곡물의 전사체 프로파일링을위한 방법이 제시된다. 마이크로어레이 기반 유전자 발현 프로파일링은 시리얼 곡물로부터 고품질의 총 RNA를 분리하는 것으로 시작하여 cDNA 생성을 계속합니다. cRNA 라벨링 및 마이크로어레이 혼성화 후 신호 감지 및 품질 관리를 위한 권장 사항이 제공됩니다.
유전자 발현의 특성화는 RNA 품질에 의존한다. 발아, 개발 및 성숙한 시리얼 씨앗에서 고품질 RNA의 추출은 종종 높은 전분과 당도에 의해 방해됩니다. 이들 화합물은 추출된 총 RNA의 수율 및 품질을 모두 감소시킬 수 있다. 총 RNA의 양 및 질의 악화는 이후에 하류 전사체 분석에 상당한 영향을 미칠 수 있으며, 이는 시험중인 샘플의 유전자 발현 프로필의 공간 및/또는 시간적 변이를 정확하게 반영하지 못할 수 있다. 이 프로토콜에서는 시리얼 곡물의 전체 전사체 분석에 사용할 수 있는 충분한 양과 품질을 가진 총 RNA의 추출을 위한 최적화된 방법을 설명합니다. 기재된 방법은 개발, 발아 및 성숙한 시리얼 종자의 전사체 프로파일링에 사용되는 여러 다운스트림 애플리케이션에 적합합니다. 마이크로어레이 플랫폼을 이용한 전사체 프로파일링의 방법이 도시된다. 이 방법은 특별히 기재된 게놈 서열을 가진 곡물의 유전자 발현 프로파일링을 위해 고안되었다. 마이크로어레이 처리에서 최종 품질 관리에 이르는 상세한 절차에 대해 설명합니다. 여기에는 cDNA 합성, cRNA 라벨링, 마이크로어레이 혼성화, 슬라이드 스캐닝, 기능 추출 및 데이터 품질 검증이 포함됩니다. 이 방법에 의해 생성된 데이터는 발아 시, 다양한 입자 발달 단계 또는 상이한 생체 또는 비생물적 스트레스 조건에서 곡물의 전사체를 특성화하는 데 사용될 수 있다. 여기에서 제시된 결과는 상분적으로 표현된 유전자의 결정 (DEGs), 유전자 조절 네트워크의 특성화 및 전사체 전체 협회 연구 (TWAS)를 수행과 같은 다운스트림 생물 정보학 분석을 위한 고품질 전사학 데이터를 예시합니다.
전사체는 주어진 시간 및 특히 환경 및 성장 조건에서 유기체의 게놈에 의해 발현되는 리보핵산(RNA) 전사체의 완전한 세트를 나타낸다. 각 세포에는 그것의 현재 생리학 및 신진 대사 상태를 반영하는 그것의 개별 적인 전사체가 있습니다. 유사한 조직 또는 기관에서 유래한 세포의 집합은 전형적인 전사체 연구에서 사용되지만, 단세포 및 공간적으로 해결된 전사체학은 인기를 얻고 있다1. 전사성 분석은 특정 시점 및 정의된 성장 조건에서 선택된 조직에서 전체 RNA를 추출하는 것으로 시작합니다. 이를 위해, 시리얼 종자2와같은 전분 또는 당도가 높은 샘플로부터 총 RNA를 추출하기 위해 새롭게 개발된 방법을 사용하는 것이 좋습니다. 다른 견본 중 전사체의 비교는 다른 풍부를 가진 RNA 분자의 확인에서 유래합니다. 이 RNA 분자는 분분하게 발현된 유전자 (DEGs)로 간주됩니다. 특정 마커 유전자로부터 유래된 풍부한 전사체는 발달 상태를 추정하거나 환경 변동에 대한 유기체의 반응을 결정하는 데 사용될 수 있다. 연구 하에 발달 시간 점에 걸쳐 그들의 전사체 풍부에 있는 검출 가능한 변경이 없는 유전자는 수시로 참조 또는 하우스키핑 유전자로 이용됩니다.
