EMBO J。2002年7月15日;21(14): 3643–3651.
盲人和无钟突变体的光接收和昼夜行为粗糙脉孢菌
马吉特·戈尔
慕尼黑D-80336 Goetherstrasse 31,时间生物学部医学心理学研究所1德国慕尼黑大学生理化学研究所,D-80336慕尼黑2现住址:德国海德堡D-69120,Im Neuenheimer Feld 328,Biochemice-Zentrum Heidelberg三通讯作者电子邮件:till.roenneberg@imp.med.uni-muenchen.de
内伯格
慕尼黑D-80336 Goetherstrasse 31,时间生物学部医学心理学研究所1慕尼黑大学生理化学研究所,D-80336德国慕尼黑2现住址:德国海德堡D-69120,Im Neuenheimer Feld 328,Biochemice-Zentrum Heidelberg三通讯作者电子邮件:till.roenneberg@imp.med.uni-muenchen.de
慕尼黑D-80336 Goetherstrasse 31,时间生物学部医学心理学研究所1德国慕尼黑大学生理化学研究所,D-80336慕尼黑2现住址:德国海德堡D-69120,Im Neuenheimer Feld 328,Biochemice-Zentrum Heidelberg三通讯作者电子邮件:till.roenneberg@imp.med.uni-muenchen.de
收稿日期:2002年3月6日;2002年5月22日修订;2002年5月24日接受。
摘要
丝状真菌粗糙脉孢菌是蓝光光感受和昼夜节律遗传解剖的模型生物。白领-1(WC-1)和WC-2被认为是所有光响应所必需的,而频率(FRQ)是光调节无性发育(分生孢子形成)所必需的;如果没有这三者中的任何一个,在恒定的条件下,自我维持(昼夜节律)的节律就会失效。这里我们显示,个体或突变体中发生了光调节和自我维持的发育白领菌株。这些菌株在每天的光控分生组织中类似于野生型。光诱导基因的分子图谱表明白领-1和白领-2突变体利用不同的途径,尽管它们在各个方面的外观相似。通量率的滴定也表明了两种菌株之间的光敏性不同。这些数据要求存在一个经身份验证的光感受器。此外,这些突变株中现存的生物钟机制支持这样一种观点,即生物钟系统神经孢子菌属涉及WC–FRQ回路以外的组件。
关键词:昼夜节律/频率/光/神经孢子菌属/白领
结果
wc突变体同步分生以响应光
这个厕所突变体未能通过一组光诱导生理反应的分析。然而,在从恒定光线或短暂曝光到恒定黑暗的转换过程中,可以看到与转换时间相关的细微变化,尽管这种转换没有明显的持续影响(Ninneman,1991年;Crosthwaite等人,1997年). 这个结果要么反映了厕所突变株或可能是由于它们无法支持持续的、自我维持的节律。
在这里描述的实验中,最初通过提交厕所突变为24小时LD周期。在这些方案中,两种药物都具有强健的光调节生理学厕所突变体,分生孢子的产生巩固到LD循环的离散阶段,类似于野生型菌株(图A–C和E);这个频率q正如先前报道的那样,突变体对相同的光循环没有反应(Chang和Nakashima,1997年;Merrow等人,1999年;Lakin-Thomas和Brody,2000年). 然而,与野生型相比,突变株的分生阶段延迟了2.8小时(Δwc-1型在Δ中增加3小时wc-2型).
