Summary

Transkriptom profilering av<em> In-Vivo</em> Produserte Bovine Pre-implantasjon Embryoet ved hjelp av to-farge microarray plattform

Published: January 30, 2017
doi:

Summary

Microarray technology allows quantitative measurement and gene expression profiling of transcripts on a genome-wide basis. Therefore, this protocol provides an optimized technical procedure in a two-color custom made bovine array using Day 7 bovine embryos to demonstrate the feasibility of using low amount of total RNA.

Abstract

Early embryonic loss is a large contributor to infertility in cattle. Moreover, bovine becomes an interesting model to study human preimplantation embryo development due to their similar developmental process. Although genetic factors are known to affect early embryonic development, the discovery of such factors has been a serious challenge. Microarray technology allows quantitative measurement and gene expression profiling of transcript levels on a genome-wide basis. One of the main decisions that have to be made when planning a microarray experiment is whether to use a one- or two-color approach. Two-color design increases technical replication, minimizes variability, improves sensitivity and accuracy as well as allows having loop designs, defining the common reference samples. Although microarray is a powerful biological tool, there are potential pitfalls that can attenuate its power. Hence, in this technical paper we demonstrate an optimized protocol for RNA extraction, amplification, labeling, hybridization of the labeled amplified RNA to the array, array scanning and data analysis using the two-color analysis strategy.

Introduction

Tidlig embryo tap i høye produserende melkekyr er en av hovedutfordringene i meieriindustrien 1, 2. Bovine har blitt en interessant modell for å studere human preimplantation embryo utvikling på grunn av deres tilsvarende utviklingsprosess 3, 4. Men mer forskning er nødvendig for å få bedre forståelse om gener involvert i storfe tidlig embryoutvikling.

Etter tjue år siden den første mikromatriseteknologi utviklet i 1995 fem, utvikling av mer sofistikerte sonde fabrikasjon teknologi reduserte trykkfeil og variasjon av Array chips innen og mellom ulike microarray plattformer 6. Forbedret mikromatriseteknologi resulterte i et allment bruk av denne teknologien i klinisk forskning 7 og mer nylig, tidlig embryo qKVALITET vurdering 8.

Den store mengden av nødvendig materiale for microarray-teknologi er den viktigste årsaken til at mikromatriseteknologi i utgangspunktet ikke klarte å legge inn en rekke forskningsfelt som tidlig embryoutvikling. Mer nylig har RNA amplifikasjonsmetoder blitt forbedret for å forsterke lineært RNA opp til mikrogram nivå fra sub-nanogram RNA utgangsmateriale 9. Det finnes flere kommersielle RNA forsterkersett er tilgjengelig på markedet; derimot, er de mer populære velutviklet kits relatert til Ribo-Single Primer Isoterm Amplification 10 og T7 promoter drevet 11 metoder. Den mest populære antisense RNA forsterkning bruker in vitro transkripsjon med en oligo dT primer koble til en T7 promoter på 5 'enden 12. Denne teknologien gjør det mulig å opprettholde mest mulig av representative anti-sense transkripsjoner etter lineær forsterkning feller arrays hybridisering 13. Denne metode er blitt tilpasset for å forsterke pikogram nivå av total RNA ekstrahert fra bovine embryo 8.

Universal hydraulikksystem (ULS) er merking metode som direkte omfatter DNA eller forsterkes RNA med platina bundet fluorescerende fargestoff enten cyanine 547 eller cyanine 647, ved å danne en koordinerende bånd på N7 posisjonen av guanin 14. Denne metoden ble tilrettelagt i embryo forskning for å generere mer stabil forsterket Arna uten forbehold i forhold til aminoallyl modifisert Arna generert ved enzymatisk metode 15. Både enkelt fargestoff og to fargestoffer merkemetoder er tilpasset bruker Universal hydraulikksystem i microarray. En stor microarray sammenligninger studien var at det er en god korrelasjon av datakvalitet mellom en- og to-farge matriseplattformer 6.

Nylig har både T7 promoter stasjonn antisens RNA forsterker og ULS merkingsmetoder er blitt utviklet for å tilveiebringe en mer pålitelig protokoll for å generere en tilstrekkelig mengde av høy kvalitet merket Arna materialer for microarray hybridisering 8, 16. Derfor denne studien gir en protokoll for å demonstrere noen av de viktige skritt fra RNA ekstraksjon til dataanalyse involvert i to farger microarray hjelp Dag 7 storfe embryoer som et eksempel.

Protocol

Dyret del av denne studien ble gjennomført ved Metabolsk Research Unit ved University of Alberta, Edmonton, Canada, med alle dyre eksperimentelle prosedyrer godkjent (protokoll # AUP00000131) ved University of Alberta Animal Care og bruk komité, og dyr omsorg i henhold til den kanadiske Council of Animal Care retningslinjer (1993). 1. Embryo Produksjon, Isolering av Total RNA og DNase behandling For dyre eksperimentelle protokoller og embryoinnsamlings se i våre tidligere publikasjoner <sup class="…

Representative Results

Et representativt resultat av total RNA og amplifisert Arna fra dag 7 bovine embryoer er vist i figur 3 og oppsummert i tabell 1. RNA integritet og profilen kan vurderes etter RNA ekstraksjon. Kvalitetsvurdering av RNA kan gjøres ved at Bioanalyzer instrument (figur 3A) og bare de prøver med RIN verdi som er høyere enn 7,0 er kvalifisert til å bli brukt for amplifisering <…

Discussion

Det første problemet å utføre mikromatriseanalyse ved anvendelse av dag 7 bovine embryoer er ikke å få tilstrekkelige mengder av høy kvalitet RNA for å studere genekspresjon. Tradisjonelle fenol / kloroform RNA ekstraksjon og etanol nedbør metoden anbefales ikke for Dag 7 embryoer, noe som resulterer i lavt utbytte og mulig left fenol hemme RNA forsterkning reaksjon. I stedet er en standard kolonne basert metode for bedre å isolere total RNA og deretter eluere den RNA med minimale elueringsbuffer for å øke ko…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Research supported by Alberta Livestock and Meat Agency, Alberta Innovates – BioSolutions, Alberta Milk, and Livestock Research Branch, Alberta Agriculture and Forestry.

Materials

PicoPure RNA Isolation Kit Applied Biosystems KIT0204
RNase-Free DNase Set (50) Qiagen 79254
Agilent RNA 6000 Pico Kit Agilent Technologies 5067-1513
Arcturus RiboAmp HS PLUS Kit Applied Biosystems KIT0505
2100 Bioanalyzer Instruments Agilent Technologies G2940CA
RNA Screen Tape Agilent Technologies 5067-5576
ULS Fluorescent Labeling Kit Kreatech Diagnostics EA-021
Custom Gene Expression Microarrays Agilent Technologies G2514F
 Agilent Gene Expression wash buffer 1 Agilent Technologies Part #5188-5325
Agilent Gene Expression wash buffer 2 Agilent Technologies Part #5188-5326
2X Hi-RPM Hybridization buffer Agilent Technologies  Part #5190-0403
25X Fragment buffer Agilent Technologies Part #5185-5974
10X GE Blocking Agent Agilent Technologies Part #5188-5281
Stabilization and drying solution Agilent Technologies  Part #5185-5979
Gasket slides enabled by Agilent SureHyb techonolgy Agilent Technologies G2524-60012 Pack of 20 gasket slides, 4 microarrays/slide
Two-Color RNA Spike-In Kit Agilent Technologies  Cat# 5188-5279
GenePix 4000B array scanner Molecular Devices GENEPIX 4000B-U
Ozone Free Box BioTray OFB_100x200
GAL file Agilent Technologies

Referências

  1. Royal, M. D., Smith, R. F., Friggens, N. C. Fertility in dairy cows: bridging the gaps. Animal. 2 (08), 1101-1103 (2008).
  2. Diskin, M. G., Murphy, J. J., Sreenan, J. M. Embryo survival in dairy cows managed under pastoral conditions. Anim. Reprod. Sci. 96 (3-4), 297-311 (2006).
  3. Wrenzycki, C., et al. Effects of culture system and protein supplementation on mRNA expression in pre-implantation bovine embryos. Hum. Reprod. 16 (5), 893-901 (2001).
  4. Menezo, Y. J., Herubel, F. Mouse and bovine models for human IVF. Reprod. Biomed. Online. 4 (2), 170-175 (2002).
  5. Schena, M., Shalon, D., Davis, R. W., Brown, P. O. Quantitative monitoring of gene expression patterns with a complementary DNA microarray. Science. 270 (5235), 467-470 (1995).
  6. Patterson, T. A., et al. Performance comparison of one-color and two-color platforms within the MicroArray Quality Control (MAQC) project. Nat. Biotechnol. 24 (9), 1140-1150 (2006).
  7. Rhodes, D. R., Chinnaiyan, A. M. Integrative analysis of the cancer transcriptome. Nat. Genetics. 37, 31-37 (2005).
  8. Robert, C., et al. Combining resources to obtain a comprehensive survey of the bovine embryo transcriptome through deep sequencing and microarrays. Mol. Reprod. Dev. 78 (9), 651-664 (2011).
  9. Nygaard, V., Hovig, E. Options available for profiling small samples: a review of sample amplification technology when combined with microarray profiling. Nucleic Acids Res. 34 (3), 996-1014 (2006).
  10. Kurn, N., Chen, P., Heath, J. D., Kopf-Sill, A., Stephens, K. M., Wang, S. Novel isothermal, linear nucleic acid amplification systems for highly multiplexed applications. Clin Chem. 51 (10), 1973-1981 (2005).
  11. Van Gelder, R. N., von Zastrow, M. E., Yool, A., Dement, W. C., Barchas, J. D., Eberwine, J. H. Amplified RNA synthesized from limited quantities of heterogeneous cDNA. Proc. Natl. Acad. Sci. 87 (5), 1663-1667 (1990).
  12. Phillips, J., Eberwine, J. H. Antisense RNA Amplification: A linear amplification method for analyzing the mRNA population from single living cells. Methods. 10 (3), 283-288 (1996).
  13. Gilbert, I., Scantland, S., Dufort, I., Gordynska, O., Labbe, A., Sirard, M. A., Robert, C. Real-time monitoring of aRNA production during T7 amplification to prevent the loss of sample representation during microarray hybridization sample preparation. Nucleic Acids Res. 37 (8), 65 (2009).
  14. Gijlswijk, R. P., Talman, E. G., Jansse, P. J., Snoeijers, S. S., Killian, J., Tanke, H. J., Heetebrij, R. J. Universal Linkage System: versatile nucleic acid labeling technique. Expert Re. Mol. Diagn. 1 (1), 81-91 (2001).
  15. Gilbert, I., Scantland, S., Sylvestre, E. L., Dufort, I., Sirard, M. A., Robert, C. Providing a stable methodological basis for comparing transcript abundance of developing embryos using microarrays. Mol. Hum. Reprod. 16 (8), 601-616 (2010).
  16. Tsoi, S., et al. Development of a porcine (Sus scofa) embryo-specific microarray: array annotation and validation. BMC Genomics. 13, 370 (2012).
  17. Salehi, R., et al. Superovulatory response and embryo production in Holstein cows fed diets enriched in oleic, linoleic or α-linolenic acid. Reprod. Fertil. Dev. 26 (1), 218-218 (2013).
  18. Thangavelu, G., Colazo, M. G., Ambrose, D. J., Oba, M., Okine, E. K., Dyck, M. K. Diets enriched in unsaturated fatty acids enhance early embryonic development in lactating Holstein cows. Theriogenology. 68 (7), 949-957 (2007).
  19. . Agilent 2100 Bioanalyzer User’s Guide Available from: https://www.agilent.com/cs/library/usermanuals/Public/G2946-90004_Vespucci_UG_eBook_(NoSecPack) (2016)
  20. Kerr, K. F. Extended analysis of benchmark datasets for Agilent two-color microarray. BMC Bioinformatics. 8, 371 (2007).
  21. Zhu, Q., Miecznikowski, J. C., Halfon, M. S. A wholly defined Agilent microarray spike-in dataset. Bioinformatics. 27 (9), 1284-1289 (2011).
  22. Vallee, M., Gravel, C., Palin, M. F., Reghenas, H., Stothard, P., Wishart, D. S., Sirard, M. A. Identification of novel and known oocyte-specific genes using complementary DNA subtraction and microarray analysis in three different species. Biol. Reprod. 73 (1), 63-71 (2005).
  23. Thomas, P. D., et al. PANTHER: a library of protein families and subfamilies indexed by function. Genome Res. 13 (9), 2129-2141 (2003).
  24. Mi, H., et al. The PANTHER database of protein families, subfamilies, functions and pathways. Nucleic Acids Res. 33, 284-288 (2005).
  25. Mi, H., Muruganujan, A., Casagrande, J. T., Thomas, P. D. Large-scale gene function analysis with the PANTHER classification system. Nat. Protoc. 8, 1551-1566 (2013).
  26. Ross, P. J., Wang, K., Kocabas, A., Cibelli, J. B. Housekeeping gene transcript abundance in bovine fertilized and cloned embryos. Cell Reprogram. 12 (6), 709-717 (2010).
  27. Gilbert, I., et al. The dynamics of gene products fluctuation during bovine pre-hatching development. Mol. Reprod. Dev. 76, 762-772 (2009).
  28. Vallee, M., et al. Revealing the bovine embryo transcript profiles during early in vivo embryonic development. Reproduction. 138 (1), 95-105 (2009).
  29. Dafforn, A., et al. Linear mRNA amplification from as little as 5 ng total RNA for global gene expression analysis. Biotechniques. 37 (5), 854-857 (2004).
  30. Beaujean, N., Jammes, H., Jouneau, A., Dufort, I., Rovert, C., Sirard, M. A. Nuclear Reprogramming. Studying Bovine Early Embryo Transcriptome by Microarray. , (2015).
  31. Patterson, T. A., et al. Performance comparison of one-color and two-color platforms within the MicroArray Quality Control (MAQC) project. Nat. Biotechnol. 24 (9), 1140-1150 (2006).

Play Video

Citar este artigo
Salehi, R., Tsoi, S. C., Colazo, M. G., Ambrose, D. J., Robert, C., Dyck, M. K. Transcriptome Profiling of In-Vivo Produced Bovine Pre-implantation Embryos Using Two-color Microarray Platform. J. Vis. Exp. (119), e53754, doi:10.3791/53754 (2017).

View Video