DNA-RNA combinato fluorescente<em> In situ</em> Ibridazione (FISH) per studiare inattivazione del cromosoma X nelle cellule staminali embrionali di topo differenziata Femminile
Summary
Ibridazione in situ fluorescente (FISH) permette la rilevazione di acidi nucleici nel loro ambiente nativo all'interno delle cellule. Noi descriviamo qui un protocollo per la, rilevazione simultanea combinata di RNA e DNA mediante FISH, che può essere usato per studiare inattivazione del cromosoma X in cellule staminali embrionali di topo.
Abstract
Ibridazione in situ fluorescente (FISH) è una tecnica molecolare che consente il rilevamento di acidi nucleici nelle cellule. FISH DNA è spesso usato in citogenetica e diagnostica del cancro, e può rilevare aberrazioni del genoma, che spesso ha importanti implicazioni cliniche. RNA FISH può essere utilizzato per rilevare molecole di RNA in cellule e ha fornito spunti importanti nella regolazione dell'espressione genica. La combinazione di DNA e RNA FISH all'interno della stessa cellula è tecnicamente impegnativo, in quanto le condizioni adatte per FISH DNA potrebbe essere troppo duro per i fragili, molecole di RNA a singolo filamento. Riportiamo un protocollo facilmente applicabile, che consente, rilevazione simultanea combinata di Xist RNA e DNA codificato dai cromosomi X. Questo protocollo FISH DNA-RNA combinato può probabilmente essere applicata ad altri sistemi in cui sia RNA e DNA devono essere rilevata.
Introduction
Studiando cellule e tessuti mediante ibridazione in situ fluorescente (FISH) ha, sin dalla sua introduzione nel tardo 1970 1, ha permesso ai ricercatori di studiare i geni, l'organizzazione della cromatina e l'espressione genica a livello subcellulare. FISH DNA è spesso usato in citogenetica, cariotipo 2, diagnostica oncologica 3 e pre-impianto screening genetico 4, ed ha un ruolo importante nella ricerca molecolare 5-6 in quanto permette la rilevazione di acidi nucleici nel loro ambiente nativo. Singolo analisi di espressione cella RNA FISH in grado di rilevare trascritti primari autoctone ed RNA non codificanti essere trascritto da cromosomi, e offre vantaggi ad altre tecniche che valutano l'espressione genica a livello di popolazione, tra cui ad esempio RT-PCR quantitativa, genoma vasta analisi di espressione o Northern blotting . Visualizzando trascritti di RNA provenienti direttamente dai loro luoghi di origine, è stato per esempionotato che l'espressione genica è stocastico 7, e può a volte essere allele specifico 8. Miglioramenti nella tecnica hanno anche permesso l'individuazione e la quantificazione di molecole di mRNA singoli all'interno delle cellule 9-11.
Il principio di base della FISH consiste di ibridazione di acidi nucleici all'interno della cella a una sonda di acido nucleico mediante altamente specifico Watson e Crick base-accoppiamento. La sonda può essere direttamente o indirettamente rilevato, risultando in un segnale che può essere visualizzata microscopicamente. I tentativi iniziali consistevano di sonde marcati radioattivamente, che aveva inconvenienti basato su questioni di sicurezza, la risoluzione spaziale limitata e la capacità di rilevare solo un obiettivo alla volta 12-14. Il successivo sviluppo di marchi non radioattivi, tra cui fluorocromi, apteni, ed enzimi, ha permesso l'uso diffuso di pesce come una tecnica di biologia molecolare di routine. La sonda FISH può o essere etichettato direttamente con fluorochRomes collegando chimica delle molecole fluorescenti di acido nucleico sequenze 15 e l'integrazione dei nucleotidi fluorescente 16-19, o la sonda può essere indirettamente visualizzate dopo integrazione di apteni (compresi biotina e digossigenina) e rivelazione immunologica di apteni da anticorpi specifici coniugati con aptene reporter fluorescente molecole 20-21. Quest'ultimo approccio permette l'amplificazione del segnale utilizzando diversi strati di fluorescente anticorpi che vengono utilizzati per migliorare il segnale originale, e consente il rilevamento di specie di RNA che sono espressi a livelli bassi. Combinando tecniche di etichettatura diretti e indiretti e vari apteni, diversi obiettivi possono essere contemporaneamente visualizzati all'interno della stessa cella.
Uno dei passi più importanti nei protocolli di pesce è l'ibridazione della sonda al suo obiettivo. Sebbene in teoria, una sonda verrà specificatamente legarsi solo al suo bersaglio, in pratica, questa specificitànon è sempre raggiunto, come sonde possono legarsi a regioni omologhe, e condizioni di ibridazione non sempre ideale per una certa regione di DNA o RNA specie. Lavaggi post-ibridazione sono quindi di particolare importanza, in quanto possono aumentare la severità della procedura FISH, e possono impedire il legame non specifico di sonde FISH, che porterebbe a un elevato livello di rumore di fondo. Come molecole di RNA sono a singolo filamento che possano essere facilmente ibridate ad una sonda FISH. Al contrario, la molecola di DNA a doppio filamento deve prima una fase di denaturazione, dopo che una sonda può ibridare. Ciò viene ottenuto mediante riscaldamento del campione, che provoca la denaturazione del DNA. Tuttavia, in queste condizioni difficili, fragili molecole di RNA a singolo filamento potrebbero essere persi. Pertanto, DNA-RNA combinato FISH richiede significativa ottimizzazione delle condizioni, ed è tecnicamente più difficile rispetto alla rilevazione separata di soli RNA o DNA.
Qui Presenta protocollo dettagliato della produzione combinata e simultanea FISH DNA-RNA che ci ha permesso di studiare inattivazione del cromosoma X (XCI) nella differenziazione delle cellule staminali embrionali di topo femmina 22-24. XCI è un meccanismo epigenetico cruciale per lo sviluppo embrionale femmina 25, e si traduce in heterochromatinization e quindi silenziamento di uno dei due cromosomi X in individui femmina 26-27. Essenziale per questo processo è l'RNA non codificante Xist 28-30, che è regolata dalle RNF12 22-23 e Rex1 24 proteine. Espressione Xist diventa sovraregolati sul futuro cromosoma X inattivo (Xi) durante lo sviluppo embrionale o sulla differenziazione delle cellule ES in vitro , e può diffondersi lungo il cromosoma X e, quindi, ottenere il rimodellamento della cromatina enzimi che provocano l'arresto della trascrizione del cromosoma X 31. Questa diffusione di Xist RNA possono essere visualizzati da RNA FISH come rivestimento di X cromoalcuni, che è indicato anche come una nube Xist. Dal momento che le cellule staminali femminili possono perdere uno dei loro cromosomi X a causa di instabilità genomica, noi ed altri abbiamo impiegato combinato DNA-RNA FISH a studiare XCI, fare in modo che le cellule solo karyotypically stabili sono valutati nell'analisi di questo importante processo 22,32 -34. Come per ogni tecnica di biologia molecolare, diversi protocolli diversi eccellenti sono stati pubblicati 35-38. Presentiamo qui il nostro metodo, partendo dalla induzione del differenziamento in cellule ES di topo, fissazione delle cellule, etichettatura di sonde FISH di Nick-traduzione, pretrattamento di cellule fissate per consentire permeabilizzazione e conseguente assorbimento sonda, l'ibridazione della sonda al bersaglio, e infine il rilevamento della sonda fluorescente anticorpi. Il protocollo qui presentato permette la rilevazione fedeli di Xist RNA e il cromosoma X entro due giorni, e le basi di questa tecnica può probabilmente essere adattata per oti suoi sistemi e settori di ricerca.
Protocol
Representative Results
Discussion
Combinato DNA-RNA pesce può essere tecnicamente impegnativo, in quanto le condizioni adatte per FISH DNA può essere troppo duro per le molecole di RNA meno stabili. Diversi approcci sono stati applicati per studiare sia DNA e RNA nella stessa cella, aggirando la necessità di incubazione simultanea con sonde rilevando sia il DNA e RNA. Ad esempio, in un approccio di sovrapposizione, viene eseguita prima FISH RNA, e le cellule vengono esposte, e le coordinate sono prese. Successivamente, gli stessi vetrini verranno usa…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors thank all previous and present members of the department of Reproduction and Development of the Erasmus MC for helpful and stimulating discussions during the past years. We also want to thank the three anonymous reviewers for providing helpful feedback. Work in the Gribnau lab is supported by funding from the Dutch research council (NWO-VICI) and an ERC starting grant.
Materials
| female mouse embryonic stem cells | will be made available upon request | ||
| mouse embryonic fibroblasts | can be derived from E13.5 embryos, or via commercial sources e.g Millipore | ||
| ES cell culture medium | DMEM, 15% foetal calf serum, 100 U ml-1 penicillin, 100 mg ml-1 streptomycin, non-essential amino acids, 0.1 mM ß-mercaptoethanol, and 1000 U ml-1 LIF. Filter sterilize and store at 4ºC for maximal 2 weeks. | ||
| LIF | Chemicon | ESG1107 | |
| DMEM | Invitrogen | 11960085 | |
| Fetal Calf Serum | Invitrogen | 10099141 | |
| Penicillin–streptomycin (100×) | Invitrogen | 15140-122 | |
| Non-essential aminoacids | Invitrogen | 11140-050 | |
| ß-mercaptoethanol | Sigma-Aldrich | M7522 | |
| ES cell differentiation medium | IMDM-Glutamax, 15% heat inactivated foetal calf serum, 100 U ml-1 penicillin, 100 mg ml-1 streptomycin, non-essential amino acids, 37.8 μl/l monothioglycerol and 50 μg/ml ascorbic acid | ||
| IMDM-Glutamax | Invitrogen | 31980-030 | |
| Ascorbic acid (50 mg/ml) | Sigma-Aldrich | A4403 | |
| monothioglycerol | Sigma-Aldrich | M6145 | |
| T25 cell culture dishes | Greiner Bio-one | 690160 | |
| 6-well cell culture dishes | Greiner Bio-one | 662160 | |
| cell culture grade PBS | Sigma-Aldrich | D8537 | |
| Trypsin-EDTA 0.25% (v/v) trypsin/0.2% (w/v) EDTA in PBS | Gibco | 25200-056 | |
| falcon tubes | Falcon | 352196 | |
| 24×24 mm coverslips | Menzle | 780882 | |
| gelatin | Sigma-Aldrich | G1890-100G | prepare a 0.2% gelatin/cell culture PBS solution, and autoclave |
| paraformaldehyde | Sigma-Aldrich | P6148 | prepare 4% PFA/PBS solutions, by dissolving PFA in PBS. Stir at 70 ᴼC until completely dissolved and cool down to room temperature. Aliquots can be stored at -20ᴼC |
| absolute 100% ethanol | Sigma-Aldrich | 32221-2.5L | use absolute 100% ethanol and RNAse free water to make 70% and 90% ethanol solutions |
| RNAse free water | Baxter | TKF7114 | |
| sterile filter tips | Rainin Bio Clean | GP-L10F, GP-L200F, RT-1000F | |
| digoxigenin-labeling kit (DIG-Nick translation) | Roche | 11745816910 | |
| biotin-labeling kit (Biotin Nick translation) | Roche | 11745824910 | |
| Sephadex G50 | Sigma-Aldrich | G5080 | |
| 2 ml syringe | BD Plastipak | 300013 | |
| sterilized cotton | |||
| eppendorf tubes | Eppendorf | 30120086 | |
| yeast tRNA 10 mg/ml | Invitrogen | 15401-029 | |
| Salmon Sperm DNA 10 mg/ml | Invitrogen | 15632-011 | |
| mouse cot-1 DNA 1 mg/ml | Invitrogen | 18440-016 | |
| eppendorf bench top microcentrifuge | Eppendorf | Model 5417R | |
| Eppendorf Refrigerated Centrifuge | Eppendorf | Model 5810R | |
| 2M NaAc, pH 5.6 | Sigma-Aldrich | S7670 | |
| 50+ hybridization solution | 50% formamide, 2x SSC, 50 mM phosphate buffer pH 7, 10% dextran sulfate pH 7 | ||
| formamide | Acros organics | 3272350000 | |
| dextran sulfate | Fluka | 31403 | |
| pepsin | Sigma-Aldrich | P6887 | prepare a 0.2% solution in RNAse free water, and add 84 µl 37% HCL per 100 ml |
| HCL, 37% solution | Fluka | 84422 | |
| object glasses | Starfrost | 8037/1 | |
| 20x SSC | Invitrogen | AM9763 | dilute to 2x SSC in RNAse free water |
| 10 mM Phosphate buffer, pH 7 | add 57.7 ml of 1M Na2HPO4 and 42.3 ml 1M NaH2PO4; use DEPC treated water and autoclave | ||
| denaturation buffer | 70% Formamide/2xSSC/10mM phosphate buffer pH 7 | ||
| Tween-20 | Sigma-Aldrich | P2287 | |
| 2M Tris pH 7.5 solution | |||
| Tris-Saline-Tween washing solution (TST) | 100 ml 10x Saline, 50 ml 2M Tris, 500 µl Tween-20, add RNAse free water till 1 liter | ||
| 10x Saline solution | dissolve 85 g NaCl in 1 liter RNAse free H2O, and autoclave | ||
| Tris-Saline-BSA (TSBSA) | 500 μl 10x Saline, 250 μl 2 M Tris, 1 ml 100x BSA, 3,25 ml RNAse free H2O | ||
| BSA, purified, 100x | New England Biolabs | B9001S | |
| sheep-anti-dig antibody | Roche diagnostics | use 1:500 diluted in TSBSA | |
| rabbit-anti-sheep antibody conjugated with FITC | Jackson labs | use 1:250 diluted in TSBSA | |
| goat-anti-rabbit antibody conjugated with FITC | Jackson labs | use 1:250 diluted in TSBSA | |
| mouse-anti-biotin antibody | Roche diagnostics | use 1:200 diluted in TSBSA | |
| donkey-anti-mouse antibody conjugated with Rhodamine | Jackson labs | use 1:250 diluted in TSBSA | |
| goat-anti-horse antibody conjugated with Rhodamine | Jackson labs | use 1:250 diluted in TSBSA | |
| Tris-Saline washing solution (TS) | 10 ml 10x Saline, 5 ml 2 M Tris, 85 ml RNAse free H2O | ||
| Vectashield mounting medium with DAPI | Vectorlabs | H-1200 | |
| nail-varnish | |||
| fluorescent miscroscope |
References
- Rudkin, G. T., Stollar, B. D. High resolution detection of DNA-RNA hybrids in situ by indirect immunofluorescence. Nature. 265, 472-473 (1977).
- Imataka, G., Arisaka, O. Chromosome analysis using spectral karyotyping (SKY). Cell Biochem Biophys. 62, 13-17 (2012).
- Ross, F. M., et al. Report from the European Myeloma Network on interphase FISH in multiple myeloma and related disorders. Haematologica. 97, 1272-1277 (2012).
- Mastenbroek, S., et al. Preimplantation genetic screening: a systematic review and meta-analysis of RCTs. Hum Reprod Update. 17, 454-466 (2011).
- Martins-Taylor, K., Xu, R. H. Concise review: Genomic stability of human induced pluripotent stem cells. Stem Cells. 30, 22-27 (2012).
- Rens, W., et al. Resolution and evolution of the duck-billed platypus karyotype with an X1Y1X2Y2X3Y3X4Y4X5Y5 male sex chromosome constitution. Proc Natl Acad Sci U S A. 101, 16257-16261 (2004).
- Munsky, B., et al. Using gene expression noise to understand gene regulation. Science. 336, 183-187 (2012).
- Miyanari, Y., Torres-Padilla, M. E. Control of ground-state pluripotency by allelic regulation of Nanog. Nature. 483, 470-473 (2012).
- Kwon, S. Single-molecule fluorescence in situ hybridization: quantitative imaging of single RNA molecules. BMB Rep. 46, 65-72 (2013).
- Ji, N., van Oudenaarden, A. Single molecule fluorescent in situ hybridization (smFISH) of C. elegans worms and embryos. WormBook. , 1-16 (2012).
- Femino, A. M., et al. Visualization of single RNA transcripts in situ. Science. 280, 585-590 (1998).
- Buongiorno-Nardelli, M., Amaldi, F. Autoradiographic detection of molecular hybrids between RNA and DNA in tissue sections. Nature. 225, 946-948 (1970).
- Gall, J. G., Pardue, M. L. Formation and detection of RNA-DNA hybrid molecules in cytological preparations. Proc Natl Acad Sci U S A. 63, 378-383 (1969).
- John, H. A., et al. RNA-DNA hybrids at the cytological level. Nature. 223, 582-587 (1969).
- Bauman, J. G., et al. A new method for fluorescence microscopical localization of specific DNA sequences by in situ hybridization of fluorochromelabelled RNA. Exp Cell Res. 128, 485-490 (1980).
- Wiegant, J., et al. In situ hybridization with fluoresceinated DNA. Nucleic Acids Res. 19, 3237-3241 (1991).
- Langer, P. R., et al. Enzymatic synthesis of biotin-labeled polynucleotides: novel nucleic acid affinity probes. Proc Natl Acad Sci U S A. 78, 6633-6637 (1981).
- Manuelidis, L., et al. High-resolution mapping of satellite DNA using biotin-labeled DNA probes. J Cell Biol. 95, 619-625 (1982).
- Kislauskis, E. H., et al. Isoform-specific 3′-untranslated sequences sort alpha-cardiac and beta-cytoplasmic actin messenger RNAs to different cytoplasmic compartments. J Cell Biol. 123, 165-172 (1993).
- Singer, R. H., Ward, D. C. Actin gene expression visualized in chicken muscle tissue culture by using in situ hybridization with a biotinated nucleotide analog. Proc Natl Acad Sci U S A. 79, 7331-7335 (1982).
- Corput, M. P., et al. Fluorescence in situ hybridization using horseradish peroxidase-labeled oligodeoxynucleotides and tyramide signal amplification for sensitive DNA and mRNA detection. Histochem Cell Biol. 110, 431-437 (1998).
- Jonkers, I., et al. RNF12 is an X-Encoded dose-dependent activator of X chromosome inactivation. Cell. 139, 999-101 (2009).
- Barakat, T. S., et al. RNF12 activates Xist and is essential for X chromosome inactivation. PLoS Genet. 7, (2011).
- Gontan, C., et al. RNF12 initiates X-chromosome inactivation by targeting REX1 for degradation. Nature. 485, 386-390 (2012).
- Lyon, M. F. Gene action in the X-chromosome of the mouse (Mus musculus L). Nature. 190, 372-373 (1961).
- Barakat, T. S., Gribnau, J. X. chromosome inactivation in the cycle of life. Development. 139, 2085-2089 (2012).
- Augui, S., et al. Regulation of X-chromosome inactivation by the X-inactivation centre. Nat Rev Genet. 12, 429-442 (2011).
- Brown, C. J., et al. A gene from the region of the human X inactivation centre is expressed exclusively from the inactive X chromosome. Nature. 349, 38-44 (1991).
- Brockdorff, N., et al. Conservation of position and exclusive expression of mouse Xist from the inactive X chromosome. Nature. 351, 329-331 (1991).
- Borsani, G., et al. Characterization of a murine gene expressed from the inactive X chromosome. Nature. 351, 325-329 (1991).
- Barakat, T. S., Gribnau, J. X chromosome inactivation and embryonic stem cells. Adv Exp Med Biol. 695, 132-154 (2010).
- Chaumeil, J., et al. A novel role for Xist RNA in the formation of a repressive nuclear compartment into which genes are recruited when silenced. Genes Dev. 20, 2223-2237 (2006).
- Okamoto, I., et al. Eutherian mammals use diverse strategies to initiate X-chromosome inactivation during development. Nature. 472, 370-374 (2011).
- Gribnau, J., et al. X chromosome choice occurs independently of asynchronous replication timing. J Cell Biol. 168, 365-373 (2005).
- Namekawa, S. H., Lee, J. T. Detection of nascent RNA, single-copy DNA and protein localization by immunoFISH in mouse germ cells and preimplantation embryos. Nat Protoc. 6, 270-284 (2011).
- Van Tine, B. A., et al. Simultaneous in situ detection of RNA, DNA, and protein using tyramide-coupled immunofluorescence. Methods Mol Biol. 292, 215-230 (2005).
- Pollex, T., et al. Live-Cell Imaging Combined with Immunofluorescence, RNA, or DNA FISH to Study the Nuclear Dynamics and Expression of the X-Inactivation Center. Methods Mol Biol. 1042, 13-31 (2013).
- Chaumeil, J., et al. Combined immunofluorescence, RNA fluorescent in situ hybridization, and DNA fluorescent in situ hybridization to study chromatin changes, transcriptional activity, nuclear organization, and X-chromosome inactivation. Methods Mol Biol. 463, 297-308 (2008).
- Lin, S., Talbot, P. Methods for culturing mouse and human embryonic stem cells. Methods Mol Biol. 690, 31-56 (2011).
- Meissner, A., et al. Derivation and manipulation of murine embryonic stem cells. Methods Mol Biol. 482, 3-19 (2009).
- Nichols, J., Ying, Q. L. Derivation and propagation of embryonic stem cells in serum- and feeder-free culture. Methods Mol Biol. 329, 91-98 (2006).
