يُعد مقايسة مصيدة الكروموسومات المرتبطة (ACT) طريقة جديدة غير متحيزة لتحديد تفاعلات DNA طويلة المدى. وسيتيح لنا توصيف تفاعلات DNA طويلة المدى تحديد العلاقة بين البنية النووية والتعبير الجيني في كل من الحالة الفسيولوجية الطبيعية وحالات المرض.
مقالة منهجية
يُعد مقايسة مصيدة الكروموسومات المرتبطة (ACT) طريقة جديدة غير متحيزة لتحديد تفاعلات DNA طويلة المدى. وسيتيح لنا توصيف تفاعلات DNA طويلة المدى تحديد العلاقة بين البنية النووية والتعبير الجيني في كل من الحالة الفسيولوجية الطبيعية وحالات المرض.
تُنظم المعلومات الوراثية المشفرة بواسطة DNA في بنية كروماتين معقدة وعالية التنظيم. ويشغل كل كروموسوم منطقة محددة، قد تتغير وفقاً لمرحلة النمو أو دورة الخلية. ويمكن أن يحدث التعبير الجيني في مصانع نسخ متخصصة حيث قد تبرز قطع من الكروماتين في حلقات من مناطق كروموسومية مختلفة، مما يؤدي إلى التوضع المشترك لقطع DNA التي قد توجد على كروموسومات مختلفة أو تكون متباعدة على الكروموسوم نفسه. يوفر اختبار مصيدة الكروموسومات المرتبطة (ACT) منهجية فعالة لتحديد هذه الارتباطات بعيدة المدى لـ DNA بطريقة غير متحيزة، وذلك من خلال توسيع وتعديل تقنية التقاط التشكيل الكروموسومي. يتيح اختبار ACT إمكانية استقصاء آليات التنظيم النسخي في وضع trans، ويمكن أن يساعد في توضيح العلاقة بين البنية النووية والتعبير الجيني في الحالة الفسيولوجية الطبيعية وأثناء الحالات المرضية.
1. تثبيت تفاعلات الكروماتين بعيدة المدى باستخدام الفورمالديهايد
2. تحلل الخلايا لعزل النوى
3. الهضم باستخدام إنزيم القطع Bgl II
4. ربط قطع DNA المتفاعلة
5. تنقية الحمض النووي DNA
6. الهضم باستخدام Msp I والربط باستخدام روابط قليلة النوكليوتيد
7. تضخيم PCR وتحليل التسلسل
8. النتائج التمثيلية
1. مقايسة ACT باستخدام منطقة ABL-1 كطعم لتحديد تفاعلات الحمض النووي طويلة المدى الخاصة بها
كما هو موضح في الشكل 1a، تم اختيار موقعين لإنزيم Bgl II وموقع واحد لإنزيم BamH I لاختبار ACT. وفي الجولة الثانية من تفاعل PCR، استُخدمت مجموعة البادئات 4626/2961 لتضخيم ABL-M1، والمجموعة 4630/2961 لـ ABL-M2، والمجموعة 4636/2961 لـ ABL-M3. ويظهر نمط الهلام النموذجي حزمة واحدة أو عدة حزم (الشكل 1b). تتكون كل قطعة ناتجة عن اختبار ACT من قطعتين مدمجتين من DNA: إحدى القطعتين مشتقة من منطقة DNA الطُعم (bait DNA)، بينما تأتي القطعة الثانية من الشريك المرتبط، والذي تم ربطه بقطعة منطقة الطُعم عن طريق تسلسل التعرف الخاص بإنزيم القطع الأول. أما تسلسل التعرف الخاص بالإنزيم الثاني فيظهر في نهاية تسلسل الشريك المرتبط (الشكل 1c). تحتوي قطعة ABL-M1 المستنسخة على DNA من منطقة ABL1 الواقعة في الكروموسوم 9q32.4 من +133,592,306-133,592,399، ويقع الشريك المرتبط في الكروموسوم 3p13 من +71,869,882-71,870,107. ويتم الكشف عن هويات الشركاء المرتبطين عن طريق تحليل تسلسلاتهم باستخدام BLAST عبر متصفح جينوم UCSC (الإصدار GRCh7/hg19 الصادر في فبراير 2009). وقد تم تحديد PROK2 كشريك مرتبط في الموقع chr3p13.
وبالمثل، تم تحديد موقع الشريك المرتبط بـ ABL-M2 في chr5q21.1، بينما تم تحديد المستنسخ ABL-M3 على أنه ارتباط داخل الكروموسوم بالقرب من موقع ABL-1.
