JoVE Journal > Biology
Summary
Abstract
Protocol
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Biology

ניטור מקצבי Cell-אוטונומי יממת שעון של ביטוי גנים באמצעות כתבי פליטת האור לוציפראז

Published: September 27, 2012
doi:
10.3791/4234
, , , ,
1Department of Biological Sciences,The University of Memphis

Summary

שעוני יממה לתפקד בתוך תאים בודדים, כלומר, הם תאים אוטונומיים. כאן, אנו מתארים שיטות ליצירת מודלי שעון תא אוטונומי באמצעות טכנולוגיה לא פולשנית, לוציפראז מבוסס זמן אמת פליטת אור. תאי Reporter מספקים מערכות צייתניות, פונקציונליות מודל ללימוד ביולוגית יממה.

Abstract

ביונקים, היבטים רבים של התנהגות ופיזיולוגיה כגון מחזורי שינה והערות וחילוף חומרים כבדים מוסדרים בשעוני יממת אנדוגני (סקר 1,2). המערכת הביולוגית זמן שמירה, היא רשת היררכית רב מתנד, עם השעון המרכזי ממוקם בגרעין suprachiasmatic (SCN) סנכרון ותיאום שעונים-SCN נוסף והיקפיים אחר 1,2. תאים בודדים הם יחידות פונקציונליות לדור ותחזוקה של מקצבי יממה 3,4 ומתנדים אלה של סוגי רקמות שונים בנתח אורגניזם מנגנון משוב דומה להפליא ביוכימי שלילי. עם זאת, בשל אינטראקציות ברמת הרשת העצבית בSCN ובאמצעות רמזים קצביים, מערכתיים ברמת האורגניזם, מקצבי יממה ברמת האורגניזם אינם בהכרח תא אוטונומי 5-7. בהשוואה למחקרים מסורתיים של פעילות של תנועה בגוף חי וexplants SCN vivo לשעבר, גell מבוסס במבחני חוץ גופייה מאפשרת גילוי פגמי תא אוטונומי יממת 5,8. מבחינה אסטרטגית, מודלים מבוססי תאים יותר בניסוי צייתנים לאפיון פנוטיפי וגילוי מהיר של מנגנוני שעון בסיסיים 5,8-13.

בגלל מקצבי יממה הם דינמיים, מדידות אורכות עם רזולוציה גבוהה זמנית נחוצות להערכת תפקוד שעון. בשנים האחרונות, הקלטת פליטת אור בזמן אמת באמצעות בלוציפראז הגחלילית ככתב הפכה לשיטה נפוצה ללימוד מקצבי יממה ביונקים 14,15, שכן היא מאפשרת לבחינה של ההתמדה והדינמיקה של מקצבים מולקולריים. כדי לפקח על מקצבי יממת תא אוטונומי של ביטוי גנים, כתבי וציפראז ניתן הוכנסו לתאים באמצעות transfection החולף 13,16,17 או תמרה יציבה 5,10,18,19. כאן אנו מתארים פרוטוקול תמרה יציבה באמצעות משלוח הגן lentivirus בתיווך. Tמערכת וקטור lentiviral הוא עדיף על שיטות מסורתיות כגון transfection חולף ושידור germline בגלל היעילות והרבגוניות שלו: הוא מאפשר העברה יעילה ויציבה אינטגרציה לתוך הגנום של המארח הוא חלוקה ולא חלוקת תאים-20. ברגע ששורת תאי כתב הוא הקים, את הדינמיקה של פונקציית שעון יכולה להיבחן דרך הקלטת פליטת אור. אנו מתארים לראשונה את הדור (Per2) קווי P-d לוק כתב, ולאחר מכן מציגים נתונים מזה וכתבי יממה אחרים. במבחנים אלה, fibroblasts העכבר 3T3 וU2OS תאי סרטן עצמות אדם משמשים כמודל לסלולרי. אנחנו גם לדון בדרכים שונות של שימוש במודלים אלה במחקרי שעון יממה. שיטות שתוארו כאן ניתן ליישם במגוון רחב של סוגי תאים ללמוד את הבסיס התאי ומולקולרי של שעוני יממה, ועשויה להיות שימושי בהתמודדות עם בעיות במערכות ביולוגיות אחרות.

