Summary
在这里, 我们提出了一个增强的酵母单杂交筛选方案, 以确定转录因子 (tf), 可以绑定到人类 dna 区域感兴趣。该方法采用高通量筛选管道, 可以在一次实验中询问 tf 和 gt;1,000 的结合。
Abstract
识别调节每个人类基因的转录因子 (tf) 集是一项艰巨的任务, 需要整合许多实验和计算方法。其中一种方法是酵母单杂交 (y1h) 检测, 在该方法中, 利用报告基因在酵母细胞核环境中测试 tf 和 dna 区域之间的相互作用。y1h 检测涉及两个组成部分: "dna 诱饵" (例如, 促进剂、增强剂、消音器等) 和 "tf-猎物", 可用于记者基因激活的筛选。大多数用于执行 y1h 屏幕的已发布协议都是基于将 tf-猎物库或阵列转换为 dna 诱饵酵母菌株。在这里, 我们描述了一个被称为增强 y1h (ey1h) 检测的管道, 在这种情况下, tf-dna 相互作用通过将 dna 诱饵菌株与使用高密度阵列 (hda) 机器人平台排列的 tf-猎物菌株进行交配来进行测试, 该平台允许在 1 536个测试中进行筛选菌落格式。这使得吞吐量大幅增加 (60个 dna 诱饵序列对 & gt;1,000 tf 每个研究人员需要两周时间) 和可重复性。我们通过针对 1, 086个人 tf 的阵列测试人类启动子序列来说明不同类型的预期结果, 以及屏幕过程中可能出现的问题以及如何进行故障排除的示例。
Introduction
生物医学领域的一个核心问题是确定调节每一个人基因的机制。转录是控制基因表达水平的第一步, 它是由每个基因特有的转录因子 (tf) 集调节的。考虑到人类编码 & gt;1,500 tf1,2, 确定一整套控制每个基因表达的 tf 仍然是一个开放的挑战。
两种类型的方法可用于映射 tf-dna 相互作用: tf 为中心的方法3和以 dna 为中心的方法 3 (图 1 a)。在以 tf 为中心的方法中, 研究了与基因组 dna 区域结合或确定其 dna 结合特异性的感兴趣的 tf。这些方法包括染色质免疫沉淀 (chip), 然后是高通量测序、蛋白质结合微阵列和 selex4,5,6。在以 dna 为中心的方法中, 研究了感兴趣的 dna 序列, 以确定与 dna 序列结合的 tf 集。这种方法应用最广泛的是酵母单杂交 (y1h) 检测, 其中 tf 和 dna 区域之间的相互作用在酵母细胞核的环境中使用报告基因7,8,9进行测试。
y1h 检测涉及两个组成部分: "dna 诱饵" (例如, 促进剂、增强剂、消音器等) 和 "tf-猎物", 可用于对报告基因激活9、10 (图 1 b) 进行筛选。dna 诱饵是克隆的上游两个报告基因 (lacz和his3) 和两个 dna 诱饵:: 记者结构被集成到酵母基因组中, 产生染色质的 ' dna 诱饵菌株 '。tf-猎物编码在表达 tf 融合到酵母 gal4 tf 的激活域 (ad) 的质粒中, 被引入 dna 诱饵菌株中, 用于 tf-dna 的相互作用。如果 tf-猎物与 dna 诱饵序列结合, 那么 tf-猎物中存在的 ad 将导致两个记者基因的激活。因此, 可以选择具有正相互作用的细胞在缺乏组氨酸的板材上生长, 并克服竞争性抑制剂, 3-氨基-1, 2, 4-三唑 (3-at), 并可视化为蓝色菌落在 x-ger 的存在。由于使用了强效酵母 gal4 ad, y1h 检测可以检测涉及转录激活剂和抑制剂的相互作用。此外, 考虑到 tf-preys 是由强酵母启动子 (adh1) 表达的, 即使是内源性表达水平较低的 tf 也可以检测到相互作用, 而 chip 11,12很难检测到这些 tf.
