المكتشفة حديثا المؤكسد أشكال 5-ميثيلسيتوسيني (أوكسي-mCs)، 5-هيدروكسيميثيلسيتوسيني (5hmC)، 5-فورميلسيتوسيني (إف سي 5) و 5-كاربوكسيلسيتوسيني (5caC) قد تمثل تعديلات الحمض النووي متميزة مع أدوار وظيفية فريدة من نوعها. هنا هو وصف سير عمل شبه كمي للتصور oxi-الإشراف على التوزيع المكاني والتنميط كثافة إشارة كولوكاليزيشن.
لعدة عقود، قد تم 5-ميثيلسيتوسيني (5mC) يعتقد أن تعديل الحمض النووي فقط مع دلالة وظيفية في ميتازوانس. اكتشاف الانزيمية أكسدة 5mC إلى 5-هيدروكسيميثيلسيتوسيني (5hmC)، 5-فورميلسيتوسيني (إف سي 5) و 5-كاربوكسيلسيتوسيني (5caC)، فضلا عن الكشف عن N6-ميثيلادينيني (6mA) في الحمض النووي للكائنات الحية متعددة الخلايا تقدم درجات إضافية التعقيد لأبحاث جينية. وفقا لمجموعة متزايدة من الأدلة التجريبية، قد تلعب هذه التعديلات الحمض النووي رواية أدوار محددة في العمليات الخلوية وإنمائية مختلفة. الأهم من ذلك، نظراً لأن بعض هذه الأنسجة معرض علامات (هاء زاي 5hmC ونادي 5 5caC)-والتنموية الخاصة بمرحلة التواجد في الفقاريات، immunochemistry يمثل أداة هامة للسماح بتقييم التوزيع المكاني لتعديلات الحمض النووي في سياقات البيولوجية المختلفة. ويرد هنا أساليب التحليل الحسابي لتعديلات الحمض النووي تصور طريق immunostaining تليها مجهرية [كنفوكل]. على وجه التحديد، توليد البعد 2.5 (2.5 D) إشارة المؤامرات كثافة، إشارة تظهر كثافة، والتقدير الكمي لتلطيخ كثافة في الخلايا وتحديد الإشارات كولوكاليزيشن معاملات متعددة. جماعياً، قد تكون هذه التقنيات التشغيلية في تقييم مستويات والتعريب من هذه التعديلات الحمض النووي في النواة، المساهمة في توضيح أدوارهم البيولوجية في ميتازوانس.
مثلايشن الحمض النووي، إليه موثقة توثيقاً جيدا المرتبطة بتنظيم النسخي يستتبع تعديل بقايا السيتوزين في 5 ‘-سيتوزين-فوسفات-جوانين-3’ سياق dinucleotide (البد) عن طريق إضافة مجموعة الميثيل (-CH3) 5- ذرة كربون حلقة بيريميدين السيتوزين لتشكيل 5-ميثيلسيتوسيني (5mC)1. في الثدييات، وحوالي 70% المعبأة هي ميثليته الذي يشكل 1% فقط من مورثات بهم كما أنها تنضب من هذا التسلسل المتناوب نظراً لميل مطفرة 5mC شكل عفوي دياميناتي إلى الثايمين2. وتبين وجود مجموعات الميثيل على تسلسل الجين المروج علاقة قوية مع القمع النسخي في الفقاريات3،،من45. بالإضافة لهذه المجموعات الميثيل هو تحفزها عاليا المصانة الحمض النووي الإنزيمات ميثيلترانسفيراسي (دنمت) DNMT3a 3b و 3 لتر و DNMT1 وتعديل سيتوسينيس البد في سياقات مثلايشن حيثياته والصيانة على التوالي6. DNMT3A/ب التعبير مرتفعة خلال التنمية في الخلايا الجذعية الجنينية وابيبلاست؛ لكن يلاحظ التعبير عن تقلص عقب pluripotent خلية نسب الالتزام بمصائر جسدية أثناء تمايز8. بينما تقاسم التكرار الوظيفي، DNMT3a و 3b عرض أنماط التعبير الخاصة بالانسجة، مع 3a الكشف عن شكل موحد في الأجنة الماوس لكن 3b الغالب مترجمة إلى نيوروكتوديرم و أنسجة المشيمة الأديم الظاهر8.
