Borreliella (Borrelia) burgdorferi In Vitro Transkripsiyon Tahlillerinin Temel Bileşenleri
Summary
İn vitro transkripsiyon testleri, Borreliella burgdorferi’deki transkripsiyonel düzenleme mekanizmalarını deşifre edebilir. Bu protokol, B. burgdorferi RNA polimerazını saflaştırma ve in vitro transkripsiyon reaksiyonlarını gerçekleştirme adımlarını açıklar. İn vitro transkripsiyon testlerini kullanan deneysel yaklaşımlar, aktif RNA polimerazın güvenilir saflaştırılmasını ve depolanmasını gerektirir.
Abstract
Borreliella burgdorferi , sınırlı metabolik ve genomik repertuarlara sahip bakteriyel bir patojendir. B. burgdorferi , omurgalılar ve keneler arasında hücre dışı geçiş yapar ve enfeksiyon sırasında farklı ortamlarda hayatta kalmak için transkripsiyonel profilini çarpıcı bir şekilde yeniden şekillendirir. B. burgdorferi çalışmalarının odak noktası, bakterilerin transkripsiyonel değişiklikler yoluyla çevresine nasıl tepki verdiğini açıkça anlamaktır. İn vitro transkripsiyon testleri, transkripsiyonel regülasyonun temel mekanizmalarının biyokimyasal olarak diseke edilmesine izin verir. Burada, B. burgdorferi RNA polimeraz saflaştırma ve depolama, sigma faktör saflaştırma, DNA şablon oluşturma ve in vitro transkripsiyon tahlillerini açıklayan ayrıntılı bir protokol sunuyoruz. Protokol, B. burgdorferi 5A4 RpoC-His (5A4-RpoC) ‘den saflaştırılmış RNA polimerazın kullanımını açıklar. 5A4-RpoC, RNA polimerazın en büyük alt birimini kodlayan rpoC geni üzerinde 10XHis etiketi barındıran daha önce yayınlanmış bir suştur. İn vitro transkripsiyon testleri, 5A4-RpoC suşundan saflaştırılmış RNA polimerazdan, temizlik sigma faktörü RpoD’nin rekombinant bir versiyonundan ve PCR tarafından üretilen çift sarmallı bir DNA şablonundan oluşur. Protein saflaştırma teknikleri ve in vitro transkripsiyon tahlillerinin birleştirilmesine yönelik yaklaşımlar kavramsal olarak iyi anlaşılmış ve nispeten yaygın olsa da, RNA polimerazları için ele alma hususları genellikle organizmadan organizmaya farklılık gösterir. Burada sunulan protokol, B. burgdorferi RNA polimeraz üzerindeki enzimatik çalışmalar için tasarlanmıştır. Yöntem, transkripsiyon faktörlerinin, promotörlerin ve translasyonel sonrası modifikasyonların RNA polimerazın aktivitesi üzerindeki rolünü test etmek için uyarlanabilir.
Introduction
Lyme hastalığı ve tekrarlayan ateş, Borrelia ve Borreliella 1,2,3 cinslerindeki spiroket patojenlerinden kaynaklanır. Lyme hastalığı, Kuzey Amerika’da belirgin bir vektör kaynaklı hastalıktır ve sonuç olarak, Borreliella burgdorferi, spiroket biyolojisini incelemek için önde gelen bir model organizmadır 4,5. Transkripsiyonel düzenlemenin B. burgdorferi mekanizmalarına yönelik araştırmalar, kene vektörü ile memeli konakçıları arasında dönerken çevredeki değişikliklere adaptasyonlarını daha iyi anlamayı amaçlamaktadır 6,7. pH, sıcaklık, ozmolarite, besin mevcudiyeti, kısa zincirli yağ asitleri, organik asitler ve çözünmüş oksijen ve karbondioksit seviyelerindeki değişiklikler, B. burgdorferi’nin eklembacaklı vektöründe hayatta kalması ve hayvanları enfekte etmesi için önemli olan genlerin ekspresyonunu modüle eder 8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18. Bu tepkileri uyaranlara düzenleyici mekanizmalarla ilişkilendirmek, B. burgdorferi araştırmasının önemli bir yönü olmuştur19.
