JoVE Journal > Biology
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Biology

조직별 샤페론 상호 작용을 위해 검사하기 위해 Caenorhabditis elegans를 사용

Published: June 07, 2020
doi:
10.3791/61140
, , ,
1Department of Life Sciences,Ben-Gurion University of the Negev

Summary

샤페론-샤페론과 샤페론 기판 상호 작용을 연구하기 위해, 우리는 온화한 돌연변이와 결합된 RNA 간섭을 사용하여 Caenorhabditis elegans에 있는 합성 상호 작용 스크린을 능력을 발휘하고 chaperones의 과잉 발현및 유기체 수준에서 조직 특정 단백질 기능 장애를 감시합니다.

Abstract

단백질과 단백질 복합체의 올바른 접이식 및 조립은 세포 기능에 필수적입니다. 세포는 건강한 프로테오아질을 유지하기 위해 손상된 단백질을 정확하거나 격리하거나 제거하는 품질 관리 경로를 사용하여 세포 프로테오스타증을 보장하고 추가 단백질 손상을 방지합니다. 프로테오스타증 네트워크 내의 중복 기능으로 인해 다세포 유기체 인코딩 유전자에서 녹다운 또는 돌연변이를 사용하여 검출 가능한 표현형을 선별하면 대부분의 경우 사소한 또는 표현형이 검출되지 않습니다. 우리는 특정 기능에 필요한 보호자를 식별하고 따라서 표현형과 기능 사이의 격차를 해소하기 위한 표적 선별 전략을 개발했습니다. 특히, 우리는 RNAi 합성 상호 작용 스크린을 사용하여 새로운 보호자 상호 작용을 모니터링, 다운 다운 샤페론 발현, 한 번에 하나의 보호자, 보호자 – 인코딩 유전자에 돌연변이를 운반하거나 관심의 보호자를 과발 현현동물에서. 개별적으로 총 표현형이 없는 두 개의 보호자를 방해함으로써, 우리는 둘 다 혼란할 때 특정 표현형을 악화하거나 노출시키는 보호자를 식별할 수 있습니다. 우리는 이 접근법이 주어진 표현형과 관련되었던 단백질 또는 단백질 복합체의 접기를 조절하기 위하여 함께 작동하는 chaperones의 특정 세트를 확인할 수 있다는 것을 보여줍니다.

Introduction

세포는 손상된 단백질1,2를수리, 격리 또는 제거하는 품질 관리 기계를 사용하여 단백질 손상에 대처한다. 단백질 복합체의 접이식 및 조립은 분자 보호자에 의해 지원되며, 손상된 단백질을 수리하거나 격리할 수 있는 다양한 보존된 단백질군3,4,5,6,7이지원된다. 손상된 단백질의 제거는 유비퀴틴-프로테솜 시스템(UPS)8 또는자가기계(9)에 의해 중재되어 샤페론10,11,12와공동으로 처리된다. 단백질 항상성(proteostasis)은, 따라서 접기 및 분해 기계로 구성된 품질 관리 네트워크에 의해 유지된다3,13. 그러나 생체 내에서 프로테오스타증 네트워크의 다양한 구성 요소 간의 상호 작용을 이해하는 것이 주요 과제입니다. 단백질 단백질 상호 작용 스크린은 물리적 상호 작용 및 보호자 복합체14,15에중요한 정보를 기여하는 동안, 생체 내의 조직 및 보상 메커니즘을 이해하는 것은 부족합니다.

