Summary
在本文中, 我们提出了两种互补的方法来测量特定的率的平移误差和误译的模型分枝杆菌, 分枝杆菌 smatis, 使用功能增益报告系统。这些方法可用于测量低吞吐量或更高吞吐量设置中的相对错误率的准确错误率。
Abstract
将基因转化为蛋白质容易出错。虽然模型系统中的平均平移误差率估计为每个密码子 1/10000, 但实际错误率差别很大, 这取决于所研究的物种、环境和密码子。我们以前已经证明, 分枝杆菌使用两步路径生成氨基酰化谷氨酰胺和芦笋 Rna, 这与相对较高的错误率特别相关, 因为由通路的重要组成部分, 即酰胺转移酶 GatCAB。我们修改了以前使用的 Renilla-f保护性氢-萤火虫双荧光素酶系统, 该系统被用来测量用于分枝杆菌的大肠杆菌中的误译率, 以测量谷氨酰胺在谷氨酰胺中的特定误译率作为芦笋密码子的密码子和天冬氨酸。尽管该记者系统适用于对特定错误率的准确估计, 但由于缺乏灵敏度和对过度操作步骤的要求, 因此不适合高吞吐量应用。因此, 我们开发了第二个功能增益报告系统, 使用 Nluc 荧光酶和绿色荧光蛋白 (GFP), 更适合于中等/高通量设置。我们使用这个系统来识别卡苏加霉素作为一个小分子, 可以减少分枝杆菌误译。尽管我们在这里描述的记者被用来测量特定类型的分枝杆菌误译, 但它们可能会被修改, 以测量一些模型系统中的其他类型的误译。
Introduction
分子生物学中的信息流要求将遗传信息转化为功能蛋白。与所有生物系统一样, 基因翻译也涉及可测量的错误。对翻译错误率的估计通常为每个密码子约为 1/10000 (由 Ribas de Pouplana 等人审查).然而, 错误率差别很大, 从不到10-5到超过 0.05/密码子1、2、3、4、5。误差率范围之广, 跨越三个数量级以上, 是由于翻译路径中的多个步骤可能产生的误差: 从随机、突变或压力引起的氨基酰化误差6,7.,8,9,10、天冬氨酸和谷氨酰胺-rna 5 的生理不均匀化, 或核糖体解码错误2,3,11。明显的高错误率, 代表超过 0.01. 1, 建议翻译错误可能执行生理功能1,12和误译可能是特定情况下的13。
我们和其他人已经证明, 基因翻译中自然发生的错误可能是适应性的, 特别是在环境压力1、5、12、14、15、16的情况下 ,17,18。在分枝杆菌中, 两步间接谷氨酰胺/天冬氨酰胺-氨基酰化途径19、20产生的误差显著提高了对一线抗结核抗生素利福平的耐受性5. 因此, 我们推测, 减少分枝杆菌误译与一个小分子可能有潜在的杀死利福平。我们筛选并鉴定了天然存在的氨基糖苷卡苏霉素, 将其作为一种化合物, 可以减少分枝杆菌的双译, 增强利福平介导的分枝杆菌在体外和体内的杀灭 21, 并限制利福平耐药 21的出现, 威胁到全球对结核病的控制 , 结核病是世界上最致命的病原体。
为了研究平移误差, 必须采用误译的测量方法。有多种方法已经开发的误译的测量, 每一种都有优点和缺点。简单地说, 基于精确质谱的方法有几个优点, 其中最重要的是, 使用较新的算法来检测多种类型的平移误差, 可以对误译进行相对无偏见的测量。执行了 18。然而, 质谱分析并不十分适合测量去酰胺化事件--正是由于间接 tRNA 酰化途径容易出错而在分枝杆菌中发生的误译类型。这是因为在处理样品进行质谱23 时发生了高频非酶脱胺, 从而产生了极高的背景信号。因此, 对于检测该途径中的错误, 遗传功能的记者提供了明显的优势。具体而言, 合适的功能增益记者可以有极低的背景率, 允许测量非常低的错误率11。