Transkripsiyon faktörleri ve sigma faktörleri, hücresel süreçleri gerçekleştiren genlerin transkripsiyonunu kontrol eder. Lyme ve tekrarlayan ateş spiroketleri, nispeten seyrek bir transkripsiyon faktörleri seti ve alternatif sigma faktörleri barındırır. Buna rağmen, B. burgdorferi’nin çevreye verdiği tepkileri yönlendiren karmaşık transkripsiyonel değişiklikler vardır20,21,22. Çevresel değişikliklere yanıt olarak B. burgdorferi’deki transkripsiyonel değişiklikleri yönlendiren spesifik mekanizmalar belirsizliğini korumaktadır. İn vitro transkripsiyon testleri, transkripsiyon faktörlerinin ve sigma faktörlerinin işlevini ve düzenleyici mekanizmalarını test etmek için biyokimyasal bir yaklaşım kullanmak için güçlü araçlardır23,24,25,26.
B. burgdorferi RNA polimerazı kullanan bir in vitro transkripsiyon tahlil sistemi yakın zamanda kurulmuştur24. Bakteriler genellikle benzersiz hücresel fizyolojilere sahip olduklarından, farklı türlerin ve cinslerin RNA polimerazları enzim saflaştırma, enzim depolama ve reaksiyon tamponu koşullarına farklı tepki verir27. B. burgdorferi ayrıca RNA polimerazlarının incelendiği birçok bakteri türünden genetik olarak uzaktır20. Lizis, yıkama ve elüsyon tamponu koşulları, depolama tamponu, in vitro transkripsiyon reaksiyon tamponu ve tahlil yapım yöntemi gibi enzim preparatının yönleri, RNA polimeraz aktivitesini değiştirebilir. Burada, RNA polimeraz ve sigma faktörü RpoD’nin saflaştırılması, doğrusal çift sarmallı DNA şablonunun üretimi ve bu sistemi kullanan laboratuvarlar arasında tekrarlanabilirliği kolaylaştırmak için in vitro transkripsiyon testlerinin inşası için bir protokol sunuyoruz. RpoD’ye bağımlı transkripsiyon için doğrusal aralığı göstermek ve bu yaklaşımın sınırlamalarını ve alternatiflerini tartışmak için örnek bir reaksiyonu detaylandırıyoruz.
Protocol
Representative Results
Discussion
Sunulan protokol kullanılarak oluşturulan in vitro transkripsiyon testleri yakın zamanda B. burgdorferi’de bir transkripsiyon faktörünün rolünü incelemek için kullanılmıştır ve diğer transkripsiyon faktörlerini, sigma faktörlerini ve molekülleri kullanarak benzer deneyler yapmak için uygulanabilir23. B. burgdorferi’den aktif RNA polimeraz elde edildikten ve aktivitesi tespit edildikten sonra, in vitro transkripsiyon tahlillerindeki bileşenler …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Creighton Üniversitesi Sağlık Bilimleri Stratejik Yatırım Fonu Fakülte Geliştirme Hibesi ile desteklenmiştir. B. burgdorferi RpoC-His10X suşu Montana Üniversitesi’nden Dr. D. Scott Samuels tarafından nazikçe sağlanmıştır. Maltoz bağlayıcı protein etiketli rpoD alelini kodlayan pMAL-C5X plazmidini barındıran E. coli suşu, Rocky Mountain Laboratories, NIAID, NIH’den Dr. Frank Gherardini tarafından nazikçe sağlanmıştır.
