This work was supported by the Australian Research Council [DP11010246].

1. Bloqueio de replicação com FROS <ol><li> Induzindo a replicação de bloqueio <ol><li> Dilui-se uma cultura durante a noite fresca de uma E. coli estirpe transportando uma matriz tetO e pKM1 18 a OD 600nm = 0,01 em um meio complexo diluído (0,1% de triptona, 0,05% de extracto de levedura, 0,1% de NaCl, 0,17 M de KH 2 PO 4, 0,72 MK 2 HPO 4), com antibióticos conforme requerido para selecção. Nota: Não adicione tetraciclina para a seleção, uma vez que não é compatível com este sistema. Completar o volume de cultura equivalente a 10 ml por amostra necessário. Por exemplo, o volume de cultura para o desenho experimental na Figura 1 é de 60 ml. </li><li> Crescer a 30 ° C com agitação até DO600 nm = 0,05-0,1. Retirar uma amostra de 10 ml para servir como controlo não induzido e adiciona-se 0,1% de arabinose a restante cultura para induzir a produção de TetR-YFP de pKM1. Continuar a crescer tanto a não induzido e induzidoculturas. Depois de 1 hora, para verificar a presença de um único ponto focal dentro de cada célula da cultura induzida usando microscopia de fluorescência (ver secção 2). </li><li> Se as células induzidas são confirmadas bloqueado (mais de 70% das células têm um único foco), registrar a 600nm OD e tirar uma amostra de 7,5 ml para análise por gel 2-D (ver secção 3). Tome uma amostra equivalente a partir da cultura de controlo não induzido. </li></ol></li><li> Liberando a replicação de bloqueio <ol><li> Para libertar o bloco para a replicação, adiciona-se 100 ng mL -1 de anidrotetraciclina o indutor gratuito (NA) a uma amostra das células bloqueadas 10 ml. Continuar a crescer a 30 ° C durante 10 minutos e recolher amostras de densidade celular (1 ml), A análise por microscopia (10 ul) e geles de agarose a 2-dimensionais neutro-neutras (7,5 mL). </li></ol></li><li> Induzindo Colapso da replissoma <ol><li> Se as células contêm um alelo sensível à temperatura, tais como TS dnaB ou TS dnaC que requer deactivação, mover o frasco contendo as células bloqueadas a 42 ° C. Retirar amostras para análises em pontos de tempo necessário (por exemplo, 1 hora, após incubação). Depois as células foram incubadas a 42 ° C durante 1 h, deslocar as células a 30 ° C durante 10 minutos (ver Figura 1). Nota: As células podem ser deslocada para 30 ° C para análise de reinicialização. </li></ol></li></ol><img alt="figura 1" src="/files/ftp_upload/54434/54434fig1.jpg" /> Figura 1:. Overview of the Block and Release Procedimento Experimental FROS replicação E. estirpes de E. coli que transportam a matriz tetO são cultivadas a 30 ° C. Quando as células atingem uma OD 600nm de 0,05 acima, a produção de TetR-YFP é induzida com arabinose (ara; 0,1%). Continuar a crescer uma subpopulação de células não induzidas para actuar como controlos a 30 ° C. Uma amostra das células induzidas é analisada através de microscopia de fluorescência após 1-2 horas (ver 2.1). Se a replicação éconfirmou a ser bloqueado, são tomadas amostras para análise em gel 2-D indicada pelos tubos de ensaio (ver 3.1) e para testes de viabilidade (opcional). O bloqueio de replicação pode ser removido com anidrotetraciclina (AT; 0,1 ug / ml) e analisadas células 10 minutos mais tarde. Se as células portadores de um alelo sensível à temperatura (por exemplo, dnaB ts), isso pode ser inactivado por deslocar as células bloqueadas a 42 ° C para análise apropriada. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54434/54434fig1large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> 2. Microscopia por fluorescência <ol><li> Prepara-se uma almofada de agarose por pipetagem de 500 ul de agarose fundida (1% em água) sobre uma lâmina de microscópio; sobrepor a lamela imediatamente antes das solidifica agarose. Armazenar as lâminas (s) em tecidos molhados, a 4 ° C até ser necessário. </li><li> Quando a agarose foi solidificada, retirar a lamela do bloco de agarose e pipeta 10 ul de bacterianacultura para o centro do teclado para impedir o movimento de células durante a visualização. Uma vez que a amostra foi seca (aproximadamente 5 minutos), substitua a lamela. Coloque uma gota de óleo de imersão para a lamela e colocar a corrediça sob ótica. </li><li> Visualize as células usando Fase Microscopia de 100x. <ol><li> Na caixa de diálogo Adquirir dentro do software de imagem, definir o tempo de exposição a 100 ms. Capturar a imagem selecionando Adquirir. Não mova o palco. Na caixa de diálogo Adquirir, selecione YFP como a iluminação para o Shutter externa relacionada com a Câmara. Defina o tempo exporsure a 1.000 ms. Desligue a luz palco. Capturar a imagem de fluorescência, selecionando Adquirir. Nota: O tempo pode variar de acordo com fonte de luz, microscópio e câmera utilizada. </li><li> Para sobrepor a fase e imagens fluorescentes, selecione Cor Combine a partir do menu Display. Na caixa de diálogo Cor Combine, selecione a imagem YFP como o componente verde e a imagem de fase como o blue componente. Clique na cor combinar. Determinar se a população tinha replicação bloqueada com sucesso por estabelecer se a maioria das células têm um foco por célula. Nota: comparação com uma amostra de controlo sem a adição de arabinose é útil para identificar visualmente a diferença na produção de EYFP. </li></ol></li></ol> 3. Extração de DNA / agarose Plugs <ol><li> Adicionar azeto de sódio (concentração final de 0,1%) para as amostras de cultura de 7,5 ml a partir de passos 1.1.3 e 1.2.1. Incubar em gelo durante pelo menos 5 min. Nota: A azida de sódio é extremamente tóxico. Consulte a Ficha de Segurança antes de iniciar o trabalho e não lidar com isso até que todas as precauções de segurança tenham sido lidas e compreendidas. </li><li> Centrifugar as células 5000 xg durante 10 min para sedimentar as células. Descartar o sobrenadante e ressuspender o sedimento em 200 ul de tampão Pett IV (PIV) (10 mM de Tris: HCl (pH 8,0), NaCl 1 M). Microcentrífuga (13, 000 xg durante 2 min) para sedimentar as células. diScard o sobrenadante. Neste estágio, o processo os peletes ainda mais ou armazenar a -20 ° C. </li><li> Ressuspender as células com a densidade celular mais baixo em 50 ul de PIV e colocar a 50 ° C. Para todas as outras amostras, ajustar os volumes de PIV assim a densidade celular final é a mesma em cada um dos tubos (por exemplo, amostra 1 (OD 600 nm = 0,128) ressuspenso em 50 ul; Amostra 2 (OD 600 nm = 0,138) ressuspenso em 54 ul). <ol><li> Adicionar um volume igual de solução recém-preparada de agarose a 0,8% em PIV (concentração final de 0,4%;. Por exemplo, uma amostra de 50 ul, 54 ul de amostra 2). Certifique-se de que as amostras, de agarose e PIV são acima de 50 ° C para impedir a solidificação. </li></ol></li><li> Tratar uma lâmina de microscópio com 40 mL de uma solução de vidro repelente de água ou silicone apropriado. Esfregue o slide com um lenço de papel até que esteja seco. Nota: Isto pode ser feito com antecedência e as lâminas tratadas armazenado a longo prazo à temperatura ambiente. </li><li> Coloque 20 gotas ul de tEle suspensão de células / agarose no slide para produzir plugs que são hemisférica. Nota: A primeira amostra (ressuspenso em 50 pi PIV) irá produzir 5 fichas em um slide. </li><li> Quando os tampões de ter solidificado, deslizar com suavidade em um tubo de microcentrífuga e adicionar 1 ml de tampão de lise celular (10 mM de Tris-HCl [pH 8], 1 M de NaCl, 100 ácido etilenodiaminotetracético mM (EDTA), 0,2% de desoxicolato de sódio, 0,5% sal de N-lauroilsarcosina de sódio (sarcosil), 100 ug ml de lisozima - 1, 50 ng mL - 1 de RNase A). Incubar a 37 ° C durante 2 h. </li><li> Remover o tampão de lise de células e adicionar Sarcosil / proteinase K (ESP) solução de 1 ml de EDTA / (0,5 M de EDTA, sal de sódio a 1% de N-lauroilsarcosina (Sarcosil), 1 mg mL - 1 de proteinase K). Incubar a 50 ° C durante a noite ou até que as fichas são transparentes. Se uma segunda incubação durante a noite se necessário, substituir a solução com tampão de ESP fresco depois de aproximadamente 18 horas. </li><li> Remova oESP tampão e lava-se os tampões de 5 vezes com 12 ml de Tris-EDTA (TE) de tampão (10 mM Tris-HCl, EDTA 1 mM, pH 8,0), permitindo um equilíbrio de 30 min com cada lavagem. Armazenar a 4 ° C em 1 ml de tampão TE. </li></ol> 4. Neutral neutro 2-Dimensional eletroforese em gel <ol><li> Transferir uma ficha de agarose do passo 3.8 para um tubo de microcentrífuga fresco e adicionar 150 ul de tampão de enzima de restrição (1x concentração). Adicionar 25-100 unidades de enzima de restrição (por exemplo, 60 unidades de EcoRV; (ver Figura 3A)). Digerir a 37 ° C durante 6-8 h. </li><li> A 4 ° C, verter um gel de agarose a 0,4% (300 ml) em 1x Tris / borato / EDTA (TBE) para