初期 3′ 末端の公平な測定だけでなく、単一座礁させた DNA の分子の変異プロファイルを提供するディープ シーケンス アプローチをご紹介します。メイン アプリケーションは、初期のレトロ ウイルス相補的 Dna (Cdna)、レトロ ウイルスの逆転写の過程で生成される中間体の特性です。
ウイルスの複製中に核酸中間体の監視ウイルスの DNA 合成の効果および抗ウイルス化合物とホスト細胞タンパク質の作用メカニズムに洞察力を提供します。ここでウイルス感染症の生理学的なコンテキスト内でレトロ ウイルスの逆のトランスクリプション中間体を定義することができる細胞ベース、カバー力が高く、高解像度のアッセイの欠如に取り組みます。記載されているメソッドは、単一のヌクレオチドの解像度での HIV-1 感染細胞内で初期相補的 DNA (cDNA) 分子の 3′ テルミニをキャプチャします。プロトコルを含む全細胞の DNA ハイブリッド キャプチャを介してウイルス DNA、アダプター結紮、ゲル精製、PCR 増幅、ディープ シーケンスとデータ解析によるサイズ分別の対象となる濃縮の収穫します。重要なステップは、3′-DNA テルミニを開くアダプター分子の効率的かつ公平な結紮です。記載されているメソッドのアプリケーションは、ある特定のサンプルのそれぞれの特定の長さの逆の転写の豊富さを決定します。それはまた任意の潜在的な突然変異により逆のコピーの (内部) シーケンス変化に関する情報を提供します。一般に、アッセイは、テンプレートの順序は知られている、DNA 3′-拡張に関する質問に適しています。
分析し、ウイルスの複製に、ますます洗練されたレプリケーションをキャプチャ技術を理解するために、中間体が必要です。日付に多くのウイルスの複製機構を持っているので特に、ウイルス核酸種感染細胞のコンテキスト内での正確な定義は新しい洞察力を提供できるされて分離の in vitro反応を検討しました。典型的な例は、ひと免疫不全ウイルス (HIV-1) 1 など、レトロ ウイルスの逆転写の過程です。浄化された蛋白質とプライマー延長の試金を中心に学び、核酸酵素ウイルス逆転写酵素 (RT) が二本鎖 DNA に一本鎖 RNA ゲノムをコピー中に、HIV 1 逆のトランスクリプションの様々 なステップがされています。酸1,2,3,4,5。基本原則が確立された、このような試金すべてのウイルスと細胞成分を内蔵していないと関与因子の生物学的関連性の高い結果を反映していない可能性があります。したがって、正確な cDNA 3′ 末端 (すなわち、彼らの正確な長さを決定する) と生活の伝染のコンテキストで塩基配列の逆のトランスクリプション中間体のスペクトルを決定するための強力な手法を考案しました。セル6。抗ウイルスの分子や蛋白質が効率性と DNA 合成のドメインに影響を与える可能性がありますの存在など、様々 な条件下での成績証明書のプロファイルを比較する実験・実習を利用できる時間からのデータ収集、蓄積。これにより標的薬剤設計および成功した治療的介入の基礎は、しばしば自然の病原体のライフ サイクルの詳細を理解します。
HIV 1 逆転写する一連のマイナス鎖の強力な停止と呼ばれる短い一本鎖 cDNA のトラン スクリプトを生成する RT 延長はゲノムの RNA テンプレートに tRNA プライマーのアニーリングによる連続イベント (-sss) (参照してください図 1)。その後、sss cDNA リピート (左から右) 5′-長いターミナルから、焼鈍、機能継続の RT のプライマーはマイナスの伸びを媒介として鎖 DNA ゲノムの RNA の 3′ LTR に転送されます (逆のトランスクリプション1のレビューを参照してください。,2,3,4). この最初の鎖の転送は逆のトランスクリプションの率制限ステップの 1 つしたがって、蓄積する sss cDNA が知られています。感染細胞の逆のトランスクリプション製品をキャプチャする基本的なワークフローとライブラリの設計は、図 2 aに記載されています。