Materials
| 0.45 micron syringe filter | Thermo Scientific | 726-2545 | Step 1.7 and 2.3 |
| 50 mL conical tubes | MidSci | C50B | Step 1.3, and subsequent steps |
| 50 mL high-speed centrifuge tubes | Thermo Scientific | 3119-0050PK | Step 1.2 |
| 500 mL Centrifuge bottles | Thermo Scientific | 3120-9500PK | Step 1.1 |
| B-PER and instruction manual | Thermo Scientific | 78248 | Step 1.4 and 2.2 |
| Calcium chloride | Fisher Scientific | 10035-04-8 | Step 2.6 |
| Centrifugal filters 10 Kd cutoff | Millipore Sigma | UFC8010 | Step 1.11 and 2.11 |
| Cobalt resin and instruction manual | Thermo Scientific | 89969 | Step 1.9 |
| Dithiothreitol | Acros Organics | 426380500 | Step 1.4 and subsequent steps |
| Dnase (Nuclease) | Millipore Sigma | 70746 | Step 1.4 and 2.2 |
| Factor Xa Protease | Haematologic Technologies | HCXA-0060 | Step 2.6 |
| GE Typhoon 5 Phosphoimager | GE lifesciences | Multiple | Step 4.15 |
| Gel Imager | Bio-Rad | Mutiple | Step 1.13 and subsequent protien quality check steps |
| H2O for in vitro transcription | Fisher Scientific | 7732-18-5 | Step 3.2 and 3.3 |
| high fidelity PCR kit | New England Biolabs | M0530S | Step 3.1 |
| High-speed centrifuge | Eppendorf | Step 1.1, and subsequent steps | |
| HiTrap Heparin HP 5 x 1 mL | Cytiva Life Sciences | 17040601 | Step 2.8 |
| Imidazole | Sigma-Aldrich | 56750-100G | Step 1.9 |
| Lysozyme | Thermo Scientific | 90082 | Step 1.4 and 2.2 |
| Magnesium chloride | Fisher Scientific | S25401 | Step 4.1 |
| Manganese chloride | Fisher Scientific | S25418 | Step 4.1 |
| Mini protean tetra cell | Bio-Rad | Mutiple | Step 1.13 and subsequent protien quality check steps |
| NP-40 | Thermo Scientific | 85124 | Step 4.1 |
| NTP mixture | Thermo Scientific | R0481 | Step 4.1 |
| PCR purification kit | Qiagen | 28506 | Step 3.2 |
| PCR tubes | MidSci | PR-PCR28ACF | Step 1.12 |
| PD-10 Sephadex buffer exchange column and instruction manual | Cytiva | 17085101 | Step 1.10 and 2.10 (gel filtration column) |
| pMAL Protein Fusion and Purification System Instruction manual |
New England Biolabs | E8200S | Step 2.1 |
| Polyacrylamide gels AnyKD | Bio-Rad | 456-8125 | Step 1.13 and subsequent protien quality check steps |
| Potassium glutamate | Sigma-Aldrich | G1251 | Step 4.1 |
| Protease inhibitor | Thermo Scientific | 78425 | Step 1.4 and 2.2 |
| Radiolabeled ATP | Perkin Elmer | BLU503H | Step 4.2 |
| RNA Loading Dye, (2x) | New England Biolabs | B0363S | Step 4.13 |
| Rnase inhibitor | Thermo Scientific | EO0381 | Step 4.1 |
| Spectrophotometer | Biotek | Mutiple | Step 1.13 and subsequent protien quality check steps |
| TBE-Urea gels 10 percent | Bio-Rad | 4566033 | Step 4.14 |
Referências
- Brisson, D., Drecktrah, D., Eggers, C. H., Samuels, D. S. Genetics of Borrelia burgdorferi. Annual Review of Genetics. 46, 515-536 (2012).
- Kingry, L. C., et al. Surveillance for and discovery of Borrelia Species in US patients suspected of tickborne illness. Clinical Infectious Diseases. 66 (12), 1864-1871 (2018).
- Cutler, S. J. Relapsing fever Borreliae: A global review. Clinics in Laboratory Medicine. 35 (4), 847-865 (2015).
