Protokół ten opisuje dwie metody zatrzymania cyklu komórkowego drożdży oraz opcjonalnego uwalniania oraz rozwija zastosowanie mikroskopii fluorescencyjnej do badania procesów zależnych od cyklu komórkowego u S. cerevisiae.
Method Article
* These authors contributed equally
Protokół ten opisuje dwie metody zatrzymania cyklu komórkowego drożdży oraz opcjonalnego uwalniania oraz rozwija zastosowanie mikroskopii fluorescencyjnej do badania procesów zależnych od cyklu komórkowego u S. cerevisiae.
Komórki eukariotyczne podążają za zachowanym cyklem komórkowym, który reguluje różnorodne procesy, w tym utrzymanie DNA i homeostazę organelli. Badanie procesów komórkowych zależnych od cyklu komórkowego jest często konieczne do właściwej interpretacji wyników eksperymentalnych. Dostępne są metody chemiczne i genetyczne umożliwiające synchronizację cyklu komórkowego w komórkach hodowanych w szerokim spektrum organizmów, w tym modele kręgowców, umożliwiające badanie procesów zależnych od cyklu komórkowego. Jednak wśród organizmów modelowych drożdże pączkujące pozostają potężnym narzędziem do analizy cyklu komórkowego ze względu na szczególnie solidne metody synchronizacji, krótki czas generowania oraz genetyczną podatność na przetwarzanie. Drożdże dzielą podstawowe mechanizmy cyklu komórkowego z innymi eukariontami, co umożliwiło przełomowe odkrycia w regulacji cyklu komórkowego. Protokół ten szczegółowo opisuje metody analizy cyklu komórkowego u drożdży, koncentrując się na eksperymentach G1 z zatrzymaniem i uwalnieniem oraz mitotycznym zatrzymaniem i uwalnianiem, w tym konstrukcją szczepów, przygotowaniem hodowli oraz mikroskopią. Przedstawiono metody znakowania PCR do uzyskania odpowiednich szczepów do zatrzymań cyklu komórkowego oraz mikroskopii fluorescencyjnej. Zatrzymanie G1 osiąga się przy użyciu czynnika α feromonów peptydowych, a krótkie płukania prowadzą do synchronicznego uwalniania i postępu cyklu komórkowego. Próbki pobierane są w różnych momentach po wypuszczeniu do cyklu komórkowego i utrwalane do mikroskopii. Druga metoda zatrzymuje komórki drożdży w mitozie poprzez wyczerpanie regulatora cyklu komórkowego Cdc20, aby osiągnąć populację zatrzymaną metafazą, a także opcjonalne uwolnienie do anafazy. Próbki są utrwalane i przygotowywane do obrazowania przed i po uwolnieniu, a następnie są obrazowane i analizowane. Analiza obrazów koncentruje się na katalogowaniu dynamicznej lokalizacji oraz zmian liczebności białek w cyklu komórkowym. Metody synchronizacji te są odpowiednie do różnorodnych manipulacji cyklu komórkowego, a choć ich zastosowanie w obrazowaniu stałych komórek jest tutaj podkreślone, można je dostosować do wielu innych analiz, w tym obrazowania żywych komórek oraz testów biochemicznych i molekularnych.
Podział komórek eukariotycznych jest silnie regulowany poprzez program zwany cyklem komórkowym. Wysoce zachowane i dynamiczne procesy zachodzące w cyklu komórkowym sprawiają, że badanie jest interesujące samo w sobie, ale mają też szerokie implikacje, które wspierają badania innych procesów biologicznych komórek – na przykład wiele organelli przechodzi dramatyczną przebudowę podczas podziału komórkowego, a obfitość i lokalizacja wielu białek są silnie regulowanew całym 1,2,3. Chociaż w układach metazoowych występują pewne dodatkowe warstwy złożoności w porównaniu do drożdży, w tym większa różnorodność kinaz i białek regulacyjnych oraz dodatkowe sygnały z sygnałów zewnętrznych u metazo, podział komórkowy jest ogólnie bardzo dobrze zachowany we wszystkich eukariontach 4,5. Wiele fundamentalnych badań nad ustanowieniem kluczowych informacji dotyczących postępu cyklu komórkowego i kluczowych kroków regulacyjnych wykonano u drożdży, a drożdże pozostają niezwykle atrakcyjnym organizmem do badania zagadnień związanych z cyklem komórkowym z wielu powodów 6,7. Najważniejszym z nich jest szeroki wachlarz dostępnych metod manipulacji cyklem komórkowym, umożliwiający zatrzymanie na różnych etapach i synchronizację komórek. Dodatkowe zalety to krótki cykl komórkowy drożdży (~90-150 minut w zależności od temperatury i warunków podłoża), łatwość manipulacji genetycznej oraz szeroki zakres alleli warunkowych umożliwiających badania w kontekście typu dzikiego.
