Summary

Ultralow genoma entrada biblioteca preparação de um único espécime Tardigrade de sequenciamento

Published: July 15, 2018
doi:

Summary

Contaminação durante o sequenciamento de genoma de organismos microscópicos continua a ser um grande problema. Aqui, nós mostramos um método para sequenciar o genoma de um Tardigrada de um único espécime com tão pouco quanto 50 pg de DNA genômico sem amplificação do genoma inteiro para minimizar o risco de contaminação.

Abstract

Tardigrades são animais microscópicos que entram em um estado de ametabólico chamado anidrobiose quando enfrenta a dessecação e pode retorna ao seu estado original, quando a água é fornecida. O sequenciamento genômico de animais microscópicos, como tardigrades riscos contaminação bacteriana que às vezes leva a interpretações errôneas, por exemplo, sobre a extensão da transferência horizontal de genes nestes animais. Aqui, nós fornecemos um método de entrada ultralow para sequenciar o genoma da Tardigrada, Hypsibius dujardini, de um único espécime. Empregando a rigorosa exclusão de lavagem e contaminantes juntamente com uma extração eficiente dos 50 ~ 200 pg DNA genômico de um único indivíduo, nós construímos uma biblioteca sequenciada com um instrumento de sequenciamento de DNA. Essas bibliotecas foram altamente reprodutível e imparcial, e uma análise informática das leituras sequenciais com outras genomas de H. dujardini mostrou uma quantidade mínima de contaminação. Esse método pode ser aplicado a tardigrades unculturable que não podem ser sequenciados usando métodos anteriores.

Introduction

Tardigrades são animais microscópicos que podem entrar em um estado de ametabólico chamado anidrobiose, quando enfrenta a dessecação. Eles recuperar pela absorção de água,1,2. No estado ametabólico, tardigrades são capazes de tolerar vários ambientes extremos, incluindo temperaturas extremas pressões e3 4,5, uma dose elevada de luz ultravioleta6, raios-x e raios gama 7 , 8e o espaço cósmico9. Dados genomic são uma base indispensável para o estudo dos mecanismos moleculares de anidrobiose.

Tentativas anteriores para sequenciar o genoma de tardigrades mostraram sinais de contaminação bacteriana10,11,12,13,14. Sequenciamento genômico de tais organismos pequenos requer um grande número de animais e é propenso a contaminação bacteriana; Portanto, temos anteriormente estabelecido um protocolo de sequenciamento, usando um método de entrada ultralow a partir de um único espécime de Tardigrada, para minimizar o risco de contaminações15. Usando esses dados, temos mais realizado uma alta qualidade resequencing e remontagem do genoma de H. dujardini16,17. Aqui descrevemos detalhadamente este método para sequenciamento genômico de um único indivíduo tardigrade (,Figura 1). A validação deste método de sequenciamento é além do foco deste trabalho e já foi exaustivamente discutida no nosso anterior relatório16.

Esse método é composto de duas partes: o isolamento de um único Tardigrada com o mais baixo possível contaminação e a extração de alta qualidade de níveis de pictograma de DNA. A Tardigrada é fome completamente enxaguada com água, bem como antibióticos e observada sob um microscópio com ampliação de 500 X para garantir a remoção de qualquer contaminação bacteriana. Medições e estimativas anteriores mostram que um único indivíduo de Tardigrada contém aproximadamente 50-200 pg de genomic DNA16, que é extraído por rachando o exoesqueleto de quitina, por ciclos de gelo-degelo ou homogeneização manual. Este DNA genômico é enviado para a construção da biblioteca e sequenciado em um instrumento de sequenciamento de DNA. Uma análise adicional informática mostra sequenciamento de alta qualidade, bem como baixos níveis de contaminação em comparação com projetos de sequenciamento tardigrade anterior.

Protocol

1. preparação Prepare o gel de agarose 2% usando água destilada (DW) como solvente em um prato de cultura plástico 90 mm e 10 mL de um cocktail com DW 1% penicilina/estreptomicina. O gel pode ser armazenado por 2-3 semanas na incubadora, situado a 18 ° C.Nota: Evite qualquer armazenamento do gel abaixo de 10 ° C, para a baixa temperatura vai encolher o gel de agarose, resultando em uma minúscula abertura entre o gel e a parede do prato de cultura em que o tardigrades podem ser preso. <p cla…

Representative Results

Exclusão de contaminantes: Este protocolo envolve uma lavagem completa da Tardigrada e uma esterilização com tratamento de antibióticos para minimizar a contaminação. Também envolve um processo de verificação visual para garantir a integridade desses processos. Uma imagem de microscópio durante a validação (passo 2.4 do protocolo) é mostrada na Figura 2. Quando observad…

Discussion

Contaminação bacteriana representa uma ameaça para o sequenciamento de genoma de organismos microscópicos. Enquanto estudos anteriores no sequenciamento do genoma tardigrade tem filtrado contaminação usando métodos de extensa informática12,20, nós sequenciou o genoma de um único indivíduo para minimizar o risco de contaminações. Desde que um indivíduo Tardigrada contém aproximadamente 50-200 pg de DNA genômico16 e é envolt…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Os autores agradecer Nozomi Abe, Yuki Takai e Nahoko Ishii seu apoio técnico no sequenciamento genômico. Este trabalho foi financiado por subsídio para a sociedade do Japão para a promoção da ciência (JSPS) Research Fellow, KAKENHI brasileira para jovens cientistas (No.22681029) e KAKENHI brasileira de pesquisa científica (B), n º 17 H 03620 dos JSPS, por um Subsídio para projetos de pesquisa de ciência básica da Fundação Sumitomo (No.140340) e em parte por fundos de pesquisa do governo da província de Yamagata e Tsuruoka City, Japão. Chlorella vulgaris , usado para alimentar os tardigrades foi fornecido cortesia de Chlorella Industry Co. Ltd.

Materials

SZ61 microscope OLYMPUS
BactoAgar Difco Laboratories 214010
Penicillin Streptomycin (10,000 U/mL) Gibco by life technologies 15140-148
VHX-5000 System Keyence
0.2mL Silicone coating tube Bio Medical Science BC-bmb20200
Quick-DNA Microprep Kit ZYMO Research D3021 Use of this kit is absolutey critical; see step 3.1
1.5 mL microtube greiner bio-one 616-201 See 4.1.1
HIgh speed refrigerated micro centrifuge TOMY MX-307
Covaris M220 Covaris Inc. 4482277
ThruPLEX DNA-Seq kit Rubicon Genomics CAT. NO. R400406 Use of this kit is absolutey critical; see step 4.2
Thermal Cycler Bioer Technology TC-96GHbC
AMPure XP reagent BECKMAN COULTER Life Science A63881
Ethanol Wako 054-027335
EB buffer QIAGEN 19086
2200 TapeStation Agilent G2965AA 
D1000 Reagents Agilent 5067-5583
D1000 ScreenTape Agilent 5067-5582
Qubit dsDNA BR Buffer/Reagent ThermoFisher Scientific Q32850
Cubee Mini-Centrifuge RecenttecGenereach R5-AQBD01aqbd
MiSeq 600 cycle v3 Illumina Inc. MS-102-3003
MiSeq Sequencer Illumina Inc. SY-410-1003

