Summary

Målrettet<em> I Situ</em> Mutagenese af histon-gener i knopskydende gær

Published: January 26, 2017
doi:

Summary

A strategy for generating mutations in histone genes at their endogenous location in Saccharomyces cerevisiae is presented.

Abstract

We describe a PCR- and homologous recombination-based system for generating targeted mutations in histone genes in budding yeast cells. The resulting mutant alleles reside at their endogenous genomic sites and no exogenous DNA sequences are left in the genome following the procedure. Since in haploid yeast cells each of the four core histone proteins is encoded by two non-allelic genes with highly homologous open reading frames (ORFs), targeting mutagenesis specifically to one of two genes encoding a particular histone protein can be problematic. The strategy we describe here bypasses this problem by utilizing sequences outside, rather than within, the ORF of the target genes for the homologous recombination step. Another feature of this system is that the regions of DNA driving the homologous recombination steps can be made to be very extensive, thus increasing the likelihood of successful integration events. These features make this strategy particularly well-suited for histone gene mutagenesis, but can also be adapted for mutagenesis of other genes in the yeast genome.

Introduction

De fire centrale histonproteiner H2A, H2B, H3 og H4 spille centrale roller i komprimeringen, organisation og funktion af eukaryote kromosomer. To sæt af hver af disse histoner danne histon octamer, en molekylær spole, der dirigerer indpakning af ~ 147 basepar af DNA rundt om sig selv, i sidste ende resulterer i dannelsen af en nukleosom 1. Nukleosomer er aktive deltagere i en bred vifte af kromosom-baserede processer, såsom regulering af gen transskription og dannelsen af ​​euchromatin og heterochromatin tværs kromosomer, og som sådan har været genstand for en intens forskning i løbet af de sidste mange årtier. En række mekanismer er blevet beskrevet, hvorved nukleosomer kan manipuleres på måder, der kan lette udførelsen af ​​særlige processer – disse mekanismer indbefatter posttranslationelle modifikation af histon-rester, ATP-afhængig nukleosom remodeling, og ATP-uafhængige nukleosom reorganiseringog montering / demontering 2, 3.

Den spirende gær Saccharomyces cerevisiae er en særlig kraftig model organisme for forståelsen af histon funktion i eukaryoter. Dette kan i vid udstrækning tilskrives den høje grad af evolutionære konservering af histonproteinerne hele domænet Eukarya og modtagelighed af gær til en række genetiske og biokemiske eksperimentelle tilgange 4. Reverse-genetiske metoder i gær er ofte blevet brugt til at undersøge effekten af ​​specifikke histon mutationer på forskellige aspekter af kromatin biologi. For disse typer af eksperimenter er det ofte at foretrække at anvende celler, hvori de mutante histoner udtrykkes fra deres native genomiske loci, som ekspression fra autonome plasmider kan føre til unormale intracellulære niveauer af histon-proteiner (på grund af varierende antal plasmider i celler) og samtidig ændring af kromatin environments, hvilket i sidste ende kan forvirre fortolkning af resultaterne.

Her beskriver vi en PCR-baseret teknik, som muliggør målrettet mutagenese af histon-gener ved deres native genomiske placeringer, der ikke kræver et kloningstrin og resulterer i dannelsen af ​​den ønskede mutation (er) uden efterladenskaber exogene DNA-sekvenser i genomet. Denne teknik drager fordel af effektive homolog rekombination-system i gær og har flere træk til fælles med andre lignende teknikker udviklet af andre grupper – især den Delitto Perfetto, stedsspecifik genomisk (SSG) mutagenese og kloning-fri PCR-baseret allel udskiftning metoder 5, 6, 7. Men den teknik beskriver vi har et aspekt, der gør det særligt velegnet til mutagenese af histon-gener. I haploide gærceller, er hver af de fire kernehistoner indkodet af to ikke-allelic og meget homologe gener: for eksempel histon H3 kodet af HHT1 og HHT2 gener, og de åbne læserammer (ORF'er) af de to gener er over 90% identisk i sekvens. Denne høje grad af homologi kan komplicere eksperimenter designet til specifikt at målrette en af ​​de to histon-kodende gener for mutagenese. Hvorimod de førnævnte fremgangsmåder kræver ofte anvendelse af mindst nogle sekvenser i ORF af målgenet til at køre homolog rekombination, teknikken beskriver vi her gør brug af sekvenser, der flankerer ORF'erne af histon-gener (som deler meget mindre sekvenshomologi) for rekombinationen trin, hvilket øger sandsynligheden for vellykket målretning af mutagenese til den ønskede locus. Desuden kan de homologe områder, der driver rekombination være meget omfattende, hvilket yderligere bidrager til effektiv målrettet homolog rekombination.