Przebieg przez różne fazy cyklu komórkowego jest napędzany aktywnością kilku kluczowych kinaz, w tym wszechobecnej kinazy zależnej od cyklinu (Cdk), kinazy podobnej do Polo oraz zorzy polarnej. Punkty kontrolne cyklu komórkowego regulują postęp w cyklu komórkowym, zapewniając, że komórki nie przechodzą do kolejnego etapu podziału, chyba że spełnione są określone warunki 8,9. Te punkty kontrolne oraz regulowane przez nie przejścia mogą być wykorzystywane przez badaczy, aby osiągnąć długotrwałe zatrzymanie lub zatrzymanie i uwolnienie przejściowe, aby zsynchronizować populację komórek (Rysunek 1). Na przykład punkt kontrolny dotyczący zaangażowania cyklu komórkowego (punkt restrykcyjny lub Start u drożdży) zapewnia, że komórka ma wystarczająco dużo składników odżywczych, aby zaangażować się w podział przed rozpoczęciem replikacji DNA10. Ten punkt kontrolny można manipulować w drożdżach haploidalnych, aby osiągnąć zatrzymanie G1, wykorzystując program godowy drożdży, który oddziałuje na cykl komórkowy. W drożdżach piekarskich (Saccharomyces cerevisiae) komórki haploidalne mają jeden z dwóch typów godowych, MATa lub MATα, które są genetycznie określone przez locus typu godowego. Drożdże jednego typu kopulacyjnego są wrażliwe na feromony godowe drugiego typu i reagują aktywacją kaskady sygnalizacyjnej kinazy MAP, która ostatecznie fosforyluje i stabilizuje inhibitor Cdk Far1, uniemożliwiający wejście do cyklu komórkowego poprzez wiązanie się z kompleksem Cln1/2-Cdk i blokowanie jego aktywności 11,12,13. Komórki reagujące na feromony godowe można wizualnie określić na podstawie obecności projekcji godowej lub shmoo (Rysunek 1). W ten sposób chemicznie syntetyzowany czynnik α można dodać do hodowli komórek MATA, aby uzyskać zatrzymanie G1. Innym przejściem cyklu komórkowego, na którym naukowcy mogą dążyć do synchronizacji komórek drożdży, jest przejście z metafazy do anafazy. Podczas mitozy Punkt Kontrolny Montażu Wrzeciona (SAC) monitoruje przyczepianie kinetochorów do mikrotubul i hamuje anafazę promującą kompleks/cyklosom (APC/C) poprzez sekwestrowanie jej aktywatora, Cdc20, gdy wykryto nieprzyłączone kinetochory. APC/C to kompleks ligazy E3, który jest niezbędny do wejścia w anafazę. Gdy SAC jest spełniony, Cdc20 wiąże APC/C, a APC/C ubikwitynuje kilka białek, głównie sekurynę i cyklinę B, co celuje w ich degradację, wspierając segregację chromosomów i mitotyczne wyjście14,15. Chociaż sam Cdc20 nie jest składnikiem SAC, jego hamowanie jest celem aktywacji SAC; dlatego indukowalne wyczerpanie Cdc2O może być wykorzystane do zatrzymania hodowli drożdży w metafazie (Rysunek 1)16.
Protokół ten obejmuje dwie metody manipulacji cyklem komórkowym drożdży oraz przykładowe zastosowanie każdej z tych metod. W pierwszym przypadku do zatrzymania komórek w G1 stosuje się czynnik α, po czym następuje krok płukania w celu uwolnienia komórek z zatrzymania, co skutkuje synchronicznym wejściem w cykl komórkowy. Zsynchronizowane komórki będą kontynuowane przez cały cykl komórkowy, umożliwiając badaczom śledzenie i badanie komórek na każdym etapie cyklu komórkowego. W tej metodzie monitorowana jest dynamiczna lokalizacja interesującego białka tagowanego GFP, Stu2, oraz śledzona jest jego powiązanie z wrzecionem mitotycznym. Metoda ta wykorzystuje również element oznaczonego korpusu bieguna wrzecionowego (SPB), Spc110-mCherry, który umożliwia pomiary długości wrzeciona mitotycznego i jest doskonałym wskaźnikiem postępu cyklukomórkowego 17. Metoda ta pokazuje, jak zatrzymanie i uwalnianie cyklu komórkowego umożliwia synchronizację populacji komórek, ułatwiając badanie białka lub innego interesującego komponentu przez cały cykl komórkowy.