um tabuleiro de gel de cerca de 25 x 25 cm. Inserir um pente para poços de fazer aproximadamente a mesma largura que o diâmetro do bujão. Quando o gel é fixado, remover o pente e mover o gel até à temperatura ambiente. </li><li> Deslize um dos tampões de agarose digerida em um poço, posicionar a lâmina plana do encaixe de encontro ao lado do poço onde tADN que vai entrar no gel. Inserir um único plug da mesma maneira em cada segundo poço. </li><li> Pipetar 0,4% de agarose fundida nas cavidades para selar as fichas em posição. </li><li> Carga escada de DNA de 1 kb num poço vazio, mais uma vez deixando um intervalo entre a escada e amostras, e executar o gel durante a noite (16 horas, 55 V) em TBE 1x, à temperatura ambiente. </li><li> Corar o gel num banho de água contendo brometo de etídio (0,3 ug mL-1) durante 20 min. Nota: O brometo de etídio é considerado um agente mutagénico potente e uma toxina. Consulte a Ficha de Segurança antes de iniciar o trabalho e não lidar com isso até que todas as precauções de segurança tenham sido lidas e compreendidas. </li><li> Visualizar o DNA com um transiluminador de UV de onda longa e cortar cada pista com um fragmento linear, mesmo cortado, minimizando a inclusão de excesso de agarose em ambos os lados da pista. Nota: Por exemplo, se o fragmento de interesse é de 5,5 kb, cortado um fragmento de 7,5 centímetros para incluir os fragmentos de ADN a partir de 5 kb a approximately 12 kb (ver Figura 3A). </li><li> Coloque a pista de gel excisado num tabuleiro de gel a 90 ° em direcção da migração de DNA. Nota: Duas fileiras de 3 fragmentos de gel pode caber em um tabuleiro de gel 25 x 25 2 cm. A primeira linha de pistas de gel está na parte superior do tabuleiro, a segunda fileira de 12,5 cm. </li><li> Preparar 300 ml de agarose para o segundo gel dimensão (0,9% em 1 x TBE com 0,3? G ml -1 de brometo de etídio). Quando a agarose é arrefecida a 50 ° C, pipetar a agarose fundida em torno das fatias de gel para solidificar a sua posição. Verta a agarose restantes na bandeja a uma profundidade que é pelo menos o nível com as fatias de gel. </li><li> Uma vez que o gel é solidificado, electroforese a 4 ° C em TBE 1x contendo 0,3 ug mL1 brometo de etidio a 220 V até que o ADN tenha migrado cerca de 10 cm. Nota: 4 horas é suficiente para um fragmento de 5,5 kb, mas um fragmento mais pequeno será necessário menos tempo. </li><li> Extirpar os blocos onde o DNA genómico está presente ucantar a borda de uma régua de metal, incluindo o gel acima, para incluir o ADN que não é visível (ver a Figura 3C). </li></ol> 5. Hibridação Southern <ol><li> Preparação de Soluções <ol><li> Preparar tampão despurinação (solução 0,125 M de HCl). Nota: Este tampão pode ser reutilizado e que é estável à temperatura ambiente durante até um mês. </li><li> Preparar tampão de desnaturação (NaCl a 1,5 M, NaOH a 0,5 M). Nota: tampão de desnaturação pode ser reutilizada uma vez e é estável até 3 meses à temperatura ambiente. </li><li> Preparar tampão de neutralização (NaCl 1,5 M, Tris 0,5 M). Ajustar a pH 7,5 com HCl. Nota: tampão de neutralização pode ser reutilizada uma vez e é estável até 3 meses à temperatura ambiente. </li><li> Prepare 10x Solução salina de citrato de sódio (SSC) tampão (citrato 0,15 M Tri-sódio, 1,5 M de NaCl, pH é 7-8), para utilização em passos 5.2.4 e 5.2.6. A partir deste tampão, faça um estoque SSC 2x (para uso no passo 5.2.9). Nota: 10x SSC e 2 x SSC umre estável à temperatura ambiente durante 3 meses. </li><li> Preparar tampão 19 de modificação Church e Gilbert hibridação (tampão fosfato 0,5 M [pH 7,2], 7% (w / v) de sulfato de dodecilo de sódio (SDS), EDTA 10 mM). Deixar a 65 ° C para dissolver completamente antes de usar. </li></ol></li><li> Transferir <ol><li> Lavar os blocos de gel excisados ​​em solução depurinação durante 10 min à temperatura ambiente num agitador rotativo ou agitador orbital. Mantenha a velocidade de agitação baixa para evitar danificar os blocos de agarose. </li><li> Lavar os blocos de gel brevemente com água destilada e depois com tampão de desnaturação durante 30 min. Lavar novamente brevemente em água destilada e, em seguida, incubar os blocos de gel em tampão de neutralização, durante 30 min com agitação suave à temperatura ambiente. </li><li> Cortar uma membrana de nylon para a dimensão exacta do gel (s). Corte um nick no canto superior direito para ajudar a orientar a membrana em etapas futuras. Nota: Dois blocos de gel (6 amostras) pode ser visualizado em uma membrana. </li><li> Pour suficiente 10x SSC em uma de trAy de modo que não vai secar durante a noite. Criar uma plataforma de cerca de 5 cm acima do nível do tampão. Saturar 3 folhas de 3mm de papel para cromatografia com 10x SSC e coloque sobre a plataforma. Cortar o papel de cromatografia de modo que é suficientemente longo para ser imersa em tampão em ambas as extremidades e de largura suficiente para encaixar o gel na membrana. </li><li> Colocar o gel (s) na parte superior do papel cromatográfico saturado. Enquadrar o gel com película de plástico para evitar que o tampão de by-passar o gel durante a transferência. Cuidadosamente colocar a membrana de corte no topo do gel (s). Retirar as bolhas de ar entre a membrana e o gel por laminagem uma garrafa ou pipeta serológica suavemente através da membrana. </li><li> Corte três folhas de papel 3MM cromatograf ia com o mesmo tamanho como a membrana. Saturar as folhas de papel de cromatografia com 10x SSC e colocar na parte superior da membrana. Remova as bolhas de ar que se formaram. </li><li> Pilha toalhas de papel, pelo menos, 5 cm de altura em cima do papel mata-borrão seguido por um suporte sólido (apropeso ximate de 1 kg para uma membrana de 23 x 16 cm). Permitir que a transferência prosseguir durante a noite. </li><li> Expor a membrana (ADN lado para cima) a 1200 J / m2 de UV para reticular o ADN à membrana. Não enxaguar antes desta etapa. </li><li> Lavar a membrana completamente em SSC 2x para evitar elevado ruído de fundo nas imagens blot. Use a mancha imediatamente para hibridação (ver 5.3) ou secá-lo à temperatura ambiente, embrulhe em filme plástico e armazenar a 4 ° C. </li></ol></li><li> hibridização <ol><li> Pré-aqueça o forno de hibridação e os frascos a 55 ° C. </li><li> Adicionar 100? G ml -1 de albumina de soro bovino (BSA) e 10? G ml -1 de ADN não específico (por exemplo, ADN de esperma de salmão) ao tampão de hibridação pré-aquecida. </li><li> Para permitir uma cobertura uniforme do tampão de hibridação, quando a membrana é enrolado, coloque a mancha sobre um quadrado de tamanho similar de malha de nylon com o lado ligado ao ADN da membrana virada para cima. Role a blot ao longo de sua borda longa. Deslizara mancha / mesh dentro de uma garrafa de hibridização. Adicionar uma quantidade apropriada de tampão de hibridação pré-aquecida para desenrolar o blot (por exemplo 30 ml para uma membrana de 23 x 16 cm2). </li><li> Incubar em um forno pré-aquecido, girando os frascos, durante 1 h. </li><li> Preparar a sonda através da mistura de 50 ng de produto de PCR purificado homóloga à região de interesse, 150 ng de iniciadores de hexâmero aleatório, para tamponar o fragmento de Klenow e H 2 O para fazer um volume de 13 ul. Ferver durante 3 min, em seguida, colocar imediatamente em gelo. Adicionar 1 ml de 1 mM de dCTP / dGTP / dTTP mistura, 1 ul de fragmento de Klenow (5 U) e 50 uCi de desoxiadenosina-trifosfato marcado radioactivamente 5&#39;no fosfato alfa (α 32 P-dATP). </li><li> Incubar à temperatura ambiente durante 1 h. Adicionar 1 ml de 1 dNTP mM misturar e 1 ml de fragmento de Klenow. Incubar 20 min a RT. </li><li> Ferva sonda para 5 min e adicionar imediatamente para tubos de hibridização. Hibridar durante a noite a 55 ° C, com rotação. </li><li> Decantar o prOBE de membrana. Nota: A sonda é capaz de ser reutilizada uma vez. </li><li> Lavar a membrana rapidamente em pré-aquecido, tampão de lavagem de baixo rigor (2 x SSC, 0,1% (w / v) de SDS). Adicionar tampão fresco de baixo rigor na lavagem e incubar durante 5 min a 55 ° C com rotação. Repetir. </li><li> Lavar duas vezes em tampão de lavagem de rigor médio (1x SSC, 0,1% (w / v) de SDS) durante 10 min a 55 ° C com rotação. </li><li> Lavar duas vezes em tampão de lavagem de severidade elevada (0,1 x SSC, 0,1% (w / v) de SDS) durante 5 min a 55 ° C com rotação. </li><li> Remover a membrana e DAB com tecido para remover o excesso de líquido. Embrulhe em filme plástico assegurando que não há umidade remanescente sobre o filme plástico e coloque na gaveta exposição com uma tela de armazenamento de fósforo pré-inibida. Fechar a cassete e expor durante pelo menos 2 horas antes de visualização usando um gerador de imagens de fósforo. </li></ol></li></ol>

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L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Escherichia+coli+mutants+with+temperature-sensitive+synthesis+of+DNA.">Escherichia coli mutants with temperature-sensitive synthesis of DNA.</a> Mol Gen Genet. 109 (2), 107-122 (1970).</li><li>Nawotka, K. A., Huberman, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Two-dimensional+gel+electrophoretic+method+for+mapping+DNA+replicons.">Two-dimensional gel electrophoretic method for mapping DNA replicons.</a> Mol Cell Biol. 8 (4), 1408-1413 (1988).</li><li>Cole, R. S., Levitan, D., Sinden, R. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Removal+of+psoralen+interstrand+cross-links+from+DNA+of+Escherichia+coli:+mechanism+and+genetic+control.">Removal of psoralen interstrand cross-links from DNA of Escherichia coli: mechanism and genetic control.</a> J Mol Biol. 103 (1), 39-59 (1976).</li></ol>

The authors declare that they have no competing financial interests.

During chromosome duplication, the replication machinery will encounter various impediments that prevent its progress. To ensure the entire single-origin chromosome is replicated, bacteria have numerous pathways for repair of the DNA that then enables the replisome to be reloaded20,21. Lesions, single stranded breaks, double stranded breaks and proteins tightly bound to the DNA may each be dealt with using a dedicated pathway, although there is likely to be significant overlap in these pathways. The most common impediment to replisomes in living cells is a nucleoprotein block2. However, two longstanding difficulties in studying the collision of a replisome with a nucleoprotein blockage have been how to localize the event to a known position on the chromosome and how to make the event frequent enough to allow detailed analysis. The majority of the knowledge of how E. coli copes with stalled/collapsed replication forks comes from the use of UV as a DNA damaging agent. 
The FROS protocol described here is a novel way of creating a site-specific nucleoprotein roadblock, similar to what the replisome will meet when it encounters proteins tightly bound to the chromosome during replication. The induced blockage and controlled release of this block allows the stages of DNA processing to be studied in discrete steps. The array of tetO sites used to block replication has previously been utilized to visualize chromosome organization9,10. While the array can be placed anywhere in the chromosome, for the purpose of the array described here, it should be distant from both the origin and the terminus to avoid complications in interpreting the signals observed from second rounds of initiation at the origin or from the replication fork proceeding around the opposite replichore. By optimizing the overproduction of TetR with the use of the dilute complex medium (protocol 1), we have found that sufficient TetR is produced to create a complete replication blockage that is stably maintained, while limiting the number of new rounds of replication that are initiated. The incorporation of replisome temperature sensitive mutations22 into the system ensures all replisomes are deactivated simultaneously and uncontrolled replisome reloading is prevented.
Whilst the number of foci per cell are useful for knowing the cell's replication status, the most enlightening data for DNA repair is from the analysis of the replication intermediates revealed by 2-D gel electrophoresis during an active replication blockage. Analysis of different genetic backgrounds can identify proteins involved in processing and restart of collapsed replication forks by the different patterns observed following the 2-D gel protocol. Further, intermediates from the processing of collapsed replication forks can be present at the array region or in the DNA upstream of the array, and can be visualized using 2-D gel electrophoresis. Creating duplicate agarose plugs (Protocol 3) has the advantage of allowing for digestion of the same sample with different restriction enzymes to be able to visualize replication intermediates in successive DNA regions. Therefore, the array region should be located in a position where appropriate restriction enzymes can be used to probe these regions of interest using Southern hybridization. 
The most common reasons that this technique may be unsuccessful are having either too little DNA which produces faint signals compared to background, or incomplete digestion of the DNA within the plugs. This can be caused by having too much DNA in the agarose plugs or the carry-over of some inhibitor from the lysis/washing steps. The number of cells taken for lysis within the agarose plugs may need to be varied from the protocol described here if modifications such as growth media are changed. However, it is futile to continue with the hybridization if the DNA in the plugs has not digested to completion. A repeat treatment of ESP may be required to better prepare the DNA (protocol 3.6). 
If the replication intermediates that are of interest are only transient, or are particularly rare within the cell, the DNA sample may need to be enriched for them, for example with the use of BND-cellulose which will bind short stretches of single stranded DNA, such as those found in replicating chromosomes23. Stabilization of replication intermediates by crosslinking with psoralen has also been used as a method of preserving DNA integrity24. When the intermediates are rare, it is important to optimize the probe and blocking of the membrane to prevent background signals from interfering. On completion of the blots the signals may be quantified with appropriate image processing software.
The protocol described here is an optimized system for creating a site-specific nucleoprotein blockage and analyzing replication intermediates when the replisome is unable to proceed through the blockage. With the establishment and optimization of this technique, the roles of various helicases and recombination proteins in processing the replication fork and in allowing the restart of replication can be identified. By varying the genetic background, the effect of the absence of these proteins can be analyzed. However, this technique is limited by requiring not only viable strains but strains that are also able to overproduce TetR at a rate that will create a stable nucleoprotein blockage.

Durante a replicação do DNA, o replisome enfrenta obstáculos no DNA que prejudicar a sua progressão. Danos no ADN incluindo lesões e as lacunas assim como estruturas aberrantes pode impedir a replissoma de prosseguir 1. Recentemente, verificou-se que as proteínas ligadas ao ADN são a fonte mais comum de impedimento à replicação progressão forquilha 2. O conhecimento dos eventos após o encontro do replissoma com um bloco de nucleoproteína foi previamente limitada pela incapacidade de induzir uma tal bloco no cromossoma de uma célula viva no local conhecido. Análise in vitro aumentou a nossa compreensão do comportamento cinético de um replissoma activo quando se encontra com uma nucleoproteína bloqueio 3, bem como os detalhes mecanísticos da própria replissoma 4,5. Entendimento atual da reparação de replicação é geralmente realizada com UV como o agente prejudicial e estudada usando DNA plasmídeo in vivo 6-8 </s-se&gt;. Enquanto as proteínas que podem estar envolvidos na reparação do ADN após encontra um bloco de nucleoproteína in vivo são geralmente entendidos a partir destes estudos, se existem variações nos eventos moleculares no interior das vias de reparação devido à causa distinta no bloco de replicação é ainda contudo estar determinado. Aqui, descrevemos um sistema que permite que um bloco de nucleoproteína a ser criada em um local específico do cromossoma utilizando um repressor Sistema Operador Fluorescente (FROS). Nós utilizamos uma cepa de E. coli, que teve uma matriz de 240 locais tetO incorporados no cromossoma 9. Cada local tetO dentro da matriz tem uma sequência aleatória de 10 pb flanqueando-o a aumentar a estabilidade do conjunto, impedindo que a recombinação mediada por RecA-dentro da matriz. Esta matriz, e variações do mesmo, foram originalmente usado para entender E. coli dinâmica cromossómicas 10,11 mas foram depois adaptadas para PreveNT replicação in vivo 12. A matriz foi encontrado para ser mantida de forma estável e para bloquear perto de 100% de garfos de replicação quando ligado por TetR 10,12. A utilização da matriz de lacO semelhante in vitro descobriu tão poucos como 22 locais foram suficientes para bloquear 90% da replicação, embora esta gama mais curto foi menos eficaz in vivo 13. Para se adaptar a matriz para criar um bloqueio nucleoproteína, a proteína repressora deve ser altamente overproduced em condições otimizadas, onde então se liga à matriz para criar um obstáculo. A formação do bloqueio, e a sua subsequente libertação, pode ser controlada através da utilização de microscopia de fluorescência, se uma variante fluorescente etiquetado do repressor Tet é usado. O estado de replicação em cada célula está indicado pelo número de focos visto, em que um único ponto focal significa apenas uma cópia da matriz está presente no interior da célula e múltiplos focos são indicativos de replicação activa. Esta re ativaplicação é activado quando o bloqueio nucleoproteína é revertida pela adição do indutor gratuito que diminui a afinidade de ligação para o local de TetR operador suficientemente para replissoma para prosseguir através da matriz. A proteína repressora é ainda capaz de se ligar ao ADN com uma afinidade suficientemente alta que os agora múltiplas cópias da matriz pode ser visualizado. Detalhes mais intrincados dos eventos no bloqueio nucleoproteína pode ser descoberto usando eletroforese em gel neutro neutro bidimensional agarose e hibridação Southern 14-16. Estas técnicas permitem a análise das estruturas de ADN através da população. Os intermediários de replicação que são formados durante o evento, e potencialmente permanecer não reparado, pode ser visualizada. Através da variação da enzima de restrição e da sonda utilizada, os intermediários podem ser visualizados não só na região da matriz, mas também a montante da matriz, quando o garfo de replicação regride 17,18. oregressão tenham ocorrido depois da dissociação replisome; os fios de condução e de retardamento nascentes separar a partir das cadeias molde e emparelham com uns aos outros como os cordões de modelo simultaneamente re-recozimento que resulta em uma estrutura de ADN de quatro vias (uma junção Holliday). Utilizando este sistema, foi demonstrado que o garfo de replicação não é estável quando se encontra presente 18 bloco. Além disso, os derivados de componentes sensíveis à temperatura réplisome pode ser utilizada para impedir a recarga do garfo de replicação, uma vez que entrou em colapso. Uma vez que um bloco é estabelecida, a tensão pode ser deslocada para uma temperatura não permissiva para assegurar uma desactivação síncrona do replissoma e uma prevenção controlada de recarga. Esta desativação induzida pela temperatura garante todos os garfos dentro da população entraram em colapso em um determinado momento e permite a avaliação do que acontece quando o replisome entra em colapso, como o DNA é processado, eo que é necessário para reiniciar o processo de replicação do ADN. Uma vantagem do sistema descrito aqui é que o bloco de nucleoproteína é totalmente reversível; portanto, a capacidade das células para se recuperar a partir do bloco nucleoproteína é capaz de ser seguido. A adição de anidrotetraciclina para as células irão aliviar a forte ligação do repressor, permitindo um garfo de replicação para prosseguir através da célula e para o restabelecimento da viabilidade. O relevo do bloqueio pode ser visualizada por electroforese em gel de agarose bidimensional neutro neutro depois de 5 min, e por microscopia dentro de 10 min. Além disso, a análise de viabilidade pode revelar a capacidade da estirpe para se recuperar a partir do bloqueio da replicação e continuam a proliferar. Ao alterar o fundo genético das estirpes utilizadas no procedimento experimental descrito aqui, as vias de reparação para este tipo de bloqueio pode ser elucidado.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Tryptone</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>16922</td>
			<td>Growth media component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium Chloride</td>
			<td>VWR</td>
			<td>27810.364</td>
			<td>Growth media component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Yeast extract</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>92144</td>
			<td>Growth media component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potassium phosphate monobasic</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>P9791</td>
			<td>Growth media component; Potassium buffer component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potassium phosphate dibasic</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>P3786</td>
			<td>Growth media component; Potassium buffer component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>L-Arabinose</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>A3256</td>
			<td>For induction of TetR-YFP production</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Anhydrotetracycline hydrochloride</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>37919</td>
			<td>Release of replication bloackage</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Axioskop 2 Fluorescence microscope</td>
			<td>Zeiss</td>
			<td>452310</td>
			<td>Visualization of cells</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>eYFP filter set</td>
			<td>Chroma Technology</td>
			<td>41028</td>
			<td>Visualization of YFP</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CCD camera</td>
			<td>Hamamatsu</td>
			<td>Orca-AG</td>
			<td>Visualization of cells</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MetaMorph&#160; Software (Molecular Devices)</td>
			<td>SDR Scientific</td>
			<td>31282</td>
			<td>Version 7.8.0.0 used in the preparation of this manuscript</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Agarose</td>
			<td>Bioline</td>
			<td>BIO-41025</td>
			<td>For agarose plugs and gel electrophoresis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Original Glass Water Repellent (Rain-X)</td>
			<td>Autobarn</td>
			<td>DIO1470</td>
			<td>For agarose plug manufacture</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TRIS</td>
			<td>VWR</td>
			<td>VWRC103157P</td>
			<td>TE, TBE buffer component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethylene diaminetetraacetic acid</td>
			<td>Ajax Finechem</td>
			<td>AJA180</td>
			<td>0.5 M EDTA disodium salt solution adjusted to pH 8.0 with NaOH.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium azide</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>S2002</td>
			<td>Bacteriostatic agent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrochloric acid</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>258148</td>
			<td>TE buffer component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium deoxycholate</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>D6750</td>
			<td>Cell lysis buffer component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N-Lauroylsarcosine sodium salt (Sarkosyl)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>L5125</td>
			<td>Cell lysis and ESP buffer component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rnase A</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>R6513</td>
			<td>Cell lysis buffer component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lysozyme</td>
			<td>Amresco</td>
			<td>6300</td>
			<td>Cell lysis buffer component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Proteinase K</td>
			<td>Amresco</td>
			<td>AM0706</td>
			<td>ESP buffer component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sub-Cell Model 192 Cell</td>
			<td>BioRad</td>
			<td>1704507</td>
			<td>Electrophoresis system</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>UV transilluminator 2000</td>
			<td>BioRad</td>
			<td>1708110</td>
			<td>Visualization of DNA</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethidium Bromide</td>
			<td>BioRad</td>
			<td>1610433</td>
			<td>Visualization of DNA</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Boric acid</td>
			<td>VWR</td>
			<td>PROL20185.360</td>
			<td>TBE component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hybond-XL nylon memrbane</td>
			<td>Amersham</td>
			<td>RPN203S</td>
			<td>Zeta-Probe Memrbane (BioRad 1620159) can also be used</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3MM Whatman chromatography paper</td>
			<td>GE Healthcare Life Sciences</td>
			<td>3030690</td>
			<td>Southern blotting</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HL-2000 Hybrilinker</td>
			<td>UVP</td>
			<td>95-0031-01/02</td>
			<td>Crosslinking of DNA and hybridization</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Deoxyribonucleic acid from salmon sperm</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>31149</td>
			<td>Hybridization buffer component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium hydroxide</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>S5881</td>
			<td>Denaturation buffer component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Trisodium citrate dihydrate</td>
			<td>VWR</td>
			<td>PROL27833.363</td>
			<td>Transfer buffer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium dodecyl sulphate (SDS)</td>
			<td>Amresco</td>
			<td>227</td>
			<td>Wash buffer component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bovine serum albumin</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>A7906</td>
			<td>Hybridization buffer component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Random Hexamer Primers</td>
			<td>Bioline</td>
			<td>BIO-38028</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Klenow fragment</td>
			<td>New England BioLabs</td>
			<td>M0212L</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>dNTP Set</td>
			<td>Bioline</td>
			<td>BIO-39025</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Adenosine 5&#8217;-triphosphate-32P-ATP</td>
			<td>PerkinElmer</td>
			<td>BLU502A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Storage Phosphor Screen</td>
			<td>GE Healthcare Life Sciences</td>
			<td>GEHE28-9564-76</td>
			<td>BAS-IP MS 3543 E multipurpose standard 35x43cm screen</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Typhoon FLA 7000</td>
			<td>GE Healthcare Life Sciences</td>
			<td>28-9558-09</td>
			<td>Visualization of blot</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hybridization bottle</td>
			<td>UVP</td>
			<td>07-0194-02</td>
			<td>35 x 300mm</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

inducing a site specific replication blockage in e. coli using a fluorescent repressor operator system

Obstáculos presentes no DNA, incluindo proteínas firmemente ligados e várias lesões, pode inibir seriamente a progressão da maquinaria de replicação da célula. O retardamento de um replissoma pode levar a sua dissociação do cromossoma, em parte ou a sua totalidade, levando ao colapso do garfo de replicação. A recuperação a partir deste colapso é uma necessidade para que a célula completa com precisão a duplicação cromossómica e subsequentemente se dividem. diversos mecanismos Portanto, quando ocorre o colapso, a célula tem evoluído que tomam lugar para restabelecer a forquilha de ADN e permitir a replicação para ser preenchido com alta fidelidade. Anteriormente, estas vias de reparação de replicação em bactérias, foram estudados utilizando os danos UV, o que tem a desvantagem de não ser localizada a um local conhecido. Este manuscrito descreve um sistema que utiliza um sistema de fluorescência repressor Operator (FROS) para criar um bloco de proteína específica do local que podem induzir a estagnação e colapso da replicação forks em Escherichia coli. Protocolos detalhe como o estado de replicação podem ser visualizados em células vivas individuais usando microscopia de fluorescência e de replicação de ADN intermediários podem ser analisados ​​por electroforese em gel de agarose a 2-dimensional. Temperatura mutantes sensíveis de componentes réplisome (por exemplo DnaBts) pode ser incorporada no sistema para induzir um colapso síncrona dos garfos de replicação. Além disso, as funções das proteínas de recombinação e helicases que estão envolvidas nestes processos podem ser estudados utilizando knockouts genéticas dentro deste sistema.

O FROS é um bloco de nucleoproteína induzível, específica do local que permite intermediários de replicação para ser visualizado em células vivas 12,18. Um projeto experimental geral para células de amostragem é ilustrada na Figura 1. O momento da amostragem e variações no fundo genético tornar este um sistema versátil para estudar o reparo de um tal bloco. O esquema ilustra como mutantes sensíveis à temperatura, tais como TS e TS dnaB dnaC que têm sido utilizados previamente 18, pode ser utilizado neste sistema. A indução dos FROS foi levada a cabo num E. estirpe de E. coli tal como mostrado na Figura 1 para as estirpes sensíveis não-temperatura. Para confirmar que um bloco de nucleoproteína tinha sido estabelecido, as células foram visualizadas por microscopia de fluorescência após 1 h de crescimento em 0,1% de arabinose. esteprazo é geralmente adequada para produzir o bloco em uma cepa do tipo selvagem, mas cepas mais exigentes podem requerer otimização. A maioria das células continha um foco (Figura 2A, + ARA), o que corresponde a uma única cópia da matriz no interior da célula, indicando desse modo a replicação tinha sido bloqueado. Os números de células com um foco, 2 focos ou mais do que 2 focos foram contados numa população de mais do que 100 células. 92% das células foram encontrados a ter um foco com os restantes 8% com 2 focos. Presumiu-se que as células que tiveram dois focos bem afastados, o que representa duas cópias do array, teria a próxima rodada de replicação bloqueada. As células com dois focos próximos uns dos outros significam que a matriz recentemente tenha sido replicada e o bloco de nucleoproteína ainda não tenha sido alcançada. O bloco de nucleoproteína foi revertido pela adição de anidrotetraciclina (AT) e duplicação subsequente da matriz visualizado como aacumulação de células com múltiplos focos (Figura 2A, + ara / AT). Múltiplos focos dentro de uma célula visualizadas por microscopia de fluorescência significar a matriz tenha sido replicada com sucesso e tenha passado tempo suficiente para permitir que o loci para se separam, superar qualquer irmã cromossoma coesão que estava presente. Neste exemplo, a 10 minutos após a adição de pelo, 94% de células tinham 2 ou mais focos e até 8 focos por célula foram visualizados. Para assegurar que o bloco de nucleoproteína efectivamente inibir a replicação, a viabilidade celular foi analisado (Figura 2B). As células que tenham tido replicação inibida pelos FROS mostram uma diminuição de aproximadamente 1.000 vezes em unidades formadoras de colónias comparativamente com as células que não foram cultivadas na presença de arabinose. As células que foram subsequentemente cultivadas na presença de anidrotetraciclina mostram reversão dessa inibição do crescimento. Se as células não foram capazes de reparar o DNA após o lançamentonucleoproteína do bloqueio, uma redução na viabilidade resultaria. Para visualizar os intermediários de replicação, as células podem ser lisadas dentro tampões de agarose e a proteína e o ARN removido. O ADN pode então ser digerido com uma enzima de restrição apropriada para a região de interesse. ADN representado na Figura 3A foi digerido com EcoRV que corta o ADN imediatamente antes da matriz, dentro da matriz e depois a matriz para se obter 5,5 kb e 6,7 kb em fragmentos da região de interesse (Figura 3B). Os fragmentos são idealmente ~ 3-7 kb para o protocolo aqui descrito. Fragmentos fora desta gama pode exigir a alteração das concentrações de agarose utilizados e as condições de electroforese para conseguir uma boa separação. O ADN foi submetido a electroforese na primeira dimensão e visualizada (Figura 3A). Se o DNA foi digerido completamente, todas as pistas terão rodar de maneira uniforme e não haveráuma quantidade elevada de baixo peso molecular (menos do que cerca de 3 kb, dependendo da enzima de restrição). ADN presente no poço sugere lise celular incompleta e uma grande quantidade de ADN de elevado peso molecular (acima de 10 kb) implica a digestão incompleta do ADN. O ADN de interesse em cada pista foi excisado. Na Figura 3A, o ADN acima de 5 kb foi incluído. A segunda dimensão subsequente do gel foi submetido a electroforese, resultante de uma diagonal de ADN linear (Figura 3C). O DNA matriz dentro deste gel foi então visualizadas por hibridização de Southern (Figura 3D). No desbloqueado (- amostra ARA), duas manchas pode ser visto, o que corresponde a 5,5 kb e 6,7 kb fragmentos da matriz, como era esperado. A amostra que havia replicação bloqueada (+ ara) mostrou uma diminuição do ponto de 5,5 kb em comparação e a adição de um sinal elíptica, o que indica uma acumulação de ADN em forma de Y na amostra. O sinal élocalizada em uma posição, significando os garfos de replicação estão prendendo em um lugar semelhante em toda a população. Por adição de anhydrotetracyline, o sinal em forma de Y de ADN já não pode ser visto. Um recente reinicialização é indicada pela presença de um sinal de todo o Y-arco, que descreve os garfos que migram através da região. É importante para normalizar o ADN no interior de cada vela de agarose para garantir os sinais das amostras são mesmo. Os sinais podem ser quantificados com software de imagem apropriado. Outro intermediário comum visto é que indicando junção Holliday formação (HJ). Um HJ é visualizado como um sinal de cone no topo do Y de arco e um pico a partir do ADN linear no final do arco Y (Figura 3D). <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/54434/54434fig2.jpg" /> Figura 2: microscopia de fluorescência e VIAB<html> ility. (A) Um E. coli estirpe transportando a matriz tetO foi cultivada a 30 ° C na presença de 0,1% de arabinose (Ara +) durante 1 hora e, em seguida, anidrotetraciclina (AT) foi adicionado durante 10 min a uma subpopulação para libertar o bloco para a replicação. micrografias representativas estão apresentados para a produção de YFP (painel superior). Barra de escala = 2 uM. A proporção de células que transportam uma, duas ou mais do que 2 focos foram enumerados e são apresentados como uma percentagem (painel inferior). (B) As células cultivadas na ausência de arabinose (- ARA), com arabinose (+ ARA) e com ambos arabinose e anidrotetraciclina (NO; 10 min) foram diluídas em série de 10 vezes e, ou manchado ou espalhada sobre única ampicilina agar contendo ( - / + ara amostras) ou ampicilina com anidrotetraciclina (+ AT amostra) e cultivadas a 30 ° C para determinar a viabilidade celular. Top: placa representativa mostrando crescimento em diluições indicadas. Parte inferior: gráfico que mostra a média CFU / mL +/- SEM.ww.jove.com/files/ftp_upload/54434/54434fig2large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/54434/54434fig3.jpg" /> . Figura 3: A visualização do DNA Replication Intermediates Num bloco Nucleoproteína (A) O ADN genómico a partir de células (1, - ara; 2, + ara; 3, + ara / AT) que foram lisadas dentro tampões de agarose e digerido com a enzima de restrição EcoRV foi separada num gel de agarose 0,4% (55 V, 16 hr). 3 kb, 5 kb e 10 kb bandas são indicados. O ADN acima do marcador de 5 kb foi excisado como indicado pelas caixas brancas. (B) Esquema de EcoRV a digestão da região da matriz. garfos de replicação que entram na matriz a partir da origem ficar bloqueados dentro do fragmento de 5,5 kb quando as células foram cultivadas na presença de arabinose. Os locais de restrição utilizados estão indicados por setas e a ARraio é mostrado como uma caixa com linhas. (C) O ADN excisada foi rodado 90 ° e separados num gel de agarose a 0,8% (220 V, 4 h). A caixa branca indica a excisão do ADN após a separação. (D) A região matriz foi subsequentemente visualizado por análise de transferência de Southern utilizando uma sonda radioactiva a região da matriz. As células com um bloco de replicação nesta posição terá o sinal correspondente ao fragmento de 5,5 kb localizado no Y-arco. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54434/54434fig3large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>

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Inducing a Site Specific Replication Blockage in E. coli Using a Fluorescent Repressor Operator System

We describe here a system utilizing a site-specific, reversible in vivo protein block to stall and collapse replication forks in Escherichia coli. The establishment of the replication block is evaluated by fluorescence microscopy and neutral-neutral 2-dimensional agarose gel electrophoresis is used to visualize replication intermediates.

Induzir um bloqueio de replicação de site específico no<i&gt; E. coli</i&gt; Usando um sistema fluorescente repressor de operador

Obstacles present on DNA, including tightly-bound proteins and various lesions, can severely inhibit the progression of the cell&#39;s replication ...

inducing-site-specific-replication-blockage-e-coli-using-fluorescent

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Biology

Inducing a Site Specific Replication Blockage in E. coli Using a Fluorescent Repressor Operator System

8.9K visualizações.  University of Newcastle. We describe here a system utilizing a site-specific, reversible in vivo protein block to stall and collapse replication forks in Escherichia coli. The establishment of the replication block is evaluated by fluorescence microscopy and neutral-neutral 2-dimensional agarose gel electrophoresis is used to visualize replication intermediates.

Vídeo: Inducing a Site Specific Replication Blockage in E. coli Using a Fluorescent Repressor Operator System

Transformation of Plasmid DNA into E. coli Using the Heat Shock Method

Transformation of plasmid DNA into E. coli using the heat shock method is a basic technique of molecular biology. It consists of inserting a foreign plasmid or ligation product into bacteria. This video protocol describes the traditional method of transformation using commercially available chemically competent bacteria from Genlantis. After a short incubation in ice, a mixture of chemically competent bacteria and DNA is placed at 42&deg;C for 45 seconds (heat shock) and then placed back in ice. SOC media is added and the transformed cells are incubated at 37&deg;C for 30 min with agitation. To be assured of isolating colonies irrespective of transformation efficiency, two quantities of transformed bacteria are plated. This traditional protocol can be used successfully to transform most commercially available competent bacteria. The turbocells from Genlantis can also be used in a novel 3-minute transformation protocol, described in the instruction manual.

Transformação do DNA plasmidial em E. coli Usando o método de choque térmico

Transformation of plasmid DNA into E. coli using the heat shock method is a basic technique of molecular biology. It consists of inserting a foreign ...

Biologia

Principles of Site-Specific Recombinase (SSR) Technology

Site-specific recombinase (SSR) technology allows the manipulation of gene structure to explore gene function and has become an integral tool of molecular biology. Site-specific recombinases are proteins that bind to distinct DNA target sequences. The Cre/lox system was first described in bacteriophages during the 1980's. Cre recombinase is a Type I topoisomerase that catalyzes site-specific recombination of DNA between two loxP (locus of X-over P1) sites. The Cre/lox system does not require any cofactors. LoxP sequences contain distinct binding sites for Cre recombinases that surround a directional core sequence where recombination and rearrangement takes place. When cells contain loxP sites and express the Cre recombinase, a recombination event occurs. Double-stranded DNA is cut at both loxP sites by the Cre recombinase, rearranged, and ligated ("scissors and glue"). Products of the recombination event depend on the relative orientation of the asymmetric sequences.
SSR technology is frequently used as a tool to explore gene function. Here the gene of interest is flanked with Cre target sites loxP ("floxed"). Animals are then crossed with animals expressing the Cre recombinase under the control of a tissue-specific promoter. In tissues that express the Cre recombinase it binds to target sequences and excises the floxed gene. Controlled gene deletion allows the investigation of gene function in specific tissues and at distinct time points. Analysis of gene function employing SSR technology --- conditional mutagenesis -- has significant advantages over traditional knock-outs where gene deletion is frequently lethal.

Principles of Site-Specific Recombinase SSR Technology

The advent of site-specific recombinase (SSR) technology and the Cre/lox system has led to numerous advances in molecular biology, and has proven itself as a valuable tool for assessing gene function in transgenic animals. This interview discusses the mechanism of site specific recombination by Cyclization recombinase (Cre) and how the use of this enzyme has led to the development of conditional mutagenesis, which has significant advantages over traditional knock out strategies.

Princípios do site-specific Recombinase (SSR) Tecnologia

Site-specific recombinase (SSR) technology allows the manipulation of gene structure to explore gene function and has become an integral tool of molecular ...

Visualization of UV-induced Replication Intermediates in E. coli using Two-dimensional Agarose-gel Analysis

Inaccurate replication in the presence of DNA damage is responsible for the majority of cellular rearrangements and mutagenesis observed in all cell types and is widely believed to be directly associated with the development of cancer in humans. DNA damage, such as that induced by UV irradiation, severely impairs the ability of replication to duplicate the genomic template accurately. A number of gene products have been identified that are required when replication encounters DNA lesions in the template. However, a remaining challenge has been to determine how these proteins process lesions during replication in vivo. Using Escherichia coli as a model system, we describe a procedure in which two-dimensional agarose-gel analysis can be used to identify the structural intermediates that arise on replicating plasmids in vivo following UV-induced DNA damage. This procedure has been used to demonstrate that replication forks blocked by UV-induced damage undergo a transient reversal that is stabilized by RecA and several gene products associated with the RecF pathway. The technique demonstrates that these replication intermediates are maintained until a time that correlates with the removal of the lesions by nucleotide excision repair and replication resumes.

Visualization of UV-induced Replication Intermediates in E. coli using Two-dimensional Agarose-gel Analysis

We present a procedure by which two-dimensional agarose-gel analysis can be used to identify the structure of replication intermediates that occur following UV irradiation.

Visualização dos Intermediários UV-induzida replicação em E. coli Usando bidimensional Análise Agarose-gel

Inaccurate replication in the presence of DNA damage is responsible for the majority of cellular rearrangements and mutagenesis observed in all cell types ...

Mutagenesis and Functional Selection Protocols for Directed Evolution of Proteins in E. coli

The efficient generation of genetic diversity represents an invaluable molecular tool that can be used to label DNA synthesis, to create unique molecular signatures, or to evolve proteins in the laboratory. Here, we present a protocol that allows the generation of large (>1011) mutant libraries for a given target sequence. This method is based on replication of a ColE1 plasmid encoding the desired sequence by a low-fidelity variant of DNA polymerase I (LF-Pol I). The target plasmid is transformed into a mutator strain of E. coli and plated on solid media, yielding between 0.2 and 1 mutations/kb, depending on the location of the target gene. Higher mutation frequencies are achieved by iterating this process of mutagenesis. Compared to alternative methods of mutagenesis, our protocol stands out for its simplicity, as no cloning or PCR are involved. Thus, our method is ideal for mutational labeling of plasmids or other Pol I templates or to explore large sections of sequence space for the evolution of activities not present in the original target. The tight spatial control that PCR or randomized oligonucleotide-based methods offer can also be achieved through subsequent cloning of specific sections of the library. Here we provide protocols showing how to create a random mutant library and how to establish drug-based selections in E. coli to identify mutants exhibiting new biochemical activities.

Mutagenesis and Functional Selection Protocols for Directed Evolution of Proteins in E. coli

Here we demonstrate a simple protocol to create a random mutant library for a given target sequence. We show how this method, which is performed in vivo in Escherichia coli, can be coupled with functional selections to evolve new enzymatic activities.

Mutagênese e Funcional Protocolos de Seleção para a Evolução Dirigida de proteínas em E. coli</em

The efficient generation of genetic diversity represents an invaluable molecular tool that can be used to label DNA synthesis, to create unique molecular ...

A 3D System for Culturing Human Articular Chondrocytes in Synovial Fluid

Cartilage destruction is a central pathological feature of osteoarthritis, a leading cause of disability in the US. Cartilage in the adult does not regenerate very efficiently in vivo; and as a result, osteoarthritis leads to irreversible cartilage loss and is accompanied by chronic pain and immobility 1,2. Cartilage tissue engineering offers promising potential to regenerate and restore tissue function. This technology typically involves seeding chondrocytes into natural or synthetic scaffolds and culturing the resulting 3D construct in a balanced medium over a period of time with a goal of engineering a biochemically and biomechanically mature tissue that can be transplanted into a defect site in vivo 3-6. Achieving an optimal condition for chondrocyte growth and matrix deposition is essential for the success of cartilage tissue engineering. 
 In the native joint cavity, cartilage at the articular surface of the bone is bathed in synovial fluid. This clear and viscous fluid provides nutrients to the avascular articular cartilage and contains growth factors, cytokines and enzymes that are important for chondrocyte metabolism 7,8. Furthermore, synovial fluid facilitates low-friction movement between cartilaginous surfaces mainly through secreting two key components, hyaluronan and lubricin 9 10. In contrast, tissue engineered cartilage is most often cultured in artificial media. While these media are likely able to provide more defined conditions for studying chondrocyte metabolism, synovial fluid most accurately reflects the natural environment of which articular chondrocytes reside in.
 Indeed, synovial fluid has the advantage of being easy to obtain and store, and can often be regularly replenished by the body. Several groups have supplemented the culture medium with synovial fluid in growing human, bovine, rabbit and dog chondrocytes, but mostly used only low levels of synovial fluid (below 20&#37;) 11-25. While chicken, horse and human chondrocytes have been cultured in the medium with higher percentage of synovial fluid, these culture systems were two-dimensional 26-28. Here we present our method of culturing human articular chondrocytes in a 3D system with a high percentage of synovial fluid (up to 100&#37;) over a period of 21 days. In doing so, we overcame a major hurdle presented by the high viscosity of the synovial fluid. This system provides the possibility of studying human chondrocytes in synovial fluid in a 3D setting, which can be further combined with two other important factors (oxygen tension and mechanical loading) 29,30 that constitute the natural environment for cartilage to mimic the natural milieu for cartilage growth. Furthermore, This system may also be used for assaying synovial fluid activity on chondrocytes and provide a platform for developing cartilage regeneration technologies and therapeutic options for arthritis.

A 3D system of culturing human articular chondrocytes in high levels of synovial fluid is described. Synovial fluid reflects the most natural microenvironment for articular cartilage, and can be easily obtained and stored. This system thus can be used for studying cartilage regeneration and for screening therapeutics for treating arthritis.

Um Sistema de 3D para condrócitos Cultivar Humanos Articular no líquido sinovial

Cartilage destruction is a central pathological feature of osteoarthritis, a leading cause of disability in the US. Cartilage in the adult does not ...

Visualizing Bacteria in Nematodes using Fluorescent Microscopy

Symbioses, the living together of two or more organisms, are widespread throughout all kingdoms of life. As two of the most ubiquitous organisms on earth, nematodes and bacteria form a wide array of symbiotic associations that range from beneficial to pathogenic 1-3. One such association is the mutually beneficial relationship between Xenorhabdus bacteria and Steinernema nematodes, which has emerged as a model system of symbiosis 4. Steinernema nematodes are entomopathogenic, using their bacterial symbiont to kill insects 5. For transmission between insect hosts, the bacteria colonize the intestine of the nematode's infective juvenile stage 6-8. Recently, several other nematode species have been shown to utilize bacteria to kill insects 9-13, and investigations have begun examining the interactions between the nematodes and bacteria in these systems 9.
We describe a method for visualization of a bacterial symbiont within or on a nematode host, taking advantage of the optical transparency of nematodes when viewed by microscopy. The bacteria are engineered to express a fluorescent protein, allowing their visualization by fluorescence microscopy. Many plasmids are available that carry genes encoding proteins that fluoresce at different wavelengths (i.e. green or red), and conjugation of plasmids from a donor Escherichia coli strain into a recipient bacterial symbiont is successful for a broad range of bacteria. The methods described were developed to investigate the association between Steinernema carpocapsae and Xenorhabdus nematophila 14. Similar methods have been used to investigate other nematode-bacterium associations 9,15-18and the approach therefore is generally applicable.
The method allows characterization of bacterial presence and localization within nematodes at different stages of development, providing insights into the nature of the association and the process of colonization 14,16,19. Microscopic analysis reveals both colonization frequency within a population and localization of bacteria to host tissues 14,16,19-21. This is an advantage over other methods of monitoring bacteria within nematode populations, such as sonication 22or grinding 23, which can provide average levels of colonization, but may not, for example, discriminate populations with a high frequency of low symbiont loads from populations with a low frequency of high symbiont loads. Discriminating the frequency and load of colonizing bacteria can be especially important when screening or characterizing bacterial mutants for colonization phenotypes 21,24. Indeed, fluorescence microscopy has been used in high throughput screening of bacterial mutants for defects in colonization 17,18, and is less laborious than other methods, including sonication 22,25-27and individual nematode dissection 28,29.

To study the mutualism between Xenorhabdus bacteria and Steinernema nematodes, methods were developed to monitor bacterial presence and location within nematodes. The experimental approach, which can be applied to other systems, entails engineering bacteria to express the green fluorescent protein and visualizing, using fluorescence microscopy bacteria within the transparent nematode.

Visualizando bactérias em nematóides por microscopia de fluorescência

 
Symbioses, the living together of two or more organisms, are widespread throughout all kingdoms of life. As two of the most ubiquitous organisms on ...

The Logic, Experimental Steps, and Potential of Heterologous Natural Product Biosynthesis Featuring the Complex Antibiotic Erythromycin A Produced Through E. coli

The heterologous production of complex natural products is an approach designed to address current limitations and future possibilities. It is particularly useful for those compounds which possess therapeutic value but cannot be sufficiently produced or would benefit from an improved form of production. The experimental procedures involved can be subdivided into three components: 1) genetic transfer; 2) heterologous reconstitution; and 3) product analysis. Each experimental component is under continual optimization to meet the challenges and anticipate the opportunities associated with this emerging approach.
Heterologous biosynthesis begins with the identification of a genetic sequence responsible for a valuable natural product. Transferring this sequence to a heterologous host is complicated by the biosynthetic pathway complexity responsible for product formation. The antibiotic erythromycin A is a good example. Twenty genes (totaling &gt;50 kb) are required for eventual biosynthesis. In addition, three of these genes encode megasynthases, multi-domain enzymes each ~300 kDa in size. This genetic material must be designed and transferred to E. coli for reconstituted biosynthesis. The use of PCR isolation, operon construction, multi-cystronic plasmids, and electro-transformation will be described in transferring the erythromycin A genetic cluster to E. coli.
Once transferred, the E. coli cell must support eventual biosynthesis. This process is also challenging given the substantial differences between E. coli and most original hosts responsible for complex natural product formation. The cell must provide necessary substrates to support biosynthesis and coordinately express the transferred genetic cluster to produce active enzymes. In the case of erythromycin A, the E. coli cell had to be engineered to provide the two precursors (propionyl-CoA and (2S)-methylmalonyl-CoA) required for biosynthesis. In addition, gene sequence modifications, plasmid copy number, chaperonin co-expression, post-translational enzymatic modification, and process temperature were also required to allow final erythromycin A formation.
Finally, successful production must be assessed. For the erythromycin A case, we will present two methods. The first is liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) to confirm and quantify production. The bioactivity of erythromycin A will also be confirmed through use of a bioassay in which the antibiotic activity is tested against Bacillus subtilis. The assessment assays establish erythromycin A biosynthesis from E. coli and set the stage for future engineering efforts to improve or diversify production and for the production of new complex natural compounds using this approach.

The Logic, Experimental Steps, and Potential of Heterologous Natural Product Biosynthesis Featuring the Complex Antibiotic Erythromycin A Produced Through E. coli

The heterologous biosynthesis of erythromycin A through E. coli includes the following experimental steps: 1) genetic transfer; 2) heterologous reconstitution; and 3) product analysis. Each step will be explained in the context of the motivation, potential, and challenges in producing therapeutic natural products using E. coli as a surrogate host.

A Lógica, etapas experimentais, e potencial de Biossíntese produto heteróloga Natural Apresentando o complexo antibiótico eritromicina Um produzido através<em&gt; E. coli</em

The heterologous production of complex natural products is an approach designed to address current limitations and future possibilities.  It is ...

Using Caenorhabditis elegans as a Model System to Study Protein Homeostasis in a Multicellular Organism

The folding and assembly of proteins is essential for protein function, the long-term health of the cell, and longevity of the organism. Historically, the function and regulation of protein folding was studied in vitro, in isolated tissue culture cells and in unicellular organisms. Recent studies have uncovered links between protein homeostasis (proteostasis), metabolism, development, aging, and temperature-sensing. These findings have led to the development of new tools for monitoring protein folding in the model metazoan organism Caenorhabditis elegans. In our laboratory, we combine behavioral assays, imaging and biochemical approaches using temperature-sensitive or naturally occurring metastable proteins as sensors of the folding environment to monitor protein misfolding. Behavioral assays that are associated with the misfolding of a specific protein provide a simple and powerful readout for protein folding, allowing for the fast screening of genes and conditions that modulate folding. Likewise, such misfolding can be associated with protein mislocalization in the cell. Monitoring protein localization can, therefore, highlight changes in cellular folding capacity occurring in different tissues, at various stages of development and in the face of changing conditions. Finally, using biochemical tools ex vivo, we can directly monitor protein stability and conformation. Thus, by combining behavioral assays, imaging and biochemical techniques, we are able to monitor protein misfolding at the resolution of the organism, the cell, and the protein, respectively.

Using Caenorhabditis elegans as a Model System to Study Protein Homeostasis in a Multicellular Organism

To study the relationship between protein homeostasis, stress and aging, we monitored changes in protein folding by following protein dysfunction, protein localization in the cell and protein stability at the organismal, cellular and protein levels, using the genetically tractable metazoan Caenorhabditis elegans as a model system.

The folding and assembly of proteins is essential for protein function, the long-term health of the cell, and longevity of the organism. Historically, the ...

Green Fluorescent Protein-based Expression Screening of Membrane Proteins in Escherichia coli

The production of recombinant membrane proteins for structural and functional studies remains technically challenging due to low levels of expression and the inherent instability of many membrane proteins once solubilized in detergents. A protocol is described that combines ligation independent cloning of membrane proteins as GFP fusions with expression in Escherichia coli detected by GFP fluorescence. This enables the construction and expression screening of multiple membrane protein/variants to identify candidates suitable for further investment of time and effort. The GFP reporter is used in a primary screen of expression by visualizing GFP fluorescence following SDS polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE). Membrane proteins that show both a high expression level with minimum degradation as indicated by the absence of free GFP, are selected for a secondary screen. These constructs are scaled and a total membrane fraction prepared and solubilized in four different detergents. Following ultracentrifugation to remove detergent-insoluble material, lysates are analyzed by fluorescence detection size exclusion chromatography (FSEC). Monitoring the size exclusion profile by GFP fluorescence provides information about the mono-dispersity and integrity of the membrane proteins in different detergents. Protein: detergent combinations that elute with a symmetrical peak with little or no free GFP and minimum aggregation are candidates for subsequent purification. Using the above methodology, the heterologous expression in E. coli of SED (shape, elongation, division, and sporulation) proteins from 47 different species of bacteria was analyzed. These proteins typically have ten transmembrane domains and are essential for cell division. The results show that the production of the SEDs orthologues in E. coli was highly variable with respect to the expression levels and integrity of the GFP fusion proteins. The experiment identified a subset for further investigation.

Green Fluorescent Protein-based Expression Screening of Membrane Proteins in Escherichia coli

A streamlined approach to screening for the expression of recombinant membrane proteins in Escherichia coli based on fusion to green fluorescent protein is presented.

Verde Fluorescente à base de proteínas Expressão Rastreio de Proteínas de Membrana em<em&gt; Escherichia coli</em

The production of recombinant membrane proteins for structural and functional studies remains technically challenging due to low levels of expression and ...

Detection of Intracellular Gene Expression in Live Cells of Murine, Human and Porcine Origin Using Fluorescence-labeled Nanoparticles

The reprogramming of somatic cells to induced pluripotent stem cells (iPS) has successfully been performed in different mammalian species including mouse, rat, human, pig and others. The verification of iPS clones mainly relies on the detection of the endogenous expression of different pluripotency genes. These genes mostly represent transcription factors which are located in the cell nucleus. Traditionally, the proof of their endogenous expression is supplied by immunohistochemical staining after fixation of the cells. This approach requires replicate cultures of each clone at this early stage to preserve validated clones for further experiments. The present protocol describes an approach with gene-specific nanoparticles which allows the evaluation of intracellular gene expression directly in live cells by fluorescence. The nanoparticles consist of a central gold particle coupled to a capture strand carrying a sequence complementary to the target mRNA as well as a quenched reporter strand. These nanoparticles are actively endocytosed and the target mRNA displaces the reporter strand which then start to fluoresce. Therefore, specific target gene expression can be detected directly under the microscope. In addition, the emitted fluorescence allows the identification, isolation and enrichment of cells expressing a specific gene by flow cytometry. This method can be applied directly to live cells in culture without any manipulation of the target cells.

This manuscript describes a novel technique which allows the detection of intracellular gene expression after endocytosis of fluorescence-labeled nanoparticles directly in live cells. The method does not require manipulation of the cells and is not restricted with respect to the target gene or species.

Detecção de intracelular Expressão Gênica em células vivas de murino, humano e porcino Origem Usando nanopartículas marcados com fluorescência

The reprogramming of somatic cells to induced pluripotent stem cells (iPS) has successfully been performed in different mammalian species including mouse, ...