방법 논문

화학 유전자 상호 작용의 신속한 식별

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DOI:

10.3791/52345

⸱

2015년 4월 5일

 , 
1Department of Biochemistry and Microbiology, University of Victoria

이 논문에서

요약

여기에서는 발아 효모에서 화학적-유전적 상호 작용을 정의하기 위한 비용 효율적인 방법을 제시합니다. 이 접근 방식은 효모 분자 생물학의 기본 기술을 기반으로 하며 중소 규모의 화학 물질 및 기타 매체 환경에 대한 기계론적 조사에 매우 적합합니다.

초록

생리 활성 화학 물질의 작용 모드를 결정하는 학술, 제약의 넓은 범위에 관심, 산업 과학자이다. 사카로 미세스 세 레비 시아, 또는 신진 효모, 모델 진핵 생물이되는 ~ 6,000 유전자 삭제 돌연변이 hypomorphic 필수 유전자의 전체 모음 돌연변이 체는 시판되고있다. 이러한 돌연변이의 수집 체계적 화학 견딜 필요 유전자 화학적 상호 작용, 즉 유전자를 검출하는데 사용될 수있다. 이 정보는, 차례대로, 화합물의 작용 가능성 모드에보고한다. 여기에서 우리는 효모 신진 화학 - 유전자 상호 작용의 신속한 식별을위한 프로토콜을 설명합니다. 우리는 액션의 잘 정의 된 메커니즘이 화학 요법 제 5- 플루오로 우라실 (5-FU)을 사용하는 방법을 보여준다. 우리의 결과는 핵 TRAMP가 엑소 및 DNA 복구 효소 이전 m과 일관성이 5-FU의 존재하에 증식에 필요한 RNA 보여기반 바 코딩 화학 유전 적 접근과 5-FU에 악영향을 모두 RNA 및 DNA 신진 대사에 영향을 미치는 것을 지식을 icroarray. 이러한 높은 처리량 스크린 필요한 검증 프로토콜은 또한 기술된다.

서론

유전 도구와 모델 생물 사카로 미세스 세 레비 시아에 이용 가능한 자원 일괄 유전자 네트워크 생물학적 시스템의 요구 사항을 이행하는 방법으로서 기능에 대한 새로운 통찰력을 제공 대규모 기능 유전체학 연구있게되었다. 이러한 도구의 초석은 효모 1, 2의 모든 열려있는 독서 프레임의 비 필수 유전자 결실의 완전한 세트의 공동 제작했다. 눈에 띄는 관찰 표준 실험실 조건에서 haploids로 성장하면 효모의 유전자 만 ~ 20 %가 생존에 필요한 것이 었습니다. 이것은 다른 생물학적 경로의 이용을 통해 게놈 섭동에 대하여 버퍼링 세포의 능력을 강조한다. 유전 개별적으로 가능한 있습니다 돌연변이하지만 조합에 치명적인는 연결 또는 수렴 병렬 생물학적 경로를 신호 및 생물학적 기능을 설명하는 유전자 상호 작용 네트워크를 형성한다. 조건부 TE의 발전과 함께필수 유전자의 mperature에 민감하고 hypomorphic 대립이 기술은 중요하지 않은 유전자 3,4의 연구에 국한되지 않았습니다. 이 개념은 유사한 세포 과정에 관여하는 유전자 (5)가 함께 클러스터링 방법을 설명하는 편견 유전자 상호 작용지도를 생산하는 게놈 규모로 적용되었습니다.

유전자 네트워크의 화학 교란 모방 유전자 결실 (그림 1) 6. 과민성위한 결실 균주의 고밀도 배열 대해 성장 저해 화합물을 조회하면 화학적 스트레스를 허용하는 데 필요한 유전자의리스트, 즉 화학적 상호 작용 유전자 프로파일을 식별한다. 유전 적 상호 작용과 마찬가지로, 화학 라이브러리의 대형 스크린은 액션 함께 클러스터 (7)의 모드를 갖는 화합물과 유사한 것으로 나타났다. 따라서, 화합물의 화학적 상호 작용 유전자 프로파일을 구축하여 작업의 모드는 LAR과 비교하여 추론 할 수있다GE의 규모의 합성 유전자 및 화학 유전자 상호 작용은 8,9 데이터 집합.

