Посещений:
|
AA Kiger1 , B Baum1, 5, S Jones2, MR Jones3, A Coulson3, C Echeverri4 and N Perrimon1 1Department of Genetics, Harvard Medical School, Howard Hughes Medical Institute, Boston, MA 02115, USA 2Genome Sciences Centre, British Columbia Cancer Research Centre, Vancouver V5Z 4E6, Canada 3MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge CB2 2QH, UK 4Cenix BioScience GmbH, D-01307 Dresden, Germany 5Current address: Ludwig Institute for Cancer Research, University College London W1W 7BS, UK Journal of Biology 2003 2:27 The electronic version of this article is the complete one and can be found online at:
© 2003 Kiger et al., licensee BioMed Central Ltd. This is an Open Access article: verbatim copying and redistribution of this article are permitted in all media for any purpose, provided this notice is preserved along with the article's original URL. |
|||||||||||||||||||
Outline | Background | |||||||||||||||||||
|
Морфологическое разнообразие клеток животных приводит к значительным различиям в клон-специфичной экспрессии и контроле цитоскелетных регуляторов. Клетки в культуре широко используются для характеристики морфогенетических событий, напр., динамики и организации филаментозного актина и микротрубочек в прилипших и подвижных клетках. Немногие клеточные системы метазоа позволют использовать генетический анализ для идентификации набора генов, вносящих вклад в построение клеточной формы. RNA interference (RNAi) революционизировала функциональный анализ генов, идентифицируемых с помощью геномного секвенирования Чтобы разработать базирующийся на клетках подход для изучения функций генов, участвующих в морфогенезе, мы разаработали высоко-производительную RNAi скрининг-методологию для клеточных культур Drosophila с разнообразным клеточным поведением (Figure Здесь описывается отладка функционального RNAi подходя для изучения клеточной морфологии. Используя полученные с помощью автоматизированной микроскопии изображения, мы визуализировали фенотипические изменения, получаемые в результате reverse-functional анализа после обработки клеток Drosophila в культуреген-специфическими dsRNAs. Мы получили возможность наблюдать и охарактеризовать широкий круг фенотипов, с изменениями организации цитоскелета и формы клеток, и исходя из этого идентифицировали наборы генов, необходимые для определенно круглой или плоской клеточной морфологии. |
|||||||||||||||||||
Outline | Results and discussion | |||||||||||||||||||
|
Мы адаптировали RNAi технологию к культуре клеток Drosophila для использования высоко-производительного скрининга по определению генов, отвечающих за морфогенез клеток. Чтобы идентифицировать гены, ответственные за характерную форму двух морфологически отличающихся линий клеток, производили RNAi скрининг в каждой из линий с набором double-stranded RNAs (dsRNAs), нацеленных на 994 предполагаемых регуляторов клеточной формы. Используя автоматизированную флюоресцентную микроскопию для визуализации актиновых филамент, микротрубочек и ДНК, мы выявили морфологические фенотипы для 160 генов, одна треть из которых ранее не была охарактеризована in vivo. Гены со сходными фенотипами соответствовали известным компонентам путей, контролирующих организацию цитоскелета и форму клеток, это привело нас к предположению о сходных функциях у ранее неохарактеризованных генов. Более того, мы оказались способными выявлять гены, действующие внутри специфических путей, используя co-RNAi скрининг для идентификации dsRNA супрессоров изменения клеточной формы с помощью Pten dsRNA. Classification of RNAi cell morphology phenotypes We detected a broad spectrum of distinct defects in cytoskeletal organization and cellular morphology, including subtle effects in the localization and level of actin filaments and microtubules (see Table Using this system, a total of 417 phenotypic annotations were assigned to 160 genes, ranging from zero up to six annotations per gene in one cell type (Table We also noted cases in which morphological defects were accompanied by a decrease in cell number. An RNAi-induced phenotype was accompanied by a notable decrease in cell number (estimated as fewer than half the normal number of cells per image) in 43% of cases (68/160 genes; see Additional data file 2). Less than 1% of the genes screened caused a catastrophic reduction in cell number (an estimated fewer than 100 cells per image) three days after the addition of dsRNA (6/994 genes, listed as having a cell viability defect in Additional data file 2). One example of this class of genes was a known inhibitor of apoptosis, D-IAP1 RNAi phenotypes with common cytoskeletal defects Changes in actin organization and cell shape were the most commonly observed phenotypes (94 and 105 out of 401 phenotypes, respectively). In some instances, specific dsRNAs led to defects in F-actin with related morphological consequences in both Kc167 and S2R+ cells (22 genes). For example, both cell types displayed RNAi phenotypes characterized by an elevated accumulation or a polarized (asymmetric or uneven) distribution of F-actin (13 genes). These phenotypes identified genes encoding proteins thought to limit the rate of actin-filament formation RNAi phenotypes affecting distinct cell shapes To identify genes that specify different