2. تحديد التفاعلات طويلة المدى الأقل شيوعاً باستخدام مقايسة ACT
أبلغت مقاييس أخرى تعتمد على تقنية 3C عن وجود شركاء تفاعل أكثر بكثير مما عرضناه في الشكل 1 وعند موضع Igf2/H1912. ستعمل المنهجية التي حددناها على اختيار التفاعلات بعيدة المدى الأكثر شيوعاً. ومع ذلك، فمن خلال زيادة عدد دورات PCR، يمكن تحديد ارتباطات إضافية أقل تكراراً أيضاً (الشكل 2).
3. الاختلافات في التفاعلات طويلة المدى في الخلايا السرطانية عند مقارنتها بالأنسجة الطبيعية.
يمكن استخدام مقايسة ACT أيضاً لتحديد الاختلافات في البنية النووية والتفاعلات بعيدة المدى بين الخلايا الطبيعية والخلايا السرطانية (الشكل 3). قد تعكس هذه الاختلافات تغيرات في البنية النووية تحدث أثناء التحول الخلوي، وبالتالي قد تكون هذه المقايسة قابلة للتطبيق في أغراض تشخيصية في نهاية المطاف. وقد أشارت أنماط الهلام المتشابهة التي ظهرت في كل من الأنسجة الطبيعية والسرطانية إلى أن مقايسة ACT موثوقة وقابلة للتكرار. وبينما يمكن لمقايسة ACT تحديد شركاء DNA بعيدي المدى، فإن هناك حاجة إلى تحليلات إضافية، مثل مقايسات FISH وChIP، للتحقق من وجود الارتباطات المحددة بين المواقع البعيدة. ويمكن بعد ذلك إجراء دراسات جينية وفسيولوجية وكيميائية حيوية لتوضيح الآثار البيولوجية لارتباطات DNA بعيدة المدى هذه.

الشكل 1 مقايسة ACT باستخدام منطقة ABL-1 كحمض نووي طعم في خلايا HL-60. أ. بنية الـ DNA في منطقة ABL-1. كان إنزيم القطع الأول المستخدم في مقايسة ACT هو Bgl II. كما تم تحديد بوادئ الجولة الثانية من تفاعل PCR بواسطة أسهم وأرقام البوادئ المقابلة. ب. نمط الهلام لمقايسة ACT في 5% urea-PAGE. استُخدم زوج البوادئ 4626/2961 لتضخيم المستنسخة ABL-M1 في تفاعل PCR المتداخل، واستُخدم الزوج 4630/2961 للمستنسخة ABL-M2، والزوج 4636/2961 للمستنسخة ABL-M3. ج. تسلسل الـ DNA للمستنسخة ABL-M1. تم تحديد قطعة الـ DNA من حمض ABL-1 النووي الطعم باللون الأحمر، وتم تحديد شريك الـ DNA المرتبط بها باللون السماوي. كما تم تحديد موقع Bgl II (AGACTC) باللون الأخضر، وموقع Msp I (CCGG) باللون الأرجواني.

الشكل 2 تؤثر دورات PCR على نتائج مقايسة ACT. باستخدام منطقة التحكم في البصمة الجينية (ICR) في موضع Igf2/H19 كـ DNA طعم في خلايا أرومة ليفية للفأر، تم تطبيق برامج دورات مختلفة في الجولتين الأولى والثانية من PCR في مقايسة ACT. لم تؤدِّ 18-20 دورة في الجولة الأولى من PCR إلى تضخيم إشارة كافية ليتم تصورها. أسفرت خمس وعشرون دورة في الـ PCR الثانية عن ظهور حزم واضحة، بينما أدى زيادة عدد الدورات في الجولة الثانية من PCR إلى ظهور نمط تلطيخ بالإضافة إلى المزيد من الحزم.

