DNAハロー調製物と蛍光in situハイブリダイゼーションを組み合わせることで、核酸骨格とのゲノム相互作用の高分解能解析が可能になります。付着したゲノムは、抽出された残留核内に位置するハイブリダイズした蛍光シグナルをもたらしますが、非付着ゲノムは、残留核を取り囲むDNAのハローにあります。
ゲノムは、その活性を調節し、特定の場所に固定するために、細胞核内のいくつかの構造に関連付けられています。これらの構造は総称して核骨格として知られており、核薄層、核小体、および核体が含まれます。ゲノムとその組織を研究するために、蛍光in situハイブリダイゼーション(FISH)の多くの変異体が存在しますが、これらは分解能によって制限されることが多く、ゲノムと核構造との関連に関する情報が不十分です。DNAハロー法は、高塩濃度と非イオン性界面活性剤を使用して、ゲノム内の付着領域を介して核内の構造に固定されたままのDNAループを生成します。ここでは、ヒストン、脂質、核マトリックスに強固に結合していないDNAなどの可溶性核タンパク質が抽出されます。これにより、内部核構造と抽出耐性タンパク質に密接に関連するDNAを含む残留核の周りに、結合していないDNAのハローが形成されます。これらの拡張されたDNA鎖は、分解能の向上を可能にし、物理的なマッピングを容易にすることができます。FISHと組み合わせることで、この方法には、ゲノムが固定されているすべての構造とのゲノム相互作用を研究するという追加の利点があります。HALO-FISHと呼ばれるこの技術は非常に用途が広く、DNAハローを核酸プローブと組み合わせて、遺伝子座、全染色体、アルファサテライト、テロメア、さらにはRNAを明らかにすることができます。この技術は、正常細胞および癌などの疾患進行における核組織化および機能に関する洞察を提供する。
「核マトリックス」は、1974年にベレズニーとコフィーによって最初に記述されました1。ラットの肝臓核に対して高塩モル濃度の抽出とヌクレアーゼ処理を行った後、彼らはタンパク質性の構造フレームワークを特定しました。DNAハロー手順は、その後この方法から適応され、核マトリックス(NM)およびNM関連タンパク質および染色体のみが存続するように可溶性タンパク質の除去を含む。DNA結合領域はDNAループの基部に位置し、マトリックス結合領域(MAR)または足場付着領域(SAR)と呼ばれ、それぞれ高塩濃度およびイオン性界面活性剤リチウム-3,5-ジヨードサリチル酸リチウム(LIS)による抽出に耐性があります。DNAハローでは、MAR/SARに関連するDNAが残留核内に結合しているのに対し、DNAループはこれらの部位から離れてDNAハローを形成します。現在、ゲノムはラミナ関連ドメイン(LAD)を介して核ラミナに、核小体関連領域(NAD)を介して、そしておそらく特定の核体などの他の核構造を介して固定されていることがわかっています。
DNAハロー法は、クロマチンからヒストンが剥がされ、DNAが引き伸ばされるため、拡張されたDNAとクロマチンがより高い分解能を提供するため、DNA、遺伝子、および染色体領域の物理的マッピングに使用できます2,3,4,5,6。ただし、このアプリケーションにDNAハローを使用する場合は、いくつかの制限があります。例えば、DNAハローの残留核と密接に関連するDNAは、プローブにアクセスできないため、分析や物理的マッピングから除外される可能性があります6。ファイバーフィッシュ2,4,5,7や分子コーミング8などの他の技術も物理マッピングを可能にし、比較的迅速かつ簡単に実行できるという利点があります。どちらも、DNAハローよりも遺伝子のDNAマッピングに優先的に使用されます。これらの方法は、核からの溶媒または塩抽出を使用してクロマチン繊維を抽出しますが、分子コーミングは再現性が高い傾向があります8,9。
核骨格が、DNAの付着部位、クロマチンリモデリング、DNA転写、DNA修復、DNA複製などの重要な核プロセスをサポートする役割を担っているという証拠が増えています11,12。このように、DNAハロー技術は、これらの細胞活動中の核骨格とゲノムの間の相互作用を調べるために開発され、研究で日常的に使用され、報告されてきました。この技術は、疾患の進行に関連するゲノムと核酸骨格の間の相互作用を調査するためにも使用されており、核構造の悪性腫瘍関連の変化が同定されています11。
DNAハロー法は、発生および分化中のゲノムと核酸骨格の関係を調べるためにも使用されています12。多くの研究では、FISH14 と組み合わせた場合、ハロスペルム13またはSpermHalo-FISHとして知られるDNAハロー技術のバリエーションが使用されています。精子クロマチンはプロタミンとして知られるタンパク質にしっかりと結合しており、この技術は精子DNAへのアクセスを改善するために開発されました。ハロスペルマは、精子DNAの完全性を調査し、DNA損傷が存在するかどうかを判断するために使用されています。DNA損傷が少ない精子はDNAハローサイズが大きいと相関しますが、断片化して損傷したDNAのレベルが高い精子は、ハローが小さいか、まったくありませんでした。したがって、ハロスペルマは、胚の質と体外受精13による妊娠の成功の潜在的な予後マーカーとして使用できます。この例は、この技術の潜在的な臨床応用を強調しています。私たちの研究では、HALO-FISHを使用して、早期老化疾患であるハッチンソン-ギルフォード早老症症候群(HGPS)15におけるゲノム挙動の変化と特定の薬物治療の効果を評価しました。
これらおよび他の研究を組み合わせることで、DNAハロー技術が技術の研究と有用性に使用できるプロセス/アプリケーションの幅広さが強調されています。
DNAハロー法は、核酸骨格とゲノムの間の相互作用を分析する際に選択する優れた方法ですが、遵守しなければならないいくつかの重要なステップもあります。最も重要なパラメータの1つは、細胞播種密度の最適化です。細胞がオーバーコンフルエントになると、DNAハローが隣接する細胞と重なり合い、分析を実行できなくなります。CSKおよび抽出バッファーは、生物学的活性を維持するために、調製プロセスの最後にスペルミン、スペルミジン、およびジギトニンを抽出バッファーに追加して、使用日に常に新鮮にする必要があります。Halo-FISHを行う場合、DNAハローの正しい変性温度を使用して、プローブまたはペイントがその後ハイブリダイズできるようにすることが非常に重要です。
電子顕微鏡法は核マトリックスを視覚化するために使用されており、糸状構造が同定されています20。しかし、クロマチンとのマトリックス会合は容易に推測できないため、電子顕微鏡法は限られている。実際、DNA Halo法は、特定の遺伝子、染色体、細胞の状態をすべて調べることができるため、電子顕微鏡と比較してより用途が広いです。さらに、核マトリックスタンパク質のプロテオーム解析が研究されている21,22。この方法は、特に罹患細胞を比較する場合に核マトリックス成分を比較するのに適していますが、標準的なDNA Halo技術で強調されている空間分布と付着は提供されません。
DNA Haloアッセイには限界があります。まず、マトリックスが抽出されるため、これは固定された細胞に対してのみ実行できるため、ライブイメージングは不可能です。DNA Halo法は比較的迅速かつ簡単に実行できますが、細胞培養、プローブ生成、Halo-FISH、および分析をすべて考慮すると、プロセス全体に時間がかかる場合があります。
超解像顕微鏡を使用したDNA HalosおよびHALO-FISHの画像キャプチャは、DNA特異的プローブおよび抗体の分解能を大幅に向上させることができます。さらに、蛍光色素はより簡単にスペクトル分解できるため、1回の実験で多数のDNAプローブを使用して、さらに多くの情報を提供できる可能性があります。染色体コンフォメーションキャプチャ(3C)などの分子生物学的手法の改良は、遺伝子座の相互作用を決定し、細胞内のクロマチン上の空間構成を分析するために使用されてきました。DNAハローアッセイと3Cを組み合わせることができ、M3C23として知られる用語であり、DNAハロー技術の適応性を再び実証しています。
ここで提示される元のデータは、ゲノム挙動調査の可能性とそれらのデータの提示方法を示すためのものです。これらのデータにより、(1)染色体塗装プローブを使用してゲノム付着の有意差を決定できることが実証され、この研究では、18番染色体が分析されたものの中で最も付着していない染色体であることが明らかになりました(図3)。(2)2つの遺伝子座の間に有意差を有する遺伝子座(図4)(3)テロメアは、増殖細胞および老化細胞(図5)と比較して静止細胞においてあまり強く付着しない。不溶性タンパク質であるKi67抗原の存在により、増殖細胞と非増殖細胞を区別することができ、残留核に残るか、ヌクレオチドの取り込みを使用して特定の期間内にS期を通過した細胞を強調表示します(図2)。この技術により、核骨格が損なわれている細胞、すなわちラミノパシー細胞におけるゲノム挙動を分析することもでき、こことBikkul et al., 2018では、対照細胞と比較してゲノムがあまり緊密に付着せず、古典的なHGPS細胞におけるラミンA変異の影響を改善する特定の薬剤で治療すると回復できることを明らかにしました15.しかし、ここでは、ラミンA変異を欠いているが、13番染色体があまり強固に付着していないLINC複合体タンパク質SUN119 の異常な形態を含む非定型HGPS AGO8466細胞の新しいデータを示します(図6)。
HALO-FISHは、核酸骨格とのゲノム相互作用の研究と間接免疫蛍光法を組み合わせて、抽出手順から除去されないタンパク質を分離できるユニークな方法です。核骨格は、特定の癌タイプ19や、診断バイオマーカーとしてのいくつかの核骨格関連タンパク質の重要性など、さまざまな疾患で修飾されることが実証されています24,25。したがって、この技術は、疾患15、24、25、27におけるクロマチン組織化/解体に対する核骨格の影響を調べる上で重要な役割を果たし、ヒト細胞に限定されず、他の動物からの染色体塗装プローブでは、同じDNA-ハロープロトコルを採用することができます28。
The authors have nothing to disclose.
染色体アームペインティングプローブの親切な贈り物をしてくれたマイケルビットナー教授に感謝します。LGは、EUが資金提供するEURO-Laminopathiesプロジェクトとブルネル早老症研究基金の支援を受けました。
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 |