Protocol

1. בנייה של עיתונאי לוציפראז lentiviral מבנה כתב יממת יונקים מכיל בדרך כלל ביטוי בקלטת שאמרגן יממה מעומתת עם גן לוציפראז. אסטרטגיות קשירה ושניהם רקומבינציה מבוססת משמשות בדרך כלל לשיבוט דנ"א. כדוגמה, הנה אנחנו מתארים שיטת שיבוט G…

Discussion

1. עשיית שינויים בפרוטוקול הנוכחי

1.1 מכשירי הקלטה ושיקולי תפוקה

בגלל הזמינות המסחרית שלה, LumiCycle (Actimetrics) הפך את מכשיר luminometer האוטומטי הנפוץ ביותר להקלטה בזמן אמת 4,5,9,19,29-31. LumiCycle מעסיק צינורות …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכה בחלקו על ידי הקרן הלאומי למדע (IOS-0920417) (ACL).

Materials

Name of reagent Company Catalogue number Comments
DMEM HyClone SH30243FS For regular cell growth
DMEM Invitrogen 12100-046 For luminometry
FBS HyClone SH3091003  
Pen/Strep/Gln(100x) HyClone SV3008201  
B-27 Invitrogen 17504-044  
D-Luciferin Biosynth L-8220  
Poly-L-lysine Sigma P4707  
Polybrene Millipore TR-1003-G  
Forskolin Sigma F6886  
All other chemicals Sigma    
Equipment
Tissue culture incubator     5% CO2 at 37°C
Tissue culture hood     BSL-2 certified
Light & fluorescent microscope     Phase contrast optional
LumiCycle Actimetrics    
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Reppert, S. M., Weaver, D. R. Coordination of circadian timing in mammals. Nature. 418, 935-941 (2002).
  2. Hastings, M. H., Reddy, A. B., Maywood, E. S. A clockwork web: circadian timing in brain and periphery, in health and disease. Nat. Rev. Neurosci. 4, 649-661 (2003).
  3. Nagoshi, E. Circadian gene expression in individual fibroblasts: cell-autonomous and self-sustained oscillators pass time to daughter cells. Cell. 119, 693-705 (2004).
  4. Welsh, D. K. Bioluminescence imaging of individual fibroblasts reveals persistent, independently phased circadian rhythms of clock gene expression. Curr. Biol. 14, 2289-2295 (2004).
  5. Liu, A. C. Intercellular coupling confers robustness against mutations in the SCN circadian clock network. Cell. 129, 605-616 (2007).
  6. Kornmann, B. System-driven and oscillator-dependent circadian transcription in mice with a conditionally active liver clock. PLoS Biol. 5, e34 (2007).
  7. Hogenesch, J. B., Herzog, E. D. Intracellular and intercellular processes determine robustness of the circadian clock. FEBS Lett. 585, 1427-1434 (2011).
  8. DeBruyne, J. P., Weaver, D. R., Reppert, S. M. Peripheral circadian oscillators require CLOCK. Curr. Biol. 17, 538-539 (2007).
  9. Liu, A. C. Redundant function of REV-ERBalpha and beta and non-essential role for Bmal1 cycling in transcriptional regulation of intracellular circadian rhythms. PLoS Genet. 4, e1000023 (2008).
  10. Zhang, E. E. A genome-wide RNAi screen for modifiers of the circadian clock in human cells. Cell. 139, 199-210 (2009).
  11. Baggs, J. E. Network features of the mammalian circadian clock. PLoS Biol. 7, e52 (2009).
  12. Hirota, T. High-throughput chemical screen identifies a novel potent modulator of cellular circadian rhythms and reveals CKIalpha as a clock regulatory kinase. PLoS Biol. 8, e1000559 (2010).
  13. Ukai-Tadenuma, M. Delay in feedback repression by cryptochrome 1 is required for circadian clock function. Cell. 144, 268-281 (2011).
  14. Yamazaki, S., Takahashi, J. S. Real-time luminescence reporting of circadian gene expression in mammals. Methods Enzymol. 393, 288-301 (2005).
  15. Welsh, D. K., Imaizumi, T., Kay, S. A. Real-time reporting of circadian-regulated gene expression by luciferase imaging in plants and mammalian cells. Methods Enzymol. 393, 269-288 (2005).
