קביעת הגנום כולו של תזמון שכפול יונק ידי מדידת תוכן DNA
Summary
We describe here a relatively fast and simple approach for mapping genome-wide mammalian replication timing, from cell isolation to the basic analysis of the sequencing results. A genomic map of a representative replication program will be provided following the protocol.
Abstract
שכפול של הגנום מתרחש בשלב S של מחזור התא בתהליך פיקוח הדוק שיבטיח את הנאמנות של שכפול ה- DNA. אזור גנומי כל משוכפל בכל פעם ברורה בשלב S דרך ההפעלה בו הזמנית של מקורות מרובים של שכפול. זמן של שכפול (TOR) עולה בקנה אחד עם תכונות רבות גנומי אפיגנטיים והיא צמודה קצב מוטציות וסרטן. להבין את לעיני הגנומי של התכנית שכפול, בבריאות ובחולי הוא מטרה בעתיד גדולה ואתגר.
מאמר זה מתאר בפרוטרוט את "יחס מספר עותק של S / G1 למיפוי זמן הגנומי של שכפול" השיטה (להלן בשם: CNR-תור), גישה פשוטה כדי למפות את הגנום רחב טור של בתאי יונקים. השיטה מבוססת על ההבדלים מספר עותק בין תאים בשלב S ותאי בשלב G1. שיטת CNR-התור מתבצעת 6 שלבים: 1. הכנת תאים מכתים עם יודיד propidium (PI); 2. סורG1 טינג ו- S תאי שלב באמצעות תא מופעל קרינת מיון (FACS); טיהור DNA 3.; 4. Sonication; 5. הכנת הספרייה וסדר; ו 6. ניתוח bioinformatic. שיטת CNR-התור היא גישה מהירה וקלה כי תוצאות מפות שכפולות מפורטות.
Introduction
שכפול הדנ"א יונקים קיים רגולציה הדוקה כדי להבטיח את השכפול המדויק של כל כרומוזום בדיוק פעם אחת במהלך מחזור התא. שכפול מתרחש על פי צו פיקוח הדוק – מספר אזורים גנומית גדולים (~ Mb) לשכפל בתחילת שלב S (מוקדם משכפלי תחומים) ואילו אזורים גנומית אחרים לשכפל מאוחר יותר באמצע או בשלב מאוחר (באמצע המשכפלים מאוחר תחומים) 1. רוב הגנום משכפל בעת ובעונה אחת בכל הרקמות (דומיינים TOR מכוננים), ואילו 30% – 50% של הגנום, משנה TOR שלה בין רקמות 2, במהלך התמיינות 3, 4, ובמידה פחותה גם במהלך הטרנספורמציה סרטן 5 . יתר על כן, אזורים הגנומי מסוימים לשכפל אסינכרוני 6, 7, 8, כלומר יש הבדלב TOR בין שני אללים.
TOR בקורלציה עם תכונות רבות גנומי epigenomic כולל רמות שעתוק, תוכן GC, המדינה הכרומטין, צפיפות הגן, וכו '1, 9. TOR קשורה גם קצב מוטציות וסוגים 10, 11 ולכן לא מפתיע, הפרעות של התכנית שהכפולה קשורות לסרטן 12, 13. הקשר הסיבתי בין TOR ומבנה הכרומטין אינו מובן עדיין. יתכן כי הכרומטין פתוח הופך לפשוט שכפול מוקדם. עם זאת, מודל אלטרנטיבי עולה כי הכרומטין הוא כינס במהלך שכפול ואת הרגולטורים הכרומטין שונים שנכחו את ההתחלה ואת הסוף של עופרת S שלב דיפרנציאלי אריזה של אזורים מעתיק מוקדמים ומאוחרים 1, 14 </sup>. הראינו לאחרונה כי TOR מעצבת את התוכן GC על ידי המשפיע על סוג של מוטציות המתרחשות באזורים גנומי שונים 11.
