Uma estratégia para gerar mutações em genes de histonas em sua localização endógena em Saccharomyces cerevisiae é apresentada.
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Uma estratégia para gerar mutações em genes de histonas em sua localização endógena em Saccharomyces cerevisiae é apresentada.
Descrevemos um sistema baseado em PCR e recombinação homóloga para gerar mutações direcionadas em genes de histonas em células de levedura em brotamento. Os alelos mutantes resultantes residem em seus sítios genômicos endógenos e nenhuma sequência de DNA exógena é deixada no genoma após o procedimento. Uma vez que em células de levedura haplóides cada uma das quatro proteínas histonas principais é codificada por dois genes não alélicos com quadros de leitura abertos (ORFs) altamente homólogos, direcionar a mutagênese especificamente para um dos dois genes que codificam uma proteína histona específica pode ser problemático. A estratégia que descrevemos aqui contorna esse problema utilizando sequências fora, e não dentro, da ORF dos genes-alvo para a etapa de recombinação homóloga. Outra característica desse sistema é que as regiões do DNA que conduzem as etapas de recombinação homóloga podem ser muito extensas, aumentando assim a probabilidade de eventos de integração bem-sucedidos. Essas características tornam essa estratégia particularmente adequada para a mutagênese do gene das histonas, mas também pode ser adaptada para a mutagênese de outros genes no genoma da levedura.
Os quatro proteínas histonas centrais H2A, H2B, H3, H4 e desempenham papéis centrais na compactação, organização e função dos cromossomas eucarióticos. Dois conjuntos de cada uma destas histonas formar o octâmero da histona, um carretel molecular que dirige o invólucro de ~ 147 pares de bases de ADN em torno de si, resultando na formação de um nucleossoma 1. Nucleossomas são agentes activos numa variedade de processos à base de cromossomas, tais como a regulação da transcrição de genes e a formação de eucromatina e heterocromatina entre cromossomas, e, como tal, têm sido o foco de intensa investigação ao longo de várias décadas passadas. Um número de mecanismos têm sido descritos por nucleossomas que podem ser manipulados em formas que podem facilitar a execução dos processos específicos - estes mecanismos de modificação pós-tradução incluem os resíduos de histonas, remodelar nucleossoma dependente de ATP, e reorganização nucleossoma ATP-independentee montagem / desmontagem 2, 3.
A levedura de germinação Saccharomyces cerevisiae é um organismo particularmente poderoso modelo para a compreensão da função da histona em eucariotas. Isto pode ser em grande parte atribuído ao elevado grau de conservação evolutiva das proteínas histona eukarya todo o domínio e a receptividade de levedura para uma variedade de genética e bioquímica experimental aproxima 4. abordagens Reverse-genéticos nas leveduras têm sido amplamente utilizada para estudar os efeitos de mutações específicas de histona sobre vários aspectos da biologia da cromatina. Para estes tipos de experiências é frequentemente preferível a utilização de células em que as histonas mutantes são expressos a partir de loci genómico nativo, como a expressão a partir de plasmídeos autónomos podem levar a níveis anormais intracelular de proteínas histona (devido a diferentes números de plasmídeos em células) e alteração concomitante da cromatina enam-, que em última instância pode confundir a interpretação dos resultados.
Aqui, nós descrevemos uma técnica baseada em PCR que permite a mutagénese direccionada de genes de histonas nas suas localizações genómicas nativas, que não requerem um passo de clonagem e resulta na produção da mutação (ões) desejada, sem sequências de ADN exógeno que sobram no genoma. Esta técnica tira proveito do sistema de recombinação homóloga eficiente em levedura e tem várias características em comum com outras técnicas semelhantes desenvolvidas por outros grupos - mais notavelmente o Delitto Perfetto, genômica mutagénese específica (SSG), e alelo à base de PCR clonagem-livre métodos de reposição de 5, 6, 7. No entanto, a técnica que descrevem tem um aspecto que o torna particularmente adequado para a mutagénese de genes de histonas. Em células de levedura haplóides, cada um dos quatro histonas nucleares é codificada por dois não-Agenes llelic e altamente homólogas: por exemplo, histona H3 é codificado pelos genes HHT1 e HHT2, e as grelhas de leitura abertas (ORFs) dos dois genes são mais de 90% idênticos na sequência. Este elevado grau de homologia pode complicar experiências concebidas para visar especificamente um dos dois genes codificadores de histonas para mutagénese. Considerando que os métodos acima mencionados exigem frequentemente a utilização de, pelo menos, algumas sequências dentro da ORF do gene alvo para dirigir recombinação homóloga, a técnica aqui descrita faz uso das sequências que flanqueiam as ORFs dos genes de histonas (que partilhem menos homologia de sequência) para o passo de recombinação, aumentando assim a probabilidade de sucesso de mutagénese direccionamento ao local desejado. Além disso, as regiões homólogas que impulsionam a recombinação pode ser muito extensa, contribuindo para a eficiente recombinação homóloga alvo.