유전 상호 작용은 종종 공통 또는 보상 생물학적 경로16,17,18에관여하는 유전자의 쌍 사이의 관계를 검사하는 강력한 도구로 사용됩니다. 이러한 관계는 돌연변이 쌍을 결합하고 제2유전자(16)의돌연변이에 의한 현상증 중증도에 대한 한 유전자의 돌연변이의 영향을 정량화함으로써 측정될 수 있다. 대부분의 이러한 조합은 표현형의 관점에서 어떤 효력도 보여주지 않지만, 몇몇 유전 상호 작용은 측정된 표현형의 엄격을 악화시키거나 완화할 수 있습니다. 이중 결실 돌연변이의 표현형이 단일 삭제 돌연변이를 결합할 때 볼 수 있는 예상 표현형보다 더 심각할 때, 두 유전자가 병렬 경로에서 기능한다는 것을 암시하는 경우, 함께 주어진 기능에 영향을 미치는 돌연변이가 관찰된다. 대조적으로, 이중 결실 돌연변이의 표현형이 단일 결실 돌연변이체로 보인 표현형보다 덜 심각할 때, 두 유전자가 복합체로 함께 작용하거나 동일한경로(16,18)에참여한다는 것을 암시하는 경우, 경감 돌연변이가 관찰된다. 이에 따라, 치사, 성장률 및 무리 크기와 같은 광범위한 표현형을 포함하여 정량화될 수 있는 다양한 표현형뿐만 아니라 전사 기자와 같은 특정 표현형이 유전적 상호 작용을 식별하는 데 사용되어 왔다. 예를 들어, Jonikas 등은 ER 스트레스 리포터에 의존하여 쌍방향 유전자 삭제 분석을 이용한 Saccharomyces cerevisiae ER 전개 단백질 반응 프로테오스타시스 네트워크의 상호 작용을검사한다.

유전 상호 작용 스크린은 이중돌연변이20의포괄적인 세트를 생성하기 위하여 체계적으로 쌍으로 삭제 돌연변이를 교차하는 관련시킵니다. 그러나 동물 모델, 특히 C. elegans에서는이 대규모 접근 방식이 실현 가능하지 않습니다. 대신, 돌연변이 균주는 RNA 간섭(RNAi)21을사용하여 유전자 발현을 다운 조절함으로써 그들의 유전 상호 작용 패턴을 위해 시험될 수 있다. C. elegans는 RNAi22,23을기반으로 한 스크린을 위한 강력한 시스템입니다. C. elegans에서,이중 좌초 RNA (dsRNA) 납품은 수많은 조직에 dsRNA 분자의 퍼짐으로 이끌어 내는 세균성 공급에 의해 달성됩니다. 이러한 방식으로, 도입된 dsRNA 분자는 신속하고 간단한절차(21)를통해 동물에 영향을 미친다. RNAi를 이용한 유전 상호 작용 스크린은, 그러므로, RNAi 도서관24를사용하여 유전자 또는 대부분의 C. elegans 코딩 유전자의 세트를 아래로 조절의 충격을 밝힐 수 있습니다. 이러한 화면에서, 관심있는 돌연변이의 동작에 영향을 미치지만 야생 형 변형은 모니터링되는 표현형의 잠재적 인 수정자(25)입니다. 여기서, 우리는 C. elegans에서조직 별 보호자 상호 작용을 체계적으로 매핑하기 위해 돌연변이와 RNAi 스크리닝의 조합을 적용합니다.

Protocol

1. RNAi에 대한 선충 성장 미디어 플레이트의 준비 1 L 병에는 NaCl 3 g, Bacto-Peptone 2.5 g, 17 g의 천및 증류수를 최대 1 L 및 오토클레이브에 추가하십시오. 55 °C에 병을 냉각. 1M KH2PO4,pH 6.0, 1 M CaCl2의1mL, 1 M MgSO4의1mL, 콜레스테롤 용액 1mL(표1)의25mL를 추가하여 선충 성장 미디어(NGM)를 만듭니다. 1mL의 암피실린(100 mg/mL)과 0.5mL의 1M IPTG(…

