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.
DNAs העגול extrachromosomal (eccDNAs) הם מרכיבים גנטיים נפוצים שמר אפייה ומדווח אאוקריוטים אחרים גם כן. EccDNAs לתרום השונות הגנטית בין תאים סומטיים יצורים רב-תאיים ו לאבולוציה של אאוקריוטים unicellular. רגישות שיטות לאיתור eccDNA נדרשות להבהיר כיצד אלמנטים אלה משפיעים על יציבות הגנום וכיצד סביבתי וביולוגי גורם לגרום להיווצרות שלהם בתאים איקריוטיים. וידאו זה מציג שיטת eccDNA טיהור רגישה שנקראה המעגל-Seq. השיטה כוללת טיהור עמודה של DNA מעגלי, הסרת הנותרים דנ"א כרומוזומלי ליניארי, הגברה מתגלגל מעגל eccDNA, רצף עמוק, ומיפוי. טיפול exonuclease נרחב נדרש שפלת DNA כרומוזומלי ליניארי מספיק. שלב ההגברה מתגלגל מעגל על ידיine-גובה:. נורמלי; "> φ 29 פולימראז מועשר עבור DNA מעגלי מעל DNA ליניארי אימות של שיטת מעגל-Seq על שלוש אוכלוסיות cerevisiae ס CEN.PK 10 10 תאים זוהה מאות פרופילים eccDNA בגדלים גדולים מ -1 kilobase . ממצאים חוזרים של ASP3-1, COS111, CUP1, RSC30, HXT6, HXT7 גנים על DNA המעגלי בשני S288c ו CEN.PK עולה כי circularization DNA נשמר בין זנים ב לוקוסים אלה. לסיכום, השיטה-Seq המעגל יש רחבה תחולה להקרנה בקנה מידה הגנום עבור eccDNA אאוקריוטים וכן לאיתור סוגי eccDNA ספציפיים.
זיהוי הגברת כרומוזומליות מוקדם או חולפת קשה מכיוון שהיא דורשת זיהוי שינויים במולקולות דנ"א יחידים באוכלוסיות גדולות של תאים. וריאציות עותק-מספר כרומוזומלית (CNVs) מזוהות היטב בדרך כלל לאחר הקמתם, ומשאירות רק את מבנה CNV הסופי כעדות המנגנון שהפיק את הווריאציה 1,2. איתור מחל DNA המעגל extrachromosomal (eccDNA) בשלבים מוקדמים של היווצרות CNV עשוי להבהיר תהליכים מתמשכים rearrangements גנומית.
בעבר, דה נובו גילוי eccDNA היה על ידי micrographs אלקטרונים 3, מכתים Giemsa של הכרומוזומים metaphase 4, או 5 ג'ל אלקטרופורזה דו מימדי. שיטות אלה מספקים מידע מועט, אם בכלל על הרצף של DNA המעגלי. טכניקות ממוקדות כגון הדרום סופג 6,7, ההופכי 8 PCR, או קרינת hybridizatio באתרוn 9 לספק ראיות רק על אלמנטים eccDNA ספציפיים. אף אחת מהשיטות הללו מספקים את הרצף מכל סוגי eccDNA קיימים באוכלוסיית תא.
הבדלי הגנום בתוך שלולית של תאים יכולים להיות מאופיינים על ידי רצף הגנום ו / או מערכי ריצוף 10,11. זיהוי מחיקה או הגברה בשיטות טיהור DNA קונבנציונליות בדרך כלל דורש כי אלל מוטנטי לייצג לפחות 0.1-1% של תא האוכלוסייה 12,13. Acentric eccDNAs צפויים להיות עוד יותר חולף בתוך תרבית תאים עקב חוסר צנטרומר והיעדרות הפוטנציאל שלהם של סינתזת ה- DNA על שכפול. לפיכך, מאחר שרוב eccDNAs הנראה הנם בסכומים נמוכים הרצפים שלהם מזכירים את הגנום, שיטות מיצוי DNA חלופה נדרשות לזהות eccDNAs.