- Barbour, A. G., Hayes, S. F. Biology of Borrelia species. Microbiological Reviews. 50 (4), 381-400 (1986).
- Tilly, K., Rosa, P. A., Stewart, P. E. Biology of infection with Borrelia burgdorferi. Infectious Disease Clinics of North America. 22 (2), 217-234 (2008).
- Radolf, J. D., Caimano, M. J., Stevenson, B., Hu, L. T. Of ticks, mice and men: understanding the dual-host lifestyle of Lyme disease spirochaetes. Nature Reviews Microbiology. 10 (2), 87-99 (2012).
- Caimano, M. J., Drecktrah, D., Kung, F., Samuels, D. S. Interaction of the Lyme disease spirochete with its tick vector. Cellular Microbiology. 18 (7), 919-927 (2016).
- Dulebohn, D. P., Richards, C. L., Su, H., Lawrence, K. A., Gherardini, F. C. Weak organic acids decrease Borrelia burgdorferi cytoplasmic pH, eliciting an acid stress response and impacting RpoN- and RpoS-dependent gene expression. Frontiers in Microbiology. 8, 1734 (2017).
- Bontemps-Gallo, S., Lawrence, K., Gherardini, F. C. Two different virulence-related regulatory pathways in Borrelia burgdorferi are directly affected by osmotic fluxes in the blood meal of feeding ixodes ticks. PLoS Pathogens. 12 (8), 1005791 (2016).
- Bugrysheva, J. V., et al. Characterization of the RelBbu Regulon in Borrelia burgdorferi reveals modulation of glycerol metabolism by (p)ppGpp. PLoS One. 10 (2), 0118063 (2015).
- Carroll, J. A., Garon, C. F., Schwan, T. G. Effects of environmental pH on membrane proteins in Borrelia burgdorferi. Infection and Immunity. 67 (7), 3181-3187 (1999).
- Drecktrah, D., et al. The Borrelia burgdorferi RelA/SpoT homolog and stringent response regulate survival in the tick vector and global gene expression during starvation. PLoS Pathogens. 11 (9), 1005160 (2015).
- Hyde, J. A., Trzeciakowski, J. P., Skare, J. T. Borrelia burgdorferi alters its gene expression and antigenic profile in response to CO2 levels. Journal of Bacteriology. 189 (2), 437-445 (2007).
- Lin, Y. H., Chen, Y., Smith, T. C., Karna, S. L. R., Seshu, J. Short-chain fatty acids alter metabolic and virulence attributes of Borrelia burgdorferi. Infection and Immunity. 86 (9), 00217-00218 (2018).
- Seshu, J., Boylan, J. A., Gherardini, F. C., Skare, J. T. Dissolved oxygen levels alter gene expression and antigen profiles in Borrelia burgdorferi. Infection and Immunity. 72 (3), 1580-1586 (2004).
- Stevenson, B., Schwan, T. G., Rosa, P. A. Temperature-related differential expression of antigens in the Lyme disease spirochete, Borrelia burgdorferi. Infection and Immunity. 63 (11), 4535-4539 (1995).
- Troxell, B., et al. Manganese and zinc regulate virulence determinants in Borrelia burgdorferi. Infection and Immunity. 81 (8), 2743-2752 (2013).
- Yang, X., et al. Interdependence of environmental factors influencing reciprocal patterns of gene expression in virulent Borrelia burgdorferi. Molecular Microbiology. 37 (6), 1470-1479 (2000).
- Samuels, D. S., et al. Gene regulation and transcriptomics. Current Issues in Molecular Biology. 42, 223-266 (2021).
- Fraser, C. M., et al. Genomic sequence of a Lyme disease spirochaete, Borrelia burgdorferi. Nature. 390 (6660), 580-586 (1997).
- Iyer, R., Schwartz, I. Microarray-based comparative genomic and transcriptome analysis of Borrelia burgdorferi. Microarrays. 5 (2), 9 (2016).
