Análise de LINE-1 retrotransposição no Núcleo de nível único

Summary

Aqui nós utilizamos a metodologia FISH para rastrear LINE-1 retrotransposição no nível núcleos único dos spreads de cromossomos de linhas celulares HepG2 expressam de forma estável LINE-1 sintético.

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

Humano longo Intercaladas Nuclear Elemento-1 (Linha-1 ou L1) é um elemento móvel autônomo que se propaga dentro do genoma através de um "copiar e colar" mecanismo de retrotransposição. Um L1 humano típico é ~ 6 kb de comprimento e é composto por uma 5'UTR (região não traduzida) que serve como um promotor, duas grelhas de leitura abertas (ORFs): L1 e L1 -ORF1 -ORF2, e um 3'UTR com um poliA . -ORF1 cauda proteína L1 tem três domínios distintos: um domínio de bobina da bobina, ARN reconhecimento do motivo e domínio C-terminal, enquanto que a proteína L1 -ORF2 tem endonuclease, transcriptase reversa e rico em cisteína domínios ^1,2,3,4,5. L1 -ORF1 exibe actividades chaperonas de ácido nucleico, enquanto L1 -ORF2 fornece actividades enzimáticas, com ambas as proteínas necessárias para a retrotransposição ^1,2,6.

Um ciclo de L1 retrotransposição começa com a transcrição da 5'UTR de L1 </em> ARNm bicistrónico pela ARN-polimerase II, a translocação para o citoplasma, e a tradução. No citoplasma, L1 -ORF1 exposições quer liga�o ao cis em que empacota o seu próprio RNA ou trans onde liga�o ao empacota outros ARN (isto é, forma de seno / Svas / pseudogenes) para formar uma partícula ribonucleoproteica (RNP) com L1 -ORF2p ^{7, 8.} RNP translocar para o núcleo, onde a actividade de endonuclease de L1 -ORF2p cortes de ADN genómico (ADNg) para expor um OH ^– Grupo ^9, que por sua vez é usado por transcriptase reversa para escorvar e reverso de ARN a sintetizar ADN a partir da extremidade 3 '. Durante a síntese inverso, a segunda cadeia de ADN é cortado 7-20 pb a partir do site original nick para criar quebras escalonados que são preenchidos para formar a assinatura sequências de inserção L1 (por exemplo, TTTTAA) chamados duplicações no local alvo (TSD) ^9,10. Este processo é conhecido como o principal alvo da transcrição reversa (TPRT) e leva a insertina de cópias completas ou truncadas de L1 / outros ADNs com TSDs em ambas as extremidades da sequência inserida. L1 retrotransposição também tem sido mostrado para ser mediada através TPRT semelhante de extremidades não homólogas-se juntar, em alguns tipos de células ^11.

O vector de L1 retrotransposição empregue nos nossos estudos é não-epissomal e consiste em etiquetado L1 -ORF1 & 2p impulsionado por promotores CMV-L1-5'UTR combinadas (Figura 1) ^12. As versões anteriores desta construção foram descritos em estudos utilizando leveduras e culturas de células humanas ^13,14,15. Dois promotores de CMV distintas localizadas nas extremidades 5 'e 3' do vector, com a extremidade 3 'colocado na orientação inversa, para dirigir a expressão da neomicina após splicing e integração. A cassete de indicador retrotransposição na extremidade 3 'de um composto anti-sentido do gene inserido a neomicina L1 -ORFs e tornada inactiva por separação em duas metades por uma globno intrão com splicing dador (SD) e locais de splicing aceitador (SA) (Figura 1). Após a integração num cromossoma, L1 é transcrito a partir do promotor comum para produzir um ARNm que consiste de um ARNm bicistrónico e ARNm neomicina inactivo. Durante o processamento de ARN, o intrão de globina é spliced ​​out do gene da neomicina para restaurar um gene da neomicina totalmente funcional. O ARNm híbrido é embalada em uma RNP em cis e translocado para o núcleo, onde ele é integrado no genoma como qualquer um de comprimento completo ou truncadas, utilizando inserções TPRT.

Aqui nós descrevemos uma metodologia que utiliza hibridização fluorescente in situ (FISH) com sondas especificamente dirigidas ao gene neomicina emendado (Sneo) para rastrear padrões de -retrotransposiition L1 e as taxas de inserção no nível de núcleo único. A eficiência e especificidade da detecção foi confirmada usando retrotransposição competente e construções incompetentes e sondas para detect Sneo ou a neomicina e globina junção intron ^16. Esta metodologia é responsável por algumas das deficiências de ensaios retrotransposição base de cultura de células, tais como várias inserções, resistência à colónia e expansão clone favorável.

Protocol

NOTA: Todos os passos devem ser realizados à temperatura ambiente a menos que especificado de outra forma. Consulte a seção Reagentes para obter detalhes sobre como preparar reagentes individuais. 1. Rotulagem L1 Sondas NOTA: As sondas podem ser marcadas através de marcação química ou PCR. marcação química Adicione 0,7-1% de gel de agarose em Tris-acetato-EDTA (TAE) tampão, calor num forno de microondas at?…

Representative Results

Um diagrama esquemático do vector de retrotransposição L1 é apresentado na Figura 1. O vector consiste em um gene da neomicina em orientação anti-sentido para L1 ORFs que é interrompida por um intrão de globina em orientação com sentido e colada por DP Sites e SA. Quando integrado de forma estável no cromossoma, L1 ARNm é transcrito a partir do promotor de CMV e combinado L1-5'UTR (Figura 1). Durante o processam…

Discussion

Metodologias como toda a sequenciação do genoma, PCR inversa e transferência de Southern foram utilizados para estudar L1 retrotransposição. Embora estas metodologias são extremamente valiosas na localização onde ocorrem inserções de L1 dentro de genomas, um desafio de confusão para todos eles, é a necessidade de programação in silico para montar sequências. A metodologia aqui descrita FISH foi concebido para complementar estes métodos, especialmente no caso dos estudo…

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.