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NOTA: A estratégia experimental para o alvo de mutagénese in situ do gene histona inclui várias etapas (resumidos na Figura 1). Estes passos incluem: (1) A substituição do gene alvo de histona com o gene URA3, (2) Geração e purificação de produtos de PCR correspondentes a dois fragmentos que se sobrepõem parcialmente do gene histona alvo utilizando iniciadores que albergam a mutação desejada (s), (3 ) fusão por PCR de dois fragmentos que se sobrepõem parcialmente de obter produtos de PCR completa tamanho para a integração, (4) co-transformação de produtos de PCR de tamanho completo e plasmídeo de esqueleto, e de selecção para o marcador no plasmídeo, (5) tela para-resistente a 5-FOA transformantes, (6) purificação de colónias resistentes a 5-FOA e perda de plasmídeo de esqueleto, e (7) as análises moleculares para ensaio de integração correcta do alelo mutante.

Figura 1: Visão geral da Estratégia para alvejado in situ Mutagênese de Genes histona em brotamento levedura. Neste exemplo, o gene alvo é HHT2, mas qualquer outro gene de histona de núcleo também pode ser mutagenizados usando esta estratégia. Células de levedura haplóides (A) abrigar dois genes da histona-codifica H3 (HHT1 e HHT2) e dois genes que codificam para histona H4 (HHF1 e HHF2) dispostos como mostrado na figura (os genes HHT1 e HHF1 estão localizados no cromossoma II e o HHT2 e genes HHF2 estão localizados no cromossoma XIV - em cada caso, as setas apontam na direcção da transcrição). No primeiro passo do processo, a ORF do gene HHT2 é substituído com o gene URA3, dando origem a uma estirpe hht2Δ :: URA3. (B) Na parte 1, uma cópia de tipo selvagem do gene HHT2 a partir de uma amostra de ADN genómico é utilizado como molde para duas reacções de PCR para géneroste os dois fragmentos que se sobrepõem parcialmente do gene. O iniciador inverso para a primeira reacção inclui um ou mais nucleótidos desemparelhados (indicado por um círculo vermelho) que correspondem à mutação (ões) desejada a ser introduzida no genoma. O iniciador directo para a segunda reação tem a incompatibilidade equivalente em uma configuração complementar reversa (também indicado com um círculo vermelho). Os dois produtos de PCR gerados na parte 1 (produtos a e b) são então utilizados como moldes para PCR de fusão utilizando dois iniciadores que se ligam aos produtos a e b na forma mostrados na parte 2. Isto resulta na geração de PCR de tamanho completo produtos (produto C na parte 3) que abrigam a mutação desejada (s). (C) A estirpe hht2Δ :: URA3 é, em seguida, co-transformada com os produtos de PCR de tamanho completo e um plasmídeo de esqueleto (um plasmídeo HIS3- marcado neste exemplo), e as células são seleccionadas quanto à presença do plasmídeo (em meios carentes histidine neste exemplo). Os transformantes são então pesquisadas para 5-FOA resistência - células resistentes são candidatos a ter sido submetido a um acontecimento de recombinação homóloga conduz à integração do produto de PCR e a excisão do gene URA3, como mostrado. subsequente perda do plasmídeo de esqueleto por divisão mitótica da célula leva à histona desejada estirpe mutante final. Encontraram-se que a selecção do plasmídeo de esqueleto seguido por rastreio para resultados de resistência 5-FOA numa frequência muito mais elevada de identificação de eventos de integração correctos em comparação com a selecção directa em placas de 5-FOA, que principalmente identifica células que adquiriram mutações URA3 espontâneas. (Esta figura foi modificado a partir da referência 14). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
1. A substituição da histona do gene alvo com o gene URA3Gene
2. Geração e purificação de produtos de PCR correspondentes a dois fragmentos que se sobrepõem parcialmente da histona do gene alvo utilizando iniciadores que albergam a mutação desejada (s)
3. Fusão PCR dos dois fragmentos que se sobrepõem parcialmente obter Full Size produtos de PCR para a Integração
4. Co-transformação da Full Size produtos de PCR e Backbone plasmídeo e selecção para Marcador no plasmídeo
5. Tela de transformantes resistentes à 5-FOA
6. Purificação de colónias resistentes a 5-FOA e perda de plasmídeo Backbone
7. As análises moleculares para testar a integração adequada do Mutant Alelo
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Descrevemos a geração de um alelo hht2 expressando uma proteína mutante da histona H3 abrigando uma substituição na posição 53 a partir de uma arginina para um ácido glutâmico (H3-R53E mutante) como um exemplo representativo do alvo na estratégia de mutagénese in situ.
Geramos uma estirpe em que toda a ORF de HHT2 é substituído pelo gene URA3 (veja o passo 1 do protocolo). ...
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O nível elevado de homologia de sequências entre os dois genes não alélicos que codificam para cada uma das quatro proteínas histona de núcleo em células haplóides de S. cerevisiae pode representar um desafio para os investigadores que desejam atingir especificamente um dos dois genes para a mutagénese. Anteriormente descreveu metodologias de mutagénese de levedura, incluindo a Delitto Perfetto, genómico de mutagénese específica do local (SSG), e métodos de substituição alelo baseada em PCR livre de cl...