图1。Δ中的锥度wc-1型和Δwc-2型在LD循环中同步。将24小时LD循环1周的数据进行双重绘制(每条线2天,图右侧的日期在下一条线的左侧重复)。暗期由灰色阴影表示。图中的峰值表示分生孢子的合并,以及相应的神经孢子菌属座圈管如(E)所示。(A类)野生型(重量); (B类) Δwc-1型; (C) Δwc-2型; (D类) Δwc-2型Δwc-1型; 和(E类)上述图表和Δ的竞赛管频率q(对于这种菌株,只显示了一个竞赛管,因为它无法同步光的照射)(Chang和Nakashima,1997年;Lakin-Thomas和Brody,2000年;Merrow等人,2001年). (A–C)、(D)和(E)的流速分别为4和35µE/m2/s、 分别是。显示的野生型赛道的运行时间超过图表上显示的7天;在图(C)的最后一天中看到的同步性损失反映了从实验条件下提前移除了竞赛管。
营养已被证明在光接收中起作用(中岛和藤村,1982年;Sokolovsky等人,1992年)并且时钟突变体没有野生型菌株所具有的营养补偿(Loros和Feldman,1986年). 因此,比较了几种培养基配方在突变菌株中的分生孢子带外观。含有葡萄糖、奎宁酸(自然界中的碳源神经孢子菌属)或未检测碳源。尽管在所有三种条件下的循环中都可以清楚地看到光的反应(数据未显示),但在含有奎宁酸或无碳源的介质中,谱带最为离散。滴定实验表明,较低的葡萄糖水平会减少背景分生孢子,从而增强分生孢子带的外观,而不一定会增加光敏感性。在为期一周的竞赛管实验过程中,突变菌株产生的条带密度增加,与无FRQ菌株的自由运行节奏相似(Loros等人,1986年). 因此,使用长颈管来提高数据采集的可能性。
双突变体Δwc-2Δwc-1通过光同步
Δwc-1型对于与Δ相同的大多数输出是盲的wc-2型。有几个场景符合这些观察结果,包括一种或两种蛋白质产物作为光感受器的可能性。考虑到单个突变体中的任何一个都可以同步光合作用,双突变体Δwc-2型Δwc-1型生成并提交至24小时LD循环。与单个突变体一样,双突变体菌株在光照阶段巩固了分生孢子的产生(图D和E),具有与单个突变体相似的阶段(相对于野生型延迟2.8小时)。
考虑到Δwc-1型和Δwc-2型突变体,验证菌株身份至关重要。光诱导菌丝体胡萝卜素生成被用作WC蛋白的功能测定。如前所述(哈丁和特纳,1981年),厕所突变体在持续黑暗和光照条件下都不能在菌丝组织中产生类胡萝卜素(图A) 而野生型菌株对光反应强烈,基础菌丝类胡萝卜素增加了3倍以上。
图2。验证厕所突变菌株。(A类)在单突变株和双突变株中,光诱导菌丝体胡萝卜素生成失败。对野生型菌株的光密度(OD)值进行稀释校正。(B类)WC-1蛋白的Western blot显示在Δwc-1型RIP突变体(两个左车道)与野生型(两个右车道,重量). 顶部面板曝光5秒,中间面板曝光过度(30秒)。为了定量目的,用Ponceau S对印迹进行染色(底部面板)。(C)WC-2蛋白的Western blot,左边的箭头显示全长蛋白,与该突变株中截短的蛋白(ΔWC-2)进行比较(林登和马西诺,1997年). 背景带表明油井的负载均匀。(D类)假定翻译起始站点周围的区域(灰色框)wc-1型从Δ中克隆并测序wc-1型应变。顶行中的序列对应于野生型wc-1型DNA序列,突变序列就在它的正下方。星号表示点突变的位置,序列的最后一行对应于序列到蛋白质的假定翻译,这反映了沉默突变直到终止密码子。
