Summary
四分体启用条码序列（BEST）取代分离，破坏和间距四分体的手动流程。的最优隔离四分体通过荧光激活细胞分选到琼脂平板上，通过搅拌与玻璃珠分离出孢子，并确定哪个随机排列菌落，从同一原始四分使用分子条形码而得。
Abstract
四分体分析是酵母遗传学一个有价值的工具，但这个过程的繁琐的人工性质已阻碍了其应用在大尺度上。条码启用四分体测序（BEST）1代替隔离，破坏和间距四分体的手动流程。凭借一个孢子形成特异的GFP融合蛋白，其允许四分体的荧光激活细胞分选，直接到琼脂平板上，其中所述子囊被酶消化和孢子被打乱，并随机由玻璃珠电镀排列的最优隔离四分体。单倍体克隆，然后分配妹妹孢子的关系， 即有关哪些孢子起源于同一个四分体，利用基因分型中读取分子条形码。通过去除手工剥离的瓶颈，数百四分甚至上千可被分离以分钟计。在这里，我们提出了以表现最佳的酵母所需的实验步骤的详细说明酿酒酵母 ，首先通过从单倍体减数分裂后代衍生的菌落隔离杂合二倍体菌株。
Introduction
减数分裂基因作图，俗称四分体分析，是中央的酵母遗传学。简单地说，双单倍体品系，每个包含每个染色体的一个副本，交配形成二倍体杂株式两份每个染色体，分别来自父母。氮饥饿二倍体细胞诱导减数分裂（孢子），其中染色体复制，进行重排，并分为四个单倍体细胞（孢子或分离子）与等位基因分别来自父母的新组合。从单一减数分裂产生四个孢子可以通过一个手动过程，称为四分体解剖分离。
这是自原始出版物已经改变相对较少，1937年4传统的四分体解剖2,3，有三个目标。首先，已经历减数分裂（四分体）细胞必须从营养细胞的背景分离。在传统的分析，这是通过一个研究者谁完成的，使用显微镜，在视觉上识别在琼脂平板上四分体和采用了微操作装置可视地识别四分体琼脂平板上，并用显微操作器的四分体移动到所述板的无细胞区域。接着，4个孢子在四分体必须物理分离，以防止interspore交配。四分体中的孢子通过既是子囊，原二倍体细胞的细胞壁的残余，以及一组interspore桥5固定在一起。在传统的四分体分析子囊被酶消化去除，研究员使用显微操纵器，打破interspore桥梁和捉弄除了孢子。最后，个人孢子被排列在该保持孢子之间的关系的网格图案， 也就是说 ，所有的子代在一排四个是相同的原四分体的妹妹孢子。一位经验丰富的酵母研究者可以完成解剖10四分体（一种普遍接受的最低数目的过程每个交叉）中约15分钟。
我们已经开发了一种新的高通量基因分型四分体的方法，我们称之为乙arcodeÉ对 T etrads nabled S equencing（BEST）1。通过使大量的后代是孤立的，基因分型，并保持在一个方式，允许所有四个减数分裂产物的妹妹孢子关系到恢复个体的产生和基因分型的最优扩展了现有方法中的高通量基因。这是通过使用三种主要的策略（ 图1）来完成的。首先是引进一名记者构造，标签已经历减数分裂与GFP细胞，并允许他们通过荧光激活细胞分选（FACS）来分离。第二是一个高度复杂的DNA条形码的形式掺入（共15个随机核苷酸的字符串）被发送到所有4个孢子四分体中，并且可以通过重组Progen公司的DNA测序阅读y和从而识别来自同一四分妹妹孢子。三是基因分型的步骤，最好就是与众多的基因分型平台，捕捉这两个一组的基因组标记以及四分体特异的条形码兼容。我们采用了限制性位点相关的DNA标记的测序（RAD-SEQ）6的方法，指示基因组测序，以特定的限制性位点1，由此捕获的子代菌株的基因组中的一个一致的2-3％，以及该质粒携带的条形码。四分体的关系以及从十字架的经验源性基因分型数据恢复允许丢失的信息，包括与低覆盖的序列标记的状态和不能存活（因此不可恢复）个人的基因型完全准确的推断。在这里，我们描述了在最常用的微生物为减数分裂映射，酵母S.方法的应用酵母 ， 但与机体特定意图的次要取代男装，融合到GFP，例如不同的孢子特异性蛋白，该方法应该是很容易移植到其他微生物，包括微生物，其中减数分裂映射显著更加劳动密集的或当前棘手。