特異的プライマーとプロトコルで使用され、表 1に記載されている設定はすべてを早くターゲット分析逆転写 cDNA 中間長さ範囲 23 ~ 650 の nt は、180-182 nt – sss DNA にはが含まれています。ただし、適切なマイナーな適応戦略は、後半の逆のトランスクリプション製品だけでなく、他のウイルスやシステムへの応用目的は 3′ OH 含む DNA 終了を検出できます。考慮する重要な制限事項は、ライブラリの最終的な PCR の製品の長さの範囲特に、オープン 3′-末端のアダプターと上流プライマー サイト間の距離が 1000 nt を超えるテンプレートが可能性が高いより効率的にシーケンス、ライブラリの準備 (の間に技術的なバイアスを誤解を招く潜在的導入詳細と適応提案についての説明を参照)。
以前核酸鎖の 3′-テルミニの系統的定量のための報告の技術は、DNA ではなく RNA を分子に焦点を当てています。1 つの例は 3′ レース (cDNA の端の急速な拡大)7mRNA の起こるに依存しています。さらに、RLM レース (RNA のリガーゼ仲介競争)8またはレース (cDNA の端の結紮による増幅)9含まれている RNA リガーゼを用いたアダプター結紮ベース戦略は開発されました。結紮ベースの拡大、ligation の反作用自体によって導入された任意のバイアスに敏感であることを強調することが重要です。たとえば、結紮は、3′ の位置、シーケンス、合計の分子の長さ、または局所構造の特定の塩基配列によってもっとまたはより少なく効率的かもしれません。このようなリガーゼの好みは分子と私たちと他の人は9,10を観察している読み出しの不実表示の不完全なキャプチャに します。記載プロトコルでは、アダプターに追加の手順の中に、結紮バイアスを最小限に抑える、我々 は結紮戦略の数をテストし、T4 DNA リガーゼ ヘアピン一本鎖 DNA アダプターでの使用を発見した (國らによって記述します。11) ライゲーション効率制御オリゴヌクレオチド6の特別に選択したセットで評価するときに有意差には至らなかった定量的結紮の近くとプロシージャだけをします。この結紮戦略の選択は、したがって、このプロトコルの成功に重要な機能です。
日には、感染細胞内の HIV-1 RT 進行の監視主によって達成されている一意に測定短いまたは長いプライマー-プローブ セットを使用して量的な PCR (qPCR) と様々 な長さの逆のトランスクリプション製品を測定 (初期と後半、それぞれ) cDNA 製品12,13,14。この qPCR のアプローチはセルラ システムにおける逆のトランスクリプション プロセスの本質的な効率を決定する適切なのですが、出力は比較的低解像度の派生シーケンス情報がありません。我々 の新しいアプローチに基づいて最適化されたアダプター結紮、PCR を利用したライブラリを生成、およびアドレス ディープ シーケンス技術格差と定量的および単一のヌクレオチドの HIV-1 感染時に逆のトランスクリプションを監視する機会を提供しています解像度。
2 つ提案モデル間の HIV-1 制限因子 APOBEC3G の容量 (アテロームの mRNA 編集酵素触媒のポリペプチドのような 3 G) 干渉する識別における本法の有用性を説明している、ウイルスの逆のコピー6の生産。
高速、信頼性、およびコスト効率の高いディープ シーケンスのシーケンスに基づく分析の偉大な深さを許可する生命科学の分野での多くの側面をもたらしました。残りの課題は、革新的なデザイン、代表者の作成シーケンス ライブラリをあります。ここで初期のウイルス cDNA 分子、特に HIV-1 の逆のトランスクリプション プロセスの中間体をキャプチャするプロトコルについて述べる。