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Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes.
Agradecemos a Reine Protacio pelos comentários úteis durante a preparação deste manuscrito. Expressamos nossa gratidão à National Science Foundation (subsídios nº 1243680 e 1613754) e ao Hendrix College Odyssey Program pelo apoio financeiro.
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| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| 1 kb DNA Ladder (padrões de DNA) | New England BioLabs | N3232L | |
| Agarose | Sigma | A5093-100G | |
| Ácido Bórico | Sigma | B0394-500G | |
| mistura dNTP (10 mM cada) | ThermoFisher Scientific | R0192 | |
| Solução EDTA (0.5 M, pH 8.0) | AmericanBio | AB00502-01000 | |
| Etanol (200 Provas) | Fisher Scientific | 16-100-824 | |
| Ácido etilenodiaminotetracético sal dissódico di-hidratado (EDTA) | Sigma | E4884-500G | |
| Acetato de lítio di-hidratado | Sigma | L6883-250G | |
| MyCycler Termociclador | BioRad | 170-9703 | |
| Poli(etilenoglicol) (PEG) | Sigma | P3640-1KG | |
| PrimeSTAR HS DNA Polymerase (DNA polimerase de alta fidelidade) e 5x buffer | Fisher Scientific | 50-443-960 | |
| Solução de DNA de esperma de salmão | ThermoFisher Scientific | 15632-011 | |
| Sigma 7-9 (base Tris, forma de pó) | Sigma | T1378-1KG | |
| Acetato de sódio trihidratado | Sigma | 236500-500G | |
| Supra Sieve GPG Agarose (agarose de baixa temperatura) | AmericanBio | AB00985-00100 | |
| Taq Polimerase e 10x Buffer | New England BioLabs | M0273X | |
| Palitos de dente | Fisher Scientific | S67859 | |
| Tris-HCl (1 M, pH 8.0) | AmericanBio | AB14043-01000 | |
| a-D(+)-Glucose | Fisher Scientific | AC170080025 | para meios de levedura |
| Agar Fisher Scientific | DF0140-01-0 | para meios de levedura | |
| Peptone | Fisher Scientific | DF0118-07-2 | para YPD meio |
| Extrato de Levedura | Fisher Scientific | DF0127-17-9 | para meio YPD |
| 4-aminobenzoico ácido | Sigma | A9878-100G | para meio de abandono mínimo completo |
| Adenine | Sigma | A8626-100G | para meio de dropout mínimo completo |
| Cloridrato de glicina | Sigma | G2879-100G | para meio de dropout mínimo completo |
| L-Alanina | Sigma | A7627-100G | para meio de abandono mínimo completo |
| Cloridrato de L-Arginina | Sigma | A5131-100G | para meio de queda mínima completa |
| L-Asparagina monohidratada | Sigma | A8381-100G | para meio de queda mínima completa |
| Sal de sódio de ácido L-aspártico monohidratado | Sigma | A6683-100G | para meio de queda mínima completa |
| Cloridrato de L-cisteína monohidratado | Sigma | C7880-100G | para meio de queda mínima completa |
| Cloridrato de ácido L-glutâmico | Sigma | G2128-100G | para meio de dropout mínimo completo |
| L-Glutamina | Sigma | G3126-100G | para meio de abandono mínimo completo |
| Cloridrato de L-Histidina monohidratado | Sigma | H8125-100G | para meio de dropout mínimo completo |
| L-Isoleucina | Sigma | I2752-100G | para meio de abandono mínimo completo |
| L-Leucina | Sigma | L8000-100G | para meio de abandono mínimo completo |
| Cloridrato de L-lisina | Sigma | L5626-100G | para meio de queda mínima completa |
| L-Metionina | Sigma | M9625-100G | para meio de abandono mínimo completo |
| L-Fenilalanina | Sigma | P2126-100G | para meio de abandono mínimo completo |
| L-Proline | Sigma | P0380-100G | para meio de abandono mínimo completo |
| L-Serine | Sigma S4500-100G | para um meio de dropout mínimo completo | |
| L-Treonina | Sigma | T8625-100G | para meio de abandono mínimo completo |
| L-Triptofano | Sigma | T0254-100G | para meio de abandono mínimo completo |
| L-Tirosina | Sigma | T3754-100G | para meio de abandono mínimo completo |
| L-Valina | Sigma | V0500-100G | para meio de abandono mínimo completo |
| myo-Inositol | Sigma | I5125-100G | para meio de queda mínima completa |
| Uracil | Sigma | U0750-100G | para meio de abandono mínimo completo |
| Sulfato de Amônio | Fisher Scientific | A702-500 | para meio de abandono mínimo completo |
| Base de Nitrogênio de Levedura | Fisher Scientific | DF0919-07-3 | para meio de dropout mínimo completo |
| Ácido 5-fluoroorótico (5-FOA) | AmericanBio | AB04067-00005 | para meio 5-FOA |
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