화합물의 점수가, 심문하고있는 큰 규모의 화학 유전 스크린, 바코드 경쟁 분석에 의해 수행되었다. 이 방법에서는, 삭제 균주의 풀링 된 컬렉션 화학 물질을 포함하는 미디어의 작은 볼륨에서 여러 세대에 한꺼번에 성장한다. 각 삭제 돌연변이가 고유 한 유전자 바코드를 품고 있기 때문에, 삭제 균주의 풀 내의 개별 돌연변이의 생존 / 성장은 마이크로 어레이 또는 높은 처리량 시퀀싱 (10)에 의해 추적됩니다.

생체 활성 화합물을 함유하는 고체 아가상에서 성장 물리적으로 배열 된 돌연변이 콜로니 크기를 모니터링하여 적응도를 추론하는 것은 화학적 상호 작용 11,12 유전자를 확인하는 효과적인 방법이다. 이 방식은 경쟁 기반 스크리닝에 비용 효율적인 대안을 제공하고, 화학 물질의 작은 라이브러리를 분석하기에 적합하다.여기에 설명 된 S.의 화학적 상호 작용 유전자의리스트를 생성하기위한 간단한 방법이다 생물학 조작 또는 인프라 분자에 의존하지 않는 cerevisiae의는. 그것은 단지 효모 삭제 수집, 로봇 또는 수동 피닝 장치 및 무료로 사용할 이미지 분석 소프트웨어가 필요합니다.

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프로토콜

참고 :이 절차의 일반적인 작업은 그림 2에 설명되어 있습니다.

성장 억제 용량 1. 결정

  1. 효모 하룻밤 문화의 준비
    참고 :이 프로토콜에 사용되는 효모 추출물 - 펩톤 - 덱스 트로 오스 성장 미디어 (YEPD)는 표준 조리법 (13)이다.
    1. BY4741 (마타 HIS3 Δ1 leu2Δ0 met15Δ0 ura3Δ0) YEPD 한천 접시에 세포 밖으로 행진 30 ° C 또는 볼 식민지 형성 할 때까지 48 시간 동안 배양한다.
    2. 하나의 식민지로 무균 배양 용기에 YEPD 액체 매체의 5 mL를 접종하여 하룻밤 문화를 준비합니다. 연속 회전이나 진탕 30 ° C에서 밤새 품어. 문화는 일반적으로 아침 (~ 2 × 10 8 세포 / ㎖)에 의해 포화에 도달 할 것입니다.
  2. 고체 한천 매체 준비 다양한 화학 용량을 포함
    1. 여러 주식을 준비화학 물질은 적당한 용매 100X 원하는 최종 농도에서 시험한다.
      참고 : 유효 농도는 화학 물질에 따라 달라집니다, 그리고 경험적으로 결정해야합니다. 높은 mM의 낮은 μM에서, 즉, 그것은 처음에 폭 넓은 최종 농도 범위를 테스트하는 것이 좋습니다.
    2. 화학 물질의 농도에서 각각 여러 멸균 배양 관에 분취 용융 YEPD 한천 3 ㎖를 시험한다. 55 ° C의 물을 욕조에 장소 응고에서 유지합니다.
    3. 테스트 할 화학 물질의 농도를 각각 들어 12 웰 플레이트에 중복 우물의 각 쌍에 용융 미디어, 소용돌이에 섞어 2 ~ 3 초, 피펫 1 ml에 100 배 화합물의 30 μl를 추가합니다. 만 제어 차량을 포함해야합니다. 플레이트는 실온에서 하룻밤 설정할 수 있습니다. 여분의 미디어를 폐기하십시오.
  3. 확산 도금 세포
    1. 1 단계로 하룻밤 성장 포화 효모 문화의 2 μL와 YEPD 액체 매체 10 ㎖를 접종.1.2.
    2. 잘 희석 주당 효모 문화의 25 μL는, 멸균 유리 구슬 또는 막대를 사용하여 균일하게 확산하고 판은 불꽃에서 건조 할 수 있도록 접시입니다. 48 시간 동안 30 ° C에서 접시를 품어.
    3. 접시에 효모의 성장 (식민지 모두 총 개수 및 크기)을 평가합니다. 화면을 수행하는보다 10 % -15 %의 성장을 저해하지 않는 화합물의 치사량 농도를 선택한다.

