We describe the use of a multiplexed high-throughput gene expression platform that quantitates gene expression by barcoding and counting molecules in biological substrates without the need for amplification. We used the platform to quantitate microRNA (miRNA) expression in whole blood in subjects with and without irritable bowel syndrome.
遺伝子発現プラットフォームアッセイは、単一の反応で最大800の転写産物(mRNAまたはmiRNAの)の発現の堅牢性と再現性の高い定量を可能にします。 miRNAのアッセイは、直接イメージング、デジタル色分けされた蛍光バーコードプローブセット(レポータープローブおよび捕捉プローブ)で標識されたmiRNA分子をカウントすることにより、転写産物をカウントします。バーコードは3 '末端にユニークなオリゴヌクレオチドタグ(miRtag)を連結することによって伸長された成熟miRNAに直接ハイブリダイズされます。逆転写および転写産物の増幅が必要とされていません。レポータープローブは、4つの蛍光色の組み合わせを使用して移入6色位置の配列を含みます。 6箇所以上4色遺伝子特異カラーバーコード配列を構築するために使用されます。ハイブリダイゼーション後の処理は、ロボットプレップステーションに自動化されています。ハイブリダイゼーション後、過剰のプローブは洗い流され、三者構造が(プロ捕獲されています被miRNAのレポータープローブ)は、ビオチン標識捕捉プローブを介して、ストレプトアビジン被覆スライドに固定されています。イメージングとバーコード計数は、デジタルアナライザを使用して行われます。固定化されたバーコードのmiRNAを可視化し、顕微鏡やカメラを用いて画像化し、ユニークなバーコードがデコードされ、カウントされています。データの品質管理(QC)、正規化、および分析が分析ソフトウェアに付随するカスタム設計のデータ処理及び解析ソフトウェアによって促進されます。アッセイは、表現の広い範囲だけでなく、高感度で高い直線性を示しています。サンプルおよびアッセイ準備は酵素反応、逆転写、または増幅を伴いません。いくつかの手順があります。そして、主に研究者の影響を低減し、高い一貫性と技術的な再現性が得られ、自動化されています。ここでは、過敏性腸症候群で循環のmiRNA摂動を同定するためのこの技術の応用を説明します。
過敏性腸症候群(IBS)10苦しめている、消化器の中で最も一般的な外来患者の診断である – 一般人口の15%をし、保健サービスに多大な負担を表します。 IBSのために現在、一般的にそこに受け入れられません診断バイオマーカー(すなわち、診断は臨床症状に基づいており、このようなGI悪性腫瘍、炎症性腸疾患、および胃腸(GI)感染症などの他の有機障害を排除されています)。このようなIBS、高感度および精度(再現性)などの不顕性組織病理学と共通の条件、における遺伝子発現プロファイルを研究すると遺伝子発現プロファイルにおける摂動は、しばしば1-3微妙であるため、必要とされています。 miRNAは、IBS 4,5の両方の診断および機能の標的として同定されている、と我々はIBS-関連する生物学的摂動の3,4,6,7のバイオマーカーを循環としての使用を評価する上で特に興味を持っています。 circulaの臨床活用ティンバイオマーカーが原因使いやすさと、患者からのバイオマーカー」のソース( 例えば、末梢血)のコレクションの最小侵襲性の性質のために、現在の関心事です。
なぜなら彼らのユニークな化学および合理化され、大部分が自動化されたワークフローの遺伝子発現プラットフォームアッセイは、(単一の反応で800ターゲット)ワイドおよびカスタマイズ可能なカバレッジを提供マイクロアレイプラットフォームを提供ターゲット発見のためのトランスクリプトームの。彼らはまた、トランスクリプトーム標的の定量化における発現レベルの広い範囲にわたって高精度と直線性をもたらします。アッセイは、RNAの逆転写、cDNAまたは他の酵素反応の結果として生じるの増幅を必要としません。このように、少量またはまれなスプライスバリアントを持つRNA種からの増幅の高サイクル数によって導入された潜在的なエラーは、デジタルカウントのプロセスによって低減されています。これは、精製されたトータルとしての試料タイプの様々な手段RNA( 例えば、mRNAの+のmiRNA)、ホルマリン固定パラフィン包埋(FFPE)標本、ならびに原油組織および細胞溶解物からのRNAは、アッセイで使用することができます。
関心対象のRNAをそれぞれが標的RNAに対応する領域を認識する標的特異的配列を含む、プローブ(捕捉及びレポータープローブ)のペアを使用して検出されます。短いRNA( 例えば、miRNAの)の検出を確実にするためには、成熟miRNA配列は、分子の3 '末端にユニークなオリゴヌクレオチドタグ(miRtag)をアニールすることによって伸長されます。成熟した標的miRNAおよびmiRNA特異的miRtag両方の部分に相補的なブリッジングオリゴヌクレオチドは、配列特異性を確実にするために使用されます。キャプチャおよびレポータープローブは、それぞれ、成熟miRNA-miRtag複合体の3 'および5'末端に連結。捕捉プローブは、それらは、ストレプトアビジンでコーティングされたスライドガラスの表面に付着することを可能にする3 '末端にビオチン標識を有し、fixiスライドへの捕捉プローブのmiRNA-miRtag – レポータープローブ複合体をngの。電流は、次に、5 '末端にレポータープローブによって運ばれる蛍光バーコードは、顕微鏡および電荷結合素子(CCD)カメラを用いて可視化できるように、スライド表面上に複合体を向けるために使用されます。バーコードは、特定の標的miRNAの数を得、計数し、復号化されます。蛍光バーコードは、4,000以上のカラーバーコードの組み合わせを構築するために使用できる4つの蛍光色の、特定のRNAのための各コードが使用できる6つの位置から成ります。
