亚硫酸氢盐扩增子测序 (BSAS) 是一种定量目标基因组区域中胞嘧啶甲基化的方法。该方法在下一代测序之前使用亚硫酸氢盐转化与靶区的 PCR 扩增配对,以产生碱基特异性水平的 DNA 甲基化绝对定量。
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亚硫酸氢盐扩增子测序 (BSAS) 是一种定量目标基因组区域中胞嘧啶甲基化的方法。该方法在下一代测序之前使用亚硫酸氢盐转化与靶区的 PCR 扩增配对,以产生碱基特异性水平的 DNA 甲基化绝对定量。
表观遗传过程在基因表达控制中的作用已经为人所知多年。胞嘧啶残基的 DNA 甲基化对表观遗传学研究特别感兴趣,因为它已被证明是基因表达的持久和动态调节因子。由于缺乏高通量、定量准确的方法,检查健康和疾病表观遗传变化的努力受到了阻碍。随着新一代测序 (NGS) 技术的出现和普及,除了现有的基因组和转录组学方法外,这些工具现在还被应用于表观基因组学。对于胞嘧啶甲基化的表观遗传学研究,其中已经确定了感兴趣的区域,例如特异性基因启动子或 CpG 岛,并且需要以高定量准确性检查大量样品,我们开发了一种称为亚硫酸氢盐扩增子测序 (BSAS) 的方法。该方法将亚硫酸氢盐转化与目标区域的靶向扩增、转座子体介导的文库构建和台式 NGS 相结合。BSAS 提供了一种快速有效的方法,可一次分析多达 96 个样品中高达 10 kb 的目标区域,大多数具有基本分子生物学技能的研究小组都可以进行该方法。结果提供了具有碱基特异性的胞嘧啶甲基化的绝对定量。BSAS 可应用于任何 DNA 来源的任何基因组区域。该方法可用于感兴趣靶标区域的假设检验研究以及确认在全基因组甲基化分析中鉴定的区域,例如全基因组亚硫酸氢盐测序、减少代表性亚硫酸氢盐测序和甲基化 DNA 免疫沉淀测序。
自的天然存在的DNA的修饰中胞嘧啶甲基1的形式中,第一报告它已经过了半个世纪。胞嘧啶甲基化是其中基环上的5 个碳具有一个甲基(5-MC),最常在哺乳动物基因组中的CpG二核苷酸基序中产生的修饰的胞嘧啶核苷酸碱基。的5-MC在基因的启动子功能的存在通常与转录抑制有关,而没有与转录活性相关联。
巨大进展已在我们的DNA甲基化在发展3,后生轮廓4,癌症发病5,6,和其他一些研究领域transgeneration传播中的作用的理解。许多的这些进步已经走在过去的几年中作为新的方法已经被开发来分析DNA甲基化7。同的出现和下一代测序(NGS)技术的普及,现在有许多方法来跨越整个基因组或基因组8的大区域轮廓的DNA甲基化。这些方法打开发现研究,量化DNA甲基化模式和DNA甲基化的差异的可能性。除了这些假设产生的方法,有针对性/假设检验的DNA甲基化的定量方法显著需求。
焦磷酸测序,甲基化特异性PCR,和亚硫酸氢盐转化的DNA直接Sanger测序一直是最常用的方法为目标区域的分析( 即 ,单一的基因的启动子区域或CpG岛)9-12。所有这些方法都依赖于亚硫酸氢盐转化率,其中,非甲基化胞嘧啶的转化成尿嘧啶的化学脱氨反应,而甲基化胞嘧啶的保持完好13,14。的bisulfite- PCR扩增转换后的DNA结果更换尿嘧啶与胸腺嘧啶15允许差异甲基化读出的基差。而非常有用,所述限制于这些方法包括低定量准确,短的读取长度,以及低样品通量。为了解决这些限制我们开发我们称之为亚硫酸氢盐测序扩增子(BSAS)16的方法。该方法的目标是能够分析所关注目标的基因组区域中的大量的高定量准确的样品。
BSAS使用的现有方法的元素(亚硫酸氢盐转化率和区域特异性PCR扩增),并将其与简单下一代文库构建(座子介导的)17和台式NGS 18( 图1)。这种方法提供了一个更定量和更高的吞吐量的方法,研究在任何感兴趣的区域中的胞嘧啶甲基化。在这里,我们提出了方法进行详细描述,并进行故障排除和质量检查BSAS过程的方法。
从组织1.核酸分离
注:联合隔离DNA和RNA从同一组织样品提供了机会,收集的DNA进行分析后生和配对的RNA为基因表达分析。这里给出的例子中是从实验性的组织,但对不同类型的样品或其它分离方法的各种途径柱纯化的形式都可以使用。的主要要求是对高度纯化的核酸而不污染蛋白质或有机溶剂。
2.目标识别和引物设计
3.重亚硫酸盐特异PCR优化
注:对于基因组DNA的亚硫酸氢盐转化,可用一个号码为亚硫酸氢盐转化不同的商业试剂盒。选择最适合的计划实验套件或协议。
4. NGS文库制备和图书馆QC
注:BSAS NGS文库制备采用了简化的转座子介导的协议与双索引(见材料清单上的文库制备试剂盒的选择详细信息)。这种方法提供了一个非常迅速,高通量路径用于文库构建已验证并显示了小至在亚硫酸氢盐测序应用16,19没有偏压。双索引允许对样品比单一索引的较高多路复用。其他图书馆编制的风格可能是可能的,但还没有经过测试。
5.测序文库使用台式序
6.甲基化定量数据分析
注:可用于NGS数据分析,包括商业和开源的多个程序。上运行的程序的细节可以与每个特定的包中找到。一般说明在随该软件包的特定命令的每一步都给出。 (见材料清单在这个协议中使用的软件的详细信息)。