大多数已发布的执行 y1h 检测的协议都是基于将 tf 前置入酵母 dna 诱饵菌株, 方法是转换集合 tf-猎物库, 然后进行选择、群体选择和排序, 以识别相互作用的 tf, 或者通过改变单个克隆8,9。这些都是耗时的协议, 限制了每个研究人员可以测试的 dna 序列的数量。最近对 y1h 检测的改进被称为增强 y1h (ey1h), 通过使用高密度阵列 (hda) 机器人平台将酵母 dna-诱饵菌株与酵母 dna-诱饵菌株组合在一起, 每个菌株都表达了不同的表达, 从而显著提高了筛选吞吐量tf-猎物 10,13 (图 1c)。这些屏幕采用 1, 536个菌落格式, 只需三个盘子即可测试大多数人体的 tf, 这些 tf 为四元。此外, 考虑到 tf-dna 相互作用是以对等的方式进行测试的, 这种方法允许比较 dna 诱饵 (如两个非编码单核苷酸变种) 之间和不同 tf 或 tf 变种之间的相互作用11,12 ,14。
利用 ey1h 检测, 我们已经描述了迄今为止最大的人类和以 dna为中心的 tf-dna 相互作用网络。特别是, 我们确定了246个人类发展促进者和 283个 tf12之间的 2 2230 种互动。此外, 我们还使用 ey1h 检测发现了改变后的 tf 结合到109种与遗传性疾病 (如发育畸形、癌症和神经紊乱) 相关的单核苷酸非编码变异。最近, 我们使用 ey1h 来描述一个网络, 该网络由 2, 576 ·c. elegans基因启动子和 366个 tf11之间的 21, 714个相互作用组成。这个网络有助于揭示数十种线虫的功能作用。
产生 dna 诱饵污渍和评估背景记者活动水平的协议已在其他地方报道过 15、16、17。在这里, 我们描述了一个 ey1h 管道, 它可以用来筛选任何人类基因组 dna 区域, 以对抗 1, 086个人类 tf 阵列。一旦产生酵母 dna-诱饵菌株, 并在相应的板块上发现 tf-猎物阵列, 整个协议可以在两周内执行 (表 1)。更重要的是, 该协议可以并行化, 以便单个研究人员可以同时筛选 60个 dna 诱饵序列。为了证明该协议, 我们筛选了两个细胞因子基因 ccl15 和 il17f 的启动子。此外, 我们还显示了失败屏幕的结果, 以说明在执行 ay1h 检测时可能出现的问题类型以及如何对其进行故障排除。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. 准备工作
-
sc-u-h 盘 (150 毫米 petri 菜)
请注意:这些板材将用于生长 dna 诱饵酵母菌株。- 在920毫升的水中溶解辍学混合物、酵母氮碱 (ynb)、腺嘌呤半硫酸盐和硫酸铵, 用 5mm naoh 将 ph 值降至 5.9 (约为每升介质1毫升; 成分见表 2 )。倒进一个2升的烧瓶, 并添加一个搅拌酒吧。
- 在第二个2升烧瓶中, 将琼脂添加到950毫升的水中 (不要添加搅拌棒, 因为这会导致琼脂在高压灭菌器中沸腾)。
- 在液体循环 15 psi 处, 在 15 psi 处使用高压灭菌器, 时间为40分钟。
- 立即将第一个烧瓶的内容, 包括搅拌棒, 倒进含有烧瓶的琼脂中。加入葡萄糖, 在搅拌板上搅拌均匀, 在水浴中冷却至55°c。
- 在培养基中加入亮氨酸和色氨酸。将搅拌盘混合均匀, 倒入150毫米无菌 petri 菜品 (每盘约80毫升)。在室温下干燥 3-5天, 用塑料袋包裹, 在室温下存放长达6个月。
-
yapd 矩形板
请注意:这些板块将用于种植 dna 诱饵菌株的草坪, 并用于与 tf 阵列集合的匹配。- 溶解粉末 (见表 3的成分), 除了琼脂, 在950毫升的水在一个2l 烧瓶和添加搅拌棒。
- 在第二个2升烧瓶中, 将琼脂添加到950毫升的水中 (不要添加搅拌棒, 因为这会导致琼脂在高压灭菌器中沸腾)。
- 在液体循环 15 psi 处, 在 15 psi 处使用高压灭菌器, 时间为40分钟。
- 立即将第一个烧瓶的内容, 包括搅拌棒, 倒进含有烧瓶的琼脂中。
- 加入葡萄糖, 在搅拌板上搅拌均匀, 冷却至55°c。使用蠕动泵 (5 mlssec) 和6毫米管材将介质倒进矩形板 (见材料表; 每个板 ~ 70 毫升)。在室温下干燥 1天, 用塑料袋包裹, 并存放在冷藏室长达6个月。
注: 虽然建议的介质体积为每板70毫升, 但每板可使用 50–80 ml。浇注板时需要考虑的三个关键问题是 1), 它们被平整, 使琼脂介质在整个板材中具有相同的厚度 (使用平整的表或表面进行板材浇注, 并且不要在超过7个板的堆栈中浇注), 2) 确保琼脂介质中没有气泡 (使用无菌针可以弹出气泡), 3) 只将盘子烘干一天, 然后将盘子包裹在塑料袋中, 以避免在固定酵母时出现故障。
-
sc-trp 和 sc-u-trp 矩形板
请注意:这些板块将用于生长 tf 阵列集合 (sc-trp) 和选择二倍体酵母交配后 (sc-u-trp)。- 在920毫升的水中溶解辍学混合物、ynb、腺嘌呤半硫酸盐和硫酸铵, 用 naoh 5m (约每升介质1毫升) 溶解 ph 值至 5.9 (成分见表 4 )。倒进一个2升的烧瓶, 并添加一个搅拌酒吧。
- 在第二个2升烧瓶中, 将琼脂添加到950毫升的水中 (不要添加搅拌棒, 因为这会导致琼脂在高压灭菌器中沸腾)。
