Summary
这里介绍的是使用市售组织试剂盒从一只或几只动物中直接和相对快速地分离 秀丽隐杆线虫 基因组DNA的描述。所得的gDNA制剂是PCR的合适模板。
Abstract
从单个或几个 秀丽隐杆线虫 中提取基因组DNA具有许多下游应用,包括用于基因分型系,克隆和测序的PCR。传统的基于蛋白酶K的方法从 秀丽隐杆线虫 中提取基因组DNA需要几个小时。有效打开 秀丽隐杆线虫 角质层和提取基因组DNA的商业提取试剂盒是有限的。本文介绍了一种简单,快速(约15分钟)且具有成本效益的提取 秀丽隐杆线虫 基因组DNA的方法,该方法适用于课堂和研究应用。这种DNA提取方法经过优化,使用单个或几个晚幼虫(L4)或成体线虫作为获得可靠模板进行PCR的起始材料。结果表明,DNA质量适用于通过PCR扩增不同大小的基因靶标,即使在每次反应中稀释到单个成虫DNA的五十分之一时,也可以对单个或少数动物进行基因分型。所报告的实验方案可以可靠地用于从单个或一小个 秀丽隐杆线虫 样本中快速生成DNA模板,用于基于PCR的应用。
Introduction
在这里,提出了两种用于秀 丽隐杆线虫 裂解的相关方案,以使DNA可用于基于PCR的应用。PCR是一种常用的分子技术,用于许多应用,包括用于克隆和测序的DNA片段的基因分型和扩增等。小(1毫米),自由生活的蛔虫 秀丽隐杆线虫 是生物学研究的流行动物系统。从单个动物或少数动物中获得合适的基因组DNA足以通过PCR扩增序列。晚期L4幼虫和成虫在 子宫内仅含有约1,000个体细胞(包括一些多核多倍体细胞),生殖细胞和(如果动物是妊娠雌雄同体)后代。然而,这些动物受到角质层的保护,必须破坏角质层以提取基因组DNA2。制备用于PCR的线虫基因组DNA模板的标准方法涉及多个步骤,需要几个小时。首先将动物在含有蛋白酶K(−70°C或更低)的蠕虫裂解缓冲液中冷冻至少15-45分钟(某些方案建议更长)3,4,5,6。这一步打开了动物。
冷冻后,将动物在60-65°C下孵育1小时以使蛋白酶K起作用,然后将酶在95°C下灭活15-30分钟。 蛋白酶K破坏降解DNA的核酸酶。在PCR之前蛋白酶K失活对于防止蛋白酶K降解DNA聚合酶非常重要。这里描述的两种基于试剂盒的方案是从单个动物或几个线虫中提取基因组DNA的快速,可靠且具有成本效益的方法,用于日常研究和教学实验室应用。所使用的试剂盒最初由制造商优化,以从动物组织,唾液和毛发中提取DNA7。它使用专有的组织制备溶液和提取溶液来裂解细胞并使基因组DNA易于访问。然后,专有的中和溶液中和可能抑制PCR的组分(例如,盐,离子和Mg2 +结合分子)。
在基因分型时,可以测试单个动物。在确定菌株是否纯合时,从单个动物中测试六个或更多后代可以高度肯定一个品系是否纯合(从杂合亲本随机挑选六个纯合突变后代的几率为0.02%[(1/4)6 ×100%= 0.02%])。该方法1)简单明了,步骤比蛋白酶K方法少,2)将模板制备时间减少到15分钟。这项工作的结果表明,所开发的方案在从单个或几个蠕虫中提取基因组DNA方面具有强大的作用,这些基因组DNA可以可靠地用于不需要高度纯化的DNA的下游应用,包括PCR。
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Protocol
1. 秀丽隐杆线虫的 维持
注意:N2(野生型)和 blmp-1(tm548)C.秀丽隐杆线虫 菌株在20°C下维持在标准线虫生长培养基(NGM)板上。
- 通过将23.005gNGM粉末溶解在2L烧瓶中的973mL水中来制备NGM板。用铝箔(或允许排气的可高温高压灭菌盖)盖住烧瓶开口,并用高压灭菌胶带固定盖子。高压灭菌器溶解粉末并以至少30分钟的灭菌循环对内容物进行灭菌。
- 在水浴中将培养基冷却至60°C。
- 向冷却的培养基中加入25mL无菌的1M磷酸盐(KH2PO4)缓冲液,pH 6.0 ;1 mL 1 M氯化钙溶液;和1 mL的1M硫酸镁溶液。