Representative Results

UNC-45의 온도 에 민감한 돌연변이를 사용하여 허용 또는 제한 적인 조건에서 상호 작용을 악화또는 완화하기 위해 각각 검사합니다.근육 조립 및 유지 보수는 조직 별 보호자 상호 작용을 연구하는 효과적인 시스템을 제공합니다. 수축 근육의 기능적 단위인 사컴레는 구조 및 조절 단백질의 결정과 같은 배열을 제공합니다. 모터 단백질 미오신의 안정성과 수축 근육 사혜성의 두꺼?…

Discussion

프로테오스타증 네트워크의 통합 된 그림은 어떻게 조직되고 다른 대사 세포및 조직에서 기능이 부족한지 반영합니다. 이러한 단점을 해결하기 위해서는 분자 보호자와 같은 이 네트워크의 다양한 구성 요소의 상호 작용에 대한 구체적인 정보가 개발 및 노화 과정에서 특정 조직에서 필요합니다. 여기에서, 우리는 조직 특정 동요의 사용이 주어진 조직에서 chaperone 네트워크를 검토하는 가능하게…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

우리는 선충 균주의 일부에 대한 NIH 국립 연구 자원 센터 (NCRR)에 의해 투자 Caenorhabditis 유전학 센터에 감사드립니다. H.F. 엡스타인에 의해 개발된 단클론 항체는 NICHD의 후원하에 개발되고 아이오와 대학 생물학부에 의해 유지된 발달 연구 Hybridoma 은행에서 취득되었습니다. 이 연구는 이스라엘 과학 재단 (278/18) 및 이스라엘 과학 기술부및 외교 국제 협력부, 국가 진흥, 이탈리아 공화국 (제 3-14337 권부)의 보조금에 의해 지원되었습니다. 벤-즈비 연구소 회원들에게 이 원고를 준비하는 데 도움을 주신 것에 감사드립니다.