כמה טכניקות טיהור עגולות DNA לנצל את ההבדלים המבניים בין כרומוזומים דנ"א מעגלי. למשל, במהירות גבוהה ultracentrifugation הדרגתי-צזיום כלוריד ממשמש לבודד 350-3000 basepairs (נ"ב) eccDNAs הגדול מקו התאים הסרטני האנושי הלה 14. עם זאת, מהירות גבוהה יכולה לשבור או ניק עמוד השדרה של מבני DNA המעגלים supercoiled, לשנות את מהירות שקיעת 15 ותשואת eccDNA. דוטה ועמיתים לעבודה פיתחו שיטה דה נובו, זיהוי מידה הגנום של ה- DNA מעגלי מרקמות העכבר כמו גם מתרבויות של עוף ותאי אדם 16,17. השיטה שלהם היא מיצוי של גרעינים מרקמות הומוגני ידי ultracentrifugation סוכרוז ואחריו טיהור פלסמיד וכמה סיבובים של תגובות אנזימטיות ו עקירות DNA. פרוטוקול שלהם בעיקר מזהה 200-400 eccDNAs נ"ב, microDNAs שנקרא. גם דוטה ועמיתים לעבודה טיהור ניסיון microDNAs מ שמר האפייה, אבל לא הצליחו להקליט microDNA ממינים שמרים זה 16.
פיתחנו שיטה חדשהזיהוי דה נובו של eccDNA משמרים שנקרא מעגל-Seq. שיטה זו מאפשרת סקרים בקנה מידה הגנום עבור מולקולות DNA מעגליות גדולות מספיק כדי לשאת גנים שלמים וגדולות כמו 86 kilobase (kb) DNA המיטוכונדריאלי (mtDNA). השיטה מעגל-Seq פותחה מתוך שיטת טיהור פלסמיד פרוקריוטים ומבוססת 18,19, מותאם במיוחד בתאי שמרים האיקריוטים בשילוב עם רצף עמוק. שימוש בגישה מעגל-Seq, eccDNAs שונים 1756, כל הגדולים מ -1 kb, אותרו מעשר ס cerevisiae S288c אוכלוסיות 20. גודל חתוכים נבחר להתמקד eccDNA שהיו גדולים מספיק כדי לשאת גנים כולו. מעגל-Seq היה מאוד רגיש; זה זיהה יחיד eccDNA בתוך אלפי תאים 20. במחקר הנוכחי, המעגל-Seq שמש לבודד ולזהות 294 eccDNAs משלושה ביולוגים משכפלים של אחר S. זן שמרים cerevisiae, CEN.PK. הנתונים מגלים כי eccDNA הוא eleme גנטי משותףNT ב ס זני cerevisiae.
השיטה-Seq המעגל מאפשרת זיהוי בקנה המידה הגנום של eccDNA מתאי שמרים עם רזולוצית רצף ברמה. השיטה היא היטהרות eccDNA קלה שאינה דורשת נמרץ מערבולת או pipetting ומשתמש ההפרדה עמודה על ידי כוח הכבידה להגביל שבירה eccDNA שיוביל העיכול exonuclease ב לשלב הבא. תכונות אלה של השיטה עשויות להיות מכריעות לאיתור eccDNAs גדולה המכילות רצפי גנים. המעגל-Seq זוהה eccDNAs רב, כוללים גנים מלאים (מערך נתונים 1). כמו כן זיהה את ה- DNA שמרים המיטוכונדריה 86-kb. לפיכך, פרוטוקול זה הופך לפשוט טיהור של רצפי דנ"א עגולים גדולים. שמירה על מספר צעדי מיצוי DNA למינימום מפחיתה את הסיכון eccDNA אובדן למקסימום תשואה. בהתבסס על תוצאות לבקרה, ממוסמר-ב פלסמידים, מעגל-Seq היא רגישה מאוד, מזהה DNA מעגלי יחיד מ -2,500 תאים. יתר על כן, הסרת פלסמידים אנדוגני בשפע כגון 2μ; פלסמיד או הדנ"א המיטוכונדרי עשוי לשפר את הרגישות באופן משמעותי. אשפרה של 2μ מתרבויות שמרים תוארה 30. לחלופין, 2μ והסרה הדנ"א המיטוכונדרי עלול להיות מושגת באמצעות endonuclease נדיר חיתוך, כגון SwaI. עם זאת, צעד אנזים ההגבלה יכול למקד eccDNAs האחר בעלי עניין ולהגביל את תשואת eccDNA הכולל.
צעדים קריטיים לגילוי eccDNA היו הסרת DNA ליניארי (שלב 3) ו רצפי DNA (שלב 5) עד לעומק נכון. כדי להקליט את רוב eccDNAs מאוכלוסיית תא, רצף עמוק ייתכן שיידרש 20. רצף מותאם-הסוף צריך לספק ביטחון עוד יותר של זיהוי eccDNA, כמו צמתי DNA מעגליות צפויות להניב-סוף לזווג קוראות המפה discordantly. פערים אלה תומכים גילוי מבני DNA המעגליים וניתן להשתמש כמכילי מסנן eccDNA-זיהוי נוסף.
החוג-Seשיטת q הייתה תוקף באמצעות שלושה ס עצמאי אוכלוסיות CEN.PK cerevisiae. רצפים זוהו כלולים שדווחו בעבר eccDNAs, פלסמידים אנדוגני ומשובצים-ב פלסמידים והמאה eccDNAs המשוערת (מערך נתונים 1). ממצאים אלה תומכים מערכי נתונים מעגלים-Seq קודמים מתוך ס cerevisiae S288c 20. התגלית של כמה eccDNAs המשותף לאוכלוסיות CEN.PK ו S288c עולה כי לוקוסים אלה יש נטייה להתקיים אלמנטים עגולים כמו (איור 4). הראינו בעבר כי [מעגל GAP1] מועשר בתנאי מגבילי חנקן ברקע CEN.PK 8, אם כי עדות [מעגל GAP1] ברקע זן אחר לא נמצאה. מציאת של eccDNA מן CUP1-1 RSC30, ASP3-1, COS111, ו HXT6 HXT7 לוקוסים בשני S288c ו CEN.PK עולה כי ולנטייה circularization DNA הוא conשמש בין זני שמרים. נותר רק לראות אם [HXT6 / 7 מעגל], [מעגל ASP3-1], [מעגל COS111], ו [מעגל CUP1-1 RSC30] להעניק יתרונות סלקטיבית לתאים או אם קיומם הוא רק השפעה של שיעור גבוה של DNA circularization.
יחדיו, התוצאות מצביעות על כך המעגל-Seq הוא גם מתאים לאיתור eccDNAs בגודל kilobase ויש לו יתרונות לזיהוי eccDNAs עם גנים שלמים. המעגל-Seq היא שיטה רגישה מאוד המאפשרת מסכים בקנה מידת הגנום כולו של eccDNAs משמר. השיטה מעגל-Seq יכול לפתוח תחום חדש של מחקר שמטרתה הבהרת תפקיד eccDNA ביצירת מחיקות גנים amplifications. בהתחשב בכך ארכיטקטורה ומבנה הדנ"א שמורים בעיקר משמרים איקריוטיים כדי אאוקריוטים גבוהים, שיטת המעגל-Seq צריכה, באופן עקרוני, להיות applicablדואר לכל תאים איקריוטיים, עם שינויים קלים. כיום, השיטה לא נראה לי שום מגבלות, למרות יכולתו לטהר eccDNAs megabase בגודל טרם לראות. בנוסף, השימוש ø29 DNA פולימרז, אשר משתמש בשיטת הגברה מתגלגל מעגל 31, יוצר הטיה כלפי eccDNAs הקטן עושה כימות eccDNA קשה יותר. המעגל-Seq מזהה eccDNAs הגדול מספיק כדי לשאת גנים מלאים, מה שהופך אותו מתאים מחקרים על הדנ"א כפול דקות עגולות מן תאי הסומטיים אדם. דקות זוגיות יכולות לגרום לסרטן כאשר-אונקוגנים פרוטו הם מוגברים על האלמנטים האלה 32-37. מחקרים של eccDNAs בתאים germline יכול לשמש כדי למדוד את שיעורי מוטציה בתאי מין וגם להעריך את איכות הזרע, למשל בעלי חיים. לפיכך, מעגל-Seq יש פוטנציאל להניב תובנות לתוך הקצב שבו וריאציה גנטית מתעוררת בצורת וריאציה מספר עותק, ולהוביל להבנה הרומן של מחלות שקשורות הגן copy-מספר וריאציה 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. |