまたは残基を同定するために、1つを可能にする方法を説明します。この目的のために、効率的MESC分離を有効に高度な技術、ターゲティングベクターのアセンブリ、およびMESCターゲティングのパイプラインを作成しましたD。このようにして、タンパク質アイソフォーム、ドメイン変異体、および下流のエフェクターとの大きなパネルがKOされたmESCで導入することができ、in vitroでの KO表現型を救出する能力について評価することができます。
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マウス上の全ての実験は、機関投資家、国、ヨーロッパの動物の規定に従って行われました。
RMCE互換KOたmESCの単離

表1.培養培地。すべてのメディアは、4℃で保存し、使用前に37℃で30分間に温めました。
組換えクローニングを用いRMCE互換標的ベクターの2世代
救助の標的3. RMCE媒介MESCはR26座に構築します
胚様体におけるたmESCの分化4(EBS)
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RMCE互換KO MESC株を単離するための手順は、図2に示されています。二つの連続交配はRMCE互換KO胚盤胞を得るために必要とされています。まず、ヘテロKOマウスはRMCE互換、ヘテロKOマウスを得ることがRMCE互換のマウスと交配されています。これらのマウスは、次いでRMCE互換3.5 DPC、ホモ接合型KO胚盤胞を得るために、他のヘテロ接合性KOマウスとの時限交配のために使用されます。メンデル遺伝によって予測されるような胚を得るチャンスは8内の1つです。したがって、効率的なMESC分離プロトコルが必要です。それぞれpluripotinベースまたは2Iベースのプロトコルを使用して、我々はたmESC株を単離することができ、RMCE互換p120ctn KOたmESCを含む、約94%の効率で(N = 114個の胚盤胞)および64%(N = 22個の胚盤胞) 12、19。典型的には、胚盤胞の孵化後3〜6日でVI
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私たちのMESC分離法は、ユーザーフレンドリーであり、そのような胚盤胞のマイクロサージェリーなどの高度なスキルや設備を必要としません。したがって、この技術は、科学界の大部分にアクセスできます。基本的な細胞培養の経験を持つ誰もがICMの派生物を伝播したmESCラインを確立することができます。しかし、胚盤胞の洗浄及び取り扱いはいくつかの練習が必要です。口のピペットは、胚盤胞を転送するために使用され、マイクロピペット、マイクロピペットホルダ、チューブ、及び吸引口金28から構成されています。マイクロピペットは、数秒間パスツールピペットの最高の部分を加熱する火炎からピペットを除去し、両端を引っ張ることによって、カスタムメイドすることができます。 ( - 200から100μm)の胚盤胞よりも僅かに大きい直径を有する針を選択します。針は、蒸留水(3×)およびEtOH(3×)で洗浄した後に再使用することができます。我々の経験では、pluripotinベースMESC分離の効率は、2と比較して高くなっていますIベースのプロトコル12。しかしながら、高濃度でpl...
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著者は、開示することは何もありません。
私たちは、その優れた技術サポートのためにJinke D'Hont、フレデリック・ヴァン・Rockeghem、ナタリーFarla、ケリー・レメアー、およびRietデRyckeに感謝します。我々はまた、彼らの専門家の支援のための炎症研究センターのバイオイメージングコア施設からEEF Parthoens、EvelienヴァンHamme、およびアマンダGoncalvesの感謝します。私たちは貴重な議論のための私たちの研究グループのメンバーを認めます。この作品は、ベルギーの科学政策によってサポートされていました(Belspo大学間アトラクションのポーランド - 賞IAP VII-07 DevRepair; https://devrepair.be)エリザベート王妃医療財団、ベルギー(GSKE 2008年から2010年で、;のhttp:// WWW .fmre-gske.be)、およびゲント大学、ベルギー(http://www.ugent.be/en/ghentuniv)の協調研究アクション(GOA 01G01908)によります。 SGフランダース研究費(FWO-V)のポスドクです。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| ROSALUC | 自家製 | 冷凍精子 ご要望に応じて利用可能 | |
| R26-iPSCマウス | 自家製 | 冷凍精子 ご要望に応じて利用可能 | |
| 容器プローブ | ファインサイエンスツール | 10160-13 | 交尾プラグを確認するために |
| M2 medium | Sigma-Aldrich | M7167 | アリコートを作成し、-20 °Cで保存します。C |
| ファイン鉗子 (Dumont #5 Standard tip Student Forceps) | Fine Science Tools | 11251-10 | 使用前に 70% EtOH をスプレー (オートクレーブしないでください) |
| 23 G 針 | Fine-ject | 8697 | |
| 1 mL シリンジ | Soft-ject | 6680 | |
| 60-mm バクテリア グレード プレート (フラッシング用) | ゴセリン | BB60-01 | |
| マウス | ピペット | 社内製 ディスカッションを参照 | |
| マウス胚性線維芽細胞 (MEFs, TgN (DR4)1 Jae strain) | ATTC | SCRC-1045 | |
| TgN (DR4)1 Jae マウス | ジャクソン研究所 | 3208 | |
| マイトマイシン C | Sigma-Aldrich | M0503 | |
| カルシウムまたはマグネシウムを含まないリン酸緩衝生理食塩水 (PBS) | Gibco | 14190-094 | |
| Tg(DR4)1Jae/J マウス | JAX | 3208 | マウス ネオマイシン、ピューロマイシン、ハイグロマイシン、6-チオグアニン |
| 0.1% ゼラチン | に対する耐性を付与0.5 gを500 mLの蒸留水に溶解し、オートクレーブで保存し、4°Cで保存します。 | ||
