Do badania starzenia się S. cerevisiae wykorzystywano dwa modele długości życia: RLS oraz CLS. Replikacyjna (pączkująca) długość życia (RLS) opiera się na obserwacji, że macierzyste komórki drożdży przechodzą ograniczoną liczbę podziałów3-6. W niniejszej pracy skupimy się na chronologicznej długości życia (CLS), modelu opartym na chronologicznym przeżyciu niedzielących się drożdży w hodowli lub na płytkach7-11. Drożdże typu dzikiego rosną wykładniczo przez 10-12 godzin w syntetycznym pełnym medium z dekstrozą (SDC). Gdy poziom glukozy spada, drożdże przełączają się z fermentacji na oddychanie, co jest procesem zwanym przesunięciem diauksycznym. Komórki nadal dzielą się powoli podczas fazy podadiauksycznej przez około 48 godzin, zanim wejdą w stan zatrzymania w fazie G0. Szybkość metaboliczna komórek pozostaje wysoka do 5-6 dnia (dzień 0 to dzień inokulacji). Żywotność komórek w czasie można ocenić na podstawie procenta chronologicznie starzejących się komórek pobieranych co dwa dni, które są w stanie opuścić stan zatrzymania G0 i tworzyć kolonie na bogatych płytkach YPED.
1. Chronologiczna długość życia (CLS) drożdży w kulturze płynnej
- Zaszczep pojedynczą kolonię do 1 ml syntetycznego medium kompletnego z glukozą (SDC, Tabela 1) i inkubuj przez noc z wytrząsaniem (220 rpm) w temperaturze 30°C. Dla każdego szczepu należy przygotować trzy szczepionki z niezależnych kolonii, aby uzyskać repliki biologiczne.
- Rozcieńcz nocną kulturę w świeżym medium SDC (zazwyczaj 10 ml) do OD=0,05-0,1 (rozcieńczenie ok. 1:100) i inkubuj z wytrząsaniem (220 rpm) w temperaturze 30°C. Ten punkt czasowy uznaje się za dzień 0 starzenia chronologicznego. Zachowaj stosunek kultury do objętości kolby wynoszący 1:5 (10 ml kultury w kolbie 50 ml lub w przypadku dłuższych/większych eksperymentów 25 ml kultury w kolbie 125 ml), aby zapewnić odpowiednie napowietrzanie.
- Zaczynając od 3. dnia, pobierz z kolby 2 alikwoty po 10 μl, rozcieńcz je 10 000 razy w autoklawowanej wodzie, nanieś 10 μl rozcieńczonej kultury (np. 104-10) na płytki YEPD (1% ekstraktu drożdżowego, 2% peptonu bacto, 2% dekstrozy, 2% agaru) i inkubuj w temperaturze 30°C przez 48-72 godziny przed przeliczeniem jednostek tworzących kolonie (CFU).
- CFU z 3. dnia uznaje się za 100% przeżywalności. Czynniki rozcieńczenia starzejącej się kultury w kolejnych dniach należy odpowiednio dostosować, aby zapewnić ok. 20-100 kolonii w teście CFU (np. 104-10, 104-30, 103-10 itp.). Dla komórek typu dzikiego w tle DBY746 CLS osiąga 1% przeżywalności około 11. dnia.
Warianty testu żywotności in situ obejmują:
- Ograniczenie kaloryczne (CR) poprzez limitację glukozy. Rozcieńczenie hodowli nocnej w medium SC z ograniczoną zawartością glukozy (np. 0,5 lub 0,05% zamiast standardowych 2% glukozy) prowadzi zazwyczaj do niższej gęstości nasycenia populacji w 3. dniu, lecz znacznie wydłuża średnią oraz maksymalną (10% przeżywalności) długość życia12.
