Method Article
ويمكن استخدام منهجية واسعة النطاق الاصطناعية الوراثية شاشات التفاعل (الجينات الجين أو قشوة) لاستكشاف التكرار الجيني وعبر مسار الحديث. ووصف eSGA هنا، نحن تصف عالية الإنتاجية الكمية الاصطناعية الفحص الجيني مجموعة التكنولوجيا، التي قمنا بتطويرها لتوضيح العلاقات واستكشاف روكبي شبكات التفاعل الوراثية في كولاي.
Phenotypes are determined by a complex series of physical (e.g. protein-protein) and functional (e.g. gene-gene or genetic) interactions (GI)1. While physical interactions can indicate which bacterial proteins are associated as complexes, they do not necessarily reveal pathway-level functional relationships1. GI screens, in which the growth of double mutants bearing two deleted or inactivated genes is measured and compared to the corresponding single mutants, can illuminate epistatic dependencies between loci and hence provide a means to query and discover novel functional relationships2. Large-scale GI maps have been reported for eukaryotic organisms like yeast3-7, but GI information remains sparse for prokaryotes8, which hinders the functional annotation of bacterial genomes. To this end, we and others have developed high-throughput quantitative bacterial GI screening methods9, 10.
Here, we present the key steps required to perform quantitative E. coli Synthetic Genetic Array (eSGA) screening procedure on a genome-scale9, using natural bacterial conjugation and homologous recombination to systemically generate and measure the fitness of large numbers of double mutants in a colony array format. Briefly, a robot is used to transfer, through conjugation, chloramphenicol (Cm) - marked mutant alleles from engineered Hfr (High frequency of recombination) 'donor strains' into an ordered array of kanamycin (Kan) - marked F- recipient strains. Typically, we use loss-of-function single mutants bearing non-essential gene deletions (e.g. the 'Keio' collection11) and essential gene hypomorphic mutations (i.e. alleles conferring reduced protein expression, stability, or activity9, 12, 13) to query the functional associations of non-essential and essential genes, respectively. After conjugation and ensuing genetic exchange mediated by homologous recombination, the resulting double mutants are selected on solid medium containing both antibiotics. After outgrowth, the plates are digitally imaged and colony sizes are quantitatively scored using an in-house automated image processing system14. GIs are revealed when the growth rate of a double mutant is either significantly better or worse than expected9. Aggravating (or negative) GIs often result between loss-of-function mutations in pairs of genes from compensatory pathways that impinge on the same essential process2. Here, the loss of a single gene is buffered, such that either single mutant is viable. However, the loss of both pathways is deleterious and results in synthetic lethality or sickness (i.e. slow growth). Conversely, alleviating (or positive) interactions can occur between genes in the same pathway or protein complex2 as the deletion of either gene alone is often sufficient to perturb the normal function of the pathway or complex such that additional perturbations do not reduce activity, and hence growth, further. Overall, systematically identifying and analyzing GI networks can provide unbiased, global maps of the functional relationships between large numbers of genes, from which pathway-level information missed by other approaches can be inferred9.
1. بناء سلالات HFR المانحة كافالي المسخ بواسطة Recombineering 15 و 16
يتم وصف الخطوات لبناء البقع المانحة eSGA أدناه. لفترة وجيزة، ونحن نستخدم λ المستهدفة - الأحمر توسط إعادة التركيب مثلي 16 من تضخيم الحمض النووي كاسيت اختيار علامة الشظايا الناتجة من PCR لخلق طفرات غير الضرورية حذف الجينات (القسم 1.1) أو الجينات الأساسية hypomorphic سلالات متحولة المانحة (القسم 1.2) التي يتم استخدامها بعد ذلك "الاستعلامات" لتحديد شبكات GI.
