שילוב של תכשירי הילה של DNA עם הכלאה פלואורסצנטית באתרו מאפשר ניתוח ברזולוציה גבוהה של אינטראקציות גנומיות עם השלד הנוקלאו-שלד. גנום מחובר מוביל לאותות פלואורסצנטיים היברידיים הממוקמים בתוך הגרעינים השיוריים שחולצו, בעוד שהגנום שאינו מחובר נמצא בהילת הדנ”א המקיפה את הגרעינים השיוריים.
הגנום משויך למספר מבנים בתוך גרעיני התא, על מנת לווסת את פעילותו ולעגן אותה במקומות ספציפיים. מבנים אלה ידועים באופן קולקטיבי בשם גרעין השלד וכוללים את הלמינה הגרעינית, הגרעינים וגופים גרעיניים. למרות שקיימות גרסאות רבות של הכלאה פלואורסצנטית באתרו (FISH) כדי לחקור את הגנום ואת ארגונו, אלה מוגבלות לעתים קרובות על ידי רזולוציה ומספקות מידע לא מספיק על הקשר של הגנום עם מבנים גרעיניים. שיטת הילת הדנ”א משתמשת בריכוזי מלח גבוהים ודטרגנטים לא יוניים כדי ליצור לולאות דנ”א שנשארות מעוגנות למבנים בתוך גרעינים דרך אזורי התקשרות בתוך הגנום. כאן מופקים חלבונים גרעיניים מסיסים, כגון היסטונים, ליפידים ודנ”א שאינם קשורים היטב למטריצה הגרעינית. זה מוביל להיווצרות הילה של דנ”א לא מחובר סביב גרעין שיורי אשר עצמו מכיל DNA הקשור קשר הדוק עם מבנים גרעיניים פנימיים וחלבונים עמידים מיצוי. גדילי דנ”א מורחבים אלה מאפשרים רזולוציה מוגברת ויכולים להקל על מיפוי פיזי. בשילוב עם FISH, לשיטה זו יש יתרון נוסף של חקר אינטראקציות גנומיות עם כל המבנים שהגנום מעוגן בהם. טכניקה זו, המכונה HALO-FISH, היא רב-תכליתית ביותר לפיה ניתן לשלב הילות DNA עם בדיקות חומצות גרעין כדי לחשוף לוקי גנים, כרומוזומים שלמים, לוויין אלפא, טלומרים ואפילו RNA. טכניקה זו מספקת תובנה לגבי ארגון גרעיני ותפקוד בתאים נורמליים ובהתקדמות מחלות כגון עם סרטן.
“המטריצה הגרעינית” תוארה לראשונה על ידי ברזני וקופי בשנת 19741. לאחר ביצוע מיצויים עם טוחנות מלח גבוהות וטיפול בנוקלאז על גרעיני כבד חולדה, הם זיהו מסגרת מבנית חלבונית. הליך הילת הדנ”א הותאם לאחר מכן משיטה זו וכולל הסרה של חלבונים מסיסים כך שרק המטריצה הגרעינית (NM) והחלבונים והכרומוזומים הקשורים לננומטר ימשיכו להתקיים. אזורי חיבור DNA ממוקמים בבסיס לולאות DNA ונקראים אזורים מחוברים מטריצה (MARs) או אזורי חיבור פיגומים (SARs), אשר עמידים למיצוי עם ריכוזי מלח גבוהים ודטרגנט יוני ליתיום-3,5-diiodosalicylate (LIS) בהתאמה. בהילות דנ”א, דנ”א הקשור ל-MARs/SARs קשור בתוך הגרעין השיורי, בעוד שלולאות הדנ”א מתרחקות מאתרים אלה ויוצרות את הילת הדנ”א. כיום אנו יודעים שהגנום מעוגן באמצעות תחומים הקשורים ללמינה (LADs) ללמינה הגרעינית ודרך אזורים הקשורים לגרעין (NADs) ואולי דרך מבנים גרעיניים אחרים כגון גופים גרעיניים ספציפיים.
שיטת הילת הדנ”א יכולה לשמש למיפוי פיזי של דנ”א, גנים ואזורים כרומוזומליים מכיוון שהדנ”א והכרומטין המורחבים מספקים רזולוציה גדולה יותר מכיוון שהכרומטין מופשט מהיסטונים והדנ”א נמתחהחוצה 2,3,4,5,6. עם זאת, ישנן כמה מגבלות בעת שימוש הילות DNA עבור יישום זה. לדוגמה, דנ”א הקשור באופן הדוק לגרעינים שיוריים של הילות דנ”א יכול להיות בלתי נגיש לגשושיות ובכך למנוע ממנו ניתוח ומיפוי פיזי6. טכניקות אחרות כגון fiber-FISH 2,4,5,7 וסירוק מולקולרי 8 מאפשרות גם הן מיפוי פיזי ויש להן יתרון בכך שהן מהירות וקלות יחסית לביצוע. שניהם משמשים באופן מועדף למיפוי DNA של גנים על פני הילות DNA. שיטות אלה לחלץ סיבי כרומטין באמצעות שימוש מיצוי ממס או מלח מן הגרעין, עם זאת, סירוק מולקולרי נוטה להיות רבייה טובה יותר 8,9.
ישנן ראיות הולכות וגדלות לכך שלשלד הנוקלאוסקלטון יש תפקיד בתמיכה בתהליכים גרעיניים מרכזיים, כגון אתרי התקשרות לדנ”א, עיצוב מחדש של כרומטין, שעתוק DNA, תיקון DNA ושכפול DNA11,12. ככזו, טכניקת הילת הדנ”א פותחה כדי לחקור את יחסי הגומלין בין השלד והגנום במהלך פעילויות תאיות אלה ושימשה באופן שגרתי ודווחה במחקר. טכניקה זו שימשה גם לחקר אינטראקציות בין הגנום לבין השלד הנוקלאוסקלטוני ביחס להתקדמות המחלה, כאשר זוהו שינויים הקשורים לממאירות במבנה הגרעין11.
טכניקת הילת הדנ”א שימשה גם לחקר הקשר בין הגנום לשלד במהלך ההתפתחות וההתמיינות12. מספר מחקרים השתמשו בווריאציה של טכניקת הילת הדנ”א הידועה בשם הלוספרם13 או SpermHalo-FISH בשילוב עם FISH14. כרומטין הזרע קשור קשר הדוק לחלבונים המכונים פרוטמינים וטכניקה זו פותחה כדי לשפר את הגישה לדנ”א של הזרע. הלוספרם שימש כדי לחקור את שלמות הדנ”א של זרעונים ולקבוע אם קיים נזק לדנ”א. זרעונים עם פחות נזק לדנ”א קשורים לגודל הילת דנ”א גדול יותר, בעוד שלזרעונים עם רמות מוגברות של דנ”א מקוטע ופגום היו הילות קטנות או כלל לא. לפיכך, הלוספרם יכול לשמש כסמן פרוגנוסטי פוטנציאלי של איכות העובר והריון מוצלח עם הפריה חוץ גופית13. דוגמה זו מדגישה את היישומים הקליניים הפוטנציאליים של טכניקה זו. בעבודתנו השתמשנו ב- HALO-FISH כדי להעריך שינויים בהתנהגות הגנום ואת ההשפעה של טיפולים תרופתיים ספציפיים במחלת ההזדקנות המוקדמת תסמונת האצ’ינסון-גילפורד פרוגריה (HGPS)15.
יחד, מחקרים אלה ואחרים, מדגישים את רוחב התהליכים/יישומים שניתן להשתמש בהם בטכניקת הילת הדנ”א כדי לחקור את הטכניקה ואת תועלתה.
שיטת הילת הדנ”א היא שיטת בחירה מצוינת בעת ניתוח אינטראקציות בין השלד הגרעין והגנום, עם זאת, ישנם כמה שלבים קריטיים שיש להקפיד עליהם. אחד הפרמטרים החשובים ביותר הוא אופטימיזציה של צפיפות הזריעה התא. אם התאים הופכים למפגש יתר, הילות הדנ”א יחפפו לתאים שכנים ולא יאפשרו לבצע את הניתוח. יש תמיד להפוך את מאגרי ה- CSK והמיצוי לטריים ביום השימוש עם הוספת זרע, זרע ודיגיטונין למאגר המיצוי בסוף תהליך ההכנה כדי לשמור על פעילותם הביולוגית. אם מבצעים Halo-FISH, חשוב מאוד להשתמש בטמפרטורת הדנטורציה הנכונה של הילות הדנ”א כדי לאפשר לגשושית או לצבע לבצע הכלאה לאחר מכן.
מיקרוסקופ אלקטרונים שימש כדי לדמיין את המטריצה הגרעינית, עם מבנים נימיים מזוהים20. עם זאת, מיקרוסקופ אלקטרונים מוגבל מכיוון שלא ניתן להסיק בקלות אסוציאציות מטריצה עם כרומטין. ואכן, שיטת הילה של DNA היא מגוונת יותר בהשוואה למיקרוסקופ אלקטרונים מכיוון שניתן לבחון גנים, כרומוזומים ומצבי תאים ספציפיים. יתר על כן, אנליזה פרוטאומית של חלבוני מטריצה גרעינית נחקרת21,22. שיטה זו טובה להשוואת רכיבי מטריצה גרעינית, במיוחד כאשר משווים תאים חולים, אולם היא אינה מספקת את הפיזור המרחבי ואת ההתקשרות המודגשת על ידי טכניקת הילת הדנ”א הסטנדרטית.
למבחני DNA Halo יש מגבלות. ראשית, כאשר המטריצה מחולצת, זה יכול להתבצע רק על תאים קבועים ולכן הדמיה חיה אינה אפשרית. למרות ששיטת Halo של הדנ”א מהירה יחסית וקלה לביצוע, התהליך הכולל עשוי לקחת בחשבון זמן רב כאשר נלקחים בחשבון תרבית תאים, יצירת גשושיות, Halo-FISH וניתוח.
לכידת תמונות של הילות DNA ו- HALO-FISH באמצעות מיקרוסקופיה ברזולוציית על תשפר מאוד את הרזולוציה של בדיקות ונוגדנים ספציפיים ל- DNA. בנוסף, מכיוון שניתן לפתור באופן ספקטרלי פלואורוכרומים בקלות רבה יותר, ייתכן שניתן יהיה להשתמש במספר בדיקות דנ”א בניסוי יחיד, ולספק מידע רב עוד יותר. שיפורים בטכניקות ביולוגיה מולקולרית כגון לכידת קונפורמציה של כרומוזומים (3C) שימשו כדי לקבוע אינטראקציות של אתרי גנים ולנתח את הארגון המרחבי על הכרומטין בתא. ניתן לשלב מבחני DNA Halo ו-3C, מונח המכונה M3C23, המדגים שוב את יכולת ההסתגלות של טכניקת ה-DNA Halo.
הנתונים המקוריים המוצגים כאן נועדו להדגים את האפשרויות לחקירת התנהגות גנומית וכיצד להציג נתונים אלה. בעזרת נתונים אלה הוכחנו כי ניתן לקבוע הבדלים משמעותיים בהתקשרות הגנום באמצעות (1) בדיקות צביעת כרומוזומים, במחקר זה התגלה כי כרומוזום 18 הוא הכרומוזום הכי פחות מחובר מבין אלה שנותחו (איור 3); (2) אתרי גנים עם הבדלים משמעותיים בין שני אתרי גנים ו(איור 4) (3) טלומרים, שמחוברים פחות חזק בתאים שקטים בהשוואה לתאים מתרבים ומזדקנים (איור 5). אנו מסוגלים להבדיל בין תאים מתרבים לתאים שאינם מתרבים באמצעות נוכחות של סמן ההתפשטות Ki67 antigen, שהוא חלבון בלתי מסיס ולכן נשאר עם הגרעינים השיוריים, או באמצעות שילוב של נוקלאוטידים כדי להדגיש תאים שעברו שלב S בתוך פרק זמן מסוים (איור 2). טכניקה זו גם אפשרה לנו לנתח את התנהגות הגנום בתאים שנפגעים בגרעין השלד שלהם, כלומר תאי למינופתיה וכאן וב- Bikkul et al., 2018 אנו מגלים כי הגנום יכול להיות מחובר פחות חזק בהשוואה לתאי ביקורת וניתן לשחזר אותו כאשר מטפלים בתרופות ספציפיות המשפרות את השפעת מוטציית למין A בתאי HGPS קלאסיים15. אולם אנו מראים כאן נתונים חדשים עבור תאי HGPS AGO8466 לא טיפוסיים, חסרי מוטציית למין A אך מכילים צורה יוצאת דופן של חלבון קומפלקס LINC SUN1 19 שכרומוזום13 מחובר אליו פחות חזק (איור 6).
HALO-FISH היא שיטה ייחודית המאפשרת לחקור אינטראקציות גנומיות עם השלד הגרעיני בשילוב עם אימונופלואורסנציה עקיפה לפתרון חלבונים שלא הוסרו מהליך המיצוי. הוכח כי השלד הנוקלאוסקלטוני משתנה במחלות שונות כגון סוגי סרטן מסוימים19 וחשיבותם של כמה חלבונים הקשורים לשלד גרעיני כסמנים ביולוגיים אבחוניים24,25. לפיכך, לטכניקה זו יש תפקיד חשוב בבחינת השפעת השלד הנוקלאוסקלטוני על ארגון/חוסר ארגון הכרומטין במחלה 15,24,25,27 ואינה מוגבלת לתאים אנושיים, עם בדיקות צביעה כרומוזומליות מבעלי חיים אחרים, ניתן להשתמש באותו פרוטוקול DNA-הילה 28.
The authors have nothing to disclose.
ברצוננו להודות לפרופ’ מיכאל ביטנר על המתנה הנדיבה של גשושיות צביעת זרועות כרומוזומים. LG נתמכה על ידי פרויקט EURO-Laminopathies במימון האיחוד האירופי וקרן המחקר Brunel Progria.
10X PBS | Thermo Fisher Scientific | 10388739 | Used to create DNA halos |
5-bromo-2′-deoxy-uridine | Sigma-Aldrich | B5002-100MG | Labelled nucleotide |
5-Fluoro-2′-deoxyuridine | Sigma-Aldrich | F0503-100MG | Labelled nucleotide |
Agar Technical | Thermo Fisher Scientific | 15562141 | DNA isolation of BAC clones |
Agarose | Sigma-Aldrich | A939-50G | Check product size of DOP-PCR and nick translation |
Atypical type 2 HGPS fibroblasts (AG08466) | Coriell Institute | AG08466 | Cell line |
Bacto tryptone | Thermo Fisher Scientific | 16269751 | DNA isolation of BAC clones |
Biotin-16-dUTP | Roche Diagnostics | 11093711103 | Labelled nucleotides |
Chloramphenicol | Sigma-Aldrich | C0378-25G | DNA isolation of BAC clones |
Classical Hutchinson-Gilford progeria syndrome (HGPS) fibroblasts (AG06297) | Coriell Institute | AG0297 | Cell line |
Coplin jar | Thermo Fisher Scientific | 12608596 | Holds 5 slides or 8 slides back to back |
Cot-1 DNA | Thermo Fisher Scientific | 15279011 | Block nonspecific hybridization in HALO FISH |
DEPC-treated water | Sigma-Aldrich | 693520-1L | DNA isolation of BAC clones |
Dextran sulphate | Sigma-Aldrich | S4030 | Hybridisation mixture |
Digitonin | Sigma-Aldrich | D141 | Component of extraction buffer |
Digoxigenin-11-dUTP | Sigma-Aldrich | 11093088910 | Labelled nucleotides |
Donkey anti-mouse Cy3 | Jackson Laboratory | 715-165-150 | Secondary antibody |
EDTA | Sigma-Aldrich | E6758 | Component of extraction buffer |
Ethanol | Component of extraction buffer | ||
Ethanol | Sigma-Aldrich | 443611 | Probe precipitation and HALO FISH |
Fetal bovine system | Thermo Fisher Scientific | 26140079 | Cell culture serum |
Formamide | Thermo Fisher Scientific | 10523525 | 2D FISH of DNA halos |
Glass wool | Sigma-Aldrich | 18421 | Spin column |
Herring sperm | Sigma-Aldrich | D7290 | Probe precipitation |
HXP™ Lamp (metal halide microscope lamp) | OSRAM | HXP-R120W45C VIS | Image capture of DNA halos |
Hydrochloric acid | Thermo Fisher Scientific | 10313680 | Cleaning microscope slides |
Isopropanol | Sigma-Aldrich | I9516-25ML | DNA isolation of BAC clones |
KAPA HiFi PCR Kit | KAPA Biosystems | KK2103 | PCR Kit |
Leica DM4000 fluorescent microscope with DFC365 FX camera and LAS AF (Version: 4.5.0) image acquisition software. | Leica Microsystems | Image capture of DNA halos | |
Luria-Bertani agar | Thermo Fisher Scientific | 13274843 | DNA isolation of BAC clones |
Magnesium chloride | Sigma-Aldrich | M8266 | Component of CSK buffer |
Methanol | Thermo Fisher Scientific | 10284580 | Cleaning and sterilizing microscope slides |
Mouse anti-BrdU antibody | BD Pharmingen | B2531-100UL | BrdU visualisation |
Newborn calf serum | Thermo Fisher Scientific | 16010159 | Cell culture serum and blocking reagent |
Nick translation kit | Invitrogen | ||
PCR grade water | Sigma-Aldrich | 693520-1L | PCR and DNA isolation of BAC clones |
PCR Primers | Sigma-Aldrich | ||
PIPES | Sigma-Aldrich | P1851 | Component of CSK and extraction buffers |
Potassium acetate | Sigma-Aldrich | P1190-100G | DNA isolation of BAC clones |
QuadriPERM® 4 X 12 | SARSTEDT | 94.6077.307 | Square cell culture dish, polysterene with four compartments. This has hydrophobic surface, is sterile, non-pyrogenic/endotoxin-fee and non-cytotoxic. |
Rabbit Anti-Ki67 antibody | Sigma-Aldrich | ZRB1007-25UL | Proliferation marker |
Rnase A | Sigma-Aldrich | R6513 | DNA isolation of BAC clones |
Rubber cement | Halford's | 101836 | 2D FISH of DNA halos |
Sephadex G-50 | Sigma-Aldrich | S6022-25G | Spin column |
Sodium acetate | Sigma-Aldrich | S2889 | Probe precipitation |
Sodium chloride | Sigma-Aldrich | S5886 | Component of CSK, extraction and SSC buffers |
Sodium citrate | Sigma-Aldrich | C8532 | Component of SSC buffer |
Sodium dodecyl sulphate | L3771-100G | DNA isolation of BAC clones | |
Sodium hydroxide | Sigma-Aldrich | S8045-500G | DNA isolation of BAC clones |
Spermidine | Sigma-Aldrich | S2626 | Component of extraction buffer |
Spermine | Sigma-Aldrich | S4264 | Component of extraction buffer |
Streptavidin-Cy3 | Amersham Life Sciences Ltd, Scientific Laboratory Supplies | pa43001 | Probe antibody |
Sucrose | Sigma-Aldrich | S0389 | Component of CSK buffer |
Sucrose | Sigma-Aldrich | S0389 | CSK buffer+A66:D68 |
SuperFrost™ microscope slides | Thermo Fisher Scientific | 12372098 | Microscope slides: 1 mm thickness, 76 mm length, 26 mm width. Uncoated. |
Swine anti-rabbit TRITC | Dako | ||
TELO-PNA FISH KIT | Agilent Dako | K532511-8 | Delineation of telomeres |
Tris-HCl | Sigma-Aldrich | T3253-100G | Column buffer |
Triton™ X-100 | Sigma-Aldrich | T9284 | Component of CSK buffer |
Tryptone | Thermo Fisher Scientific | 10158962 | DNA isolation of BAC clones |
Tween-20 | Sigma-Aldrich | P9416- 100ML | Detergent |
Vectashield mountant containing DAPI | Vector Laboratories | H-1200 | 2D FISH of DNA halos |
Whole human chromosome probes | Calbiochem | 2D FISH of DNA halos | |
Yeast extract | Thermo Fisher Scientific | 10108202 | DNA isolation of BAC clones |