קרינת הכלאה באתרו (FISH) היא השיטה העיקרית למדידת TOR ב לוקוסי פרט. הדבר מתבצע פשוט על ידי ספירת אחוז התאים בשלב S כי תערוכת אותות דג בודדים לעומת אחוז הכפילויות עבור נתון אלל 15, 16. שיטה חלופית, מורכב הדופק תיוג DNA עם BrdU, מיון תאים על פי תוכן DNA שלהם לנקודות זמן מרובים לאורך S, immunoprecipitating DNA המכיל BrdU, ובדיקת שפע של DNA זירז עם qPCR 17.
ניתן להשיג מיפוי הגנום TOR על ידי שתי שיטות. השיטה הראשונה היא גרסה הגנומי של שיטה המבוססת BrdU-IP שתואר לעיל, שבו כימות של סכוםDNA של זירז בכל שבריר נעשה בו זמנית עבור הגנום כולו באמצעות הכלאה כדי microarrays או רצף עמוק. השיטה השנייה, CNR-תור, מבוססת על מדידת מספר עותק של כל אזור גנומי של תאים בשלב S ו נרמול ידי תוכן DNA בתאים G1. בשיטה זו, תאים מסודרים על ידי FACS אל הלא מעתיק (שלב G1) משכפלים (שלב S) קבוצות (איור 1). תאים ב- G1 יש את אותו מספר עותק בכל האזורים הגנומי ובכך תוכן DNA שלהם צריך להיות זהה. מצד השני, מספר עותק דנ"א S תלוי TOR, מאז אזורים מעתיקים מוקדם עברו שכפולים ברוב התאים ולכן תוכן DNA שלהם מוכפל, ואילו האזורים מעתיקים מאוחר לא משוכפלים עדיין ברוב התאים ולכן תוכן DNA שלהם יהיה להיות דומה לזה של תאי G1. מכאן S יחס G1 של תוכן DNA מעיד על TOR. כמות ה- DNA לכל איזור גנומי נמדדה באמצעות הכלאהmicroarrays או רצף עמוק 2, 8. יתרונותיה של שיטת CNR-התור יידונו גם.
מאמר זה מתאר את שיטת CNR-תור למיפוי הגנום TOR כמתואר באיור 2. הנייר דן את הפרטים הקטנים של התהליך כולו מגביית תאים עד הניתוח הבסיסי של התוצאות ויצירת מפות גנומי TOR. הפרוטוקול המתואר במאמר זה שבוצע בהצלחה על סוגי תאים שונים הגדלים בתרבית. שיפורים עתידיים של פרוטוקול זה יכול להוביל את המיפוי של TOR in vivo ו סוגי תאים נדירים.
Protocol
Representative Results
Discussion
CNR-תור יכול להתבצע באופן עקרוני על כל אוכלוסיית תאים מתרבים האיקריוטים כי ניתן לחלק ידי FACS ל S ושלבי G1 (נבדק על ידי Rhind נ וגילברט DM 20). השיטה המתוארת כאן הותאמה בתאי יונקים עם גודל הגנום של ~ 3 Gb כגון אדם ועכבר. שינויים קטנים בפרוטוקול CNR-התור (בהכנת תא ועומק רצ?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים אוריה ורד לסיוע ביצירת דמויות. עבודה בקבוצה היא נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדע (567/10 מס מענק) ואת המועצה האירופית למחקר החל גרנט (# 281,306).
Materials
| PBS | BI (Biological Industries) | 02-023-1A |
| Trypsin-EDTA | BI (Biological Industries) | 03-052-1B |
| 15ml conical tube | Corning | 430790 |
| 5ml Polystyrene round Bottom tube with cell strainer cap | BD-Falcon | 352235 |
| Ethanol | Gadot | 64-17-5 |
| RNAse-A 10mg/ml | Sigma | R4875 |
| Propidiom iodide 1mg/ml | Sigma | P4170 |
| parafilm | Parafilm | PM-996 |
| 1.5ml DNA LoBind Eppendorf tubes | Eppendorf | 22431021 |
| BSA | Sigma | A7906 |
| 1.7ml MaxyClear tube | Axygen | MCT-175-C |
| magnetic beads – Agencourt AMPure XP | Beckman Coulter | A63881 |
| Ultrasonicator | Covaris | M-series -530092 |
| 50 µl microTUBE AFA Fiber Screw-Cap 6x16mm | Covaris | 520096 |
| Qubit fluorometer | Invitrogen | |
| Qubit dsDNA High Sensitivity (HS) Assay Kit | Invitrogen | Q32854 |
| Electrophoresis.2200 Tape station system | Agilent | D1000 ScreenTape |
| Seqeuncing – Illumina NextSeq system | Illumina | SY-415-1001 |
| Dneasy kit for DNA purification | Qiagen | 69504 |
| PureProteom Magnetic Stand | Millipore | LSKMAGS08 |
| Anti-BrdU/FITC | DAKO | F7210 |
| FACS sorter | BD | FACSARIA III |
| FACS software | BD | FACSDiva v 8.0.1 |
Riferimenti
- Farkash-Amar, S., Simon, I. Genome-wide analysis of the replication program in mammals. Chromosome Res. 18 (1), 115-125 (2010).