由于进行致病性结核分枝杆菌的实验需要专门的设施和额外的预防措施, 我们在非致病性分枝杆菌中进行了大多数实验,并在前面已经表明:两个物种之间的结果大致上是可比较的 5,21。为了测量间接 tRNA 氨基酰化途径产生的分枝杆菌的误译率, 我们改进了雷尼拉-萤火虫双荧光素酶系统, 该系统是以前开发的, 用于测量大肠杆菌中的核糖体解码错误11用于分枝杆菌。我们做了三个具体的修改: 原来的记者没有有效地表达分枝杆菌, 因此, 序列是密码优化, c-终端三个氨基酸的萤火虫荧光素酶, 丝氨酸-赖氨酸, 这已经在某些系统24中, 注释为贩运信号, 修改为异亮氨酸-丙氨酸-valine25。原记者在萤火虫荧光素酶突变过程中存在关键赖氨酸残留量。相反, 我们将雷尼拉肌钙酶中的一种严重保守的天冬氨酸 (D120) 或谷氨酸 (E144) 残留量分别转化为芦笋和谷氨酰胺 25 (图 1). 记者被克隆到转代体四环素诱导质粒 pUV-tetOR (见材料表)。功能蛋白记者在酶荧光蛋白中变异了严重保守的功能残基, 使其失去功能的 11,26。合成蛋白质功能变异的转化 (或理论上, 转录) 误差将导致被翻译蛋白质的子集中的可测量酶活性。为了纠正蛋白质丰度的变化, 突变的报告与作为基准的功能蛋白共同表达, 并允许准确定量功能增益 11。虽然renilla-萤火虫双荧光素酶记者允许准确测量特定分枝杆菌的误译率5,25 (图 2和第1节的协议), 我们很快意识到它不适合改变误译率的分子的中等/高通量筛选。这主要是由于两个原因, 即 (a)雷尼拉荧光素酶相对缺乏效力, 这意味着至少需要1毫升的分枝杆菌培养物样本来测量误译率; (b) 需要先裂解细胞酶活性的测量需要过多的人工处理: 分枝杆菌细胞有一个厚的和多层的细胞壁和包膜, 是相对抵抗裂解。因此, 我们希望开发一种新的功能增益报告系统, 该系统可以在小体积 (例如, 在96孔板系统中) 使用, 并且不需要细胞裂解进行测量。我们使用了强效的 Nluk 荧光素酶, 并确定了一个关键的天冬氨酸残留物, 当它突变为天冬氨酸, 导致2原木失去功能 (图 1)。此外, Nluc 体积小, 使其具有 n-末端分泌信号标签--来自抗原85a, 这是一种分枝杆菌中的一种主要分泌抗原--这将使 nluc 被分泌到培养上清液中, 并规避了细胞裂解。基准蛋白 GFP 与突变的 Nluk 相同的启动子表达, 但从一个综合载体 (见材料表) 表达, 并可在完整的细胞21中测量 (图 3)。尽管有这些优点, nlucgfp 记者 (协议第2节) 也有缺点: D140N 突变对 Nluk 活动的减少 (100倍) 不允许测量极低的误译率,使记者更适合作为筛选工具, 而不是准确测量平移误差。此外, Nluc 没有关键的谷氨酸残留物;因此, 只能测量芦笋到门际法的错误率。本工作中描述的一般原则应该允许研究人员使用这些记者, 因为我们已经做了或修改记者适当的, 以准确和 (或简单地测量) 其他特定的平移错误率在他们的模型系统选择。
Protocol
1. Renilla-萤火虫双荧光酶记者
请注意:有关此方法的可视化表示形式, 请参见图 2。
- 接种分枝杆菌的分枝杆菌从-80°c 的股票与2毫升的7H9 培养基。野生型双荧光素酶, 以及突变的 Renilla (记者) 菌株, 需要用于计算误译率 (见步骤 1.7)。在37°c 下晃动 1至2天, 直到 OD600达到固定阶段 (od > 3)。
- 在 0.1-0.5 左右, 液体和稀释到 OD600 纳米。对于典型的实验, 使用三种独立的生物复制培养。安水四环素 (ATC), 一种四环素模拟诱导仪的报告表达 (由四环素诱导启动子控制), 最终浓度为 50 ng/mL。
- 为了测量卡苏加霉素对误译率21的影响,同时在培养中加入不同剂量的卡苏加霉素 (所示剂量见图 4 ) (在测试剂量下, 卡苏加霉素没有抗菌活性)。请注意, 为每个记者至少包含一个非诱导控件非常重要。在37°c 时, 培养诱导培养 4-6, 并有晃动。
- 将细菌培养物转移到2毫升管中, 离心机在室温下5分钟以 3, 220 x g的速度将细菌颗粒下来。放弃上清液。
- 通过添加40μl 的1x 被动裂解缓冲液 (由双荧光素酶试剂盒提供) 来破坏细菌, 该缓冲液已在双蒸馏水中稀释 (1:1)。将重新悬浮的细菌裂解液转移到一个96孔的白色板上, 每个样品一个井, 并在室温下晃动20分钟。
注意事项:不要在裂解缓冲液中过度孵育细菌 (超过 30分钟)。 - 在每口井中加入80Μl 的萤火虫基板, 摇 15秒, 并通过以 1, 000 毫秒为积分时间的计量发光。使用自动喷射器或多通道移液器, 以避免移液错误。