この戦略の最も重要なステップは、定量的かつ公平な方法、オープン 3′-テルミニ駅までのアダプターの ligation。両方の間の 2 つの ssDNA テルミニ間および効率、- と分子内、調査し、様々 なアプリケーション11,26,27,28,29用に最適化されています。手順 3.3 で説明した条件の下で T4 DNA リガーゼとヘアピンのアダプターを使用しての選択は異なるリガーゼ、アダプターとを表す総合的なオリゴヌクレオチド ligation 用試薬を行った実証の最適化の結果HIV-1 シーケンス (データは示されていない) (表 2)。生体外のテスト、これらの反応を確認した T4 DNA リガーゼがヘアピンのアダプターの ligation を介した國らによる記述で.11、非常に低いバイアスがあり過剰でアダプターを使用する場合、アクセプター分子の完全な結紮近く実現します。ライゲーション効率が多重プライマー システムの互換性のあるアダプターをレンダリングする塩基の添加による影響を受ける (図 4を参照)。比較では、ことがわかった、耐熱性 5′ DNA ・ RNA リガーゼ (「リガーゼ」、参照テーブルの材料に比べて正確なリガーゼの)、は、設計された RNA リガーゼの一部開発された受容体とライゲーション効率を改善するには27、RNA リガーゼ (「リガーゼ B」) がある重要なバイアスは、オリゴヌクレオチドを単一塩基長の違い [表 2 間もライゲーション効率の強い相違よりも、2 つの一本鎖 Dna 分子を縛ることで確かに効果的であった;G (a) と (b) 半ば詐欺 HTP]。さらに、”リガーゼ C”、無作為に選ばれた 5′ 末端を運ぶアダプター併用で最小限のバイアスのみで反応である (戦略”リガーゼ C”の知られているヌクレオチド バイアスをオフセットするために使用; たとえば鼎らを参照してください。30). ただし、”リガーゼ C”-仲介された分子間を完了、T4 DNA リガーゼ システムに優れた選択をレンダリングしていなかった。
プロトコルのコースと正と負のコントロールを含めることにいくつかの品質管理手順アッセイ継続する前に潜在的な問題の検出および努力のトラブルシューティングのためのガイダンスを提供できます。QPCR 数量 2.2.2 と 2.3.12 の手順では、入力素材の量が十分であることを確認します。約 10,000 に 30万個 μ L から 200 μ L (ステップ 2.1) からの溶出範囲で典型的な cDNA コピー数。ハイブリッド キャプチャ ステップことができます全体的な HIV-1 のいくつかが失われる cDNA 数量 HIV 1 cDNA の強い濃縮によって濃縮の前後にゲノム DNA を定量化する適切なプライマーを使用して定めることができる細胞の DNA にありますが、qPCR または DNA 濃度の測定によって。回復の HIV-1 cDNA ハイブリッド キャプチャ手順を実行した後は、入力の少なくとも 10% をする必要があります。開始材料低可能性があります成功したオリゴヌクレオチド肯定的な制御を説明するそれ以外の場合 (手順 3.3.2 参照) しますが、限られたサンプルでの読み取り。低は、MiSeq アダプターなし無関係 DNA 種の存在のためのライブラリ濃度の過大評価で説明できるは、全体の数字もお読みください。これは低クラスター密度になるし、蛍光アッセイによって合計の DNA 量に加えて qPCR によるライブラリ内の HIV-1 シーケンスの濃度を決定することで改善できます。メソッドの非常に敏感な性質のため特別な注意が必要 (特に、高濃度コントロール オリゴヌクレオチド株式) からでなく、実験装置からの他のサンプルの両方からも低レベルの汚染を避けるために。PCR のワークステーションを殺菌紫外線での作業この点で有益です。最後のライブラリ (ステップ 6.1.2) の自動ゲル電気泳動は、さらに品質管理指標です。通常観察核酸サイズ範囲は 150 に 500 nt プライマー PCR 後浄化 (ステップ 5.2 の注を参照してください) 今欠席すべき前に、オプションのコントロールで検出可能です。代表的な結果でサンプル強度曲線のピークは約 160 に 170 nt と 2 番目のシャープ ピーク約 320 に 350 nt。これはおそらく比較的短い (1 に 20 nt 挿入長さ) 逆のコピーとフルレングスの強力な停止 (182 に 180 nt 挿入長さ) の両方でよく見かける高い豊かさを反映している (図 3b)。