- 在磁力搅拌板上搅拌培养基以获得均匀的混合物并防止冷却和凝固不均匀(〜5分钟)。确保搅拌棒旋转得足够快以产生涡流,但不要太快,以至于引入气泡(~250-300 rpm)。
- 将〜25mL培养基倒入每个10厘米的培养皿中(总共约40个板)。在室温下(通常为16-25°C)干燥板过夜。
- 在37°C下在30-50mL LB肉汤中培养 大肠杆菌 OP50菌落过夜。
- 用500μL 大肠杆菌 OP50培养物接种每个板,并在使用前在室温下干燥(通常为16-25°C)8。将板在4°C下储存长达3周。
- 使用钢丝镐或其他方法将 秀丽隐杆线虫 转移到种子板上,让它们在菌株所需的温度下生长到L4或成虫阶段(通常为16-25°C,如果动物被作为dauers镀上1-2天,如果动物被接种为胚胎,则为3-4天)8。
2. 单虫DNA提取
注意:该方法可用于从单个蠕虫(1.8μL总体积中的一个蠕虫)中提取DNA。如果一次裂解多个蠕虫,则可以进行预混料。
- 将热循环仪在55°C下编程一个循环10分钟,然后在95°C下编程3分钟(裂解程序)。
- 将0.8μL提取溶液从试剂盒中等分到冰上0.2mL PCR管的内壁上。从试剂盒中加入0.2μL组织制备溶液到提取溶液的液滴中。通过移液混合。
- 在解剖显微镜下识别L4或成年动物9.为了识别L4雌雄同体,寻找一个特征性的外阴,在动物中间可以看到一个苍白的半圆。通过在平板上寻找最大的动物来识别成年雌雄同体,这些动物可能在子宫中可见椭圆形胚胎。
- 使用铂金丝镐,将选定的动物转移到溶液10中。
- 在室温下短暂离心管(2-3秒,≤6,000rpm / 2,000× g)以收集管底部的内容物。
- 将试管置于热循环仪中,并运行步骤2.1中设置的裂解程序。
- 程序完成后,短暂离心管并将其放在冰上。从试剂盒中加入0.8μL中和溶液到混合物中。通过移液混合。
- 在室温下(2-3 s,≤6,000 rpm / 2,000 × g)短暂离心管。
- 直接使用裂解液进行PCR或将其储存在4°C或-20°C以备将来使用。
注意:提取的DNA在4°C或−20°C下稳定至少6个月7。
3. 少数个体的DNA提取
注意:这种方法对于从一些蠕虫中提取DNA很有用。如果一次裂解多个菌株,则可以制备预混液。
- 将热循环仪在55°C下编程一个循环10分钟,然后在95°C下编程3分钟(裂解程序)。
- 将2.0μL提取溶液从试剂盒中等分到冰上0.2mL PCR管的内壁上。从试剂盒中加入0.5μL组织制备溶液到提取溶液的液滴中。通过移液混合。
- 在解剖显微镜下识别L4或成年动物9.L4雌雄同体有一个特征性的外阴,在动物中间可以看到一个苍白的半圆。成年雌雄同体是盘子上最大的动物,可能在子宫中可见椭圆形胚胎。
- 使用铂丝拾取,将几只动物转移到溶液中:每0.5μL裂解物中产生9只动物相当于基因组DNA的动物,16只动物在0.25μL(3.5线虫/ μL)10中产生约1只动物当量的基因组DNA。
注意:很难将超过16只动物转移到此体积中。 - 在室温(2-3秒,≤6,000转/2,000× 克)下短暂离心管。
- 将试管置于热循环仪中,并运行步骤3.1中设置的裂解程序。
- 程序完成后,短暂离心管并将其放在冰上。从试剂盒中加入2μL中和溶液到混合物中。通过移液混合。
- 在室温下(2-3 s,≤6,000 rpm / 2,000 × g)短暂离心管。
- 直接使用裂解剂进行PCR或将其储存在4°C或−20°C以备将来使用。
注意:提取的DNA在4°C或−20°C下稳定至少6个月7。
4. PCR反应
注意:描述了这种蠕虫裂解技术的一种下游应用,即使用快速聚合酶检测缺失突变。还证明了两种蠕虫裂解方案在生产基因组模板DNA方面的有效性,以便在每次反应中稀释至蠕虫的1/50th 以成功PCR。
- 使用野生型N2和突变菌株从单个蠕虫和16个蠕虫中提取DNA,如上述步骤2和步骤3中所述。
- 准备来自野生型N2动物的单蠕虫DNA的2倍,10倍,20倍和50倍稀释度。
- 使用特定于目标序列的引物和热启动PCR预混液,按照制造商的方案建立PCR反应(表1 和 表2)。在每个反应中使用1μL未稀释的DNA或2μL稀释的DNA作为模板。
- 通过凝胶电泳和成像11确认PCR产物。
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Representative Results
使用商业试剂盒或传统裂解方案从单个或几个野生型成虫中提取基因组DNA,以比较这两种方法的疗效。然后将这些裂解物用作PCR的模板,以扩增〜2,100 bp的较大靶标(编码 blmp-1)或〜500 bp的较小靶标(编码 sma-10的一部分)。两种方法都成功产生了适当的PCR产物(图1A)。
接下来,证明了试剂盒提取的基因组DNA作为各种DNA聚合酶模板的能力。提取的基因组DNA被用作模板,使用具有不同功能(包括速度,保真度和产品尺寸)的四种聚合酶扩增0.5 kb产品。这些聚合酶使用来自单成人裂解或九成年裂解的模板产生预期大小的产物(图1B)。通过测序可以确认PCR聚合酶的模板序列和保真度,以正确扩增模板序列(补充图S1)。该结果表明,从试剂盒方案中提取的基因组DNA为一系列聚合酶提供了合适的模板。
使用商业试剂盒从单个动物中提取的不同浓度的基因组DNA测试PCR功效。DNA被稀释2倍,10倍,20倍或50倍,并且每次反应使用约一半,十分之一,二十分之一和五十分之一蠕虫用于PCR。这些DNA模板浓度支持扩增〜2.1 kb的较大靶标或〜0.5 kb的较小靶标的扩增(图1C)12。虽然观察到0.5 kb PCR产物的DNA浓度依赖性产率,但2.1 kb PCR产物产率在所有反应中似乎都是等效的。
为了证明这些方案从 秀丽隐杆线虫 中产生适合PCR基因分型的基因组DNA,从单个和16个野生型和 blmp-1 功能丧失突变体(blmp-1(tm548))中提取基因组DNA。 blmp-1 基因编码一种转录因子,在远端尖端细胞迁移,体型和发育中起重要作用12,13,14,15,16。 blmp-1 突变体具有810 bp的缺失,可去除外显子3和内含子315的部分。设计的引物在使用野生型DNA模板时产生2,134 bp产物,如果使用 blmp-1(-) DNA,则产生1,324 bp产物。使用来自L4分期动物的1μL单蠕虫(每次反应约0.5条蠕虫)或16-蠕虫裂解(每次反应3.5条蠕虫)检测适当大小的PCR产物(图1D)。该结果表明,使用任一方案的试剂盒提取的基因组DNA为PCR到基因型系提供了同样有效的模板。
这些结果表明,使用来自单个和多个动物的商用组织DNA提取试剂盒的 秀丽隐杆线虫 基因组DNA制剂可以可靠地用作PCR的模板。
图1:使用来自单个线虫和多个线虫的商用试剂盒的DNA制备允许通过PCR进行稳健的扩增。 将PCR产物上样于1x TAE缓冲液(5μL(A,B)或10μL(C,D)中的1%琼脂糖凝胶上,并在90-100V下运行30分钟至2小时。2对数DNA分子量标准用于所有凝胶。(A)通过试剂盒将DNA裂解与传统的蛋白酶K方法进行比较,以使用两个引物集创建模板。野生型成虫被裂解,相当于一只动物被用作所有反应的模板。泳道 1-4, 2.1 kb 产品。泳道1,PCR来自单虫蛋白酶K.泳道2裂解,PCR来自单虫裂解试剂盒法。Lane 3,PCR由九虫蠕动蛋白酶K.裂解而成,PCR由九虫虫裂解而成,PCR由试剂盒法裂解而成。泳道 5-8, 0.5 kb 产品.泳道5,PCR来自单虫蛋白酶K.泳道6裂解,PCR来自单虫裂解试剂盒法。Lane 7,PCR由蛋白酶K.K.Lane 8从九虫蠕虫裂解,PCR由九虫蠕虫裂解通过试剂盒法进行。(B)DNA裂解试剂盒方法为多种聚合酶的PCR提供了合适的模板。使用试剂盒方法裂解野生型成虫,并使用相当于半只动物的一半作为0.5 kb产品的PCR模板。有关聚合酶的详细信息,请参阅 材料表 。泳道1,PCR来自单虫裂解与高速聚合酶。通道2,PCR来自九虫裂解与高速聚合酶。泳道3,PCR来自单蠕虫裂解与 Taq 聚合酶。通道4,用 Taq 聚合酶从九蠕虫裂解中获得PCR。泳道5,PCR来自具有高保真聚合酶的单蠕虫裂解。泳道6,从九虫裂解与高保真聚合酶的PCR。通道7,PCR来自具有高速,高保真聚合酶的单蠕虫裂解。8号泳道,PCR来自九虫裂解与高速、高保真聚合酶。(C)一种野生型L4蠕虫裂解的稀释液为PCR提供了模板。泳道 1-5, 2.1 kb 产品.通道 6-10,0.5 kb 目标。泳道1和泳道6,未稀释的DNA。泳道2和泳道7,2倍稀释的DNA。通道3和通道8,10倍稀释的DNA。泳道4和泳道9,20倍稀释的DNA。通道5和通道10,DNA稀释50倍。(D)使用1μL单一和16-蠕虫DNA制剂作为模板,通过PCR对 blmp-1 位点进行基因分型。通道1,来自野生型单虫裂解的PCR。泳道2,来自 blmp-1(-) 单蠕虫裂解的PCR。3号泳道,来自野生型16-蠕虫裂解的PCR。通道4,来自 blmp-1(-) 16-蠕虫裂解的PCR。缩写:准备=制备方法;kb = 千基;st. = 线虫阶段;dil. = DNA的稀释。 请点击此处查看此图的大图。
目标 | 引物名称 | 序列 | ||
blmp-1 | 向前 | GCGTCAGGTAAGTTGTGATA | ||
反向 | CAGTTATTGCGGCTGTTTT | |||
sma-10 | 向前 | AATGTGTGGCAAGGAATCG | ||
反向 | TGTCTGTCCAACGAAGTG | |||
测 序 | 1 | CACATCCCGGACGCCTTAAT | ||
2 | CTAATTGTTTTCTACCTGGC |
表1:引物列表。
一个。 | 波尔 A, 波尔 B, 波尔 D | 波尔 E |
PCR 预混液 | 12.5 微升 | 12.5 微升 |
前向引物 | 0.2 μM(终浓度) | 0.5 μM(终浓度) |
反向底漆 | 0.2 μM(终浓度) | 0.5 μM(终浓度) |
模板脱氧核糖核酸 | 变量 | 1 μL |
无核酸酶水 | 至 25 μL | 至 25 μL |
B. | 波尔 C |
PCR 5x 缓冲液 | 2.5 微升 |
1000 万吨/肾上腺素酐 | 2.0 微升 |
前向引物 | 0.2 μM(终浓度) |
反向底漆 | 0.2 μM(终浓度) |
模板脱氧核糖核酸 | 变量 |
聚合酶 | 0.5 微升 |
无核酸酶水 | 至 25 μL |
C. 用于图1B的PCR程序 | ||
温度 | 时间 | 周期 |
98 °C | 2 分钟 | 1 |
98 °C | 1 分钟 | 30 |
55 °C | 1 分钟 | |
72 °C | 1 分钟 | |
72 °C | 1 分钟 | 1 |
2 °摄氏度 | 拿 |
D. 用于补充图S1的PCR程序 | ||
温度 | 时间 | 周期 |
98 °C | 30 秒 | 1 |
98 °C | 10 秒 | 30 |
57 °摄氏度 | 20 秒 | |
72 °C | 50 秒 | |
72 °C | 2 分钟 | 1 |
2 °摄氏度 | 拿 |
表2:PCR反应组分。
补充图S1:测序以确认用商业试剂盒制备的基因组DNA的质量。 两个测序反应的结果完全符合由来自16-蠕虫裂解的高速,高保真聚合酶(Pol E)扩增的超过1,600个DNA核苷酸的预期序列(表1, 表2A和 表2D)。对读取端进行排序以进行修剪,以删除低质量的碱基读取。使用EMBL-EBI多序列比对工具MUSCLE(通过对数期望进行MUltiple序列比较)进行比对17。 请点击此处下载此文件。
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Discussion
