本研究采用 FISH 技术,在稳定表达合成 LINE-1 的 HepG2 细胞系染色体铺展样本中,于单细胞核水平追踪 LINE-1 的逆转座活动。
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本研究采用 FISH 技术,在稳定表达合成 LINE-1 的 HepG2 细胞系染色体铺展样本中,于单细胞核水平追踪 LINE-1 的逆转座活动。
长散布核元件-1(Long interspersed nuclear element-1,Line-1 或 L1)约占人类基因组中DNA的17%。尽管其中大部分 L1由于5'端截短而失活,但仍有约80-100个此类元件保持逆转座活性,可通过RNA中间体在基因组中不同位置进行扩增。而较古老的 L1s 被认为靶向基因组中富含AT的区域,而更新、活性更强的染色体靶点 L1s 定义尚不明确。本文描述了荧光 原位 杂交(FISH)技术,可用于追踪模式 L1 插入与异位发生率 L1 单细胞核水平的整合. 在这些实验中,采用异硫氰酸荧光素/花青素-3(FITC/CY3)标记的新霉素探针来追踪 L1 逆转座 体外 在稳定表达外源基因的HepG2细胞中 L1该方法可避免因毒性导致的逆转座率估算误差,并能计入多个插入事件发生在同一细胞核中的情况。
人类长散布核元件-1(Long Interspersed Nuclear Element-1, LINE-1)Line-1 或 L1是一种通过以下方式在基因组内传播的自主移动元件 "复制并粘贴" 逆转座机制。一种典型的人类 L1 长约6 kb,包含一个作为启动子的5'非翻译区(5'UTR),以及两个开放阅读框(ORFs): L1-ORF1 和 L1-ORF2以及带有polyA尾的3'非翻译区。 L1-ORF1蛋白包含三个不同的结构域:卷曲螺旋结构域、RNA识别基序和C端结构域,而 L1-ORF2蛋白含有内切酶、逆转录酶和富含半胱氨酸的结构域1,2,3,4,5. L1-ORF1 表现出核酸伴侣活性,而 L1-ORF2 提供酶活性,两种蛋白均为逆转座所必需1,2,6.
一个 L1 逆转座循环始于 RNA 聚合酶 II 从 L1 双顺反子 mRNA 的 5' 非翻译区(5'UTR)启动转录,随后转录产物移位至细胞质并进行翻译。在细胞质中,L1-ORF1 蛋白可表现出 cis-结合,即包装其自身的 RNA,或表现出 trans-结合,即包装其他 RNA(例如,SINE/SVA/假基因),从而与 L1-ORF2p 共同形成核糖核蛋白颗粒(RNP)7,8。RNP 进入细胞核后,L1-ORF2p 的核酸内切酶活性切割基因组 DNA(gDNA),暴露出一个 OH- 基团9,该基团随后被逆转录酶用作引物,从 RNA 的 3' 端起始逆转录合成 DNA。在逆转录过程中,DNA 的第二条链在原始切口位点下游 7–20 bp 处被再次切割,形成交错断裂,随后填补缺口,生成特征性的 L1 插入序列(例如,TTTTAA),称为靶位点重复序列(target site duplications, TSD)9,10。该过程被称为靶位引物逆转录(target prime reverse transcription, TPRT),导致完整或截短的 L1/其他 DNA 序列插入基因组,且插入序列两端均带有 TSD。此外,已有研究表明,在某些细胞类型中,L1 逆转座也可通过类似 TPRT 的非同源末端连接机制介导11。
本研究中使用的 L1 逆转座载体为非附加体型,包含由CMV-L1-5'UTR复合启动子驱动的带标签 L1-ORF1&2p(图1)12。该载体的早期版本已在利用酵母和人类细胞培养的研究中被描述过13,14,15。该载体两端分别含有两个不同的CMV启动子,位于3'端的启动子方向相反,可在剪接和整合后驱动新霉素抗性基因(neomycin)的表达。位于3'端的逆转座指示盒包含一个反向插入 L1-ORF 的新霉素基因,该基因因被β-珠蛋白内含子分割为两部分而失活,该内含子含有剪接供体(SD)和剪接受体(SA)位点(图1)。当整合至染色体后,L1 从共用启动子转录生成一条包含双顺反子mRNA和失活的新霉素mRNA的转录本。在RNA加工过程中,β-珠蛋白内含子从新霉素基因中被剪除,从而恢复新霉素基因的完整功能。该杂交mRNA以顺式(cis)方式被包装成核糖核蛋白复合物(RNP),并转运至细胞核,在核内通过逆转录转座机制(TPRT)整合到基因组中,形成全长或截短的插入序列。
本文描述了一种利用荧光原位杂交(FISH)的技术方法,该方法使用特异性靶向剪接新霉素基因(SNeo)的探针,在单细胞核水平上追踪L1逆转座子的转座模式及插入频率。通过具有逆转座活性和无逆转座活性的构建体,以及用于检测SNeo或新霉素基因与珠蛋白内含子连接处的探针,验证了该方法检测的效率与特异性16。该技术克服了基于细胞培养的逆转座检测方法中存在的一些局限性,例如多重插入、克隆抗性以及优势克隆扩增等问题。
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注意:除非另有说明,所有步骤均应在室温下进行。有关单个试剂的制备详情,请参见试剂部分。
1. 标记L1探针
注意:探针可通过化学标记或PCR标记进行标记。
2. 制备染色体铺片
3. 荧光原位杂交(FISH)
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示意图 L1 逆转录转座载体被展示于 图1. 该载体包含一个以反义方向排列的新霉素基因 L1 由珠蛋白内含子以正义方向插入而中断的ORF,并位于SD和SA位点之间。当稳定整合到染色体中时, L1 mRNA 由联合的 CMV 和 L1-5'UTR 启动子转录而来(图1)。在RNA加工过程中,珠蛋白内含子从新霉素基因中被剪切出去。Neo-L1 RNA 被包装、转运并整合到基因组中,形成全长或截短的插入序列。如所示, L1 通过使用针对剪接型新霉素(spliced neomycin)的特异性探针进行FISH,可追踪逆转座事件图1).
图2展示了新霉素探针的示意图,其中标记的探针由于激发波长的差异,尺寸较大且荧光较弱。请注意,CY3和FI...
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全基因组测序、反向PCR和Southern印迹等方法已被用于研究L1逆转座。尽管这些方法在定位基因组中L1插入位点方面具有极高价值,但它们共同面临的一个复杂挑战是需要借助in-silico程序对序列进行重新组装。本文所述的荧光原位杂交(FISH)方法旨在补充这些技术,尤其适用于需要分析培养细胞中异位L1逆转座的研究。该方法可用于对逆转座事件进行定性和定量评估,并可应用于间期细胞核。该方法具有后续用于确定异位L1插入位点的in-silico序列比对方法的准确性16。由于同聚物的形成,重复序列的比对可能具有不确定性;此外,在引物扩增模板过程中,重复序列可能丢失,导致重复序列的代表性不足。FISH方法可克服这些问题,因为FISH探针能够与同聚物退火,且不太可能对完整的重复序列产生偏倚16。此外,与基于细胞培养的逆转座检测方法相比,FISH可在单个细胞核水平上确定逆转座频率。因此,该方法可避免对逆转座频率的低估或高估,因为单个细胞核中可能发生多次插入事件16。近期来自高通量...
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作者声明不存在潜在的利益冲突。
本工作部分得到了美国国家环境卫生科学研究所(ES014443 和 ES017274)以及阿斯利康对 KSR 的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 标记探针 | |||
| Go Tag DNA聚合酶 | Promega | M3178 | |
| GO Tag 10x无色缓冲液 | Promega | M3178 | |
| 单个dNTP | Sigma | DNTP10 | 将dATP、dGTP、dCTP的浓度调整为2 mM,dTTP调整为1.5 mM,溶于无核酸酶水中。 |
| dUTP-16-生物素(0.5 mM) | Roche | 11093070910 | |
| dUTP-FITC(0.5 mM) | Thermo Scientific | R0101 | |
| dUTP-CY3(0.5 mM) | Sigma | GEPA53022 | |
| MIRUS FISH标记试剂盒 | MIRUS | MIR3625 | |
| MIRUS FISH标记试剂盒 | MIRUS | MIR3225 | |
| NucleoSpin PCR纯化试剂盒 | Qiagen | 1410/0030 | 可使用任何PCR纯化试剂替代NucleoSpin PCR纯化试剂盒 |
| PCR仪 | 可使用任意热循环仪扩增标记产物。 | ||
| 琼脂糖 | Sigma | A9539 | |
| 制备染色体铺展 | |||
| 秋水仙胺(Colcemid) | Life Technologies | 15212-012 | 将秋水仙胺直接加入培养基中,终浓度为0.4 µg/ml |
| 1 M KCl | Sigma | P9541 | 将1 M KCl溶液稀释至75 mM,配制低渗溶液 |
| 卡诺固定液(Carnoy Fixative Solution) | 按3体积甲醇与1体积乙酸混合配制卡诺固定液。每次使用前新鲜配制。 | ||
| 甲醇 | Sigma | 322415 | |
| 乙酸 | Sigma | 320099 | |
