ACT1-CUP1-analysen, en kobbervekstanalyse, gir en rask avlesning av forløperen messenger RNA (pre-mRNA) spleising og virkningen mutant spleisingsfaktorer har på spliceosomal funksjon. Denne studien gir en protokoll og fremhever tilpasningen som er mulig for å løse spleisingsspørsmålet av interesse.
Mutasjoner introdusert i spliceosomet eller dets substrat har betydelig bidratt til vår forståelse av vanskelighetene med spliceosomal funksjon. Enten sykdomsrelatert eller funksjonelt valgt, har mange av disse mutasjonene blitt studert ved hjelp av vekstanalyser i modellorganismen Saccharomyces cerevisiae (gjær). Den spleisespesifikke kobbervekstanalysen, eller ACT1-CUP1-analysen, gir en omfattende analyse av mutasjon på fenotypisk nivå. ACT1-CUP1-analysen bruker reportere som gir kobbertoleranse når de er riktig skjøtet. Således, i nærvær av kobber, korrelerer endringer i gjærens levedyktighet med endringer i mRNA-produksjon gjennom spleising. I et typisk eksperiment utfordres gjærspliceosomet med forskjellige ikke-konsensus-spleisingsreportere og spleisingsfaktormutasjonen av interesse for å oppdage synergetisk eller antitetisk innvirkning på spleising. Her gis en fullstendig beskrivelse av kobberplatepreparasjon, plating av gjærceller og dataevaluering. Et utvalg av komplementære eksperimenter er beskrevet, og fremhever allsidigheten til ACT1-CUP1-reporterne. ACT1-CUP1-analysen er et praktisk verktøy i spleiseverktøykassen takket være direkte avlesning av mutasjonseffekt(er) og de komparative mulighetene fra fortsatt bruk i felt.
Spliceosomet er en stor, biologisk maskin som katalyserer fjerning av introner, ikke-kodende regioner i forløperen messenger RNA (pre-mRNA)1,2. Karakterisering av effekten av en enkeltpunktsmutant i 1 av de nesten 100 proteiner og 5 ikke-kodende RNA er ofte tvetydig når man studerer proteinet eller RNA isolert. Endringen i den muterte komponentens funksjon kan best evalueres in vivo i sammenheng med det fulle, fungerende spliceosomet.
Kobbervekstanalysen beskrevet her er en rask måling av spleisingseffektivitet i Saccharomyces cerevisiae eller spirende gjær. Utviklet av CF Lesser og C. Guthrie og publisert i 1993, kombinerer denne analysen det enkle å jobbe med en enkel modellorganisme og den enkle avlesningen av cellens levedyktighet3. Levedyktigheten korrelerer med hvor godt spliceosomene i disse cellene kan gjenkjenne og spleise reporterutskriften.
Denne kobbervekstanalysen kalles mer vanlig ACT1-CUP1-analysen. Navnet ACT1-CUP1 stammer fra de to genene smeltet sammen for å skape en reporter av spleiseeffektivitet. ACT1 er gjærens aktingen, som er sterkt uttrykt og har en effektivt skjøtet intron 4,5. Cup1p er en kobberkelator som sekvestrerer kobber i cellen for å forhindre interferens med vanlige cellulære funksjoner 6,7,8. ACT1-CUP1-reporteren inneholder disse genene i rekkefølge slik at CUP1 bare er i riktig leseramme hvis pre-mRNA-spleising av ACT1s intron forekommer (figur 1). Det resulterende fusjonsproteinet inneholder de første 21 aminosyrene av aktin og full lengde Cup1p-protein, noe som øker gjærens levedyktighet i et kobberrikt miljø3. Dermed resulterer en økning i mengden spleising av reporteren i en høyere konsentrasjon av Cup1p og en høyere kobbermotstand (figur 1). Sammenlignet med andre reportergener, påvirker CUP1 cellens levedyktighet selv ved lave nivåer, har et bredt følsomhetsområde, og kan brukes til å velge direkte for spleising av mutasjoner 3,6,7. I tillegg er CUP1 ikke avgjørende for standard gjærvekst, og dermed påvirkes ikke cellulær homeostase under oppsettet for denne analysen. I tillegg til slettings- eller temperaturvekstanalyser gir ACT1-CUP1 informasjon om effekten på skjøting under ellers optimale gjærvekstforhold.
