This paper presents a sensitive method called Circle-Seq for purifying extrachromosomal circular DNA (eccDNA). The method encompasses column purification, removal of remaining linear chromosomal DNA, rolling-circle amplification and high-throughput sequencing. Circle-Seq is applicable to genome-scale screening of eukaryotic eccDNA and studying genome instability and copy-number variation.
السلطات الوطنية المعينة دائرية خارج الصبغي (eccDNAs) هي عناصر جينية مشتركة في خميرة الخباز وذكرت في حقيقيات النوى الأخرى كذلك. المساهمة EccDNAs إلى الاختلاف الجيني بين الخلايا الجسدية في الكائنات متعددة الخلايا وتطور حقيقيات النوى وحيدة الخلية. وهناك حاجة إلى أساليب حساسة للكشف عن eccDNA لتوضيح كيفية تأثير هذه العناصر استقرار الجينوم وكيف العوامل البيئية والبيولوجية تحفز تكوين في الخلايا حقيقية النواة. يعرض هذا الفيديو طريقة eccDNA تنقية حساسة تسمى دائرة تسلسل. يشمل طريقة تنقية عمود من الحمض النووي الدائري، وإزالة ما تبقى من الحمض النووي الخطي الكروموسومات، الدائرة المتداول التضخيم من eccDNA، تسلسل عميق، ورسم الخرائط. كان مطلوبا العلاج نوكلياز خارجية واسعة لكافية الخطي تدهور الكروموسومات الحمض النووي. الخطوة المتداول دائرة التضخيم من قبلالمعهد الوطني للإحصاء الطول: عادي؛ "> φ 29 البلمرة المخصب لالحمض النووي DNA دائري فوق الخطي التحقق من طريقة الدائرة بعدها على ثلاثة سكان البيرة س CEN.PK من 10 10 خلايا الكشف عن مئات التشكيلات eccDNA في أحجام أكبر من 1 كيلو قاعدة . النتائج المتكررة من ASP3-1، COS111، CUP1، RSC30، HXT6، HXT7 الجينات في الحمض النووي التعميم في كل S288c وتقترح CEN.PK أن التعميم الحمض النووي وحفظها بين السلالات في هذه المكاني. وباختصار، فإن طريقة الدائرة يليها ديه واسعة تطبيق لفحص الجينوم على نطاق ولeccDNA في حقيقيات النوى وكذلك للكشف عن أنواع eccDNA محددة.
كشف المبكر أو عابرة التضخيم الكروموسومات من الصعب لأنه يتطلب تحديد التعديلات في جزيئات الحمض النووي احدة في أعداد كبيرة من الخلايا. تم الكشف عن الكروموسومات الاختلافات نسخ رقم (التنوعات) بشكل جيد عموما بعد إنشائها، ولم يتبق سوى هيكل CNV النهائي كدليل على الآلية التي ولدت الاختلاف 1،2. كشف واستعادة الحمض النووي خارج الصبغية دائري (eccDNA) في المراحل السابقة من تشكيل CNV قد توضيح العمليات الجارية في إعادة ترتيب الجينوم.
سابقا، كان دي نوفو اكتشاف eccDNA بواسطة الميكروسكوب الإلكتروني 3، تلطيخ بالغيمزا من الكروموسومات الطورية 4، أو ثنائي الأبعاد هلام الكهربائي 5. وتوفر هذه الأساليب معلومات قليلة أو معدومة عن تسلسل الحمض النووي دائري. تقنيات المستهدفة مثل جنوب النشاف 6،7، معكوس PCR 8، أو مضان في hybridizatio الموقعن 9 تقديم أدلة فقط عن عناصر eccDNA محددة. أيا من هذه الأساليب توفير سلسلة من جميع أنواع eccDNA الموجودة في السكان الخلية.
الاختلاف الجيني في مجموعة من الخلايا يمكن أن تتسم تسلسل الجينوم و / أو صفائف تبليط 10،11. الكشف عن الحذف أو التضخيم من قبل وسائل تنقية الحمض النووي التقليدية عادة ما يتطلب أن أليل تحور تمثل 0،1-1٪ على الأقل من سكان الخلية 12،13. ومن المتوقع أن تكون أكثر عابرة في زراعة الخلايا لامركزي eccDNAs بسبب افتقارها إلى القسيم وغياب محتمل لتوليف الحمض النووي في النسخ المتماثل. وهكذا، منذ أكثر eccDNAs ويفترض في كميات قليلة وتسلسل بهم تشبه الجينوم، وهناك حاجة إلى طرق استخراج الحمض النووي بديلة للكشف عن eccDNAs.
تقنيات عدة لتنقية الحمض النووي دائرية استغلال الاختلافات البنيوية بين الكروموسومات والحمض النووي دائري. على سبيل المثال، عالية السرعة ultracentrifugيستخدم أوجه في التدرجات السيزيوم كلوريد لعزل 350-3000 basepairs (بي بي) eccDNAs كبير من البشرية السرطان هيلا خط الخلية 14. ومع ذلك، يمكن عالية السرعة كسر أو شق العمود الفقري للبنية الحمض النووي دائرية supercoiled، تغيير سرعة الترسيب (15) والعائد eccDNA. وضعت دوتا وزملاء العمل وسيلة لمن جديد، وتحديد الجينوم على نطاق من الحمض النووي دائري من الأنسجة الماوس وكذلك من ثقافات الدجاج والخلايا البشرية 16،17. منهجهم هو استخراج النواة من النسيج المتجانس من قبل تنبيذ فائق السكروز تليها تنقية البلازميد وعدة جولات من التفاعلات الإنزيمية والاستخراج الحمض النووي. بروتوكول بهم ويحدد في المقام الأول 200-400 eccDNAs بي بي، ودعا microDNAs. كما حاول دوتا وزملاء العمل تنقية microDNAs من خميرة الخباز ولكن لم يتمكنوا من تسجيل microDNA من هذا أنواع من الخميرة 16.
لقد قمنا بتطوير طريقة جديدة لدي نوفو الكشف عن eccDNA من الخميرة تسمى دائرة تسلسل. تمكن هذه الطريقة استطلاعات الجينوم على نطاق ولجزيئات الحمض النووي دائرية كبيرة بما يكفي لتحمل جينات كاملة وكبيرة مثل 86 كيلو قاعدة (كيلوبايت) الحمض النووي (و mtDNA). تم تطوير طريقة الدائرة تسلسل من البلازميد في بدائيات النواة راسخة طريقة تنقية 18،19 الأمثل لخلايا الخميرة حقيقية النواة وجنبا إلى جنب مع تسلسل عميق. باستخدام نهج الدائرة وما يليها، 1756 eccDNAs مختلفة، كل كيلوبايت أكبر من 1، تم الكشف عن عشر س. الخباز S288c ظل السكان 20. وقد تم اختيار حجم قطع للتركيز على eccDNA التي كانت كبيرة بما يكفي لتحمل جينات بأكملها. كانت دائرة تسلسل حساسة للغاية. ذلك الكشف عن eccDNA احد ضمن آلاف الخلايا 20. في الدراسة الحالية، استخدمت الدائرة تسلسل لعزل وتحديد 294 eccDNAs من ثلاثة مكررات البيولوجية للS. آخر الخباز الخميرة سلالة، CEN.PK. يكشف عن البيانات التي eccDNA هو إيليمي الجيني المشتركالإقليم الشمالي في س. سلالات الخباز.
على طريقة الدائرة يليها يسمح الكشف عن الجينوم على نطاق من eccDNA من خلايا الخميرة مع قرار على مستوى التسلسل. هذه الطريقة لتنقية eccDNA الخفيفة التي لا تتطلب دوامة المركزة أو pipetting لويستخدم فصل العمود عن طريق الجاذبية للحد من eccDNA الكسر التي من شأنها أن تؤدي إلى الهضم نوكلياز خارجية في خطوة لاحقة. هذه الميزات من الأسلوب قد تكون حاسمة للكشف عن eccDNAs الكبيرة التي تحتوي على تسلسل الجين. الكشف عن دائرة تسلسل العديد eccDNAs بما في ذلك الجينات الكاملة (الإدراجات 1). انها رصدت أيضا 86 كيلوبايت الخميرة الحمض النووي. وهكذا، هذا البروتوكول يسهل تنقية عناصر كبيرة DNA دائرية. الحفاظ على عدد من الخطوات استخراج الحمض النووي إلى أدنى حد ممكن يقلل من مخاطر الخسارة eccDNA ويزيد الغلة. بناء على نتائج للسيطرة، ارتفعت في البلازميدات، دائرة تسلسل حساس للغاية، والكشف عن الحمض النووي دائري واحد من 2500 الخلايا. وعلاوة على ذلك، وإزالة البلازميدات الذاتية وفيرة مثل 2μ. البلازميد أو الحمض النووي قد يعزز إلى حد كبير حساسية. وقد وصفت علاج من 2μ من الثقافات الخميرة 30. بدلا من ذلك، 2μ وإزالة الحمض النووي يمكن أن يتحقق مع نوكلياز داخلية قطع نادرة، مثل صوي. ومع ذلك، يمكن أن الخطوة انزيم التقييد يستهدف eccDNAs الأخرى من الفائدة وتحد من المحصول الكلي eccDNA.
كانت خطوات مهمة لكشف eccDNA إزالة الحمض النووي الخطي (الخطوة 3) وتسلسل الحمض النووي (الخطوة 5) إلى عمق السليم. لتسجيل غالبية eccDNAs من سكان الخلية، قد تكون هناك حاجة تسلسل عميق 20. إقران نهاية التسلسل ينبغي أن توفر الثقة أكبر من الكشف eccDNA، حيث من المتوقع أن تسفر عن إقران نهاية تقاطعات دائرية الحمض النووي يقرأ تلك الخريطة discordantly. هذه التناقضات تدعم اكتشاف هياكل الحمض النووي دائرية ويحتمل أن يتم استخدامها بوصفها عامل تصفية eccDNA الكشف إضافية.
الدائرة سيتم التحقق من صحة طريقة ف باستخدام ثلاثة S. مستقلة السكان الخباز CEN.PK. وتضمنت تسلسل الكشف عنها سابقا eccDNAs، البلازميدات الذاتية وارتفعت في البلازميدات ومئات من eccDNAs المفترضة (الإدراجات 1). هذه النتائج تدعم مجموعات البيانات السابقة، الدائرة وما يليها من س. الخباز S288c 20. اكتشاف العديد eccDNAs مشتركة بين CEN.PK وS288c السكان يشير إلى أن هذه المكاني لديها الميل إلى وجود العناصر كما دائرية (الشكل 4). لقد أظهرنا سابقا أن [دائرة GAP1] تم تخصيب تحت النيتروجين الظروف محدودة في الخلفية CEN.PK 8، رغم أنه لم يتم العثور على دليل على [GAP1 الدائرة] في الخلفيات سلالة أخرى. العثور على eccDNA من CUP1-1 RSC30، ASP3-1، COS111، وHXT6 HXT7 مواضع في كل S288c وCEN.PK تشير إلى أن الاستعداد للالتعميم الحمض النووي هو يخدعخدم بين سلالات الخميرة. يبقى أن يظهر إذا [HXT6 / 7 الدائرة]، [ASP3-1 الدائرة]، [COS111 الدائرة]، و [الدائرة CUP1-1 RSC30] تمنح مزايا انتقائية لخلايا أو إذا وجودها هو مجرد تأثير ارتفاع معدلات التعميم الحمض النووي.
مجتمعة، تشير النتائج إلى أن الدائرة تسلسل مناسب تماما للكشف عن eccDNAs-كيلو قاعدة الحجم ومزاياه لتحديد eccDNAs مع جينات كاملة. دائرة تسلسل هو طريقة حساسة للغاية تمكن شاشات الجينوم على نطاق كامل من eccDNAs من الخميرة. على طريقة الدائرة بعدها يمكن أن يفتح مجالا جديدا من البحوث التي تهدف إلى توضيح دور eccDNA في توليد الحذف الجينات والتكبير. وبالنظر إلى أن العمارة الحمض النووي وهيكل وحفظها إلى حد كبير من الخميرة حقيقية النواة لحقيقيات النوى أعلى، وطريقة الدائرة يليها يجب، من حيث المبدأ، أن يكون applicablالبريد إلى جميع الخلايا حقيقية النواة، مع تعديلات طفيفة. في الوقت الحاضر، لا يظهر طريقة لديك أي قيود، على الرغم من قدرته على تنقية eccDNAs-megabase الحجم لم يتم بعد مبين. وبالإضافة إلى ذلك، فإن استخدام ø29 البلمرة DNA، والذي يستخدم المتداول دائرة أسلوب التضخيم 31، ويخلق وجود تحيز نحو eccDNAs أصغر مما eccDNA تقدير أكثر صعوبة. دائرة تسلسل يكشف eccDNAs كبيرة بما يكفي لتحمل جينات كاملة، مما يجعلها مناسبة للدراسات في الدقيقة دائرية مزدوجة من الحمض النووي من خلايا جسدية الإنسان. يمكن دقيقة مزدوجة تساهم في السرطان عندما يتم تضخيم بروتو الجينات المسرطنة على هذه العناصر 32-37. ويمكن استخدام دراسات eccDNAs في الخلايا الجرثومية لقياس معدلات الطفرة سلالة الجرثومية وتقييم نوعية الحيوانات المنوية، على سبيل المثال في مجال الثروة الحيوانية. وهكذا، دائرة تسلسل لديه القدرة على انتاج الأفكار إلى المعدل الذي ينشأ الاختلاف الجيني في شكل من التباين في عدد النسخ، ويؤدي إلى فهم رواية من الأمراض التي تنطوي على copy- الجينعدد الاختلاف 38-40.
The authors have nothing to disclose.
Thanks to Kenn D. Møller and Claus Sternberg (DTU) for technical assistance and to Tue S. Jørgensen for quantitative PCR analysis.
Bacto peptone | BD Difco | 211677 | Alternative product can be used. |
Brilliant III SYBR Green PCR Master Mix | Agilent Technologies | 600882 | For qPCR analysis. Alternative product can be used. |
Dextrose (D-glucose) | Carl Roth | HN06.4 | Alternative product can be used. |
Disruptor Beads, 0.5 mm | Scientific Industries, Inc. | SI-BG05 | Glass beads to disrupt plasma cell membranes. Alternative product can be used. |
Ethidium bromide | Carl Roth | 2218.2 | Agarose gel stain for detecting DNA/RNA. |
GeneJet plasmid miniprep kit | Thermo Fisher | K0502 | Plasmid purifcation from bacteria. Alternative product can be used |
NotI, FastDigest | Life Technologies - Thermo Fisher Scientific, USA | FD0594 | Endonuclease. Alternative product can be used. |
Plasmid Mini AX kit | A&A Biotechnology, Poland | 010-50 | Plasmid purifcation kit used to purify eccDNA. |
Plasmid-Safe ATP-dependent DNase kit | Epicentre, USA | E3105K | ATP-dependent exonuclease kit. Alternative product can be used. |
Propidium iodide | Sigma-Aldrich, USA | 81845 | Alternative product can be used. |
pUG6 plasmid | EUROSCARF, Germany | P30114 | Marker gene: loxP-PAgTEF1-kanMX-TAgTEF1-loxP. Plasmid requests: Please contact Dr. Peter Philippsen@unibas.ch |
QIAGEN genomic-tip 100/G | Qiagen, USA | 13343 | Genomic DNA purifcation from yeast. Alternative product can be used. |
REPLI-g Mini Kit protocol | Qiagen, USA | 150023 | Amplification of eccDNA by the phi29 polymerase |
Yeast extract | BD Difco | 210929 | Alternative product can be used. |
Zymolyase 100T (Lyticase, Yeast Lytic Enzyme) | Nordic BioSite, Sweden | Z1004-3 | Alternative product can be used. |
Data access to sequence files | European Nucleotide Archive | EccDNA dataset from Saccharomyces cerevisiae CEN.PK113-7D. Study accession number PRJEB9684. 2nd accession number is ERP010820. Locus tag prefix is BN2032. | |
Strains | |||
Saccharomyces cerevisiae CEN.PK113-7D | Genotype MATa MAL2-8c SUC2 | ||
Saccharomyces cerevisiae yeast deletion library pool | EUROSCARF, Germany | S288c BY4741 pool of 4400 viable single-gene deletion mutants disrubted by KanMX module. Genotypes MATa his3∆1 leu2∆0 met15∆0 ura3∆0 genexxx::KanMX. | |
Equipments | |||
DNA Spectrophotometer | NanoDrop 1000 Spectrophotometer, Thermo Fisher | Measuring DNA concentration. Alternative product can be used. | |
Fluorescence microscopy | Nikon Optronics Magnafire. Red excitation fluorescence filter, 663-738 nm. | Alternative product can be used. | |
Robotic library-build system | Apollo 324, IntegenX Inc. | DNA library preparation. Alternative product can be used. | |
Sequencing platform | Illumina HiSeq 2000 platform, Illumina Inc. | DNA sequencing. Alternative product can be used. | |
Ultrasonicator | Covaris LE220, microTUBE AFA Fiber tubes | Alternative product can be used. | |
Methods | |||
2% YPD media | Mix 10 g Dextrose, 10 g Yeast extract, 20 g Bacto peptone and add H2O to a total volume of 1000 ml and autoclave. | ||
Circle-Seq test on genomic DNA | Genomic DNA was purified (Qiagen) from a pool of the yeast deletion library (Euroscarf). The DNA concentration was measured by nanodrop and 30 µg genomic DNA was pipetted into two micro centrifuge tubes. One micro centrifuge tube was supplemented with 100 nanogram plasmid (pUG6). The DNA samples were purified by Circle-Seq, omitting the protocol steps 1.1-1.3 and 1.5-1.7. The eluted DNA concentrations were measured by nanodrop and the entire DNA yield from sample GD and GD+P was treated with exonuclease for a period of 29 hours. A 10% fraction was collected for phi29-amplification and PCR analysis, while the remaining DNA was subjected to 72 hour exonuclease treatment. The samples were analyzed for linear DNA content by PCR, using the ACT1 gene as chromosomal marker. A 5% fraction of each of the exonuclease treated samples was amplified by the phi29 DNA polymerase for 16 hours (Qiagen). The presence of DNA in each sample was examined by loading an equal amount (7 µl) in wells on an 0.5 µg/ml ethidium-bromide 0.9% agarose gel after running gel-electrophoresis. | ||
Mapping software | Bowtie2 aligner, John Hopkins University | Ultrafast short read alignment. Reference: Langmead B, Salzberg S. Fast gapped-read alignment with Bowtie 2. Nature Methods. 2012, 9:357-359. | |
Propidium iodide stain | Images of propidium iodine stained DNA were captured by fluorescence microscopy at 100x magnification (100x/1.30 oil, Nikon) in the RFP channel (red excitation fluorescence filter, 663-738 nm) using identical exposition time (5 seconds). | ||
Workflow bioinformatic system | Galaxy, Open source. | A free web-based platform for data intensive biomedical research. References: Goecks, J, Nekrutenko, A, Taylor, J and The Galaxy Team. Galaxy: a comprehensive approach for supporting accessible, reproducible, and transparent computational research in the life sciences. Genome Biol. 2010 Aug 25;11(8):R86. Blankenberg D, Von Kuster G, Coraor N, Ananda G, Lazarus R, Mangan M, Nekrutenko A, Taylor J. "Galaxy: a web-based genome analysis tool for experimentalists". Current Protocols in Molecular Biology. 2010 Jan; Chapter 19:Unit 19.10.1-21. Giardine B, Riemer C, Hardison RC, Burhans R, Elnitski L, Shah P, Zhang Y, Blankenberg D, Albert I, Taylor J, Miller W, Kent WJ, Nekrutenko A. "Galaxy: a platform for interactive large-scale genome analysis." Genome Research. 2005 Oct; 15(10):1451-5. |