- W przypadku ekstremalnego CR/głodzenia, kulturę w fazie stacjonarnej z 3. dnia (zazwyczaj 10 ml, jak w kroku 3 powyżej) należy przemyć wodą autoklawowaną (komórki resuspenderować w równym объеме wody i wirować przy 2500 rpm przez 5 min, powtórzyć 3 razy). Inkubacja komórek w wodzie naśladuje warunki głodzenia, z którymi drożdże mogą spotkać się w środowisku naturalnym. Następnie co dwa dni kulturę starzejącą się należy przemyć wodą autoklawowaną i resuspenderować w równym объеме wody, aby usunąć składniki odżywcze uwolnione z lizowanych martwych komórek. Test żywotności należy przeprowadzić, pobierając próbki z kultury starzejącej się zgodnie z opisem powyżej. Warunki głodzenia te doprowadzą do niemal dwukrotnego wydłużenia średniego CLS w szczepie typu dzikiego DBY74612.
2. Test żywotności in situ
W hodowli płynnej niewielka frakcja przeżywających komórek może ponownie wejść w cykl komórkowy i rosnąć, wykorzystując pozostałe składniki odżywcze lub te uwolnione z lizowanych martwych komórek w medium; fenotyp ten nazywa się odrostem/gaspingiem13. Opracowaliśmy system oceny żywotności na płytce, który wykorzystuje aukzotrofię szczepu DBY746 (trp1), aby uniknąć problemu odrostu/gaspingu oraz umożliwić badanie wpływu stałej ekspozycji lub braku różnych zewnętrznych składników odżywczych lub bodźców na CLS drożdży11. Ten test żywotności in situ naśladuje również model długości życia replikacyjnego, w którym komórki są stale eksponowane na obfite składniki odżywcze przez cały czas trwania analizy czasu życia.
- Zaszczep pojedynczą kolonię do 1 ml syntetycznego medium kompletnego z glukozą (SDC) i inkubuj przez noc z wytrząsaniem (220 rpm) w temperaturze 30°C. Dla każdego szczepu należy przygotować co najmniej trzy szczepionki z niezależnych kolonii w celu uzyskania powtórzeń biologicznych.
- Pozostaw kulturę do namnożenia do poziomu ˜108 komórek/ml (OD600=˜10), a następnie rozcieńcz kulturę wodą autoklawowaną do stężeń 100-200 komórek/10 μl (zazwyczaj rozcieńczenie 104-krotne) oraz 1 000 komórek/10 μl (rozcieńczenie 103-krotne).
- Wyjałowuj dwie porcje po 10-30 μl rozcieńczonej kultury na jedną płytkę SDC z brakiem tryptofanu. Dla każdego szczepu przygotuj zestaw od 8 do 20 płytek i oznacz je zgodnie z gęstością wysiewu (np. rozcieńczenie 104-krotne, wysiew 10 μl lub 104-10, 104-30, 103-10, 103-30 itd.), co zapewni możliwość przeliczenia 10-100 kolonii, przewidując spadek żywotności podczas starzenia.
- Inkubuj zestaw płytek w temperaturze 30°C przez cały czas trwania analizy długości życia.
- W dniu wysiewu oraz co 2 dni w dalszym ciągu, wyjmij jedną płytkę i dodaj kroplami 0,5 ml tryptofanu (2 mg/ml), aby umożliwić wzrost żywych komórek. Inkubuj płytkę w temperaturze 30°C przez dodatkowe 48-72 godziny. Policz CFU w celu oceny żywotności w dniu dodania tryptofanu. Liczbę CFU w dniu wysiewu uznaje się za 100% przeżywalności.
Warianty testu żywotności in situ obejmują:
- Starzej komórki na płytkach agarowych (warunki ekstremalnego głodu). W kolejnych dniach dodaj 1 ml 2x YPED zamiast tryptofanu, aby umożliwić wzrost i oznaczenie CFU14.
- Starzej komórki na płytkach z syntetycznym medium kompletnym z brakiem tryptofanu z różnymi źródłami węgla, np. różnymi stężeniami glukozy (ograniczenie kaloryczne poprzez limitację glukozy), różnymi źródłami węgla takimi jak etanol, glicerol, kwas octowy14. Dodaj 1 ml roztworu glukozy/tryptofanu (20% glukozy i 1mg/ml tryptofanu), aby umożliwić wzrost i oznaczenie CFU.