2. 체계적인 화학 유전자 화면

  1. 소스 플레이트의 삭제 돌연변이 배열의 유지 보수 (DMA) 및 준비
    1. 글리세롤 주식에서 삭제 돌연변이 어레이를 구성에 대한 자세한 설명은 Baryshnikova 등. (14)을 참조하십시오. 삭제 돌연변이가 판 당 384 식민지의 밀도로 배열되고 나면, DMA는 4 ° C에서 몇 달 동안 저장할 수 있습니다. 각각의 콜로니로 성장하는 것을 방지하기 위해 필요한만큼의 G418 200 ㎍ / ml를 함유 YEPD 한천 복제다른.
      주 : 복수 직렬 복제가 느린 성장 균주의 손실을 방지하고 억제 돌연변이 출현을 최소화하기 위해 피해야한다. 이 haploids으로 컬렉션을 유지하는 경우에 특히 관련이있다.
    2. 로봇 시스템의 배열 미생물을 사용하여 모든 복제 도금 단계를 수행합니다. 또한, 수동 피닝 도구를 사용하여 식민지를 배열 조작 할 수 있습니다.
      참고 : 효모 삭제 컬렉션 여러 상용 소스에서 haploids 및 diploids로 사용할 수 있으며 일반적으로 96 웰 플레이트에 글리세롤 주식으로 제공됩니다.
  2. 삭제 돌연변이의 배열을 응축
    1. G418 200 ㎍ / ㎖의를 포함 YEPD 한천 미디어 250 ml의를 준비합니다. G418의 유효 농도는 다를 수 있으며, 각각의 많은 경험적으로 테스트해야합니다.
    2. 접시 당 G418 200 ㎍ / ㎖의를 포함 YEPD 한천의 50 ㎖를 주입하여 다섯 YEPD 한천 플레이트를 준비합니다. 배열을 응축하기 전에이 일일를 수행하고 판을 실온에서 냉각 할 수 있도록erature 하룻밤 다음 평평한 표면에.
      참고 : 4 판은 1536 - 변형 밀도에서 수집해야합니다, 다섯 번째 판은 추가로 부어있다.
    3. 접시 당 384 식민지의 밀도로 돌연변이 삭제 컬렉션을 포함하는 16 개의 배양 접시를 제거하고 실온 (1 ~의 시간)에 올 수 있습니다.
    4. 섬세한 작업을 닦아 사용하여 각 판의 덮개를 형성하고 응축을 닦으십시오. 물방울이 발생할 수 있습니다 그렇게하지 ​​않으면 배열과 배열 된 돌연변이 체의 교차 오염에 증착된다.
    5. 미생물 배열 달아 로봇을 사용하여, 판 당 1,536 식민지 (4 페트리 접시)에 접시 당 384 콜로니 (16 페트리 접시)의 밀도에서 DMA를 응축. 플레이트 (1) 핀에서 1 차 식민지가 응축 된 배열의 1 열 1 행하기 때문에이 작업을 수행 판 (2)의 1 차 식민지는 1 열 2, 2, 1 열을 행하기 판 (3)의 1 차 식민지를 행 및합니다 판 (4)의 1 차 식민지는 2 행합니다2 열.
    6. 하룻밤 30 ° C에서 통합 된 배열을 품어.
    7. 소스 판에서 식민지의 균일 한 전송을 보장하기 위해 배열을 검사합니다. DMA가 제대로 (그림 4A)를 응축 된 보장하기 위해 가이드 역할을 의도적으로 배열에 포함 여러 빈 위치,있을 것이다.
      주 :이 시험 화합물을 함유하는 매체 상 복제본 도금 소스 판 것이다. 단일 소스 복수 pinnings 판에 사용될 수있다. 또한 많은 로봇마다 전송되는 효모의 비슷한 번호를 확인합니다 상쇄 기능을해야합니다.
  3. 복제 플레이트 삭제 돌연변이 어레이
    1. 제어 700 ㎖ (차량 만 해당) 및 실험 매체 (화학 물질 함유) 700 ml의를 준비합니다. 이 세중 분석 (조건 당 12 판, 플러스 두 엑스트라)을 수행하기위한 충분하다.
    2. 시험 물질 또는 플레이트 당 컨트롤을 포함 YEPD 한천의 50 ㎖를 붓고. 플레이트 t 허용오 다음 평평한 표면에 하룻밤 실온에서 냉각.
    3. 레플리카 플레이트에 로봇을 사용하여, 실험적으로 결정된 농도로 화학 물질을 함유하는 접시의 3 세트뿐만 아니라, 차량 제어를 함유하는 플레이트 상에 세 세트 DMA 접종. 24 ~ 48 시간 동안 실온에서 접시를 품어.

