Analyse van de LINE-1 retrotransposition bij de Single Nucleus niveau
Summary
Hier maken we gebruik van FISH methodologie op te sporen LINE-1 retrotransposition bij de enkele kernen niveau chromosoom spreads van HepG2-cellijnen stabiel tot expressie synthetische LINE-1.
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
Human Lange afgewisseld Nuclear Element-1 (Lijn-1 of L1) is een autonome mobiele element dat zich voortplant in het genoom door middel van een "kopieer en plak" retrotransposition mechanisme. Een typische menselijke L1 ~ 6 kb lang en bestaat uit een 5 'UTR (niet getranslateerd gebied) dat als een promotor, twee open leesramen (ORFs): L1 -ORF1 en L1 -ORF2 en een 3'UTR met een polyA . staart L1 -ORF1 eiwit heeft drie verschillende domeinen: een spoel-coil domein, RNA erkenning Motif en C-terminale domein, terwijl L1 -ORF2 eiwit heeft endonuclease, reverse transcriptase en cysteïne-rijke domeinen 1,2,3,4,5. L1 -ORF1 vertoont nucleïnezuur chaperon activiteiten, terwijl L1 -ORF2 biedt enzymatische activiteiten, met beide eiwitten vereist retrotransposition 1,2,6.
Een cyclus van L1 retrotransposition begint transcriptie van het 5'UTR van L1 </em> bicistronische mRNA door RNA-polymerase II, translocatie in het cytoplasma, en vertaling. In het cytoplasma, L1 -ORF1 exposities ofwel cis bindingsplaats waar het pakketten zijn eigen RNA of trans bindingsplaats waar het pakketten andere RNA's (dat wil zeggen, SINE / SVAs / pseudogenes) om een ribonucleoprotein deeltje (RNP) te vormen met L1 -ORF2p 7, 8. RNP transloceren naar de kern, waar het endonuclease activiteit van L1 -ORF2p namen genomisch DNA (gDNA) aan een OH bloot – groep 9, dat op zijn beurt door reverse transcriptase te primen en reverse synthetiseren RNA DNA uit het 3 'uiteinde. Tijdens achterwaartse synthese wordt de tweede streng van DNA gekerfd 7-20 bp van de oorspronkelijke nick plaats gespreide pauzes die zijn gevuld met de handtekening L1 insertie sequenties (bijvoorbeeld TTTTAA) genoemd target site duplicatie (TSD) 9,10 vorming maken. Dit proces staat bekend als doelwit prime reverse transcriptie (TPRT) en leidt tot insertiop volledige of verkorte kopieën van L1 / andere DNAs met TSD aan beide einden van de ingebrachte sequentie. L1 retrotransposition is ook aangetoond worden gemedieerd door TPRT-achtige niet-homologe eind mee in sommige celtypen 11.
De L1 retrotransposition vector gebruikt in onze studies niet-episomale en bestaat uit L1 hebben -ORF1 & 2p aangedreven door combinatie CMV-promoters L1-5'UTR (figuur 1) 12. Eerdere versies van dit construct zijn beschreven in studies met gist en humane celculturen 13,14,15. Twee verschillende CMV promoters gelegen aan de 5 'en 3' uiteinden van de vector met het 3 'uiteinde in omgekeerde oriëntatie geplaatst om expressie neomycine rijden na splicing en integratie. De retrotransposition indicator cassette aan het 3 'uiteinde omvat een neomycine geïnsereerd antisense L1 -ORFs en inactief wordt door scheiding in twee helften door een klodderin intron met gesplitste donor (SD) en splicing acceptor (SA) plaatsen (Figuur 1). Na integratie in een chromosoom, is L1 getranscribeerd van een gemeenschappelijke promoter een mRNA dat uit een bicistronische mRNA en inactieve neomycine mRNA produceren. Tijdens RNA processing, is de globine intron splicing van het neomycine gen een volledig functionele neomycinegen herstellen. De hybride mRNA wordt verpakt in een RNP in cis en translocatie naar de kern waar het wordt geïntegreerd in het genoom als ofwel de volledige lengte of afgeknotte inserties gebruikt TPRT.
Hier beschrijven we een methode die gebruik maakt van fluorescentie in situ hybridisatie (FISH) met probes die specifiek gericht zijn op de gesplitste neomycinegen (Sneo) naar L1 -retrotransposiition patronen en invoeging tarieven volgen op de enkele kern niveau. De efficiëntie en specificiteit van de detectie werd bevestigd met behulp retrotransposition competente en incompetente constructies en sondes naar detect Sneo of neomycine en globine intron knooppunt 16. Deze methode vertegenwoordigt een aantal tekortkomingen van celkweek gebaseerde retrotransposition assays, zoals meerdere inserties, kolonie weerstand en positieve kloon expansie.
