基因报告基因检测是一种成熟且强大的工具,用于解析DNA序列与其基因调控活性之间的关系。将候选调控元件与携带可识别序列标签的报告基因相偶联,可实现这些检测的大规模平行化。
基因报告基因检测是一种成熟且强大的工具,用于解析DNA序列与其基因调控活性之间的关系。将候选调控元件与携带可识别序列标签的报告基因相偶联,可实现这些检测的大规模平行化。
基因报告基因检测是一种成熟且强大的工具,用于解析DNA序列与其基因调控活性之间的关系。然而,由于需要对每个目标序列分别进行克隆,并利用蛋白质荧光或酶活性作为调控活性的替代指标来检测其功能,该检测方法的潜在通量一直受到限制。近年来,高通量DNA合成与测序技术的进步使得克服这些限制成为可能,通过多重化方式构建和分析大规模报告基因文库。本方案描述了一种大规模并行报告基因检测(Massively Parallel Reporter Assay, MPRA)的实施方法,可在单个细胞培养皿中直接比较数十万个假定调控序列的活性。
大规模并行报告基因检测(Massively Parallel Reporter Assays, MPRA)能够对成千上万至数十万条DNA序列的转录调控活性进行多重化测量1-7。在最常见的实施方式中,通过将每条目标序列与一个合成报告基因相连接来实现多重检测,该报告基因在其开放阅读框(ORF)下游包含一个可识别的序列标签(图1)。在转染、RNA提取并对报告基因转录本的3’端进行深度测序后,可通过各序列标签的相对丰度推断其对应序列的相对活性。

图1. MPRA 概述。 通过将假定的调控序列与合成报告基因连接,构建MPRA报告载体文库,该报告基因包含一个“惰性”开放阅读框(如GFP或luciferase)及其下游的识别序列标签。将该文库转染 大规模 将报告基因mRNA导入培养细胞群体,随后回收转录的报告基因mRNA。利用深度测序技术对报告mRNA和转染质粒中每种标签的出现次数进行计数。通过mRNA计数与质粒计数的比值,可推断相应调控序列的活性。经Melnikov许可改编, 等2.
MPRA 可适用于多种实验设计,包括:1)对单个基因调控元件进行全面的诱变分析;2)在目标基因座范围内扫描新的调控元件;3)检测自然遗传变异对一组假定的启动子、增强子或沉默子的影响;以及 4)半理性设计合成调控元件。序列变异文库可通过多种方法构建,包括在可编程微阵列上进行寡核苷酸文库合成(OLS)2,3,6,7、使用简并寡核苷酸组装1,4、组合连接法8以及基因组 DNA 片段化5。
本方案描述了利用 OLS 方法及 pMPRA1 与 pMPRAdonor1 载体(Addgene 编号分别为 49349 和 49352;http://www.addgene.org)构建启动子变异体文库的过程,将该文库瞬时转染至培养的哺乳动物细胞,随后通过深度测序分析其关联标签(Tag-Seq)来定量测定启动子活性。该方案的早期版本曾用于 Melnikov et al. Nature Biotechnology 30, 271-277 (2012) 以及 Kheradpour et al. Genome Research 23, 800-811 (2013) 所报道的研究中。
1. 序列设计与合成
| MPRA_SfiI_F | GCTAAGGGCCTAACTGGCCGCTTCACTG |
| MPRA_SfiI_R | GTTTAAGGCCTCCGTGGCCGACGCTCTTC |
| TAGseq_P1 | AATGATACGGCGACCACCGAGATCTACACT CTTTCCCTACACGACGCTCTTCCGATCT |
| TAGseq_P2 | CAAGCAGAAGACGGCATACGAGAT[index]GTGAC TGGAGTTCAGACGTGTGCTCTTCCGATCTCGAG GTGCCTAAAGG |
表1. 引物序列。 [index] 表示用于多重测序的6到8个核苷酸的索引序列。需获得至少8种带有不同索引的TagSeq-P2引物。所有引物均应通过HPLC或PAGE进行纯化。
| 试剂 | 1x 体积 (µl) |
| Herculase II Fusion DNA Polymerase | 0.5 |
| 5x Herculase II 反应缓冲液 | 10 |
| dNTP (10 mM each) | 1.25 |
| BSA (20 mg/ml) | 1.25 |
| 引物 MPRA_SfiI_F (25 µM) | 0.25 |
| 引物 MPRA_SfiI_R (25 µM) | 0.25 |
| OLS 模板 (1-10 attomol) | 可变 |
| 无核酸酶水 | 加至 50 |
表2. 乳化PCR反应混合液(水相)。

图 2. 寡核苷酸合成文库的制备。 A) 在变性 10% TBE-尿素聚丙烯酰胺凝胶上电泳的三种不同的原始寡核苷酸合成文库(OLS)。可在文库 1 和 2 中观察到对应于全长寡核苷酸(*)的条带,并可进行切胶回收。文库 3 含有干扰 PAGE 纯化的污染物。若出现此情况,应直接进行 PCR 扩增。B) 同一寡核苷酸文库经开放体系 PCR 和乳液 PCR 扩增后的产物在琼脂糖凝胶上的电泳结果。复杂寡核苷酸文库的 PCR 扩增常产生嵌合产物及其他扩增假象,表现为较高或较低的条带。乳液 PCR 可减少此类假象产物的生成。
2. 文库构建
3. 转染、干扰及RNA提取
4. 标签测序(Tag-Seq)
| 试剂 | 1x 体积 (µl) |
| mRNA 样品(总量 400-700 ng) | 8 |
| Oligo-0dT (50 µM) | 1 |
| dNTP (每种 10 mM) | 1 |
表3. cDNA合成用RNA/逆转录引物混合液。
| 试剂 | 1x 体积 (µl) |
| 10x SuperScript III RT Buffer | 2 |
| MgCl2 (25 mM) | 4 |
| DTT (0.1 M) | 2 |
| RNaseOut (40 U/µl) | 1 |
| SuperScript III (200 U/µl) | 1 |
表4. cDNA合成反应体系。
| 试剂 | 1x 体积 (µl) |
| 2x PfuUltra II HotStart PCR Master Mix | 25 |
| 引物 TagSeq_P1 (25 µM) | 0.5 |
| 引物 TagSeq_P2 (25 µM) | 0.5 |
| 模板 (mRNA、cDNA 混合物或质粒 DNA) | 变量 |
| 无核酸酶水 | 加至 50 |
表5. Tag-Seq PCR 反应体系。
多重报告分析(MPRA)有助于对转录调控元件的序列-活性关系进行高分辨率、定量的解析。一次成功的MPRA实验通常会对转染文库中大多数序列产生高度可重复的测量结果(图3A)。如果观察到重复性差(图3B),则表明回收的RNA样本中报告mRNA的浓度过低,其原因可能是:1)被检测序列本身的绝对活性较低,或2)转染效率低下。
图4展示了在HEK293细胞中检测约37,000个随机变异的人类IFNB基因上游145 bp序列所生成的代表性“信息足迹”1,2,检测条件为暴露于或不暴露于仙台病毒。病毒依赖性地清晰识别出启动子TATA盒和已知的近端增强子10为富含信息的区域。

图 3. Tag-Seq 重复性。 散点图展示了两次独立重复转染实验中 Tag-Seq 数据的示例,分别显示高重复性 (A) 和低重复性 (B)。后者图中存在大量异常标签,仅在两个重复样本中的一个出现高 mRNA 计数。此类假象通常表明报告 mRNA 的浓度太低,无法进行定量 PCR 扩增,这可能是由于报告载体的绝对活性较低,或转染效率低下所致。

图 4. 人 IFNB 转录起始位点及近端增强子的信息足迹分析。 在 HEK293 细胞中,使用 MPRA 检测了约 37,000 种人类 IFNB 基因上游 145 个核苷酸(nt)区域的随机变异体,分别在(A)感染仙台病毒和(B)未感染条件下进行。蓝色条形表示报告基因输出与每个位置核苷酸之间的互信息。在病毒感染后,近端增强子和 TATA 框表现为高信息含量区域。
MPRA 是一种灵活且强大的工具,可用于解析基因调控元件中的序列-活性关系。MPRA 实验的成功至少依赖于三个因素:1)序列文库的精心设计,2)在扩增和克隆过程中尽量减少人为偏差,3)高效的转染效率。
报告基因构建体中可变区域的可能长度主要取决于所使用的合成或克隆技术。标准的寡核苷酸合成(OLS)通常限制在约 200 nt 以内,但本方案适用于至少长达 1,000 nt 的插入片段。需要注意的是,高度重复或具有强二级结构的可变区域可能由于 PCR 和克隆偏差而导致代表性不足。用于标识各个可变区域的标签长度应为 10–20 nt,且理想情况下,所有标签的设计应确保任意两个标签之间至少存在两个核苷酸的差异。在可能的情况下,应避免使用包含已知 microRNA 或其他可能影响 mRNA 稳定性因子的种子序列的标签。
在MPRA实验设计中,一个关键参数是文库中包含的不同报告基因构建体的总数(即设计复杂度,记为CD)。在实际操作中,CD受限于可转染的培养细胞数量。通常建议,转染的细胞总数应至少为CD的50至100倍。例如,若可转染2000万个细胞,且转染效率为50%,则CD不应超过约20万。需要注意的是,CD等于不同的调控序列变体数量乘以每个序列所连接的不同标签数量。每个调控序列连接的独立标签越多,对该序列活性的估计就越准确(因为可对来自不同标签的测量结果进行平均),但单次实验中所能检测的独立变体数量也就越少。最优选择取决于具体的实验设计。在简单的“启动子分析”实验中,若需将数学模型拟合到汇总的测量数据,则每个变体使用一个标签通常已足够。而在筛查导致调控活性变化的单核苷酸多态性(SNP)时,每个等位基因可能需要使用20个或更多的标签,以获得具有统计学显著性的结果,因为每对等位基因的比较都需要进行独立的假设检验。
如果待检测的序列预计不含转录起始位点,则可在同一片段中添加一个恒定启动子。例如,pMPRAdonor2(Addgene编号49353)包含一个最小TATA框启动子,适用于上游可变区域预计具有显著增强子活性的情况;而pMPRAdonor3(Addgene编号49354)包含一个经过修饰的强效SV40病毒启动子,适用于可变区域预计含有沉默子活性或其他负调控元件的情况。
