Анализ ACT1-CUP1, анализ роста меди, обеспечивает быстрое считывание сплайсинга РНК-предшественника (пре-мРНК) и влияние мутантных факторов сплайсинга на сплайсеосомную функцию. Это исследование предоставляет протокол и подчеркивает возможность настройки для решения интересующего вопроса сплайсинга.
Мутации, введенные в сплайсеосому или ее субстрат, значительно способствовали нашему пониманию тонкостей сплайсеосомальной функции. Независимо от того, связаны ли они с заболеванием или функционально выбраны, многие из этих мутаций были изучены с использованием анализов роста в модельном организме Saccharomyces cerevisiae (дрожжи). Специфический для сращивания анализ роста меди, или ACT1-CUP1, обеспечивает всесторонний анализ мутации на фенотипическом уровне. В анализе ACT1-CUP1 используются репортеры, которые обеспечивают допуск меди при правильном сращивании. Таким образом, в присутствии меди изменения жизнеспособности дрожжей коррелируют с изменениями в производстве мРНК посредством сплайсинга. В типичном эксперименте дрожжевой сплайсеосоме бросают вызов с различными неконсенсусными репортерами сплайсинга и мутацией фактора сплайсинга, представляющей интерес, для обнаружения любого синергетического или антитетического воздействия на сплайсинг. Здесь приведено полное описание подготовки медной пластины, обшивки дрожжевых клеток, а также оценка данных. Описана подборка дополнительных экспериментов, подчеркивающих универсальность репортеров ACT1-CUP1. Анализ ACT1-CUP1 является удобным инструментом в наборе инструментов для сращивания благодаря прямому считыванию мутационного эффекта (эффектов) и сравнительным возможностям от продолжающегося использования в полевых условиях.
Сплайсеосома представляет собой большую биологическую машину, которая катализирует удаление интронов, некодирующих областей в РНК-предшественника-мессенджера (пре-мРНК)1,2. Характеристика эффекта мутанта одной точки в 1 из почти 100 белков и 5 некодирующих РНК часто неоднозначна при изучении белка или РНК в изоляции. Изменение функции мутированного компонента лучше всего может быть оценено in vivo в контексте полной, функционирующей сплайсеосомы.
Анализ роста меди, описанный здесь, является быстрым показателем эффективности сращивания в Saccharomyces cerevisiae или почковых дрожжах. Разработанный К.Ф. Лессером и К. Гатри и опубликованный в 1993 году, этот анализ сочетает в себе простоту работы с простым модельным организмом и простое считывание жизнеспособности клеток3. Жизнеспособность коррелирует с тем, насколько хорошо сплайсеосомы в этих клетках могут распознавать и сращивать репортерную расшифровку.
Этот анализ роста меди чаще называют анализом ACT1-CUP1. Название ACT1-CUP1 происходит от двух генов, слитых для создания репортера эффективности сплайсинга. ACT1 – это ген актина дрожжей, который высоко экспрессируется и имеет эффективно сращенный интрон 4,5. Cup1p – это медный хелатор, который изолирует медь в клетке для предотвращения помех регулярным клеточным функциям 6,7,8. Репортер ACT1-CUP1 содержит эти гены в такой последовательности, что CUP1 находится в правильном кадре считывания только в том случае, если происходит сращивание интрона ACT1 до мРНК (рисунок 1). Полученный в результате синтез белка содержит первые 21 аминокислоту актина и полноразмерный белок Cup1p, который повышает жизнеспособность дрожжей в богатой медью среде3. Таким образом, увеличение количества сращивания репортера приводит к более высокой концентрации Cup1p и более высокому сопротивлению меди (рисунок 1). По сравнению с другими генами-репортерами, CUP1 влияет на жизнеспособность клеток даже на низких уровнях, имеет широкий диапазон чувствительности и может быть использован для непосредственного выбора для сплайсинга мутаций 3,6,7. Кроме того, CUP1 не является необходимым для роста стандартных дрожжей, и, таким образом, клеточный гомеостаз не влияет во время установки для этого анализа. В дополнение к анализам делеции или температурного роста, ACT1-CUP1 предоставляет информацию о влиянии на сращивание в оптимальных условиях роста дрожжей.
Сплайсеосома распознает свой субстрат через три интронные последовательности, а именно 5′ сращивание (5′ SS), ответвление (BS) и 3′ место сращивания (3′ SS). На этих сайтах были созданы многочисленные репортеры ACT1-CUP1, содержащие неконсенсусные последовательности. Выбор наиболее распространенных репортеров ACT1-CUP1 показан на рисунке 1 и в таблице 1. Поскольку сплайсеосома взаимодействует с каждым местом сращивания уникально в разных точках цикла сплайсинга, надежность сплайсеосомы может быть проверена на разных этапах, на основе которых используется неконсенсусный репортер. Неконсенсусные репортеры названы в честь мутировавшей позиции внутри интрона и базы, на которую она была мутирована. Например, A3c является репортером с мутацией в 5′ SS, в частности позицией 3 от консенсусного аденозина к цитозину. Этот репортер будет сильно взаимодействовать со сплайсеосомными мутациями, которые влияют на выбор и использование 5′ SS. В своем первоначальном исследовании Лессер и Гатри определили, какие мутации 5′ SS ингибируют сплайсинг3. Позже в том же году неконсенсусные репортеры на всех трех сайтах сращивания были опубликованы Берджессом и Гатри в супрессорном скрининге мутаций в ATPase Prp16p9. Сравнивая консенсус с неконсенсусными репортерами, анализ ACT1-CUP1 был важным ключом к пониманию надежности и селективности дрожжевой сплайсеосомы и к выводу о функции сплайсеос других эукариот.
Поскольку неконсенсусные репортеры ACT1-CUP1 сенсибилизируют сплайсеосому к дальнейшему возмущению, влияние мутации одного фактора сплайсинга может быть охарактеризовано через репортеров, на которых она положительно или отрицательно влияет. Это было применено к сращиванию исследовательских вопросов различными способами. Во-первых, анализ ACT1-CUP1 может и использовался в качестве генетического скрининга мутаций в факторах сплайсинга. Например, Prp8p, самый большой сплайсинговый белок, служит платформой, на которой ядро РНК сплайсеосомы катализирует реакцию сплайсинга. Это было выведено, в частности, из того, как мутанты Prp8p улучшили или уменьшили сплайсинг различных репортеров ACT1-CUP1 10,11,12,13,14,15,16,17. Другие белковые компоненты сплайсеосомы также были исследованы с использованием ACT1-CUP1, включая Hsh155p, Cwc2p, Cef1p и Ecm2p 18,19,20,21,22,23,24,25. Энергетические пороги для Prp16p и четырех других АТФаз, участвующих в сплайсеосомальном переходе, также были изучены с помощью этого анализа 9,26,27,28,29,30. Малые ядерные РНК (snRNAs) также были широко изучены с использованием ACT1-CUP1 для идентификации последовательностей пре-мРНК, которые они координируют, и изменений во вторичной структуре, которые snRNAs претерпевают во время сплайсинга 3,31,32,33,34,35,36,37.
Анализ ACT1-CUP1 требует штамма дрожжей, где все копии гена CUP1 были выбиты. Поскольку CUP1 может иметь высокий номер копии 6,38, подготовка полного нокаутирующего штамма может потребовать нескольких раундов или обширного скрининга. В результате штаммы дрожжей cup1Δ часто распределялись между лабораториями, как и репортеры.
Если мутации в факторе сплайсинга оцениваются из плазмидной копии, ген дикого типа для этого фактора должен быть выбит. Кроме того, дрожжевой фон должен позволять выбирать по меньшей мере две плазмиды, одна из которых содержит репортер ACT1-CUP1, исторически на плазмиде для отбора лейкодина питательных веществ, а другая содержит мутацию или возмущение в сплайсинговом механизме, который будет изучен (рисунок 2). Обычно в одном анализе несколько штаммов дрожжей, каждый из которых несет возмущение сплайсинга запроса (QSP) и другого репортера, проверяют влияние запроса на сплайсинг.
Независимые переменные в анализе ACT1-CUP1 позволяют исследователю оценить тяжесть QSP. Этими независимыми переменными являются концентрация меди и выбор нескольких неконсенсусных сращивающих репортеров. Во-первых, поскольку штаммы дрожжей выращиваются на пластинах, содержащих диапазон концентраций меди (рисунок 2), настройка анализа включает выбор градиента используемых концентраций. Исследования могут использовать градиент концентрации меди курса, чтобы получить начальное считывание жизнеспособности, а затем повторить анализ с более тонким градиентом, чтобы определить тонкие различия в жизнеспособности. Второй переменной является широкий диапазон репортеров ACT1-CUP1, которые можно протестировать (рисунок 1 и таблица 1). Если QSP влияет на жизнеспособность дрожжей по-разному в присутствии неконсенсусного репортера по сравнению с диким типом, можно сделать вывод, что QSP влияет на шаг в сплайсинге или область сплайсеосомы, важную во время распознавания или обработки этой области интрона.
Набор инструментов для дрожжей обширен, и анализ ACT1-CUP1 является неотъемлемой частью исследований сращивания. Анализ ACT1-CUP1 часто выполняется вместе с более глубоким генетическим, структурным и / или биохимическим анализом воздействия QSP. Поскольку эти более подробные исследования, как правило, имеют более длительную процедуру и / или более высокую цену, частым подходом является скрининг интересных мутантов с ACT1-CUP1 в первую очередь.
Здесь представлен протокол анализа ACT1-CUP1, включая подготовку медной пластины. Этот анализ дает исследователям первоначальный ответ на влияние QSP на сплайсинг и на какие интронные области больше всего влияет возмущение.
ACT1-CUP1 является анализом роста, и необходимо позаботиться о том, чтобы наблюдаемые различия в росте можно было отнести только к дефектам сращивания. Все штаммы должны обрабатываться аналогичным образом перед нанесением покрытия, в том числе иметь одинаковую длину и тип роста и условий х…
The authors have nothing to disclose.
Спасибо Аарону Хоскинсу и членам лаборатории Хоскинса в Университете Висконсин-Мэдисон за использование штаммов дрожжей и оборудования в генерации фигур 3-5. Спасибо Харприту Кауру и Синъян Фу за их проницательные комментарии к рукописи. Спасибо поддерживающим студентам, сотрудникам и преподавателям Северо-Западного университета во время написания, редактирования и съемок этой статьи. Спасибо Изабель Марасиган за помощь в съемках этого метода.
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. |