ملاحظة: خلال عملية تطوير التكنولوجيا، ونحن تقييم فعالية استخدام HFR بوساطة نقل conjugative للجمع بين الطفرات باستخدام المانحة HFR واضحة المعالم سلالة (HFR كافالي، هايز HFR، وHFR 3000). درسنا (ط) القدرة على اتخاذ بكفاءة المسوخ المانحة باستخدام طريقة recombineering رائدها يو وآخرون. (2000) 16، (الثاني) والكفاءة النسبيةنقل DNA من علامات conjugative الكروموسومات المختلفة، و (الثالث). آثار موقف الجينات الصبغية الاستعلام والتوجيه بالنسبة للمكان نقل HFR، أوريت وجدنا أن λ - الأحمر بوساطة كفاءة إعادة التركيب مثلي كان أعلى من ذلك بكثير في كافالي HFR من HFR في هايز أو Hfr3000. إذا لزم الأمر، يمكن استخدام تنبيغ P1 أو سلالة HFR الزائف 17، الجهات المانحة لإنشاء متحولة. تكيفنا بنجاح جميع هذه الطرق لصنع وفرز أعداد كبيرة من المانحين. منذ تجاربنا في تصريف المحاكمة، الكفاءة العامة للنقل وعدد من السابقين لاحظ conjugants كان أكبر بكثير مع كافالي HFR، وقد تم اختيار هذه الخلفية سلالة معينة للبناء المانحة وeSGA على نطاق واسع. يتم وصف كل الإجراءات لشاشات eSGA باستخدام HFR المانحين كافالي.
2. Arraying E. القولونية F-مستلم المسوخ لشاشات eSGA
3. عالية الكثافة إجراء التزاوج سلالة لتوليد E. المسوخ القولونية مزدوجة
4. معالجة البيانات واستخلاص النتائج GI
ن 1 "SRC =" / files/ftp_upload/4056/4056eq1.jpg "/>
حيث S = فار (فار التصدير X (ن إكسب -1) + فار المقاولات X (ن المقاولات -1)) / (ن + ن التصدير المقاولات -2)؛ فار = إكسب التباين الحد الأقصى لحجم مستعمرة للتطبيع متحولة مزدوجة؛ فار = متوسط المقاولات من الفروق في أحجام طبيعية مزدوجة مستعمرة متحولة من مجموعة المرجعية، ن = إكسب عدد من القياسات من أحجام مزدوجة مستعمرة متحولة، ن = عدد المقاولات وسيطة من خلال التجارب التجريبية يعيد للجميع؛ التصدير μ = متوسط أحجام مستعمرة تطبيع من المسوخ مزدوجة؛ والمقاولات μ = متوسط أحجام مستعمرة تطبيع للجميع المسوخ المزدوجة الناجمة عن سلالة متحولة متبرع واحد. وS-يعكس درجة الثقة الإحصائية للتفاعل digenic المفترضة فضلا عن قوة البيولوجي للتفاعل. إيجابية قوية S-عشرات تبين وجود آثار التخفيف، قuggesting أن الجينات تتفاعل المشاركة في المسار نفسه 9، في حين سلبي كبير S-عشرات تعكس المرض تركيبية أو الفتك، والتي غالبا ما توحي العضوية في مسارات متوازية زائدة 9. لتحديد مسار العلاقات على مستوى وظيفي، ويتم إنتاج واحد S-نقاط لكل زوج من الجينات اختبار من مجموعة البيانات النهائية.
ملاحظة: في دراستنا السابقة 9، وجدنا أن إعادة التركيب يميل إلى أن يحدث في كثير من الأحيان أقل بين الجينات في غضون 30 KBP عن بعضها البعض. لذلك، لتحليل المصب، بعد التطبيع وتوليد نقاط، ونحن إزالة التفاعلات بين الجينات في غضون 30 KBP عن بعضها البعض. بالإضافة إلى الجنود أنفسهم، ويمكن تحقيق العلاقات الوظيفية بين أزواج من الجينات من خلال النظر في كيفية مشابهة لمحات GI من الجينات هما. الملف الشخصى GI من الجين هو مجموعة من التفاعلات كل ذلك الجين مع جميع الجينات الأخرى في الجينوم خارجالجين منطقة الربط. الجينات مماثلة وظيفيا تميل إلى أن تكون أعلى من الارتباطات الجينية ملامح التفاعل 12 و 25. وهكذا، عن طريق حساب معاملات الارتباط لجميع الجينات في مجموعة البيانات التجريبية يمكن للمرء استخدام eSGA للتحقيق العلاقات الوظيفية بين الجينات حتى الكذب على مقربة من بعضها البعض على الكروموسوم.