Protocol

BEMÆRK: Den eksperimentelle strategi for målrettet in situ histon gen mutagenese omfatter flere trin (opsummeret i figur 1). Disse trin indbefatter: (1) Udskiftning af målet histon-genet med URA3-genet, (2) Generation og oprensning af PCR-produkter svarende til to delvist overlappende fragmenter af target histon-genet under anvendelse af primere indeholdende den ønskede mutation (er), (3 ) Fusion PCR af de to delvist overlappende fragmenter for at opnå fuld størrelse PCR-produkte…

Representative Results

Vi beskriver genereringen af en hht2 allel udtrykker et histon H3 mutantprotein huser en substitution i position 53 fra en arginin til en glutaminsyre (H3-R53E mutant) som et repræsentativt eksempel på den målrettede in situ-mutagenese strategi. Vi genererede et stamme, hvor hele ORF af HHT2 erstattes af URA3-genet (se trin 1 i protokol). Denne stamme, yAAD156, også havne en his3A200…

Discussion

Det høje niveau af sekvenshomologi mellem de to ikke-allele gener, der koder for hver af de fire centrale histonproteiner i haploide S. cerevisiae-celler kan repræsentere en udfordring for forskere, der ønsker at specifikt mod et af de to gener for mutagenese. Tidligere beskrevne gær mutagenese-metoder, herunder Delitto Perfetto, stedspecifik genomisk (SSG) mutagenese, og kloningsvektorer-free PCR-baserede allel udskiftning metoder 5, 6,</su…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

We thank Reine Protacio for helpful comments during the preparation of this manuscript. We express our gratitude to the National Science Foundation (grants nos. 1243680 and 1613754) and the Hendrix College Odyssey Program for funding support.

Materials

1 kb DNA Ladder (DNA standards) New England BioLabs N3232L
Agarose  Sigma A5093-100G
Boric Acid Sigma B0394-500G
dNTP mix (10 mM each) ThermoFisher Scientific R0192
EDTA solution (0.5M, pH 8.0) AmericanBio AB00502-01000
Ethanol (200 Proof) Fisher Scientific 16-100-824
Ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt dihydrate (EDTA) Sigma E4884-500G
Lithium acetate dihydrate Sigma L6883-250G
MyCycler Thermal Cycler BioRad 170-9703
Poly(ethylene glycol) (PEG) Sigma P3640-1KG
PrimeSTAR HS DNA Polymerase (high fidelity DNA polymerase)  and 5X buffer Fisher Scientific 50-443-960
Salmon sperm DNA solution ThermoFisher Scientific 15632-011
Sigma 7-9 (Tris base, powder form) Sigma T1378-1KG
Sodium acetate trihydrate Sigma 236500-500G
Supra Sieve GPG Agarose (low metling temperature agarose) AmericanBio AB00985-00100
Taq Polymerase and 10X Buffer New England BioLabs M0273X
Toothpicks Fisher Scientific S67859
Tris-HCl (1M, pH 8.0) AmericanBio AB14043-01000
a-D(+)-Glucose Fisher Scientific AC170080025 for yeast media
Agar Fisher Scientific DF0140-01-0 for yeast media
Peptone Fisher Scientific DF0118-07-2 for YPD medium
Yeast Extract Fisher Scientific DF0127-17-9 for YPD medium
4-aminobenzoic acid Sigma A9878-100G for complete minimal dropout medium 
Adenine Sigma A8626-100G for complete minimal dropout medium 
Glycine hydrochloride Sigma G2879-100G for complete minimal dropout medium 
L-Alanine Sigma A7627-100G for complete minimal dropout medium 
L-Arginine monohydrochloride Sigma A5131-100G for complete minimal dropout medium 
L-Asparagine monohydrate Sigma A8381-100G for complete minimal dropout medium 
L-Aspartic acid sodium salt monohydrate Sigma A6683-100G for complete minimal dropout medium 
L-Cysteine hydrochloride monohydrate Sigma C7880-100G for complete minimal dropout medium 
L-Glutamic acid hydrochloride Sigma G2128-100G for complete minimal dropout medium 
L-Glutamine Sigma G3126-100G for complete minimal dropout medium 
L-Histidine monohydrochloride monohydrate Sigma H8125-100G for complete minimal dropout medium 
L-Isoleucine Sigma I2752-100G for complete minimal dropout medium 
L-Leucine Sigma L8000-100G for complete minimal dropout medium 
L-Lysine monohydrochloride Sigma L5626-100G for complete minimal dropout medium 
L-Methionine Sigma M9625-100G for complete minimal dropout medium 
L-Phenylalanine Sigma P2126-100G for complete minimal dropout medium 
L-Proline Sigma P0380-100G for complete minimal dropout medium 
L-Serine Sigma S4500-100G for complete minimal dropout medium 
L-Threonine Sigma T8625-100G for complete minimal dropout medium 
L-Tryptophan Sigma T0254-100G for complete minimal dropout medium 
L-Tyrosine Sigma T3754-100G for complete minimal dropout medium 
L-Valine Sigma V0500-100G for complete minimal dropout medium 
myo-Inositol Sigma I5125-100G for complete minimal dropout medium 
Uracil Sigma U0750-100G for complete minimal dropout medium 
Ammonium Sulfate Fisher Scientific A702-500 for complete minimal dropout medium 
Yeast Nitrogen Base Fisher Scientific DF0919-07-3 for complete minimal dropout medium 
5-Fluoroorotic acid (5-FOA) AmericanBio AB04067-00005 for  5-FOA medium

