Многократное усиление смещения
Множественная амплификация смещения (MDA) — это метод амплификации ДНК . Этот метод позволяет быстро амплифицировать небольшие количества образцов ДНК до разумного количества для геномного анализа. Реакция начинается с отжига случайных гексамерных праймеров с матрицей: синтез ДНК осуществляется высокоточным ферментом , предпочтительно ДНК-полимеразой Φ29 . По сравнению с традиционными методами ПЦР- амплификации, MDA не использует праймеры, специфичные для последовательности, а амплифицирует всю ДНК, генерирует продукты большего размера с более низкой частотой ошибок и работает при постоянной температуре. MDA активно используется при полногеномной амплификации (WGA) и является многообещающим методом для применения в секвенировании генома отдельных клеток и генетических исследованиях на основе секвенирования.
Фон
[ редактировать ]Многие биологические и судебно-медицинские дела, связанные с генетическим анализом, требуют секвенирования ДНК из небольших количеств образцов, таких как ДНК из некультивируемых одиночных клеток или следовых количеств тканей, собранных с мест преступлений. Обычные методы амплификации ДНК на основе полимеразной цепной реакции ( ПЦР ) требуют специфичных для последовательности олигонуклеотидных праймеров и термостабильной (обычно Taq ) полимеразы и могут использоваться для генерации значительных количеств ДНК из небольших количеств ДНК. Однако этого недостаточно для современных методов, использующих анализ ДНК на основе секвенирования. Следовательно, необходим более эффективный, неспецифичный для последовательности метод амплификации небольших количеств ДНК, особенно в геномных исследованиях отдельных клеток.
Материалы
[ редактировать ]ДНК-полимераза Phi 29
[ редактировать ]ДНК-полимераза бактериофага Φ29 с высокой процессивностью представляет собой фермент , который может производить ампликоны ДНК длиной более 70 тысяч пар оснований. [ 1 ] Его высокая точность и корректура в течение 3–5 минут снижают частоту ошибок усиления до 1 из 10. 6 −10 7 оснований по сравнению с обычной Taq полимеразой с зарегистрированной частотой ошибок 1 на 9000. [ 2 ] Реакцию можно проводить при умеренной изотермической температуре 30°C и поэтому не требуется термоциклер . Его активно используют в бесклеточном клонировании — ферментативном методе амплификации ДНК in vitro без культивирования клеток и экстракции ДНК . Большой фрагмент ДНК-полимеразы Bst также используется в MDA, но Ф29 обычно предпочтительнее из-за его достаточного выхода продукта и корректурной активности. [ 3 ]
Гексамерные праймеры
[ редактировать ]Гексамерные праймеры представляют собой последовательности, состоящие из шести случайных нуклеотидов . Для приложений MDA эти праймеры обычно модифицируются тиофосфатом на их 3'-конце, чтобы передать устойчивость к 3'-5'- экзонуклеазной Ф29 активности ДНК- полимеразы . Реакции MDA начинаются с отжига таких праймеров с матрицей ДНК с последующим удлинением цепи, опосредованным полимеразой. В ходе реакции амплификации происходит все большее количество событий отжига праймеров.
Реакция
[ редактировать ]Реакция амплификации начинается, когда несколько гексамеров праймера отжигаются с матрицей. Когда синтез ДНК переходит к следующему стартовому участку, полимераза вытесняет вновь образовавшуюся цепь ДНК и продолжает удлинение ее цепи. Смещение цепи создает вновь синтезированную одноцепочечную матрицу ДНК для отжига большего количества праймеров. Дальнейший отжиг праймера и смещение цепи на вновь синтезированной матрице приводят к образованию сверхразветвленной сети ДНК. Разветвление последовательности во время амплификации приводит к высокому выходу продуктов. Чтобы разделить сеть ветвления ДНК, нуклеазы S1 используются для расщепления фрагментов в местах смещения. Разрывы на полученных фрагментах ДНК восстанавливаются I. ДНК- полимеразой
Качество продукции
[ редактировать ]MDA может генерировать 1–2 мкг ДНК из одной клетки с покрытием генома до 99%. [ 4 ] Продукты также имеют более низкий уровень ошибок и большие размеры по сравнению с амплификацией Taq на основе ПЦР . [ 4 ] [ 5 ]
Общий порядок работы MDA: [ 6 ]
- Подготовка проб : Пробы собираются и разбавляются в соответствующем реакционном буфере (Ca 2+ и мг 2+ бесплатно). Клетки лизируют щелочным буфером .