サンプル調製( すなわち、RNA精製または細胞/組織溶解液の準備)、ならびに捕捉およびレポータープローブのハイブリダイゼーションは、ベンチで行われています。十二標本は、単一のスライド上で多重化することができます。一晩のハイブリダイゼーション後、すべてのさらなる試料調製は、ロボット・プレップステーションによって実行されます。ロードされたスライドは、広告に転送されますイメージング、計数、復号、及びデータ処理のためのigitalアナライザ。得られたデータを、それらがさらにユーザ制御の高度で処理される添付ソフトウェアにインポートされます。ユニークな化学、簡単な準備、自動化された自然、単純なデータ型(カウント)、およびアッセイの全体的な合理化されたワークフローは、そのような機能的な条件で循環するmiRNA発現プロファイルと署名を研究する上で有用なツールとなって、高精度な遺伝子発現の定量化を促進しますIBS。
プロトコル内の重要なステップ
特ににおけるmiRNAアッセイのために、試薬が溶解物での使用のために最適化されていないように、(これらは、mRNAおよびタンパク質アッセイに使用することができる)、未精製の溶解物を使用しないことが重要である、と試料調製反応が阻害される可能性があります。さらに、汚染物質は、連結および試料精製反応を阻害することができる( 例えば、グアニジニウム化合物、エタノール、およびフェノール)溶解およびRNAの精製工程から持ち越さ。良質のRNAは、miRNAアッセイの感度および精度に極めて重要です。
加熱された蓋付きサーマルサイクラーを使用すると、すべての反応ステップの性能を最適化するために適切な温度制御を確実にするために重要です。ステップ3.5.1の間には、リガーゼの添加の間に温度を維持するために、サーモサイクラーからストリップを除去しないことが重要です。リガーゼを追加するためにストリップを削除します反応を妥協します。ハイブリダイゼーションの手順を実行する場合、これはレポータープローブを剪断することができるように、激しく振盪し、ピペッティング、またはチューブ内の試薬を混合する際にフリックを回避することが重要です。最適なパフォーマンスと一貫性を確保するためには、徹底的に穏やかなフリックすることによりチューブ内の試薬を混合することが重要です。常に混合した後、反応をスピンダウンし、新しいピペットチップを試薬は正確なピペット操作を確実にし、偶発的な交差汚染を避けるために分配されるたびに使用しています。
修正およびトラブルシューティング
コードセットは、目的のターゲットのみを含むようにカスタマイズすることができます。この方法では、コストはさらにバイオ署名を調査するか、検証するとき、大きなサンプルセットの検査を可能にするためにバランスさせることができます。カスタムプローブは、 アラカルトメニューから利用できない遺伝子またはターゲットのために設計することができます。あまり豊富でターゲットや低濃度のRNAの感度はすることができますおよび/または高解像度デジタルカウントを使用して、より長いハイブリダイゼーション時間を可能にすることによって操作します。
私たちの研究では、全血からの全RNAとの事前定義された800標的miRNAパネルを使用しました。しかし、アッセイは、よりターゲットを絞ったアプローチが必要な場合は、より少ないmiRNAを含むようにカスタマイズすることができます。 2つのカートリッジが快適ロボットプレップステーションにハイブリダイゼーション後の処理を通過し、次の日デジタル分析器上に結像することができるので、24サンプルの合計は、12の二組にずらし、単一の日に調製することができます。 12のバッチでサンプルの互い違いの処理は、ハイブリダイゼーション時間を標準化することが重要です。データ分析は、高解像度スキャンは稀miRNAの検出を改善し得ることを示唆している場合に撮像されているカートリッジを再スキャンする保存され4 O℃で保存することができます。まれな分子の検出はまた、より長いためのサンプルをハイブリダイズさせることによって改善することができます。しかし、長時間のハイブリダイゼーションはresulあり過飽和でtと開始RNA濃度は(細胞外ベシクル由来のRNAのように)低い場合にのみ、結果を改善することができます。プラットフォームの感度と精度が比較的低存在量miRNAは確実にカウントすることができます。
テクニックの制限事項
記載の遺伝子発現アッセイプラットフォームはアレイあたり800ターゲットまで収容します。したがって、全体のmiRNAトランスクリプトーム/全トランスクリプトーム研究には適していません。唯一、既知記載、及び指定されたターゲットプラットフォームを用いて検出することができるので、新しい分子種の検出には適していません。このようなRNASeqや他の伝統的なマイクロアレイ法などの他の方法は、全トランスクリプトーム探索的研究に適しています。
既存の/代替方法に関して技術の意義