يمكن توارث التوقيعات مثلايشن أثناء الانقسام والانقسام الاختزالي10. مثلايشن الصيانة ينطوي على تعديل DNMT1 سهلت البد السيتوزين المخلفات الموجودة في نصفي ميثليته باليندروميس في الحمض النووي المزدوج-الذين تقطعت بهم السبل11. يربط DNMT1 الحمض النووي في النسخ المتماثل شوك11 ونتيجة لذلك، مثلايشن الجينوم المستويات الذروة خلال المرحلة S من دورة الخلية12. DNMT1 ميثيلاتيس سيتوسينيس غير معدلة وبالتالي التمييز المركب حديثا خيوط الحمض النووي وتعزيز المنظمة إكستشروموسومي والحفاظ على القمع النسخي الملامح13. ويحتفظ DNMT1 من خلال الاعتراف بتسلسل “الحمض النووي البد” هيمي ميثليته، الأنماط المتبعة في مثلايشن التي خططتها حيثياته مثلايشن مثل القمع الطويل ويتخلل النووية العنصر 1 (LINE1) ريتروترانسبوسون المروجين تمنع نشر مسرطنة محتملة لها14. على الرغم من امتلاك هيمي ميثليته تقارب ملزم التفضيلية الحمض النووي، DNMT1 يمكن أن ميثيلاتي البد أونميثيلاتيد الجزيرة (CGI) تسلسل في خلايا متحولة DNMT3a/b -/- ، الاضطلاع بدور مثلايشن طوارئ دي نوفو 15 . وهكذا نظراً لطبيعة الحمض النووي النسخ المتماثل16شبه المحافظ، الخص مثلايشن الصيانة يمكن إخلاص التوقيعات مثلايشن من الوالد إلى ابنه خلية17.
ومع ذلك، للجينات التعبير أن يكون التعديل مثلايشن التضمين بشكل حيوي، والقمعية يجب محو، الذي يمكن أن تحققه demethylation السلبي والإيجابي آليات18. البروتينات ترانسلوكاسي (TET) 10-أحد عشر ينتمون إلى عائلة مصانة من البروتينات ديوكسيجيناسي قادرون على أكسدة متكررة من مجموعات الميثيل في البد بقايا19. هذه البروتينات تيت، مثلى لقاعدة ي ملزم البروتينات (إدارة) اكتشفت في برسي المثقبيات، الاعتراف وربط الحمض النووي تعديل قواعد مثل 5mC والأوكسجين هذه المخلفات إلى 5-هيدروكسيميثيلسيتوسيني (5hmC)، 5-فورميلسيتوسيني (إف سي 5) و 5- كاربوكسيلسيتوسيني (5caC)20. البروتين تيت يسرت أكسدة 5mC النتائج في تغيير تشكيل تدريجي من الميثيل إلى تكوينات الهيدروكسيل والكربونيل وكاربوكسيلات، لكن يمكن توليفها التعديلات 5fC و 5caC مباشرة من 5mC الأكسدة21، 22 , 23 , 24.
مؤشرا مفيدة نشاط البروتين تيت في فهم تنظيمها بدراسة توزيع ووفرة من علامات أوكسي-الميثيل-السيتوزين. وجود 5mC كبير في البد الفقيرة المروجين قابلاً للاكتشاف وعلى النقيض من المناطق الغنية البد أونميثيلاتيد، لأنها مميزة من البد جزر25. عبر الأنسجة، والأنسجة أعلى مثلايشن محددة ويلاحظ في المخ والخصية والدم بينما يحمل مخاطية الفم هيبوميثيليشن أكبر، تشير إلى نمط مثلايشن تفاضلية التي تحدث في أنسجة محددة المروجين26.
من خلال استخدام 5mC مكافحة حساسة ومكافحة 5hmC أظهر الأضداد في انتقائية الميثيل/هيدروكسيميثيل الحمض النووي إيمونوبريسيبيتيشن (مدب/هميديب)، وتسلسل الإنتاجية العالية اللاحقة، فوكلاند et al. شغل 5hmC عالية على المروجين، exons ومتواليات ريتروترانسبوسون الخط-1 الذي يرتبط بمستويات انخفاض 5mC في هذه المواقع في الماوس الجنينية الجذعية الخلايا27. عكسيا، لوحظ أكبر 5mC الإثراء في تسلسل الساتلية المتكررة حيث كان الوجود 5hmC المحدودة28. وتكشف الدراسات التي أجريت على أنسجة المخ البشري فص جبهي تخصيب 5hmC هامة للغاية، وأربعة إضعاف عما كانت عليه في الخلايا الجذعية الجنينية الماوس28. في التوافق مع الملاحظات السابقة، مترجمة عالية الإنتاجية تسلسل فص جبهي الأنسجة تبين الأغلبية 55-59% من إشارة 5hmC في الكثافة السكانية المنخفضة البد مروج المناطق، 35-38 في المائة داخل الهيئات الجينات وحوالي 6% نسبة أشغال في إينتيرجينيك المناطق. وفي المقابل، اثريت 5mC في المناطق إينتيرجينيك (25-26 في المائة) وأعلى داخل الهيئات الجينات (52-55%) لكن انخفاض (22-24 ٪) في مروج تسلسل29. هذه الدراسات تشير إلى وفرة 5hmC في الخلايا الجذعية الجنينية والأنسجة الجسمانية، وخاصة في الدماغ، بيد أن تقتصر تحقيقات بشأن توزيعات 5fC و 5caC.
