遺伝子発現のキャップ解析(CAGE)は、単一ヌクレオチド分解能でRNAポリメラーゼII転写開始部位を捕捉するためにmRNA5’端部のゲノム全体の定量マッピングのための方法である。本研究では、総RNAのナノグラム量を用いて高品質なライブラリを生成するための低入力(SLIC-CAGE)プロトコルについて述べている。
遺伝子発現のキャップ解析(CAGE)は、RNAポリメラーゼII転写開始部位(TSS)の単一ヌクレオチド分解能検出に用いられる方法である。TSSの正確な検出は、コアプロモーターの同定と発見を強化します。さらに、活性エンハンサーは、双方向転写開始のシグネチャを介して検出することができる。ここでは、超低入力キャリアケージ(SLIC-CAGE)を実行するためのプロトコルです。CAGEプロトコルのこのSLIC適応は、目的のサンプルに追加されたインビトロ転写RNAキャリアミックスの使用を通じてRNA量を人工的に増加させることによりRNA損失を最小限に抑え、合計ナノグラム量からのライブラリー調製を可能にします。RNA(すなわち、何千もの細胞)。キャリアは、予想されるDNAライブラリー断片長分布を模倣し、それによって均質なキャリアの豊富さによって引き起こされる可能性のあるバイアスを排除する。プロトコルの最後の段階では、ホーミングエンドヌクレアーゼでキャリアが分解され、ターゲットライブラリが増幅されます。標的サンプルライブラリーは、ホーミングエンドヌクレアーゼ認識部位が長く(18~27bpの間)、真核ゲノム中に存在する確率が非常に低いため、劣化から保護されています。最終的な結果は、次世代シーケンシングの準備ができているDNAライブラリです。プロトコル内のすべてのステップは、シーケンスまで、6日以内に完了できます。キャリアの準備は、完全な営業日を必要とします。しかし、それは大量に調製することができ、-80 °Cで凍結保存することができます。配列決定後、読み取りを処理してゲノム全体の単一ヌクレオチド分解能TSSsを得ることができます。プロモーターに集約されると、データは 5’中心の式プロファイリングにも使用できます。
遺伝子発現のキャップ解析(CAGE)は、RNAポリメラーゼII転写開始部位(TSSS)1の単一ヌクレオチド分解能ゲノムワイドマッピングに用いられる方法である。その定量的な性質により、5’エンド中心の式プロファイリングも可能になります。TSSを取り巻く領域(上流および下流約40bp)はコアプロモーターであり、RNAポリメラーゼIIと一般的な転写因子が結合する物理的位置を表す(前述の2、3を検討)。TSSの正確な位置に関する情報は、コアプロモーターの発見およびプロモーターダイナミクスの監視に使用できます。さらに、アクティブエンハンサーは双方向転写のシグネチャを示すので、CAGEデータはエンハンサーダイナミクス4のエンハンサー検出およびモニタリングにも使用できます。CAGEの方法論は、最近、ENCODE 5、modENCODE 6、およびFANTOMプロジェクト7などの注目の研究プロジェクトでの幅広い応用と使用のために人気が高まっています。さらに、TSS情報はまた、疾患特異的TSSが診断目的8に使用することができるので、健康な組織および疾患組織を区別するために重要であることが証明されている。
TSSマッピングのためのいくつかの方法(CAGE、RAMPAGE、STRT、ナノケージ、ナノケージ-XL、オリゴキャッピング)が利用可能ですが、私たちと他の人は最近、CAGEが偽陽性の数が最も少ない真のTSSをキャプチャする最も公平な方法であることを示しました9,10.最近のCAGEプロトコルnAnT-iCAGE11は、制限酵素を使用してフラグメントを短いタグに切断することを回避し、PCR増幅を使用しないため、TSSプロファイリングのための最も公平なプロトコルです。nAnT-iCAGEプロトコルの制限は、大量の出発物質(例えば、各サンプルに対する総RNAの5μg)の要件である。特定の、生物学的に関連する質問に答えるために、多くの場合、そのような大量の出発物質(例えば、FACS選別細胞または初期胚期)を得ることは不可能である。最後に、nAnT-iCAGEが成功した場合、各サンプルから入手できるDNAライブラリー材料は1~2ngのみで、達成可能なシーケンシング深さを制限します。
総RNAのナノグラムのみを用いてTSSプロファイリングを可能にするために、最近、超低入力キャリアCAGE 10(SLIC-CAGE、図1)を開発しました。SLIC-CAGEは、高複雑性ライブラリを得るために合計RNAのわずか10 ngしか必要としならない。当社のプロトコルは、目的のRNAに追加された慎重に設計された合成RNAキャリアに依存し、合計5μgのRNA材料を達成します。合成キャリアは、過剰に均質な分子によって引き起こされる可能性のある潜在的なバイアスを回避するために、長さの分布の標的DNAライブラリーを模倣します。担体の配列は、2つの理由から、大腸菌ロイチルtRNA合成酵素遺伝子(表1)の配列に基づいている。第一に、最終ライブラリー内のキャリアの残りは、たとえ配列されたとしても、真核生物ゲノムにマッピングされない。第二に、大腸菌は中親和種であるため、そのハウスキーピング遺伝子はSLIC-CAGEに適した温度範囲に最適化されています。キャリア配列はまた、キャリアRNA分子に由来するDNAの特異的な分解を可能にするためにホーミングエンドヌクレアーゼ認識部位と組み込まれています。ホーミングエンドヌクレアーゼ認識部位が長いため、標的、サンプル由来ライブラリーはそのまま残ります(I-CeuI = 27 bp;I-SceI = 18 bp)および真核生物ゲノムに統計的に見られる可能性は低い。キャリアの特定の劣化とサイズ除外によるフラグメントの除去後、ターゲットライブラリはPCR増幅され、次世代シーケンシングの準備が整います。開始RNA量(1-100 ng)に応じて、13〜18 PCR増幅サイクルが必要とされる。各サンプルあたりのDNAの最終的な量は5〜50 ngの間の範囲で、非常に深いシーケンシングのための十分な材料を得る。総RNAの1-2 ngのみを使用する場合、真のTSSを検出することができます。ただし、ライブラリの複雑さは低くなるものが予想されます。最後に、SLIC-CAGEはnAnT-iCAGEプロトコル11に基づいているため、シーケンス前に最大8つのサンプルの多重化が可能です。