IBSは、症状の組み合わせによって特徴付けられる、PRINcipally腹痛を含みます。内臓過敏症;そして、このような頻繁な下痢、便秘、またはその両方9,10の組み合わせのような排便習慣の変化。 IBSの症状は、既知の器質的原因がなく、患者が臨床的に有意な炎症、胃腸組織の組織病理学的摂動、または全身マーカー9-12で提示しません。研究は、IBSにおける生物学的調節不全は、炎症や免疫機能10周り新興共通のテーマで、微妙な不顕性、および不均質であることを示唆しています。したがって、我々は実験導入の変動を制御し、確実に遺伝子発現に微妙な摂動を検出することが可能だったプラットフォームを使用する必要がありました。アッセイおよびシステムの固有の属性は、サンプル処理を標準化し、再現性の高いデータを生成する技術的変動を低減する、自動化による処理実験を減らします。これらの機能は、集中的な調査を可能にし、高精度とrを生成しますeplicableデータ。強度 – または増幅ベースの方法を使用する場合に、より豊富なターゲットの信号によって見過ごさまたは圧倒することができる低発現のターゲット間の微妙な摂動と摂動の検出を可能にします。 PCRベースのマイクロアレイとRNAseq方法説明プラットフォームを使用する実行可能な代替であり、高いスループットが要求された場合、代替として魅力的であってもよいし、その目的は、全トランスクリプトームを特徴づけるために、または新規分子を探すことであるとき。しかし、選択肢が正確かつ高感度に検出し、希少な目標や微妙な乱れを定量においても実行しない場合があります。
このテクニックをマスターした後、将来のアプリケーションや行き方
IBSの参加者における循環miRNA発現は有意とカテゴリ内で一貫両方であることが見出された摂動の数を示しました。同定されたmiRNAは、関連pathwaと関連していましたYSと機能性疼痛状態(のmiR-342-3p:慢性膀胱痛)を含む病理学的状態、8および炎症(のmiR-150)13。研究事例は、関心の対象とシステムを定義するために使用される探索コホートに基づいていました。よりターゲットを絞っ、より小さいmiRNAアレイは、サンプルコストあたり低下し、検証と署名とバイオマーカーを精製するために、費用対効果の高い方法で分析することがはるかに大きなコホートを可能に構成しました。遺伝子発現プラットフォームアッセイ系は、分子署名とバイオマーカー14-16を改良し、テストするためのマイクロアレイとよりターゲットを絞った、仮説駆動型のデータ収集の伝統的な探索的性質との間のバランスをとります。方法について説明ターゲットmiRNAが過剰発現または阻害実験である場合、in vivoでおよびin vitroモデルにおいて 、分子およびタンパク質の摂動を調べるために使用されます。新しいアッセイは、mRNAおよびPの同時定量が可能に直接細胞および組織溶解物からroteins。また、末梢血と排泄物( 例えば、尿)の特定画分の精製を最適化することにより、および特定のアッセイパラメータをカスタマイズし、最適化することにより、低分子濃度の画分( 例えば、エキソソーム画分)の分子プロフィールと署名を検討します。
The authors have nothing to disclose.
The authors acknowledge funding from the U.S. Department of Health and Human Services, the National Institutes of Health, the National Institute of Nursing Research, and the Division of Intramural Research to Wendy A. Henderson, 1ZIANR000018-01-06; the Intramural Research Training Awards to Nicolaas H. Fourie, Ralph M. Peace, Sarah K. Abey, and Leeanne B. Sherwin; and special support from the Burroughs Wellcome Fund to Howard Hughes-NIH Research Scholar Ralph M. Peace.
The opinions expressed herein and the interpretation and reporting of these data are the responsibility of the author(s) and should not be seen as an official recommendation, interpretation, or policy of the National Institutes of Health or the United States Government.
nCounter Prep-Station | Nanostring | N/A | Essential |
nCounter Digital Analyzer | Nanostring | N/A | Essential |
Spectrophotometer | NanoDrop | ND-1000 | Can use suitable equivalent |
Centrifuge | Any | N/A | Can use suitable equivalent |
MiniMicroCentrifuge | Any | N/A | Can use suitable equivalent |
Pipettes (1000, 100, 20, 10ul) | Any | N/A | Can use suitable equivalent |
Qiacube | Qiagen | 9001292 | Can use suitable equivalent |
PAXgene Blood miRNA Kit | Qiagen | 763134 | Can use suitable equivalent |
PAXgene Blood Tubes | VWR | 77776-026 | Can use suitable equivalent |
nCounter Human miRNA Assay Kit | Nanostring | 150625 | Essential |
nCounter Master Kit | Nanostring | 100050 | Essential |
nSolver | Nanostring | N/A | Essential |