References

  1. Luger, K., Mader, A. W., Richmond, R. K., Sargent, D. F., Richmond, T. J. Crystal structure of the nucleosome core particle at 2.8 A resolution. Nature. 389 (6648), 251-260 (1997).
  2. Campos, E. I., Reinberg, D. Histones: annotating chromatin. Annu Rev Genet. 43, 559-599 (2009).
  3. Rando, O. J., Winston, F. Chromatin and transcription in yeast. Genetics. 190 (2), 351-387 (2012).
  4. Duina, A. A., Miller, M. E., Keeney, J. B. Budding yeast for budding geneticists: a primer on the Saccharomyces cerevisiae model system. Genetics. 197 (1), 33-48 (2014).
  5. Storici, F., Resnick, M. A. Delitto perfetto targeted mutagenesis in yeast with oligonucleotides. Genet Eng (N Y). 25, 189-207 (2003).
  6. Gray, M., Kupiec, M., Honigberg, S. M. Site-specific genomic (SSG) and random domain-localized (RDL) mutagenesis in yeast. BMC Biotechnol. 4, 7 (2004).
  7. Erdeniz, N., Mortensen, U. H., Rothstein, R. Cloning-free PCR-based allele replacement methods. Genome Res. 7 (12), 1174-1183 (1997).
  8. Brachmann, C. B., et al. Designer deletion strains derived from Saccharomyces cerevisiae S288C: a useful set of strains and plasmids for PCR-mediated gene disruption and other applications. Yeast. 14 (2), 115-132 (1998).
  9. Lundblad, V., Hartzog, G., Moqtaderi, Z. Manipulation of cloned yeast DNA. Curr Protoc Mol Biol. Chapter 13, (2001).
  10. Hoffman, C. S. Preparation of yeast DNA. Curr Protoc Mol Biol. Chapter 13, (2001).
  11. Treco, D. A., Lundblad, V. Preparation of yeast media. Curr Protoc Mol Biol. Chapter 13, (2001).
  12. Lederberg, J., Lederberg, E. M. Replica plating and indirect selection of bacterial mutants. J Bacteriol. 63 (3), 399-406 (1952).
  13. Sikorski, R. S., Hieter, P. A system of shuttle vectors and yeast host strains designed for efficient manipulation of DNA in Saccharomyces cerevisiae. Genetics. 122 (1), 19-27 (1989).
  14. Johnson, P., et al. A systematic mutational analysis of a histone H3 residue in budding yeast provides insights into chromatin dynamics. G3 (Bethesda). 5 (5), 741-749 (2015).
  15. DiCarlo, J. E., et al. Genome engineering in Saccharomyces cerevisiae using CRISPR-Cas systems. Nucleic Acids Res. 41 (7), 4336-4343 (2013).
  16. Cross, S. L., Smith, M. M. Comparison of the structure and cell cycle expression of mRNAs encoded by two histone H3-H4 loci in Saccharomyces cerevisiae. Mol Cell Biol. 8 (2), 945-954 (1988).
  17. Libuda, D. E., Winston, F. Amplification of histone genes by circular chromosome formation in Saccharomyces cerevisiae. Nature. 443 (7114), 1003-1007 (2006).
check_url/55263?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Duina, A. A., Turkal, C. E. Targeted in Situ Mutagenesis of Histone Genes in Budding Yeast. J. Vis. Exp. (119), e55263, doi:10.3791/55263 (2017).

View Video