  16. Sato, T. K. Feedback repression is required for mammalian circadian clock function. Nat. Genet. 38, 312-319 (2006).
  17. Ueda, H. R. System-level identification of transcriptional circuits underlying mammalian circadian clocks. Nat. Genet. 37, 187-192 (2005).
  18. Brown, S. A. The period length of fibroblast circadian gene expression varies widely among human individuals. PLoS Biol. 3, e338 (2005).
  19. Hirota, T. A chemical biology approach reveals period shortening of the mammalian circadian clock by specific inhibition of GSK-3beta. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 105, 20746-20751 (2008).
  20. Tiscornia, G., Singer, O., Verma, I. M. Production and purification of lentiviral vectors. Nat. Protoc. 1, 241-245 (2006).
  21. Ueda, H. R. A transcription factor response element for gene expression during circadian night. Nature. 418, 534-539 (2002).
  22. Zufferey, R., Donello, J. E., Trono, D., Hope, T. J. Woodchuck hepatitis virus posttranscriptional regulatory element enhances expression of transgenes delivered by retroviral vectors. J. Virol. 73, 2886-2892 (1999).
  23. Buhr, E. D., Yoo, S. H., Takahashi, J. S. Temperature as a universal resetting cue for mammalian circadian oscillators. Science. 330, 379-385 (2010).
  24. Balsalobre, A., Damiola, F., Schibler, . U.A serum shock induces circadian gene expression in mammalian tissue culture cells. Cell. 93, 929-937 (1998).
  25. Savelyev, S. A., Larsson, K. C., Johansson, A., Lundkvist, G. B. S. Slice Preparation, Organotypic Tissue Culturing and Luciferase Recording of Clock Gene Activity in the Suprachiasmatic Nucleus. J. Vis. Exp. (48), e2439 (2011).
  26. Akashi, M., Ichise, T., Mamine, T., Takumi, T. Molecular mechanism of cell-autonomous circadian gene expression of Period2, a crucial regulator of the mammalian circadian clock. Mol. Biol. Cell. 17, 555-565 (2006).
  27. Ohno, T., Onishi, Y., Ishida, N. A novel E4BP4 element drives circadian expression of mPeriod2. Nucleic Acids Res. 35, 648-655 (2007).
  28. Maier, B. A large-scale functional RNAi screen reveals a role for CK2 in the mammalian circadian clock. Genes Dev. 23, 708-718 (2009).
  29. Yoo, S. H. PERIOD2::LUCIFERASE real-time reporting of circadian dynamics reveals persistent circadian oscillations in mouse peripheral tissues. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 101, 5339-5346 (2004).
  30. Liu, A. C., Lewis, W. G., Kay, S. A. Mammalian circadian signaling networks and therapeutic targets. Nat. Chem. Biol. 3, 630-639 (2007).
  31. Ko, C. H. Emergence of noise-induced oscillations in the central circadian pacemaker. PLoS Biol. 8, e1000513 (2010).
  32. Izumo, M., Johnson, C. H., Yamazaki, S. Circadian gene expression in mammalian fibroblasts revealed by real-time luminescence reporting: temperature compensation and damping. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 100, 16089-16094 (2003).
  33. Izumo, M., Sato, T. R., Straume, M., Johnson, C. H. Quantitative analyses of circadian gene expression in mammalian cell cultures. PLoS Comput. Biol. 2, e136 (2006).
  34. Chen, Z. Identification of diverse modulators of central and peripheral circadian clocks by high-throughput chemical screening. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109, 101-106 (2011).
  35. Yamaguchi, S. Synchronization of cellular clocks in the suprachiasmatic nucleus. Science. 302, 1408-1412 (2003).
