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

Lusiferaz Biyoparlaklık Gazeteciler kullanma Gen Ekspresyonunun Hücre-özerk Sirkadiyen Saat Ritimleri İzlenmesi

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

Summary

Sirkadiyen saatler tek tek hücrelerin içinde fonksiyon, yani, bu hücre-özerktir. Burada, non-invaziv, lusiferaz tabanlı gerçek zamanlı biyolüminesans teknolojisini kullanarak cep özerk saat modelleri üretme yöntemleri açıklanmaktadır. Muhabir hücreleri sirkadiyen biyoloji eğitimi için uysal, fonksiyonel model sistemleri sağlıyoruz.

Abstract

Memelilerde, davranış ve uyku-uyanıklık döngüsü ve karaciğer metabolizması gibi fizyolojisi birçok açıdan endojen sirkadiyen saat (1,2 yorumlanan) tarafından düzenlenir. Sirkadiyen zaman tutma sistemi senkronize ve başka yerlerde 1,2 ekstra SCN ve periferik saatler koordine suprakiazmatik nükleus (SCN) bulunan merkez saati ile, hiyerarşik bir multi-osilatör ağıdır. Bireysel hücrelerin üretimi ve sirkadiyen ritim 3,4 ve organizma payı farklı doku tiplerinin bir oldukça benzer biyokimyasal negatif geribildirim mekanizmasının bu osilatörler bakımı için fonksiyonel birimlerdir. Bununla birlikte, SCN nöronal ağ seviyesinde ve organizma seviyesinde ritmik, sistemik işaretler ile etkileşimler nedeniyle, organizma seviyesinde ritminin hücre-bağımsız 5-7 olması gerekli değildir. In vivo ve SCN eksplantlar ex vivo, c lokomotor aktivite geleneksel çalışmaları ile karşılaştırıldığındaell-tabanlı cep özerk sirkadiyen kusurları 5,8 keşfi için izin vitro tayinlerde. Stratejik, hücre tabanlı modeller fenotipik karakterizasyonu ve temel saat mekanizmaları 5,8-13 hızlı keşif için daha fazla deneysel uysal vardır.

Sirkadiyen ritim dinamik olduğundan, yüksek zamansal çözünürlüğe sahip boylamasına ölçümleri saat fonksiyonu değerlendirmek için gereklidir. Son yıllarda, bir muhabir olarak ateşböceği lusiferaz kullanarak gerçek zamanlı biyolüminesans kayıt, moleküler ritimlerin sebat ve dinamiklerinin incelenmesi için izin verir gibi, memeliler 14,15 bölgesindeki sirkadiyen ritim eğitimi için ortak bir teknik haline gelmiştir. Gen ekspresyonu hücre-özerk sirkadiyen ritim izlemek için, lusiferaz gazetecilere geçici transfeksiyon 13,16,17 veya stabil transdüksiyon 5,10,18,19 yoluyla hücre içine sokulabilir. Burada lentivirüs-aracılı gen teslimat kullanarak istikrarlı iletimi protokol açıklar. TO lentiviral vektör sistemi böyle nedeniyle verimlilik ve çok yönlülük geçici transfeksiyon ve germline iletimi gibi geleneksel yöntemlere üstündür: bölünerek ve hücreler 20 sigara bölünmesi hem konak genom içine verimli teslimat ve istikrarlı entegrasyonuna izin verir. Bir muhabir hücre hattı kurulduktan sonra, saat fonksiyonu dinamikleri biyolüminesans kayıt yoluyla incelenebilir. İlk olarak P (Per2)-D Luc raportör hatları, ve daha sonra bu ve diğer sirkadyen muhabirlerden mevcut veri üretimini açıklıyoruz. Bu analizlerde, 3T3 fare fibroblastlarının ve U2OS insan osteosarkom hücre hücresel model olarak kullanılmıştır. Biz de sirkadiyen çalışmalarda bu saat modelleri kullanmanın çeşitli yollarını tartışmak. Burada anlatılan Yöntemleri sirkadiyen saatlerin hücresel ve moleküler temeli incelemek için hücre tipleri çok çeşitli uygulanabilir, ve diğer biyolojik sistemlerde sorunlara mücadelede yararlı olabilir.

Protocol

1. Lentiviral Lusiferaz Muhabirleri İnşaatı Bir memeli sirkadyen raportör yapı genellikle sirkadiyen bir promotör, lusiferaz gen ile birleşmesini sağlayan bir ifade kaseti içerir. Hem ligasyonu ile rekombinasyon bazlı stratejilerin genellikle DNA klonlama için kullanılır. Bir örnek olarak, burada istikrarsız lusiferaz (d Luc) fare Per2 promotörün kontrolü altında olduğu bir P (Per2)-D Luc lentiviral raportör üretilmesi için bi…

Discussion

1. Mevcut Protokol Değişiklikler

1.1 Kayıt cihazları ve üretilen düşünceler

Çünkü ticari durumu, LumiCycle (Actimetrics) gerçek zamanlı kayıt 4,5,9,19,29-31 için en sık kullanılan otomatik luminometre aygıt haline gelmiştir. LumiCycle son derece yüksek hassasiyet ve düşük gürültü 14 sağlamak ışık dedektörü olarak fotoçoğaltıcı borular (Proje Yönetim Ekipleri) kullanır, ve bu nedenle son derece loş lusiferaz …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu çalışma, Ulusal Bilim Vakfı (IOS-0920417) (ACL) tarafından kısmen desteklenmiştir.

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