评估突变菌株是否存在WC-1或WC-2蛋白。Δwc-1型该菌株是一个“RIP”突变体(Talora等人,1999年)由一个基因的甲基化和随后的突变产生,当存在两个拷贝时(Selker和Garrett,1988年). 在这种情况下,启动子区域也被RIPed,导致没有检测到RNA(L.Franchi,个人通信;数据未显示)。在突变菌株中未发现WC-1蛋白(图B) ●●●●。作为菌株身份的进一步分子验证wc-1型Δwc-1型对菌株进行克隆和测序(图D) ●●●●。结果表明,如果RIPed启动子产生任何RNA,翻译将在15个氨基酸后停止。随后会出现许多额外的终止密码子(未显示数据)。Δwc-2型突变体产生一个截短的WC-2蛋白,缺少锌指(林登和马西诺,1997年). 结果如图所示C确认Δ中不存在全长WC-2蛋白wc-2型突变体,而截短的较小形式是可检测的。由于存在截断的WC-2蛋白,尽管缺乏光诱导类胡萝卜素,但Δwc-2型突变可能是由于蛋白质N末端的残余活性所致。为了确认Δwc-2型突变体不是从这个蛋白质片段衍生而来的wc-2型独立来源的淘汰赛(Collett等人,2002年)在相同的实验中进行了测试,发现根据LD循环调节分生(数据未显示)。
我们用几种方法验证了双突变菌株:即不能产生光诱导类胡萝卜素(图A) 、缺乏WC-1蛋白(数据未显示)和截短WC-2蛋白的产生(图C) ●●●●。最后,我们在光周期中测试了来自同一个杂交组合的兄弟姐妹。在六个双突变体中,所有菌株都同步。综上所述,这些观察结果证实了突变菌株的身份,并证实了在完全不能产生类胡萝卜素的菌株中,会形成强健的、受光调节的分生孢子带。WC-1和WC-2对光的分生调节都不是必需的。
Δwc-1中的光诱导RNA和蛋白质,但Δwc-2中没有
关于光对分生孢子的调节,已经描述了几个分子事件(Corrochano等人,1995年;Crosthwaite等人,1995年;Li和Schmidhauser,1995年;Heintzen等人,2001年). 其中包括快速诱导频率q和虚拟虚拟现实RNA和蛋白质(见图分别为A和D)。为了阐明光诱导分生孢子带形成的分子途径,在突变菌株中研究了这些输出。在Δ中wc-1型突变体,频率qRNA在光照10分钟内被诱导,并在整个光培养6小时内保持升高(图B和G)。一般来说,诱导动力学与野生型相似(图A和G)。低基础水平的频率qΔ中的RNAwc-1型菌株在DD34时间点特别明显,此时野生型菌株的昼夜节律系统正在促进增加频率qRNA水平。这与以前的报告一致,反映了这些分子之间的相互依赖调节(Crosthwaite等人,1997年;Lee等人,2000年;Merrow等人,2001年). 在6小时光培养结束时频率qΔ中的RNAwc-1型野生型菌株大致相等,表明在光照下长期培养过程中,频率qΔ中的RNA水平wc-1型可以接近野生型菌株。
图3。通过northern blot分析测定光诱导RNA。(A类–C) 频率qRNA水平;(D类–F类) 虚拟虚拟现实RNA水平。(A) 和(D)是来自野生型培养物的样本;(B) 和(E)来自Δwc-1型; (C)和(F)来自Δwc-2型面板曝光过度。通过探测rRNA(未显示)来控制RNA的负载,这些值用于量化。(G公司)量化频率qRNA诱导如(A)和(B)所示。指示采收时间,在灯亮后6小时内,DD28(DD表示恒定黑暗,例如28小时)和DD34表示在光照开始和结束时采收的黑暗对照。
Δ中光诱导FRQ蛋白产生的动力学wc-1型(图A) 再次与野生型菌株相似,首次出现在30分钟内,在2小时内大量积累(图). 当比较这两种菌株时,FRQ蛋白诱导的定性方面也相似:在DD28中流行的高分子量形式在光照2小时后被新制备的低分子量(磷酸化程度低)蛋白取代。
图4。光诱导FRQ蛋白。(A类)Δ中的FRQwc-1型以及在放射自显影胶片上短时间(顶面,1s)和长时间(底面,30s)暴露western blots的野生型蛋白提取物。两种野生型左侧的对照样品(重量)和Δwc-1型在DD28收获系列;恒光(LL)来自于在恒光下生长的野生型菌丝体。收割时间显示在顶部,从DD28的灯亮起。(B类)FRQ蛋白是在Δwc-1型但不是Δwc-2型应变,如这里在延长的胶片曝光(30s)中所示。Δ左右两侧的对照样品wc-1型和Δwc-2型在DD28和DD34,即每次光培养的开始和结束时收获系列。收割时间显示在顶部,从DD28的灯亮起。
