Analyse von LINE-1-Retrotransposition im Einzel Nucleus Ebene

Summary

Hier beschäftigen wir FISH – Methodik LINE-1 – Retrotransposition an der einzelnen Kerne Ebene in Chromosom Spreads von HepG2 – Zelllinien stabil synthetischen LINE-1 exprimieren , zu verfolgen.

Abstract

Long interspersed nuclear element-1 (Line-1 or L1) accounts for approximately 17% of the DNA present in the human genome. While the majority of L1s are inactive due to 5′ truncations, ~80-100 of these elements remain retrotransposition competent and propagate to different locations throughout the genome via RNA intermediates. While older L1s are believed to target AT rich regions of the genome, the chromosomal targets of newer, more active L1s remain poorly defined. Here we describe fluorescence in situ hybridization (FISH) methodology that can be used to track patterns of L1 insertion and rates of ectopic L1 incorporation at the single nucleus level. In these experiments, fluorescein isothiocyanate/cyanine-3 (FITC/CY3) labeled neomycin probes were employed to track L1 retrotransposition in vitro in HepG2 cells stably expressing ectopic L1. This methodology prevents errors in the estimation of rates of retrotransposition posed by toxicity and account for the occurrence of multiple insertions into a single nucleus.

Introduction

Menschliche Lange streute Kern Element-1 (Linie-1 oder L1) ist eine autonome mobile Element , das durch eine im Genom ausbreitet "Kopieren und Einfügen" Retrotransposition Mechanismus. Ein typisches menschliches L1 ~ 6 kb lang und besteht aus einer 5' – UTR (untranslatierte Region), die als Promotor dient, zwei offene Leserahmen (ORFs): L1 -ORF1 und L1 -ORF2 und eine 3'UTR mit einem polyA . Schwanz L1 -ORF1 Protein hat drei verschiedene Bereiche: eine Spule-Coil – Domäne, RNA – Erkennungsmotiv und C-terminale Domäne, während L1 -ORF2 Protein Endonuklease hat, reverse Transkriptase und Cystein reiche Domänen ^1.2.3.4.5. L1 -ORF1 zeigt Nukleinsäure Chaperon – Aktivitäten, während L1 -ORF2 enzymatischen Aktivitäten bietet, wobei beide für Retrotransposition benötigten Proteine ^​​1,2,6.

Ein Zyklus von L1 Retrotransposition beginnt mit der Transkription von der 5'UTR von L1 </em> bicistronischen mRNA durch RNA-Polymerase II, Translokation in das Cytoplasma und Translation. Im Zytoplasma, L1 -ORF1 weist entweder cis -Bindung , wo es seine eigene RNA oder trans -Bindung Pakete , wo es andere RNAs Pakete (dh Sinus- / SVAS / pseudogenes) ⁷ ein Ribonukleoprotein Partikel (RNP) mit L1 -ORF2p zu ^{bilden, 8.} RNPs Translokation in den Zellkern , wo die Endonuklease – Aktivität von L1 -ORF2p Scharten genomische DNA (gDNA) eine OH zu belichten ^– Gruppe ^9, die wiederum durch die reverse Transkriptase zu primen verwendet wird und synthesize RNA zu DNA vom 3' – Ende umzukehren. Während der Rückwärts Synthese wird der zweite DNA – Strang 7-20 bp von der ursprünglichen nick Website geklaut zu versetzten Pausen schaffen , die die Signatur L1 Insertionssequenzen (zB TTTTAA) genannt Zielstelle Vervielfältigungen (TSD) ^9,10 zu bilden , gefüllt sind. Dieser Vorgang wird als Ziel prime reverse Transkription (TPRT) bekannt und führt zu insertiauf der vollständigen oder abgeschnittene Kopien von L1 / andere DNAs mit TSD an beiden Enden der eingefügten Sequenz. L1 Retrotransposition auch durch TPRT artigen nicht-homologe end-joining in einigen Zelltypen ¹¹ vermittelt zu werden hat sich gezeigt.