- Условия : Реакцию МДА с полимеразой Ф29 проводят при 30 °С. Реакция обычно занимает около 2,5–3 часов.
- Окончание реакции : Инактивируйте ферменты при 65 °C перед сбором продуктов амплифицированной ДНК.
- Продукты ДНК можно очистить с помощью коммерческого набора для очистки.
Преимущества
[ редактировать ]MDA генерирует достаточный выход продуктов ДНК. Это мощный инструмент амплификации молекул ДНК из образцов, таких как некультивируемые микроорганизмы или отдельные клетки, до количества, достаточного для исследований по секвенированию . Большой размер продуктов ДНК, амплифицированных MDA, также обеспечивает желаемое качество образцов для определения размера полиморфных повторяющихся аллелей. Его высокая точность также делает его надежным для использования при обнаружении аллелей однонуклеотидного полиморфизма (SNP). Благодаря смещению цепи во время амплификации амплифицированная ДНК имеет достаточное покрытие молекул исходной ДНК, что обеспечивает высококачественный продукт для геномного анализа. Продукты смещенных цепей впоследствии можно клонировать в векторы для создания библиотеки для последующих реакций секвенирования .
Ограничения
[ редактировать ]Аллельное выпадение (ADO)
[ редактировать ]ADO определяется как случайное отсутствие амплификации одного из аллелей, присутствующих в гетерозиготном образце. В некоторых исследованиях сообщается, что уровень ADO продуктов MDA составляет 0–60%. [ 7 ] Этот недостаток снижает точность генотипирования отдельного образца и приводит к ошибочному диагнозу в других приложениях, связанных с MDA. ADO, по-видимому, не зависит от размеров фрагментов и, как сообщается, имеет аналогичную скорость в других одноклеточных методах. Возможными решениями являются использование различных условий лизиса или проведение нескольких раундов амплификации из разбавленных продуктов MDA, поскольку, ПЦР как сообщается, опосредованная амплификация из культивируемых клеток дает более низкие показатели ADO.
Предпочтительное усиление
[ редактировать ]«Предпочтительная амплификация» — это чрезмерная амплификация одного из аллелей по сравнению с другим. Большинство исследований MDA сообщают об этой проблеме. В настоящее время наблюдается случайная погрешность усиления. Это может повлиять на анализ небольших участков геномной ДНК при идентификации аллелей с короткими тандемными повторами (STR).
Взаимодействие праймер-праймер
[ редактировать ]Эндогенное, независимое от матрицы взаимодействие праймер-праймер обусловлено случайным дизайном гексамерных праймеров. Одним из возможных решений является разработка ограниченно-рандомизированных гексануклеотидных праймеров, которые не подвергаются перекрестной гибридизации.
Приложения
[ редактировать ]Секвенирование генома одной клетки
[ редактировать ]одиночные клетки некультивируемых бактерий, архей и протистов, а также отдельные вирусные частицы и единичные грибов . споры С помощью MDA секвенировали [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]
Способность секвенировать отдельные клетки также полезна в борьбе с болезнями человека. Геномы отдельных эмбриональных клеток человека были успешно амплифицированы для секвенирования с использованием MDA, что позволяет осуществлять преимплантационную генетическую диагностику на ранних стадиях (ПГД): скрининг генетических проблем со здоровьем у эмбрионов перед имплантацией . [ 19 ] Заболевания с гетерогенными свойствами, такие как рак , также выигрывают от способности секвенирования генома на основе MDA изучать мутации в отдельных клетках.
Продукты MDA из одной клетки также успешно использовались в экспериментах по сравнительной геномной гибридизации , которые обычно требуют относительно большого количества амплифицированной ДНК.
Иммунопреципитация хроматина
[ редактировать ]Иммунопреципитация хроматина приводит к образованию сложных смесей относительно коротких фрагментов ДНК, которые сложно амплифицировать с помощью MDA, не вызывая систематической ошибки в представлении фрагментов. Был предложен метод обхода этой проблемы, основанный на превращении этих смесей в кольцевые конкатемеры с помощью лигирования с последующим МДА, опосредованным ДНК-полимеразой Ф29. [ 20 ]
Судебно-медицинская экспертиза
[ редактировать ]Следовое количество образцов, собранных с мест преступлений, может быть увеличено с помощью MDA до количества, достаточного для судебно-медицинского анализа ДНК, который обычно используется при идентификации жертв и подозреваемых.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Бланко Л., Бернад А., Ласаро Х.М., Мартин Г., Гармендия К., Салас М. (1989). «Высокоэффективный синтез ДНК ДНК-полимеразой фага фи 29. Симметричный способ репликации ДНК» . Журнал биологической химии . 264 (15): 8935–40. дои : 10.1016/S0021-9258(18)81883-X . ПМИД 2498321 .
