染色体の絵画は、細胞核の組織化や核型の進化を研究するのに役立つ方法です。ここでは、その場での2次元蛍光化および3次元蛍光(FISH)に使用される単一ポリテン染色体から特定の領域を分離および増幅するアプローチ を 示す。
腕染色体プローブ全体の 蛍 光蛍光体は、対象となるゲノム領域をマッピングし、染色体の再配置を検出し、細胞核における染色体の3次元(3D)組織を研究するための堅牢な技術です。レーザー捕捉マイクロディシス(LCM)と全ゲノム増幅(WGA)の出現により、単一細胞から大量のDNAを得ることができます。WGAキットの感度の向上により、染色体塗料を開発し、非モデル生物の染色体組織や進化を探求するためにそれらを使用するようになりました。ここでは、アフリカマラリア蚊 アノフェレスガンビアの卵巣看護師細胞から単一ポリテーン染色体アームの発腸セグメントを単一および増幅するための簡単な方法を提示する。この手順は、染色体塗料を得るための効率的なプラットフォームを提供し、サンプルに外来DNAを導入する全体的なリスクを低減します。WGAを使用することで、数回の再増幅が可能になり、2Dおよび3D FISHを含む複数の実験に使用できる大量のDNAが得られます。我々は、開発された染色体塗料が 、アンガンビアのポリテーンと有糸状染色体アームのユークロマチック部分との間の対応を確立するためにうまく使用できることを実証した。全体として、LCMと単染色体WGAの組合は、将来の細胞遺伝学的およびゲノム研究のためにかなりの量の標的DNAを作成するための効率的なツールを提供する。
染色体絵画は、1-5のカルギタイプの進化を研究し、蛍光標識染色体DNA1,6-8のハイブリダイゼーションを介して細胞遺伝学的異常を可視化するのに有用な技術である。この方法は、開発9および病理10における染色体領域の3Dダイナミクスの研究にも適用される。微分標識染色体塗料は、個々の有糸11、12、及び、及び、異相非ポリテン15、16及びポリテン9、11、17染色体の可視化に使用される。染色体塗料を得るためのシンプルで堅牢なプロトコルは、この技術を蚊などの非モデル生物に拡大するのに非常に役立ちます。アノフェレスガンビア複合体は、マラリアを伝染させる能力を含む行動と適応が異なる7つの形態学的に区別できない蚊のグループです。 これらの蚊は、そのベクター容量が大きく異なる密接に関連する種の進化をよりよく理解するための優れたモデルとして機能します。 マラリア蚊の細胞遺伝学的研究のほとんどは、よく発達した高度に多性化された染色体を使用して行われてきた(18,19でレビュー)。多種染色体の読み取り可能なバンディングパターンは、研究者がアノフェレスガンビア20における多形反転と生態学的適応との関連を実証することを可能にした。また、3Dポリテーン染色体組織の組織特異的21および種特異的22の特徴は、An.マクリペニス複合体において特徴付けられている。しかし、有糸染色体を研究することは、追加の重要な情報を提供する可能性があります。例えば、有糸分裂性染色体において観察されるヘテロクロマチン多型の高レベルは、アンガンビア23における交配活性および生殖能力の低下と相関している。ポリテーンと有糸状染色体の腕の水色セグメント間の対応は、相対的な長さを比較することによってのみ確立することが困難である可能性があります。これは、ヘテロクロマチンが有糸分裂性染色体のかなりの部分を構成するが、ポリテネ染色体24において過小評価されているからである。マラリア蚊の染色体塗料の入手可能性は、研究者が追加の種を含めることによって細胞遺伝学的研究を大幅に拡大することを可能にする一方で、この疫学的に重要な昆虫群における核型進化と染色体の3Dダイナミクスの分析におけるコストと時間を大幅に削減する。
染色体の大きなストレッチを得るために、マイクロ解剖は染色体補体の関心のある特定の領域を操作し、分離するための不可欠な技術となっている。 全ゲノム増幅(WGA)と結合すると、微細解剖はFISH 11、12および次世代ゲノムシーケンシング25-27を含む強力な下流アプリケーションをもたらす。以前は、この技術は、経験豊富なユーザー 28によって手動で制御されなければならなかった特殊なマイクロ解剖針の使用を必要としました。 レーザーキャプチャマイクロディスセクション(LCM)の進歩により、単一細胞29、30または個々の染色体31-33を汚染のリスクを低減するに適した簡素化されたツールが得られました。このアプローチは、ユーザーが34-36を一緒に複数の細胞をプールすることから生じるコンセンサスの風景の代わりに、単一細胞で発生する遺伝的不均一性および染色体異常を研究することを可能にする。マイクロディスセクションから生成されたDNAを増幅するために、複数の方法が使用されている。 DOP-PCRは、反復性の高い配列の増幅に有用な技術であり、バッタ37、スピニーウナギ38、ナイルティラピア39などの種からマイクロ分解染色体を増幅するために使用されてきた。 最近では、PCRベースのゲノムプレックスWGA4単一細胞キットと複数変位増幅ベース(MDA)Repli-Gシングルセルキットは、バッタ37およびイナゴ43のB染色体系を含む、単一ヒト細胞の遺伝子解析と染色体40-42を含む実験のための貴重なツールとなっています。これら2つのキットはそれぞれ長所と短所を持っていますが、他の利用可能な増幅システムよりも明らかな優位性が実証されています44.