- Inne manipulacje składnikami odżywczymi, np. azotem.
3. Uszkodzenia DNA i częstotliwość mutacji podczas starzenia chronologicznego
Oporność na kanawaninę (Canr) i sekwencjonowanie can1
Częstość spontanicznych mutacji można ocenić poprzez pomiar częstości występowania oporności na kanawaninę (Canr) w kulturach starzejących się chronologicznie. Mutacje w genie CAN1 (YEL063), który koduje plazmatyczną permeazę argininy, sprawiają, że komórki stają się oporne na analog argininy, L-kanawaninę. Kolonie Canr zebrane w różnych punktach czasowych mogą zostać również zachowane w celu ekstrakcji DNA genomowego i późniejszego sekwencjonowania genu CAN1, co pozwala na uzyskanie danych dotyczących spektrum mutacji (za pomocą Mutation Surveyor, SoftGenetics).
Substytucje zasad (rewersje Trp+)
Szczepy z mutacją trp1-289 posiadają mutację bursztynową (C403T) w sekwencji kodującej TRP1. Pomiar częstotliwości rewersji trp1-289 do Trp+15 pozwala na oszacowanie szybkości substytucji zasad podczas chronologicznego starzenia się drożdży.
Mutacje przesunięcia ramki odczytu
Szczep Lys- EH150 (MATa, lys2ΔBglII, trp1-Δ, his3-Δ200, ura3-52, ade2-1o) posiada mutację lys2ΔBglII, która została wytworzona poprzez wstawienie 4 nukleotydów w celu utworzenia miejsca cięcia dla enzymu restrykcyjnego BglII w genie LYS2. Wynikające z tego przesunięcie ramki odczytu o +4 prowadzi do aukzotrofii lizynowej, która może zostać zniesiona przez niewielkie mutacje typu insercja/delecja16-17.
Makroskopowe rearanżacje chromosomalne (GCRs)
Aby wykryć masywne reorganizacje chromosomalne (GCRs), stworzyliśmy szczep mutanta, w którym gen HXT13 (YEL069), kodujący wysoce redundantny transporter heksoz, został przerwany za pomocą kasety URA318. HXT13 znajduje się 7,5 kb telomerycznie względem CAN1 na chromosomie V. Mutacje w genach CAN1 i URA3 nadają komórkom odporność odpowiednio na L-kanawaninę i kwas 5-fluorootowy (5FOA). Biorąc pod uwagę niską częstotliwość mutacji punktowych występujących w obu tych genach, analiza częstości Canr 5FOAr pozwala oszacować liczbę GCRs prowadzących do utraty obu genów.
Rekombinacja homologiczna i homeologiczna
Aby monitorować poziom rekombinacji homologicznej (100%) i homeologicznej (91%) podczas starzenia chronologicznego, stworzyliśmy mutanty, w których wprowadzono zlinearyzowane plazmidy (HIS3::intron-IR-URA3) zawierające albo 100% homologiczne odwrócone powtórzenia (IR) (pSR406), albo 91% homeologiczne IR (pSR407) w locus HIS319. Rekombinacja pomiędzy IR umożliwia ekspresję funkcjonalnego białka His3.
- Równolegle do standardowego testu żywotności (opisanego powyżej), pobierz odpowiednią liczbę komórek z kultury starzejącej się:
- dla mutacji Canr, zacznij od ˜2x107 komórek (200 μl kultury z 3. dnia);
- dla rewersji Trp+, zacznij od ˜108 komórek (500-1000 μl kultury z 3. dnia);
- dla mutacji z przesunięciem ramki odczytu Lys+, zacznij od ˜108 komórek (500-1000 μl kultury z 3. dnia);
- dla GCRs, zacznij od 2-3x108 komórek (2-3 ml kultury z 3. dnia);
- dla rekombinacji homologicznej i homeologicznej, zacznij od ˜5x107 komórek (200-500 μl kultury z 3. dnia);
dostosuj ilość wysiewanego materiału do spadku całkowitej żywotności oraz wzrostu częstotliwości mutacji podczas starzenia chronologicznego (Table 2). W przypadku szczepów o fenotypie hipermutatora (np. z defektami naprawy DNA), odpowiednio zmniejsz ilość pobieranej próby.