W drugiej metodzie zatrzymanie mitotyczne odbywa się poprzez zużycie Cdc20 przy użyciu systemu degronu indukującego auksynę (AID)18. W komórkach ekspresujących TIR1 (białko F-box pochodzenia roślinnego) każde białko z tagiem AID będzie ulokkwitynowane i degradowane po dodaniu auxiny. Tutaj używamy Cdc20 oznaczonego AID, aby umożliwić indukowalną degradację Cdc20, co powoduje zatrzymanie metafazy. Populacja ta jest następnie monitorowana pod kątem rekrutacji oznaczonego składnika SAC Bub1-GFP do kinetochorów, używając oznakowanego białka kinetochoru Mtw1-mCherry jako markera fiducjalnego. Chociaż Bub1 pełni niezależne od SAC role w kinetochorach i lokalizuje się do kinetochorów we wczesnej mitozie, jego trwała lokalizacja kinetochoru w komórkach zatrzymanych sygnalizuje nieprawidłowe przyczepienie kinetochoru do mikrotubul19. Udowodniliśmy to, lecząc komórki trucizną mikrotubul, nokodazolem, która zakłóca przyłączenia kinetochoru i mikrotubul. Ten eksperyment pokazuje, jak procesy specyficzne dla konkretnej fazy cyklu komórkowego można badać przy użyciu wysoce regulowanych metod zatrzymania. Dodatkowo wykazujemy, że auksynę można wypłukać z kultur cdc20-AID, umożliwiając uwolnienie w anafazę i wejście do nowego cyklu komórkowego, choć z naszego doświadczenia wynika, że te kultury nie uwalniają się tak synchronicznie jak α-czynnikowe zatrzymanie-uwolnienie. Te dwie metody aresztowania i uwalniania są skuteczne i łatwe do wdrożenia, ale badacze z drożdżami mają do dyspozycji wiele innych metod, aby zatrzymać komórki na różnych etapach cyklu komórkowego 20,21,22,23. Szczegóły dotyczące tych metod można znaleźć w Dyskusji.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
1. Konstrukcja szczepów do analizy i obrazowania cyklu komórkowego
2. Hodowla drożdży i synchronizacja cyklu komórkowego: α-czynnikowy zatrzymanie-uwalnianie
3. Hodowla drożdży i synchronizacja cyklu komórkowego: zatrzymanie i uwolnienie Cdc20
4. Utrwalanie drożdży
5. Przygotowanie preparatów do obrazowania
6. Obrazowanie
7. Analiza obrazów
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Analiza zmian w lokalizacji białek zależnych od cyklu komórkowego za pomocą mikroskopii fluorescencyjnej może być łatwo przeprowadzona metodami opisanymi tutaj. Nasza grupa od dawna interesuje się dynamiczną regulacją i funkcją wrzeciona mitotycznego. W drożdżach ciała biegunów wrzeciona (oznaczone składnikiem Spc110) pełnią funkcję centrów organizujących mikrotubule, z których wychodzą włókna mikrotubul, tworząc strukturę wrzeciona mitotycznego30. Białko wiążące m...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Wykorzystanie synchronizacji cyklu komórkowego u drożdży pączkujących umożliwia badanie kluczowych mechanizmów różnych procesów komórkowych. Zastosowanie zatrzymań-uwalniania G1 z terapią α-czynnikową umożliwia synchroniczny przebieg populacji komórek przez etapy cyklu komórkowego i, jak pokazaliśmy, może ujawnić dynamiczne wzorce lokalizacji regulatorów komórkowych, takich jak Stu236. Zatrzymywanie cyklu komórkowego można również osiągnąć za pomocą metod genetycznych poprzez wyczerpanie ...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Autorzy deklarują brak konkurencyjnych interesów finansowych.
Dziękujemy University of Utah Cell Imaging Core za utrzymanie obiektu mikroskopu Delta Vision. Prace te były częściowo wspierane przez granty NIH F31CA2717405 (dla M.G.S.) i T32GM141848 (dla M.G.S. i T.C.S.), 5 For the Fight (dla M.P.M.), Pew Biomedical Scholars (dla M.P.M.) oraz NIH grant R35GM142749 (dla M.P.M.).