图1的最优方法（A）的pCL2_BC质粒是2微米质粒与孢子形成特异的GFP融合，对G418的抗性，和一个15聚体随机条形码。质粒文库的构建在Ludlow 等[1]中描述。 （ 二）条形码质粒的池改造成从跨二倍体菌株。 （ 三）转化，然后生长在选择和〜10,000转化的菌落汇集和孢子。在减数分裂的四分孢子各继承一个共同PY印有条码的质粒。 （ 四）四联球菌是从unsporulated细胞用流式细胞仪分离和收集琼脂平板上，在那里他们被消化和破坏，使每个孢子形成一个殖民地。 （E）的菌落，然后挑入96孔板中，表型和基因分型。在基因分型质粒条形码读取和用于识别每个四分体的四名成员。这个数字已经被修改勒德洛等[1]。 请点击此处查看该图的放大版本。
Protocol
1株的构建与鉴定
- 构建杂合二倍体菌株交配单倍体菌株，并选择二倍体2或用一种天然存在的杂合菌株被用于在交叉。该菌株不应该心怀绿色荧光蛋白。
- 确认该菌株不能生长在YPD 2 + 200微克/毫升G418。
- 确认该菌株能够形成孢子。最好的是低效率的产孢杂交兼容，但需要孢低频率的增加流式细胞仪分选时间。
- 设置了该菌株的O / N培养物在5ml YPD和搅拌下在30℃下生长
- 洗0.5ml所的O / N培养的三次用PBS（pH值7.4）。
- 沉淀经洗涤细胞，除去在2ml孢子形成介质7上清，重悬。
- 搅动细胞在室温和日常检查使用相衬光学显微镜用40倍物镜四分体形成。 </ OL>
- 由四分少数（〜20）常规清扫2,3估计十字架的孢子生存能力。在不同的应变背景之间的杂交孢子生存能力广泛和不可预知变化。然而，孢子活力的先验期望可用于评估一个具体实验的劳动和成本密集型的步骤，保存和基因分型的菌株之前的效率。因此，该步骤是强烈建议。
2，转型的二倍体与条形码的质粒的图书馆
- 将pCL2_BC条形码质粒转化利用Gietz和伍兹8所描述的改造方案进行了以下修改杂合二倍体菌株。
- 后细胞已在30℃下温育的转化混合物20分钟，加入DMSO中的转化混合物体积的8％。加入DMSO已经发现，提高转化效率我Ñ 有些紧张的背景9。
- 热休克步骤后，沉淀细胞用短暂离心，滗转化混合物，并在YPD轻轻洗涤细胞。然后，重悬细胞于1ml YPD，让他们恢复在室温3小时，不加搅拌。
- 通过镀覆到YPD + G418（200微克/毫升）琼脂平板上选择转化体。为确保质粒条形码的复杂的池，收获了大量的殖民地， 例如 5板，每板〜2,500菌落。
- 一旦菌落可见（2-3天生长在30℃），通过仔细刮他们离开板成液体YPD + G418（200微克/毫升）+ 15％甘油汇集转化。涡旋该细胞悬浮液，转移至冷冻小瓶中，并冷冻在-80℃下使一个单独的冷冻的储存对于每个板。这些冻存作为起始菌株步骤3.1和也可以用于在稍后的日期，以产生更多的四分体，如果需要的话。
3，孢子转化细胞的图书馆获取条形码的四联球菌
- 从2.3按O / N的增长在5毫升的YPD + G418（200微克/毫升）在30℃下搅拌产生的冷冻复苏个股细胞。
- 从将O洗涤细胞/ N培养物3倍的PBS（pH 7.4）中，然后悬浮细胞在孢子形成介质7加200微克/毫升G418。
- 搅拌孢子培养在室温和日常监控产孢的进展，直到新的四分体已经停止形成。
- 一旦文化包含良好的四分体和相对较少的二人组合，从搅拌去除的文化和在室温下至少放置7天。虽然有些十字架可能是服从于板消解和破坏，只要四分体形成（如7.3中所述的评估），额外的孵化（在我们的实验7-10天），对其他的十字架是必不可少的。因此，该步骤是强烈建议。
4，建立流式细胞仪盖茨的四分体排序
在减数分裂表达于pCL2_BC质粒SPS2-GFP融合，能够检测和分离从培养物中荧光的孢子形成培养四分体。下面的协议已经制定了一个使用FACSAria II。
图2流式细胞仪门。一系列的4个连续的门是用来隔离四分。 （A）中所示的门和（B）有助于减少团块的数量。荧光事件在（C） 的选择与门。在（D）的直方图有两个峰。在左边的峰事件是主要四分体（左小图图像），并且在右峰事件通常是四分体用附属芽（右插图图像）。最后一个门应用于此直方图来选择其中大多是四分体（红色条）事件。这个数字已经被修改勒德洛， 等 1。- 加载孢子培养到FACS分选器和设置了两个前向散射和侧向散射光闸，以排除碎片，成群的细胞，并且多个单元格的每滴（ 图2A和2B）。
- 应该有荧光的细胞，其使用SPS2-GFP报道基因构建体时，包括二分体和四分体10的群体。门的绿色荧光蛋白与金管会包括这些荧光事件（ 图2C）。
- 根据不同的菌株背景上它可能是必要的，包括一个额外的栅极以去除团块，包括四分体和其它细胞。如果这是必要的，检查荧光事件的FSC直方图，并指定一个门，它包括较低的FSC（ 图2D，门事件是红色的）事件。
- 检查T的效率他门控机制通过排序〜1500四分体在显微镜载玻片上，并用相衬显微镜在400倍放大计数四分体的比例，以非四分体。四分体的百分比可通过计算只〜200排序事件精确估计，但是排序〜1500减少的时间量使用了搜寻在细胞上的显微镜载玻片上。或者，四分体以非四分之比可以在步骤4.5中进行评估。
- 定期检查该分选器是由分拣25四分体在显微镜载玻片上，并用相衬显微镜在400倍放大检查包含在液滴中的细胞正确地报告事件的数量。应在熔滴25四分体。重复3至4倍，以评估流式细胞仪的方差。
5，排序四联球菌到一个琼脂平板
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图3：放置在琼脂平板上的FACS分拣机。为了四分整理成一小滴的酶解酶液放置在一个标准（圆）琼脂平板上，一个标准的100毫米（矩形）的中间96孔板是第一放置在细胞分选阶段和分类器被编程以沉积四分体到一个特定的孔（在该情况下D5）。然后，圆形琼脂平板放置在96孔板的顶部，并对准，使得酶解酶的压降为中心在规定的井。- 温暖的YPD + G418（200微克/毫升）板块，至少1.5小时在37℃培养箱放置靠近流式细胞分选仪所需的号码。
- 分拣协议的一个关键特征是能够准确定位FACS分选至四分体琼脂平板上，它包含的酶解酶液池的特定位置的能力。要做到这一点，放置一个“里程碑”的96孔板上吨他的自动分拣机的细胞沉积单元（ACDU）。制备一种布局，将25四分体分类到一个96 - 孔格式中的一个很好。选择一个井附近的板的中间， 如井D5。 图3显示了一个培养皿和96孔板上样到细胞分选器。排序每板25个四分体得到良好分离的菌落。
- 把一叠10琼脂板上从37℃培养箱中培养到分类器。
- 取1琼脂平板和吸管将25μl的酶解酶溶液（1毫克/毫升0.7M的山梨糖醇）上靠近板的中心的琼脂。然后，放置在界标96孔板的板，从步骤5.2， 例如井D5对准酶解酶液滴在目标井。
- 启动排序和沉积25四分体插入琼脂平板的酶解酶液滴的中间。然后，删除并覆盖板。
- 重复步骤5.4和5.5，直到25四分体已经被分类到堆栈中的每个板酶解酶液滴。 返回一个包含四分体 - 板的堆叠到37℃培养箱中培养。
- 重复步骤5.3至5.7，直到所有的板块有四分。
6。孢子分离
- 孵育各堆含四分-琼脂平板上，在37℃下进行1.5小时。
- 从孵化器中取出板，加上每板15-25无菌的毫米的玻璃珠，摇板作为一个堆栈（或两个堆栈5板）3-5分钟。最好的孢子分离是通过硬性移动板从一侧到另一侧，或从前向后实现。不移动的板，使得所述珠“漩涡”围绕板的外边缘。完成后留在板的珠子。
- 将板垛珠正视在30℃培养箱中培养。检索来自37℃培养箱中培养下一个堆栈板，并重复步骤6.2。
- 孵育板O / N为30°C。
7，收获殖民地
- 后一个O / N培养，在30℃，小菌落应该形成于板。小心地从培养箱中取出板，而不会干扰玻璃珠。