- ^ Тиндалл К.Р. и Кункель Т.А. (1988). «Правильность синтеза ДНК ДНК-полимеразой Thermus aquaticus». Биохимия . 27 (16): 6008–13. дои : 10.1021/bi00416a027 . ПМИД 2847780 .
- ^ Хатчисон, Калифорния; Смит, ХО; Пфанкох, К; Вентер, Дж.К. (2005). «Бесклеточное клонирование с использованием ДНК-полимеразы φ29» . Труды Национальной академии наук . 102 (48): 17332–6. Бибкод : 2005PNAS..10217332H . дои : 10.1073/pnas.0508809102 . ПМЦ 1283157 . ПМИД 16286637 .
- ^ Перейти обратно: а б Паес Дж.Г., Лин М., Берухим Р., Ли Дж.К., Чжао X, Рихтер DJ, Габриэль С., Герман П., Сасаки Х., Альтшулер Д., Ли С., Мейерсон М., Селлерс В.Р. (2004). «Охват генома и точность последовательности амплификации всего генома на основе множественного смещения цепи полимеразы phi29» . Исследования нуклеиновых кислот . 32 (9): е71. дои : 10.1093/нар/gnh069 . ПМК 419624 . ПМИД 15150323 .
- ^ Эстебан Х.А., Салас М., Бланко Л. (1993). «Верность ДНК-полимеразы phi 29. Сравнение инициации с использованием белка и полимеризации ДНК» . Журнал биологической химии . 268 (4): 2719–26. дои : 10.1016/S0021-9258(18)53833-3 . ПМИД 8428945 .
- ^ Плевки; Ле Канек, К; Де Райк, М; Ван От, Л; Ван Стейртегем, А; Либерс, Я; Проповедь, К. (2006). «Полногеномная амплификация с множественным смещением из одиночных клеток». Протоколы природы . 1 (4): 1965–70. дои : 10.1038/nprot.2006.326 . ПМИД 17487184 . S2CID 33346321 .
- ^ Брэдли, Уорд, Ярборо (2012). «Уровень выпадения аллелей при множественной амплификации смещения». Прикладные биомолекулярные методы . 84 (51): 341–362.
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Чжан; Мартини, AC; Реппас, Северная Каролина; Барри, КВ; Малек, Дж; Чисхолм, Юго-Запад; Черч, GM (2006). «Секвенирование геномов отдельных клеток путем клонирования полимеразы». Природная биотехнология . 24 (6): 680–6. дои : 10.1038/nbt1214 . ПМИД 16732271 . S2CID 2994579 .
- ^ Степанаускас, Рамунас; Сьераки, Майкл Э. (22 мая 2007 г.). «Соответствие филогении и метаболизма некультивируемых морских бактерий, по одной клетке за раз» . Труды Национальной академии наук . 104 (21): 9052–9057. Бибкод : 2007PNAS..104.9052S . дои : 10.1073/pnas.0700496104 . ISSN 0027-8424 . ПМК 1885626 . ПМИД 17502618 .
- ^ Юн, Хван Су; Прайс, Дана С.; Степанаускас, Рамунас; Раджа, Виран Д.; Сераки, Майкл Э.; Уилсон, Уильям Х.; Ян, Ын Чан; Даффи, Сиобейн; Бхаттачарья, Дебашиш (6 мая 2011 г.). «Одноклеточная геномика выявляет организменные взаимодействия у некультивируемых морских простейших». Наука . 332 (6030): 714–717. Бибкод : 2011Sci...332..714Y . дои : 10.1126/science.1203163 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 21551060 . S2CID 34343205 .
- ^ Свон, Брэндон К.; Мартинес-Гарсия, Мануэль; Престон, Кристина М.; Щирба, Александр; Войке, Таня; Лами, Доминик; Рейнталер, Томас; Поултон, Николь Дж.; Масланд, Э. Дэшил П. (02 сентября 2011 г.). «Потенциал хемолитоавтотрофии среди повсеместно распространенных линий бактерий в темном океане». Наука . 333 (6047): 1296–1300. Бибкод : 2011Sci...333.1296S . дои : 10.1126/science.1203690 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 21885783 . S2CID 206533092 .