| トリプシン(0.25%) | ギブコ | 25200-056 | |
| 2 μM pluripotin | Cayman Chemical | 10009557 | |
| pRMCE-DV1 | BCCM/LMBPコレクション | BCCM/LMBPコレクション(http://bccm.belspo.be)から入手可能な | LMBP 08870 |
| cre-emlicised pRMCE-DV1 | BCCM/LMBPコレクション | BCCM/LMBPコレクションから入手可能な | LMBP 08195 |
| pCAG-FlpE-IRES-プロ-pA | Addgene | 20733 | |
| ヒートショックコンピテント DH5α バクテリア | 社内 | ||
| ゲートウェイ pDONR221 ベクター | サーモフィッシャー | 12536-017 | カナマイシン耐性遺伝子 |
| BP クローナーゼ II ミックス | サーモフィッシャー | 11789-020 | |
| LR クローナーゼ II ミックス | サーモフィッシャー | 11791-020 | |
| ルリアブロス(LB) | |||
| アンピシリン | |||
| Applied Biosystems 3730XL DNA Analyzer | Thermo Fisher | 3730XL | |
| G418 | Thermo Fisher | 11811-023 | |
| Lipofectamine 2000 トランスフェクション試薬 | Thermo Fisher | 11668027 | |
| Lipofectamine LTX トランスフェクション試薬 | Thermo Fisher | 15338100 | |
| Effectene トランスフェクション試薬 | Qiagen | 301425 | |
| GATEWAY pENTR 1A ベクター | サーモフィッシャー | A10462 | 組換え適合ベクター |
| マウスモノクローナル抗p120ctn抗体 | BDトランスダクションラボラトリーズ | 610134 | |
| マウスモノクローナル抗エカドヘリン抗体 | BDトランスダクションラボラトリ | 610181 | |
| <ストロング>ジェネラル機器<ストロング> | |||
| 滅菌解剖ツール | 子宮を解剖するための細かいハサミと鉗子 | ||
| 滅菌ピペット:5 mL、10 mL、25 mL | |||
| 15 mLおよび50 mL、円錐形遠心チューブ、 | |||
| 96ウェル培養プレート、V字型底部と平底部) | |||
| 培養皿:24ウェル、12ウェル、6ウェルマルチ | |||
| チャンネルピペット(ピペット30、50、100、200μL) | |||
| 滅菌マルチチャンネルリザーバー | |||
| 層流 | |||
| 37°Cのインキュベーターへのアクセス。5%CO<サブ>2 | |||
| C逆さま顕微鏡 | |||
| ベンチトップ遠心分離機 | |||
| 透過光付き実体顕微鏡へのアクセス | |||
| Culture Media< | |||
| strong>MEF Medium | 4°Cで保管されています。C;37°Cで30分間温めます。C使用前の | ||
| ダルベッコ '修正されたイーグル」S medium (DMEM) | Gibco | 41965-062 | |
| 10% ウシ胎児血清 (FBS) | Sigma-Aldrich | F-7524 | |
| L-グルタミン (2 mM) | Gibco | 25030-024 | |
| ピルビン酸ナトリウム (0.4 mM) | ギブコ | 11360-039 | |
| ペニシリン (100 U/mL) | Gibco | 15140-122 | |
| ストレプトマイシン(100 µg/mL) | ギブコ | 15140-122 | |
| SRベースのmESC中 | 4°Cで保存。C;37°Cで30分間温めます。使用前のC | ||
| DMEM/F12 | Gibco | 31330-038 | 1:1 の比率で混合 |
| 15% ノックアウト血清補充 (SR) | Gibco | 10828–028 | |
| L-グルタミン (2 mM) | Gibco | 25030-024 | |
| 0.1 mM 非必須アミノ酸 | Gibco | 11140-050 | |
| ペニシリン (100 U/mL) | Gibco | 15140-122 | |
| ストレプトマイシン(100 µg/mL) | ギブコ | 15140-122 | |
| &β;-メルカプトエタノール(0.1 mM) | シグマ・アルドリッチ | M 3148 | |
| 2,000 U/mL 組換えマウス LIF | (IRC/VIB Protein Service facility) | ||
| FBS ベースの mESC 培地 (SR ベースの mESC 培地と同様) | 4°Cで保存;C;37°Cで30分間温めます。C 使用前の | ||
| C ノックアウト DMEM | Gibco | 10829-018 | |
| 15% FBS | Hyclone | SH30070.03E | |
| Differention Medium | °C;37°Cで30分間温めます。C | ||
| IscoveのModified Dulbecco's Medium(IMDM) | Gibco | 21980-032 | |
| 15% FBS | Hyclone | SH30070.03E | |
| 5% CD ハイブリドーマ ミディアム(1x) リキッド | ギブコ | 11279-023 | |
| 2 mM L-グルタミン | Gibco | 25030-024 | |
| 0.4 mM 1-チオグリセロール | Sigma-Aldrich | M-6145 | |
| 50 μg/mL アスコルビン酸 | Sigma-Aldrich | A-4544 | |
| ペニシリン (100 U/mL) | Gibco | 15140-122 | |
| ストレプトマイシン(100 µg/mL) | ギブコ | 15140-122 | |
| 2i | |||
| 1 μM Erk阻害剤 PD0325901 | 軸索 Medchem | Axon 1408 | |
| 3 μM Gsk3阻害剤 CHIR99021 | Axon Medchem | Axon 1386 |
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