提案するプロトコルと選択したプライマーが早期の HIV-1 逆のトランスクリプションの構成要素の特定、メソッドはオープン 3′ 末端の DNA を決定することを目指して研究に一般的に適用されます。他のコンテキストに必要な主な変更は、ハイブリッド キャプチャ ・ プライマー デザイン戦略メソッドになります。たとえば、ターゲットを後半の HIV-1 の成績証明書に適応する場合は、多数の異なるキャプチャ ビオチン標識オリゴヌクレオチド Dna の長さにわたって焼鈍勧められる、ハイブリッド キャプチャ手順で損失を減少する可能性が。導入で述べたように、その 3′ 末端がさまざまなソース バイアスを避けるために検出する範囲を設計するときの制限を考慮することが重要です。最初に場合、可能性がありますバイアス PCR の反作用でアダプターのテンプレートは、非常に様々 な長さの。第二に、(例えばMiSeq) シーケンス プラットフォーム使用ここでは、最適なクラスタ リングの最寄りの挿入長さの範囲と短く、長い製品が同じ効率でのシーケンスを処理しない可能性があります大幅。一部では、これは計算上、長さバイアスの補正係数を計算することによって行われていた対処できる (図 4下のグラフを参照してください)。ただしの 3′ 末端のマッピングが必要な領域が長い場合 (> 1000 nt)、それはより結紮の転写産物が関与する反応を分割し、3′ 末端のセクションでを評価するために複数の上流のプライマーを使用することをお勧めします。
解析プログラムは、任意の突然変異を識別するために全ての基地の基本バリエーションだけでなく、固定アダプター シーケンスに隣接する HIV-1 シーケンスの両方の最後のヌクレオチドの分析の特定の目的のため社内に書かれていた。個々 のステップは、以下を構成する: まず、アダプター シーケンスは fastx 0.0.13 ツールキット; を使用してトリムされますその後、(バーコードを含む同一のシーケンスを意味する) 重複したシーケンスが削除されます。残りのすべてのユニークな読み取りは、ボウタイ (http://bowtie-bio.sourceforge.net/index.shtml) を用いた 3 つの拠点に設定最大の不一致 HIV-1 シーケンスに配置されます。テンプレートのシーケンスで構成されています最初の 635 – sss シーケンスと polypurine トラック (U5 R U3 PPT; を参照してください図 1) までの最初の鎖転送製品を含む HIV 1 cDNA (NL4.3 株) の nt。これにより、指定されたソフトウェアとテンプレートも、直接適切なメソッドを使用して同じアプリケーション (HIV-1NL4.3の初期の逆のコピーの検出) の場合だけです。調整は、他のターゲット シーケンスのために作られる必要があります。各 read に対して 3′ テルミニの位置は、配置位置によって決定されました。各位置のためのデータベース呼び出しが記録され、突然変異率は異なりますが、さまざまな長さの読み取りがあり、Read2 の 125 ベース シーケンスによって長い挿入は全く扱われない各拠点の全体のカバレッジから計算されます。
最後に、研究の多くの種類のための貴重なツールであることこの方法と考えています。明白なアプリケーションには、抗レトロ ウイルス薬や携帯電話の制限要因を逆転写抑制機構の調査が含まれます。ただし、唯一の比較的マイナーな調整は 3′ 末端他一本鎖 DNA ウイルス中間体、パルボ ウイルス複製にたとえば、ある内でマッピングするシステムを適応する必要する必要があります。さらに、法、特にその最適化された結紮のステップの原理が伸び触媒による細胞の二本鎖 DNA を含むすべての 3′ の DNA の拡張の特性のライブラリ作成デザインのコアな部分を提供できます。ポリメラーゼ。
The authors have nothing to disclose.