RNA는 전형적으로 북부 블로팅 및 정량적 역염합효소 폴리머라제 연쇄 반응(qRT-PCR)과 같은 다양한 방법에 의해 검출되고 정량화되지만, 현재의 고처리량 전사체 는 마이크로어레이 기술뿐만 아니라 RNA 시퀀싱(RNA-Seq)을 이용한 핵산 혼성화에 크게 의존한다. RNA-Seq는 다른 곳에서 검토된 바와 같이 높은 처리량 전사체 애플리케이션에 대한 몇 가지 이점을 제공하기 때문에 현재 매우 인기가있다3,4. 이전 기술이지만, 마이크로어레이 칩을 이용한 유전자 발현 프로파일링은 생물정보학에 대한 배경 지식이 적게 필요한 더 확립된 기술이기 때문에 여전히 널리 사용되고 있습니다. RNA-Seq에 비해 마이크로어레이 실험에서 생성된 데이터 세트는 더 작고 분석하기 쉽습니다. 또한, 특히 큰 샘플 수를 처리하는 경우 비용 효율적입니다. 우리의 실험실에서는, 우리는 일상적으로 마이크로어레이 기술을 사용하여 전사학 분석을 사용하여 곡물,5, 6,67,78,,9의성장, 발달 및 신진 대사에 관여하는 분자 네트워크 및 경로를 제어하는 중앙 규제 허브의 역할을 결정합니다.5 우리는 또한 정기적으로 비생물성 스트레스10에곡물 곡물의 반응의 기계론적 이해를 얻기 위해 게놈 전체 유전자 발현 프로파일링 연구를 수행하기 위해, 뿐만 아니라 전사체 전체 협회 (TWAS) 및 시리얼 곡물 품질과 영양에 대한 책임 있는 유전자를 식별하기 위한 연계 매핑 연구의 수행11,,12. 다른 그룹은 또한 보리 13, 쌀,14,15,16,사탕수수17,및 밀18에서개발 특이적 유전자 발현 아틀라스를 제공하는 마이크로어레이 기술을 사용했다.14,
이 출판물의 목적은 애질런트 마이크로어레이 플랫폼을 사용하여 시리얼 곡물의 전사 프로파일링을 위해 현재 실험실에서 사용하는 방법에 대한 간략한 텍스트 요약 및 자세한 시각적 설명을 제공하는 것입니다. 다른 마이크로어레이 플랫폼을 사용할 수 있지만 이 방법에서는 다루지 않습니다. 우리는 시리얼 씨앗을 개발하거나 발아시키는 RNA 추출에 대한 자세한 설명을 제시하여 프로토콜을 시작합니다. 우리의 경험에 기초하여, 시리얼 종자 조직을 사용할 때 다운스트림 전사성 분석에 대한 높은 품질및 높은 수량의 전사체를 획득하는 것은 종종 병목 현상이다. 우리는 몇몇 상업적으로 유효한 RNA 추출 키트를 시도했습니다, 그러나 아무도 만족스러운 결과를 제공하지 않았습니다. 따라서, 우리는 시판되는 키트를 사용하여 컬럼 정제를 실시한 후 조 RNA 추출물을 얻기 위해 화학 적 추출 프로토콜을 개발했습니다. 이 방법을 사용하여, 우리는 전사체 프로파일을 생성하기 위해 상이한 다운스트림 애플리케이션에 사용될 수 있는 고품질 RNA2(그림 1)를정기적으로 그리고 재현가능하게 얻는다.
기재된 방법은 고수율 및 고품질 RNA 추출물에 대해 고도로 재현가능한 결과를제공한다(도 1). 우리의 경험에 근거하여, 우리는 분석을 위한 1개의 유전자형, 단계 또는 조건에 대한 3개의 생물학 복제를 추천합니다. 통계적으로 유의미한 차이를 검출할 수 있기 위하여는, mRNA의 일반적인 풍부를 고려되어야 합니다. 그러나 RNA 추출 단계에 대한 삼중 항에 200 mg 조직 샘플의 시작량이 필요합니다. 따라서 유전자 변형 식물 재료와 같은 제한된 양의 샘플이있는 실험의 경우이 방법이 적절하지 않을 수 있습니다.
마이크로어레이 혼성화 동안, 다음 단계는 가장 중요하다: (1) 개스킷 슬라이드에 샘플을 로딩(Step 4.7) 및 (2) 혼성화 후 어레이세척(단계 4.13 및 4.14). 기포 형성과 액체 유출을 방지하기 위해 시료 로딩을 매우 신중하게 수행해야 합니다. 로드된 샘플을 포함하는 개스킷 슬라이드에 마이크로어레이 슬라이드를 넣을 때주의가 필요합니다: DNA 측(점박이 프로브 포함)은 혼성화를 허용하기 위해 아래로 향해야 합니다. 마이크로어레이를 세척하려면 두 번째 세척 단계가 특히 중요합니다: 여기서 세척 버퍼 2에서 슬라이드를 제거하면 데이터 수집 및 분석을 방해할 수 있는 슬라이드의 버퍼 아티팩트를 피하기 위해 매우 느리게(10초) 수행해야 합니다.
다운스트림 생물정보학 분석을 받을 자격이 있는 혼성화 실험에서 결과를 얻으려면 몇 가지 중요한 기준을 따라야 합니다. 위의 프로토콜의 성능 이후에 생성되는 QC 보고서는 개선해야 할 점과 사용 가능한 상태에 있는 데이터를 잘 알 수있습니다(그림 3). 수신된 첫 번째 정보는 시각화된 그리드입니다(그림2). 여기서형광 판독에 대한 모든 영역이 제대로 정렬되었는지 직접 확인할 수 있습니다. 시각적으로 감지 가능한 시프트가 있는 경우 다른 모든 값(배경, 신호 강도 등)에 영향을 미치며 이 칩의 판독값을 사용할 수 없습니다. 개요(모든 이상값의 공간 분포)에서 결과에 영향을 미치는 오염(예: 먼지 또는 머리카락)을 쉽게 발견할 수 있습니다. 칩을 부드럽게 불고 재스캔하여 먼지를 제거할 수 있습니다. 위에서 언급한 신호 플롯의 히스토그램은 사소한 이상값만 있는 넓은 가우스 모양의 곡선을 생성해야합니다(그림 2). 분석된 조직에따라(그림 1),이 곡선은 다르게 보일 수 있으며 두 개의 피크, 또는 어깨가 있는 하나의 우세한 피크를 가지는 것처럼 보일 수 있다. 이는 데이터 품질에 영향을 미치지 않습니다. 강한 시프트 피크 또는 가장자리의 높은 신호만이 세척으로 제거할 수 없는 “녹색 괴물”(너무 높은 형광 강도)과 같은 문제를 나타내며 칩 제조업체에 보고해야 합니다. 또한 “중앙값 신호에 대한 공간 분포 그래프”는 공통 값에 따라 달라야 합니다. 이는 분석된 칩의 일반적인 강도 판독에 따라 40에서 100 사이의 범위에 있어야 합니다. 또 다른 중요한 품질 관리는 데이터의 스파이크 평가입니다: 신호 스파이크에 대한 로그 그래프는 선형 및 일반 라인을 생성해야 합니다. 마지막으로 “평가 메트릭” 표는 수신된 결과를 잘 신뢰할 수 있는 뷰를 제공합니다. 여기서 제조업체는 우수, 양호 및 평가로 분류될 수 있는 다양한 값을제공합니다(그림 3). 우리의 경험에 따르면, 값 중 일부는 항상 모든 칩에 적용 될 수 없습니다. 쌀 사용자 정의 칩의 경우 “nonControl 값”은 자주 범위를 벗어났지만 추가 데이터 처리에는 큰 영향을 미치지 않습니다. 또한, “NegControl”에 대한 범위는 칩의 조직, 유기체 및 일반 출력에 기초하여 <80까지 확장될 수 있다. 가치 E1 메드 CV에 대한 평가 범위는 우리의 경험에 따라 <8 대신 <9로 확장 될 수 있습니다. 이에 따라 모든 칩 판독 데이터를 적절하게 평가할 수 있습니다. 일반적으로 독립적 인 생물학적 복제가 항상 가장 신뢰할 수있는 결과를 준다는 것을 항상 명심해야합니다.
이 기술의 장점은 다른 방법에 비해 전사 프로파일링을 위한 비용 효율적이고 처리량이 높은 방법을 나타낸다는 사실에 있다. 또한 다운스트림 데이터 분석 파이프라인이 더 쉽고 확립됩니다. 장점에도 불구하고 분석 할 수있는 유전자의 수와 같은이 기술의 특정 한계가 있습니다. 마이크로어레이는 어레이에서 이전에 발견된 프로브유전자의 분석을 용이하게 할 수 있습니다. 따라서, 이 기술은 서열된 게놈 및 완전하게 추가된 유전자를 가진 식물 종에만 적용가능하다. 우리는 마이크로어레이 기반 전사체가 유전자 발현 프로파일링뿐만 아니라 유전자 조절 네트워크 분석 및 전사체 전체 협회 연구와 같은 다른 다운스트림 생물 정보학 파이프라인에도 매우 유용하고 관련성이 있을 것으로 구상합니다.
The authors have nothing to disclose.
이 작품은 CGIAR 주제 영역 글로벌 쌀 농식품 시스템 CRP, 쌀, 아프리카와 남아시아 (STRASA) 단계 III에 대한 스트레스 관용 쌀, 그리고 IZN (작물 식물 연구를위한 학제 센터, 할레 (Saale), 독일에서 지원되고있다. 우리는 그녀의 우수한 기술 지원에 대한 맨디 퓌프펠트와 박사 이사벨 마리아 모라 라미레즈 밀 칩과 정보와 경험을 공유에 감사드립니다. 론다 마이어 박사(RG 이종증, IPK Gatersleben, 독일)의 의견에 감사드리며 원고를 비판적으로 읽어 주셔서 감사합니다.
ß-mercaptoethanol | Roth | 4227.3 | Add 300 ul to 20 mL RNA Extraction Buffer immediately prior to use |
Bioanalyzer 2100 | Agilent Technologies | To determine quality and quantity of RNA extract | |
Crushed ice maker | Various brands | To keep samples on ice during sample processing | |
Dewar flask | Various brands | Used as liquid nitrogen container | |
Ethanol, absolute | Roth | 9065.1 | |
Gene Expression Hybridization Kit | Agilent Technologies | 5188-5242 | Kit components: 2X Hi-RPM Hybridization Buffer 25X Fragmentation Buffer 10X Gene Expression Blocking Agent |
Gene Expression Wash buffer Kit | Agilent Technologies | 5188-5325 | Kit components: Gene Expression Wash Buffer 1 Gene Expression Wash Buffer 2 Triton X-102 |
Heat block | Various brands | It is recommended to have at least one heat block for 1.5 ml tubes and another one for 2.0 ml tubes | |
Hybridization oven | Agilent | G2545A | Stainless-steel oven designed for microarray hybridization From Sheldon Manufacturing, used to hybridize the sample in microarray overnight. |
Hybridization gasket slide kit | Agilent | G2534-60014 | |
iQAir air cleaner | To ensure that the experiment is conducted in low-ozone area | ||
Isopropanol | Roth | 9866.5 | |
Lint-free paper, Kimwipes | Kimberly-Clark Professional | KC34155 | |
Low Input Quick Amp Labeling Kit | Agilent Technologies | 5190-2305 | Kit components: T7 Primer 5x First Strand Buffer 0.1M DTT 10 mM dNTP Mix AffinityScript RNAse Block Mix 5x Transcription Buffer NTP Mix T7 RNA Polymerase Blend Nuclease-free water Cyanine 3-CTP |
Metal spatula, small | Ensure that the small metal spatula can fit in the microfuge tubes to ensure easy scooping of samples. | ||
Microarray scanner | Agilent Technologies | Agilent SureScan or Agilent C microarray scanner are recommended | |
Microfuge tubes, nuclease-free | Various brands | 2.0 mL and 1.5 mL volume | |
Microcentrifuge | Eppendorf | 5810 R | It is recommended to have at least one ambient and cold temperature microfuge with rotors that can hold 24 each of 1.5 ml and 2.0 ml microfuge tubes |
Mini incubator | Labnet | I5110-230V | Any small incubator will do. |
Mortar and pestle | Any small ceramic or marble mortar and pestle that can withstand cryogenic grinding using liquid nitrogen. | ||
NaCl | Sigma-Aldrich | S7653-1KG | |
Nanodrop 1000 | Peqlab / Thermofisher | ||
Nuclease-free water | Biozym | 351900302 | |
One-Color RNA Spike-In Kit | Agilent | 5188-5282 | Kit components: One color RNA Spike-Mix Dilution Buffer |
Ozone barrier slide cover kit | Agilent | G2505-60550 | Optional but highly recommended |
PCR tube, 0.2 mL, RNase-free | Stratagene | Z376426 | |
Phenol:chloroform:isoamyl mixture (25:24:1) | Roth | A156.2 | |
Pipette tips, nuclease free, filter tips | Various brands | To accommodate 2, 20, 20, 100, 200 and 1000 ul volumes | |
Pipettor set | Various brands | For 2, 20, 20, 100, 200 and 1000 ul volumes | |
RNA Extraction Buffer | 10 mM Tri-HCl pH 8.0 150 mM LiCl 50 mM EDTA 1.5% EDTA 15 ul/mL β-mercaptoethanol |
We routinely use Roth or Sigma chemicals; Add β-mercaptoethanol fresh daily | |
RNase-free DNase set | Qiagen | 79254 | |
RNeasy Mini Kit | Qiagen | 74104 | Kit components: RNeasy mini spin column (pink) 1.5 ml collection tubes 2 ml collection tubes Buffer RLT Buffer RW Buffer RPE Nuclease-free water |
RNeasy Plant Mini Kit | Qiagen | 74904 | Kit components: RNeasy mini spin column (pink) QIAshredder spin column (purple) 1.5 ml collection tubes 2 ml collection tubes Buffer RLT Buffer RLC Buffer RW1 Buffer RPE Nuclease-free water |
Slide holders for DNA microarray scanner | Agilent | G2505-60525 | |
Slide staining dish with removable rack | DWK Life Sciences 900200 | Fisher Scientific 08-812 | We recommend DWK Life Sciences Wheaton™ Glass 20-Slide Staining Dish with Removable Rack (Complete with dish, cover, and glass slide rack) |
Sodium chloride | Roth | P029.1 | |
Ultralow temperature freezer | Various brand | Capable of storing sample at -80 °C | |
Vortex mixer | Various brands | At least one for single tube vortex-mixer and another one for that can vortex-mix multiple tubes |