- 通过仔细地除去玻璃珠，并迅速翻转板在一个深的容器。该容器应足够深，以赶珠而不让他们反弹向上，撞上琼脂平板。轻敲板的底部，同时它被反转可以帮助驱逐被粘到板珠。这些珠子可以通过彻底的清洗用肥皂被重用，以及漂洗用去离子水通过高压灭菌消毒。
- 计数菌落在每个板的数量和使用的菌落数来估计孢子分离和回收的效率。例如，每板25个四分体为具有接近100％的存活率的横可能会产生一个总的每板100个菌落。
- 从板块有足够数量的菌落（> 65为高生存能力十字架），传递细胞从每个结肠NY到96孔板中含有YPD液体+ G418的一个单独的井。此外，请注意其中包含井菌落从相同的琼脂平板上;这些信息将被用于帮助四分体分配软件。
- 使用96孔平板液体种子培养的基因型和保存菌种冷冻甘油股票。在RAD标签测序和序列分析细节可以在Ludlow 等[1]发现。
Representative Results
最好能大大改善从四分孢子可以分离的速度。作为该方法可以提供的吞吐量的一个例子，1研究者进行的FACS分选和孢子分离（步骤5.1至6.3）与149琼脂平板在3小时1。等效收益率（约3,725四分）将需要超过90小时人工清扫。然而，与许多高通量方法，所述方法的当前迭代具有一定的效率损失比手动剥离。这种损失表现为菌落数目减少回收相比基于交叉的孢子生存，由于手工剥离（步骤1.4）来确定所计算的期望。假设孢子损失（讨论）的原因影响孢子随机，估计可制成回收的菌落多少都会四分体，其中1，2，3，或4个孢子已被追回的成员（ 图4）。
图4。在四分体的水平。未能成功地恢复孢子（如集落） 仿真方法的效率可能是由于孢子inviability，孢子附着到玻璃珠，未孢子彼此分离等二项式分布，使用计算四分体的预期分数（至少有一个成功收复孢子）生产的基础上成功地恢复了所有的孢子比例4，3，2，1殖民地。此图可作为一个粗略的指南菌株，这将最终组装成3的数量 - 或4 - 孢子四分体。如每板的增加菌落数，所以没有完全恢复的四分体的数量。
在实验中，如上所述，从与孢子存活率接近100％的横25四分体（如DET通过人工清扫ermined）1涂布在149琼脂平板。在该实验中，每板观察到菌落的最大数目为80，这表明20个孢子未能形成离散的菌落。每个平板菌落的平均数是62。菌落从含65菌落或更多的61板收获和测序。 3700菌株通过测序质量控制，72％可以计算分为3 - 或4 - 孢子四分体。
Discussion
遗传学研究的许多领域，从复杂性状的映射11到相关DNA重组12机制的研究，需要极其大量的后代和高量的DNA测序。那嫁给高通量DNA测序的能力传统方法的电力技术有可能使这在以前是顽固性的研究。尽管一些高通量酵母遗传学方法已经有效地具体问题得到了应用，每个都有功亏一篑传统的四分体分析的广泛适用性的限制。通过采用高通量的方法相结合的四分体解剖和基因分型酵母杂交的后代最佳解决了这些挑战。在复用RAD标签测序相结合，提供了最好的一种廉价的方式来收集信息，基因型为每个子代菌株，同时保持四分体的关系由独特的四分体条形码手段。0;所有目前使用的高通量方法，最佳最密切概括了手动解剖酵母交所提供的信息。
最好的有两个主要特点。首先是使用流式细胞仪的迅速隔离四分远离unsporulated细胞培养（协议第5-6步）。隔离数以千计的荧光事件（四分体）的能力，为最佳的吞吐量其最大的收益。这种自动化提供了手动清扫十字架与产孢低效率的更大的优势，因为需要直观地识别罕见事件的时间增加。第二个关键特征是使用一种高度复杂的分子条形码（协议步骤2）被发送到一个四分体的每个姊妹孢子。因为这些条形码可以用来计算重建已随机分布在琼脂平板上，需要手动阵列单元中的有序栅格缓解孢子之间的四分体的关系。最后，因为分子条形码和孢子形成特异的GFP报告基因是物理连接的（在相同的质粒），只是保留了分子条形码四分体是通过FACS分选选中。
