Summary

Synchronisatie van<em> Caulobacter crescentus</em> Voor Onderzoek van de bacteriële cel Cyclus

Published: April 08, 2015
doi:

Summary

Synchronization of bacterial cells is essential for studies of the bacterial cell cycle and development. Caulobacter crescentus is synchronizable through density centrifugation allowing a rapid and powerful tool for studies of the bacterial cell cycle. Here we provide a detailed protocol for the synchronization of Caulobacter cells.

Abstract

The cell cycle is important for growth, genome replication, and development in all cells. In bacteria, studies of the cell cycle have focused largely on unsynchronized cells making it difficult to order the temporal events required for cell cycle progression, genome replication, and division. Caulobacter crescentus provides an excellent model system for the bacterial cell cycle whereby cells can be rapidly synchronized in a G0 state by density centrifugation. Cell cycle synchronization experiments have been used to establish the molecular events governing chromosome replication and segregation, to map a genetic regulatory network controlling cell cycle progression, and to identify the establishment of polar signaling complexes required for asymmetric cell division. Here we provide a detailed protocol for the rapid synchronization of Caulobacter NA1000 cells. Synchronization can be performed in a large-scale format for gene expression profiling and western blot assays, as well as a small-scale format for microscopy or FACS assays. The rapid synchronizability and high cell yields of Caulobacter make this organism a powerful model system for studies of the bacterial cell cycle.

Introduction

De bacteriële celcyclus regelt zowel de replicatie van het genoom en de verdeling van dochtercellen. Belangrijker nog, zoals resistentie tegen antibiotica is een groeiende bedreiging voor de volksgezondheid, de bacteriële cel cyclus presenteert een onaangeboorde doelwit voor antibiotica ontwikkeling.

In de bacterie Caulobacter crescentus, elke celcyclus leidt tot een asymmetrische verdeling, waarbij twee dochtercellen van verschillende lot (figuur 1A) 1,2. Een dochter cel erft een flagellum en is beweeglijk, terwijl de andere dochter erft een steel en is sessile. Een geïntegreerde genetische circuit controleert voortgang van de celcyclus en lot van de cel door gentranscriptieregulatie, fosfo-signalering, en gereguleerde proteolyse 3. Bovendien chromosoom replicatie en gelijktijdige scheiding opbrengst dochtercellen die precies één kopie van het chromosoom 4 bevatten. Belangrijk is, kunnen deze twee celtypen snel worden gescheiden door colloidal silica deeltjesdichtheid centrifugatie in de synchroniseerbaar NA1000 stam 07/05 waardoor de isolatie van de swarmer cellen van de rest van de populatie met hoge opbrengsten (Figuur 1B). Geïsoleerd swarmer cellen dan verder synchroon door asymmetrische celdeling. Hier hebben we detail het gebruikte protocol voor het synchroniseren van Caulobacter stam NA1000. Wij bieden protocollen en gemeenschappelijke tips voor probleemoplossing voor zowel groot- als kleinschalige synchronisaties. Deze experimentele procedure biedt een krachtig instrument om de spatiotemporele controle van de Caulobacter celcyclus en lot van de cel te ondervragen.

Protocol

1. Grootschalige Synchrony – Optimaal voor Western Blot, microarray / RNA-Seq, en ander materiaal Intensive Testen Uit een vriezer voorraad of een bord, groeien een 5 ml O / N cultuur van stam NA1000 door schudden bij 28 ° C in PYE medium. Inoculeer 0,5 ml van de cellen van stap 1 in 25 ml M2G (tabellen 1-2) en schud bij 28 ° C totdat de kweek een OD 600 tussen 0,5 en 0,6 bereikt. Te enten de cellen in 1 L van M2G en schudden bij 28 ° C. Zodra OD 600 bere…

Representative Results

Synchronisatie levert doorgaans twee banden van de cellen (Figuur 1B): het swarmer band, die een hogere dichtheid heeft, en een gestalkt / predivisional cel band van lagere dichtheid. Te zorgen voor een efficiënte synchronisatie gemeenschappelijke controles omvatten het toezicht op de OD 600 en het meten van de niveaus van Ctra eiwit door western blot op verschillende celcyclus tijdstippen. De OD 600 moet stijgen ongeveer 2-voudig tijdens de celcyclus (Figuur 2). …

Discussion

The bacterial cell cycle is a fundamental process in life and is important for the study of growth and as a target for next generation antibiotics. Here, we detailed the rapid synchronization procedures for C. crescentus NA1000, a model organism for the study of the bacterial cell cycle and asymmetric cell division. This method is amendable to western blot, gene expression profiling, and fluorescence microscopy assays to investigate the spatiotemporal regulation of the bacterial cell cycle.