  36. Akashi, M., Hayasaka, N., Yamazaki, S., Node, K. Mitogen-activated protein kinase is a functional component of the autonomous circadian system in the suprachiasmatic nucleus. J. Neurosci. 28, 4619-4623 (2008).
  37. Hoshino, H., Nakajima, Y., Ohmiya, Y. Luciferase-YFP fusion tag with enhanced emission for single-cell luminescence imaging. Nat. Methods. 4, 637-639 (2007).
  38. Asai, M. Visualization of mPer1 transcription in vitro: NMDA induces a rapid phase shift of mPer1 gene in cultured SCN. Curr. Biol. 11, 1524-1527 (2001).
  39. Wilsbacher, L. D. Photic and circadian expression of luciferase in mPeriod1-luc transgenic mice in vivo. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 99, 489-494 (2002).
  40. Yamazaki, S. Resetting central and peripheral circadian oscillators in transgenic rats. Science. 288, 682-685 (2000).
  41. Welsh, D. K., Noguchi, T., Yuste, R. Cellular bioluminescence imaging. Imaging: A Laboratory Manual. , 369-385 (2011).
  42. Nakajima, Y. Enhanced beetle luciferase for high-resolution bioluminescence imaging. PLoS One. 5, e10011 (2010).
  43. Guilding, C. A riot of rhythms: neuronal and glial circadian oscillators in the mediobasal hypothalamus. Mol. Brain. 2, 28 (2009).
  44. O’Neill, J. S. cAMP-dependent signaling as a core component of the mammalian circadian pacemaker. Science. 320, 949-953 (2008).
  45. Fuller, P. M., Lu, J., Saper, C. B. Differential rescue of light- and food-entrainable circadian rhythms. Science. 320, 1074-1077 (2008).
  46. Mukherjee, S. Knockdown of Clock in the ventral tegmental area through RNA interference results in a mixed state of mania and depression-like behavior. Biol. Psychiatry. 68, 503-511 (2010).
  47. Saijo, K. A Nurr1/CoREST pathway in microglia and astrocytes protects dopaminergic neurons from inflammation-induced death. Cell. 137, 47-59 (2009).
  48. Elias, G. M. Synapse-specific and developmentally regulated targeting of AMPA receptors by a family of MAGUK scaffolding proteins. Neuron. 52, 307-320 (2006).
  49. Isojima, Y. CKIepsilon/delta-dependent phosphorylation is a temperature-insensitive, period-determining process in the mammalian circadian clock. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 106, 15744-15749 (2009).
  50. Bucan, M., Abel, T. The mouse: genetics meets behaviour. Nat. Rev. Genet. 3, 114-123 (2002).
  51. Hughes, M. E. Harmonics of circadian gene transcription in mammals. PLoS Genet. 5, e1000442 (2009).
  52. Atwood, A. Cell-autonomous circadian clock of hepatocytes drives rhythms in transcription and polyamine synthesis. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 108, 18560-18565 (2011).
  53. Panda, S. Coordinated transcription of key pathways in the mouse by the circadian clock. Cell. 109, 307-320 (2002).

Tags

Cell-autonomous Circadian Clock RhythmsGene ExpressionLuciferase Bioluminescence ReportersMammalian Circadian ClocksSleep-wake CyclesLiver MetabolismEndogenous Circadian ClocksSuprachiasmatic Nucleus (SCN)Peripheral ClocksOscillatorsNegative Feedback MechanismCell-based In Vitro AssaysLocomotor ActivitySCN Explants Ex VivoCell-based ModelsClock FunctionTemporal ResolutionReal-time Bioluminescence RecordingFirefly Luciferase Reporter

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Ramanathan, C., Khan, S. K., Kathale, N. D., Xu, H., Liu, A. C. Monitoring Cell-autonomous Circadian Clock Rhythms of Gene Expression Using Luciferase Bioluminescence Reporters. J. Vis. Exp. (67), e4234, doi:10.3791/4234 (2012).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image