DRIP-seq
DRIP-seq (DRIP-секвенирование) — это технология полногеномного профилирования типа гибрида ДНК-РНК, называемого « R-петлей ». [ 1 ] DRIP-seq использует независимое от последовательности, но структурно-специфическое антитело ДНК-РНК для иммунопреципитации (DRIP) для захвата R-петлей для массово-параллельного секвенирования ДНК . [ 1 ]
Введение
[ редактировать ]
R-петля представляет собой трехцепочечную структуру нуклеиновой кислоты , которая состоит из гибридного дуплекса ДНК-РНК и смещенной одноцепочечной ДНК (оцДНК). [ 2 ] R-петли преимущественно образуются в богатых цитозином областях генома во время транскрипции. [ 2 ] и известно, что они участвуют в экспрессии генов и переключении классов иммуноглобулинов . [ 1 ] [ 3 ] [ 4 ] Они были обнаружены у самых разных видов, от бактерий до млекопитающих. [ 2 ] Они преимущественно локализованы на CpG-островков промоторах в клетках человека и в областях с высокой степенью транскрипции у дрожжей. [ 1 ] [ 3 ]
В аномальных условиях, а именно повышенном производстве гибридов ДНК-РНК, R-петли могут вызывать нестабильность генома , подвергая одноцепочечную ДНК эндогенным повреждениям, вызванным действием таких ферментов, как AID и APOBEC , или чрезмерным воздействием химически активных видов. [ 4 ] Следовательно, понимание того, где и при каких обстоятельствах в геноме образуются R-петли, имеет решающее значение для лучшего понимания нестабильности генома. Характеристика R-петли изначально ограничивалась подходами, специфичными для локуса. [ 5 ] Однако с появлением массовых технологий параллельного секвенирования , а затем и их производных, таких как DRIP-seq, открылась возможность исследовать целые геномы на наличие R-петлей.
DRIP-seq основан на высокой специфичности и аффинности моноклонального антитела S9.6 (mAb) к гибридам ДНК-РНК различной длины. mAb S9.6 было впервые создано и охарактеризовано в 1986 году и в настоящее время используется для селективной иммунопреципитации R-петлей. [ 6 ] С тех пор его использовали в различных методах иммунопреципитации для характеристики R-петли. [ 1 ] [ 3 ] [ 7 ] [ 8 ] Концепция DRIP-seq аналогична ChIP-секвенированию ; Фрагменты R-петли являются основным иммунопреципитируемым материалом в DRIP-seq.
Использование и текущие исследования
[ редактировать ]DRIP-seq в основном используется для полногеномного картирования R-петлей. Идентификация мест образования R-петли позволяет изучать разнообразные клеточные события, такие как функция образования R-петли в определенных регионах, характеристика этих областей и влияние на экспрессию генов. Его также можно использовать для изучения влияния R-петлей на другие процессы, такие как репликация и синтез ДНК. Косвенно DRIP-seq можно проводить на мутантных клеточных линиях, дефицитных по генам, участвующим в разрешении R-петли. [ 3 ] Исследования такого типа предоставляют информацию о роли мутировавшего гена в подавлении образования ДНК-РНК и, возможно, о значении R-петлей в нестабильности генома.
DRIP-seq был впервые использован для полногеномного профилирования R-петлей у людей, что показало широко распространенное образование R-петли на промоторах CpG-островков. [ 1 ] В частности, исследователи обнаружили, что образование R-петли связано с неметилированным состоянием CpG-островков.
Позже DRIP-seq был использован для профилирования образования R-петли в сайтах начала и терминации транскрипции в плюрипотентных клетках Ntera2 человека . [ 7 ] В этом исследовании ученые обнаружили, что R-петли на 3'-концах генов могут коррелировать с терминацией транскрипции.
Рабочий процесс DRIP-seq
[ редактировать ]
Экстракция геномной ДНК
[ редактировать ]Сначала геномную ДНК (гДНК) экстрагируют из представляющих интерес клеток обработкой протеиназой К с последующей экстракцией фенолом-хлороформом и осаждением этанолом . Дополнительное расщепление зимолиазой необходимо дрожжевым клеткам для удаления клеточной стенки перед протеиназой К. обработкой ГДНК также можно выделить с помощью множества других методов, таких как методы на основе колонок .
Фрагментация геномной ДНК
[ редактировать ]гДНК обрабатывают нуклеазой S1 для удаления нежелательной оцДНК и РНК с последующим осаждением этанолом для удаления нуклеазы S1. Затем гДНК фрагментируется эндонуклеазой рестрикции , образуя фрагменты двухцепочечной ДНК (дцДНК) разных размеров. Альтернативно, фрагменты гДНК могут быть получены путем обработки ультразвуком .
Иммунопреципитация
[ редактировать ]Фрагментированную гДНК инкубируют с mAb S9.6, специфичным по структуре ДНК-РНК. Этот шаг уникален для протокола DRIP-seq, поскольку он полностью основан на высокой специфичности и аффинности mAb S9.6 к гибридам ДНК-РНК. Антитело распознает и свяжет эти участки, разбросанные по геному , и будет использовано для иммунопреципитации. Антитела S9.6 связываются с магнитными шариками путем взаимодействия со специфическими лигандами (т.е. белком А или белком G ) на поверхности шариков. Таким образом, фрагменты, содержащие ДНК-РНК, будут связываться с шариками посредством антитела.
Элюирование
[ редактировать ]Магнитные шарики промывают для удаления любой гДНК, не связанной с шариками, серией промывок, а гибриды ДНК-РНК выделяют элюированием. Для удаления антитела, связанного с гибридами нуклеиновых кислот, проводят обработку протеиназой К с последующей экстракцией фенолом-хлороформом и осаждением этанолом. Это приводит к выделению очищенных гибридов ДНК-РНК разного размера.
Секвенирование
[ редактировать ]Для массового параллельного секвенирования этих фрагментов иммунопреципитированный материал обрабатывают ультразвуком, выбирают размер и лигируют с адаптерами олигонуклеотидов со штрих-кодом для кластерного обогащения и секвенирования.
Вычислительный анализ
[ редактировать ]Чтобы обнаружить сайты формирования R-петли, сотни миллионов считываний секвенирования из DRIP-seq сначала выравниваются с эталонным геномом с помощью выравнивателя последовательностей с коротким считыванием , затем вызова пиков, для оценки DRIP можно использовать методы разработанные для ChIP-seq. сигналы. [ 1 ] Если для разных экспериментов DRIP-seq одного и того же образца использовались разные коктейли рестриктаз, то называются консенсусные пики DRIP-seq. [ 7 ] Обычно пики сравнивают с пиками соответствующего образца, обработанного РНКазой H1 , который служит входным контролем. [ 1 ] [ 7 ]
Ограничения
[ редактировать ]Из-за отсутствия другого метода иммунопреципитации с использованием антител на основе R-петли проверка результатов DRIP-seq затруднена. Однако результаты других методов профилирования R-петли, таких как DRIVE-seq, могут быть использованы для измерения консенсуса.
С другой стороны, DRIP-seq опирается на существующие платформы секвенирования короткого считывания для секвенирования R-петлей. Другими словами, все ограничения, присущие этой платформе, также применимы и к DRIP-seq. В частности, типичные платформы секвенирования с коротким считыванием будут обеспечивать неравномерное покрытие считываний в регионах, богатых GC. Секвенирование длинных R-петлей может представлять собой проблему, поскольку R-петли преимущественно образуются в участках ДНК, богатых цитозином. Более того, регионы, богатые GC, по своей природе имеют тенденцию иметь низкую сложность, из-за чего элайнерам с коротким ридом сложно создавать уникальные выравнивания.
Другие методы профилирования R-петли
[ редактировать ]Хотя существует несколько других методов анализа и профилирования формирования R-петли, [ 5 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] лишь немногие из них обеспечивают охват и надежность в масштабе всего генома. [ 1 ] [ 3 ]
- Неденатурирующая бисульфитная модификация и секвенирование . Этот метод состоит из обработки бисульфитом с последующим секвенированием и основан на мутагенном воздействии бисульфита натрия на оцДНК. Хотя этот метод в основном используется для локализации конкретных промоторов CpG-островков, [ 1 ] он использовался для обнаружения R-петлей в незначительном масштабе [ 5 ] и другие хрупкие сайты оцДНК. [ 17 ]
- Обогащение ДНК:РНК in vitro (DRIVE-seq) : [ 1 ] Этот метод имеет очень схожие принципы с DRIP-seq, за исключением использования эндонуклеазы MBP-RNASEH1 вместо моноклонального антитела S9.6 для восстановления R-петлей. MBP-RNASEH1 представляет собой альтернативу моноклональному антителу S9.6, когда необходим дополнительный анализ захвата, однако сверхэкспрессия этой эндонуклеазы может представлять цитотоксический риск in vivo .
- Иммунопреципитация ДНК:РНК с последующей гибридизацией на тайлинговом микрочипе (DRIP-чип) : [ 3 ] Этот метод также основан на использовании mAb S9.6. Однако вместо того, чтобы поступать в конвейер секвенирования, иммунопреципитированный материал в DRIP-чипе гибридизуется с микрочипом . Преимущество DRIP-чипа перед DRIP-seq заключается в быстром получении данных. Ограничивающими факторами этого метода являются количество зондов на чип-микрочипах и отсутствие информации о последовательности ДНК.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к Джинно, Пенсильвания; Лотт, Польша; Кристенсен, ХК; Корф, Я; Шедин, Ф (30 марта 2012 г.). «Формирование R-петли является отличительной характеристикой неметилированных промоторов CpG-островков человека» . Молекулярная клетка . 45 (6): 814–25. doi : 10.1016/j.molcel.2012.01.017 . ПМК 3319272 . ПМИД 22387027 .
- ^ Jump up to: а б с Агилера, А; Гарсиа-Муза, Т. (27 апреля 2012 г.). «Петли R: от побочных продуктов транскрипции к угрозам стабильности генома» . Молекулярная клетка . 46 (2): 115–24. doi : 10.1016/j.molcel.2012.04.009 . ПМИД 22541554 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Чан, Ю.А.; Аристисабал, MJ; Лу, ПЯ; Ло, З; Хамза, А; Кобор, М.С.; Стерлинг, ПК; Хитер, П. (апрель 2014 г.). «Полногеномное профилирование участков, склонных к гибридизации ДНК:РНК дрожжей, с помощью DRIP-чипа» . ПЛОС Генетика . 10 (4): e1004288. дои : 10.1371/journal.pgen.1004288 . ПМЦ 3990523 . ПМИД 24743342 .
- ^ Jump up to: а б Чаудхури, Дж; Тиан, М; Хуонг, К; Чуа, К; Пино, Э; Альт, FW (17 апреля 2003 г.). «Дезаминирование ДНК, направленное на транскрипцию, с помощью фермента диверсификации антител AID». Природа . 422 (6933): 726–30. Бибкод : 2003Natur.422..726C . дои : 10.1038/nature01574 . ПМИД 12692563 . S2CID 771802 .
- ^ Jump up to: а б с Ю, К; Шедин, Ф; Се, CL; Уилсон, Т.Э.; Либер, MR (май 2003 г.). «R-петли в областях переключения класса иммуноглобулинов в хромосомах стимулированных В-клеток». Природная иммунология . 4 (5): 442–51. дои : 10.1038/ni919 . ПМИД 12679812 . S2CID 1652440 .
- ^ Богуславский, С.Дж.; Смит, Делавэр; Михалак, Массачусетс; Микельсон, Кентукки; Йеле, Колорадо; Паттерсон, WL; Каррико, Р.Дж. (1 мая 1986 г.). «Характеристика моноклональных антител к ДНК-РНК и их применение для иммунодетекции гибридов». Журнал иммунологических методов . 89 (1): 123–30. дои : 10.1016/0022-1759(86)90040-2 . ПМИД 2422282 .
- ^ Jump up to: а б с д Джинно, Пенсильвания; Лим, Ю.В.; Лотт, Польша; Корф, Я; Шедин, Ф (октябрь 2013 г.). «Перекос GC на 5'- и 3'-концах человеческих генов связывает образование R-петли с эпигенетической регуляцией и терминацией транскрипции» . Геномные исследования . 23 (10): 1590–600. дои : 10.1101/гр.158436.113 . ПМЦ 3787257 . ПМИД 23868195 .
- ^ Скурти-Статаки, К; Праудфут, Нью-Джерси; Громак Н. (24 июня 2011 г.). «Человеческий сенатаксин расщепляет гибриды РНК/ДНК, образующиеся в сайтах пауз транскрипции, чтобы способствовать Xrn2-зависимой терминации» . Молекулярная клетка . 42 (6): 794–805. doi : 10.1016/j.molcel.2011.04.026 . ПМК 3145960 . ПМИД 21700224 .