- Yaffe, E., et al. Comparative analysis of DNA replication timing reveals conserved large-scale chromosomal architecture. PLoS Genet. 6 (7), e1001011 (2010).
- Hiratani, I., et al. Global reorganization of replication domains during embryonic stem cell differentiation. PLoS Biol. 6 (10), (2008).
- Rivera-Mulia, J. C., et al. Dynamic changes in replication timing and gene expression during lineage specification of human pluripotent stem cells. Genome Res. 25 (8), 1091-1103 (2015).
- Ryba, T., et al. Abnormal developmental control of replication-timing domains in pediatric acute lymphoblastic leukemia. Genome Res. 22 (10), 1833-1844 (2012).
- Farkash-Amar, S., et al. Global organization of replication time zones of the mouse genome. Genome Res. 18 (10), 1562-1570 (2008).
- Koren, A., McCarroll, S. A. Random replication of the inactive X chromosome. Genome Res. 24 (1), 64-69 (2014).
- Mukhopadhyay, R., et al. Allele-specific genome-wide profiling in human primary erythroblasts reveal replication program organization. PLoS Genet. 10 (5), e1004319 (2014).
- McNairn, A. J., Gilbert, D. M. Epigenomic replication: linking epigenetics to DNA replication. Bioessays. 25 (7), 647-656 (2003).
- Sima, J., Gilbert, D. M. Complex correlations: replication timing and mutational landscapes during cancer and genome evolution. Curr Opin Genet Dev. 25, 93-100 (2014).
- Kenigsberg, E., et al. The mutation spectrum in genomic late replication domains shapes mammalian GC content. Nucleic Acids Res. 44 (9), 4222-4232 (2016).
- Woo, Y. H., Li, W. H. DNA replication timing and selection shape the landscape of nucleotide variation in cancer genomes. Nat Commun. 3, 1004 (2012).
- Liu, L., De, S., Michor, F. DNA replication timing and higher-order nuclear organization determine single-nucleotide substitution patterns in cancer genomes. Nat Commun. 4, 1502 (2013).
- Goren, A., Cedar, H. Replicating by the clock. Nat Rev Mol Cell Biol. 4 (1), 25-32 (2003).
- Selig, S., Okumura, K., Ward, D. C., Cedar, H. Delineation of DNA replication time zones by fluorescence in situ hybridization. EMBO J. 11 (3), 1217-1225 (1992).
- Smith, L., Thayer, M. Chromosome replicating timing combined with fluorescent in situ hybridization. J Vis Exp. (70), e4400 (2012).
- Simon, I., et al. Asynchronous replication of imprinted genes is established in the gametes and maintained during development. Nature. 401 (6756), 929-932 (1999).
- Phi-Wilson, J. T., Recktenwald, D. J. Coating agents for cell recovery. Google Patents. , (1993).
- Koren, A., et al. Differential relationship of DNA replication timing to different forms of human mutation and variation. Am J Hum Genet. 91 (6), 1033-1040 (2012).
- Rhind, N., Gilbert, D. M. DNA replication timing. Cold Spring Harb Perspect Biol. 5 (8), a010132 (2013).
- Koren, A., et al. Genetic variation in human DNA replication timing. Cell. 159 (5), 1015-1026 (2014).