与Δ的结果相比wc-1型应变,也不是频率qRNA(图C) nor FRQ蛋白(图B) 由Δ中的光感应wc-2型应变,应变(Collett等人,2002年). 两者都不是厕所突变菌株产生光诱导虚拟虚拟现实RNA(图C和F),与之前关于光诱导基因在厕所突变体(Sommer等人,1989年;Arpaia等人,1993年;Li和Schmidhauser,1995年). 因此,频率q感应强度(Δ)wc-1型定义了不同的信号转导途径。
我们之前已经证明,光调控分生孢子只需要FRQ的存在,而不需要其急性诱导(Merrow等人,2001年). 最多wc-2型突变体,低水平频率q观察到FRQ(Crosthwaite等人,1997年;Merrow等人,2001年;Collett等人,2002年),这是一个先决条件,显然允许此处所示的光调节射出(图C和D)。但是,FRQ可能会在延长的光培养过程中发生定量或定性变化,例如,在这些周期中使用的12小时的光有助于带形成,而在图的光诱导实验中使用的6小时的光和为了研究这种可能性,在延长光培养(~44 h;图). 在两个Δ中wc-1型和野生型,FRQ在恒定光照下积累到相对较高的水平,在黑暗中降解,直到内源性或外源性信号重新诱导其产生。在Δ中wc-2型突变,FRQ水平无定量或定性变化。因此,光对分生孢子的调节虽然依赖于FRQ,但不需要对其进行明显的修改。
图5。荧光标记转移后FRQ蛋白水平。菌丝体在LL中生长,然后在释放到DD中后收获10小时(顶部显示);提取蛋白质进行western印迹。野生型(重量), Δwc-1型和Δwc-2型比较菌株的FRQ蛋白。曝光时间显示在右侧。对照样品为Δ频率q生长在LL中,在所有三个面板的右侧车道上。背景带的外观差异源于替代开发协议,该协议用于底部面板,以降低长时间曝光的背景水平。
光诱导分生的荧光滴定
分子发现(图–)为细胞内不同的光传导途径提供证据wc-1型和wc-2型突变体,尽管LD循环中的分生阶段相似(图B和C)。值得注意的是,这两种菌株的差异在于FRQ的表达:wc-2型突变株,尽管有强健的、光调节的分生作用。这与之前的观察结果形成了对比,这些观察结果似乎与频率q相移感应(Crosthwaite等人,1997年)、和频率q分生带形成时间的等位基因(Chang和Nakashima,1997年;Merrow等人,1999年). 因此,对于不同程度的光诱导FRQ表达,人们可能会认为在wc-1型和wc-2型菌株;然而,这个预测失败了。
我们使用通量率滴定法来确定突变体是否使用相同的途径来同步分生(即在两种情况下都独立于FRQ)。对24小时LD循环中的光通量率进行滴定,试图从功能上剖析这些途径。野生型菌株50%同步的通量阈值(图A) 与之前公布的数据一致(Merrow等人,1999年). Δwc-1型突变体也能有效地同步,尽管它需要的光大约是野生型的两倍。Δ的同步wc-2型突变体需要比野生型多20倍的光照,而双突变体Δwc-2型Δwc-1型是野生型的200倍。两个单一突变体同步分生的光敏性差异很大,这表明菌株在一定程度上使用不同的分子机制。
图6。分生孢子带同步荧光滴定法。(A类)在24小时LD循环中以分级注量率保持赛车管。绘制了每个应变的不同注量率的同步相对强度(见材料和方法)。(B和C)FRQ诱导在DD28开始的4小时光培养后测定。滴定通量率,野生型(B类,重量)和Δwc-1型(C)对菌株进行了比较。
利用FRQ蛋白作为野生型和Δwc-1型突变菌株(图B和C)。在野生型中可以看到FRQ诱导,光照强度仅为0.002µE/m2/s、 在这两种菌株中,0.02µE/m时几乎完全诱导2/第条。野生型和Δ型FRQ的光诱导敏感性wc-1型与光同步分生密切相关,例如敏感性相似,突变株中有轻微缺陷。
wc突变体中的自持昼夜节律
光调控分生孢子小种管实验的优化厕所菌株显著增强了条带外观。在使用24小时LD循环的实验中,昼夜节律时间和直接光反应都会对每日的分生事件产生影响。虽然厕所突变体反复被证明是无节律的(俄罗斯,1988年;Ninneman,1991年;Crosthwaite等人,1997年),我们研究了介质和长跑管的组合是否能在这些时钟突变体中显示自持节律。null频率q突变体是有节奏的,但只在长跑管上(Loros等人,1986年;Aronson等人,1994年). 当厕所突变体在无葡萄糖的恒定黑暗中生长,并在长尾管上生长,它们在分生孢子形成过程中形成了一种自我维持的节律(图). 在这些条件下,周期比野生型长。具体而言,单个实验中的管子产生的Δ周期分别为21.5、22.2、23.3和29.3 hwc-1型标准偏差(SD)分别为1.6、2.8、2.6和2.4小时。相比之下,两个野生型对照竞赛管的周期分别为22.9±1.2和22.8±1.7小时。Δ的座圈管wc-2型周期分别为24.8、30.5、33.8和34.7小时,SDs分别为1.3、5.7、0.5和1.2小时。一般来说,突变的小种管有三到四个分生孢子带用于这些计算,而野生型有七到八个。这些数据只揭示了部分的昼夜节律功能丧失厕所突变体;虽然自给自足仍完好无损,但精度似乎有所下降。
图7。在厕所突变体。在持续黑暗中培养的试管也会将分生孢子固结到一天中的离散时间,这表明还有一个剩余的时钟装置。
讨论
光响应的昼夜调节:响应强度与灵敏度
据报道,在几个系统中,昼夜节律时钟的光输入发生了昼夜调节(Roenneberg和Merrow,2000年). 在神经孢子菌属光诱导基因表达和胡萝卜素生成反应强度的日变化(Heintzen等人,2001年;Merrow等人,2001年)可以归因于FRQ对WC-1水平的调节,推测WC-1是一个光感受器。有FRQ时,光诱导胡萝卜素生成的响应强度大于无FRQ时的响应强度,而两种情况下的通量率阈值都没有变化,即没有灵敏度缺陷,这与光感受器的定量而非定性变化一致。因此,FRQ在不改变灵敏度的情况下起到响应放大器的作用。相反,在分生的情况下,通量滴定揭示了WC突变体的敏感性缺陷(图). 这样的观察表明,在这两种情况下,光感觉发生了独特的改变厕所突变菌株。在野生型菌株中,用于分生孢子的光感受器由FRQ、WC-1、WC-2和一种新型光感受剂的功能组成。FRQ参与这一过程是因为wc-1型菌株接近野生型敏感性,在恒定光照下,它也能产生相对于野生型约50%的FRQ蛋白水平(图和). 相反,灵敏度最低的应变(Δwc-2型和Δwc-1型Δwc-2型)FRQ最低(野生型水平的~5%)。考虑到WC-1和FRQ水平在一天中发生变化,光输入的昼夜节律调节可能会影响灵敏度(通量阈值)和反应强度。
神经孢子虫的复视
基本观察表明,至少有一个光调节表型在厕所突变体重塑了我们的光感概念神经孢子菌属我们面临着许多新问题和一些新工具。首先,调节分生路径的光感受器是什么?为了找到其基因,双突变菌株是LD循环中诱变和后续筛选的最佳候选菌株。其次,光输入的昼夜节律调制是否会影响光接收的灵敏度?为了解决这个问题,必须在整个生理周期中构建高密度通量滴定曲线。第三,光通过FRQ、WC-1或WC-2调节无性发育的哪些方面?用微阵列分析应该能揭示每个突变株中光诱导的独特基因集。这些信息将补充先前描述的已知事件和基因表达谱(Sachs和Yanofsky,1991年;Madi等人,1994年). 也有可能厕所突变体通过代谢(非转录)机制调节分生。最后,考虑到厕所突变体在持续的黑暗中表现出自我维持的节律性,这种节律性可以被光同步,还有哪些额外的分子成分负责这些残留的昼夜节律性?双突变体的突变和适当条件下的筛选将揭示额外的生物钟成分。
材料和方法
应变
被称为野生型的菌株是标准的实验室菌株,用于昼夜节律实验,以及在神经孢子菌属.它含有一个叫做乐队(bd公司)导致分生孢子的每日固结(Sargent等人,1956年). Δwc-1型通过杂交RIP突变体获得菌株(Talora等人,1999年)在上bd公司背景。Δwc-2型此处使用的应变(234瓦FGSC 3187;堪萨斯州堪萨斯城真菌遗传库存中心)是一种导致产生截短蛋白质的点突变(林登和马西诺,1997年),也被交叉以获得wc-2 234w;bd公司(称为Δwc-2型). Δ的所有结果wc-2型使用完全敲除菌株确认(Collett等人,2002年). 双突变体wc-2 234w;bd;wc-1型RIP(称为Δwc-1型Δwc-2型在这项工作中)是通过跨越bd;Δwc-1型RIP和Δwc-2;生物柴油菌株。
输水管实验和数据分析
“输卵管”(长40厘米,直径1.2厘米)可以可视化约1周的线性生长,因此非常适合用于描述定时发育事件的实验。用于这些实验的竞赛管介质是1×Vogels盐(沃格尔,1964年)2%琼脂、0.5%精氨酸和10 ng/ml生物素(即不添加葡萄糖,导致突变菌株中形成更清晰的条带)。LD循环从接种小试管开始,在恒定光照下培养1天,然后转移到12小时光照和12小时黑暗的循环(24小时LD循环)。当生长达到试管的远端时(>1周),实验结束。使用冷白色荧光灯泡发出的光(欧司朗,德国);注量率为4µE/m2/s、 除非另有说明(图和). 所有实验均受到严格控制并永久记录,以便在25°C下保持温度,以排除温度影响。在恒定条件下进行的实验中,试管在恒定光照下发芽(如上所述)过夜,然后转移到恒定黑暗中,在昏暗的红光下显示生长速度。按照CHRONO程序确定的时间,定期标记小导管,以促进生长和分生孢子发育与消逝时间的相关性(Roenneberg和Taylor,2000年).
通过平均每个菌株在每个通量率下的竞赛管数据(每个通量,野生型有两个竞赛管,每个突变体有四到六个竞赛管;使用了所有竞赛管,即未进行选择)来分析通量滴定实验。通过周期图分析来评估光调节分生孢子同步的程度(索科洛夫和布歇尔,1978年)对于使用CHRONO的每个平均时间序列(Roenneberg和Taylor,2000年). 结果表示为给定菌株最高Qp值的百分比。Fluence响应曲线的拟合如梅罗等. (2001).
分子分析
液体培养用于评估光诱导分子组分。菌丝体在液体培养基中生长,方法是将培养7-10天的分生孢子接种到与小试管相同的培养基中,但添加2%的葡萄糖,省略琼脂。培养皿接种10个5分生孢子/ml,在恒定光照下萌发16h,然后在25°C下转入黑暗,直到DD28开始光培养。在指定的时间或在光照下4小时后采集电极(通量滴定)。
如前所述,制备并加工RNA和蛋白质用于北部和西部分析(戈尔等., 2001;梅罗等., 2001). 分别使用5%、7.5%和10%聚丙烯酰胺的SDS-PAGE凝胶拆分WC-1、FRQ和WC-2。对于WC-1和FRQ的检测,使用单克隆抗体,而对于WC-2的检测,则使用亲和纯化的多克隆抗WC-2。
如前所述,在圆盘培养中测量光诱导菌丝体胡萝卜素生成(梅罗等., 2001).
鸣谢
我们感谢Vera Schiewe和Astrid Bauer的支持,感谢Moyra Mason的技术帮助,感谢G.Macino、L.Franchi、H.Prokisch和W.Neupert对手稿的批判性评论,感谢J.Loros和M.Collett发送wc-2型在出版物中对其进行描述之前,先进行基因敲除。我们感谢赫尔穆特·克劳斯纳(Helmut Klaussner)的精湛工艺,我们需要依靠他来满足我们苛刻而复杂的基础设施。这项工作得到了德意志基金会、弗里德里希·鲍尔和迈耶·斯特鲁克曼基金会以及汉堡埃彭多夫公司的支持。
证据中添加的注释
自从接受这份手稿以来,刘毅教授告诉我们wc-1型点突变可以重新启动翻译。我们感谢他向我们发送了一份完整的wc-1型RIP应变。利用该菌株,我们证实了在没有WC-1的情况下,通过光循环进行夹带。J.Loros教授还建议,“Δ”符号应仅用于通过完全ORF替换构建的敲除等位基因。我们很抱歉出现任何混淆,请读者参阅材料、方法和结果部分以及图,以完整描述菌株。
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