- ^ Эль Хаге, А; французский, SL; Бейер, Алабама; Толлерви, Д. (15 июля 2010 г.). «Потеря топоизомеразы I приводит к блокаде транскрипции, опосредованной R-петлей, во время синтеза рибосомальной РНК» . Гены и развитие . 24 (14): 1546–58. дои : 10.1101/gad.573310 . ПМК 2904944 . ПМИД 20634320 .
- ^ Дюкетт, ML; Хубер, доктор медицины; Майзельс, Н. (15 марта 2007 г.). «G-богатые протоонкогены нацелены на нестабильность генома при В-клеточных лимфомах» . Исследования рака . 67 (6): 2586–94. дои : 10.1158/0008-5472.can-06-2419 . ПМИД 17363577 .
- ^ Уэртас, П; Агилера, А. (сентябрь 2003 г.). «Котранскрипционно образующиеся гибриды ДНК:РНК опосредуют нарушение элонгации транскрипции и рекомбинацию, связанную с транскрипцией» . Молекулярная клетка . 12 (3): 711–21. doi : 10.1016/j.molcel.2003.08.010 . ПМИД 14527416 .
- ^ Дроле, М; Би, Х; Лю, LF (21 января 1994 г.). «Гипернегативная суперспирализация матрицы ДНК во время элонгации транскрипции in vitro» . Журнал биологической химии . 269 (3): 2068–74. дои : 10.1016/S0021-9258(17)42136-3 . ПМИД 8294458 .
- ^ Гомес-Гонсалес, Б; Агилера, А. (15 мая 2007 г.). «Действие цитидиндезаминазы, индуцированное активацией, сильно стимулируется мутациями комплекса ТНО» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 104 (20): 8409–14. Бибкод : 2007PNAS..104.8409G . дои : 10.1073/pnas.0702836104 . ЧВК 1895963 . ПМИД 17488823 .
- ^ Похйойсмяки, Дж.Л.; Холмс, Дж. Б.; Вуд, СР; Ян, МОЙ; Ясукава, Т; Рейес, А; Бейли, LJ; Клюэтт, Ти Джей; Гоффарт, С; Уиллкокс, С; Ригби, RE; Джексон, AP; Спелбринк, JN; Гриффит, доктор медицинских наук; Крауч, Р.Дж.; Джейкобс, ХТ; Холт, Эй Джей (16 апреля 2010 г.). «Промежуточные продукты репликации митохондриальной ДНК млекопитающих по существу являются дуплексными, но содержат обширные участки гибрида РНК/ДНК» . Журнал молекулярной биологии . 397 (5): 1144–55. дои : 10.1016/j.jmb.2010.02.029 . ПМЦ 2857715 . ПМИД 20184890 .
- ^ Мишо, HE; Гомес-Гонсалес, Б; Гжечник, П; Рондон, АГ; Вэй, В; Штайнмец, Л; Агилера, А; Праудфут, Нью-Джерси (7 января 2011 г.). «Дрожжевая хеликаза Sen1 защищает геном от нестабильности, связанной с транскрипцией» . Молекулярная клетка . 41 (1): 21–32. doi : 10.1016/j.molcel.2010.12.007 . ПМК 3314950 . ПМИД 21211720 .
- ^ Вахба, Л; Амон, доктор медицинских наук; Кошланд, Д; Вуйка-Росс, М. (23 декабря 2011 г.). «РНКаза H и многочисленные факторы биогенеза РНК взаимодействуют, предотвращая возникновение нестабильности генома гибридами РНК:ДНК» . Молекулярная клетка . 44 (6): 978–88. дои : 10.1016/j.molcel.2011.10.017 . ПМЦ 3271842 . ПМИД 22195970 .
- ^ Чан, К; Стерлинг, Дж. Ф.; Робертс, ЮАР; Бхагват, А.С.; Резник, Массачусетс; Горденин Д.А. (2012). «Повреждение оснований одноцепочечной ДНК лежит в основе гипермутативности in vivo, вызванной вездесущим агентом окружающей среды» . ПЛОС Генетика . 8 (12): e1003149. дои : 10.1371/journal.pgen.1003149 . ПМК 3521656 . ПМИД 23271983 .