SLIC-CAGEライブラリの準備を成功させるためには、サンプル吸着によるサンプル損失を防ぐために、低結合のヒントとチューブを使用することが重要です。上清の取り出しを伴うすべてのステップで、サンプル量全体を回収することをお勧めします。プロトコルには複数のステップがあるため、サンプルの連続的な損失はライブラリの失敗につながります。
CAGE(nAnT-iCAGE)が日常的に行われていない場合は、同じ総RNAサンプルの異なる入力量(10ng、20ng、50ng、100 ng、200 ng)でSLIC-CAGEをテストし、合計RNAの5μgを使用して調製されたnAnT-iCAGEライブラリと比較することをお知りください。nAnT-iCAGEライブラリーが失敗した場合(サンプルごとに得られたDNAライブラリーの0.5-1 ng未満)、SLIC-CAGEは機能しそうになく、サンプル損失を最小限に抑える必要があります。
上限のない劣化RNAまたはrRNAを欠いている高品質のライブラリーを確保するための重要なステップは、セクション7で説明するキャップトラップです。ストレプトアビジンビーズが洗浄バッファーで完全に再懸濁され、洗浄バッファーが次の洗浄工程またはcDNAの溶出に続く前に除去されることが非常に重要です。
キャリア劣化の最初のラウンド後のqPCRの結果が、アダプター_f1とcarrier_f1プライマーの使用との間に違いがない場合は、プロトコルを継続することをお勧めします。キャリア劣化の第2ラウンドの後、Ct値の差が5未満の場合、キャリア劣化の第3ラウンドが推奨される。我々は必要な劣化の第三ラウンドを見つけたことがなく、それが発生した場合は、ホーミングエンドヌクレアーゼ株を交換することをお勧めします。
取得したライブラリの最終的な量がシーケンスに十分でない場合は、PCR 増幅の追加ラウンドがプロトコルに追加される可能性があります。PCR増幅は、サイズ選択で避けることができないサンプル損失を考慮して、シーケンシングに十分な材料を得るために必要な増幅サイクルの最小数で設定できます。SPRI磁気ビーズを使用した精製またはサイズ選択は、すべての小さな(<200 bp)フラグメントが除去されるまで実行され(必要に応じて0.6:1ビーズをサンプル比に使用)、ライブラリはPicogreenを使用して定量化する必要があります。
ライブラリは、シングルエンドモードまたはペアエンドモードでシーケンスできます。ペアエンドシーケンスを使用すると、トランスクリプトアイソフォームに関する情報を取得できます。さらに、逆転写はランダムプライマー(TCT-N 6、N6はランダムヘキサマー)を用いて行われるので、配列された3’エンドからの情報は、PCRの重複を崩壊させる一意の分子識別子(UMI)として使用することができる。適度な数のPCR増幅サイクルが使用される(最大18)ため、UMIの使用は以前に不要であることが分かっています。
プロトコルのコアは nAnT-iCAGE11に依存しているため、SLIC-CAGE は 8 つのバーコードを使用します。したがって、現在、8 個を超えるサンプルの多重化はサポートされていません。さらに、SLIC-CAGEとnAnT-iCAGEの両方は、プロトコルがAMPure XPビーズを使用してサイズ除外を通じてリンカーとPCRアーティファクトを除去するように設計されているので、200 bpより短いRNAをキャプチャするのに適していません。
SLIC-CAGEは、全RNA材料のナノグラムを用いて転写開始開始部位をマッピングするための唯一の偏りのない低入力単一ヌクレオチド分解能法である。代替方法は、キャップトラップの代わりにバーコードキャップRNAに逆転写酵素のテンプレート切り替え活性に依存する(例えば、NanoCAGE15およびNanoPARE16)。テンプレートの切り替えにより、これらの方法はTSS検出において配列固有のバイアスを示し、偽陽性TSSの数が増加し、真のTSS9、10の数が減少します。
The authors have nothing to disclose.
この研究は、ウェルカム・トラスト助成金(106954)がB.L.と医学研究評議会(MRC)コア・ファンディング(MC-A652-5QA10)に授与されました。N. C. は EMBO 長期フェローシップ (EMBO ALTF 1279-2016) によってサポートされました。E. P. は、英国医学研究評議会によって支援されました。B. L. は、英国医学研究評議会 (MC UP 1102/1) によってサポートされました。
2-propanol, Bioultra, for molecular biology, ≥99.5% | Sigma-Aldrich | 59304-100ML-F | Used in RNAclean XP purification. |