GIs reveal functional relationships between genes. Similarly, since genes in the same pathway display similar GI patterns and the GI profile similarity represents the congruency of phenotypes, we can group functionally related genes into pathways by clustering their GI profiles. Integrating GI and GI correlation networks with physical interaction information or other association data, such as genomic context (GC) relationships can also reveal the organization of higher-order functional modules that define core biological systems (and system crosstalk) in bacteria. For example, as with yeast4, 6, 7, 26, E. coli gene pairs exhibiting alleviating interactions that also have highly correlated GI profiles tend to encode proteins that are either physically associated (e.g. form a complex; Figure 4a) or that act coherently in a common biochemical pathway (e.g. components in a linear cascade). A representative example is shown in Figure 4b, where the components of the functionally redundant Isc and Suf pathways, which jointly participate in the essential Fe-S biosynthesis process, form distinct clusters that are linked together by extensive aggravating interactions (i.e. synthetic lethality). A statistical measure (e.g. hypergeometric distribution function27) can be used on GI or GI correlation data to find significant enrichment for interactions between and within pathways (Figure 4c). Cluster analysis can also be applied to functional networks derived using eSGA to predict the functions of genes lacking annotations5, 6, 9, 28-30 (Figure 4d). Since clustering algorithms vary, however, putative functional assignments determined through clustering require independent experimental verification.
Figure 1. The construction and confirmation of Hfr Cavalli non-essential single gene deletion donor strains. The panels (adapted from14) illustrate the deletion of E. coli chromosomal ORF (A) and the three primer sets used for confirming (B) the correctly generated mutant Hfr Cavalli donor strain. Amplifications from a correctly constructed deletion donor strain should produce (i) 445 bp, (ii) 309 bp, and (iii) 1.4 kb products. See protocol text for details. Click here to view larger figure.
Figure 2. The construction and confirmation strategies of essential hypomorphic donor mutant strains in an Hfr Cavalli genetic background. The panels illustrate the creation of hypomorphic mutations of essential genes through recombineering technology (A) and the primer sets (B) used for the PCR confirmation of essential gene hypomorphic mutations. See protocol text for details.
Figure 3. Schematic summary of key eSGA steps. The Hfr donor (marked with chloramphenicol resistance, CmR) and recipient F- (marked with kanamycin resistance, KanR) mutant strains are grown in 384-colony density on LB-Cm and LB-Kan plates, respectively. The donor and the recipient strains are conjugated by pinning them over each other onto an LB plate, which is then incubated overnight at 32 °C. Consequently, the conjugants are pinned onto plates containing both Kan and Cm to select double mutants. The double mutant plates are digitally imaged and the growth fitness of the colony sizes is quantitatively scored to identify aggravating and alleviating interactions.
Figure 4. Representative computational analyses of genetic interaction (GI) scores for determining pathway-level functional relationships. (A) Panel I, Distribution of correlation coefficients between the GI profiles of gene pairs encoding proteins linked by protein-protein interactions (PPI) versus randomly drawn gene pairs. The p-value was computed using the two-sample Kolmogorov-Smirnov (KS) test; Panel II, Scatter plot of correlated genetic profiles from rich media (RM) for two transporters (mdtI, mdtJ) that form a heterodimeric complex required for spermidine excretion. (B) The hierarchical clustering of the GI sub-network adapted from Butland et al.9 highlights the functional connectivity between components of the previously known Isc and Suf pathways with similar GI patterns. Pink represents aggravating (negative S-score) interactions, green represents alleviating (positive S-score) interactions and black represents absence of GI. A predicted novel component of the SUF pathway, ydhD, displays GIs with the members of the Isc pathway. (C) Pathway cross-talk recorded among cell envelope processes that are significantly enriched for aggravating or alleviating GI according to the hypergeometric enrichment analysis27. (D) A GI sub-network predicts the role of two functionally unannotated genes, yceG and yebA, in peptidoglycan splitting based on their pattern of strong alleviating interactions with well-known cell division peptidoglycan hydrolases. The figures shown in panels A, C and D are adapted from Babu et al. (2011)12. Click here to view larger figure.