Der L1 – Vektor Retrotransposition in unseren Studien verwendeten nicht-episomale und besteht aus getaggt L1 -ORF1 & 2p angetrieben durch kombinierte CMV-Promotoren L1-5'UTR (Abbildung 1) ^12. Frühere Versionen dieses Konstrukts wurden ^13,14,15 in Studien unter Verwendung von Hefe und menschlichen Zellkulturen beschrieben. Zwei verschiedene CMV-Promotoren in der 5 'angeordnet und 3'-Enden des Vektors, mit dem 3'-Ende in umgekehrter Ausrichtung angeordnet Expression von Neomycin nach dem Spleißen und Integration zu fahren. Der Retrotransposition Indikator Kassette an dem 3' – Ende besteht aus einem Neomycin – Gen insertiert Antisense zu L1 -ORFs und durch eine glob inaktiver durch Trennung in zwei Hälften gemachtin Intron mit gespleißten Donor (SD) und gespleißt Akzeptor (SA) -Stellen (Abbildung 1). Bei der Integration in ein Chromosom, wird L1 von dem gemeinsamen Promotor transkribiert , um eine mRNA produzieren , die von einer bicistronischen mRNA und inaktive Neomycin mRNA besteht. Während RNA Verarbeitung wird das Globin-Intron aus dem Neomycin-Gen gespleißt eine voll funktionsfähige Neomycin-Gen wiederherzustellen. Die Hybrid – mRNA wird in ein RNP in cis verpackt und in den Zellkern transloziert , wo es in das Genom entweder in voller Länge oder abgeschnittene Einfügungen Verwendung TPRT integriert ist.

Hier beschreiben wir eine Methode , die Fluoreszenz – in – situ – Hybridisierung (FISH) mit Sonden verwendet speziell auf die gespleißten Neomycin – Gen gerichtet (Sneo) an der einzigen Kern Ebene L1 -retrotransposiition Muster und Einbringungsraten zu verfolgen. Die Effizienz und Spezifität des Nachweises wurde unter Verwendung von Retrotransposition kompetenten und inkompetenten Konstrukte und Sonden bestätigt detect Sneo oder das Neomycin und Intron – Übergang Globin – ^16. Diese Methodologie macht einige der Mängel der Zellkultur-Assays Retrotransposition, beispielsweise mehrere Einfügungen, kolonieBeständigkeit und günstige clone Expansion.

Protocol

HINWEIS: Alle Schritte sollten bei Raumtemperatur durchgeführt werden, wenn nicht anders angegeben. Bitte beachten Sie Reagenzien für Details auf, wie einzelne Reagenzien herzustellen. 1. Kennzeichnung L1 Probes HINWEIS: Die Sonden können durch chemische oder PCR-Kennzeichnung versehen werden. chemische Markierung Machen 0,7-1% Agarosegel in Tris-Acetat-EDTA (TAE) -Puffer, Wärme in einer Mikrowelle, bis sie geschm…

Representative Results

Ein schematisches Diagramm des L1 Retrotransposition Vektors ist in Abbildung 1 dargestellt. Der Vektor besteht aus einem Neomycin – Gen in Antisense – Orientierung zu L1 ORFs , die durch ein Globin – Intron in Sense – Orientierung und sandwichartig von SD und SA Seiten unterbrochen ist. Wenn stabil in ein Chromosom integriert ist L1 mRNA aus dem kombinierten CMV transkribiert und L1-5'UTR Promotor (Abbildung 1). Während R…

Discussion

Methodiken wie Sequenzierung ganzer Genome, inverse PCR und Southern – Blotting wurden zu studieren L1 Retrotransposition eingesetzt. Obwohl diese Methoden äußerst wertvoll sind , bei der Suche nach dem L1 Einfügungen treten innerhalb von Genomen, eine verwirrende Herausforderung für alle von ihnen ist die Notwendigkeit für die In-silico – Programmierung zu Sequenzen wieder zusammen. Die FISH – Methodik hier beschrieben entwickelt , um diese Methoden zu ergänzen, insbesondere im Fall von…

Materials

Labeling Probes
Go Tag DNA polymerase	Promega	M3178
GO Tag 10X colorless buffer	Promega	M3178
Individual dNTP	Sigma	DNTP10	Adjust the concentration of dATP, dGTP, dCTP to 2mM and dTTP to 1.5mM  in nuclease free water.
dUTP-16-Biotin (0.5mM)	Roche	11093070910
dUTP-FITC (0.5mM)	Thermo Scientific	R0101
dUTP-CY3 (0.5mM)	Sigma	GEPA53022
MIRUS FISH Labeling Kit	MIRUS	MIR3625
MIRUS FISH Labeling Kit	MIRUS	MIR3225
NucleoSpin PCR Clean-Up kit	Qiagen	1410/0030	Any PCR clean reagent can be used in place of NucleoSpin PCR Clean Up Kit
PCR Machine			Any Thermocycler machine can be used to amplify the label product.
Agarose	Sigma	A9539
Name	Company	Catalog Number	Comments
Preparing chromosome Spreads.
Colcemid	Life Technologies	15212-012	Add Colcemid directly to growth media  to a final concentration of 0.4 µg/mL
1M KCl	Sigma	P9541	Dilute 1M KCl solution to 75 mM solution to make Hypotonic Solution
Carnoy Fixative Solution			Mix 3 volumes of methanol and 1 volume of acetic acid to make Carnoy Fixative Solution. Make Fresh everytime.
Methanol	Sigma	322415
Acetic acid	Sigma	320099
Hoechst-33342	Thermo Scientific	62249	Dissolve Hoechst-33342 in PBS to final concentration of 1 mg/mL.
Diamond Point Marker	Thermo Scientific	750
Frosted Slides	Thermo Scientific	2951-001
Trypsin-EDTA (0.25%)	Life Technologies	R001100	To detech cells, incubate cell in Trypsin for 5 mins and inactive with equal volume of complete media
Cover slides	VWR	48366067
Coplin Jars	Thermo Scientific	107
Heat Block			Any heat block can be used for this purpose, though blocks fitted for heating slides are recommended.
Beaker (600ml)	Sigma	CLS1003600	Fill the beaker with water, heat to boil, use the hot steam to burst chromosomes.
Nikon Microscope	Nikon	125690	Any microscope can be used to look at spread quality.
Name	Company	Catalog Number	Comments
Reagents and Materials for FISH
Trisodium citrate	Sigma	S1804
Sodium Chroride	Sigma	S3014
Formamide	Sigma	F9037
Tween-20	Sigma	F1379
Detran Sulfate	Sigma	D8906
SDS	Sigma	L3771
Salmon Sperm DNA	Life Technologies	15632-011
Bovine Serum Albumin (BSA)	Sigma	A8531
HCl (N)	Sigma	38283
Ethyl Alcohol	Sigma	459844
Methanol	Sigma	322415
DPBS	Life Technologies	14190-250
NaOH	Sigma	S8045
Rnase A	Sigma	R4642
Pepsin	Sigma	P6887
Paraformaldehyde (PFA)	Sigma	P6148
Hoechst-33342	Thermo Scientific	62249	Dissolve Hoechst-33342 in PBS to final concentration of 1 mg/mL.
Rubber Cement/Cytobond Sealant		2020-00-1
Seven Coplin Jars	Thermo Scientific	107
Dark Humidified chamber	Sigma	CLS2551
Cover slides	VWR	48366067
Dry Digital Heat Block	VWR	13259
Fluorescence Microscope
20X Saline-Sodium Citrate (20X SSC)			Combine 175 g of NaCl, and 88.2 g of trisodium citrate with 800 mL of molecular grade H2O. Stir while adjusting to pH 7. Once the all salts dissolve, adjust the volume to 1 L and filter through 0.22 µm Filter paper. Store at 4 °C.
1mg/mL of Rnase A			Dilute 20X SSC buffer to 2X SSC buffer. Dissolve RNase A in 2X SSC buffer to a final concentration of 1 mg/mL. Make fresh solution every time.
1% Pepsin			Dissolve  pepsin (W/V) in 10 mM HCl to a final concentration of 1 % solution. Make fresh every time.
4% Paraformaldehyde (4% PFA)			Weigh 4.0 g of PFA in fume hood, add 50 mL of 1xPBS, heat to 60 °C while stirring and adjust the pH with drops of NaOH until all PFA dissolves and the solution becomes clear. Adjust the volume to 100 mL, filter through 0.22 µm Filter paper and store 5 mL aliquots at -20 °C. Thaw aliquot of PFA at 37 °C for 10-15 min for subsequent uses.  Adjust filter size depending on amount of paraformaldehyde.
Wash Buffer			Combine 100 mL of Formamide (20%) with 2.5 mL of 20X SSC, adjust to pH 7 with 1.0 M HCl and bring the volume to 500 mL with molecular grade H2O.
Hybridization Buffer			Combine 50% formamide, 10% dextran sulfate, 0.1% SDS, and 300 ng/mL Salmon Sperm DNA in 2X SSC buffer.  Amount of Formamide determine how focused chromatids are, titrate the amount
Detection Buffer			Dilute 20X SSC buffer to 4X and add 0.2% Tween-20 to make detection buffer.
Blocking Buffer			Combine 5% bovine serum albumin (BSA) with 0.2% Tween-20 in 4X SSC buffer.
Dehydrating Solution			Make 70%, 80%, and 95% ethanol solutions.