- Odwirowuj komórki w wirówce laboratoryjnej (6000 rpm przez 5 min).
- Resuspenduj komórki w 1 ml wody autoklawowanej, a następnie ponownie je odwirowuj.
- Resuspenduj osad komórkowy w 100 μl wody. Wysiej komórki:
- dla mutacji Canr, na płytki z syntetyczną pożywką kompletną pozbawioną argininy (SDC-Arg, uzupełnioną o 60 μg/ml siarczanu L-kanawaniny);
- dla rewersji Trp+, na płytki pozbawione tryptofanu (SDC-Trp);
- dla mutacji z przesunięciem ramki odczytu Lys+, na płytki pozbawione lizyny (SDC-Lys);
- dla GCRs, na płytki pozbawione argininy (SDC-Arg) uzupełnione o 5FOA (1 mg/ml) i siarczan L-kanawaniny (60 μg/ml);
- dla rekombinacji homologicznej i homeologicznej, na płytki pozbawione histydyny uzupełnione galaktozą (2%).
- Policz CFU po 3-4 dniach inkubacji w temperaturze 30°C. Częstotliwość mutacji należy znormalizować do liczby żywych komórek.
Uzupełnieniem testu żywotności in situ może być badanie zależnej od wieku rewersji Trp+, mutacji przesunięcia ramki Lys+, rekombinacji lub Canr w komórkach starzejących się na płytce.
- Wysiać komórki (˜108 komórek/płytkę) na płytki z syntetycznym podłożem kompletnym z pominięciem Trp, Lys, His lub z dodatkiem L-kanawaniny (zgodnie z powyższym opisem).
- Co dwa dni (lub w wybranym punkcie czasowym) ocenić liczbę nowo powstających kolonii.
- Częstotliwość mutacji szacuje się poprzez normalizację liczby nowo powstających kolonii do całkowitej liczby żywych komórek w danym dniu.
4. Synteza ponaduszkodzeniowa (TLS)
Zależny od wieku wzrost częstotliwości mutacji może wynikać ze zwiększonego uszkodzenia makrocząsteczek, osłabienia ochrony i naprawy komórkowej oraz nasilenia błędnej naprawy DNA (takiej jak zależna od Polζ synteza ponaduszkodzeniowa, TLS) w trakcie starzenia. Na przykład długożyjące mutanty sch9Δ wykazują podwyższoną ekspresję SOD2 oraz obniżoną ekspresję podatnego na błędy enzymu naprawy DNA Rev120. W niniejszej pracy opisujemy test łączący uszkodzoną matrycę DNA z całkowitym ekstraktem jądrowym w celu oceny TLS in vitro.
- Przygotować ekstrakt jądrowy zgodnie z opisem Wang et al.21; oznaczyć stężenie białka za pomocą testu BCA (Pierce).
- Dodać 0, 5, 10 lub 20 μg ekstraktów jądrowych do reakcji o końcowej objętości 50 μl zawierających bufor TLS (20 mM HEPES, 7 mM MgCl2, 1 mM DTT, 25 mM NaCl, pH 7.8), 200 μM dNTP oraz 100 nM primera o długości 12 nukleotydów znakowanego 5'-32P (5'-CGA TGG TAC GGA-3'), zhybrydyzowanego z matrycą o długości 48 nukleotydów zawierającą analizowane uszkodzenie DNA (5'-TCG ATA CTG GTA CTA ATG ATT AAC GAC TXA AGC ACG TCC GTA CCA TCG-3', gdzie X oznacza miejsce uszkodzenia, np. miejsce abazylowe, 8-oxo-G itp.).
- Inkubować mieszaninę w temperaturze 30°C przez 30 min, a następnie przerwać reakcję poprzez dodanie 2,5 μl EDTA (20 mM) oraz 2 μl proteinazy K (10 mg/mL).
- Oczyścić DNA metodą ekstrakcji fenolem i precypitacji etanolem.