著者・ マリム研究所、ルイス アポロニア、Jernej Ule とレベッカ Oakey のメンバーのサポートを認めます。著者に感謝キングス カレッジ ロンドンのゲノム センターでマット アルノとデビー ヒューズ大学大学ロンドン (UCL) で、研究所神経次世代シーケンス処理施設は、MiSeq シーケンスのヘルプが実行されます。付与契約の下での作業、英国医学研究評議会 (G1000196 ・氏/M001199/1 MM に)、Wellcome の信頼 (106223/Z、14、Z MM の ~)、欧州委員会の第 7 フレームワーク プログラム (FP7/2007-2013) 支えられないです。(懲戒パネル) に PIIF-ジョージア州 2012-329679 と、保健省経由で男のと聖トマス NHS 財団保健管理センター総合医研究賞、国立衛生研究所キングス ・ カレッジ ・ ロンドンとキングとの提携で信頼大学病院 NHS の基礎信頼。
293T cells | ATCC | CRL-3216 | |
Dulbecco's Modified Eagle's Medium | Gibco | 31966-021 | |
Penicillin/Streptomycin | Gibco | 15150-122 | |
Fetal Bovine Serum | Gibco | 10270-106 | |
HeraCell Vios 250i CO2 Incubator | Thermo Scientific | 51030966 | |
Laminar flow hood – CAS BioMAT2 | Wolflabs | CAS001-C2R-1800 | |
10mm TC-treated culture dish | Corning | 430167 | |
TrypLE™ Express (1x), Stable Trypsin Replacement Enzyme | Gibco | 12605-010 | |
OptiMEM® (Minimal Essential Medium) | Gibco | 31985-047 | |
HIV-1 NL4-3 Infectious Molecular Clone (pNL4-3) | NIH Aids reagent program | 114 | |
Polyethylenimine (PEI) – MW:25000 | PolySciences Inc | 23966-2 | dissolved at 1mg/ml and adjusted to pH7 |
RQ1- Rnase free Dnase | Promega | M6101 | |
Filter 0.22 μm | Triple Red Limited | FPE404025 | |
15 mL polypropylene tubes | Corning | CLS430791 | |
Sucrose | Calbiochem | 573113 | |
Phosphate Buffered Saline (1x) | Gibco | 14190-094 | |
Ultracentrifuge tubes | Beckman Coulter | 344060 | |
Ultracentrifuge | Sorval | WX Ultra Series | Th-641 Rotor |
Alliance HIV-1 p24 antigen ELISA kit | Perkin Elmer | NEK050001KT | |
CEM-SS cells | NIH Aids reagent program | 776 | |
Roswell Park Memorial Institute Medium | Gibco | 31870-025 | |
CoStar® TC treated multiple well plates | Corning | CLS3513-50EA | |
Benchtop centrifuge: Heraus™ Multifuge™ X3 FR | Thermo Scientific | 75004536 | |
TX-1000 Swinging Bucket Rotor | Thermo Scientific | 75003017 | |
Microcentrifuge: 5424R | Eppendorf | 5404000060 | |
Total DNA extraction kit (DNeasy Blood and Tissue kit) | Qiagen | 69504 | |
Nuclease free H2O | Ambion | AM9937 | |
Cutsmart buffer | New England Biolabs (part of DpnI enzyme) | R0176S | |
DpnI restriction enzyme | New England Biolabs | R0176S | |
Oligonucleotides for qPCR | MWG Eurofins | N/A | HPSF purification |
TaqMan PCR Universal Mastermix | Thermo | 4304437 | |
LoBind Eppendorf® tubes | Eppendorf | 30108078 | |
Axygen™ aerosol filter pipette tips, 1000 μL | Fisher Scientific | TF-000-R-S | |
Axygen™ aerosol filter pipette tips, 200 μL | Fisher Scientific | TF-200-R-S | |
Axygen™ aerosol filter pipette tips, 20 μL | Fisher Scientific | TF-20-R-S | |
Axygen™ aerosol filter pipette tips, 10 μL | Fisher Scientific | TF-10-R-S | |
PCR clean hood | LabCaire | Model PCR-62 | |
DynaMag™2-magnet | Thermo | 12321D | |
Streptavidin MagneSphere® paramagnetic particles | Promega | Z5481 | |
Casein | Thermo Scientific | 37582 | |