确定 秀丽隐杆线虫 的基因型是进行遗传杂交以创建新的 秀丽隐杆线虫 菌株的重要步骤。使用单个或几个 秀丽隐杆线虫进行 基因组DNA提取是秀 丽隐杆线虫基因分型的关键步骤。该协议描述了使用商业试剂盒从 秀丽隐杆线虫 中提取基因组DNA。此方法速度快,工作可靠。使用这种方法提取的基因组DNA可用于下游应用,包括基因分型,测序和克隆。所描述的DNA提取方法已经过优化,用于基因分型 秀丽隐杆线虫 遗传杂交,使用单个和几个L4或成年动物作为DNA模板的起始材料。相当于一只动物的五十分之一(图1C)到3.5只动物(图1D)为通过PCR扩增靶DNA序列提供了合适的模板。该方案(稀释)产生足够的模板(以2μL/反应)用于单个蠕虫的最多45个反应和来自16个动物的100个反应。即使每次反应使用一种蠕虫,这些方案也提供了一种从 秀丽隐杆线虫中提取DNA的具有成本效益的方法。鉴于该协议的简单性,稳健性和快速性,它非常适合研究和课堂应用。
由于该方案涉及移液少量试剂,因此建议为多种反应制备预混液,良好的移液技术以及使用校准良好的移液器以确保一致性。使用来自单一或9-16动物裂解酶的0.5-1μL未稀释DNA模板通常适用于使用热启动PCR预混液的25μL PCR反应,但可能需要优化模板浓度。试剂必须在实验期间保持在冰上。为了避免DNA提取溶液的重复冻融,这可能会降低酶性能,建议将试剂等分并储存在-20°C。
对于需要PCR的下游应用,与商业组织试剂盒中提供的PCR反应混合物相比,使用热启动,高速PCR预混液可进一步减少总时间。高速聚合酶可以在5-10秒内扩增小于1 kb的产物(参见 材料表 和 表2 的聚合酶描述),而试剂盒的PCR反应混合物使用 Taq DNA聚合酶,扩增速率约为1 kb / min7。来自某些PCR的产品可以直接加载到琼脂糖凝胶中进行电泳,从而进一步减少步骤和时间。该反应缓冲液还与限制性内切酶酶相容。高保真DNA聚合酶也与使用该协议提取的DNA一起稳定地工作(图1B)。虽然所使用的聚合酶始终使用试剂盒提取的模板工作,但使用其他聚合酶可能会提供更好的结果,具体取决于模板,引物集性质,产品尺寸和所需的保真度。如果在PCR后遇到问题,例如没有扩增靶带或扩增了其他条带,则可能需要进一步优化引物工作条件或DNA模板浓度。强烈建议使用适当的对照,包括野生型DNA模板和使用已被证明有效的引物。
该方法不适用于需要高纯化或高产率DNA模板的应用。虽然制备的动物数量和反应体积可以扩大,但使用这种方法制备的DNA不会与生物体碎片分离,并且可能不够纯净,可用于全基因组测序等高度敏感的应用。
与现有的传统基因组DNA提取方法相比,该方法的主要优点包括更短的时间和更简单,更容易的步骤。将来,这种方法可以扩大规模,适应于提取 秀丽隐杆线虫 基因组DNA用于其他下游应用,并用于从其他线虫物种中提取DNA。
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Disclosures
作者没有利益冲突需要披露。
Acknowledgments
N2菌株和 大肠杆菌 OP50细菌是从 Caenorhabditis 遗传学中心(CGC)获得的,该中心由NIH研究基础设施计划办公室(P40 OD010440)资助。 blmp-1(tm548) 菌株来自日本国家生物资源项目。作者感谢WormBase。这项工作得到了NIH R01GM097591对T.L.G.的支持,德克萨斯女子大学对T.L.G.的内部资助,以及TWU的学生研究中心对M.F.L.的支持。
Materials
Name | Company | Catalog Number | Comments |
autoclave tape | Defend | 43237-2 | |
aluminium foil, heavy duty | Reynolds Wrap | 2182934 | |
calcium chloride | Millipore Sigma | 102382 (CAS 10035-04-8) | |