公式1亚硫酸氢盐转化效率。
注意:虽然哺乳动物基因组包含非常低量的非CpG的胞嘧啶甲基化(用干细胞20的异常可能),植物基因组含有一个显著量。为了确定硫酸氢转换效率在这些referencê基因组,一个合适的途径是测序线粒体基因组或叶绿体基因组或已知的非甲基化的基因存在于植物的基因组的部分21,并如上所述计算的转换效率。亚硫酸氢盐转化效率应该在大多数情况下≥98%,与未转化的C'S由于非CpG甲基化可能。
BSAS读取正确对准到转换后的参考序列将类似于图5。CpG二核苷酸可以清楚地被识别和甲基化状态可以通过观察在所述映射中读取CpG部位碱呼叫来估计。例如,对于甲基化控制,0%甲基化将导致所有的读取映射到CpG部位含有T的( 图5A)。 100%甲基化的控制,将导致所有的读取映射读取到CpG部位含有C的( 图5B)。
胞嘧啶频率(C / c + T)在CpG位点的定量产生原始样品中的甲基化频。从全基因组的甲基化对照(n = 3 /甲基化比率)产生的代表性标准曲线示出了在各个甲基化率( 图6)的甲基化的定量的非线性,以及在定量精度。作为该方法中的总的一个例子,RNA和DNA共 - 异从小鼠小脑和视网膜(N = 4 /组)迟来。视紫红质的表达,选择性地表达在视网膜组织,使用qPCR测量。表达仅在视网膜( 图7A)进行检测。使用BSAS,CpG甲基化水平进行定量的视紫红质启动子区。相比,在视网膜(P <0.001,参数t检验)( 图7B)<15%整个启动子区域的甲基化的累积水平> 80%,在小脑。从站点特定的甲基化定量BSAS甲基化定量分析的好处,并且甲基化水平可以在任何给定的基因组区域的CpG一个特定的基础上进行比较。相比,视网膜样品(P <0.001,参数t检验在各CpG位点)( 图7C)横跨视紫红质启动子CpG甲基化水平显著高于小脑样本。
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图1:BSAS方法的示意图 。在该方法中,基因组DNA是亚硫酸氢盐转化成修改非甲基化胞嘧啶向尿嘧啶。接着,在PCR期间这些尿嘧啶变为胸腺嘧啶。 PCR扩增是针对感兴趣的区域,高度丰富为只是这些序列。将所得的PCR扩增子通过一个简单的过程tagmentation制成双索引库。随后文库进行测序在工作台上的下一代序器和测序读数映射到胞嘧啶的是在一个碱基特异性的方式来确定的,在硅片转换参考序列和百分比的甲基化。

图2: 在亚硫酸氢硅片的关心区域的转换的兴趣从任何基因组参考的任何区域可SELEC特德在硅片亚硫酸氢盐转化。非CpG的胞嘧啶替换为胸腺嘧啶的在参考序列。的CpG的胞嘧啶保持在亚硫酸氢盐转化的胞嘧啶参考。

图3:引物放置亚硫酸氢盐PCR引物被设计针对在硅片亚硫酸氢盐转化的参考序列。引物被设计成使得它们不重叠的CG二核苷酸或设计邻近的CG二核苷酸。

图4:高,质量差的PCR扩增和测序文库的例子代表电泳痕迹和凝胶显示(A)的转座子介导的库代扩增的理想选择用一个高点。浓度产物。从该扩增子产生的(B)中示出了库的高浓度,甚至尺寸分布。(C)的质量差的PCR扩增子可以是低的大小,浓度和包含多个产品和/或引物二聚体。这些质量低劣的扩增子将导致(D)中失败,文库产生具有低浓度和低粒度分布。

图5:从甲基化对照测序输出实例。 (A) 在硅片转换的参考序列与CpG位点以红色突出显示。 0%甲基化控制映射到读取选定区域显示胸腺嘧啶(贪婪亮点)映射在CpG位点。(B)100%的甲基化控制映射读取显示胞嘧啶的(蓝色高亮显示)映射在CpG位点。

图7:从组织样品配对DNA甲基化和基因表达分析的实施例。 (A)中从小鼠小脑和视网膜组织视紫红质的相对mRNA表达。(B)的视紫红质的平均启动子甲基小脑和视网膜的DNA(*** P <0.001,参数t-检验)之间定量BSAS。 C)CpG位点特异的甲基化水平的跨越视紫红质启动子(-244至+6,相对于转录起始位点[TSS])在小鼠小脑和视网膜的DNA。
BSAS允许集中,准确的DNA甲基化与定量两个样本数量和指标数量的高吞吐量的能力。此外,该库一代使用转座子介导的tagmentation需要较少的输入DNA,更快,包含了比传统的剪切和随后的适配器连接技术更少的步骤。这些改进在现有的方法允许任何感兴趣的目标进行精确基层DNA甲基化分析。此外,BSAS为确认已使用的全基因组亚硫酸氢钠22或23捕捉方法确定的感兴趣区域(差异甲基化区域(的DMR),CpG 岛,监管区)的新方法。采用正交确认的方法和更精确的定量方法,提高了表观基因研究的严格分析。实现了与BSAS高阅读深度允许在一个窄的置信区间准确定量,再质保的义务在精确的定量分析16。此外,为了在单次实验运行许多样品的能力可以增加对整个基因组的方法确认,这将增加功率统计样本大小;目前许多后生研究的一个弱点。重要的是,BSAS提供一个碱基特异性CpG甲基化的定量,其允许可检验的假设为后生研究的产生。假设如在特定的反应元件增加甲基化将导致一个特定的转录因子降低的结合。 BSAS,结合配对mRNA表达数据,提供了用于在一个单一的一块组织或细胞群的获得两种表观遗传调节和表达的方法。调控和表达的配对测量,也增加了科学严谨和结果的影响。
在BSAS协议中的关键步骤包括引物设计,扩增优化和生成库/QC。 PCR偏见介绍,如果引不正确的设计和放大,在不同的效率8。使用甲基化的标准,如酶促产生100%和0%的胞嘧啶甲基化的标准,可以用于确定程度,如果有的话,甲基化定量的偏差,并且是一个适当的方法控制量化甲基化16时。类似地,应注意优化PCR反应,用于产生单个高质量扩增子时服用。如果没有扩增子是本使用在协议详述所建议的准则,优化步骤包括增加的PCR循环数或bsDNA输入量。如果有多个PCR产物,包括引物二聚体,优化步骤包括减小bsDNA输入量,降低了PCR引物的摩尔浓度的输入,提高退火温度,或降低PCR循环数。这些优化过程的一个或一个组合产生足够的结果,以产生一个单一的集锦。H-质量的扩增子。另外,重新设计引物对引物不产生一个扩增子的好办法。对于这些地区的地方重新设计不适合或没有可能,退化引物包括胞嘧啶的和胸腺嘧啶的在正向引物CpG位点和腺嘌呤的和鸟嘌呤的在反向引CpG位点可能工作。然而,这些引物组还需要进一步优化,以确保无PCR的偏差发生,这个协议的范围之外的处理。质量库是成功的非常重要的。确保QC措施进行了测序前确定库的规模,质量和数量。测序反应是容易发生故障与低质量的库的输入。偏压中的甲基化的定量可以通过确保甲基化频率存在于正向和反向测序读数来缓解。此外,基地调整至CpG位点的质量分数应≥Q30高协nfidence的定量。虽然其他人已经表明以前很少在亚硫酸氢盐转化的DNA 19 tagmentation反应没有偏差,保证上述指标可以确认低偏置甲基化定量。
BSAS目前在CpG位点的甲基化测量,但是,这种方法的未来的扩展将允许的CpG 5- HMC的成对测量用加入了如引入钾高钌酸铵重亚硫酸盐转化24之前实验步骤5-MC和5- HMC区分。这将增加BSAS效用的影响通过允许配对甲基化,既5-MC和5- HMC,和表达数据,以确定DNA甲基化的基因表达的调节作用。转座子介导的文库制备的PCR扩增子并导致降低测序深度在扩增区域的端部。因此,高的兴趣的区域的设计应该驻留在扩增子的中间。怎么样以往,因为BSAS生成测序阅读深度> 1000的X,5-MC定量精度邻近扩增区域的端部测量仍然很高。
作者没有什么可透露的。
作者感谢 Colleen Van Kirk 提供小鼠视网膜和小脑样本,感谢 Peter Gregory 提供图形生成。作者还感谢Allison Gillaspy博士和分子生物学和细胞术研究实验室核心团队对MiSeq的访问。这项工作得到了 NIH DA029405、EY021716 和 AG026607 以及 Donald W. Reynolds 基金会的支持。
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