| Hoechst-33342 | Thermo Scientific | 62249 | 将Hoechst-33342溶于PBS中,终浓度为1 mg/ml。 |
| 钻石点标记笔 | Thermo Scientific | 750 | |
| 磨砂载玻片 | Thermo Scientific | 2951-001 | |
| 胰蛋白酶-EDTA(0.25%) | Life Technologies | R001100 | 为消化细胞,将细胞在胰蛋白酶中孵育5分钟,然后加入等体积完全培养基终止反应。 |
| 盖玻片 | VWR | 48366067 | |
| 柯普林瓶(Coplin Jars) | Thermo Scientific | 107 | |
| 加热金属块 | 可使用任意加热金属块,但推荐使用专为加热载玻片设计的加热块。 | ||
| 烧杯(600 ml) | Sigma | CLS1003600 | 在烧杯中加水至沸腾,利用热蒸汽使染色体破裂。 |
| 尼康显微镜 | Nikon | 125690 | 可使用任意显微镜观察染色体铺展质量。 |
| FISH实验试剂与材料 | |||
| 柠檬酸三钠 | Sigma | S1804 | |
| 氯化钠 | Sigma | S3014 | |
| 甲酰胺 | Sigma | F9037 | |
| Tween-20 | Sigma | F1379 | |
| 硫酸葡聚糖 | Sigma | D8906 | |
| SDS | Sigma | L3771 | |
| 鲑鱼精DNA | Life Technologies | 15632-011 | |
| 牛血清白蛋白(BSA) | Sigma | A8531 | |
| HCl(N) | Sigma | 38283 | |
| 乙醇 | Sigma | 459844 | |
| 甲醇 | Sigma | 322415 | |
| DPBS | Life Technologies | 14190-250 | |
| NaOH | Sigma | S8045 | |
| RNase A | Sigma | R4642 | |
| 胃蛋白酶 | Sigma | P6887 | |
| 多聚甲醛(PFA) | Sigma | P6148 | |
| Hoechst-33342 | Thermo Scientific | 62249 | 将Hoechst-33342溶于PBS中,终浓度为1 mg/ml。 |
| 橡胶胶水/细胞粘合密封剂 | 2020-00-1 | ||
| 七个柯普林瓶 | Thermo Scientific | 107 | |
| 避光湿盒 | Sigma | CLS2551 | |
| 盖玻片 | VWR | 48366067 | |
| 干燥数字加热金属块 | VWR | 13259 | |
| 荧光显微镜 | |||
| 20x 柠檬酸钠-氯化钠溶液(20x SSC) | 将175 g NaCl和88.2 g柠檬酸三钠溶于800 ml分子级H2O中,搅拌并调节pH至7。待所有盐完全溶解后,定容至1 L,经0.22 µm滤膜过滤。4 °C保存。 | ||
| 1 mg/ml RNase A | 将20x SSC缓冲液稀释为2x SSC缓冲液,将RNase A溶于2x SSC缓冲液中,终浓度为1 mg/ml。每次使用前新鲜配制。 | ||
| 1% 胃蛋白酶 | 将胃蛋白酶(W/V)溶于10 mM HCl中,配制成终浓度为1%的溶液。每次使用前新鲜配制。 | ||
| 4% 多聚甲醛(4% PFA) | 在通风橱中称取4.0 g PFA,加入50 ml 1x PBS,搅拌并加热至60 °C,逐滴加入NaOH调节pH,直至PFA完全溶解且溶液澄清。定容至100 ml,经0.22 µm滤膜过滤,分装为5 ml每份,于-20 °C保存。后续使用时,于37 °C融化一份PFA,持续10-15分钟。根据多聚甲醛用量调整滤膜规格。 | ||
| 洗涤缓冲液 | 将100 ml甲酰胺(20%)与2.5 ml 20x SSC混合,用1.0 M HCl调节pH至7,并用分子级H2O定容至500 ml。 | ||
| 杂交缓冲液 | 在2x SSC缓冲液中加入50%甲酰胺、10%硫酸葡聚糖、0.1% SDS和300 ng/ml鲑鱼精DNA。甲酰胺的含量决定染色单体的聚焦程度;需进行梯度优化。 | ||
| 检测缓冲液 | 将20x SSC缓冲液稀释为4x,并加入0.2% Tween-20,配制成检测缓冲液。 | ||
| 封闭缓冲液 | 在4x SSC缓冲液中加入5%牛血清白蛋白(BSA)和0.2% Tween-20。 | ||
| 脱水溶液 | 配制70%、80%和95%的乙醇溶液。 |
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