Materials

12-well-plates SPL BA3D16B
40 mm plates Greiner Bio-one 627160
60 mm plates Greiner Bio-one 628102
6-well plates Thermo Scientific 140675
96 well 2 mL 128.0/85mm Greiner Bio-one 780278
Agar Formedium AGA03
Ampicillin Formedium 69-52-3
bromophenol blue Sigma BO126-25G
CaCl2 Merck 1.02382.0500
Camera Qimaging q30548
Cholesterol Amresco 0433-250G
Confocal Leica DM5500
Filter (0.22 µm) Sigma SCGPUO2RE
Fluorescent stereomicroscope Leica MZ165FC
Glycerol Frutarom 2355519000024
IPTG Formedium 367-93-1
KCl Merck 104936
KH2PO4 Merck 1.04873.1000
KOH Bio-Lab 001649029100
MgSO4 Fisher 22189-08-8 Gift from the Morimoto laboratory
Myosin MHC A (MYO-3) antibody Hybridoma Bank 5-6
Na2HPO4·7H2O Sigma s-0751
NaCl Bio-Lab 001903029100
Peptone Merck 61930705001730
Plate pouring pump Integra does it p920
RNAi Chaperone library NA NA
SDS VWR Life Science 0837-500
ß-mercaptoethanol Bio world 41300000-1
stereomicroscope Leica MZ6
Tetracycline Duchefa Biochemie 64-75-5
Tris Bio-Lab 002009239100
Tween-20 Fisher BP337-500
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Gomez-Pastor, R., Burchfiel, E. T., Thiele, D. J. Regulation of heat shock transcription factors and their roles in physiology and disease. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 19 (1), 4-19 (2018).
  2. Dubnikov, T., Ben-Gedalya, T., Cohen, E. Protein quality control in health and disease. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 9 (3), (2017).
  3. Bar-Lavan, Y., Shemesh, N., Ben-Zvi, A. Chaperone families and interactions in metazoa. Essays in Biochemistry. 60 (2), 237-253 (2016).
  4. Schopf, F. H., Biebl, M. M., Buchner, J. The HSP90 chaperone machinery. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 18 (6), 345-360 (2017).
  5. Carra, S., et al. The growing world of small heat shock proteins: from structure to functions. Cell Stress Chaperones. 22 (4), 601-611 (2017).
  6. Rosenzweig, R., Nillegoda, N. B., Mayer, M. P., Bukau, B. The Hsp70 chaperone network. Nature Reviews Molecular Cell Biology. , (2019).
  7. Gestaut, D., Limatola, A., Joachimiak, L., Frydman, J. The ATP-powered gymnastics of TRiC/CCT: an asymmetric protein folding machine with a symmetric origin story. Current Opinion in Structural Biology. 55, 50-58 (2019).
  8. Bett, J. S. Proteostasis regulation by the ubiquitin system. Essays in Biochemistry. 60 (2), 143-151 (2016).
  9. Jackson, M. P., Hewitt, E. W. Cellular proteostasis: degradation of misfolded proteins by lysosomes. Essays in Biochemistry. 60 (2), 173-180 (2016).
  10. Kettern, N., Dreiseidler, M., Tawo, R., Hohfeld, J. Chaperone-assisted degradation: multiple paths to destruction. Biological Chemistry. 391 (5), 481-489 (2010).
  11. Cuervo, A. M., Wong, E. Chaperone-mediated autophagy: roles in disease and aging. Cell Research. 24 (1), 92-104 (2014).
  12. Kevei, E., Pokrzywa, W., Hoppe, T. Repair or destruction-an intimate liaison between ubiquitin ligases and molecular chaperones in proteostasis. FEBS Letters. 591 (17), 2616-2635 (2017).
  13. O’Brien, D., van Oosten-Hawle, P. Regulation of cell-non-autonomous proteostasis in metazoans. Essays in Biochemistry. 60 (2), 133-142 (2016).
  14. Taipale, M., et al. Quantitative analysis of HSP90-client interactions reveals principles of substrate recognition. Cell. 150 (5), 987-1001 (2012).
  15. Taipale, M., et al. A quantitative chaperone interaction network reveals the architecture of cellular protein homeostasis pathways. Cell. 158 (2), 434-448 (2014).
  16. Baryshnikova, A., Costanzo, M., Myers, C. L., Andrews, B., Boone, C. Genetic interaction networks: toward an understanding of heritability. Annual Review of Genomics and Human Genetics. 14, 111-133 (2013).
  17. Costanzo, M., et al. Global Genetic Networks and the Genotype-to-Phenotype Relationship. Cell. 177 (1), 85-100 (2019).