cell shapes, we focused on morphological phenotypes that were restricted to either Kc167 or S2R+ cells. Indeed, 78% of the morphological phenotypes observed were detected in only one of the two cell types. Kc167 cells frequently adopted a unique, bipolar spindle shape in response to specific dsRNAs (21 genes), reminiscent of the cell-shape change induced by actin-destabilizing agents or ecdysone (Figure One major behavioral difference between the two cell types used in this study is the ability of S2R+ cells to adhere to and spread over the substratum. As a result, subtle changes in cytoskeletal organization could be visualized in S2R+ cells, such as polarized (uneven) F-actin accumulation (in response to dsRNA targeting Abl-encoded kinase), actin stress-fiber formation (the RhoL-encoded GTPase) and the loss of cortical actin filaments (dsRNA targeting CG31536, encoding a predicted Rho guanine-nucleotide exchange factor (GEF) with a FERM actin-binding domain; Figure The set of genes identified by RNAi defects in cell spreading suggested that S2R+ cells utilize focal adhesion complexes to flatten on the substrate. An implication of this finding is that Kc167 cells may be unable to spread on the substrate because they fail to express adhesion-complex components. Surprisingly, quantitative PCR (qPCR) of reverse-transcribed mRNA revealed a 2.4-fold enrichment of ?PS integrin (mys) expression in Kc167 cells versus S2R+ cells (adjusted cross-point difference of 1.2 cycles; see Materials and methods section; data not shown). Furthermore, ?PS integrin/Mys protein was detected in both cell types, with slightly elevated levels in untreated Kc167 cells versus S2R+ cells, and similarly depleted in both upon treatment with mys dsRNA (Figure Furthermore, Kc167 cells adhered but remained round even when plated on an adhesive concanavalin A substrate that induced round S2 cells to flatten Genes with common phenotypes share morphogenetic functions The results from RNAi screens in both cell types were combined to generate a phenotypic profile for each gene. Genes with similar phenotypic profiles were involved in common morphogenetic functions, as indicated by several distinct sets of genes known to interact in pathways or complexes. In both cell types, dsRNAs specific for the pebble gene encoding a Rho-GEF, the Rho1 gene encoding a GTPase, and the CG10522 gene encoding citron kinase led to enlarged cells with multiple nuclei, indicative of a failure to form and constrict the actin contractile ring necessary for cytokinesis (Figure The screen profiles also identified clusters of genes with phenotypes unique to a single cell type, such as the set of matrix-adhesion genes required for S2R+ cell spreading, as noted above (Figure A co-RNAi screen identifies modifiers of the Pten-dsRNA-induced cell shape phenotype Part of the success of using Drosophila as a model genetic system has relied upon modifier screens to identify novel components acting in related processes or molecular pathways of interest By screening for dsRNAs that modified the asymmetric microtubule distribution seen in response to Pten RNAi, 20 of the 229 dsRNAs targeting predicted kinases were identified as visible suppressors of this phenotype. These included dsRNAs corresponding to seven genes that were not identified in screens in untreated Kc167 cells: Akt1, CG31187, LIM-kinase 1, MAP kinase activated protein-kinase 2, Pi3K92E, slipper and wee. Importantly, two of these encode known positive regulators of the pathway: Pi3K92E and Akt1 |
|||||||||||||||||||
Outline | Conclusions | |||||||||||||||||||
|
Несмотря на ограниченное знание молекулярных механизмов, используемых для поддержания морфологии клеток Drosophila в культуре мы идентифицировали свыше 100 генов с видимым фенотипом потери функции, которые затрагивают специфические аспекты организации цитоскелета метазоа, хода клеточного цикла, цитокинеза и формы клеток. Т.к. и Kc167 и S2R+ клетки, по-видимому,используют сходный набор генов, чтобы регулировать актиновые филаменты в клеточном кортексе и при цитокинезе, но клетки S2R+ распластываются по субстрату, используя интегринами обеспечиваемую адгезию, а клетки Kc167 нуждаются собственно в контроле PI 3-kinase пути, чтобы сохранять свою округлую форму. Итак, некоторые гены обусловливают сходные RNAi фенотипы в обоих типах клеток, тогда как др. клеточно-специфические функции, частично отражающие разные механизмы, используемые для создания округлой или плоской морфологии клеток. Более того, функциональные последствия снижения экспрессии индивидуальных генов не коррелируют с их уровнями экспрессии в двух типах клеток. Скорее всего, что функция генов детерминируется сетью функциональных взаимодействий большого числа белков. Т.о., наш анализ делает возможным генетическое описание двух типов клеток, которое выявляет потенциальные механизмы, с помощью которых их контрастирующие клеточные формы м. б. созданы. Эта же технология м.б. легко применена к модифицированным клеточным линиям или условиям для разнооюразных исследований клеток по большой геномной шкале. Сравнение разных RNAi скринов м.б. неоценимым в выявлении сложности путей, в которых наборы генов м. функционально взаимодействовть, чтобы обеспечить разные поведения клеток. |