- Resuspender DNA w 50 μl buforu do nakładania na żel (98% formamidu, 20 mM EDTA i barwnika).
- Rozdzielić produkty syntezy TLS na żelach poliakryamidowych o stężeniu 19%.
- Ilościowo oznaczyć TLS za pomocą obrazowania fosforowego (Rysunek 1).
5. Reprezentatywne wyniki
W standardowej analizie CLS w środowisku ciekłym zazwyczaj przyjmuje się liczbę CFU w 3. dniu jako 100% przeżywalności. Procent przeżywalności w kolejnych dniach można dopasować, aby obliczyć średnią (50% przeżywalności) oraz maksymalną (10% przeżywalności) długość życia12. Wyniki długości życia uzyskane z testu żywotności in situ są zazwyczaj zgodne z wynikami uzyskanymi w ciekłym teście CLS, jednak przy zredukowanej średniej długości życia, co wynika częściowo z faktu, że komórki są stale eksponowane na składniki odżywcze. Obecność glukozy hamuje aktywność mechanizmów ochrony komórkowej, co objawia się zmniejszoną transaktywacją czynników transkrypcyjnych odpowiedzi na stres, takich jak Msn2/4 i Gis112.
Częstość mutacji zależna od wieku znacznie różni się w zależności od tła szczepu, manipulacji genetycznych, warunków hodowli oraz wieku. Tabela 2 przedstawia typowe wyniki uzyskane dla szczepu typu dzikiego (DBY746).
|
Komponent |
g/L |
|---|
| D-glukoza | 20 |
| Siarczan amonu | 5 |
| Zasada azotowa (-AS/-AA) | 1.8 |
| NaH2PO4 | 1.4 |
| | mg/L |
| Adenina | 80 |
| L-arginina | 40 |
| Kwas L-asparginowy | 100 |
| Kwas L-glutaminowy | 100 |
| L-histydyna | 80 |
| L-izoleucyna | 60 |
| L-leucyna | 120 |
| L-lizyna | 60 |
| L-metionina | 80 |
| L-fenyloalanina | 60 |
| L-seryna | 400 |
| L-treonina | 200 |
| L-tryptofan | 80 |
| L-tyrozyna | 40 |
| L-walina | 150 |
| Uracyl | 80 |
Tabela 1. Syntetyczna pożywka glukozowa kompletna, SDC (pH skorygowane do 6,0 za pomocą NaOH). Dodano 4-krotny nadmiar histydyny, leucyny, tryptofanu i uracylu, aby zrekompensować aukstrofię szczepu DBY746.
|
|
Dzień 3 (średnia ± SEM) |
Do (w trakcie starzenia) |
|---|
| Canr | 1.76 ± 0.12 x10-6 | 6-8 x10-6 |
| reversja Trp+ | 6.60 ± 1.70 x10-8 | 1.60 x10-6 |
| mutacja przesunięcia ramki Lys+ | 3.00 ± 0.78 x10-8 | 0.70 x10-6 |
| GCRs | 0.62 ± 0.10 x10-8 | 0.30 x10-6 |
| Rekombinacja homologiczna | 5.55 ± 2.74 x10-6 | 27.00 x10-6 |
| Rekombinacja homeologiczna | 0.12 ± 0.04 x10-6 | 0.48 x10-6 |
Tabela 2. Typowe częstości mutacji komórek typu dzikiego (DBY746) podczas starzenia chronologicznego.

Rycina 1. Wynik syntezy translesyjnej (TLS)20. Ekstrakty jądrowe z 3-dniowych komórek typu dzikiego (DBY746) oraz mutantów sch9Δ w fazie stacjonarnej inkubowano przez 30 min w temperaturze 30°C z nieuszkodzonymi matrycami DNA lub matrycami zawierającymi miejsca abasyczne. Produkty TLS zaznaczono liniami ciągłymi (dla matrycy nieuszkodzonej) lub przerywanymi (dla matrycy uszkodzonej). W ekstrakcie jądrowym z mutantów sch9Δ nie zaobserwowano syntezy translesyjnej. Wolne primery wskazano pustą strzałką.