מוצגת שיטה ליצירת פרופיל של דגני בוקר. ביטוי גנטי מבוססי מיקרוarray הפרופיל מתחיל עם בידוד של RNA הכולל באיכות גבוהה מדגנים דגנים וממשיך עם הדור של cDNA. לאחר היברידינה של cRNA והכלאה מיקרוarray, ההמלצות ניתנות לזיהוי אותות ולבקרת איכות.
אפיון הביטוי הגנטי תלוי באיכות ה-RNA. ב מונטינג, פיתוח ובוגרת זרעי דגנים, הפקת רנ א באיכות גבוהה מפריע לעתים קרובות עמילן גבוה ותוכן סוכר. תרכובות אלה יכולים להפחית הן את התשואה ואת איכות ה-RNA הכולל שחולצו. הידרדרות בכמות ובאיכות של RNA סה כ יכול לאחר מכן יש השפעה משמעותית על ניתוחים המטה במורד הזרם, אשר עשוי לא לשקף במדויק את וריאציה מרחבית ו/או הזמני בפרופיל ביטוי גנים של דגימות נבדק. בפרוטוקול זה, אנו מתארים שיטה ממוטבת להפקת ה-RNA הכולל עם כמות ואיכות מספיקים שישמשו לניתוח הטרנססקריפט המלא של גרגרי הדגנים. השיטה המתוארת מתאימה למספר יישומי במטה המשמשים ליצירת פרופיל טרנססקריפט לפיתוח, הנבחנות וזרעי דגנים בוגרים. השיטה ליצירת פרופיל באמצעות פלטפורמת microarray מוצגת. שיטה זו מיועדת במיוחד עבור פרופיל ביטוי גנים של דגנים עם רצפי הגנום תיאר. ההליך המפורט מטיפול במיקרו-מערך לבקרת איכות סופי מתואר. זה כולל סינתזה cDNA, התוויות cRNA, היברידיזציה microarray, סריקת שקופיות, הפקת תכונה, ואימות איכות הנתונים. ניתן להשתמש בנתונים שנוצרו על-ידי שיטה זו כדי לאפיין את ההמרה של דגני הבוקר במהלך הנביטה, בשלבים שונים של התפתחות הדגן, או במצבי סטרס ביוטיים שונים. התוצאות המוצגות כאן מדגימה מידע באיכות גבוהה להמרה של נתונים לניתוח ביואינפורמטיקה, כגון קביעת הגנים המתבטאים (DEGs), שייכות לרשתות הרגולטוריות של הגנים, וניצוח על מחקר ההתאגדות ברחבי העולם.
Transcript מייצג את הערכה המלאה של חומצה ריבונוקלאית (RNA) התעתיקים המבוטא על ידי הגנום של אורגניזם בזמן נתון ובתנאים סביבתיים וצמיחה מסוימים. כל תא יש החוצה הפרט שלו, אשר משקף הפיזיולוגית הנוכחית המצב המטבולית. אוסף של תאים שנגזר רקמה דומה או איבר משמש במחקר הטרנססקריפט טיפוסי, אבל תא בודד ו-spatially נפתר הטרנססקריפט מקבל הפופולרי1. הניתוחים הטרנסקריפטאריים מתחילים בהפקת ה-RNA הכולל מרקמה שנבחרה בנקודת זמן מסוימת, ובתנאי גדילה מוגדרים. למטרה זו, אנו ממליצים על שימוש בשיטה שפותחה לאחרונה להפקת RNA הכולל מדגימות גבוהות של עמילן או תוכן סוכר, כגון זרעי דגנים2. השוואת הטראנטוסקריפט בין דגימות שונות מביא לזיהוי מולקולות RNA עם שפע שונה. מולקולות RNA אלה נחשבות לגנים בעלי התבטאות מהותית (DEGs). השפע של התעתיקים נגזר גנים סמן ספציפיים לאחר מכן ניתן להשתמש כדי להעריך את הסטטוס ההתפתחותי או לקבוע את התגובה של אורגניזם לתנודות סביבתיות. גנים עם שינויים שאין לגילוי ב תעתיק שלהם על פני נקודות הזמן ההתפתחותיות תחת המחקר משמשות לעתים קרובות כהתייחסות או שירות הגנים.
RNA מזוהה בדרך כלל וככמת על-ידי שיטות שונות, כגון בלוק הצפון והיפוך כמותי התגובה שרשרת פולימראז (רביעיית-PCR), אבל שיטות התפוקה הגבוהה הנוכחי הטרנססקריפט מסתמכים בכבדות על הכלאה חומצות גרעין באמצעות טכנולוגיית microarray, כמו גם ברצף RNA (RNA-Seq). רנ א-Seq הוא מאוד פופולרי בהווה משום שהוא מספק מספר יתרונות עבור התפוקה הגבוהה העברת יישומים הטרנססקריפט כפי שנבדקו במקומות אחרים3,4. למרות שטכנולוגיה ישנה יותר, ביטוי גנטי הפרופיל באמצעות שבבי microarray עדיין נמצא בשימוש נרחב משום שהיא טכנולוגיה מבוססת יותר, הדורשת פחות רקע בביואינפורמטיקה. בהשוואה ל-RNA-Seq, ערכות הנתונים שנוצרו מניסויי microarray קטנות וקל יותר לנתח. בנוסף, היא חסכונית יותר, במיוחד אם מתמודדים עם מספרים גדולים לדוגמה. במעבדה שלנו, אנו משתמשים באופן שוטף בניתוחי טראנסקריפט באמצעות טכנולוגיית microarray כדי לקבוע את התפקיד של מרכזי רגולציה מרכזיים השולטים על הרשתות המולקולריות ומסלולים המעורבים בצמיחה, פיתוח ומטבוליזם של דגנים5,6,7,8,9. כמו כן, אנו משתמשים בו באופן שגרתי כדי לנהל את הגנום-wide ביטוי ליצירת פרופיל מחקרים כדי להשיג הבנה מכניסטית של התגובה של דגנים דגנים לחצים אביוטיים10, כמו גם בהתנהלות של האגודה הטרנססקריפט-רחב (מעשה) ואת מיפוי ההצמדה לזהות גנים האחראים איכות דגנים ותזונה11,12 קבוצות אחרות השתמשו גם בטכנולוגיית microarray במתן ביטוי גן ספציפי לפיתוח אטלס בשעורה13,אורז 14,15,16, דורה17, חיטה18.
מטרת פרסום זה היא לספק תקציר מילולי קצר ותיאור חזותי מפורט של השיטה שאנו מעסיקים כרגע במעבדה שלנו ליצירת פרופיל הטרנססקריפט של גרגרי הדגנים באמצעות פלטפורמת מיקרוarray של Agilent. שים לב כי פלטפורמות מיקרוarray אחרות זמינות, אך לא יהיו מכוסות בשיטה זו. אנו מתחילים את הפרוטוקול על ידי הצגת תיאור מפורט של הפקת RNA מפיתוח או מונטינג זרעי דגנים. בהתבסס על הניסיון שלנו, קבלת באיכות גבוהה וכמות גבוהה להמרה מוכן לניתוחים הטרנססקריפט במורד הדרך היא לעתים קרובות צוואר הבקבוק בעת שימוש ברקמות זרעי דגנים. ניסינו כמה ערכות החילוץ RNA מסחרית זמין, אבל אף אחד לא סיפק תוצאות משביעות רצון. מכאן, פיתחנו פרוטוקול החילוץ הכימי כדי לקבל תמצית RNA גולמי כי הוא נתון לטיהור טור באמצעות ערכה מסחרית זמין. באמצעות שיטה זו, אנו באופן שגרתי ובאופן שוטף לקבל באיכות גבוהה RNA2 (איור 1), אשר יכול לשמש יישומים שונים במורד הזרם כדי ליצור פרופיל transcript.
השיטה המתוארת מספקת תוצאות מובנות מאוד עבור תמציות מניב ובאיכות גבוהה של RNA (איור 1). בהתבסס על הניסיון שלנו, אנו ממליצים על שלושה משכפל ביולוגי עבור גנוטיפ אחד, שלב או תנאי לניתוח. כדי להיות מסוגל לזהות הבדלים משמעותיים מבחינה סטטיסטית, השפע הכללי של mRNA חייב להיחשב. שים לב, עם זאת, כמות ההתחלתית של 200 מ”ג דגימות רקמות נדרש בטריליטים עבור צעד החילוץ RNA. מכאן, עבור ניסויים כי יש כמות מוגבלת של דגימות כגון חומרי צמח מהונדסים גנטית, שיטה זו לא יכול להיות מתאים.
במהלך היברידיזציה של microarray, השלבים הבאים הם הקריטיים ביותר: (1) טעינת הדגימות לשקופית האטם (שלב 4.7) ו-(2) שטיפת המערכים לאחר הכלאה (שלבים 4.13 ו-4.14). העמסה לדוגמה צריכה להיעשות בזהירות רבה כדי למנוע היווצרות בועות ושפיכת נוזלים. זהירות היא הכרחית בעת הצבת שקופית המיקרו-מערך בשקופית האטם המכילה את הדגימות שנטענו: ה-DNA-side (עם הבדיקות השנצפו) צריך להיות מפונה כלפי מטה כדי לאפשר היברידיזציה. עבור שטיפת מיקרו מערכים, צעד השטיפה השני הוא קריטי במיוחד: כאן, הסרת השקופיות ממאגר לשטוף 2 צריך להתבצע באיטיות רבה (10 s) כדי למנוע פריטים במאגר על השקופיות, אשר יכול להפריע לרכישת נתונים וניתוחים.
כדי לקבל תוצאות מן הניסוי היברידיזציה הזכאים לניתוח מטה-זרם בביואינפורמטיקה, יש לעקוב אחר מספר קריטריונים חשובים. דוח ה-QC, המופק לאחר ביצוע הפרוטוקול לעיל, מספק מושג טוב מה יש לשפר ואילו נתונים נמצאים במצב שמיש (איור 3). המידע הראשון שהתקבל הוא רשת דמיינו (איור 2). כאן, ניתן לראות ישירות אם כל האזורים של הקריאה הפלואורסצנטית מיושרים כראוי. אם יש משמרת חזותית הניתנת לזיהוי, פעולה זו תשפיע על כל שאר הערכים (רקע, עוצמת אות, וכו ‘) ואין אפשרות להשתמש בקריאה מתוך שבב זה. על הסקירה (התפלגות מרחבית של כל מיירס), ניתן בקלות לזהות כל זיהום (למשל, אבק או שיער), אשר השפיעו על התוצאה. עפר ניתן להסיר על ידי נושבת בעדינות וסריקה מחדש של השבב. ההיסטוגרמה של מגרש האותות כאמור לעיל אמורה להביא לעקומה רחבה בצורת גאוס, עם מגרש מינורי בלבד (איור 2). בהתאם לרקמה שנותחה (איור 1), עיקול זה יכול להיראות שונה והוא יכול להיות מופיע שתי פסגות, או שיא השולט אחד עם הכתף. פעולה זו לא תשפיע על איכות הנתונים. רק שיא חזק זז, או אותות גבוהים על הקצוות מצביעים על בעיות, כגון “מפלצות ירוקות” (גבוה מדי כוונות זריחה), אשר לא ניתן להסירו על ידי כביסה ויש לדווח ליצרן השבב. כמו כן, “גרף הפצה מרחבית עבור אותות חציון” צריך להשתנות סביב ערך משותף. זה צריך להיות בטווח בין 40 ו 100, בהתאם לעוצמת הבדיקה הכללית של השבב ניתח. בקרת איכות חשובה נוספת היא הערכה של היתד בנתונים: גרף הרישום של הדקר באותות צריך להביא לקו רגיל וליניארי. לבסוף, הטבלה של “מדדי הערכה” מעניקה תצוגה טובה ואמינה של התוצאות שהתקבלו. כאן היצרן מספק מגוון של ערכים אשר ניתן לסווג כמעולה, טוב ולהעריך (איור 3). על פי הניסיון שלנו, לא תמיד ניתן להחיל חלק מהערכים עבור כל האסימונים. עבור שבבים מותאמים אישית של אורז, “ערך שאינו בקרת” היה לעתים קרובות מחוץ לטווח אך אינו משפיע באופן משמעותי על עיבוד נתונים נוסף. בנוסף, הטווח עבור “שליטה” ניתן להאריך, בהתבסס על רקמות, אורגניזם ופלט כללי של השבב כדי < 80. היקף ההערכה עבור הערך E1 med CV יכול להיות מורחב ל< 9, במקום < 8 על פי הניסיון שלנו. לאחר מכן, הערכה נכונה של כל השבב לקרוא את הנתונים הוא אפשרי. באופן כללי, צריך תמיד לזכור ששכפל ביולוגי עצמאי תמיד נותן את התוצאה האמינה ביותר.
היתרון של טכניקה זו בהשוואה לשיטות אחרות טמון בעובדה שהוא מייצג שיטה חסכונית בתפוקה גבוהה ליצירת פרופיל מתאים. כמו-כן, הצינור לניתוח נתונים במורד הזרם קל ומבוסס יותר. למרות היתרונות, ישנן מגבלות מסוימות של טכניקה זו, כגון מספר הגנים שניתן לנתח. המיקרו מערך יכול רק להקל על ניתוח של גנים שנצפו בעבר בדיקות על המערך. לכן, טכניקה זו ישימה רק על מינים צמח עם גנום רציף וגנים מסומן במלואו. אנו לדמיין כי מיקרוarray מבוססי transcript מבוסס ימשיך להיות מאוד שימושי ורלוונטי לא רק לפרופיל ביטוי גנים אלא גם עבור אחרים הזרם ביואינפורמטיקה צינורות כגון ניתוח גנטי של הרשת ומחקר שיוך ברחבי העולם.
The authors have nothing to disclose.
העבודה הזאת נתמכת תחת CGIAR האזור נושאים Agri אורז מערכת מזון CRP, אורז, המתח עמידים בפני אפריקה ודרום אסיה (STRASA) שלב III, ו-IZN (המרכז הבינתחומי לחקר הצמח יבול, האלה (Saale), גרמניה. אנו מודים למנדי לגבי הסיוע הטכני המעולה שלה וד ר איזבל מריה מורה-רמירז על שיתוף מידע וניסיון עם שבב החיטה. אנו מודים לד ר רונדה מאייר (RG הטרוזיס, IPK Gatersleben, גרמניה) להערות ולקריאת כתב היד באורח קשה.
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 |