- 在每口井中加入80Μl 的 renilla 基板, 摇 15分钟, 并通过以 1, 000 毫秒为集成时间的发光计测量发光。
- 从测量值中减去背景发光----使用野生类型m. smegmatis (即不包含记者) 或未诱导记者裂解液进行测量。使用更正后的值计算每个条件的误译率, 方法是使用以下公式11、25, 其中 dn 指的是突变的报告应变中的活动:
2. nlucsgfp 记者
请注意:有关此方法的可视化表示形式, 请参见图 3。
- 用7H9 培养基2毫升的2毫升从-80°C 的菌种中接种细菌报告株。在37°c 下晃动 1至2天, 直到 OD600达到固定阶段 (od & gt;3)。
- 亚培养为7H9 培养基的50毫升, 生长到 OD600达到后期固定相 (& gt;4)。
- 在将细菌引用到96孔板之前, 在最终浓度为 50 ngml 的情况下加入 ATC, 并充分混合。批量培养的诱导确保了所有井都含有相同数量的诱导剂, 并使记者的感应同步。将细菌倾斜到一个清晰的、圆底的96孔板上, 每口井中含有100μl 的体积。
- 要筛选影响误译率的小分子, 请在指定浓度下添加化合物以选择井。在本协议中, 使用卡苏加霉素 (在图 5所示的剂量下) 作为说明。添加不同剂量的卡苏霉素来选择井 (每个实验组应包含至少两个生物复制)。
- 在37°c 下摇匀并诱导样品16-20。
请注意:用薄膜密封板材是必要的。此外, 所有边缘井都需要用至少200Μl 的无菌水填充, 以限制测试井的蒸发。 - 使用多通道移液器从每口井中提取 80μl, 并将样品转移到96孔的黑色板上 (这最大限度地提高了荧光信号的测量)。用以20毫秒为积分时间的计量 GFP 信号。
- 在测量 GFP 信号后, 将板在 3 220 x克的温度下进行10分钟的离心. 将上清液的50μl 转移到一个白底96孔板 (最大限度地提高发光信号测量), 在每个井中加入50Μl 的 nluc 基板, 将其混合均匀,并通过以1000毫秒为积分时间的计量发光。
- 通过 GFP 荧光划分修正后的 Nluk 发光值来确定 Nluc/gfp 比率: 此测量值 (任意单位) 是天冬氨酸对芦笋误译的相对度量。
Representative Results
图 1显示了说明本文中使用的两个记者系统的大致轮廓的漫画。图 2显示了协议第1节的概述, 图3中第2节的概述。如图 4所示, 由renilla-萤火虫记者系统测量的卡苏加霉素对分枝杆菌误译的影响如下图4所示。为了显示卡苏加霉素作用的特异性 , 记者还表达了一种被删除的 ksmma菌株 ( ksga ) 。KsgA 是一种 rRNA 二甲基转移酶, Ksga缺失的菌株对 kasugamycin 具有相对的耐药性。卡鲁亚霉素对误译的作用也测量使用 nlucucnegfp 记者, 如图 5所示。
图 1: 说明两个功能得分的记者系统的动画片.(A) renilla-萤火虫报告系统由两种荧光素酶组成, 这些酶表示为融合蛋白, 并在四联诱导启动子的控制下。野生型双酶的表达导致雷尼拉和萤火虫荧光素酶 (上图) 的高可测量活性。在瑞尼拉, 一个关键天冬氨酸残渣 d120 的突变使雷尼拉酶 (d120n) 不活跃, 但萤火虫荧光素酶仍然活跃。将天冬氨酸切割成天冬氨酸 (在这种情况下, 从生理上的错误化的 asparagineasn trna5,21) 导致转化后的利那利巴蛋白获得活性的一小部分,这是可以测量的。与野生双酶相比, 突变记者的雷尼拉/萤火虫活性可以计算天冬氨酸对天冬氨酸误译率的情况。(B) Nluc/gfp 记者制度也遵循类似的原则。突变的 Nluk (D140N) 基因具有 n-终末分泌信号, 从抗原 85A (主要分泌的分枝杆菌蛋白) 中提取。Nluc和gfp基因都是由相同的四环素诱导启动子表达的, 以允许使用 gfp 作为相对表达基准。请注意缺乏野生类型的 Nluc 控制应变: 本报告主要用于筛查, 其中相对误译率的测量是足够的主要屏幕。请点击这里查看此图的较大版本.