End over end rotator, Revolver™ 360° | Labnet | H5600 | |
Tris-Base | Fisher Scientific | BP152-5 | |
Hydrochloric Acid | Sigma | H1758-100ML | |
EDTA disodium salt dihydrate | Electran (VWR) | 443885J | |
Sodium Chloride | Sigma | S3014 | |
Dri-Block® Analog Block Heater | Techne | UY-36620-13 | |
PCR tubes and domed caps | Thermo Scientific | AB0266 | |
PCR machine | Eppendorf | Mastercycler® series | |
T4 DNA ligase | New England Biolabs | M0202M | |
40% Polyethylene glycol solution (PEG) in H2O, MW: 8000 | Sigma | P1458-25ML | |
Betaine solution, 5M | Sigma | B0300-1VL | |
Gel loading buffer II (formamide buffer) | Thermo Scientific | AM8546G | |
Precast 6% TBE urea gels | Invitrogen | EC6865BOX | |
Mini cell electrophoresis system | Invitrogen, Novex | XCell SureLock™ | |
Tris/Borate/EDTA solution (10x) | Fisher Scientific | 10031223 | |
Needle 21 G x1 1/2 | VWR | 613-2022 | |
SYBR Gold nucleic acid stain (10000x) | Life Technologies | S11494 | |
Dark Reader DR46B transilluminator | Fisher Scientific | NC9800797 | |
Ammonium acetate | Merck | 101116 | |
SDS solution 20% (w/v) | Biorad | 161-0418 | |
Centrifuge tube filter | Appleton Woods | BC591 | |
Filter Glass Fibre Gf/D 10mm | Whatman (VWR) | 512-0427 | |
polyadenylic acid (polyA) RNA | Sigma | 10108626001 | |
Glycogen, molecular biology grade | Thermo Scientific | R0561 | |
Isopropanol (2-propanol) | Fisher Scientific | 15809665 | |
Ethanol, molecular biology grade | Fisher Scientific | 10041814 | |
Accuprime™ Supermix I (DNA polymerase premix) | Life Technologies | 12342-010 | |
NEBNext® Multiplex Oligo for Illumina (Index Primer Set 1 and 2) | New England Biolabs | E7335S; E7500S | |
Tapestation D1000 Screentape High sensitivity | Agilent Technologies | 5067- 5584 | |
Tapestation D1000 Reagents | Agilent Technologies | 5067- 5585 | |
2200 Tapestation – automated gel electrophoresis system | Agilent Technologies | G2965AA | |
Agencourt® AMPure® beads XP | Beckman Coulter | A63880 | |
Qubit™ dsDNA HS Assay Kit | Invitrogen | Q32851 | |
Qubit™ 2.0 Fluorometer | Invitrogen | Q32866 | |
Topo™ TA cloning Kit | Invitrogen | 450071 | |
Sequencing platform: MiSeq System | Illumina | ||
Experiment Manager (Sample sheet software) | Illumina | Note: Use TruSeq LT as a template | |
Miseq™ Reagent kit V3 (150 cycle) | Illumina | MS-102-3001 | |
Sequencing hub: Basespace | Illumina | https://basespace.illumina.com | |
Ligase A: Thermostable 5’ App DNA/RNA ligase | NEB | M0319S | Not used in this protocol, but tested in optimization process with results described in the discussion. |
Ligase B: T4 RNA ligase 1 | NEB | M0204 | Not used in this protocol, but tested in optimization process with results described in the discussion. |
Ligase C: CircLigase | Epicentre | CL4111K | Not used in this protocol, but tested in optimization process with results described in the discussion. |