3. 이미징 플레이트 및 데이터 분석

  1. 인큐베이터에서 접시를 제거하고 실온 (1 ~의 시간) 이전 영상에 올 수 있습니다. 이 판을 이미징하는 동안 결로 현상을 방지 할 수 있습니다.
  2. 뚜껑을 제거하고 플랫 베드 스캐너에 얼굴을 아래로 배치하여 24 및 48 시간에서 이미지 플레이트. 적어도 300 dpi의 해상도로 이미지를 캡처합니다. 다르게는, 이미지를 캡처하는 디지털 카메라를 사용한다. 이렇게하면, 장소 플레이트는 어두운 배경에 닫 얼굴과 이미지에 뚜껑을 제거합니다.
    주 : 판의 파일 형식 및 위치가 사용 정량 프로그램에 의존 할 것이다.
  3. 정량 Balony 15 SGAtools (16), 및 ScreenMill (17) 등 여러 오픈 소스 프로그램 중 하나를 사용하여 배열을 식민지 크기 비교를 수행합니다.

화면의 4. 검증

참고 :이 단계에서 몇 가지 효모 삭제 돌연변이 관심있는 화학 물질 등의 과민 점수 것입니다. 이러한 화학 물질이 유전 적 상호 작용은 다음 두 가지 방법으로 확인해야합니다. 먼저 민감한 균주의 신원은 PCR에 의해 확인되어야한다. 둘째, 화학 감도는 독립적으로 득점해야합니다. 아래에 설명하는 변형 과민, 효모 생물학에서 일반적인 기술을 검증하기 위해 안보 분석을 수행하기위한 간단한 프로토콜입니다.

  1. 킬 밖으로 G418 200 ㎍ / ㎖의를 포함 YEPD 한천에 효모 삭제 컬렉션 (과민) 돌연변이를 원했다. 콜로니를 형성 할 때까지 30 ° C에서 품어. 프라이머에 따라 함께 진단 PCR에 의해 변형의 유전자형 확인제조업체의 프로토콜입니다.
  2. 각 변형에 대한 YEPD 액 5 mL를 접종하고 회전이나 진탕 30 ° C에서 밤새 품어.
  3. OD 600을 측정하고 멸균 dH보다 2 O 600 = 1 중독 각 균주를 희석 이들은 지금 정규화 된 효모 문화입니다.
  4. 96- 웰 플레이트의 웰 A1로 정규화 야생형 효모 (BY4741) 100 ㎕ 배양 디스펜스. 우물 B1-H1에 최대 7 개의 추가 균주의 100 μl를 분배.
  5. A6-H6를 통해 우물 A2-H2 멸균 dH보다 2 O의 90 μl를 분배하는 멀티 채널 피펫을 사용합니다. 마지막으로, 표준화 된 효모 배양 1:10 희석 시리즈를 준비합니다. 직렬 멀티 채널 피펫으로 열 2 열 1의 10 μl를 피펫 팅에 의해 시작, 6 희석이 이루어질 때까지 96 웰 플레이트에 걸쳐 계속 (즉, 10 0-10 -5).
  6. 멀티 채널을 사용하여 그리드에 희석 효모 문화의 2-5 μl를 전송화학 및 차량 컨트롤을 포함 YEPD 고체 매체에 피펫. 24 ~ 48 시간 동안 적절한 온도에서 접시를 품어.
  7. 판을 검사하고 (BY4741 컨트롤을 기준으로) 화학 물질을 선택 돌연변이의 감도를 비교합니다. 이미지 (24) 접시와 단계 3.2에서와 같이 48 시간.
    참고 : 관련 유전자 온톨로지 또는 함수 여러 민감한 균주의 동정은 스크린의 유효성을 확신 적합하지만, 유전자의 야생형 카피를 함유하는 플라스미드 과민 결실 균주의 변환은 공식적 유전자 것을 설정하는 데 필요한 관심의 삭제 (그리고 숨겨진 두 번째 사이트 돌연변이) 약물 감도가 발생합니다.