图 2: 使用renilla-萤火虫记者测量误译率的概要 (协议第1条).新的植物被培养出来, 用表达双荧光素酶记者的质粒转化。诱导了记者的表达, 并对研究化合物或条件进行了测试。在4-6 的报告表达后, 培养物被颗粒状和裂解, 裂解液被测试为双荧光素酶活性。请点击这里查看此图的较大版本.
图 3: 测量误译率的概要 nlcs-gfp 记者 (议定书第2条).一个新鲜的文化 m. 斯梅马蒂斯, 改造与 NLUC 和 gfp 记者, 增长到足够的体积, 所有的板块进行测试 (假设 ~ 10 ml9 6 井板)。在将细菌培养物移入每口井之前, 诱导记者在散装培养中加入 a t c 的表达。通过隔夜晃动井的孵化。为了测量相对误译率, 将培养物转移到一个黑色的板 (以增加荧光检测的灵敏度), 测量 GFP 荧光, 然后, 将板旋转到颗粒细菌。将上清液转移到白板上, 进行 Nluc 活动测量。请点击这里查看此图的较大版本.
图 4: 使用renilla-萤火虫记者测量不同菌株中存在的 kasugamycin 中的误译率的代表性结果.在雷尼拉-萤火虫双法测定的 Kasugamycin (ksg) 治疗后, (a) 型马绿和 (b) 中天方体在ksga (ksga) 中被删除的菌株的消解率记者。在细胞裂解和测量之前, 用卡苏霉素在指定剂量 (微克/毫升) 下进行了6小时的治疗。修正后的 renw 比率 (y 轴) 表明了天冬氨酸对芦笋的误译率。删除 Ksga会导致更高的基线误译率, 这对卡苏加霉素的调节有更强的抵抗力。条形图指示平均值, 标准偏差为误差。请点击这里查看此图的较大版本.
图 5: 使用 Nlcs-gfp 记者在卡苏加霉素存在的情况下测量误译率的代表性结果.由 Nluc-gfp 记者测量的野生型 m . smegmatis 天冬氨酸的相对误译率, 在使用 kasugamycin (ksg) 治疗一夜后 (16h)。条形图指示平均值, 标准偏差为误差。请点击这里查看此图的较大版本.