3' linkers | Sequences are described in Murata et al 2014 and Supplementary Table 1 of this manuscript. Annealing of strands to produce 3'linkers is described in the supplementary of this protocol. | ||
5' linkers | Sequences are described in Murata et al 2014 and Supplementary Table 1 of this manuscript. Annealing of strands to produce 5'linkers is described in the supplementary of this protocol. | ||
Agencourt AMPure XP, 60 mL | Beckman Coulter | A63881 | Purification of DNA |
Agencourt RNAClean XP Kit | Beckman Coulter | A63987 | Purification of RNA and RNA:cDNA hybrids in CAGE steps. |
Axygen 0.2 mL Polypropylene PCR Tube Strips and Domed Cap Strips | Axygen (available through Corning) | PCR-0208-CP-C | Or any 8-tube PCR strips (used only for water and mixes). |
Axygen 1 x 8 strip domed PCR caps | Axygen (available through Corning) | PCR-02CP-C | Caps for PCR plates. |
Axygen 1.5 mL Maxymum Recovery Snaplock Microcentrifuge Tube | Axygen (available through Corning) | MCT-150-L-C | Low-binding 1.5 ml tubes, used for enzyme mixes or sample concentration. |
Axygen 96 well no skirt PCR microplate | Axygen (available through Corning) | PCR-96-C | Low-binding PCR plates – have to be used for all steps in the protocol. Note that plates should be cut to contain 2 x 8 wells for easier visibility of the samples |
Bioanalyzer (or Tapestation): RNA nano and HS DNA kits | Agilent | To determine quality of RNA, efficient size selection and final quality of the library (Tapestation can also be used) | |
Biotin (Long Arm) Hydrazide | Vector laboratories | SP-1100 | Biotinylation/tagging |
Cutsmart buffer | NEB | Restriction enzyme buffer | |
Deep Vent (exo-) DNA Polymerase | NEB | M0259S | Second strand synthesis |
DNA Ligation Kit, Mighty Mix | Takara | 6023 | Used for 5' and 3'-linker ligation |
dNTP mix (10 mM each) | ThermoFisher Scientific | 18427013 | dNTP mix for production of carrier templates (or any dNTPs suitable for PCR) |
Dynabeads M-270 Streptavidin | Invitrogen | 65305 | Cap-trapping. Do not use other beads as these are optimised with the buffers used. |
DynaMag-2 Magnet | ThermoFisher Scientific | 12321D | Magnetic stand for 1.5 ml tubes – used to prepare Streptavidin beads. |
DynaMag-96 Side Skirted Magnet | ThermoFisher Scientific | 12027 | Magnetic stand for PCR plates (96 well-plates) – used with cut plates to contain 2 x 8 wells. |
Ethanol, BioUltra, for molecular biology, ≥99.8% | Sigma-Aldrich | 51976-500ML-F | Used in AMPure washes. Any molecular biology suitable ethanol can be used. |
Exonuclease I (E. coli) | NEB | M0293S | Leftover primer degradation |
Gel Loading Dye, Purple (6x), no SDS | NEB | B7025S | agarose gel loading dye |
HiScribe T7 High Yield RNA Synthesis Kit | New England Biolabs | E2040S | Kit for carrier in vitro transcription |
Horizontal electrophoresis apparatus | purification of carrier DNA templates from agarose gels | ||
I-Ceu | NEB | R0699S | Homing endonuclease used for carrier degradation. |
I-SceI | NEB | R0694S | Homing endonuclease used for carrier degradation. |
KAPA HiFi HS ReadyMix (2x) | Kapa Biosystems (Supplied by Roche) | KK2601 | PCR mix for target library amplification |
KAPA SYBR FAST qPCR kit (Universal) 2x | Kapa Biosystems (Supplied by Roche) | KK4600 | qPCR mix to assess degradation efficiency and requiered number of PCR amplification cycles |
Micropipettes and multichannel micropipettes (0.1-10 µl, 1-20 µl, 20-200 µ) | Gilson | Use of Gilson with the low-binding Sorenson tips is recommended. Other micropippetes might not be compatible.. Different brand low-binding tips may not be of equal quality and may increase sample loss. | |
Microplate reader | For Picogreen concentration measurement of the final library. Microplates are used to allow small volume measurement and reduce sample waste. | ||
nuclease free water | ThermoFisher Scientific | AM9937 | Or any nuclease (DNase and RNase) free water |
PCR thermal cycler | incubation steps and PCR amplficication | ||
Phusion High-Fidelity DNA Polymerase | ThermoFisher Scientific | F530S | DNA polymerase for amplification of carrier templates (or any high fidelity polymerase) |
QIAquick Gel Extraction Kit (50) | Qiagen | 28704 | Purification of carrier PCR templates from agarose gels. |
qPCR machine | determining PCR amplification cyle number and degree of carrier degradation | ||
Quant-iT PicoGreen dsDNA Reagent | ThermoFisher Scientific | P11495 | Used to measure final library concentration – recommended as, in our hands, it is more accurate and reproducible than Qubit. |
Quick-Load Purple 100 bp DNA Ladder | NEB | N0551S | DNA ladder |
Quick-Load Purple 1 kb Plus DNA Ladder | NEB | N0550S | DNA ladder |
Ribonuclease H | Takara | 2150A | Digestion of RNA after cap-trapping. |
RNase ONE Ribonuclease | Promega | M4261 | Degradation of single stranded RNA not protected by cDNA. |
RNase-Free DNase Set | Qiagen | 79254 | Removal of carrier DNA templates after in vitro transcription. |
RNeasy Mini Kit | Qiagen | 74104 | For cleanup of carrier RNA from in vitro transcription or capping |
Sodium acetate, 1 M, aq.soln, pH 4.5 RNAse free | VWR | AAJ63669-AK | Or any nuclease (DNase and RNase) free solution |
Sodium acetate, 1 M, aq.soln, pH 6.0 RNAse free | Or any nuclease (DNase and RNase) free solution | ||
Sodium periodate | Sigma-Aldrich | 311448-100G | Oxidation of vicinal diols |
Sorenson low binding aerosol barrier tips, MicroReach Guard, volume range 10 μL, Graduated | Sorenson (available through SIGMA-ALDRICH) | Z719390-960EA | Low-binding tips – recommended use throughout the protocol to minimise sample loss. |
Sorenson low binding aerosol barrier tips, MultiGuard, volume range 1000 μL , Graduated | Sorenson (available through SIGMA-ALDRICH) | Z719463-1000EA | Low-binding tips – recommended use throughout the protocol to minimise sample loss. |
Sorenson low binding aerosol barrier tips, MultiGuard, volume range 20 μL , Graduated | Sorenson (available through SIGMA-ALDRICH) | Z719412-960EA | Low-binding tips – recommended use throughout the protocol to minimise sample loss. |
Sorenson low binding aerosol barrier tips, MultiGuard, volume range 200 μL , Graduated | Sorenson (available through SIGMA-ALDRICH) | Z719447-960EA | Low-binding tips – recommended use throughout the protocol to minimise sample loss. |
SpeedVac Vacuum Concentrator | concentrating samples in various steps to lower volume | ||
SuperScript III Reverse Transcriptase | ThermoFisher Scientific | 18080044 | Used for reverse transcription (1st CAGE step) |
Trehalose/sorbitol solution | Preparation is described in Murata et al 2014. | ||
Tris-HCl, 1M aq.soln, pH 8.5 | 1 M solution, DNase and RNase free | ||
tRNA (20 mg/mL) | tRNA solution. Preparation is described in Murata et al 2014. | ||
UltraPure Low Melting Point Agarose | ThermoFisher Scientific | 16520050 | Or any suitable pure low-melt agarose. |
USB Shrimp Alkaline Phosphatase (SAP) | Applied Biosystems (Provided by ThermoFisher Scientific) | 78390500UN | |
USER Enzyme | NEB | M5505S | Degradation of 3'linker's upper strand, Uracil Specific Excision Reagent/Enzyme |
Vaccinia Capping System | NEB | M2080S | Enzymatic kit for in vitro capping of carrier molecules |
Wash buffer A | Cap trapping washes. Preparation is described in Murata et al 2014. | ||
Wash buffer B | Cap trapping washes. Preparation is described in Murata et al 2014. | ||
Wash buffer C | Cap trapping washes. Preparation is described in Murata et al 2014. |