الشكل 3 الكشف عن الاختلافات في البنية النووية بين أنسجة القولون الطبيعية وأنسجة سرطان القولون في مقايسة ACT. أ. بنية DNA لمنطقة ICR في موقع IGF2/H19 وجين IGF2. تم تحديد مواقع Dpn II الخاصة بمقايسة ACT. تم تحديد البادئات المستخدمة في الجولة الثانية من PCR بواسطة أسهم وأرقام بألوان مختلفة تتوافق مع كل ممر في اللوحة ب من الشكل. ب. نمط الجل لمقايسة ACT في 5% urea-PAGE. تم الحصول على أنسجة القولون الطبيعية MAD03-1423 وأنسجة سرطان القولون MAD04-149 من الشبكة التعاونية للأنسجة البشرية (CHTN) القسم الغربي. بعد تجنيس كل نسيج قولون، تم إجراء مقايسة ACT وفقاً للإجراءات الموضحة هنا. يمثل الممر 1 نتائج PCR باستخدام زوج البادئات #2961 و #4161 (5'-tctgcgccatcagggcagtgagac-3') المحددة باللون الوردي في اللوحة أ؛ ويمثل الممر 2 نتائج PCR باستخدام زوج البادئات #2961 و #4163 (5'-gccgcgcggccacttccgattcc-3') المحددة باللون البرتقالي في اللوحة أ؛ ويمثل الممر 3 نتائج PCR باستخدام زوج البادئات #2961 و #5145 (5'-gccatgcaggtaggatttgagctg-3') المحددة باللون الأزرق في اللوحة أ؛ ويمثل الممر 4 نتائج PCR باستخدام زوج البادئات #2961 و #5151 (5'-gtctcaaataggggccagctagcttgg-3') المحددة باللون الأخضر في اللوحة أ. تم تحديد النطاقات الفريدة التي تظهر فقط في أنسجة القولون الطبيعية بأسهم صفراء، والنطاقات التي ظهرت فقط في أنسجة سرطان القولون بأسهم حمراء. ICR، منطقة التحكم في البصم الجيني؛ DMR، المنطقة متباينة الميثيلة.
طوّر Dekker et al. نهج التقاط تشكيل الكروموسوم (3C) للكشف عن تكرار التفاعل بين موقعين جينوميين1، وقد استُخدم 3C على نطاق واسع لاستقصاء الارتباطات داخل الكروموسوم وبين الكروموسومات بين منطقتين معلومتين من DNA في الخلايا الثديية2-9. وعلى الرغم من إمكانية تطبيق منهجية Hi-C المطورة حديثًا لدراسة ارتباط DNA على نطاق الجينوم بأكمله، إلا أن مقايسة ACT لا تزال تقنية فعالة لدراسة تفاعل DNA الخاص بموقع معين10-11. لقد قمنا بتعديل هذا النهج لتحديد مناطق DNA غير المعروفة المرتبطة بمنطقة DNA معلومة في خلايا الفئران والبشر المستزرعة (الشكل 1). وأطلقنا على هذه الطريقة اسم مقايسة فخ الكروموسوم المرتبط (ACT)، لأنها وفرت لنا طريقة موثوقة وقابلة للتكرار لتحديد شركاء DNA جدد غير معروفين يرتبطون بمنطقة DNA مستهدفة معلومة12. يتم إجراء مقايسة 3C ناجحة مع ضوابط مناسبة قبل تنفيذ الجوانب الجديدة من مقايسة ACT13. ومن أجل العثور على أكبر عدد ممكن من مناطق DNA المرتبطة، من الضروري استخدام تركيبات مختلفة من إنزيمات القطع الأولى والثانية. ومن المهم بشكل خاص استخدام إنزيمات قطع غير حساسة لمثيلة CpG لإجراء خطوة ربط 3C الأولى. كما يمكن أن يؤثر ارتباط البروتين ومثيلة DNA على كفاءة هضم إنزيم القطع، وقد يؤدي ذلك إلى فشل ربط مناطق DNA المرتبطة في بعض عمليات هضم إنزيمات القطع. يعتمد حدوث الربط داخل الكروموسوم أو بين الكروموسومات على الربط التشابكي بين البروتين وDNA والخرائط الفيزيائية المناسبة لكلتا منطقتي DNA المرتبطتين. وبالتالي، فإن بعض التجارب الأولية ضرورية لتحديد تركيز فورمالدهيد ووقت معالجة فعالين وعمليين في مقايسة ACT. وقد استُخدمت مجموعة من التركيزات النهائية للفورمالدهيد (من 1.5% إلى 2%) في عدة مختبرات خلال جزء 3C من المقايسة7,9. وبدلاً من ذلك، يمكن تصميم قليلات النوكليوتيد المستخدمة كروابط لتتطابق مع النهاية المتماسكة التي يقطعها إنزيم