Discussion
这里描述的协议可以用来测量各种生物体中的误译率。在将协议调整为其他系统时, 应考虑到一些因素。首先, 应考虑测量的目的。为了使用功能增益记者准确测量误译率, 需要的是 (a) 一个强大的读出分析 (例如, 具有广泛线性范围的酶功能 [在这种情况下, 是荧光素酶活性])。此外, 寻找 (b) 在报告蛋白的关键残留物中的功能突变的丧失, 导致非常重大的功能损失, 低于预期的误译率。例如, 如果预期的误译率大约为 10-3/密码子,则函数突变的损失必须大于 1, 000倍;否则, 较低范围的误译事件将不会被敏感地检测到。最后, 为了使用功能增益记者准确测量误译率, (c) 需要一个强大的基准记者--在这种情况下, 是协议第1节的萤火虫荧光素酶。理想情况下, 基准记者应该融合到突变的酶记者, 保证 (无论出于各种意图和目的), 他们都表示在等量比率。基准 (和主要记者) 读数应该对暴露环境的扰动具有鲁棒性。例如, 野生类型 GFP 的荧光极易受到 pH值 28变化的干扰, 因此不适合作为测量巨噬细胞中吞噬分枝杆菌中误译率的基准, 而巨噬细胞存在于低于 pH 值 729 的噬体体。另一方面, 对于小分子筛选等应用, 主要屏幕最重要的考虑因素将是测量的重现性 (即精度, 而不是精度)、手动操作的最小化和小屏幕的可重复性。文化量。误译率的准确测量并不那么重要, 可以作为二次检测进行。最后, 需要指出的是, 本协议中描述的记者, 根据荧光素酶的酶功能, 只测量细菌群体的平均误译率, 而不能提供有关单细胞异质性的信息误译率的变化。鉴于单细胞变异在自适应表型 30,31,32的重要性, 荧光记者的误译事件的测量已经开发了 12,33, 包括用于测量分枝杆菌中的误译5。
在考虑了测量误译的要求之后, 应当指出, 本议定书所述的功能遗传记录记者只能测量一种误译 (即一种氨基酸替代)密码子) 每个记者。因此, 为了测量不同的误译事件, 需要多名记者。例如, 要通过在一个位置通过 lysyl-tRNA 对近同源密码子的核糖体解码错误来测量误译, 至少需要16个记者 2,3,11。高精度质谱和生物信息学允许同时识别许多不同类型的误译事件 18;然而, 这些方法也伴随着警告。一般来说, 它们不如功能得分记者准确。此外, 如前所述, 它们不太适合检测某些类型的误译, 即可能与非酶脱胺23混为一谈的误译.最后, 质谱分析不适合作为中高通量筛选的读出。
对于这些记者和协议的改编, 以衡量误译在其他系统中, 进一步的考虑因素包括记者在所需的模型系统中的稳健表达。我们最初试图使用 Farabaugh 和我们的分枝杆菌系统中的同事开发的双荧光素酶系统, 但由于缺乏记者表达而没有成功。广泛的故障排除确定了代码优化和对记者的小序列修改都是为了允许鲁棒表达式 25 (见上文)。可以想象, 在其他系统中使用, 需要对记者进行类似的调整。
最后, 应考虑所衡量的误译事件的类型。例如, 如果需要测量停止密码读数 (无稽之谈抑制), 停止密码子的功能突变丢失需要引入主报告蛋白34 的非关键区域内。否则, 只有特定的无稽之谈抑制事件, 恢复关键残留物 (因此, 记者功能) 将通过分析测量, 这将有可能导致对真正的误译率的大量低估。越来越多的证据表明, 在大量的生物1、12、13、35中,平移误差可能起到适应性作用。然而, 对误译事件的测量仍然限于少数, 尽管模型物种越来越多。将敏感方法改编为测量误译, 有可能进一步增加科学家对翻译错误在生理和病理中的作用的认识。
Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
这项工作得到比尔和梅林达·盖茨基金会 (OPP1109789)、中国国家自然科学基金 (31570129) 的资助, 以及清华大学医学院向 b. j. b. j. 的启动资金, 是一个惠康信托基金调查员 (207487/Z/17/Z)。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Middlebrook 7H9 | BD Difco | 271310 | |
| Anhydrotetracycline | Cayman Chemical | 10009542 | |
| Kasugamycin | sigma | K4013 | |
| Dual-luciferase reporter assay system | promega | E1960 | |
| Nano-Glo luciferase assay | promega | N1120 | |
| Fluoroskan Ascent FL luminometer | Thermo | / | |
| Assay Plate, 96 Well White, Flat Bottom High Binding, No Lid | Costar | 3922 | |
| Assay Plate, 96 Well Black, Flat Bottom High Biding, No Lid | Costar | 3925 | |
| 96 Well Cell Culture Cluster, Flat Bottom with Lid | Costar | 3599 | |
| Non-commercial reagents (plasmids) | |||
| pUV-TetOR-RenFF | NA | NA | episomal shuttle plasmid that allows tetracycline-inducible expression of the wild-type dual luciferase reporter |
| pUV-TetOR-Ren-D120N-FF | dual-luciferase reporter with mutated Renilla | ||
| pUV-TetOR-Ag85ASec-Nluc-D140N | NA | NA | episomal shuttle plasmid with a tetracyclin-inducible secretable version of mutated Nluc luciferase |
| pMC1S-GFP | NA | NA | Mycobacterial integrated (L5 site) vector for tetracycline-inducible expression of GFP |
References
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