Protocol
Representative Results
Discussion
Methodes zoals whole genome sequencing, inverse PCR en Southern blotting zijn gebruikt om L1 retrotransposition bestuderen. Hoewel deze methoden zijn zeer waardevol bij het lokaliseren waar de L1 inserties plaatsvinden binnen genomen, een verstorende uitdaging voor alle van hen is de noodzaak van in-silico programmeren sequenties weer in elkaar zetten. De FISH werkwijze hierin beschreven is ontworpen om deze werkwijzen te vullen, met name bij studies die analyses van ectopische L1</e…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported in part by grants from the National Institute of Environmental Health Sciences (ES014443 and ES017274) and AstraZeneca to KSR.
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. |
References
- Mathias, S. L., Scott, A. F., Kazazian, H. H., Boeke, J. D., Gabriel, A. Reverse transcriptase encoded by a human transposable element. Science. 254, 1808-1810 (1991).
- Feng, Q., Moran, J. V., Kazazian, H. H., Boeke, J. D. Human L1 retrotransposon encodes a conserved endonuclease required for retrotransposition. Cell. 87, 905-916 (1996).
- Clements, A. P., Singer, M. F. The human LINE-1 reverse transcriptase:effect of deletions outside the common reverse transcriptase domain. Nucl Acids Res. 26, 3528-3535 (1998).
- Martin, S. L., Branciforte, D., Keller, D., Bain, D. L. Trimeric structure for an essential protein in L1 retrotransposition. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 100, 13815-13820 (2003).
- Khazina, E., et al. Trimeric structure and flexibility of the L1ORF1 protein in human L1 retrotransposition. Nat Struct Mol Biol. 18, 1006-1014 (2011).
- Martin, S. L., Li, J., Weisz, J. A. Deletion analysis defines distinct functional domains for protein-protein and nucleic acid interactions in the ORF1 protein of mouse LINE-1. J Mol Biol. 304, 11-20 (2000).
- Martin, S. L. Ribonucleoprotein particles with LINE-1 RNA in mouse embryonal carcinoma cells. Mol Cell Biol. 11 (9), 4804-4807 (1991).
- Hohjoh, H., Singer, M. F. Cytoplasmic ribonucleoprotein complexes containing human LINE-1 protein and RNA. EMBO J. 15, 630-639 (1996).
- Cost, G. J., Feng, Q., Jacquier, A., Boeke, J. D. Human L1 element target-primed reverse transcription in vitro. EMBO J. 21, 5899-5910 (2002).
- Szak, S. T., et al. Molecular archeology of L1 insertions in the human genome. Genome Biol. 3, (2002).
- Sen, S. K., Huang, C. T., Han, K., Batzer, M. A. Endonuclease-independent insertion provides an alternative pathway for L1 retrotransposition in the human genome. Nucl Acids Res. 35, 3741-3751 (2007).
- Bojang, P., Roberts, R. A., Anderton, M. J., Ramos, K. S. Reprogramming of the HepG2 genome by long interspersed nuclear element-1. Mol Oncol. 7, 812-825 (2013).
- Boeke, J. D., Garfinkel, D. J., Styles, C. A., Fink, G. R. Ty elements transpose through an RNA intermediate. Cell. 40, 491-500 (1985).
- Heidmann, T., Heidmann, O., Nicolas, J. F. An indicator gene to demonstrate intracellular transposition of defective retroviruses. PNAS. 85, 2219-2223 (1988).
- Moran, J. V., et al. High frequency retrotransposition in cultured mammalian cells. Cell. 87, 917-927 (1996).
- Bojang, P., Anderton, M. J., Roberts, R. A., Ramos, K. S. De novo LINE-1 retrotransposition in HepG2 cells preferentially targets gene poor regions of chromosome 13. Genomics. 104, 96-104 (2014).
- Rozen, S., et al. Abundant gene conversion between arms of palindromes in human and ape Y chromosomes. Nature. 423, 873-876 (2003).
- Graves, J. A., Koina, E., Sankovic, N. How the gene content of human sex chromosomes evolved. Curr Op Gen Develop. 16, 219-224 (2006).
- Leem, Y. E., et al. Retrotransposon Tf1 is targeted to Pol II promoters by transcription activators. Mol Cell. 30, 98-107 (2008).
- Guo, Y., Levin, H. L. High-throughput sequencing of retrotransposon integration provides a saturated profile of target activity in Schizosaccharomyces pombe. Genome Res. 20, 239-248 (2010).
- Dai, J., Xie, W., Brady, T. L., Gao, J., Voytas, D. F. Phosphorylation regulates integration of the yeast Ty5 retrotransposon into heterochromatin. Mol Cell. 27, 289-299 (2007).
- McClintock, C. B. The origin and behavior of mutable loci in maize. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 36, 344-355 (1950).
- Fernandez, L., Torregrosa, L., Segura, V., Bouquet, A., Martinez-Zapater, J. M. Transposon-induced gene activation as a mechanism generating cluster shape somatic variation in grapevine. Plant J Cell Mol Biol. 61, 545-557 (2010).
- Garcia-Perez, J. L., et al. Epigenetic silencing of engineered L1 retrotransposition events in human embryonic carcinoma cells. Nature. 466 (7307), 769-773 (2010).
- Rodic, N., et al. Retrotransposon insertions in the clonal evolution of pancreatic ductual adenocarcinoma. Nat Med. 21 (9), (2015).