وقد أوجزنا بروتوكول تدريجي لاستخدام الروبوتية eSGA الفحص الجيني للتحقيق في وظائف البكتيرية على مستوى المسار من خلال استجواب GI. ويمكن استخدام هذا النهج لدراسة الجينات الفردية وكذلك في النظم البيولوجية بأكمله E. القولونية. تنفيذ الخطوات بعناية التجريبية المذكورة أعلاه، بما في ذلك جميع الضوابط المناسبة، وتحليل دقيق والتحقق من صحة البيانات بشكل مستقل GI هي الجوانب الرئيسية لنجاح eSGA في تحقيق اكتشافات جديدة وظيفية. بالإضافة إلى eSGA، وهي طريقة مشابهة لدراسة المفهوم GI في E. كولاي، ووصف GIANT-القولونية 17 لا يمكن استخدامها لإضاءة الرواية العلاقات الوظيفية التي غاب في كثير من الأحيان المناهج الأخرى، مثل البروتين 23 أو 13 المظهري شاشات وحدها. ومع ذلك، كما هو الحال مع أي نهج الجينوم على نطاق والقيود موجودة على تطبيق eSGA أو الإشريكية GIANT، على سبيل المثال لالأنواع البكتيرية الأخرى. هذا ويكون جزئياسبب عدم وجود الجينوم على نطاق حذف جين واحد سلالة متحولة مجموعات لمعظم الأنواع البكتيرية، وخاصة بالنسبة للأنواع التي أعاقت الطفرات المستهدفة حسب التردد طبيعية منخفضة من إعادة التركيب مثلي. في مثل هذه الحالات، يمكن أن يحتمل تعطل الجينات باستخدام أساليب مثل المقايسات الطفرات العشوائية القائمة على تتبعها مثل TnSeq 31 أن تستخدم للتحقيق في وظائف الجينات البكتيرية. لمحة عامة عن بديل البكتيرية الناشئة إجراءات الفحص الجيني، انظر ورقة مراجعة من قبل Gagarinova وEmili (2012) 32.
على الرغم من أن كثيرا ما تكشف أساليب GI اتصالات كثيرة مثيرة للاهتمام يمكن أن توحي الرواية الروابط الآلية، ودمج هذه البيانات مع معلومات أخرى مثل التنميط المظهري 13، شبكات التفاعل الجسدي 22، 23، والجمعيات GC-الاستدلال تكون مفيدة بشكل خاص. على سبيل المثال، كما هو الحال مع الشبكات GI والجمعيات GC، والتي تقوم على الحفظمن أجل الجين (operons)، اندماج الجينات البكتيرية، الترددات إعادة التركيب OPERON المستمدة من مسافات بين الجينات من الجينوم عبر operons توقع، وكذلك يمكن النشوء والتطور التنميط 33 تقديم رؤى إضافية في كيفية خلية بكتيرية تنظم مجمعات البروتين إلى مسارات وظيفية للتوسط وتنسيق الرئيسية العمليات الخلوية 12 و 23.
E. القولونية هو نموذج العمود الفقري لفهم البيولوجيا الجزيئية من البكتيريا سالبة الجرام الأخرى. تحقيقا لهذه الغاية، يمكن استخدام البيانات GI eSGA جنبا إلى جنب مع معلومات علم الجينوم المقارن (مثل التنميط النشوء والتطور، التنميط الجيني التعبير) للتحقيق في حفظ التطورية للعلاقات الوظيفية التي اكتشفها eSGA عبر الأنواع الأخرى proteobacterial والأصناف بروكاريوتيك. وعلاوة على ذلك، فإن البيانات الناتجة عن التفاعل E. ويمكن استخدام القولونية إلى التبصر في العمارة مسار الميكروبات اكتشفه metagenoالبلدان المتوسطة الدخل، والتي تعاني من نقص وظيفي شروحه. من الحفظ على نطاق واسع منذ العديد من الجينات في جميع الميكروبات 23 عاما، وأنه يمكن تعزيز الحساسية للمضادات الحيوية بواسطة بعض الاضطرابات الوراثية 34 يجوز، حتى يحتمل أن تكون العلاقات الوظيفية تنيره eSGA يمكن استغلالها لتصميم علاجات العقاقير المبتكرة الجمع.
الإعلان عن أي تضارب في المصالح.
وأيد هذا العمل من جانب صناديق من كندا الجينوم، ومعهد أونتاريو علم الجينوم، والمعاهد الكندية لأبحاث الصحة لمنح JG وAG AE هي المستفيدة من منحة الدراسات العليا فانييه كندا.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
I. Antibiotics | |||
Chloramphenicol | Bioshop | #CLR201 | |
Kanamycin | #KAN201 | ||
Ampicillin | # AMP201 | ||
2. Luria-Bertani medium | |||
LB powder | Bioshop | #LBL405 | |
Agar | Bioshop | #AGR003 | |
3. Bacterial Strains and Plasmids | |||
Hfr Cavalli strain λred system (JL238) | Babu et al.14. | ||
pKD3 | E. coli Genetic Stock Centre, Yale | ||
Keio E. coli F- recipient collection | National BioResource Project (NBRP) of Japan11 | ||
Hypomorphic E. coli F- SPA-tag strains | Open biosystems; Babu et al.14 | ||
4. Primers | |||
pKD3-based desalted constant primers | F1: 5'-GGCTGACATGGGAATTAGC-3' R1: 5'-AGATTGCAGCATTACACGTCTT-3' | ||
Desalted custom primers | Cm-R: 5'-TTATACGCAAGGCGACAAGG-3' Cm-F: 5'- GATCTTCCGTCACAGGTAGG-3' | ||
Desalted custom primers | F2 and R2: 20 nt constant regions based on pKD3 sequence and 45 nt custom homology regions F2 constant region: 5'-CATATGAATATCCTCCTTA-3' R2 constant region: 5'-TGTGTAGGCTGGAGCTGCTTC-3'S1 and S2: 27 nt constant regions for priming the amplification of the SPA-Cm cassette and 45 nt custom homology regions S1 constant region: 5'AGCTGGAGGATCCATGGAAAAGAGAAG -3' S2 constant region: 5'- GGCCCCATATGAATATCCTCCTTAGTT -3' KOCO-F and KOCO-C: 20 nt primers 200 bp away from the non-essential gene deletion site or the essential gene SPA-tag insertion site | ||
5. PCR and Electrophoresis Reagents | |||
Taq DNA polymerase | Fermentas | # EP0281 | |
10X PCR buffer | Fermentas | # EP0281 | |
10 mM dNTPs | Fermentas | # EP0281 | |
25 mM MgCl2 | Fermentas | # EP0281 | |
Agarose | Bioshop | # AGA002 | |
Loading dye | NEB | #B7021S | |
Ethidium bromide | Bioshop | # ETB444 | |
10X TBE buffer | Bioshop | # ETB444.10 | |
Tris Base | Bioshop | # TRS001 | |
Boric acid | Sigma | # T1503-1KG | |
0.5 M EDTA (pH 8.0) | Sigma | # B6768-500G | |
DNA ladder | NEB | #N3232L | |
6. DNA isolation and Clean-up Kits | |||
Genomic DNA isolation and purification kit | Promega | #A1120 | |
Plasmid Midi kit | Qiagen | # 12143 | |
QIAquick PCR purification kit | Qiagen | #28104 | |
7. Equipment for PCR, Transformation and Replica-pinning | |||
Thermal cycler | BioRad, iCycler | ||
Agarose gel electrophoresis | BioRad | ||
Electroporator | Bio-Rad GenePulser II | ||
0.2 cm electroporation cuvette | Bio-Rad | ||
42 °C water bath shaker | Innova 3100 | ||
Beckman Coulter TJ-25 centrifuge | Beckman Coulter | ||
32 °C shaker | New Brunswick Scientific, USA | ||
32 °C plate incubator | Fisher Scientific | ||
RoToR-HDA benchtop robot | Singer Instruments | ||
96, 384 and 1,536 pin density pads | Singer Instruments | ||
96 or 384 long pins | Singer Instruments | ||
8. Imaging Equipments | |||
Camera stand | Kaiser | ||
Digital camera, 10 megapixel | Any Vendor | ||
Light boxes, Testrite 16" x 24" units | Testrite | ||
9. Pads or Plates Recycling | |||
10% bleach | Any Vendor | ||
70% ethanol | Any Vendor | ||
Sterile distilled water | Any Vendor | ||
Flow hood | Any Vendor | ||
Ultraviolet lamp | Any Vendor | ||
10. Labware | |||
50 ml polypropylene tubes | Any Vendor | ||
1.5 ml micro-centrifuge tubes | Any Vendor | ||
250 ml conical flaks | VWR | # 29140-045 | |
15 ml sterile culture tubes | Thermo Scientific | # 366052 | |
Cryogenic vials | VWR | # 479-3221 | |
Rectangular Plates | Singer Instruments | ||
96-well and 384-well microtitre plates | Singer Instruments | Nunc | |
Plate roller for sealing multi-well | Sigma | #R1275 | |
plates | ABgene | # AB-0580 | |
Adhesive plate seals | Fisher Scientific | # 13-990-14 | |
-80 °C freezer | Any Vendor |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved