Optogenetische willekeurige mutagenese met behulp van histon-miniSOG in<em> C. elegans</em
Summary
Genetisch gecodeerde histon-miniSOG induceert genoom-brede erfelijke mutaties in een blauw licht-afhankelijke manier. Dit mutagenese methode is eenvoudig, snel, vrij van giftige chemicaliën, en zeer geschikt voor forward genetische screening en transgene integratie.
Abstract
Forward genetic screening in model organisms is the workhorse to discover functionally important genes and pathways in many biological processes. In most mutagenesis-based screens, researchers have relied on the use of toxic chemicals, carcinogens, or irradiation, which requires designated equipment, safety setup, and/or disposal of hazardous materials. We have developed a simple approach to induce heritable mutations in C. elegans using germline-expressed histone-miniSOG, a light-inducible potent generator of reactive oxygen species. This mutagenesis method is free of toxic chemicals and requires minimal laboratory safety and waste management. The induced DNA modifications include single-nucleotide changes and small deletions, and complement those caused by classical chemical mutagenesis. This methodology can also be used to induce integration of extrachromosomal transgenes. Here, we provide the details of the LED setup and protocols for standard mutagenesis and transgene integration.
Introduction
Genetische screens zijn op grote schaal gebruikt om genetische mutanten verstoren diverse biologische processen in modelorganismen zoals Caenorhabditis elegans (C. elegans) 1 genereren. Analyses van dergelijke mutanten leiden tot de ontdekking van functioneel belangrijke genen en hun signaalwegen 1,2. Traditioneel mutagenese in C. elegans wordt bereikt met mutagene chemicaliën, straling of transposons 2. Chemicaliën zoals ethylmethaansulfonaat (EMS) en N-ethyl-N -nitrosourea (ENU) zijn giftig voor de mens; gammastraling of ultraviolet (UV) stralingsmutagenese vereist speciale apparatuur; en transposon-actieve stammen, zoals mutator stammen 3, kan onnodige mutaties veroorzaken tijdens onderhoud. We hebben een eenvoudige benadering van erfelijke mutaties met behulp van een genetisch-gecodeerde fotosensibilisator 4 induceren ontwikkeld.
Reactive oxygen species (ROS) kan DNA 5 beschadigen.De mini-singlet zuurstof Generator (miniSOG) is een groen fluorescerend eiwit van 106 aminozuren dat werd ontworpen door de LOV (licht, zuurstof, en Voltage) domein van Arabidopsis phototropin 2 6. Bij blootstelling aan blauw licht (~ 450 nm), miniSOG genereert ROS zoals singlet zuurstof met fl avin mononucleotide als cofactor 6-8, die in alle cellen. Construeerden wij een His-fusie-eiwit door MSOG tagging miniSOG aan de C-terminus van histon-72, een C. elegans variant van Histon 3. We genereerden een losse transgene 9 tot en met His-MSOG drukken in de kiemlijn van C. elegans. Onder normale kweekomstandigheden in het donker, het His-MSOG transgene wormen normale broedsel grootte en levensduur 4. Bij blootstelling aan blauw LED-licht, het His-MSOG wormen produceren erfelijke mutaties onder hun nageslacht 4. Het spectrum van geïnduceerde mutaties omvat nucleotide veranderingen, zoals G: C tot T: A en G: C C: G, en kleine chromosome deleties 4. Dit mutagenese procedure is eenvoudig uit te voeren, en vereist een minimale veiligheid lab setup. We beschrijven hier de LED verlichting setup en procedures voor optogenetic mutagenese.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hier beschrijven we een gedetailleerde procedure van optogenetic mutagenese met behulp van His-MSOG tot uitdrukking in de kiembaan en geven een voorbeeld van een kleinschalige forward genetische screen. Vergeleken met standaard chemische mutagenese, deze optogenetic mutagenese werkwijze heeft verschillende voordelen. Ten eerste is het niet-toxisch, daarmee had het laboratoriumpersoneel verwijderd van toxische chemische mutagenen zoals EMS, ENU en trimethylpsoraleen met ultraviolet licht (TMP / UV). Ten tweede kan de exp…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The work is supported by HHMI. We thank our lab members for their help with testing the protocol and revising the manuscript.
Materials
| Ultra High Power LED light source | Prizmatix | UHP-mic-LED-460 | 460 ± 5 nm |
| LED controller | Prizmatix | UHPLCC-01 | |
| Digital function generator/amplifier | PASCO | PI-9587C | PI-9587C is no longer available. The replacement is PI-8127. |
| BNC cable male/male | THORLABS | CA3136 | |
| USB-TTL interface | Prizmatix | Optional | |
| Photometer | THORLABS | PM50 and Model D10MM | |
| Filter paper | Whatman | 1001-110 | |
| Copper chloride dihydrate (CuCl2∙2H2O) | Sigma | C6641 | |
| Stereomicroscope | Leica | MZ95 | |
| NGM plate | Dissolve 5g NaCl, 2.5g Peptone, 20g Agar, 10 µg/ml cholesterol in 1 L H2O. After autoclaving, add 1 mM CaCl2, 1 mM MgSO4, 25 mM KH2PO4(pH6.0). | ||
| Lysis solution | 10 mM Tris(pH8.8), 50 mM KCl, 0.1% Triton X100, 2.5 mM MgCl2, 100 µg/ml Proteinase K |
Riferimenti
- Jorgensen, E. M., Mango, S. E. The art and design of genetic screens: caenorhabditis elegans. Nat Rev Genet. 3 (5), 356-369 (2002).