原始的寡核苷酸合成(OLS)产物通常含有大量截短的寡核苷酸片段。这些片段可能干扰目标序列的准确PCR扩增,特别是当序列间存在显著同源性时。采用聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)纯化去除截短的合成产物,并结合乳液PCR以最大限度减少扩增过程中的人为假象,是确保文库高质量的有效方法。如果上述任一步骤难以实施,则必须尽量减少每轮扩增中的PCR循环次数。将克隆文库在液体培养基中进行筛选和扩增通常足以维持设计的多样性;但如果使用易发生重组的载体或观察到显著的表征偏差,可将回收的细胞直接涂布于大型LB琼脂平板上,以单菌落形式扩增后刮取菌体用于DNA提取。此外,还需考虑合成错误可能带来的影响,此类错误在OLS中通常发生频率为每100至500个碱基出现一次。建议在转染前对报告基因构建体进行全长测序,以识别并纠正此类错误。
无需将报告基因构建体导入转染培养物中的每个细胞,但转染效率低于约50%时可能导致信噪比较差。在新细胞类型中进行MPRA实验之前,建议优化转染条件。当处理难以转染的细胞类型时,可通过预先筛选已转染的细胞来增强MPRA信号。pMPRA载体系列包含一些变体,可组成型表达截短的细胞表面标记物,用于在RNA提取前通过物理方法富集转染细胞(例如,Addgene编号49350和49351)。
作者声明不存在任何竞争性财务利益。
本研究由美国国立卫生研究院下属的国家人类基因组研究所通过资助编号 R01HG006785 提供支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 寡核苷酸文库合成 | 安捷伦、CustomArray 或其他 OLS 供应商 | 定制 | 若采用 OLS 构建方法 |
| pMPRA1 | Addgene | 49349 | MPRA 质粒骨架 |
| pMPRAdonor1 | Addgene | 49352 | luc2 ORF 供体质粒 |
| TE 0.1 缓冲液(10 mM Tris-HCl,0.1 mM EDTA,pH 8.0) | 通用 | n/a | OLS缓冲液 |
| Novex TBE-尿素凝胶,10% | Life Technologies | EC6875BOX | PAGE纯化OLS产物 |
| Novex TBA-尿素上样缓冲液 | Life Technologies | LC6876 | PAGE纯化OLS产物 |
| SYBR Gold 核酸凝胶染料 | Life Technologies | S-11494 | PAGE纯化OLS产物 |
| 微滴DNA乳液 & 纯化试剂盒 | EURx/CHIMERx | 3600-01 | 通过乳液PCR进行文库扩增 |
| Herculase II Fusion DNA聚合酶 | 安捷伦 | 600675 | 乳液PCR用聚合酶 |
| SfiI | New England Biolabs | R0123S | 使用 pMPRA 载体进行文库克隆 |
| KpnI-HF | 新英格兰生物实验室 | R3142S | 使用 pMPRA 载体进行文库克隆 |
| XbaI | New England Biolabs | R0145S | 使用 pMPRA 载体进行文库克隆 |
| T4 DNA连接酶(2,000,000 单位/毫升) | New England Biolabs | M0202T | 使用 pMPRA 载体进行文库克隆 |
| One Shot TOP10 Electrocomp E. coli | Life Technologies | C4040-50 | 使用 pMPRA 载体进行文库克隆 |
| 含羧苄青霉素的LB琼脂及液体培养基 | 通用 | n/a | 克隆用培养基 |
| E-Gel EX 琼脂糖凝胶 1% | Life Technologies | G4010-01 | 文库验证与纯化 |
| E-Gel EX 琼脂糖凝胶,2% | Life Technologies | G4010-02 | 文库验证与纯化 |
| MinElute 胶回收试剂盒 | Qiagen | 28604 | 文库与载体骨架纯化 |
| EndoFree 质粒大提试剂盒 | Qiagen | 12362 | 基因组DNA提取 |
| 细胞培养基 | n/a | n/a | 实验特异性 |
| 转染试剂 | n/a | n/a | 实验特异性 |
| MicroPoly(A)Purist 试剂盒 | Life Technologies | AM1919 | mRNA 分离 |
| TURBO DNA-free 试剂盒 | Life Technologies | AM1907 | 质粒DNA去除 |
| SuperScript III 第一链合成系统 | Life Technologies | 18080-051 | cDNA合成 |
| PfuUltra II Hotstart PCR 预混液 | 安捷伦 | 600850 | 用于Tag-Seq PCR的聚合酶 |
| 引物(见正文) | IDT | 定制 | PAGE 纯化 Tag-Seq 引物 |