من المثير للاهتمام، اكتشفت مؤخرا في حقيقيات النوى، مثلايشن بقايا الأدنين في موقف 6 النيتروجين (N6) العرض (6mA) وفرة الجينوم الشخصية معكوس لأن 5mC30. وتكشف الملاحظات من الترادف اللوني السائل إلى جانب الطيف الكتلي 6mA المستويات المطلقة وجود فائض في سمك الزرد والخنزير الأجنة في وقت مبكر مقارنة بالحيوانات المنوية مع المستويات (0.003% أدينينيس الجينوم) تزداد باطراد على الإخصاب، وتبلغ ذروتها في مرحلة إنمائية morula (33 إضعاف أعلى من الحيوانات المنوية) وبلوغ مستويات جسدية حالة ثابتة من 0.004% من الجينوم أدينينيس31. إيمونوبريسيبيتيشن 6mA أثري تسلسلات الحمض النووي أثبت شغل الغالبة (حوالي 80% الإثراء) هذه العلامة في مناطق العنصر المتكرر وبدء النسخي مواقع32. تأطير هذه الملاحظات والتحقق من اكتشاف 6mA فارغة ديميثيلاسي هبوساطة الخلايا الجذعية مبريونيك العارضة 6mA المتراكمة إسكات ريتروترانسبوسون الخط-1 مقارنة بالعناصر النشطة ترانسكريبتيونالي في خلايا wildtype. تشير هذه البيانات إلى دالة تنظيمية النسخي ل 6mA33.
بينما العلامات البيوكيميائية مترافق بالإضافة إلى فحوصات DIP اللاحقة تشير إلى وجود أو عدم وجود مشتقات ميثيلسيتوسيني المؤكسدة (أوكسي-mCs)، لا يمكن نقلها التوزيع المكاني أو المعلومات القابلة للقياس الكمي لهذه العلامات34، 35-بروتوكول للكشف عن حساسية 5hmC و 5caC قد وضعت مؤخرا36. هذا الأسلوب إيمونوستينينج الثانوي القائم على جسم fluorophore مترافق مقترنة باستخدام الفحص المجهري [كنفوكل] الليزر يمتلك ميزة فريدة من نوعها لتوفير الترجمة المرئية لهذه التعديلات الحمض النووي داخل الخلايا، وبالتالي، إذ تؤكد الفردية سلبا أو إيجاباً الملون الخلايا المقابلة مع وجود هذه العلامات غير متجانسة. كثافة مطلقة إشارة 5hmC و 5caC كما تتضخم بالأجسام المضادة مترافق تمكين تفسيرات شبه كمي المقترح حول حجم والمواقف من هذه العلامات داخل النواة مثلاً في منطقتي هيتيروتشروماتيك يوتشروماتيك 37 , 38-هنا يتم وصف أسلوب للتحليل الحسابي للصور مجهرية [كنفوكل]. توليد التوزيع المكاني د 2.5 المؤامرات لعرض 5hmC متميزة ويتجلى 5caC إشارة قمم كل بكسل ومواقعها داخل الأنوية. المدرج التكراري يرسم من 5hmC وكثافة في إشارة 5caC يمكن أن توضح الاتجاهات في وفرة من هذه العلامات كالقمم وأحواض يتم رسمها كقنوات منفصلة غير متداخلة. أخيرا، من خلال تنفيذ الدالة كولوكاليزاتيون، يمكن تحديد درجة قرب إشارة واحدة إلى أخرى ونتيجة لذلك، يمكن تحديد إحداثياتها الجينوم كل منهما.
ويصف هذا البروتوكول عملية تدريجية لإنشاء عروض تقديمية مرئية لتعديلات الحمض النووي داخل نواة. بينما حساسية وتأثيراً، تمتلك هذه التقنيات عددا من أوجه القصور.
