Ten protokół wykorzystuje fluorescencyjne promotory-reportery, mikroskopię żywych komórek i ekstrakcję indywidualnych inkluzji w ukierunkowanym podejściu genetycznym do identyfikacji i izolacji mutantów rozwojowych Chlamydia trachomatis.
Artykuł metodologiczny
Ten protokół wykorzystuje fluorescencyjne promotory-reportery, mikroskopię żywych komórek i ekstrakcję indywidualnych inkluzji w ukierunkowanym podejściu genetycznym do identyfikacji i izolacji mutantów rozwojowych Chlamydia trachomatis.
Wewnątrzkomórkowy patogen bakteryjny Chlamydia trachomatis przechodzi cykl rozwojowy składający się z dwóch morfologicznie odrębnych form rozwojowych. Niereplikacyjny organizm elementarny (EB) inicjuje infekcję gospodarza. Po wejściu do środka EB różnicuje się w ciało siateczkowate (RB). Następnie RB przechodzi wiele rund replikacji, zanim zróżnicuje się z powrotem do zakaźnej formy EB. Cykl ten ma zasadnicze znaczenie dla przeżycia chlamydii, ponieważ brak przełączania między typami komórek zapobiega inwazji lub replikacji gospodarza.
Ograniczenia w technikach genetycznych wynikające z obligatoryjnego wewnątrzkomórkowego charakteru Chlamydii utrudniły identyfikację mechanizmów molekularnych zaangażowanych w rozwój typu komórkowego. Zaprojektowaliśmy nowatorski system plazmidowy z podwójnym promotorem-reporterem, który w połączeniu z mikroskopią żywych komórek pozwala na wizualizację przełączania typów komórek w czasie rzeczywistym. Aby zidentyfikować geny zaangażowane w regulację rozwoju typu komórki, wykorzystano system promotor-reporter żywej komórki do opracowania przyszłościowego podejścia genetycznego poprzez połączenie mutagenezy chemicznej podwójnego szczepu reporterowego, obrazowania i śledzenia chlamydii ze zmienioną kinetyką rozwojową, a następnie klonalnej izolacji mutantów. Ten postępowy przepływ pracy genetycznej jest elastycznym narzędziem, które można modyfikować w celu ukierunkowania na badanie w szerokim zakresie ścieżek genetycznych.
Chlamydia trachomatis (Ctr) jest obligatoryjnym wewnątrzkomórkowym patogenem, który przechodzi przez dwufazowy cykl rozwojowy, który jest niezbędny do jego przetrwania i proliferacji1. Cykl ten składa się z dwóch form rozwojowych, ciała elementarnego (EB) i ciała siatkowego (RB). EB jest niekompetentny w replikacji, ale pośredniczy w inwazji komórek poprzez endocytozę indukowaną efektorem2. Po znalezieniu się w żywicielu EB dojrzewa do replikatywnego RB. RB przeprowadza wiele rund replikacji przed konwersją z powrotem do EB w celu zainicjowania kolejnych rund infekcji.
Ograniczony wachlarz narzędzi genetycznych ograniczył większość badań nad chlamydiami do badań biochemicznych lub stosowania systemów zastępczych. W związku z tym wyjaśnienie regulacji genów i kontroli cyklu rozwojowego było trudne3,4. Jednym z ważniejszych wyzwań w dziedzinie chlamydii jest śledzenie czasowe cyklu rozwojowego chlamydii z wysoką rozdzielczością i identyfikacja białek zaangażowanych w jego regulację. Ekspresja genów podczas cyklu rozwojowego chlamydii była tradycyjnie realizowana za pomocą destrukcyjnych metod "punktu końcowego", w tym RNAseq, qPCR i mikroskopii komórek stałych5,6. Chociaż metody te dostarczyły bezcennych informacji, zastosowane techniki są pracochłonne i mają niską rozdzielczość czasową5,6.
W ciągu ostatniej dekady, manipulacja genetyczna Ctr rozwinęła się wraz z wprowadzeniem transformacji plazmidu i metod mutagenezy7,8,9. Na potrzeby tego badania opracowano system oparty na plazmidzie do monitorowania rozwoju chlamydii w poszczególnych inkluzjach w czasie rzeczywistym w trakcie infekcji. Stworzono transformant chlamydiowy, który wykazywał ekspresję promotora-reportera specyficznego zarówno dla komórek RB, jak i EB. Reporter specyficzny dla RB został skonstruowany przez fuzję promotora wczesnego genu RB euo przed fluorescencyjnym białkiem Clover. EUO jest regulatorem transkrypcji, który tłumi podzbiór późnych genów związanych z EB10. Promotor hctB, który koduje białko podobne do histonów biorące udział w kondensacji nukleoidu EB, został sklonowany bezpośrednio przed mKate2 (RFP) w celu stworzenia specyficznej dla EB klasy reporter11. Szkieletem dla hctBprom-mKate2/euoprom-Clover był p2TK2SW27. Promotory hctB i euo amplifikowano z genomowego DNA Ctr-L2. Każda sekwencja promotora składała się z ~ 100 par zasad przed przewidywanym miejscem rozpoczęcia transkrypcji dla określonego genu chlamydiowego oraz pierwszych 30 nukleotydów (10 aminokwasów) odpowiedniego ORF. Fluorescencyjne warianty FP uzyskano komercyjnie jako zoptymalizowane bloki genów kodonu Ctr i sklonowano w ramce z pierwszymi 30 nukleotydami każdego genu i promotora chlamydii. Terminator incD został sklonowany bezpośrednio za mKate2. Drugi promotor-reporter został umieszczony za terminatorem incD. Gen oporności na ampicylinę (bla) w p2TK2południowy zachód2 został zastąpiony genem aadA (oporność na spektynomycynę) z pBam4. W ten sposób powstała ostateczna konstrukcja p2TK2-hctB prom-mKate2/euoprom-Clover (Rysunek 1A), która została przekształcona w Ctr-L27. Ten szczep reporterowy RB / EB pozwolił na obserwację cyklu rozwojowego w obrębie pojedynczych inkluzji za pomocą mikroskopii żywych komórek (Rysunek 1B, C).
Wykorzystując nasz konstrukt promotora-reportera w połączeniu z mutagenezą chemiczną, opracowano protokół do śledzenia i izolowania indywidualnych klonów, które wykazywały nieprawidłowości rozwojowe od mutagenizowanych populacji serowara Ctr L2. Protokół ten pozwala na bezpośrednie monitorowanie poszczególnych inkluzji chlamydii, śledzenie profili ekspresji genów w czasie, identyfikację klonów chlamydii, które wyrażają zmieniony rozwojowy wzorzec ekspresji genów oraz klonalną izolację Chlamydii z poszczególnych inkluzji.
Chociaż ten protokół został stworzony specjalnie do identyfikacji genów zaangażowanych w rozwój chlamydii, można go łatwo dostosować do badania dowolnej liczby szlaków genetycznych chlamydii.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wszystkie skrypty Pythona używane w tym protokole są dostępne na Github https://github.com/SGrasshopper/Live-cell-data-processing
1. Mutagenizuje Reporter Chlamydia
UWAGA: Ctr-L2-hctB prom-mKate2/euoprom-Clover EBs zostały bezpośrednio zmutagizowane przy użyciu metanosulfonianu etylu (EMS) w pożywce aksenicznej-1, ponieważ ta pożywka wspomaga metabolizm EB i utrzymanie zakaźności EB12.
2. Obrazowanie zmutowanego Ctr
3. Zidentyfikuj i wyizoluj zmutagizowaną Chlamydię ze zmienionymi fenotypami rozwojowymi
4. Weryfikacja fenotypów zmutowanych izolatów
5. Analiza danych do weryfikacji izolatu
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Bezpośrednia mutageneza EMS naszego szczepu chlamydiowego promotora-reportera spowodowała ~75% zmniejszenie zakaźności. Korzystając z opisanego protokołu obrazowania żywych komórek, zobrazowano ~600 inkluzji i śledzono je w ciągu 24 godzin. Kinetyka wyrażeń fluorescencyjnych obu reporterów w każdym włączeniu została zwizualizowana przy użyciu niestandardowych skryptów notatnika języka Python. Zaimplementowano dwa podejścia wizualizacyjne w celu zidentyfikowania kandydata na mutagenizowaną chlamydię do izolacji. ...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Analiza mechanizmów kontrolujących cykl rozwojowy chlamydii jest utrudniona ze względu na ograniczenia dostępnych obecnie narzędzi genetycznych. Wykorzystując nasz promotor-reporter Chlamydia w połączeniu z automatyczną mikroskopią żywych komórek, zbudowano system, który umożliwia monitorowanie rozwoju typu komórkowego w poszczególnych inkluzjach przez okres 24 godzin. System ten, w połączeniu z mutagenezą chemiczną i izolacją bezpośredniego włączenia, ustanowił metodę szybkiej i klonalnej selekcji Chlamydii...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Dziękujemy dr Andersowi Omslandowi z Washington State University za dostarczenie nośników aksonicznych-1. Prace te były wspierane przez granty NIH R01AI130072, R21AI135691 i R21AI113617. Dodatkowe wsparcie zostało zapewnione przez fundusze startowe z University of Idaho i Center for Modeling Complex Interactions za pośrednictwem grantu NIH P20GM104420.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 24-dołkowe płytki polistyrenowe | Corning | 3524 | Wzrost kultur komórkowych w celu reinfekcji izolatów |
| 6-dołkowe szklane płytki denne | Cellvis | P06-1.5H-N | Wzrost kultur komórkowych do obrazowania |
| 96-dołkowe szklane płytki denne | Nunc | 165305 | Wzrost kultur komórkowych do obrazowania |
| Pogrubiona linia Jednostka CO2 | OKO Labs | JEDNOSTKA CO2 BL | Stage inkubator Kontrola CO2 |
| Bold line T Unit | OKO Labs | H301-T-UNIT-BL-PLUS | Inkubator Stage Kontrola temperatury |
| Rurki kapilarne ze szkła borokrzemianowego | Sutter Instrument | B1005010 | Rurki kapilarne |
| Filtr emisji pasmowo-przepustowej BrightLine (514/30nm) | Semrock | FF01-514/30-25 | Filtr fluescencyjny |
| kostka BrightLine (641/75nm) | Semrock | FF02-641/ 75-25 | Kostka filtracyjna fluescencyjna |
| CellTram Vario | Eppendorf | 5196000030 | Mikroiniektor |
| Chlamydia trachmatis serowar L2 | ATCC | VR-577 | Pożywka Chlamydia trachomatis |
| -1 | We własnym | NA | Media Axenic. IPB uzupełniony o 1% FBS, 25 μ M aminokwasy, 0,5 mM G6P, 1,0 mM ATP, 0,5 mM DTT i 50 μ M GTP, UTP oraz CTP. (Omsland, A. 2012) wykonane we własnym zakresie. |
| Komórki Cos-7 (ATCC) | ATCC | CRL-1651 | Komórka nerkowa afrykańskiej zielonej małpy (komórki gospodarza) |
| Cykloheksymid | MP Biomedicals | 194527 | Inhibitor wzrostu komórek gospodarza |
| Metanosulfonian etylu, 99% | Acros Organics | AC205260100 | Mutagen |
| Fetal Plex | Gemini Bio-Products | 100-602 | Suplement do podłoża wzrostowego |
| Fidżi/ImageJ | https://imagej.net/Fiji | NA | Otwarte źródło Oprogramowanie do analizy obrazu. https://imagej.net/Fiji |
| Inkubator CO2 Galaxy 170 S | Eppendorf | CO1700100X | Gbloki inkubacji kultur komórkowych |
| (warianty fluorescencyjne FP: Clover i mKate2) | Zintegrowane technologie DNA | NA gblock ORF zoptymalizowanych pod kątem Ctr wariantów FP do klonowania do p2TK2południowy | |
| zachód2 Gentamycyna 10mg/ml | Gibco | 15710-064 | Antybiotyk do pożywek wzrostowych |
| HBSS (Hank's Balanced Salt Solution) | Corning | 21-020-CM | Płukanie komórek gospodarza |
| Heparyna sodowa | Amersham Life Science | 16920 | hamuje i odwraca wczesne oddziaływania elektrostatyczne między komórką gospodarza a EB |
| HEPES 1M | GE Life Sciences | SH30237.01 | Bufor pH do podłoża wzrostowego |
| InjectMan | Eppendorf | 5179 000.018 | Mikromanipulator |
| Jupyter Notebook | https://jupyter.org/ | NA | Wizualizacja śladów inkluzji. https://jupyter.org/ |
| Lambda 10-3 | Sutter Instrument | LB10-3 | Sterownik koła filtrów |
| Oko Touch | OKO Labs | Oko Interfejs | dotykowy do sterowania linią Bold T i CO2 |
| Jednostka Poprzedni etap XY | Prior | H107 | Zmotoryzowany stolik mikroskopu XY |
| Wirówka PrismR | Labnet | C2500-R | Mikrowirówka z kontrolowaną temperaturą |
| Problot Piec hybrydyzacyjny | Labnet | H1200A | Inkubator kołyszany do zakażenia Chlamydia |
| Proscan II | Wcześniejszy | mikroskopu H30V4 | XYZ |
| Oczyszczacz Klasa 2 Szafa bezpieczeństwa biologicznego | Labconco | 362804 | Praca w hodowli komórkowej |
| RPMI-1640 (bez czerwieni fenolowej) | Gibco | 11835-030 | Podstawowa pożywka wzrostowa do obrazowania |
| RPMI-1640 (czerwień fenolowa) GE | Life Sciences | SH30027.01 | Podstawowy zakres podłoża wzrostowego |
| Diody LED wzbudzenia LED (470nm, 595nm) | scopeLED | F140 | Światło wzbudzenia |
| Dysmembrator soniczny Model 500 | Fisher Scientific | 15-338-550 | Sonicator, ponowne zaparcie granulatu chlamydiowego |
| Inkubator etapowy | OKO Labs | H301-K-FRAME | Komora inkubacyjna na płytce studziennej |
| z sacharozą, fosforanem i glutaminianem bufor 1X (SPG) | W domu | NA | Bufor do przechowywania chlamydiów. (10 mM fosforan sodu [8 mM K 2HPO 4, 2 mM KH 2PO 4], 220 mM sacharozy, 0,50 mM kwas L-glutaminowy; pH 7,4) |
| Kolby T-75 | Thermo Scientific 156499 | Wzrost kultur komórkowych | |
| Mikroskop odwrócony TE 300 | Mikroskop Nikon | 16724 | Mikroskop |
| THOR LED | Thor Labs | LEDD1B | Światło białe |
| Trypsyna | Corning | 25-052-CI | Usuwa komórki gospodarza z kolby do wysiewu na płytki |
| Kamera obrazowa Zyla sCMOS | Andor | ZYLA-5.5-USB3 | |
| &mikro; Manager 2.0gamma | https://github.com/micro-manager/micro-manager | NA | Pakiet oprogramowania do automatycznego sterowania mikroskopem z otwartym zasobem |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie