파이로시퀀싱에 의한 미토콘드리아 게놈의 단일 뉴클레오티드 다형성 유전자형 분석
Summary
파이로시퀀싱 분석은 이형질 세포 또는 조직에서 미토콘드리아 DNA 단일 뉴클레오티드 다형성의 강력하고 신속한 유전형 분석을 가능하게 합니다.
Abstract
미토콘드리아 게놈(mtDNA)의 돌연변이는 모계 유전 질환과 관련이 있습니다. 그러나 mtDNA 다형성에 대한 관심은 mtDNA 돌연변이 유발에 의해 모델을 생산하는 최근 개발된 능력과 미토콘드리아 유전적 이상과 암, 당뇨병 및 치매와 같은 일반적인 노화 관련 질병 사이의 연관성에 대한 새로운 인식으로 인해 최근 몇 년 동안 증가했습니다. 파이로시퀀싱은 일상적인 유전형 분석을 위해 미토콘드리아 분야에서 널리 사용되는 합성에 의한 시퀀싱 기술입니다. 대규모 병렬 시퀀싱 방법과 비교할 때 상대적인 경제성과 구현 용이성은 미토콘드리아 유전학 분야에서 매우 귀중한 기술이며, 유연성이 증가하여 이질형질의 신속한 정량화를 가능하게 합니다. 이 방법의 실용성에도 불구하고, mtDNA 유전자형 분석의 수단으로서의 구현은 특히 생물학적 또는 기술적 기원의 특정 편향을 피하기 위해 특정 지침을 준수해야합니다. 이 프로토콜은 이형질 측정의 맥락에서 사용하기 위해 파이로시퀀싱 분석을 설계하고 구현하는 데 필요한 단계와 예방 조치를 간략하게 설명합니다.
Introduction
미토콘드리아 게놈은 매트릭스라고 하는 미토콘드리아의 가장 안쪽 구획에 존재하는 작은(16.5kb) 원형 분자(mtDNA)의 형태로 존재하며 미토콘드리아 호흡 사슬의 13개 서브유닛과 미토콘드리아 리보솜1에 의한 제자리 번역에 필요한 tRNA 및 rRNA를 암호화합니다. 이 게놈은 미토콘드리아 기능에 필요한 모든 단백질의 약 1%를 차지하며 나머지는 핵 DNA(nDNA)에 의해 암호화됩니다. 일반적으로 미토콘드리아는 알파-프로테오박테리아 조상과 조상 진핵 세포 사이의 내공생 융합 사건에서 파생된 것으로 가정합니다. 이 가상의 공생이 일어나면 미토콘드리아의 유전 정보는 영겁에 걸쳐 점차적으로 핵으로 전달되었으며, 이는 현대 시아노박테리아2의 게놈과 비교할 때 앞서 언급한 mtDNA의 조밀함을 설명합니다. 이러한 유전자 전달은 mtDNA에서 발견되는 서열과 매우 상동성인 긴 nDNA의 존재에 의해 가장 강력하게 입증됩니다. 이러한 핵 미토콘드리아 서열(NMT)은 유전형 분석 중 오해의 일반적인 원인이며, mtDNA3의 유전형 분석 시 핵 편향을 피하기 위해 특정 예방 조치를 취해야 합니다(그림 1A).
mtDNA의 또 다른 특징은 세포 유형에 따라 복제 수가 달라지며, 세포당 수십에서 수천 개의 카피가 나온다는 것이다 4. 이러한 다중 복제 특성으로 인해 mtDNA는 단일 세포 내에 광범위한 유전자형을 보유할 수 있으며, 이는 염색체의 접합체를 고려할 때 핵 유전자와 관련된 개별 대립 유전자와 달리 대립 유전자의 보다 지속적인 분포를 초래할 수 있습니다. 미토콘드리아 대립유전자의 이러한 이질성은 미토콘드리아 이형질로 지칭되며, 이는 전형적으로 주어진 세포에서 총 mtDNA의 비율로서 주어진 돌연변이의 유병률로 표현된다. 이형질은 세포 전체에 존재하는 고유한 mtDNA 종을 나타내는 동형질과 대조될 수 있습니다.