単一の染色体または染色体セグメントから得られるDNAの量は、核全体の量より有意に少ない。したがって、単一の染色体の微細解剖、増幅、およびその後の分析は、特にショウジョウバエやアノフェレスのような小さなゲノムを持つ生物において、はるかに困難である。 塗料は、ヒト33およびスズメバチ45の単一のマイクロ分解染色体から開発されているが、成功したFISH実験では、フルーツフライ11の複数(少なくとも10〜15)の微小分裂した有糸状染色体が必要であった。しかし、(i)異なる染色体からの材料で汚染される可能性を減らし、(ii)微小解剖に必要な染色体製剤の数を最小限に抑えるため、(iii)FISHと下流の両方の両方で微小化したサンプルのヌクレオチドおよび構造多型を低下させるため、単一の染色体をマイクロ分解および増幅する能力が重要である。多くのディプテラン種に見られるポリテーン染色体は、DNAのはるかに高い開始量を取得するユニークな機会を提供します。また、染色体を使用しても達成できない高分解能と染色体構造を提供します。この追加された解像度は、染色体再配置、クロマチン構造、および染色体セグメントを28,46にマイクロセックする視覚化において重要であり得る。
ここでは、単一のポリテーン染色体アームからユークロマティックセグメントを効率的に分離し、DNAを増幅し、マラリア蚊の下流のFISHアプリケーションで使用する手順を提示します。 まず、LCMを適用して、特別に調製した膜スライドから単一の染色体アームを分離して抽出します。第二に、WGAは、マイクロディスセクテッド材料からDNAを増幅するために使用される。第3に、FISH実験において増幅DNAをポリテーンスカッシュ製剤47、メタフェーズおよび相間染色体スライド48、ならびに3D卵巣全体実装サンプルにハイブリダイズする。この手順は、アンガンビアの染色体の腕にエウクロマチンの大部分を正常にペイントするために行われています.
マイクロ分解されたポリテン染色体サンプルからDNAを正常に増幅するために重要な複数のステップがあります。このプロトコルは、LCMの使用を採用しています, 両方の全体的な効率を向上させ、サンプルとの物理的なツールの相互作用を除去することにより、外来DNAへの暴露を低減する方法.しかし、外来DNAの増幅は、この実験の最大の潜在的な落とし穴です。したがって、プロセス全体の間に、汚染からサンプルを保護することが不可欠です。スライド調製およびマイクロ解剖段階を通して、それはエタノール洗浄解剖針、スライド、カバースリップ、ならびにワークスペースに不可欠である。 また、UVは、使用する前に、すべての適用可能な機器(針、スライド、カバーリップ)を治療することをお勧めします。
解剖スライド上の膜は染色体の広がりに非常に困難になります。 これらのスライドを作るときに卵巣の多くを使用することが重要です (卵巣の完全なペアに半分) , よく広がる核を見つけるより大きなチャンスを提供します. また 、49 歳の組織や染色体の広がりが難しくなるにつれて増幅率が低下するように見えるため、スライドを作るときに新鮮な組織を使用することをお勧めします。 マイクロディシスセクションのスライドの準備は、このプロトコルで最も時間のかかるステップです。 染色体は、不要な材料の偶発的な取得を避けるためによく広がっている必要があります。 Giemsa染色により、マイクロディスセクションシステムを使用する前に位相コントラスト顕微鏡で広がり品質を確認できます。
マイクロディションと増幅の組み合わせは、対象となる小さな領域から大部分の腕に至るまでの染色体断片を抽出して分析する機会を提供します。 このプロトコルは、ユーザーが反転、特定の発泡バンドおよびインターバンド、テロメリック、中心および中基性ヘテロクロマチンなどの形態学的に異なる領域からDNAを得ることを可能にする。生成された絵画プローブを、異常な染色体の調べ、特定の遺伝子座における種間相同性学の研究、または無傷の3D核における染色体の空間組織の特徴付けに適用することができる。染色体塗料の開発では、複数の染色体領域を持つ反復DNAのハイブリダイゼーションを避けるために、ユークロマティックセグメントを選択しました。その結果、総ゲノムDNAやC0t-1 DNA画分など、競合者を用いずに腕特異的な絵画を得た。
複数の増幅キット40,44の効率とドロップアウト率を比較したレビューに基づいて、ゲノムプレックスWGAキットとREPLI-Gキットを使用することを選択しました。 両方のキットは、両方の中退率で利用可能な方法の中で最高のパフォーマンスを発揮しました(GenomePlexはREPLI-gの37.5%と比較して12.5%の割合を持っていました増幅マーカーの割合(GenomePlexは45.24%の増幅率を持ち、REPLI-gの30.0%)40.GenomePlexキットは、より多くのDNAを提供し、したがって、複数の下流技術のためのより良い候補にしました。 ゲノムプレックスシステムの再増幅キットも利用可能で、DNAのさらなる増幅が可能です。しかし、増幅は完璧ではないことに注意することが重要です。 増幅が成功すると、エラーが発生したり、標的DNAの特定の遺伝子座に偏りが生じる可能性が残っています。利用可能なゲノム増幅法の最終的なフラグメントサイズを考慮することが重要である。 GenomePlex の断片化により、200 ~ 500 bp の断片を含むライブラリが作成され、REPLI-g キットは約 10 ~ 20 kb のサイズのフラグメントを生成します。このプロトコルの下流の用途はFISHであるため、望ましいフラグメントサイズとWGAを介してDNA断片を直接ラベル付けする機能を提供するため、GenomePlexキットはより実行可能な選択肢となっています。REPLI-g増幅によって生成される長いDNA分子は、下流のニック翻訳標識反応で断片化されなければならない。
このプロトコルは、単一のポリテン染色体アームからDNAを正常に増幅するために適応されています。 他のプロトコルは、サンプル7、11、28、40を正常に増幅するために、多くの(典型的には10〜30)染色体断片のプーリングを必要とする。 我々の方法を用いて複数の染色体のプールは可能であるが、サンプル汚染の可能性が高まっていることは、できるだけ少ない染色体で実験を開始することの重要性を強調している。ポリテーン染色体が利用できない場合、我々のプロトコルは、有糸染色体での使用に適応することができる。しかし、FISH11を正常に増幅する前に10-15ミトティック染色体をプールする必要があるかもしれません。増幅バイアスは、大量の開始テンプレートDNA 50と低い。ポリテン染色体は、1つのDNA配列の約512コピーと2つの相同DNA配列の1024コピーを提供します。 したがって、有糸分裂性染色体をプールすることは、増幅後のDNA産物の全体的な品質を高めるのに役立ちます。
この手順は、細胞遺伝学的およびゲノム研究における多くの潜在的な用途を有する。ここでは、染色体塗料を使用して、アンガンビアのポリテーンと有糸状染色体アームのユークロマティックセグメントの対応関係を確立しました。同じ絵画プローブを、ガンビア細胞株の細胞遺伝学的特徴化に適用することができる。広範囲なゲノム再構成と染色体数の変化は、細胞株51,52の一般的な特徴である。異なる蚊細胞株53,54において、異なる蚊細胞株中で異数プロイド、ポリプロイド、および染色体の再配置、転位、反転、欠失、および環染色体などの再調整が検出された。古典的な細胞遺伝学的観測55および物理マッピング56は、マラリア蚊の進化における全腕染色体転座の発生を実証した。そのため、微生物分解物質は、種間の染色体領域の相同性を比較するためにFISH実験と組み合わせて使用することができる。卵巣看護師細胞全体のポリテーン染色体に対する2Rペイントプローブで3D FISHを正常に行いました。この方法は、染色体軌道のトレースとアノフェレスの核建築を研究しやすくします。DNAジェノタイピング57、58、次世代ゲノムシーケンシング26、27、物理およびリンケージマップの開発、染色体絵画33、59のプローブの生成などの技術は、すべて腕および領域特異的な微小解剖の恩恵を受けることができます。 LCM技術を組み合わせ、単一細胞WGAを進めることで、単一ポリテーン染色体アームから妥当な量のDNAを生成する効率的で実用的な方法を実証しています。
The authors have nothing to disclose.
この研究は、国立衛生研究所1R21AI094289からイゴールV.シャラホフへの助成金によって支えられた
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 |