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| ?-czynnik | Zakład Syntezy Rdzeniowej Uniwersytetu Utah | Sekwencja: WHWLQLKPGQPMY | |
| 1,5 mL Pippendorf Tube | Axygen | MCT-175-C | |
| 10mM mieszanka dNTP | Thermo Scientific | R0193 | |
| Stożkowe lampy o pojemności 50 mL | Greiner Bio-One | 227 261 | |
| 5x bufor reakcji HF Phusion | New England BioLabs | B0518S | |
| Kwas octowy, lodowiec | Fisher Chemical | BP2401C-212 | |
| Sól hemisiarczanowa adeniny | Sigma-Aldrich | A9126-100G | |
| Agar, granulowany | Apex Chemicals and Reagents | 20-275 | |
| Agarozy | Produkty Apex Bioresearch | 20-102GP | |
| Autoklaw Amsco Century Steam Sterilizer | Steris | SV-1262 | |
| Autoklawowa woda DI | |||
| Auxina | Sigma-Aldrich | Katalog#I3750-5G-A; CAS: 87-51-4 | |
| Cargille Laser Liquid | Laboratoria Cargille | 20130 | |
| D-Sorbitol | Sigma-Aldrich | S1876-500G | |
| DAPI (40,6-Diamidino-2-fenylindol, dihydrochlorek) | Sondy molekularne | Cat#D1306 | |
| Sól sodowa z kwasu deoksyrybonukleinowego z jąder łososia | Sigma-Aldrich | D1626 | |
| Dekstroza | Fisher Chemical | D16-10 | |
| Tetraacetat disodu etylendiaminy | Fisher Chemical | S811-10 | |
| DMSO | Thermo Scientific | 20688 | |
| FIJI/ImageJ2 vs 2.14.0/1.54f | ImageJ2 | https://imagej.net/software/fiji/ | |
| Mieszacz wirowy o stałej prędkości | VWR | https://dabos.com/product/vortex-mixers-vwr-fixed-speed-vortex-mixer-00001-24763?srsltid=AfmBOoo5TH0aoExvrrrphDaFt8XAsDqLvkjxtEUj1QWlFbWh7_gwzMObLT4&gQT=2 | |
| Mikroskop fluorescencyjny DV Ultra | Leica | https://www.leica-microsystems.com/c/am/lsr-w/fluorescence-microscope-wf/?nlc=20250214-SFDC-022570&utm_source=google&utm_medium=cpc&utm_campaign=25-AM-LSR-L3-LSPO-LSWF-SE-Google-Ads-WF-Thunder-Search&utm_content=text_ad&utm_term=fluorescence%20microscopes&gad_source=1&gad_campaignid=170130111&gbraid=0AAAAADrbsAF-dGDbxzgT8m_cvXSlf4BB0&gclid=CjwKCAjwmenCBhA4EiwAtVjzmkMJUGFksaHezZvlBUlbbS1tR8RqXP24dbSRzcRgTT8RmJy7nyeThBoC3yQQAvD_BwE | Serial #: NV01063. Brak poparcia |
| Formaldehyd | Fisher Chemical | Katalog#F79-500 | |
| Aparat żelowy | Thermo Scientific | Owl EasyCast B1 | |
| GeneRuler DNA Ladder Mix | Fermenty | SM0333 | |
| Koraliki szklane | Fisher Scientific | 11312A | |
| Szklane slajdy | VWR | 48300-026 | |
| Platforma Innova 2300 | Nowy Brunszwik | NB-2300 | |
| Kimwipes | Kimtech | 06-666 | |
| Wirówka laboratoryjna do probówek 1,5 mL | Eppendorf | 2525 | |
| Wirówka laboratoryjna do probówek 50 mL | Eppendorf | 5804 | |
| Dwuchlorek octana litu | Sigma-Aldrich | L4158-250G | |
| Master cycler nexus X2 | Eppendorf | https://www.eppendorf.com/us-en/Products/PCR/Thermocyclers/Mastercycler-nexus-X2-p-PF-82586 | |
| Mikropipety p2, p20, p200 i p1000 oraz odpowiadające im końcówki | Rainin | L-2XLS+R, L-20XLS-R, L-200XLS-R, L-1000XLS-R | |
| Szkło osłonowe mikroskopu | Fisher Scientific | 12541014 | |
| Nocodazol | Calbiochem | Cat#487928; CAS: 31430-18-9; Lot#B35705 | |
| Pomarańczowe G | Sigma-Aldrich | O7252 | |
| CZOP | Badania Hampton | HR2-591 | |
| Pepton granulowany | Bioreagenty Fishera | BP9725-5 | |
| Polimeraza DNA Phusion HF | New England BioLabs | M0530L | |
| Pipet-X | Rainin | PX-100R | |
| Fosforan potasu, dibazowy | Thermo Scientific | 424195000 | |
| Fosforan potasu, monozasadowy | Thermo Scientific | 424200025 | |
| Źródło zasilania | Bio-Rad | 23786 | |
| Rozpocznij Acquire Ultra 1.2.2 | softWoRx Cytiva | Uzyskaj z DV Ultra | |
| Baza Tris | Bioreagenty Fishera | BP152-10 | |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | 9002-93-1 | |
| Rotator rur | VWR | 10136-084 | |
| kąpiel wodna | VWR | WBE10A11B | |
| Woda, Ultra Czysta | Produkty Apex Bioresearch | 18-194 | |
| Ekstrakt drożdżowy granulowany | Bioreagenty Fishera | BP9727-5 |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission