低分子RNAの定量のためのAQRNA-seq
Summary
Absolute quantification RNA Sequencing (AQRNA-seq) は、生物学的混合物中のすべての低分子 RNA の状況を定量するために開発された技術です。ここでは、AQRNA-seqのライブラリー調製とデータ処理の両方のステップを実証し、飢餓誘発性休眠中の Mycobacterium bovis BCGのトランスファーRNA(tRNA)プールの変化を定量化します。
Abstract
AQRNA-seqは、生体サンプル中のシーケンシングリードカウントとsmall RNAコピー数との間に直接的な線形関係を提供し、small RNAのプールの正確な定量を可能にします。ここで説明するAQRNA-seqライブラリ調製手順には、カスタム設計のシーケンシングリンカーの使用と、逆転写処理性をブロックするメチル化RNA修飾を減らすステップが含まれ、これにより完全長cDNAの収量が増加します。さらに、付随するバイオインフォマティクスパイプラインの詳細な実装についても説明します。このAQRNA-seqのデモンストレーションは、20日間の栄養欠乏と6日間の蘇生の時間経過で5日間に採取された Mycobacterium bovis BCG中の45のtRNAの定量分析を通じて行われました。AQRNA-seqの効率と厳密性を向上させるための継続的な取り組みについても、ここで説明します。これには、PCR増幅後のプライマーダイマーの問題を軽減するためのゲル精製の回避方法や、より正確なリードマッピングを可能にするために全長リードの割合を増やす方法の検討が含まれます。AQRNA-seqの今後の機能強化は、多様な生物の細胞および組織サンプル中のすべてのsmall RNA種を定量するためのこの技術の自動化とハイスループットの実装を促進することに焦点を当てます。
Introduction
次世代シーケンシング(NGS)は、超並列シーケンシングとも呼ばれ、DNA断片化、アダプターオリゴヌクレオチドのライゲーション、ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)ベースの増幅、DNAのシーケンシング、およびフラグメント配列のゲノムへの再アセンブルを含むDNAシーケンシング技術です。NGSのシーケンシングRNAへの適応(RNA-seq)は、RNA転写産物とそのバリアントを同定および定量するための強力なアプローチです1。RNAライブラリー調製ワークフローとバイオインフォマティクス解析パイプラインの革新的な開発は、ラボ装置の進歩と相まって、RNA-seqアプリケーションのレパートリーを拡大し、エクソームシーケンシングを超えて、ノンコーディングRNAプロファイリング2、シングルセル解析3、空間トランスクリプトミクス4,5、選択的スプライシング解析6などの高度な機能オミクスへと進歩していますなど。これらの高度なRNA-seq法は、正常細胞および疾患細胞および組織におけるトランスクリプトームの定量解析を通じて、複雑なRNA機能を明らかにします。
RNA-seqのこれらの進歩にもかかわらず、いくつかの重要な技術的特徴が、このメソッドの定量的な検出力を制限しています。ほとんどのRNA-seq法では、実験変数(生体サンプルや生理学的状態)間のRNAレベルの変化を正確かつ正確に定量することができますが、サンプル内のRNA分子レベルを定量的に比較することはできません。例えば、ほとんどのRNA-seq法では、発現したtRNAの細胞プールにおける個々のtRNAアイソアクセプター分子の相対的なコピー数を正確に定量することはできません。コンパニオンの出版物7で強調されているように、RNA-seqに対するこの制限は、RNA構造のいくつかの特徴とライブラリ調製の生化学から生じます。例えば、3’末端および5’末端シーケンシングリンカーをRNA分子に結合するために使用されるライゲーション酵素の活性は、RNAの末端ヌクレオチドとシーケンシングリンカーの同一性に強く影響されます。これにより、リンカーライゲーションの効率に大きなばらつきが生じ、シーケンシングリード8,9,10の大幅な人工的な増加がもたらされます。
2つ目の制限は、RNA分子の固有の構造特性から生じます。具体的には、エピトランスクリプトームの数十の転写後RNA修飾におけるRNA二次構造の形成と動的変化は、逆転写中にポリメラーゼのフォールオフまたは突然変異を引き起こす可能性があります。これらのエラーは、不完全または切断されたcDNA合成またはRNA配列の変更につながります。これらの現象は両方とも二次構造またはいくつかの修飾をマッピングするために利用することができますが、その後のライブラリ調製ステップが切断されたcDNAを捕捉できない場合、またはデータ処理が参照データセット11,12と一致しない変異配列を捨てる場合、RNA-seqの定量精度を低下させます。さらに、RNA転写産物の化学的、長さ、構造的多様性が膨大であること、および長いRNAを均一に断片化するためのツールが不足しているため、ほとんどのRNA-seq法の全てのRNA種への適用性が低下しています13。
AQRNA-seq(Absolute Quantification RNA Sequencing)法は、定量精度を制限するこれらの技術的および生物学的制約のいくつかを取り除くために開発されました7。AQRNA-seqは、RNAシーケンシングライブラリー調製時の捕捉、ライゲーション、増幅における配列依存バイアスを最小限に抑えることで、他の方法と比較して優れた直線性を達成し、963のmiRNAのリファレンスライブラリーの75%を2倍の精度で正確に定量します。シーケンシングリード数とRNA存在量のこの線形相関は、RNAオリゴヌクレオチドスタンダードの可変長プールの分析や、ノーザンブロッティングなどの直交法を参照しても観察されます。シーケンシングリードカウントとRNA量との間に直線性を確立することで、AQRNA-seqはサンプル内のすべてのRNA分子種を正確かつ絶対的に定量することができます。
ここでは、AQRNA-seqライブラリ調製ワークフローのプロトコルと、それに付随するダウンストリームデータ解析パイプラインについて説明します。この方法は、結核の Mycobacterium bovis bacilli de Calmette et Guérin(BCG)モデルにおける飢餓誘発性休眠およびその後の蘇生中のtRNA存在量のダイナミクスを解明するために適用されました。シーケンシングデータの探索的可視化の結果と、その後のクラスタリングおよび差次的発現解析の結果が発表され、さまざまな表現型に関連するtRNA存在量の識別可能なパターンが明らかになりました。
Protocol
Representative Results
Discussion
AQRNA-seqライブラリ調製ワークフローは、サンプル中のRNAの捕捉を最大化し、逆転写中のポリメラーゼのフォールオフを最小限に抑えるように設計されています7。2段階のリンカーライゲーションにより、新規DNAオリゴ(Linker 1およびLinker 2)が過剰にライゲーションされ、サンプル内のRNAが完全に補完されます。余分なリンカーは、一本鎖DNAに特異的な5’から3’のエキソヌクレア?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
本研究の著者は、AQRNA-seq技術7について記述した原著論文の著者に感謝する。この研究は、国立衛生研究所(ES002109、AG063341、ES031576、ES031529、ES026856)およびシンガポール国立研究財団からの助成金により、Singapore-MIT Alliance for Research and Technology Antimicrobial Resistance IRGを通じて支援されました。
Materials
| 2-ketoglutarate | Sigma-Aldrich | 75890 | Prepare a working solution (1 M) and store it at -20ºC |
| 2100 Bioanalyzer Instrument | Agilent | G2938C | |
| 5'-deadenylase (50 U/μL) | New England Biolabs | M0331S (component #: M0331SVIAL) | Store at -20 °C |
| Adenosine 5'-Triphosphate (ATP) | New England Biolabs | M0437M (component #: N0437AVIAL) | NEB M0437M contains T4 RNA Ligase 1 (30 U/μL), T4 RNA Ligase Reaction Buffer (10X), PEG 8000 (1X), and ATP (100 mM); prepare a working solution (10 mM) and store it at -20ºC |
| AGAROSE GPG/LE | AmericanBio | AB00972-00500 | Store at ambient temperature |
| Ammonium iron(II) sulfate hexahydrate | Sigma-Aldrich | F2262 | Prepare a working solution (0.25 M) and store it at -20 °C |
| Bioanalyzer Small RNA Analysis | Agilent | 5067-1548 | The Small RNA Analysis is used for checking the quality of input RNAs and the efficiency of enzymatic reactions (e.g., Linker 1 ligation) |
| Bovine Serum Albumin (BSA; 10 mg/mL) | New England Biolabs | B9000 | This product was discontinued on 12/15/2022 and is replaced with Recombinant Albumin, Molecular Biology Grade (NEB B9200). |
| Chloroform | Macron Fine Chemicals | 4441-10 | |
| Demethylase | ArrayStar | AS-FS-004 | Demethylase comes with the rtStar tRNA Pretreatment & First-Strand cDNA Synthesis Kit (AS-FS-004) |
| Deoxynucleotide (dNTP) Solution Mix | New England Biolabs | N0447L (component #: N0447LVIAL) | This dNTP Solution Mix contains equimolar concentrations of dATP, dCTP, dGTP and dTTP (10 mM each) |
| Digital Dual Heat Block | VWR Scientific Products | 13259-052 | Heating block is used with the QIAquick Gel Extraction Kit |
| DyeEx 2.0 Spin Kit | Qiagen | 63204 | Effective at removing short remnants (e.g., oligos less than 10 bp in length) |
| Electrophoresis Power Supply | Bio-Rad Labrotories | PowerPac 300 | |
| Eppendorf PCR Tubes (0.5 mL) | Eppendorf | 0030124537 | |
| Eppendorf Safe-Lock Tubes (0.5 mL) | Eppendorf | 022363611 | |
| Eppendorf Safe-Lock Tubes (1.5 mL) | Eppendorf | 022363204 | |
| Eppendorf Safe-Lock Tubes (2 mL) | Eppendorf | 022363352 | |
| Ethyl alcohol (Ethanol), Pure | Sigma-Aldrich | E7023 | The pure ethanol is used with the Oligo Clean and Concentrator Kit from Zymo Research |
| Gel Imaging System | Alpha Innotech | FluorChem 8900 | |
| Gel Loading Dye, Purple (6X), no SDS | New England Biolabs | N0556S (component #: B7025SVIAL) | NEB N0556S contains Quick-Load Purple 50 bp DNA Ladder and Gel Loading Dye, Purple (6X), no SDS |
| GENESYS 180 UV-Vis Spectrophotometer | Thermo Fisher Scientific | 840-309000 | The spectrophotometer is used for measuring the oligo concentrations using the Beer's law |
| HEPES | Sigma-Aldrich | H4034 | Prepare a working solution (1 M; pH = 8 with NaOH) and store it at -20 °C |
| Hydrochloric acid (HCl) | VWR Scientific Products | BDH3028 | Prepare a working solution (5 M) and store it at ambient temperature |
| Isopropyl Alcohol (Isopropanol), Pure | Macron Fine Chemicals | 3032-16 | Isopropanol is used with the QIAquick Gel Extraction Kit |
| L-Ascorbic acid | Sigma-Aldrich | A5960 | Prepare a working solution (0.5 M) and store it at -20ºC |
| Microcentrifuge | Eppendorf | 5415D | |
| NanoDrop 2000 Spectrophotometer | Thermo Fisher Scientific | ND-2000 | |
| NEBuffer 2 (10X) | New England Biolabs | M0264L (component #: B7002SVIAL) | NEB M0264L contains RecJf (30 U/μL) and NEBuffer 2 (10X); store at -20 °C |
| Nuclease-Free Water (not DEPC-Treated) | Thermo Fisher Scientific | AM9938 | |
| Oligo Clean & Concentrator Kit | Zymo Research | D4061 | Store at ambient temperature |
| PEG 8000 (50% solution) | New England Biolabs | M0437M (component #: B1004SVIAL) | NEB M0437M contains T4 RNA Ligase 1 (30 U/μL), T4 RNA Ligase Reaction Buffer (10X), PEG 8000 (1X), and ATP (100 mM); prepare a working solution (10 mM) and store it at -20ºC |
| Peltier Thermal Cycler | MJ Research | PTC-200 | |
| Phenol:choloroform:isoamyl alcohol 25:24:1 pH = 5.2 | Thermo Fisher Scientific | J62336 | |
| PrimeScript Buffer (5X) | TaKaRa | 2680A | |
| PrimeScript Reverse Transcriptase | TaKaRa | 2680A | |
| QIAquick Gel Extraction Kit | Qiagen | 28704 | This kit requires a heating block and isopropanol to work with |
| Quick-Load Purple 100 bp DNA Ladder | New England Biolabs | N0551S (component #: N0551SVIAL) | |
| Quick-Load Purple 50 bp DNA Ladder | New England Biolabs | N0556S (component #: N0556SVIAL) | NEB N0556S contains Quick-Load Purple 50 bp DNA Ladder and Gel Loading Dye, Purple (6X), no SDS |
| RecJf (30 U/μL) | New England Biolabs | M0264L (component #: M0264LVIAL) | NEB M0264L contains RecJf (30 U/μL) and NEBuffer 2 (10X); store at -20 °C |
| RNase Inhibitor (murine; 40 U/μL) | New England Biolabs | M0314L (component #: M0314LVIAL) | Store at -20 °C |
| SeqAMP DNA Polymerase | TaKaRa | 638509 | TaKaRa 638509 contains SeqAMP DNA Polymerase and SeqAMP PCR Buffer (2X) |
| SeqAMP PCR Buffer (2X) | TaKaRa | 638509 | TaKaRa 638509 contains SeqAMP DNA Polymerase and SeqAMP PCR Buffer (2X) |
| Shrimp Alkaline Phosphatase (1 U/μL) | New England Biolabs | M0371L (component #: M0371LVIAL) | |
| Sodium hydroxide (NaOH) | Sigma-Aldrich | S5881 | Prepare a working solution (5 M) and store it at ambient temperature |
| T4 DNA Ligase (400 U/μL) | New England Biolabs | M0202L (component #: M0202LVIAL) | NEB M0202L contains T4 DNA Ligase (400 U/μL) and T4 DNA Ligase Reaction Buffer (10X) |
| T4 DNA Ligase Reaction Buffer (10X) | New England Biolabs | M0202L (component #: B0202SVIAL) | NEB M0202L contains T4 DNA Ligase (400 U/μL) and T4 DNA Ligase Reaction Buffer (10X) |
| T4 RNA Ligase 1 (30 U/μL) | New England Biolabs | M0437M (component #: M0437MVIAL) | NEB M0437M contains T4 RNA Ligase 1 (30 U/μL), T4 RNA Ligase Reaction Buffer (10X), PEG 8000 (1X), and ATP (100 mM) |
| T4 RNA Ligase Reaction Buffer (10X) | New England Biolabs | M0437M (component #: B0216SVIAL) | NEB M0437M contains T4 RNA Ligase 1 (30 U/μL), T4 RNA Ligase Reaction Buffer (10X), PEG 8000 (1X), and ATP (100 mM) |
References
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