- 在液体循环 15 psi 处, 在 15 psi 处使用高压灭菌器, 时间为40分钟。
- 立即将第一个烧瓶的内容, 包括搅拌棒, 倒进含有烧瓶的琼脂中。加入葡萄糖, 在搅拌板上搅拌均匀, 冷却至55°c。
- 加入亮氨酸、组氨酸和尿尿 (省略 sc-u-trp 板的尿尿)。
- 用蠕动泵 (5 ml/sec) 和6毫米管材将搅拌板混合均匀, 倒入矩形板 (每个板约70毫升)。在室温下干燥 1天, 将盘子包裹在塑料袋中, 存放在冷藏室长达3个月。
-
sc-u-h-trp + 3at + x 加仑长方形板
注:这些板将用作 ey1h 检测的读出板。- 在850毫升的水中溶解辍学混合物、ynb、腺嘌呤半硫酸盐和硫酸铵 (成分见表 5 )。不要 ph 值。倒进一个2升的烧瓶, 并添加一个搅拌酒吧。
- 在第二个2升烧瓶中, 将琼脂添加到850毫升的水中 (不要添加搅拌杆, 因为这会导致琼脂在高压灭菌器中沸腾)。
- 在液体循环 15 psi 处, 在 15 psi 处使用高压灭菌器, 时间为40分钟。
- 加入900毫升的水, 70 克的 na 2 hpo 4 * 7h2 o, 和 34.5 g 的nah 2 po4 * h2 o. 混合使用搅拌棒溶解粉末, 并使用5m naoh 将 ph 值调整为 7.0.加入水带到1升和高压灭菌器。
- 在含有 42.5 ml 甲酰二甲酰的50毫升塑料管中加入 3.5 g 的 x-galal 粉末, 制备 x-gal 溶液。在甲酰胺中加入 x-galal 粉末, 更容易溶解 (这需要 30分钟)。保持库存溶液在黑暗中 (使用不透明的50毫升管或箔盖)。储存在-20°c。
- 立即将第一个烧瓶的内容, 包括搅拌棒, 倒进含有烧瓶的琼脂中。加入葡萄糖和 10倍 bu 盐 (成分见表 5 ), 在搅拌板上搅拌均匀, 冷却至55°c。
- 加入亮氨酸、3at 和 x-gal (成分见表 5 )。
- 在搅拌板上搅拌均匀, 然后使用蠕动泵 (5 mlssec) 和6毫米管材倒入矩形板 (每个板约70毫升)。在室温下干燥 1天, 用塑料袋包裹, 并存放在覆盖着铝箔 (3at 和 x-gal 是光敏) 的冷藏室长达1个月。
2. 发现 tf 阵列
-
解冻 tf 猎物阵列
- 用冰上的 tf-猎物阵列解冻酵母甘油股票。
请注意:tf-猎物数组可以像以前发布的 10、12、13、18一样生成。 - 在下一步前1-3分钟内使用12通道移液器重新使用酵母。
- 用冰上的 tf-猎物阵列解冻酵母甘油股票。
-
将酵母发现 sc-trp 长方形板
- 在 hda 机器人 (参见材料表) 中, 选择多孔96板作为源, 选择96琼脂板作为目标, 选择96个长针垫。
请注意:引脚垫不可重复使用, 应丢弃。 - 选择"复制多个程序", 每个96孔板制作两个副本。不要使用回收或重新访问选项, 以避免对冷冻库存的污染。
- 选择在源头上下旋转的选项, 混合酵母。
- 将斑点阵列装袋, 在30°c 下孵育琼脂侧2-3天。
- 在 hda 机器人 (参见材料表) 中, 选择多孔96板作为源, 选择96琼脂板作为目标, 选择96个长针垫。
-
在 sc-trp 矩形板中生成384个群体阵列
- 在机器人中, 选择96个琼脂板作为源, 384个琼脂板作为目标, 96个短针垫。
- 选择1: 4 阵列程序。这样, 四个96个菌落板 (每个包含一个不同的 tf) 将被合并成一个384个菌落板。不要使用回收或重新访问选项, 以避免不同板材之间的污染。
- 将盘子装袋, 在30°c 下将被发现的384个菌落阵列向上孵育2天。
-
在 sc-trp 矩形板中生成 1, 536个菌落阵列
请注意:这将导致每个 tf 猎物包含四个菌落的阵列。- 在机器人中, 选择384个琼脂板作为源, 选择 1, 536个琼脂板作为目标, 384个短针垫。
- 选择 1: 4 分析单源程序。我们的目标是将每个菌落复制到四个菌落中, 以获得四倍。使用回收和重新访问选项, 因为它涉及到复制四个每个殖民地四次。
- 将盘子装袋, 在30°c 下孵育有斑点的1536菌落阵列, 在30°c 下向上孵育3天。
-
在 sc-trp 矩形板中放大 1, 536个菌落阵列
- 在机器人中, 选择 1, 536个琼脂板作为源, 选择 1, 536个琼脂板作为目标, 选择 1, 536个短针垫。
- 选择 "复制多个程序" 以复制3-4 个副本。使用回收和重新访问选项, 但在切换到阵列的不同板时, 请将焊盘扔掉, 以避免交叉污染。
- 将盘子装袋, 并在30°c 下孵育斑点1536的菌落阵列, 为期 3天, 用于交配步骤 (见下文)。之后, 将盘子保持在室温下, 7天后再复制, 进行新一轮的筛选。
3. ey1h 屏幕
-
准备用于交配的 dna 诱饵应变草坪
- 在 sc-u-h 板上发现酵母 dna-诱饵菌株, 在30°c 下生长3天。
- 使用无菌牙签将酵母流入15厘米 sc-u-h 板, 使每个盘子适合12-16 种不同的菌株。在30°c 下孵化一天。
- 使用无菌牙签将酵母流入15厘米 sc-u-h 板, 使每个盘子适合4种不同的菌株。在30°c 下孵化一天。
- 使用无菌牙签刮酵母, 确保不要刮任何琼脂, 并加入1.5 管与500μl 的无菌水。
- 在 yapd 矩形板上加入10–15个无菌玻璃珠。将酵母悬浮液添加到盘子中, 向四面八方彻底摇晃 1分钟, 以确保酵母在所有板材中扩散。
- 立即反转板, 然后轻触, 使珠子进入盖子。删除并回收珠子。
- 将盘子装袋, 在30°c 下孵育琼脂侧1-2天。然后继续进行交配步骤。
-
酵母 dna-诱饵和 tf 阵列菌株的配联
- 用机器人将 tf 阵列转移到 yapd 矩形板上。选择 1, 536 琼脂板作为源和目标, 选择 1, 536 针垫。选择"复制多个程序"。每个 tf 阵列板可用于传输到 3-4 yapd 板 (取决于阵列中的板的数量)。用于交配的 tf 阵列板必须为 2-3天, 但不会更多, 因为交配可能效率低下。
- 将 dna 诱饵应变的草坪转移到已经包含 tf 阵列的 yapd 板与机器人。选择 1, 536 琼脂板作为源和目标, 选择 1, 536 针垫。选择"复制多个程序"。在半径约 0.6 mm 的源中使用随机偏移, 以避免从同一地点提取酵母, 并在目标上混合, 以方便酵母菌株之间的接触。使用含有 dna 诱饵菌株 (第3.1 节) 的草坪作为源, 使用含有在步骤中发现的 tf 阵列的 yapd 板3.2.1 为目标。
- 将盘子装袋, 在30°c 下孵育琼脂, 为期1天。
-
二倍体酵母的选择
- 将匹配的酵母从 yapd 板转移到 sc-u-trp 板与机器人。选择 1, 536 琼脂板作为源和目标, 选择 1, 536 针垫。选择"复制程序"。在源和目标上混合。
- 将盘子装袋, 在30°c 下孵育琼脂侧, 持续 2-3天 (孵育时间较长, 导致高背景报告活动)。
-
转移到读出板
- 使用机器人将二倍体酵母从 sc-u-trp 板转移到读出的矩形板 sc-u-h-trp + 5mm 3at + 0.4 mm x-gal。选择 1, 536 琼脂板作为源和目标, 选择 1, 536个短针垫。选择"复制程序"。
- 将盘子装袋, 在30°c 下孵育琼脂, 最长可达7天。
-
读出板的成像
- 对于背景报告活性较高的 dna 诱饵菌株, 在第2天、第3天和第4天拍照。否则, 请在第4天和第7天拍照。阳性相互作用是由酵母菌落的生长和蓝色来确定的, 可以手动确定, 也可以使用图像分析软件来确定。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
在分析 ey1h 检测结果时, 应考虑三个主要因素: dna-诱饵株的背景报告活性、与 tf-dna 相互作用相对应的报告活性强度以及阳性菌落的数量。dna 诱饵菌株的背景报告活动 (即自体活动) 是指读出板中酵母菌落的整体生长和颜色, 即使在没有 tf-猎物的情况下也是如此。理想情况下, 非自动反应菌株显示背景白色或浅棕色, 与菌落的积极互动是较大和蓝色的。自体活性 dna 诱饵菌株显示酵母生长在缺乏组氨酸和蓝色的介质中, 在 x-gal 的存在下, 在板中的所有菌落, 这很可能与酵母转录激活剂与 dna 诱饵8的结合有关。与检测到的 tf-dna 相互作用相对应的记者活动强度 (即菌落大小和蓝色强度) 取决于许多参数, 如亲和力、酵母中 tf 表达水平、结合位点数和距离等。酵母最小启动子位于报告基因的上游, 以及 dna-诱饵菌株的背景报告活性。例如, 弱交互可能很容易在低背景诱饵中检测到, 但在自动活动或不均匀的背景诱饵中可能很难检测到。同样需要注意的是, 酵母中的报告活性水平不一定与人类细胞中的调控活性相关, 因为酵母和人之间的染色质结构、核糖体定位和距离效应是不同的。此外, 人的相互作用很可能受到其他 tf 和共同因素的结合的影响, 或者可能被功能冗余的 tf8所掩盖。最后, 当四个群体中至少有两个群体显示记者表达高于背景水平时, 在 ey1h 检测中, 互动被认为是积极的。然而, 我们已经观察到, 约90% 的相互作用被确定为来自所有四个菌落对应于 tf 是阳性的 10,12,19。
为了说明使用 ay1h 检测可以获得的结果类型, 我们筛选了 cbl15 和 il17f 基因的启动子区域 (转录起始位点的上游 2 kb), 针对 1, 086个人 tf 阵列 (图 2)。ccol15 启动子是一个非自动激活的 dna 诱饵的例子, 在这个诱饵中, 即使是弱的相互作用, 也很容易被检测到 (图 2a)。il17f 启动子是具有不均匀背景报告活动的自动激活 dna 诱饵的一个示例, 在这种情况下, 可以检测到一些交互, 而对于多个 tf, 则不确定报告活动是否高于背景 (图 2b)。
执行 ey1h 检测时可能遇到的问题
尽管筛选 ey1h 协议是直接和可靠的, 但在筛选过程中可能会遇到几个问题:
1) 菌落太小, 无法转移 (图 3a): 虽然预计一些表达外源性 tf 的酵母可能表现出缓慢的生长, 因为酵母基因表达可能不正常, 通常约95% 的 tf-猎物菌落显示正常增长。如果超过 1 0% 的菌落不能生长, 最常见的原因是培养基或酵母转移的问题。次优生长通常与失去活性的介质成分之一 (如尿杆菌、组氨酸或亮氨酸) 有关, 这可以通过用新鲜的库存溶液制备新鲜的培养基来解决。或者, 这也可能与影响群体转移的固定偏移量有关。在这种情况下, 请验证 1, 536 垫将酵母菌落的中心固定在源板中。
2) 没有酵母生长在板的一部分 (图 3b): 这个问题通常与失败的交配步骤, 如果 1, 536 针垫不能与酵母接触的 dna-诱饵应变草坪, tf 阵列, 或在交配板。在几乎所有情况下, 这是由于不均匀的琼脂介质水平在板材浇注过程中或由于过度干燥的板。
3) 未检测到交互 (图 3c和d): 此问题通常与报告基因 (特别是 lacz) 中的意外失活突变有关, 或与掩盖交互的高自活性有关 (图 3 c)3d). 要解决此问题, 建议筛选与相同的 dna 诱饵相对应的另一个独立获得的应变。
4) 板显示随机的蓝色斑点 (图 3e): 此问题通常与细菌污染有关。为了解决这个问题, 条纹酵母得到个别菌落, 并重复屏幕。
以上是执行 ey1h 检测时遇到的最常见的问题。如果出现其他问题, 准备新媒体, 确认使用了 hda 机器人的适当设置, 并测试每个 dna 诱饵的多个菌株可能会解决大多数问题。
图 1: ey1h 检测屏幕概述.(a) 以 tf 为中心的方法和以 dna 为中心的方法之间的比较, 以确定蛋白质与 dna 的相互作用。(b) ay1h 检测原理图。his3 和 lacz 记者基因上游克隆的感兴趣的 dna 序列 (启动子、增强剂、消音器等) 被整合到酵母基因组中。由此产生的 dna-诱饵菌株与一组酵母菌株进行了配对, 这些菌株的 tf 融合到 gal4 活化域 (ad)。阳性相互作用是由酵母在没有组氨酸的情况下生长的能力和克服竞争性抑制剂3-at 的能力决定的, 在 x-gal 的存在下变成蓝色。(c) 用于 ey1h 屏幕的管道。在 yapd 板上生长的酵母 dna-诱饵菌株的草坪在 yapd 板上与 1, 536个菌落阵列配合在一起, 表达了融合在 sc-trp 板上的 ad 的 tf。一天后, 酵母被转移到 sc-u-trp, 以选择二倍体酵母。经过2-3天的孵育后, 酵母被转移到 sc-u-h-h-trp + 3at + x-galal 板 (读出板), 以识别蛋白质-dna 相互作用。每次互动都经过四式两份的测试。 请点击这里查看此图的较大版本.
图 2: ey1h 读出板的示例.(a) 涉及 ccl15 启动子的相互作用, ccl15 是一种非自动活性诱饵。该诱饵的背景记者活动较低 (在没有组氨酸和非相互作用的 tf 没有蓝色的情况下生长减少)。(b) 涉及自体诱饵 il17f 启动子的相互作用。该诱饵的背景记者活动高 (在没有组氨酸和背景蓝色的情况下生长在整个板块) 和不均匀, 使其具有识别蛋白质-dna 相互作用的挑战性。强、中和弱相互作用分别以红色、橙色和黄色平方。显示了相互作用的 tf 的 hgnc 名称。请点击这里查看此图的较大版本.
图 3: ey1h 屏幕出现问题.(a) 多个菌落未能生长的 tf-猎物阵列。(b) 左下角的殖民地未能转移的读出板。(c) 不显示正相互作用的非自体 dna 诱饵菌株。(d) 高度自体性 dna 诱饵菌株, 不显示正相互作用。(e) 读出的板显示多个蓝色菌落由于污染。请点击这里查看此图的较大版本.
| 发现 tf 阵列 | |
| 第1天 | 在96个菌落格式 (2.1和2.2) 中发现酵母进入 sc-trp 板 |
| 第4天 | 生成384个殖民地 tf 阵列 (2.3) |
| 第6天 | 生成 1, 536个殖民地 tf 阵列 (2.4) |
| 第9天 | 放大 1, 536个殖民地 tf 阵列 (2.5) |
| 准备用于交配的 dna 诱饵应变草坪 | |
| 第6天 | 发现酵母 dna-诱饵菌株 (3.1.1) |
| 第9天 | 流酵母, 每个板12-16 株 (3.1.2) |
| 第10天 | 流酵母, 每片4株 (3.1.3) |
| 第11天 | 准备 dna 诱饵草坪 (3.1.4和3.1.5) |
| 酵母 dna-诱饵和 tf 阵列菌株的配联 | |
| 第12天 | yapd 板中的约会 (3.2) |
| 二倍体酵母的选择 | |
| 第13天 | sc-u–trp 板中二倍体酵母的选择 (3.3) |
| 转移到读出板 | |
| 第15天 | 将二倍体酵母转移到读出板 (3.4) |
| 读出板的成像 | |
| 17-22 天 | 根据背景的不同, 读出板的图像采集 (3.5) |
表1:tff 阵列。
| 试剂 | 数量 (2 升) |
| 滴出混合合成减组氨酸, 亮氨酸, 色氨酸和尿尿, 腺嘌呤, 丰富 (2 克) w 酵母氮碱 | 2.6 克 |
| 不含氨基酸和硫酸铵的酵母氮碱 (ynb) | 3.4 克 |
| 二水腺嘌呤半磷酸二甲酯 | 160毫克 |
| 硫酸铵 | 10克 |
| 琼脂 | 35克 |
| 葡萄糖 (40%, w v) 在水中, 无菌 | 100毫升 |
| 亮氨酸 (100 mm), 无菌过滤 | 16毫升 |
| 色氨酸 (40 mm), 无菌过滤 | 16毫升 |
表 2: 试剂清单一。
| 试剂 | 数量 (2 升) |
| 蛋白胨 | 40克 |
| 酵母提取物 | 20克 |
| 二水腺嘌呤半磷酸二甲酯 | 0.32 克 |
| 葡萄糖 (40%, w v) 在水中, 无菌 | 100毫升 |
| 琼脂 | 35克 |
表 3:试剂清单二.
| 试剂 | 数量 (2 升) |
| 滴出混合合成减组氨酸, 亮氨酸, 色氨酸和尿尿, 腺嘌呤丰富 (2 克) 酵母氮碱 | 2.6 克 |
| 不含氨基酸和硫酸铵的酵母氮碱 (ynb) | 3.4 克 |
| 二水腺嘌呤半磷酸二甲酯 | 160毫克 |
| 硫酸铵 | 10克 |
| 琼脂 | 35克 |
| 葡萄糖 (40%, w v) 在水中, 无菌 | 100毫升 |
| 亮氨酸 (100 mm), 无菌过滤 | 16毫升 |
| 组氨酸 (100 mm), 无菌过滤 | 16毫升 |
| 尿管 (20 mm), 无菌过滤 (在 sc–u–trp 板中省略) | 16毫升 |
表 4:试剂清单三.
| 试剂 | 数量 (2 升) |
| 滴出混合合成减组氨酸, 亮氨酸, 色氨酸和尿尿, 腺嘌呤丰富 (2 克) 酵母氮碱 | 2.6 克 |
| 不含氨基酸和硫酸铵的酵母氮碱 (ynb) | 3.4 克 |
| 二水腺嘌呤半磷酸二甲酯 | 160毫克 |
| 硫酸铵 | 10克 |
| 琼脂 | 35克 |
| 葡萄糖 (40%, w v) 在水中, 无菌 | 100毫升 |
| 10倍 bu 盐 | 200毫升 |
| 亮氨酸 (100 mm), 无菌过滤 | 16毫升 |
| 3at (2 m), 无菌过滤 | 5毫升 |
| x 加仑 (80 mg/ml) in dmf | 4毫升 |
表 5:试剂清单四.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
与以前的库筛选或基于转换的排列筛选方法相比, 这里描述的机器人 ay1h 交配筛选方法大大提高了识别绑定到感兴趣的 dna 区域的 tf 集的吞吐量。此外, 由 ey1h 检测检测到的 tf-dna 相互作用是高度可重复的, 因为检测到的90% 的相互作用对每个 tf 测试的所有四个菌落都呈阳性, 90% 的相互作用在同一酵母 dna-诱饵菌株的独立屏幕上重新检测,12,19. 更重要的是, 在人体记者检测12,20、原代人类细胞 (未公布的结果) 和 c . elegans 敲除动物中检测时, ey1h 检测到的 tf-dna 相互作用以 40%-70% 的速度进行验证11. 这与 chip-seq 数据21的验证率相似。
尽管在重新测试相同的酵母 dna-诱饵菌株时, ey1h 鉴定的相互作用是高度可复制的, 但测试不同的酵母菌株以寻找相同的 dna 诱饵有时会产生不同的 tf-dna 相互作用集, 尽管相互重叠。这通常是由于不同菌株之间的背景报告活动的差异。此外, 测试 dna 序列的片段会导致检测到比测试完整序列更多的 tf-dna 相互作用, 特别是在测试重叠片段时。这可能与检测更有效地识别接近记者最小启动子的相互作用有关, 而且因为测试重叠片段会减少结合位点被酵母核糖体阻断的可能性。因此, 对于小型项目, 建议测试监管区域的重叠 0.5-1 kb 片段, 并对每个 dna 诱饵序列8进行两个独立菌株的筛选。
在 ey1h 筛选协议中有几个关键步骤, 以避免图 3中出现的一些问题。首先, 虽然大多数培养基成分在几个月内都是稳定的 (3at 和 x-gal 除外), 但缺乏适当的菌落生长可能表明至少有一种成分可能已经失去了活性, 应该更换。其次, 重要的是要准备矩形板, 使琼脂是水平的, 使他们不干燥超过一天, 以避免失败的固定时, 使用机器人平台。最后, 使用协议中指出的机器人平台程序 (再访问、回收、混合等) 是酵母有效转移、交配效率和避免酵母克隆之间交叉污染的关键。
我们选择的例子来说明 ey1h 屏幕的使用与人类基因启动子相对应。但是, 还可以测试其他监管区域, 包括增强剂和消音器。例如, 我们使用 ay1h 检测来评估 tf 与人类发育促进剂和线虫第一内含子12,22的结合。此外, 考虑到交互是以对等方式进行测试的, ey1h 检测可用于比较非编码变体之间以及 tf 编码序列变体之间的交互。例如, 使用 ey1h 检测, 我们确定了改变后的 tf 绑定到109个与不同遗传疾病相关的非编码变体, 以及 58个 tf 错误意义突变12,14的差异相互作用谱。虽然该议定书的重点是评估 tf 与人类监管区域的结合, 但如果有 tf-猎物或可以产生, 也可以测试其他物种的 dna 区域。事实上, 已经产生了 tf-猎物阵列的线虫 10,果蝇23, mus 肌肉 24, 拟南芥 thaliana25,26,泽亚梅尔斯27. 因此, 随着资源的增加, ay1h 检测可适用于其他系统。
尽管 ey1h 检测有助于确定与人类和其他物种不同监管区域结合的 tf 的曲目, 但它们并非没有警告8、11、12、19 ,20,25。其中一个限制因素是, 相互作用是在酵母核的环境中进行测试, 虽然 dna 诱饵是染色化的, 酵母中的染色质结构可能不能反映 dna 诱饵来源和来源物种的染色质结构。不会反映在体内观察到的细胞类型差异。因此, 由 ay1h 检测确定的交互必须在记者或其他功能检测中进行验证。值得注意的是, 我们和其他人发现, ey1h 检测到的 tf-dna 相互作用在功能检测11、12、20、23中的检测率为 40%-70%。eY1H 检测的另一个局限性是, 它无法检测到涉及需要酵母中不存在的翻译后修饰才能与 dna 结合的 tf、与 ad 融合时酵母中未正确折叠的 tf 以及阵列中缺少的 tf 的相互作用8. 此外, 在目前的格式中, ay1h 检测不检测涉及异质 tf 的相互作用, 因为 tf 阵列中的每个酵母菌落表达的是一个 tf-猎物。因此, 进一步改进检测将增加可测试的 tf 的广度, 并扩展 ay1h 检测的能力, 以识别新的 tf-dna 相互作用
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
提交人声明, 他们没有相互竞争的经济利益。
Acknowledgments
这项工作得到了国家卫生研究院 [r35-gm128625 至 j. i. f. b.] 的支持。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3-Amino-1,2,4-triazole (3AT) ~95 % TLC | Sigma | A8056-100G | Competitive inhibitor for products of HIS3 gene |
| Adenine sulfate (hemisulfate), dihydrate | US Biologicals | A0865 | Required for proper yeast growth |
| Agar High Gel Strength - Bacteriological grade | American International Chemical | AGHGUP | Nutritive media for yeast growth |
| Ammonium Sulfate | US Biologicals | A1450 | Nitrogen source in synthetic yeast media |
| D+ Glucose Anhydrous | US Biologicals | G3050 | Required for yeast growth |
| Drop-Out Mix minus His, Leu, Tryp and Uracil, adenine rich w/o yeast nitrogen base | US Biologicals | D9540-02 | Synthetic complete media required for yeast growth |
| edge Multiparameter pH Meter | Hanna Instruments | HI2020-01 | To measure pH of selective media |
| Flat Toothpicks 750 ct | Diamond | To streak yeasts on petridishes | |
| Glass Beads | Walter Stern | 100C | To spreak yeast when making lawns |
| Glycerol ≥99% | Millipore Sigma | G9012-1L | Required to make frozen yeast stocks |
| L-Histidine | US Biologicals | H5100 | For yeast growth selection in selective media |
| L-Leucine | US Biologicals | L2020-05 | For yeast growth selection in selective media |
| L-Tryptophan | Sigma | T-0254 | For yeast growth selection in selective media |
| N,N-Dimethylformamide | Sigma | 319937-1L | To make X-gal solution |
| Omnipense Elite | Wheaton | W375030-A | For dispensing accurate volumes of media into Singer plates |
| Peptone, Bacteriological | American International Chemical | PEBAUP | Protein source required for yeast growth |
| Petri Dish, 150 mm x15 mm | VWR | 10753-950 | For growing yeast baits for screening |
| PlusPlates | Singer Instruments | PLU-003 | To make rectangular agar plates to use with Singer Robot |
| Precision Low Temperature BOD Refrigerated Incubator | ThermoFisher Scientific | PR205745R | To incubate yeast plates at constant temperature |
| RePads 1,536 short | Singer Instruments | REP-005 | To transfer the TF-prey array, mate yeast, and transfer yeast to diploid selection and readout plates |
| RePads 384 short | Singer Instruments | REP-004 | To transfer TF-prey array from 384 to 1,536 colony format |
| RePads 96 long | Singer Instruments | REP-001 | To transfer TF-prey array from glycerol stock to agar plate |
| RePads 96 short | Singer Instruments | REP-002 | To transfer TF-prey array from 96 to 384 colony format |
| Singer HDA RoToR robot | Singer Instruments | For transfering yeast in high-throughput manner | |
| Sodium Hydroxide (Pellets/Certified ACS) | Fisher | S318-1 | For adjusting pH of selective media |
| Sodium Phosphate dibasic heptahydrate | Santa Cruz Biotechnology | sc-203402C | Required for LacZ reporter activity on X-gal |
| Sodium Phosphate monobasic monohydrate | Santa Cruz Biotechnology | sc-202342B | Required for LacZ reporter activity on X-gal |
| Uracil | Sigma | U0750-100G | For yeast growth selection in selective media |
| X-gal (5-Bromo-4-chloro-3-indoxyl-beta-Dgalactopyranoside) | Gold Biotechnology | X4281C100 | β-galactosidase turns colorless X-gal blue to detect protein-DNA interaction |
| Yeast Extract | US Biologicals | Y2010 | Nutritious medium for growth and propagation of yeast |
| Yeast Nitrogen Base (powder) w/o AA, carbohydrate and w/o AS | US Biologicals | Y2030 | Required for vigorous yeast growth |
References
- Vaquerizas, J. M., Kummerfeld, S. K., Teichmann, S. A., Luscombe, N. M. A census of human transcription factors: function, expression and evolution. Nature Reviews Genetics. 10 (4), 252-263 (2009).
- Lambert, S. A., et al. The Human Transcription Factors. Cell. 172 (4), 650-665 (2018).
- Arda, H. E., Walhout, A. J. Gene-centered regulatory networks. Briefings in Functional Genomics. 9 (1), 4-12 (2010).
- Jolma, A., et al. DNA-binding specificities of human transcription factors. Cell. 152 (1-2), 327-339 (2013).
- Bulyk, M. L., Gentalen, E., Lockhart, D. J., Church, G. M. Quantifying DNA-protein interactions by double-stranded DNA arrays. Nature Biotechnology. 17 (6), 573-577 (1999).
- Robertson, G., et al. Genome-wide profiles of STAT1 DNA association using chromatin immunoprecipitation and massively parallel sequencing. Nature Methods. 4 (8), 651-657 (2007).
- Li, J. J., Herskowitz, I. Isolation of ORC6, a component of the yeast origin recognition complex by a one-hybrid system. Science. 262 (5141), 1870-1874 (1993).
- Sewell, J. A., Fuxman Bass, J. I. Options and Considerations When Using a Yeast One-Hybrid System. Methods in Molecular Biology. 1794, 119-130 (2018).
- Fuxman Bass, J. I., Reece-Hoyes, J. S., Walhout, A. J. Gene-Centered Yeast One-Hybrid Assays. Cold Spring Harbor Protocols. (12), (2016).
- Reece-Hoyes, J. S., et al. Enhanced yeast one-hybrid assays for high-throughput gene-centered regulatory network mapping. Nature Methods. 8 (12), 1059-1064 (2011).
- Fuxman Bass, J. I., et al. A gene-centered C. elegans protein-DNA interaction network provides a framework for functional predictions. Molecular Systems Biology. 12 (10), 884 (2016).
- Fuxman Bass, J. I., et al. Human gene-centered transcription factor networks for enhancers and disease variants. Cell. 161 (3), 661-673 (2015).
- Reece-Hoyes, J. S., et al. Yeast one-hybrid assays for gene-centered human gene regulatory network mapping. Nature Methods. 8 (12), 1050-1052 (2011).
- Sahni, N., et al. Widespread macromolecular interaction perturbations in human genetic disorders. Cell. 161 (3), 647-660 (2015).
- Fuxman Bass, J. I., Reece-Hoyes, J. S., Walhout, A. J. Generating Bait Strains for Yeast One-Hybrid Assays. Cold Spring Harbor Protocols. (12), (2016).
- Fuxman Bass, J. I., Reece-Hoyes, J. S., Walhout, A. J. Colony Lift Colorimetric Assay for beta-Galactosidase Activity. Cold Spring Harbor Protocols. (12), (2016).
- Fuxman Bass, J. I., Reece-Hoyes, J. S., Walhout, A. J. Zymolyase-Treatment and Polymerase Chain Reaction Amplification from Genomic and Plasmid Templates from Yeast. Cold Spring Harbor Protocols. (12), (2016).
- Deplancke, B., et al. A gene-centered C. elegans protein-DNA interaction network. Cell. 125 (6), 1193-1205 (2006).
- Reece-Hoyes, J. S., et al. Extensive rewiring and complex evolutionary dynamics in a C. elegans multiparameter transcription factor network. Molecular Cell. 51 (1), 116-127 (2013).
- Carrasco Pro, S., et al. Global landscape of mouse and human cytokine transcriptional regulation. Nucleic Acids Research. 46 (18), 9321-9337 (2018).
- Whitfield, T. W., et al. Functional analysis of transcription factor binding sites in human promoters. Genome Biology. 13 (9), R50 (2012).
- Fuxman Bass, J. I., et al. Transcription factor binding to Caenorhabditis elegans first introns reveals lack of redundancy with gene promoters. Nucleic Acids Research. 42 (1), 153-162 (2014).
- Hens, K., et al. Automated protein-DNA interaction screening of Drosophila regulatory elements. Nature Methods. 8 (12), 1065-1070 (2011).
- Gubelmann, C., et al. A yeast one-hybrid and microfluidics-based pipeline to map mammalian gene regulatory networks. Molecular Systems Biology. 9, 682 (2013).
- Brady, S. M., et al. A stele-enriched gene regulatory network in the Arabidopsis root. Molecular Systems Biology. 7, 459 (2011).
- Pruneda-Paz, J. L., et al. A genome-scale resource for the functional characterization of Arabidopsis transcription factors. Cell Reports. 8 (2), 622-632 (2014).
- Burdo, B., et al. The Maize TFome--development of a transcription factor open reading frame collection for functional genomics. The Plant Journal. 80 (2), 356-366 (2014).
