Summary

强化酵母单杂交筛网识别与人 dna 序列结合的转录因子

Published: February 11, 2019
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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910 (图 1 b) 进行筛选。dna 诱饵是克隆的上游两个报告基因 (laczhis3) 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 151617。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。

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, …

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?…

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,<sup class=…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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

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 750ct 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, 150×15 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

Referências

  1. 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).
  2. Lambert, S. A., et al. The Human Transcription Factors. Cell. 172 (4), 650-665 (2018).
  3. Arda, H. E., Walhout, A. J. Gene-centered regulatory networks. Briefings in Functional Genomics. 9 (1), 4-12 (2010).
  4. Jolma, A., et al. DNA-binding specificities of human transcription factors. Cell. 152 (1-2), 327-339 (2013).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Fuxman Bass, J. I., Reece-Hoyes, J. S., Walhout, A. J. Gene-Centered Yeast One-Hybrid Assays. Cold Spring Harbor Protocols. (12), (2016).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Fuxman Bass, J. I., et al. Human gene-centered transcription factor networks for enhancers and disease variants. Cell. 161 (3), 661-673 (2015).
  13. 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).
  14. Sahni, N., et al. Widespread macromolecular interaction perturbations in human genetic disorders. Cell. 161 (3), 647-660 (2015).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Deplancke, B., et al. A gene-centered C. elegans protein-DNA interaction network. Cell. 125 (6), 1193-1205 (2006).
  19. 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).
  20. Carrasco Pro, S., et al. Global landscape of mouse and human cytokine transcriptional regulation. Nucleic Acids Research. 46 (18), 9321-9337 (2018).
  21. Whitfield, T. W., et al. Functional analysis of transcription factor binding sites in human promoters. Genome Biology. 13 (9), R50 (2012).
  22. 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).
  23. Hens, K., et al. Automated protein-DNA interaction screening of Drosophila regulatory elements. Nature Methods. 8 (12), 1065-1070 (2011).
  24. Gubelmann, C., et al. A yeast one-hybrid and microfluidics-based pipeline to map mammalian gene regulatory networks. Molecular Systems Biology. 9, 682 (2013).
  25. Brady, S. M., et al. A stele-enriched gene regulatory network in the Arabidopsis root. Molecular Systems Biology. 7, 459 (2011).
  26. 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).
  27. 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).
check_url/pt/59192?article_type=t

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Citar este artigo
Shrestha, S., Liu, X., Santoso, C. S., Fuxman Bass, J. I. Enhanced Yeast One-hybrid Screens To Identify Transcription Factor Binding To Human DNA Sequences. J. Vis. Exp. (144), e59192, doi:10.3791/59192 (2019).

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