이 프로토콜은 형광을 수행하기위한 실험 절차를 설명<em> 현장에서</em단일 분자 해상도에서 단일 세포의 mRNA를 카운트하기위한> 하이브리드 (FISH).
현장 하이브리드 화에 형광 (FISH) 방법은 하나의 기본 세포 환경에서 핵산을 검출 할 수 있습니다. 여기에서 우리는 하나의 효모 세포에서의 mRNA의 수를 정량화하기 위해 FISH를 사용하기위한 프로토콜을 제공합니다. 세포는 그 어떤 조건에서 재배하고 고정 투과 할 수있다. 그 후, 형광 염료에 결합 여러 개의 단일 가닥 deoxyoligonucleotides이의 mRNA 레이블을 시각화하는 데 사용됩니다. 하나의 mRNA 분자의 회절 형광 셀 당의 mRNA의 수를 확인하고 계산하는 자리 탐지 알고리즘을 사용하여 계량입니다. 북부 오, RT-PCR 유전자 발현 마이크로 어레이의 더 많은 표준 정량화 방법은 대량 인구의 평균의 mRNA에 대한 정보를 제공하는 반면, FISH는 단일 분자 해상도에서 단일 세포에서 계산하고이 mRNA가 국산화 모두를 용이하게합니다.
대량 측정 기법을 사용하여, 그것을 분석 한 세포 1 ~ 성적표 또는 전사 활동의 수를 할 수 없습니다. 유전자 발현의 기자로 그 발기인에 의한 형광 단백질을 사용하면 어느 정도이 문제를 해결하지만, 접을 수있는 형광 단백질에 필요한 시간은 초기 역학을 모호하게 할 수 있습니다. 장수 형광 단백질은 mRNA의 수명을보고 할 수 없습니다. FISH 방법은 단일 분자 해상도로, 핵 전사 개시에서 단일 세포의 후속 성숙과 부패에, 그것의 전체 수명주기 동안 분석의 mRNA에 사용할 수 있습니다.
DNA 요소를 조사하기 위해 방사능 RNA 프로브를 사용하여 핵산 시각화를위한 현장 실험의 원래. 이들은 개구리 Xenopus의 laevis의 2 마우스 조직 3 위성 DNA의 난소에서 리보좀 DNA를 시각화 포함되어 있습니다. 현장 exper에는의 첫 번째 형광iment 특정 DNA 서열는 4 프로브 형광 표시가 RNA 분자를 사용했습니다. 현장에서 RNA를 시각화하는 형광 프로브의 첫 번째 응용 프로그램은 닭 근육 조직 문화 5 굴지의 유전자 발현의 시각화했다. 더 최근에, 신진 효모, 물고기 효모 신진 대사 사이클 6시 전사의 진동을 조사하는 데 사용되었습니다, 세포주기의 진행 7 및 유사 분열 8시 mRNA의 성적의 공간 현지화 동안의 mRNA 붕괴. FISH 더 모든 효모 유전자의 절반 이상을 구성하는 구조적 전사 유전자에 상관 관계가없는 변동은 상관 관계가없는 전사 개시 9에서 발생하는 것을 보여주기 위해 효모에 사용되었습니다. 비 효모 종, 생선은 마우스 소장 10 줄기 세포 마커를 식별하고 세포 운명의 불완전한 투과도는 C의 확률 유전자 발현 변동 될 수 있는지 결정하기 위해 사용되었습니다엘레 간스의 배아 11.
여기에 설명 된 FISH 방법은 메시지의 mRNA 염료 라벨, 단일 가닥 DNA 프로브를 교배하여 작동합니다. 세포는 몇 군데와의 mRNA가 자리 검출 알고리즘을 사용하여 계산됩니다. 단일 가닥 프로브는 DNA 합성기로 생성하고 표시 (가수 프로브로 여기에서 참조) 또는 미리 표시된 프로브 (스텔라리스 프로브) 12,13 상업적으로 주문할 수 있습니다. 가수 스텔라리스 프로브 사이의 주요 차이점은 스텔라리스 프로브 (~ 20 BP) 등의 주권 등으로 설명 프로브 당 하나의 레이블과 짧은 동안 가수 프로브는 더 이상 (~ 50 BP)와 아르 다라는 것입니다 14. 또한, 스텔라 접근 방식은 가수 (각각 유전자 당 ~ 30 대 5 프로브)보다 유전자 당 더 많은 프로브를 사용합니다. 아래에서 우리는 프로브의 두 유형의 사용을 설명하는 프로토콜을 제공합니다. 2 장에서는, 우리는 아미노 알릴 티미 딘을 함유 프로브 W 레이블을위한 프로토콜을 제공합니다선택한 사이클 염료 i 번째. 단일 mRNA의 지점을 식별하는 데 필요한 계산 절차의 개요는 7 장에서 제공됩니다.
지금까지, FISH는 주로 낮은 처리량 방법이다. CY3, Cy3.5와 Cy5에 염료의 사용은 한 번에 세 가지를 하나의 세포에서 조사 할 수 유전자의 수를 제한합니다. 몇 가지 추가 프로브 개발되었다 (스텔라) 만 구별 프로브의 수는 여전히 대부분 7시에 있습니다. 이 제한을 피하기 위해 여러 형광체를 사용하여 조합 라벨 전략은 서로 다른 mRNA의 종 19,20에 대한 바코드를 생성하는 데 사용되었습니다. 가장 최근 트라 베 뮌데, 그리고 카이 단일 효모 세포 19 물고기와 동시에 32 종을 정량화하기 위해 광학 및 분광 바코드를 사용했습니다. 이 최근의 조합 방법의 한 가지 제한은 초 고해상도 현미경의 사용을 필요로합니다. 바코드 프로브를 구별하는 데 필요한 분석도 매우 복잡합니다.
우리는 CY3과 Cy3.5 물고기 실험에 대한 Cy5에 바람직 있다는 것을 발견했다. Cy5에 염료의 한계 중 하나는 감도photobleaching에 있습니다. 하지만 스텔라는 최근 photobleaching에 더 저항으로 광고하는 Cy5에 변종을 개발했으며,이 기술 문제를 해결할 수 있습니다. 상업적으로 이용 가능한 프로브의 가격이 미래에 감소해야하지만, 프로브 세트 당 $ 1,000 – 그것은 또한 물고기를 주목할 구현하는 고가의 방법이며 가수 스텔라 두 프로브는 일반적으로 $ 700의 비용합니다. 시약 및 효율 라벨 살려주는 가격이 낮은 범위로 아래 가수 프로브를 제공합니다.
주요 기술 과제 중 하나는 복잡한 스팟 결정하는 알고리즘의 구현을 필요로 하나 대 다수의 프로브 점의 분리이다. 이 특정 실험 설정에 대한 이미지 분석 매개 변수를 조정하기 위해 광범위한 수동 검토를 취할 수 있습니다. 관련 MATLAB 함수와의 연산 파이프 라인의 개요는 프로토콜의 7 장에서 제공됩니다. 이 문제는 약간 만있을 스텔라리스 프로브에 의해 완화된다 프로브 당 하나의 레이블. 따라서 신호를 확인하기 위해 여러 프로브 colocalization을해야합니다.
물고기가 세포를 고정 필요로하기 때문에, 시간이 지남에 추적 개별 셀을 촉진하지 않습니다. 이전에, 우리는 각각의 대사 순환 효모 인구 6 유전자 발현의 역학을 재구성하는 물고기 스냅 샷 데이터를 사용했습니다. 대사 순환은 사전에 굶주린 연속 배양에서 관찰되고, 산소 소비 인구가 전체의 집단적 진동이 특징입니다. 이러한 진동은 산소 소비의 각 단계에서 모든 효모 유전자의 절반을 발생 성적표의 게놈 전체의 진동과 연관되어 있습니다. 우리는 신진 대사 사이클이 동기화 연속 효모 문화에 존재하는지 확인하기 위해 노력했다. 존재하는 경우, 동기 인구의 반 상관 관계가 있습니다 성적도 상관 성적에 대한 동기화 단일 셀 및 그 반대의 반대로 상호 연계되어야한다.
ENT "시간의 mRNA 생산의 역학을 재구성>은, 관찰 스냅 샷 데이터는 기본 동작의 모델에서 기대되는 것과 비교해야합니다. 이러한 경우에 이론적 인 한계가있다"유전자 발현 데이터의 스냅 샷 "을 결정하는 데 사용 될 수 있습니다 기본 유전자 발현 역학과 어떤 모델의 종류는 21 구별 할 수 있습니다. 신진 대사 사이클 데이터가 아닌 직접 시간적 진동의 존재를 표시하는 경우, 통계 측정은 벌크 마이크로 어레이와 일치하는 셀 자율 진동 프로그램이 실제로 있다는 것을 입증하기 위해 구현되었다 측정.The authors have nothing to disclose.
본 연구는 보조금 GM046406 (DB)로하여 정량 생물학의 일반 의료 과학 센터 (GM071508)의 국립 연구소에 의해 지원되었다. RSM은 NSF 대학원 연구 원정대의 자금을 인정합니다. MNM는 루이스 – Sigler 원정대에 의해 지원됩니다. 우리는 신진 대사주기 프로젝트에 자신의 기여에 도움이 토론과 전 회원 알레그라 Petti는과 니콜라이 Slavov에 대한 Botstein 실험실의 구성원을 인정하고 싶습니다. 우리는 우리가 FISH 방법을 시작하기 위해 다니엘 Zenklusen와 로버트 싱어 감사합니다.
Name of the Reagent | Company | Catalogue Number | Comments |
Vanadyl Ribonucleoside Complex | NEB | S1402S | |
Lyticase | Sigma | L5263 | |
E. coli tRNA | Roche | 1010954001 | |
BSA (RNase free) | Ambion | ||
Beta-mercaptoethanol | Fisher | 03446l | |
DAPI, dilactate | Sigma | D9564 | |
PBS 10X (RNase free) | Ambion | AM9624 | |
Triton X-100 | Shelton Scientific | ||
Dextran sulfate | Sigma | D6001 | Or equivalent |
Saline-sodium citrate (SSC) 20X | VWR | 82021-484 | |
Formamide (deionized) | Ambion | AM9342 | |
Nuclease-free water | Ambion | AM9932 | |
Alpha-D-glucose | Sigma | 158968 | For GLOX solution |
1 M Tris-HCl, pH 8.0 | Ambion | AM9855G | |
100% Ethanol | |||
Glucose oxidase | Sigma | G0543 | For GLOX solution |
Catalase | Sigma | C3155 | For GLOX solution |
Concanavalin A | MP Biomedicals | 150710 | |
Polylysine (0.01%) | Sigma | P8920 | |
Coverslips | Warner Instruments | Cs-18R15 | |
Prolong Gold Mounting Medium | Invitrogen | P36934 | |
QIAquick Nucleotide Removal Kit | QIAGEN | 28304 | |
FISH Probes | Biosearch Technologies | Custom order for your desired mRNA sequence | |
Glass bottom 96-well plates | Nunc | 265300 | Alternative to coverslips |
12-well plates | BD Falcon | 351143 | |
Cy3, Cy3.5, Cy5 dyes | GE Healthcare | monofunctional NHS-ester | |
EQUIPMENT | |||
Plasma-Preen I Cleaner | Terra Universal | 9505-00 | Controller (Cat #9505-17 optional) |
Vacuum Pump | Alcatel | 205SDMLAM | For operating Plasma-Preen |
Widefield Fluorescence Microscope | Olympus | IX81 | Or equivalent |
100X objective | Olympus | 1-UB617R | |
Light Source | X-Cite | XCT 10-A | Or equivalent |
Filter Sets | Chroma | U-NSP100V2-SPR, U-NSP101V2-SPR, U-NSP102V2-SPR, U-NSP103V2-SPR,U-NSP104V2-SPR. | |
Cooled CCD or EMCCD Camera | Hamamatsu | C4742-98-24ER |