References

  1. Crowe, J. H., Hoekstra, F. A., Crowe, L. M. Anhydrobiosis. Annual Review of Physiology. 54 (1), 579-599 (1992).
  2. Mobjerg, N., et al. Survival in extreme environments – on the current knowledge of adaptations in tardigrades. Acta Physiologica. 202 (3), 409-420 (2011).
  3. Becquerel, P. La suspension de la vieau dessous de 1/20 K absolu par demagnetization adiabatique de L’alun de fer dans le vide les plus eléve. Comptes Rendus de l’Académie des Sciences. 231, 261-264 (1950).
  4. Ono, F., et al. Effect of ultra-high pressure on small animals, tardigrades and Artemia. Cogent Physics. 3 (1), 1167575 (2016).
  5. Horikawa, D. D., et al. Tolerance of anhydrobiotic eggs of the Tardigrade Ramazzottius varieornatus to extreme environments. Astrobiology. 12 (4), 283-289 (2012).
  6. Horikawa, D. D., et al. Analysis of DNA repair and protection in the Tardigrade Ramazzottius varieornatus and Hypsibius dujardini after exposure to UVC radiation. PLoS One. 8 (6), e64793 (2013).
  7. Horikawa, D. D., et al. Radiation tolerance in the tardigrade Milnesium tardigradum. International Journal of Radiation Biology. 82 (12), 843-848 (2006).
  8. May, R. M., Maria, M., Gumard, J. Action différentielle des rayons x et ultraviolets sur le tardigrade Macrobiotus areolatus, a L’état actif et desséché. Bulletin Biologique de la France et de la Belgique. 98, 349-367 (1964).
  9. Jonsson, K. I., Harms-Ringdahl, M., Torudd, J. Radiation tolerance in the eutardigrade Richtersius coronifer. International Journal of Radiation Biology. 81 (9), 649-656 (2005).
  10. Bemm, F., Weiss, C. L., Schultz, J., Forster, F. Genome of a tardigrade: Horizontal gene transfer or bacterial contamination?. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (22), E3054-E3056 (2016).
  11. Delmont, T. O., Eren, A. M. Identifying contamination with advanced visualization and analysis practices: metagenomic approaches for eukaryotic genome assemblies. PeerJ. 4, e1839 (2016).
  12. Koutsovoulos, G., et al. No evidence for extensive horizontal gene transfer in the genome of the tardigrade Hypsibius dujardini. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (18), 5053-5058 (2016).
  13. Boothby, T. C., Goldstein, B., et al. Reply to Bemm et al. and Arakawa: Identifying foreign genes in independent Hypsibius dujardini genome assemblies. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (22), E3058-E3061 (2016).
  14. Boothby, T. C., et al. Evidence for extensive horizontal gene transfer from the draft genome of a tardigrade. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112 (52), 15976-15981 (2015).
  15. Arakawa, K. No evidence for extensive horizontal gene transfer from the draft genome of a tardigrade. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (22), E3057 (2016).
  16. Arakawa, K., Yoshida, Y., Tomita, M. Genome sequencing of a single tardigrade Hypsibius dujardini individual. Scientific Data. 3, 160063 (2016).
  17. Yoshida, Y., et al. Comparative genomics of the tardigrades Hypsibius dujardini and Ramazzottius varieornatus. PLoS Biology. 15 (7), e2002266 (2017).
  18. He, F. Total RNA Extraction from C. elegans. Bio-protocol. Bio101, e47 (2011).
  19. Andrews, S. . FastQC a quality-control tool for high-throughput sequence data. , (2015).
  20. Hashimoto, T., et al. Extremotolerant tardigrade genome and improved radiotolerance of human cultured cells by tardigrade-unique protein. Nature Communications. 7, 12808 (2016).
  21. Zimin, A. V., et al. The MaSuRCA genome assembler. Bioinformatics. 29 (21), 2669-2677 (2013).
  22. Li, H., Durbin, R. Fast and accurate short read alignment with Burrows-Wheeler transform. Bioinformatics. 25 (14), 1754-1760 (2009).
  23. Okonechnikov, K., Conesa, A., Garcia-Alcalde, F. Qualimap 2: advanced multi-sample quality control for high-throughput sequencing data. Bioinformatics. 32 (2), 292-294 (2016).
  24. Horikawa, D. D., et al. Establishment of a rearing system of the extremotolerant tardigrade Ramazzottius varieornatus: a new model animal for astrobiology. Astrobiology. 8 (3), 549-556 (2008).

Play Video

Cite This Article
Yoshida, Y., Konno, S., Nishino, R., Murai, Y., Tomita, M., Arakawa, K. Ultralow Input Genome Sequencing Library Preparation from a Single Tardigrade Specimen. J. Vis. Exp. (137), e57615, doi:10.3791/57615 (2018).

View Video