有两个方面的考虑支配的时间的文化应该在产孢培养基中培养的长度。首先，由于特定的孢子记者（SPS2-GFP）在减数分裂早期表达，绿色荧光蛋白本身并不能从尚未完成减数分裂（ 即二分体）细胞区分完整的4孢子四分体。而另外的流式细胞仪门可能会降低荧光，不完整的四分体的数量，以减少这些不必要的事件最简单的方法是简单地监视孢子培养（步骤3.3），一旦新的四分体已经停止继续形成。在我们的实验中，二价基排序的频率小于1％。其次，在室温中度过产孢培养基中，不加搅拌一些十字架额外的时间（步骤3.4）SIGnificantly提高了四分体由玻璃珠电镀过程中的分离（（协议第6步），事实上，这个步骤是用于一些杂交的破坏绝对必要的。
像所有的高通量方法，最佳比相应的传统方法“喧闹”。在适度调低最佳的效率比传统的四分体解剖，可能会导致从几个因素的组合。一个因素是，否则活孢子的损失增加，这可能是由于该过程的机械应力扩散或增加孢子死亡期间导致粘附到玻璃珠。减数分裂过程中的第二个因素可能是简单的质粒丢失。第三个因素可能是一种有效的减少从混合基因型的菌落产生可用的殖民地，在我们的飞行员殖民地的估计〜5％，跨越1。它很可能是这些殖民地代表妹妹孢子分离的故障。因为快速氟escence排序和孢子分离允许四分的巨大数字的集合，最好的是装备精良，以克服在减少这种规模效益。而最佳的未来的迭代可以提高效率接近于人工清扫，这或许是更可能是DNA测序能力目前指数的轨迹将迅速弥补可用应变损失的这个水平。无论如何，进行四分体分析到最佳可应用于规模的能力，使研究，目前不可行通过手动的方法。
Disclosures
作者什么都没有透露。
Acknowledgments
这项工作是由美国国立卫生研究院的/ NHGRI基因组学者/教师转型奖（K22 HG002908）给AMD与系统生物学研究所和卢森堡大学之间的战略伙伴关系的支持。请求菌株或质粒，应直接向阿蜜杜德利（aimee.dudley @ gmail.com）。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| FACSAria II (Special order unit) | BD Biosciences | Other cell sorters should work for this procedure. The key factors are: (1) a laser/detection system for the fluorescent reporter being used (488 nm laser to excite EGFP in our case), (2) the ability to sort single events, (3) the ability to sort onto microscope slides for assessing the sort quality and (4) the ability to sort onto Petri dishes | |
| Automated Cell Deposition Unit (for FACSAria II) | BD Biosciences | 643155 (if purchased separately from the FACSAria instrument) | |
| Zymolyase 100T | Seikagaku Biobusiness | ||
| G418 | A.G. Scientific | http://www.agscientific.com/molecular-biology/gene-expression/g-418-sulfate-solid.html |
References
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