염색체 페인팅은 세포 핵의 조직과 카요타입의 진화를 연구하는 데 유용한 방법입니다. 여기서, 우리는 이후 시상 혼성화(FISH)에서 2차원 및 3차원 형광에 사용되는 단일 폴리텐 염색체로부터 관심 있는 특정 영역을 분리하고 증폭시키는 접근법을 시연한다.
전체 암 염색체 프로브의 현장 혼성화(FISH)의 형광은 게놈 영역을 매핑하고, 염색체 재배열을 감지하고, 세포 핵에서 염색체의 3차원(3D) 조직을 연구하기 위한 강력한 기술이다. 레이저 포획 미세 절(LCM) 및 전체 게놈 증폭(WGA)의 출현은 단일 세포로부터 다량의 DNA를 얻을 수 있게 합니다. WGA 키트의 감도가 높아짐에 따라 염색체 페인트를 개발하고 염색체 조직과 비모델 유기체의 진화를 탐구하는 데 사용하게 되었습니다. 여기서, 우리는 아프리카 말라리아 모기 아노펠스 감비아의난소 간호사 세포로부터 단일 폴리텐 염색체 암의 유색세그먼트를 분리하고 증폭시키는 간단한 방법을 제시한다. 이 절차는 염색체 페인트를 얻기 위한 효율적인 플랫폼을 제공하며, 시료에 외국 DNA를 도입할 위험을 줄입니다. WGA의 사용은 재 증폭의 여러 라운드를 허용, 2D 및 3D FISH를 포함하여 여러 실험에 사용할 수있는 DNA의 높은 수량의 결과. 개발된 염색체 페인트는 안감비아에폴리텐과 미토성 염색체 암의 유록분 부분 사이의 대응을 성공적으로 확립하는 데 사용될 수 있음을 입증했다. 전반적으로, LCM과 단 염색체 WGA의 조합은 미래 세포 유전학 및 유전체 학 연구를 위한 표적 DNA의 상당한 양을 만들기 위한 능률적인 공구를 제공합니다.
염색체 페인팅은 karyotype 1-5의 진화를 연구하고 형광으로 표지된 염색체 DNA 1,6-8의혼성화를 통해 세포유전학 이상을 시각화하는 데 유용한 기술이다. 이 방법은 또한 개발 9 및 병리학 (10)에서염색체 영역의 3D 역학을 연구하는 데 적용됩니다. 차분하게 표지된 염색체 페인트는 개별 미토틱 11,12,메이오틱 13,14,또는 상 간 비폴리텐(15, 16 및 폴리텐 9, 11, 17 염색체)의 시각화에 사용된다. 염색체 페인트를 얻기 위한 간단하고 견고한 프로토콜은 모기와 같은 비 모형 유기체로 이 기술을 확장하는 데 매우 유용할 것입니다. Anopheles 감비아 복합체는 말라리아를 전송하는 기능을 포함하여 행동과 적응에 있는 변화하는 7개의 형태학적으로 구별할 수 없는 모기의 단입니다. 이 모기는 그들의 벡터 용량에 있는 크게 다른 밀접하게 관련된 종의 진화를 더 잘 이해하기 위하여 훌륭한 모형 역할을 합니다. 말라리아 모기에 있는 대부분의 세포유전학 연구 결과는 잘 발달된, 높게 다원화한 염색체를 사용하여 행해졌습니다 (18에서검토된,19). 폴리텐 염색체의 판독 가능한 밴딩 패턴은 연구원이 Anopheles 감비아20에서 다형성 반전과 생태 적응 사이의 연관성을 입증할 수 있게 했습니다. 또한, 조직별 21및 종별 22개의 특징인 3D 폴리텐 염색체 조직은 An. macullipennis 복합체에서 특징지어지고 있다. 그러나, 미토성 염색체를 공부하는 것은 추가 중요한 정보를 제공할 수 있었습니다. 예를 들어, 미토성 염색체에서 관찰된 이종다형성의 높은 수준은 An. gambiae 23에서감소된 짝짓기 활동 및 다산과 상관관계가 있다. 폴리텐과 미토성 염색체 암의 유록분 세그먼트 사이의 통신은 상대적 길이를 비교하여서만 확립하기가 어려울 수 있습니다. 이는 이종 염색체의 상당 부분을 구성하지만 폴리텐 염색체(24)에서과소 대표되기 때문이다. 말라리아 모기를 위한 염색체 페인트의 가용성은 연구원이 역학적으로 중요한 곤충의 이 단에 있는 karyotypic 진화 및 염색체의 3D 역학의 분석에서 비용 그리고 시간을 실질적으로 감소시키면서, 추가 종을 포함하여 세포유전학 연구 결과를 현저하게 확장하는 것을 허용할 것입니다.