미토콘드리아 이형질 측정은 병원성 변이체를 보유하는 mtDNA 분자의 비율을 정량화할 때 특히 중요합니다. 이러한 변이체는 단일 뉴클레오티드 다형성(single nucleotide polymorphisms, SNPs), 작은 인델(small indel) 또는 대규모 결실(large-scale deletion)의 형태로 나타난다5. 대부분의 인간은 병원성 변이체에 대해 이형질입니다. 그러나, 이들은 어떠한 임상적 표현형도 나타내지 않으며, 이는 종종역치 효과(threshold effect)6로 지칭되는 현상에서 병원성 mtDNA의 더 높은 이형질 수준에서만 나타난다. 병원성과 관련된 값은 병원성 돌연변이의 특성과 병원성 돌연변이가 발생하는 조직에 따라 크게 달라지지만, 일반적으로 이형질이 60% 이상이다7.
미토콘드리아 유전형 분석이 일반적인 몇 가지 연구 분야가 있습니다. 의료 분야에서, mtDNA 돌연변이에 대한 검사 또는 정량화는 미토콘드리아 질환의 진단 기준이 될 수 있으며, 그 중 다수는 mtDNA 이상을 기원으로 한다5. 인간 병원성 돌연변이에 대한 연구와 더불어, 미토콘드리아 표적 DddA 유래 시토신 염기 편집자(DdCBEs)8 및 아데닌 염기 편집을 위한 TALE 기반 데아미나제(TALED)에 의해 가능해진 미토콘드리아 염기 편집의 최근 출현을 감안할 때, mtDNA에 병원성 SNP를 보유하는 동물 모델의 유병률이 증가할 가능성이 있다9. 이 접근법은 비정상적인 미토콘드리아 유전자형과 그에 따른 기능 장애 사이의 상호 작용을 이해하는 데 도움이 될 것입니다. 또한 이형질 이동(heteroplasmy shifting)으로 알려진 접근 방식을 통해 인간 미토콘드리아 질환의 치료 전략으로 궁극적인 사용을 위해 미토콘드리아 게놈을 리모델링하는 과학적 연구가 진행 중입니다. 이 연구 분야는 주로 돌연변이 특이적 뉴클레아제를 미토콘드리아 기질로 향하게 하는 것과 관련이 있습니다. 그 결과 병원성 mtDNA가 우선적으로 분해되어 표현형10,11,12,13에서 구조됩니다. 미토콘드리아 유전자형의 리모델링과 관련된 모든 실험에는 이형질 이동을 평가하기 위한 강력한 정량적 방법이 필요합니다.
mtDNA의 유전자형을 분석하는 데는 매우 다양한 방법이 사용되며, 이는 돌연변이의 성질에 따라 다릅니다. 차세대 염기서열분석(NGS) 방법은 mtDNA에서 SNP를 정량화할 때 더 정확합니다. 그러나 이러한 방법은 특히 샘플 수가 적은 경우 미토콘드리아 이형질의 일상적인 정량화에 엄청나게 비쌉니다. Sanger 시퀀싱은 또한 SNP의 검출을 허용할 수 있습니다. 그러나 이 접근법은 정량적이지 않으며 종종 낮은 수준의 이형질을 감지하지 못하거나 높은 이형질을 추정할 때 부정확할 수 있습니다. 파이로시퀀싱은 최소한의 준비를 포함하고 모든 mtDNA 샘플에 대한 이형질의 신속한 정량화를 가능하게 하는 분석법으로서 이 두 극단 사이의 적절한 절충안으로 제안됩니다. 이 방법은 법의학 분석(forensic analysis)14,15, 임상 진단(clinical diagnosis)16, 또는 단일 세포(single cell)에서 mtDNA의 유전자형 분석(genotyping of mtDNA)을 포함한 다양한 맥락에서 수많은 연구자들에 의해 미토콘드리아 SNP를 정량화하기 위해 일상적으로 사용되어 왔다17.
이 분석은 mtDNA에서 SNP와 접하는 영역의 첫 번째 PCR 사전 증폭 단계를 포함하며, 이어서 이전에 생성된 앰플리콘의 한 가닥을 사용하는 합성에 의한 시퀀싱 분석이 뒤따릅니다. 예비증폭 단계에서 사용되는 두 개의 프라이머 중 하나는 5′ 말단에서 비오티닐화되어야 하며, 이를 통해 파이로시퀀싱 장치는 시퀀싱 반응의 주형으로 사용할 DNA의 단일 가닥을 분리할 수 있습니다. 그런 다음 세 번째 시퀀싱 프라이머를 유지된 비오티닐화 가닥에 어닐링하여 데옥시뉴클레오티드로서의 초기 DNA 합성을 사전 정의된 순서로 반응 챔버에 분배할 수 있습니다. pyrosequencer는 발광 판독을 기반으로 통합된 각 염기의 양을 기록하여 DNA 합성 시 돌연변이 및 야생형 미토콘드리아 대립유전자의 상대적 정량화를 허용합니다(그림 1B). 발광은 루시페라아제 효소에 의해 생성되며, 이는 ATP 설퍼릴라제가 각 뉴클레오티드에 의해 방출되는 피로인산염으로부터 각 통합 이벤트에서 de novo 를 합성하는 ATP의 존재 하에서 빛을 방출합니다. 이 두 가지 반응은 다음과 같이 요약 할 수 있습니다.