القطع الثاني. ورغم أننا وجدنا أن 18-20 دورة في الجولة الأولى من PCR و20-25 دورة في الجولة الثانية من PCR يمكن أن توفر حزمًا واضحة، إلا أنه من الضروري تحديد أفضل ظروف PCR لكل تجربة (الشكل 2). قد يحدث تلدين داخل الجزيء بين تسلسل المهايئ المكمل للنهاية '5 والنهاية '3 لشريط DNA أثناء PCR، مما يثبط تلدين البادئ الخاص بالمهايئ مع جزيء DNA، ويؤدي إلى كفاءة تضخيم أقل بكثير في الدورات القليلة الأولى. بعد تضخيم DNA المستهدف لعدة دورات، قد تصبح كميته أكبر بكثير من هذه التفاعلات غير النوعية، مما قد يسهل تنافس تلدين البادئ مع جزيئات DNA المستهدفة. وهذا هو السبب أيضًا في أننا قد نرى تضخيمًا خلفيًا، وسبب وجوب تخفيف ناتج الجولة الأولى من PCR لتقليل التضخيم الخلفي. من المهم إزالة البادئات الزائدة من تفاعل PCR من أجل تقليل الخلفية في الجولة الثانية من PCR. وكما هو الحال في جميع التجارب القائمة على PCR، من الضروري تصميم بادئات لا تقع في مناطق التسلسل المتكرر، والتي تشكل غالبية DNA البشري والفأري. وعلى الرغم من إمكانية تطبيق منهجية Hi-C المطورة حديثًا لدراسة ارتباط DNA على نطاق الجينوم بأكمله، إلا أن مقايسة ACT لا تزال تقنية فعالة لدراسة تفاعل DNA الخاص بموقع معين.
لم يتم الإبلاغ عن أي تضارب في المصالح.
نتقدم بجزيل الشكر إلى Adelle Murell وWolf Reik لمشاركتنا بروتوكول 3C الخاص بهما. تم دعم هذا العمل من قبل وزارة الدفاع ومصلحة الأبحاث التابعة لوزارة شؤون المحاربين القدامى.
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| وسط RPMI1640 | Invitrogen | 22400-105 | |
| أكريلاميد | Invitrogen | 15512-023 | |
| محلول ATP، بتركيز 10 ملي مولار | Invitrogen | AM8110G | |
| مصل جنين البقر | Invitrogen | 16000-044 | |
| بنسلين-ستربتوميسين | Invitrogen | 15140-122 | |
| 1 مولار تريس (Tris) برقم هيدروجيني 8.0 | Invitrogen | AM9856 | |
| الرناز أ (RNase A) | Invitrogen | 12091-039 | |
| SDS (دوديسيل كبريتات الصوديوم) | Invitrogen | 15525-017 | |
| اليوريا | Invitrogen | 15505-035 | |
| <مجهر إلكتروني>BamHI أنا | New England Biolabs | R0136T | |
| <مجهر إلكتروني>Bgl ٢ | New England Biolabs | R0144M | |
| <إلكترون مجهري>إنزيم DpnI ٢ | New England Biolabs | R0543T | |
| <مجهر إلكتروني (EM)>Msp أنا | New England Biolabs | R0106S | |
| ديوكسي ريبونوكليوتيدات ثلاثية الفوسفات (dNTPs) | New England Biolabs | N0447L | |
| بروتيناز K | New England Biolabs | P8102S | |
| إنزيم تي 4 دي إن إيه ليجيز (T4 DNA ligase) | New England Biolabs | M0202T | |
| فورمالديهايد بتركيز 37% | Sigma-Aldrich | F8775 | |
| بيس-أكريلاميد | Sigma-Aldrich | 146072 | |
| ديثيوثريتول | Sigma-Aldrich | 43815 | |
| جلايسين | Sigma-Aldrich | 50046 | |
| فلوريد فينيل ميثيل سلفونيل (PMSF) | Sigma-Aldrich | 93482 | |
| مثبط البروتيناز | Sigma-Aldrich | S8830 | |
| Nonidet P-40 | مجموعة روش (Roche Group) | 11754599001 | |
| KlenTaq1 | ببتيدات الأجسام المضادة | 1001 | |
| dCTP alpha P32 | PerkinElmer, Inc. | BLU513H250UC | |
| جهاز التدوير الحراري PTC-100 | إم جيه ريسيرش (MJ Research) | مجPtC100 | |
| مزود الطاقة | Bio-Rad | 164-5056 | |
| OmniPAGE Maxi | أوروجين لعلوم الحياة (Aurogene Life Science) | VS20D | |
| Typhoon 9400 | GE Healthcare | 63-0055-78 |