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결과

이 방법의 유효성으로서 우리는 위에서 설명한 프로토콜은 다음 화학 요법 제 5- 플루오로 우라실 (5-FU)의 대표적인 화학적 상호 작용 유전자 스크린을 수행 하였다. 5-FU는 티미 신타뿐만 아니라 DNA와 RNA 대사 (18)을 방해하는 것으로 알려져있다. 5-FU의 화학적 유전 적 상호 작용은 공부 잘하고 이질 동형 접합 삭제 컬렉션 8,19를 모두 사용하여 효모 바코드 마이크로 어레이 기술에 의해 조사되었다. 여기서 우리는 유사한 결과가 돌연변이 콜로니 크기의 정량 비교함으로써 얻어 질 수 있음을 보여준다.

그것은 수행 화면 비 필수 유전자의 결실 반수성 컬렉션을 이용하는 것을 유의해야한다. 이 유형의 스크린은 또한 필수 유전자 돌연변이의 포함을 허용 이배체 균주, 온도에 민감한 돌연변이 및 hypomorphic 대립 유전자를 사용하여 수행 될 수있다. 반수체 삭제 컬렉션을 활용 장점 중 하나는 약물 센스티브을 증가목표 경로의 성...

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토론

화학적 상호 작용 유전자 프로파일을 생성하기위한 방법이 여기에 설명했다. 방법은 간단하다 화학의 유무에 광범위한 유전자 결실 컬렉션 각 균주의 콜로니 크기를 비교하여, 화학적 내성 모독에 필요한 모든 유전자들은 식별된다. 민감한 균주의 결과 목록의 주석 농축 분석은 화학 물질의 작용 모드에 대한 통찰력을 제공하기 위해 사용될 수있다. 이 프로토콜은 효모 신진 위해 최적화되어 있지만, 이는 또한 다른 배열 된 E. 미생물 삭제 모음과 함께 사용하도록 적응 될 수있다 휴대 교란의 (26, 27)의 수백을 조사하기 위해 성공적으로 사용 된 대장균 게이오 컬렉션입니다.

효모 및 기타 생물 화학 - 유전 적 프로파일 링은 잘 확립되어있다. 이러한 연구의 대부분은 마이크로 어레이 분석 또는 높은 처리량 sequ 통해 결실 돌연변이 체를 풀링 재배 적 경쟁 분석법에 의존고유 한 유전자 바코드의 encing. 이 방법은 큰 화학 라이브러리...

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공개 사항

저자는 경쟁하는 금전적 이해관계가 없음을 선언합니다.

감사의 글

CJN 실험실에서 연구 NSERC, 캐나다 암 협회 연구소 (CCSRI)와 캐나다 유방암 재단 (BC-유콘 지점)에서 운영 보조금 지원됩니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
효모 추출물BioBasicG0961YEPD 액체/고체 매체의 경우 1% 최종 농도에 추가(w/v)
티르톤 분말BD Biosciences211820YEPD 액체/고체 매체의 경우 2% 최종 농도에 추가(w/v)
포도당아나케미아31096-380YEPD 액체/고체 매체의 경우 2% 최종 농도(w/v) —에 추가합니다. 오토클레이브하지 마십시오. 20% 원액을 준비하고, 여과 살균하고, 오토클레이빙 후 매체에 첨가합니다.
Agar ABio BasicFB0010YEPD 고체 매체 용 2 % 최종 농도 (w / v)
G418AG Scientific Inc.G-1033200  dH2O의 mg/ml 및 필터 살균. 
12-웰 플레이트Greiner Bio One655180
5 ml 배양 튜브Evergreen Scientific222-2376-080
10 cm 페트리 디쉬VWR25384-302
ROTOR HDA싱어 인스트루먼트 ROT-001고처리량 미생물 어레이 피닝 로봇
PLUSPLATE© 페트리 디쉬싱어 악기 PLU-001200 접시
상자 384 Short-Pin RePad싱어 악기 RP-MP-3841,000 패드 상자
1536 짧은 핀 RePad싱어 악기 RP-MP-15361,000 패드
대체 고정 도구:
완전 자동화된 Robtic 시스템S& P 로봇 공학http://www.sprobotics.com여러 자동 식민지 처리 로비틱 및 상상 시스템을 사용할 수 있습니다.
수동 고정 도구V& P Scientifichttp://www.vp-scientific.com휴대용 복제 도구 및 액세서리. 
에 추가 상자

참고문헌

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