1. PPi (뉴클레오티드 혼입으로부터) + APS → ATP + 황산염 (ATP 설퍼릴라제)
2. ATP + 루시페린 + O2 → AMP + PPi + 옥시 루시페린 + CO2 + 빛 (루시페라아제)
두 번째 반응에서 루시페라아제와 교차 반응하는 ATP 없이 파이로시퀀서에 의해 아데닌 염기를 검출하는 것은 어려운 일입니다. 그러나 이것은 DNA 합성을 위해 아데닌 유사체, 즉 dATPαS를 사용하여 해결됩니다. 루시페라아제의 완벽한 기질은 아니지만 파이로시퀀서에 의해 디지털 방식으로 조정되고 0.9의 계수로 설정되는 다른 세 가지 뉴클레오티드에 비해 더 강한 발광을 생성합니다. 이러한 내재적 가변성으로 인해 SNP 위치에서 아데닌 시퀀싱을 피하는 것이 좋습니다(자세한 내용은 논의 참조).
다음 프로토콜은 파이로시퀀싱에 의한 mtDNA 이형질 평가 방법을 자세히 설명하고 mtDNA에서 SNP의 유전자형 분석을 수행할 때 생물학적 또는 기술적 편향을 피하기 위해 증폭 프라이머를 설계하는 데 필요한 예방 조치를 간략하게 설명합니다. 후자는 프라이머 세트를 디지털 방식으로 조사 및 선택하고, 사전 증폭 PCR을 최적화하고, 마지막으로 분석을 시퀀싱 및 정제하는 것을 포함합니다. 두 가지 적용된 예시 분석이 입증된다: 첫째, 가장 일반적인 인간 병원성 변이체 m.3243A>G18의 최적화, 둘째, 케임브리지 10,11,12,19,20,21,22에 있는 민추크 실험실에서 개발된 기술을 사용하여 이형질 이동을 겪은 마우스 배아 섬유아세포(MEF) 세포의 유전자형 분석.
Protocol
Representative Results
Discussion
프로토콜의 성공을 위한 중요한 측면은 특히 소량의 출발 물질을 사용할 때 오염을 피하는 것입니다. 가능하면 샘플을 준비할 때 UV 후드와 여과된 피펫 팁을 사용하고 사전 증폭 영역과 사후 증폭 영역을 분리하는 것이 좋습니다. 블랭크 측정 및 알려진 이질형질(예: 야생형 DNA)의 샘플은 기술적 또는 생물학적 편향을 확인하기 위한 벤치마크로 사용하기 위해 항상 포함되어야 합니다.
<p class="…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 프로토콜의 예시로 사용된 m.3243A>G 사이브리드 세포를 준비하고 제공한 Silvia Marchet과 Constanza Lamperti(Istituto Neurologico “Carlo Besta”, Fondazione IRCCS, Milan)에게 감사드립니다. 또한 이 연구 과정에서 유용한 토론을 해주신 미토콘드리아 유전학 그룹(MRC-MBU, 케임브리지 대학교)의 회원들에게도 감사드립니다. 이 작업은 영국 의학 연구 위원회(MC_UU_00015/4 및 MC_UU_00028/3)의 핵심 자금 지원을 받았습니다. P.A.N. 및 P.S.-P. 릴리 재단(The Lily Foundation)과 챔프 재단(The Champ Foundation)이 각각 추가로 지원합니다.
Materials
| KOD Hot Start DNA Polymerase | Sigma-Aldrich | 71086 | |
| PyroMark Assay Design 2.0 | QIAGEN | ||
| Pyromark Q48 Absorber Strips | QIAGEN | 974912 | |
| PyroMark Q48 Advanced CpG Reagents (4 x 48) | QIAGEN | 974022 | |
| Pyromark Q48 Autoprep | QIAGEN | 9002470 | |
| PyroMark Q48 Cartridge Set | QIAGEN | 9024321 | |
| Pyromark Q48 Disks | QIAGEN | 974901 | |
| Pyromark Q48 Magnetic beads | QIAGEN | 974203 | |
| PyroMark Q48 Software License (1) | QIAGEN | 9024325 |
References
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