<p class='jove_…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

The authors thank members of the Shapiro lab and Erin Schrader for comments on the manuscript. The authors acknowledge financial support from: NIH postdoctoral fellowship F32 GM100732 to JMS and NIH grants R01 GM51426 and R01 GM32506 to LS.

Materials

Name of Material/ Equipment Company Catalog Number Comments/Description
PVP Coated Colloidal Silica (Percoll) Sigma-Aldrich P4937
Colloidal Silica (Ludox AS-40) Sigma-Aldrich 420840
JA10 Rotor Beckman-Coulter 369687
JA20 Rotor Beckman-Coulter 334831
Ferrous Sulfate Chelate Solution Sigma-Aldrich F0518
30 mL Centrifuge Tubes Corning 8445
Na2HPO4 EMD SX0720-1
KH2PO4 VWR BDH9268-500G
NH4Cl Amresco 0621-500g

References

  1. McAdams, H. H., Shapiro, L. System-level design of bacterial cell cycle control. FEBS Lett. 583, 3984-3991 (2009).
  2. McAdams, H. H., Shapiro, L. The architecture and conservation pattern of whole-cell control circuitry. J. Mol. Biol. 409, 28-35 (2011).
  3. McAdams, H. H., Shapiro, L. A bacterial cell-cycle regulatory network operating in time and space. Science. 301, 1874-1877 (2003).
  4. Ptacin, J. L., Shapiro, L. Initiating bacterial mitosis: understanding the mechanism of ParA-mediated chromosome segregation. Cell Cycle. 9, 4033-4034 (2010).
  5. Evinger, M., Agabian, N. Envelope-associated nucleoid from Caulobacter crescentus stalked and swarmer cells. J. Bacteriol. 132, 294-301 (1977).
  6. Tsai, J. W., Alley, M. R. Proteolysis of the Caulobacter McpA chemoreceptor is cell cycle regulated by a ClpX-dependent pathway. J. Bacteriol. 183, 5001-5007 (2001).
  7. Marks, M. E., et al. The genetic basis of laboratory adaptation in Caulobacter crescentus. J. Bacteriol. 192, 3678-3688 (2010).
  8. Ely, B. Genetics of Caulobacter crescentus. Methods Enzymol. 204, 372-384 (1991).
  9. Williams, B., Bhat, N., Chien, P., Shapiro, L. ClpXP and ClpAP proteolytic activity on divisome substrates is differentially regulated following the Caulobacter asymmetric cell division. Mol. Microbiol. 93, 853-866 (2014).
  10. Quon, K. C., Yang, B., Domian, I. J., Shapiro, L., Marczynski, G. T. Negative control of bacterial DNA replication by a cell cycle regulatory protein that binds at the chromosome origin. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 95, 120-125 (1998).
  11. Laub, M. T., Chen, S. L., Shapiro, L., McAdams, H. H. Genes directly controlled by CtrA, a master regulator of the Caulobacter cell cycle. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 99, 4632-4637 (2002).
  12. Quon, K. C., Marczynski, G. T., Shapiro, L. Cell cycle control by an essential bacterial two-component signal transduction protein. Cell. 84, 83-93 (1996).
  13. Ferullo, D. J., Cooper, D. L., Moore, H. R., Lovett, S. T. Cell cycle synchronization of Escherichia coli using the stringent response, with fluorescence labeling assays for DNA content and replication. Methods. 48, 8-13 (2009).
  14. Degnen, S. T., Newton, A. Chromosome replication during development in Caulobacter crescentus. J. Mol. Biol. 64, 671-680 (1972).
  15. Bates, D., et al. The Escherichia coli baby cell column: a novel cell synchronization method provides new insight into the bacterial cell cycle. Mol. Microbiol. 57, 380-391 (2005).
  16. Abel, S., et al. Bi-modal distribution of the second messenger c-di-GMP controls cell fate and asymmetry during the caulobacter cell cycle. PLoS Genet. 9, e1003744 (2013).
  17. Johnson, R. C., Ely, B. Isolation of spontaneously derived mutants of Caulobacter crescentus. Genetics. 86, 25-32 (1977).
  18. Britos, L., et al. Regulatory response to carbon starvation in Caulobacter crescentus. PLoS One. 6, e18179 (2011).
  19. Boutte, C. C., Crosson, S. The complex logic of stringent response regulation in Caulobacter crescentus: starvation signalling in an oligotrophic environment. Mol. Microbiol. 80, 695-714 (2011).
check_url/52633?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Schrader, J. M., Shapiro, L. Synchronization of Caulobacter Crescentus for Investigation of the Bacterial Cell Cycle. J. Vis. Exp. (98), e52633, doi:10.3791/52633 (2015).

View Video