염색체의 큰 뻗어를 얻기 위하여는, 미세 절부는 염색체 보충의 관심의 특정 지역을 조작하고 격리하는 필수적인 기술이 되었습니다. 전체 게놈 증폭(WGA)과 결합하면, 마이크로절은 FISH 11,12 및 차세대 게놈 시퀀싱 25-27을포함한 강력한 다운스트림 응용 을 초래한다. 이전에는 숙련된 사용자(28)가수동으로 제어해야 하는 특수 미세 절 바늘의 사용을 요구했습니다. 레이저 포획 미세 절제(LCM)의 발전으로 단일 셀 29,30 또는 개별 염색체 31-33을 오염 위험이 줄인 분리에 더 적합한 단순화 된 도구가 생겼습니다. 이 접근법은 사용자가 단일 세포에서 발생하는 유전 이질성 및 염색체 이상을 연구할 수 있게 해주며, 대신 여러 세포를 34-36으로풀링하여 발생하는 합의 풍경대신에 발생합니다. 여러 가지 방법이 마이크로 절제에서 생성된 DNA를 증폭시키는 데 사용되었습니다. DOP-PCR은 고반복서열의 증폭에 유용한 기술로, 메뚜기(37), 가시 장어(38)및 나일틸라피아(39)를 포함한 종으로부터 미세한 염색체를 증폭시키는 데 사용되어 왔다. 최근에는 PCR 기반 GenomePlex WGA4 단일 세포 키트및 다중 변위 증폭 기반(MDA) Repli-G 단일 세포 키트가 메뚜기 37 및 로큐스트(43)의 B 염색체 시스템을 포함하여 단일 인간 세포뿐만 아니라 염색체40-42의유전자 분석을 포함하는 실험에 귀중한 도구가 되었습니다. 이 두 키트는 각각 장점과 단점을 가지고 있지만, 다른 사용 가능한 증폭 시스템 보다 그들의 명백한 우월성은 입증 되었습니다 44.
단일 염색체 또는 염색체 세그먼트로부터 얻을 수 있는 DNA의 양은 전체 핵보다 현저히 적습니다. 따라서 단일 염색체의 미세 절, 증폭 및 후속 분석은 특히 Drosophila 또는 Anopheles와같은 작은 게놈을 가진 유기체에서 훨씬 더 도전적입니다. 비록 인간의 단일 미세 한 염색체로부터 개발 되었지만 (33 및 말벌 45),성공적인 FISH 실험필요 여러 (적어도 10-15) 과일 플라이의 미세 한 미토성 염색체(11). 그러나, 단일 염색체를 미세하게 해와 증폭시키는 능력은 (i) 상이한 염색체로부터 물질로 오염의 가능성을 감소시키고, (ii) 미세절에 필요한 염색체 제제의 수를 최소화하고, (iii) 미세분해시 샘플의 뉴클레오티드 및 구조적 다형성을 낮추는 것이 중요할 것이다. 많은 Dipteran 종에서 찾아낸 폴리텐 염색체는 DNA의 훨씬 더 높은 개시 량을 취득하는 유일한 기회를 제공합니다. 그(것)들은 또한 미토성 염색체의 사용을 통해 달성될 수 없는 더 높은 해상도 및 염색체 구조물을 제공합니다. 이 추가 된 해상도는 염색체 재배열, 크로마틴 구조 및 염색체 세그먼트를 미세 하게 하여 28,46으로시각화하는 데 중요 할 수 있습니다.
여기서 우리는 단일 폴리텐 염색체 팔에서 유색 세그먼트를 효율적으로 분리하고 DNA를 증폭시키고 말라리아 모기의 하류 FISH 응용 프로그램에서 사용하는 절차를 제시합니다. 첫째, 특별히 준비된 멤브레인 슬라이드에서 단일 염색체 암을 분리하고 추출하기 위해 LCM을 적용합니다. 둘째, WGA는 미세한 분물질로부터 DNA를 증폭시키는 데 사용된다. 셋째, 우리는 생선 실험에서 증폭된 DNA를 혼성화하여 스쿼시 제제(47),메타위상 및 상간 염색체 슬라이드(48)와3D 난소 전체 마운트 샘플을 다포텐화한다. 이 절차는 성공적으로 An. 감비아의염색체 팔에 유크로 마틴의 대부분을 페인트하기 위해 수행되었습니다.
미세 한 차분 폴리텐 염색체 샘플에서 DNA를 성공적으로 증폭하는 데 중요한 여러 단계가 있습니다. 이 프로토콜은 전체 적인 효율성을 높이고 시료와의 물리적 도구의 상호 작용을 제거하여 외국 DNA에 대한 노출을 줄이는 방법인 LCM의 사용을 사용합니다. 그러나, 외국 DNA의 증폭은 아직도 이 실험의 가장 중대한 잠재적인 함정입니다. 따라서 전체 공정 중에 오염으로부터 샘플을 보호하는 것이 필수적입니다. 슬라이드 준비 및 미세 절단계 전반에 걸쳐, 에탄올 세척 해부 바늘, 슬라이드, 커버 슬립뿐만 아니라 작업 공간에 필수적이다. 또한 사용하기 전에 모든 해당 장비 (바늘, 슬라이드, 커버립)를 UV 치료하는 것이 좋습니다.
해부 슬라이드의 멤브레인은 염색체의 확산을 매우 어렵게 만듭니다. 이 슬라이드를 만들 때 난소 (난소의 전체 쌍에 반)를 더 많이 사용하는 것이 중요합니다, 잘 확산 핵을 찾는 더 큰 기회를 제공하기 위해. 또한 슬라이드를 만들 때 신선한 조직을 사용하는 것이 좋습니다, 증폭 속도 는 조직 나이로 떨어지는 것으로 나타납니다 49 염색체 확산더 도전이된다. 마이크로 절에 대한 슬라이드의 준비는이 프로토콜에서 가장 시간이 많이 걸리는 단계입니다. 염색체는 원치 않는 물질의 우발적 인 취득을 피하기 위해 잘 확산해야합니다. Giemsa 염색을 통해 사용자는 미세 절제를 사용하기 전에 위상 대비 현미경으로 확산 품질을 확인할 수 있습니다.
미세 절과 증폭의 조합은 작은 관심 영역에서 대부분의 무기에 이르기까지 크기의 염색체 조각을 추출하고 분석 할 수있는 기회를 제공합니다. 이 프로토콜은 사용자가 반전, 특정 우통 밴드 및 인터밴드, 텔로머릭, 센트로메릭 및 간 이종과 같은 형태학적으로 구별되는 영역에서 DNA를 얻을 수 있게 합니다. 사용자는 생성된 페인팅 프로브를 비정상적인 염색체를 검사하거나, 특정 loci에서 종 간 상동성을 연구하거나, 그대로 3D 핵에서 염색체의 공간 조직을 특성화하는 데 적용할 수 있다. 염색체 페인트를 개발하기 위해 여러 염색체 영역을 가진 반복성 DNA의 혼성화를 피하기 위해 유색성 세그먼트를 선택했습니다. 그 결과, 총 게놈 DNA 또는 C0t-1 DNA 분획과 같은 경쟁사를 사용하지 않고 팔 별 그림을 얻었습니다.
우리는 다중 증폭 키트의 효율성과 중퇴 율을 비교 리뷰를 기반으로 게놈 플렉스 WGA 및 REPLI-G 키트를 사용하기로 결정했다 40,44. 두 키트 모두 탈락률 모두에서 사용 가능한 방법 중 에서 가장 좋은 성과를 보였습니다(GenomePlex는 REPLI-g의 37.5%에 비해 12.5%의 비율을 보였습니다. 증폭된 마커의 비율(GenomePlex는 45.24% 증폭율을 보였고, 렙리-g는 30.0% 40. GenomePlex 키트는 또한 더 많은 양의 DNA를 제공하므로 여러 다운스트림 기술에 대한 더 나은 후보가되었습니다. GenomePlex 시스템을 위한 재증폭 키트도 사용할 수 있어 DNA의 추가 증폭을 가능하게 합니다. 그러나 증폭이 완벽하지 않다는 점에 유의해야 합니다. 가능성은 성공적인 증폭 오류를 소개하거나 대상 DNA에 있는 특정 loci에 대한 편견이 있을 수 있다는 것을 남아 있습니다. 사용 가능한 게놈 증폭 방법의 최종 단편 크기를 고려하는 것이 중요합니다. GenomePlex 조각화는 200-500 bp에 이르는 파편이 있는 라이브러리를 생성하며, REPLI-g 키트는 약 10-20 kb 크기의 조각을 생성합니다. 이 프로토콜의 의도된 다운스트림 응용 프로그램은 FISH이므로, 원하는 단편 크기와 WGA를 통해 DNA 단편을 직접 라벨로 표시하는 기능을 제공했기 때문에 GenomePlex 키트를 보다 실현 가능한 옵션으로 만듭니다. REPLI-g 증폭에 의해 생성된 긴 DNA 분자는 다운스트림 닉 번역 라벨링 반응에서 단편화되어야 합니다.
이 프로토콜은 단일 폴리텐 염색체 팔에서 DNA를 성공적으로 증폭하도록 조정되었습니다. 다른 프로토콜은 시료 7,11,28,40을 성공적으로 증폭시키기 위해 많은(일반적으로 10-30) 염색체 조각의 풀링을 필요로 한다. 다중 염색체의 풀링은 우리의 방법을 사용하여 가능하지만, 견본 오염의 증가한 가능성은 가능한 한 적은 염색체로 실험을 시작하는 의 중요성을 강조합니다. 폴리텐 염색체를 사용할 수 없는 경우, 우리의 프로토콜은 미토성 염색체에 사용하기 위해 적응될 수 있었습니다. 그러나 성공적인 FISH 11을위해 증폭되기 전에 10-15 개의 미토성 염색체를 풀기 위해 필요할 수 있습니다. 증폭 편향은 시작 템플릿 DNA 50의높은 수량으로 낮다. 폴리텐 염색체는 단일 DNA 서열의 약 512부와 2개의 상동성 DNA 서열의 1024부를 제공한다. 따라서, 미토성 염색체를 풀링하면 증폭 후 DNA 제품의 전반적인 품질을 높이는 데 도움이 될 것입니다.
이 절차는 세포 유전학 및 유전체 학 연구에서 많은 잠재적인 사용. 여기서는 염색체 페인트를 사용하여 안감비아에폴리텐과 미토틱 염색체 암의 유색세그먼트사이의 대응성을 확립했습니다. 동일한 페인팅 프로브는 An. 감비아 세포주의 세포유전학 적 특성화에 적용될 수 있다. 염색체 수의 광범위한 게놈 재배열 및 변화는 세포주 51,52의일반적인 특징이다. 전좌, 반전, 삭제 및 링 염색체와 같은 항문 재배열은 상이한 모기 세포주(53,54)에서검출되었다. 고전적인 세포 유전학 관찰 55 및 물리적 매핑 56 말라리아 모기의 진화에 있는 전쪽 무기 염색체 전좌의 발생을 입증했습니다. 따라서, 미세한 분제물질은 물고기 실험과 함께 종 간 염색체 영역의 상동성을 비교하는 데 사용될 수 있다. 우리는 성공적으로 전체 마운트 난소 간호사 세포에서 폴리텐 염색체에 2R 페인팅 프로브와 3D FISH를 수행. 이 방법은 염색체 궤적의 추적과 Anopheles의핵 아키텍처를 공부할 수 있습니다. DNA genotyping 57,58,차세대 게놈 시퀀싱 26,27,물리적 및 연계 맵 개발 및 염색체 페인팅 33,59 등의 기술은 모두 팔 및 지역 별 미세 절제로부터 혜택을 누릴 수 있다. LCM 기술을 결합하고 단일 세포 WGA를 발전시킴으로써 단일 다발성 염색체 암에서 합리적인 양의 DNA를 생산하는 효율적이고 실용적인 방법을 보여줍니다.
The authors have nothing to disclose.
이 작품은 이고르 V. 샤라호프에 국립 보건 원 1R21AI094289에서 보조금에 의해 지원되었다
Acetic acid | Fisher Scientific | A491-212 | |
Methanol | Fisher Scientific | A412-4 | |
Propionic acid | Sigma-Aldrich | 402907 | |
Membrane slides 1.0 PET | Zeiss | 415190-9051-000 | |
Buffer tablets “GURR” | Life Technologies | 10582-013 | |
KaryoMAX Giemsa Stain | Life Technologies | 10092-013 | |
ThermoBrite Slide Denaturation/Hybridization System | Abbott Molecular | 30-144110 | |
Vacufuge vacuum concentrator | Eppendorf | 22820001 | |
Spectroline Microprocessor-Controlled UV Crosslinker XL-1000 | Fisher Scientific | 11-992-89 | |
Thermo Scientific NanoDrop | Fisher Scientific | ND-2000 | |
REPLI-g Single Cell Kit | Qiagen | 150343 | |
GenomePlex Single Cell Kit (WGA4) | Sigma-Aldrich | WGA4-10RXN | |
GenomePlex WGA Reamplification Kit (WGA3) | Sigma-Aldrich | WGA3-50RXN | |
MZ6 Leica stereomicroscope | Leica | VA-OM-E194-354 | A different stereomicroscope can be used |
Olympus CX41 Phase Microscope | Olympus | CX41RF-5 | A different phase microscope can be used |
PALM MicroBeam Laser Microdissection Microscope | Zeiss | ||
Thermomixer | Eppendorf | 22670000 | |
10x PBS | Invitrogen | P5493 | |
50x Denhardt’s solution | Sigma-Aldrich | D2532 | |
99% Formamide | Fisher Scientific | BP227500 | |
Dextran sulfate sodium salt | Sigma | D8906 | |
20x SSC buffer | Invitrogen | AM9765 | |
ProLong Gold antifade reagent with DAPI | Invitrogen | P-36931 | |
dATP, dCTP, dGTP, dTTP | Fermentas | R0141, R0151, R0161, R0171 | |
Cy3-dUTP, Cy5-dUTP | GE Healthcare | PA53022, PA55022 | |
BSA | Sigma-Aldrich | A3294 | |
DNA polymerase I | Fermentas | EP0041 | |
DNase I | Fermentas | EN0521 | |
Spermine | Sigma-Aldrich | S3256-1G | |
Spermidine | Sigma-Aldrich | S0266-1G | |
Potassium Chloride (KCl) | Fisher Scientific | BP366-500 | |
Sodium Chloride (NaCl) | Fisher Scientific | BP3581 | |
EGTA | Sigma-Aldrich | E0396-25G | |
PIPES | Sigma-Aldrich | P6757-25G | |
EDTA | Fisher Scientific | S311-500 | |
Digitonin | Sigma-Aldrich | D141-100MG | |
Triton-X100 | Fisher Scientific | BP151-100 | |
AdhesiveCap 500 clear | Zeiss | 415190-9211-000 | |
QIAamp DNA Micro Kit (50) | Qiagen | 56304 | |
Genomic DNA Clean and Concentrator Kit | Zymo Research | D4010 | |
37% Paraformaldehyde | Fisher Scientific | F79-500 |