Extract-N-Amp kit (includes Tissue Preparation Solution, Extraction Solution, and Neutralization Solution) | Sigma-Aldrich Co. LLC | XNAT2-1KT | |
Isotemp hotplate/stirrer | Fisher Scientific | 11-100-495H | |
LB media, Lennox, capsules | MP Biomedicals, LLC | 3002-131 | |
magnesium sulfate, 97% pure, anhydrous | Thermo Scientific | AC413485000 (CAS 7487-88-9) | |
microcentrifuge | Labnet International, Inc. | PrismR, C2500-R | |
NEB Q5U Hot Start High-Fidelity DNA polymerase | New England Biolabs, Inc. | M0515S | "Pol E" used in Supplemental Figure S1, a high-speed, high-fidelity polymerase (20–30 s/kb) |
NGM media powder | US Biological Life Sciences | N1000 | |
Phusion High-Fidelity PCR Master Mix with HF Buffer | New England Biolabs, Inc. | M0531S | "Pol D" in Figure 1B, a high-speed, high-fidelity polymerase (15–30 s/kb) |
primers | Integrated DNA Technologies | custom DNA oligos | |
PrimeSTAR GXL polymerase | Takara Bio Inc. | R050B | "Pol C" in Figure 1B, a high-fidelity polymerase (1 min/kb) for GC-rich templates and templates up to 30 kb |
Quick-Load Purple 2-log DNA Ladder (0.1–10.0 kb) | New England Biolabs, Inc. | N0550S | |
SapphireAmp Fast PCR Master Mix | Takara Bio Inc. | RR350A | "Pol A" in Figure 1B, polymerase used in Figure 1A, C, D, a high-speed polymerase (10 s/kb) for targets up to 5 kb |
Sigma ReadyMix Taq PCR reaction mix | Sigma-Aldrich Co. LLC | P4600 | "Pol B" in Figure 1B, a polymerase (1 min/kb) for targets up to 7 kb |
SimpliAmp thermal cycler | Applied Biosystems | A24812 | |
stir bar | Fisher Scientific | 14-512-126 | |
vortex mixer | Fisher Scientific | 2215365 | |
worm pick | Genesee Scientific Corporation | 59-AWP |
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