فإنه من الضروري التأكيد على أن قطع البيانات التي تم إنشاؤها من 2.5 د، وكثافة الإشارات والتحليل كولوكاليزاتيون شبه كمي في الطبيعة. سبب الإضاءة نقطة بنقطة العينة أثناء الحصول على الصور في ليزر المسح مجهر [كنفوكل]، يتم تسجيل كثافات إشارة المطلق لكل قناة. ومع ذلك، هذه ليست المقادير المطلقة ل 5hmC و 5caC التي تم الكشف عنها وفقط تمثل مؤشرات على وجود أو غياب أو حجم هذه علامات جينية.
نظراً للطبيعة المتكررة لإشارة إيضاحات مسهبة، إرباك القيود متسقة مع الحجم الآلية المطبقة لتعزيز الإشارات حتما تقريبية لشغل الجينوم المادية الحقيقية لهذه علامات34. قد تحجب التعريب الجينوم الحقيقية لهذه العلامات بهذه البروتينات الضخمة، التي تحتل فعلياً المناطق قابل للحل حتى في حدود 200-300 نانومتر34القرار الأمثل [كنفوكل]. وعلاوة على ذلك، لا يمكن مقارنة كثافة إشارة القنوات الفردية لكل علامة لبعضها البعض نظراً للاختلافات في جسم حساسية و تصريف فلوروفوري34. ولكن المعلومات التي تم الحصول عليها مع التصوير يلقي الضوء على المنظمة المكانية والزمانية للعلامات الجينية.
لدقة كوانتيتيشن إشارات 5hmC و 5caC، سلط الضوء على الأنوية وطوق ضد كونتيرستين DAPI، وضوح ترسيم المنطقة ليتم تحليلها. يوزع هذا الإجراء مع الحاجة إلى معايرة عتبات النابضة كما يتم تجاهل ضجيج الخلفية من خلال دليل عملية اختيار نواة1. يمكن أن يتحقق أتمتة هذه العملية في أحدث البرامج التي تسمح بتجزئة النووية التي يتعين القيام بها. حين حزم البرمجيات الحرة البديلة مثل فيجي المتاحة للتحليل كولوكاليزيشن، وعيوب كشرط لتحويل الصور إلى صيغ ثنائية 8 بت، إخفاء الصور وإدخال البيانات حجم الاستبعاد لتحديد مناطق لمصلحة الحد إمكانية المستخدم لهذا البرنامج. بالإضافة إلى ذلك، النظر الشاملة محدودية مستويات 5hmC و 5caC في الجينوم مقترنة بموقعها المهيمن في مناطق يوتشروماتيك، ونضوب الجينوم البد تسلسل بشكل عام، يطوق اليدوي نويات يدخل المستخدم–التحيز. ولذلك، تسليط الضوء على نويات تلقائياً تفترض جميع الأحداث التي تقع داخل منطقة مرسمه لتكون إيجابية ويتجاهل أي بكسل الخلفية التي قد تكون موجودة. وهكذا، تحليل الصور استناداً إلى كثافة بكسل قد يكون أكثر جدوى. هذه العوامل مهمة عند النظر في استخدام معامل كولوكاليزيشن ماندر لتحليل درجة التداخل المكاني بين إشارتين، بصرف النظر عن كثافة إشارة بهم كمعارضة لمعامل الارتباط بيرسون الذي يفترض العلاقة الخطية بين الإشارات.
عموما، تحمل التقنيات المبينة هنا موضوع تمثيل مرئي للبيانات البيولوجية في شكل بديهية. بينما تحليل الصور شبه كمي لا يمكن أن تحل محل تقنيات قوية مثل الطيف الكتلي من حيث الحساسية أو الجينوم قرار وحيد بقاعدة واسعة تتابعها، أنها توفر بيانات تكميلية تسمح الاستنتاجات والفرضيات أن تصور من تحليل الصور بدقة.
The authors have nothing to disclose.
العمل تدعمها التكنولوجيا الأحيائية، ومجلس بحوث العلوم البيولوجية [BB/N005759/1 إلى أ. ر.]. ومولت نرفه روسيتريس الثقة والأمانة ستونيجاتي [A1130/M546]. ومولت المجهر زايس اليرا PS.1، وتجهيز أجهزة الكمبيوتر والبرامج ب BBSRC BB/L013827/1 (التخصصات سوبر القرار مجهرية مرفق في منحة جامعة نوتنغهام)
Zeiss Elyra PS1. Super resolution microscope equipped with LSM780 confocal head | Zeiss | NA | |
Zeiss Zen Black 2012 | Zeiss | NA | |
Zen Blue 2012 | Zeiss | NA | |
Microsoft Excel | Microsoft | NA |