- ^ Войке, Таня; Се, Гэри; Коупленд, Алекс; Гонсалес, Хосе М.; Хан, Клифф; Поцелуй, Хайналка; Пила, Джимми Х.; Сенин Павел; Ян, Чи (23 апреля 2009 г.). «Сборка морского метагенома, по одной клетке за раз» . ПЛОС ОДИН . 4 (4): е5299. Бибкод : 2009PLoSO...4.5299W . дои : 10.1371/journal.pone.0005299 . ISSN 1932-6203 . ПМЦ 2668756 . ПМИД 19390573 .
- ^ Свон, Брэндон К.; Таппер, Бен; Щирба, Александр; Лауро, Федерико М.; Мартинес-Гарсия, Мануэль; Гонсалес, Хосе М.; Ло, Хайвэй; Райт, Джоди Дж.; Лэндри, Закари К. (9 июля 2013 г.). «Распространенная упорядоченность генома и широтная дивергенция планктонных бактерий на поверхности океана» . Труды Национальной академии наук . 110 (28): 11463–11468. Бибкод : 2013PNAS..11011463S . дои : 10.1073/pnas.1304246110 . ISSN 0027-8424 . ПМК 3710821 . ПМИД 23801761 .
- ^ Ринке, Кристиан; Швентек, Патрик; Щирба, Александр; Иванова Наталья Н.; Андерсон, Иэн Дж.; Ченг, Ян-Фан; Дорогой, Аарон; Малфатти, Стефани; Свон, Брэндон К. (июль 2013 г.). «Понимание филогении и кодирующего потенциала микробной темной материи» . Природа . 499 (7459): 431–437. Бибкод : 2013Natur.499..431R . дои : 10.1038/nature12352 . hdl : 10453/27467 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 23851394 .
- ^ Каштан, Надав; Роггенсак, Сара Э.; Родриг, Себастьен; Томпсон, Джесси В.; Биллер, Стивен Дж.; Коу, Эллисон; Дин, Хуэймин; Мартинен, Пекка; Мальмстрем, Рекс Р. (25 апреля 2014 г.). «Одноклеточная геномика выявила сотни сосуществующих субпопуляций дикого прохлорококка». Наука . 344 (6182): 416–420. Бибкод : 2014Sci...344..416K . дои : 10.1126/science.1248575 . hdl : 1721.1/92763 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 24763590 . S2CID 13659345 .
- ^ Уилсон, Уильям Х; Гилг, Илана С; Монируззаман, Мохаммед; Филд, Эрин К; Корень, Сергей; Леклер, Гэри Р.; Мартинес Мартинес, Хоакин; Поултон, Николь Дж; Свон, Брэндон К. (12 мая 2017 г.). «Геномное исследование отдельных гигантских океанских вирусов» . Журнал ISME . 11 (8): 1736–1745. дои : 10.1038/ismj.2017.61 . ISSN 1751-7362 . ПМК 5520044 . ПМИД 28498373 .
- ^ Степанаускас, Рамунас; Фергюссон, Элизабет А.; Браун, Джозеф; Поултон, Николь Дж.; Таппер, Бен; Лабонте, Джессика М.; Бекрафт, Эрик Д.; Браун, Джулия М.; Пачиадаки, Мария Г. (20 июля 2017 г.). «Улучшенное восстановление генома и комплексный анализ размеров отдельных некультивируемых микробных клеток и вирусных частиц» . Природные коммуникации . 8 (1): 84. Бибкод : 2017NatCo...8...84S . дои : 10.1038/s41467-017-00128-z . ISSN 2041-1723 . ПМК 5519541 . ПМИД 28729688 .
- ^ Пачиадаки, Мария Г.; Синтес, Ева; Бергауэр, Кристин; Браун, Джулия М.; Запись, Николас Р.; Свон, Брэндон К.; Матье, Мэри Элизабет; Халлам, Стивен Дж.; Лопес-Гарсия, Очищение (24 ноября 2017 г.). «Основная роль нитритокисляющих бактерий в фиксации углерода темного океана» . Наука . 358 (6366): 1046–1051. Бибкод : 2017Sci...358.1046P . дои : 10.1126/science.aan8260 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 29170234 .
- ^ Джошкун; Алсмади, О (2007). «Амплификация всего генома из одной клетки: новая эра преимплантационной генетической диагностики». Пренатальная диагностика . 27 (4): 297–302. дои : 10.1002/pd.1667 . ПМИД 17278176 . S2CID 22175397 .
- ^ Шоаиб; Бэконне, С; Мечольд, У; Ле Кам, Э; Липински, М; Огрызко, В (2008). «Множественная амплификация смещения сложных смесей фрагментов ДНК» . БМК Геномика . 9 : 415. дои : 10.1186/1471-2164-9-415 . ПМК 2553422 . ПМИД 18793430 .