- Kutscher, L. M., Shaham, S. Forward and reverse mutagenesis in C. elegans. WormBook. , 1-26 (2014).
- Collins, J., Saari, B., Anderson, P. Activation of a transposable element in the germ line but not the soma of Caenorhabditis elegans. Nature. 328 (6132), 726-728 (1987).
- Noma, K., Jin, Y. Optogenetic mutagenesis in Caenorhabditis elegans. Nat Commun. 6, 8868 (2015).
- Cooke, M. S., Evans, M. D., Dizdaroglu, M., Lunec, J. Oxidative DNA damage: mechanisms, mutation, and disease. FASEB J. 17 (10), 1195-1214 (2003).
- Shu, X., et al. A genetically encoded tag for correlated light and electron microscopy of intact cells, tissues, and organisms. PLoS Biol. 9 (4), 1001041 (2011).
- Ruiz-Gonzalez, R., et al. Singlet oxygen generation by the genetically encoded tag miniSOG. J Am Chem Soc. 135 (26), 9564-9567 (2013).
- Pimenta, F. M., Jensen, R. L., Breitenbach, T., Etzerodt, M., Ogilby, P. R. Oxygen-dependent photochemistry and photophysics of “miniSOG,” a protein-encased flavin. Photochem Photobiol. 89 (5), 1116-1126 (2013).
- Frokjaer-Jensen, C., et al. Random and targeted transgene insertion in Caenorhabditis elegans using a modified Mos1 transposon. Nat Methods. 11 (5), 529-534 (2014).
- Brenner, S. The genetics of Caenorhabditis elegans. Genetica. 77 (1), 71-94 (1974).
- Chaudhuri, J., Parihar, M., Pires-daSilva, A. An introduction to worm lab: from culturing worms to mutagenesis. J Vis Exp. (47), (2011).
- Berkowitz, L. A., Knight, A. L., Caldwell, G. A., Caldwell, K. A. Generation of stable transgenic C. elegans using microinjection. J Vis Exp. (18), (2008).
- Mello, C., Fire, A. DNA transformation. Methods Cell Biol. 48, 451-482 (1995).
- Fay, D., Bender, A. Genetic mapping and manipulation: chapter 4–SNPs: introduction and two-point mapping. WormBook. , 1-7 (2006).
- Lee, P. Y., Costumbrado, J., Hsu, C. Y., Kim, Y. H. Agarose gel electrophoresis for the separation of DNA fragments. J Vis Exp. (62), (2012).
- Westberg, M., Holmegaard, L., Pimenta, F. M., Etzerodt, M., Ogilby, P. R. Rational design of an efficient, genetically encodable, protein-encased singlet oxygen photosensitizer. J Am Chem Soc. 137 (4), 1632-1642 (2015).
- Xu, S., Chisholm, A. D. Highly efficient optogenetic cell ablation in C. elegans using membrane-targeted miniSOG. Sci Rep. 6, 21271 (2016).
- Mariol, M. C., Walter, L., Bellemin, S., Gieseler, K. A rapid protocol for integrating extrachromosomal arrays with high transmission rate into the C. elegans genome. J Vis Exp. (82), (2013).
- Lin, J. Y., et al. Optogenetic inhibition of synaptic release with chromophore-assisted light inactivation (CALI). Neuron. 79 (2), 241-253 (2013).
- Minevich, G., Park, D. S., Blankenberg, D., Poole, R. J., Hobert, O. CloudMap: A Cloud-Based Pipeline for Analysis of Mutant Genome Sequences. Genetica. 192 (>4), 1249-1269 (2012).
- Qi, Y., Xu, S. MiniSOG-mediated Photoablation in Caenorhabdtis elegans. Bio-protocol. 3 (1), 316 (2013).
- Qi, Y. B., Garren, E. J., Shu, X., Tsien, R. Y., Jin, Y. Photo-inducible cell ablation in Caenorhabditis elegans using the genetically encoded singlet oxygen generating protein miniSOG. Proc Natl Acad Sci U S A. 109 (19), 7499-7504 (2012).
- Nagel, G., et al. Light activation of channelrhodopsin-2 in excitable cells of Caenorhabditis elegans triggers rapid behavioral responses. Curr Biol. 15 (24), 2279-2284 (2005).