Spliceosomet gjenkjenner substratet gjennom tre introniske sekvenser, nemlig 5′ spleisestedet (5′ SS), grenstedet (BS) og 3′ spleisestedet (3′ SS). Tallrike ACT1-CUP1-reportere har blitt generert som inneholder ikke-konsensussekvenser på disse nettstedene. Et utvalg av de vanligste ACT1-CUP1-reporterne er vist i figur 1 og tabell 1. Ettersom spliceosomet samhandler med hvert skjøtested unikt på forskjellige punkter i spleisingssyklusen, kan robustheten til spliceosomet testes på forskjellige trinn basert på hvilken ikke-konsensusreporter som brukes. Ikke-konsensusreportere er oppkalt etter den muterte posisjonen i intronen og basen den ble mutert til. For eksempel er A3c en reporter med en mutasjon ved 5 ‘SS, spesielt posisjon 3 fra konsensus adenosin til en cytosin. Denne reporteren vil samhandle sterkt med spliceosome mutasjoner som påvirker 5 ‘SS utvalg og bruk. I sin første studie bestemte Lesser og Guthrie hvilke 5 ‘SS-mutasjoner som hemmet spleising3. Senere samme år ble ikke-konsensusreportere på alle tre spleisestedene publisert av Burgess og Guthrie i en suppressorskjerm av mutasjoner i ATPase Prp16p9. Ved å sammenligne konsensus med ikke-konsensusreportere, har ACT1-CUP1-analysen vært en viktig nøkkel til å forstå robustheten og selektiviteten til gjærspleisosomet og å utlede funksjonen til andre eukaryoters spliceosomer.
Som ikke-konsensus ACT1-CUP1-reportere sensibiliserer spliceosomet til ytterligere forstyrrelse, kan virkningen av en enkelt spleisingsfaktormutasjon karakteriseres gjennom reporterne det positivt eller negativt påvirker. Dette har blitt brukt til å skjøte forskningsspørsmål på en rekke måter. For det første kan og har ACT1-CUP1-analysen blitt brukt som en genetisk skjerm for mutasjoner i spleisingsfaktorer. For eksempel fungerer Prp8p, det største spleisingsproteinet, som en plattform hvor RNA-kjernen i spliceosomet katalyserer spleisingsreaksjonen. Dette ble delvis utledet gjennom hvordan Prp8p-mutanter forbedret eller reduserte spleisingen av forskjellige ACT1-CUP1-reportere 10,11,12,13,14,15,16,17. Andre proteinkomponenter i spliceosomet har også blitt undersøkt ved bruk av ACT1-CUP1, inkludert Hsh155p, Cwc2p, Cef1p og Ecm2p 18,19,20,21,22,23,24,25. De energiske tersklene for Prp16p og fire andre ATPaser involvert i spliceosomal overgang har også blitt studert med denne analysen 9,26,27,28,29,30. De små nukleære RNA-ene (snRNA-ene) har også blitt grundig studert ved bruk av ACT1-CUP1 for å identifisere pre-mRNA-sekvensene de koordinerer og endringene i sekundærstrukturen snRNA-ene gjennomgår under spleising3,31,32,33,34,35,36,37.
ACT1-CUP1-analysen krever en gjærstamme der alle kopier av CUP1-genet er slått ut. Siden CUP1 kan ha et høyt kopinummer 6,38, kan forberedelse av en full knock-out-belastning kreve flere runder eller omfattende screening. Som et resultat har cup1Δ gjærstammer ofte blitt delt mellom laboratorier, som har reporterne.
Hvis mutasjon(er) i en spleisingsfaktor vurderes fra en plasmidkopi, bør villtypegenet for denne faktoren slås ut. I tillegg bør gjærbakgrunnen tillate seleksjon av minst to plasmider, en som inneholder en ACT1-CUP1-reporter, historisk på et leucin næringsstoffseleksjonsplasmid, og en som inneholder en mutasjon eller forstyrrelse i spleisingsmaskineriet som skal studeres (figur 2). Vanligvis, i en enkelt analyse, vil flere gjærstammer, som hver bærer spørringen splicing perturbation (QSP) og en annen reporter, teste spørringens innvirkning på spleising.
De uavhengige variablene i ACT1-CUP1-analysen tillater en forsker å vurdere alvorlighetsgraden av en QSP. Disse uavhengige variablene er konsentrasjonen av kobber og utvalget av flere ikke-konsensus spleising reportere. For det første, ettersom gjærstammene dyrkes på plater som inneholder en rekke kobberkonsentrasjoner (figur 2), inkluderer oppsettet av analysen å velge gradienten av konsentrasjoner som brukes. Studier kan bruke et kurs kobberkonsentrasjonsgradient for å få en innledende avlesning av levedyktighet og deretter gjenta analysen med en finere gradient for å identifisere subtile levedyktighetsforskjeller. Den andre variabelen er det brede spekteret av ACT1-CUP1-reportere som er mulig å teste (figur 1 og tabell 1). Hvis QSP påvirker gjærens levedyktighet annerledes i nærvær av en ikke-konsensusreporter versus villtype, kan det konkluderes med at QSP påvirker et trinn i spleising eller en region av spliceosomet som er viktig under anerkjennelsen eller behandlingen av den regionen av intronen.
Gjærverktøykassen er omfattende, og ACT1-CUP1-analysen er en integrert del av skjøteforskningen. ACT1-CUP1-analysen utføres ofte sammen med en mer grundig genetisk, strukturell og / eller biokjemisk analyse av virkningen av en QSP. Siden disse mer detaljerte studiene generelt har en lengre prosedyre og/eller høyere prislapp, er en hyppig tilnærming screening for interessante mutanter med ACT1-CUP1 først.
Forutsatt her er en ACT1-CUP1 analyseprotokoll, inkludert kobberplateforberedelse. Denne analysen gir forskere et første svar på QSPs effekt på spleising og hvilke introniske regioner som er mest påvirket av forstyrrelsen.
ACT1-CUP1 er en vekstanalyse, og det må tas hensyn til at observerte vekstforskjeller kun kan tilskrives skjøtefeil. Alle belastninger skal håndteres på lignende måte før plating, inkludert å ha en lignende lengde og type vekst og lagringsforhold. Hvis du bruker temperaturfølsomme stammer, bør ACT1-CUP1-analyser bare utføres under forhold der disse stammene vokser sammenlignbart med villtype. Tilsvarende, for QSP-komponenten, anbefales det å ha identiske gjærbakgrunner og ekspresjonsnivåer av QSP-gen (er) fo…
The authors have nothing to disclose.
Takk til Aaron Hoskins og Hoskins lab medlemmer ved University of Wisconsin-Madison for bruk av gjær stammer og utstyr i genereringen av tallene 3-5. Takk til Harpreet Kaur og Xingyang Fu for innsiktsfulle kommentarer til manuskriptet. Takk til støttende studenter, ansatte og fakultet ved Northwest University under skriving, redigering og filming av dette papiret. Takk til Isabelle Marasigan for hjelp til å filme denne metoden.
1.5 mL sterile microcentrifuge tubes | Fisher Scientific | 05-408-129 | Or comparable item from a different manufacturer. |
2 mL sterile microcentrifuge tubes | Fisher Scientific | 05-408-138 | Or comparable item from a different manufacturer. |
50 mL sterile centrifuge tubes | Fisher Scientific | 07-201-332 | Or comparable item from a different manufacturer. |
96-well round bottom microplate | Fisher Scientific | 07-200-760 | Or comparable item from a different manufacturer. |
190 proof ethanol | Fisher Scientific | 22-032-600 | Or comparable item from a different manufacturer. |
500 mL Filter System (0.22 µm) | CellTreat Scientific Products | 229707 | Or comparable item from a different manufacturer. |
Agar | Fisher Scientific | BP1423-500 | Any molecular grade agar will work. |
Autoclave | Tuttnauer | 3870EA | Or comparable item from a different manufacturer. |
Bunsen burner | Humboldt | PN6200.1 | Or comparable item from a different manufacturer. |
Cell Density Meter | VWR | 490005-906 | Or other spectral device that can measure absorbance at 595 nm. |
Copper sulfate Pentahydrate | Fisher Scientific | LC134051 | Or comparable item from a different manufacturer. |
Digital imaging system | Cytiva | 29399481 | ImageQuant 4000 (used for Figure 3), Amersham ImageQuant 800, or comparable item from a different manufacturer. |
Dropout mix (-Leu) | USBiological Life Sciences | D9525 | Use the appropriate drop out mix for your experiment. It is possible you will be using a yeast nutrient marker for your query perturbation also. In that case, the drop out mix should be for that marker and Leu |
D-Glucose | Fisher Scientific | AAA1682836 | Or comparable item from a different manufacturer. |
Gel band quantifying software | Cytiva | 29-0006-05 | ImageQuant TL v8.1 (used for figure 5A) or comparable item from a different manufacturer. |
Hand held camera | Nikon | D3500 | Or comparable item from a different manufacturer. |
Near infra-red gel imaging device | Cytiva | 29238583 | Amersham Typhoon NIR (used for Figure 5a) or comparable item from a different manufacturer. |
Laboratory grade clamp | Fisher Scientific | 05-769-7Q | Or comparable item from a different manufacturer. |
Laboratory grade stand and clamp | Fisher Scientific | 12-000-101 | Or comparable item from a different manufacturer. |
Magnetic stir bars | Fisher Scientific | 14-513-51 | Or comparable item from a different manufacturer. |
Pin replicator | VP Scientific | VP 407AH | |
Semi-micro disposable cuvettes | VWR | 97000-590 | Or comparable item from a different manufacturer. |
Shaker | JEIO Tech | IST-3075 | Or comparable item from a different manufacturer. |
Spectrophotometer | Biowave | 80-3000-45 | Or any spectophotometer that can measure the absorbance at 600 nm. |
Square plates | VWR | 102091-156 | Circular plates may also be used though are more challenging if using a pin replicator. |
Stir plate | Fisher Scientific | 11-520-16S | Or comparable item from a different manufacturer. |
Yeast nitrogen base | USBiological Life Sciences | Y2025 | Or comparable item from a different manufacturer. |