  18. Domingo, J., Baeza-Centurion, P., Lehner, B. The Causes and Consequences of Genetic Interactions (Epistasis). Annual Review of Genomics and Human Genetics. 20, 433-460 (2019).
  19. Jonikas, M. C., et al. Comprehensive characterization of genes required for protein folding in the endoplasmic reticulum. Science. 323 (5922), 1693-1697 (2009).
  20. Schuldiner, M., et al. Exploration of the function and organization of the yeast early secretory pathway through an epistatic miniarray profile. Cell. 123 (3), 507-519 (2005).
  21. Billi, A. C., Fischer, S. E., Kim, J. K. Endogenous RNAi pathways in C. elegans. WormBook. , 1-49 (2014).
  22. Kamath, R. S., et al. Systematic functional analysis of the Caenorhabditis elegans genome using RNAi. Nature. 421 (6920), 231-237 (2003).
  23. Rual, J. F., et al. Toward improving Caenorhabditis elegans phenome mapping with an ORFeome-based RNAi library. Genome Research. 14 (10), 2162-2168 (2004).
  24. Lehner, B., Crombie, C., Tischler, J., Fortunato, A., Fraser, A. G. Systematic mapping of genetic interactions in Caenorhabditis elegans identifies common modifiers of diverse signaling pathways. Nature Genetics. 38 (8), 896-903 (2006).
  25. Frumkin, A., et al. Challenging muscle homeostasis uncovers novel chaperone interactions in Caenorhabditis elegans. Frontiers in Molecular Biosciences. 1, 21 (2014).
  26. Brehme, M., et al. A chaperome subnetwork safeguards proteostasis in aging and neurodegenerative disease. Cell Reports. 9 (3), 1135-1150 (2014).
  27. Shpigel, N., Shemesh, N., Kishner, M., Ben-Zvi, A. Dietary restriction and gonadal signaling differentially regulate post-development quality control functions in Caenorhabditis elegans. Aging Cell. 18 (2), 12891 (2019).
  28. Shai, N., Shemesh, N., Ben-Zvi, A. Remodeling of proteostasis upon transition to adulthood is linked to reproduction onset. Current Genomics. 15 (2), 122-129 (2014).
  29. Trent, C., Tsuing, N., Horvitz, H. R. Egg-laying defective mutants of the nematode Caenorhabditis elegans. Genetics. 104 (4), 619-647 (1983).
  30. Pokrzywa, W., Hoppe, T. Chaperoning myosin assembly in muscle formation and aging. Worm. 2 (3), 25644 (2013).
  31. Barral, J. M., Bauer, C. C., Ortiz, I., Epstein, H. F. Unc-45 mutations in Caenorhabditis elegans implicate a CRO1/She4p-like domain in myosin assembly. Journal of Cell Biology. 143 (5), 1215-1225 (1998).
  32. Venolia, L., Ao, W., Kim, S., Kim, C., Pilgrim, D. unc-45 gene of Caenorhabditis elegans encodes a muscle-specific tetratricopeptide repeat-containing protein. Cell Motility and the Cytoskeleton. 42 (3), 163-177 (1999).
  33. Hoppe, T., et al. Regulation of the myosin-directed chaperone UNC-45 by a novel E3/E4-multiubiquitylation complex in C. elegans. Cell. 118 (3), 337-349 (2004).
  34. Etard, C., et al. The UCS factor Steif/Unc-45b interacts with the heat shock protein Hsp90a during myofibrillogenesis. Developmental Biology. 308 (1), 133-143 (2007).
  35. Wohlgemuth, S. L., Crawford, B. D., Pilgrim, D. B. The myosin co-chaperone UNC-45 is required for skeletal and cardiac muscle function in zebrafish. Developmental Biology. 303 (2), 483-492 (2007).
  36. Barral, J. M., Hutagalung, A. H., Brinker, A., Hartl, F. U., Epstein, H. F. Role of the myosin assembly protein UNC-45 as a molecular chaperone for myosin. Science. 295 (5555), 669-671 (2002).
  37. Gazda, L., et al. The myosin chaperone UNC-45 is organized in tandem modules to support myofilament formation in C. elegans. Cell. 152 (1-2), 183-195 (2013).
  38. Gaiser, A. M., Kaiser, C. J., Haslbeck, V., Richter, K. Downregulation of the Hsp90 system causes defects in muscle cells of Caenorhabditis elegans. PLoS One. 6 (9), 25485 (2011).
  39. Karady, I., et al. Using Caenorhabditis elegans as a model system to study protein homeostasis in a multicellular organism. Journal of Visualized Experiments. (82), e50840 (2013).
  40. Bar-Lavan, Y., et al. A Differentiation Transcription Factor Establishes Muscle-Specific Proteostasis in Caenorhabditis elegans. PLoS Genetics. 12 (12), 1006531 (2016).
  41. Qadota, H., et al. Establishment of a tissue-specific RNAi system in C. elegans. Gene. 400 (1-2), 166-173 (2007).
  42. Firnhaber, C., Hammarlund, M. Neuron-specific feeding RNAi in C. elegans and its use in a screen for essential genes required for GABA neuron function. PLoS Genet. 9 (11), 1003921 (2013).
  43. Fisher, A. L. Of worms and women: sarcopenia and its role in disability and mortality. Journal of the American Geriatrics Society. 52 (7), 1185-1190 (2004).
  44. Herndon, L. A., et al. Stochastic and genetic factors influence tissue-specific decline in ageing C. elegans. Nature. 419 (6909), 808-814 (2002).
  45. Ben-Zvi, A., Miller, E. A., Morimoto, R. I. Collapse of proteostasis represents an early molecular event in Caenorhabditis elegans aging. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106 (35), 14914-14919 (2009).
  46. Janiesch, P. C., et al. The ubiquitin-selective chaperone CDC-48/p97 links myosin assembly to human myopathy. Nature Cell Biology. 9 (4), 379-390 (2007).
  47. Shemesh, N., Shai, N., Ben-Zvi, A. Germline stem cell arrest inhibits the collapse of somatic proteostasis early in Caenorhabditis elegans adulthood. Aging Cell. 12 (5), 814-822 (2013).
  48. Vilchez, D., et al. RPN-6 determines C. elegans longevity under proteotoxic stress conditions. Nature. 489 (7415), 263-268 (2012).
  49. Liu, G., Rogers, J., Murphy, C. T., Rongo, C. EGF signalling activates the ubiquitin proteasome system to modulate C. elegans lifespan. EMBO Journal. 30 (15), 2990-3003 (2011).
  50. Asikainen, S., Vartiainen, S., Lakso, M., Nass, R., Wong, G. Selective sensitivity of Caenorhabditis elegans neurons to RNA interference. Neuroreport. 16 (18), 1995-1999 (2005).
  51. Calixto, A., Chelur, D., Topalidou, I., Chen, X., Chalfie, M. Enhanced neuronal RNAi in C. elegans using SID-1. Nature Methods. 7 (7), 554-559 (2010).
  52. Eremenko, E., Ben-Zvi, A., Morozova-Roche, L. A., Raveh, D. Aggregation of human S100A8 and S100A9 amyloidogenic proteins perturbs proteostasis in a yeast model. PLoS One. 8 (3), 58218 (2013).
  53. Gidalevitz, T., Ben-Zvi, A., Ho, K. H., Brignull, H. R., Morimoto, R. I. Progressive disruption of cellular protein folding in models of polyglutamine diseases. Science. 311 (5766), 1471-1474 (2006).
  54. Yu, A., et al. Tau protein aggregates inhibit the protein-folding and vesicular trafficking arms of the cellular proteostasis network. Journal of Biological Chemistry. , (2019).
  55. Yu, A., et al. Protein aggregation can inhibit clathrin-mediated endocytosis by chaperone competition. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (15), 1481-1490 (2014).
  56. Parker-Thornburg, J., Bonner, J. J. Mutations that induce the heat shock response of Drosophila. Cell. 51 (5), 763-772 (1987).
  57. Boutros, M., Ahringer, J. The art and design of genetic screens: RNA interference. Nature Reviews Genetics. 9 (7), 554-566 (2008).
  58. Jorgensen, E. M., Mango, S. E. The art and design of genetic screens: caenorhabditis elegans. Nature Reviews Genetics. 3 (5), 356-369 (2002).
  59. Wang, Z., Sherwood, D. R. Dissection of genetic pathways in C. elegans. Methods in Cell Biology. 106, 113-157 (2011).
  60. Rohl, A., Rohrberg, J., Buchner, J. The chaperone Hsp90: changing partners for demanding clients. Trends in Biochemical Sciences. 38 (5), 253-262 (2013).

Tags

Caenorhabditis ElegansEmbryo SynchronizationM9 BufferNGM PlateCell ScraperCentrifugationSynchronized NematodesRNAiEmbryonic Lethality
check_url/61140?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Dror, S., Meidan, T. D., Karady, I., Ben-Zvi, A. Using Caenorhabditis elegans to Screen for Tissue-Specific Chaperone Interactions. J. Vis. Exp. (160), e61140, doi:10.3791/61140 (2020).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image