- Iyer, R., et al. Stage-specific global alterations in the transcriptomes of Lyme disease spirochetes during tick feeding and following mammalian host adaptation. Molecular Microbiology. 95 (3), 509-538 (2015).
- Boyle, W. K., et al. DksA-dependent regulation of RpoS contributes to Borrelia burgdorferi tick-borne transmission and mammalian infectivity. PLoS Pathogen. 17 (2), 1009072 (2021).
- Boyle, W. K., et al. Establishment of an in vitro RNA polymerase transcription system: a new tool to study transcriptional activation in Borrelia burgdorferi. Scientific Reports. 10 (1), 8246 (2020).
- Silar, R., et al. Use of in vitro transcription system for analysis of Corynebacterium glutamicum promoters recognized by two sigma factors. Current Microbiology. 73 (3), 401-408 (2016).
- Maciag, A., et al. In vitro transcription profiling of the sigmaS subunit of bacterial RNA polymerase: re-definition of the sigmaS regulon and identification of sigmaS-specific promoter sequence elements. Nucleic Acids Research. 39 (13), 5338-5355 (2011).
- Chang, A., et al. BRENDA, the ELIXIR core data resource in 2021: New developments and updates. Nucleic Acids Research. 49, 498-508 (2021).
- Samuels, D. S., Drecktrah, D., Hall, L. S. Genetic transformation and complementation. Methods in Molecular Biology. 1690, 183-200 (2018).
- Hyde, J. A., Weening, E. H., Skare, J. T. Genetic transformation of Borrelia burgdorferi. Current Protocols in Microbiology. 20, 1-17 (2011).
- Ge, Y., Old, I. G., Saint Girons, I., Charon, N. W. Molecular characterization of a large Borrelia burgdorferi motility operon which is initiated by a consensus sigma70 promoter. Journal of Bacteriology. 179 (7), 2289-2299 (1997).
- Ozaki, M., Wada, A., Fujita, N., Ishihama, A. Growth phase-dependent modification of RNA polymerase in Escherichia coli. Molecular Genetics and Genomics. 230 (1-2), 17-23 (1991).
- Jasinski, D. L., Schwartz, C. T., Haque, F., Guo, P. Large scale purification of RNA nanoparticles by preparative ultracentrifugation. Methods in Molecular Biology. 1297, 67-82 (2015).
- Gierl, A., Zillig, W., Stetter, K. O. The role of the components sigma and y of the DNA-dependent RNA polymerase of Lactobacillus curvatus in promotor selection. European Journal of Biochemistry. 125 (1), 41-47 (1982).
- Stetter, K. O., Zillig, W. Transcription in lactobacillaceae. DNA-dependent RNA polymerase from Lactobacillus curvatus. European Journal of Biochemistry. 48 (2), 527-540 (1974).
- Borbley, G., Schneider, G. Cyanobacteria. Methods in Enzymology. 167, 3 (1988).
- Svetlov, V., Artsimovitch, I. Purification of bacterial RNA polymerase: Tools and protocols. Methods in Molecular Biology. 1276, 13-29 (2015).
- Shimada, T., Yamazaki, Y., Tanaka, K., Ishihama, A. The whole set of constitutive promoters recognized by RNA polymerase RpoD holoenzyme of Escherichia coli. PLoS One. 9 (3), 90447 (2014).
- Daubendiek, S. L., Ryan, K., Kool, E. T. Rolling-circle RNA synthesis: Circular oligonucleotides as efficient substrates for T7 RNA polymerase. Journal of the American Chemical Society. 117 (29), 7818-7819 (1995).
- Marras, S. A., Gold, B., Kramer, F. R., Smith, I., Tyagi, S. Real-time measurement of in vitro transcription. Nucleic Acids Research. 32 (9), 72 (2004).
- Chamberlin, M. J., Nierman, W. C., Wiggs, J., Neff, N. A quantitative assay for bacterial RNA polymerases. Journal of Biological Chemistry. 254 (20), 10061-10069 (1979).
