斑马鱼最近被用作一种 体内 研究发育过程中DNA复制时序的模式系统。本文详细介绍了利用斑马鱼胚胎进行复制时序分析的实验方案。该方案可轻松适用于突变体、特定细胞类型、疾病模型及其他物种中的复制时序研究。
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斑马鱼最近被用作一种 体内 研究发育过程中DNA复制时序的模式系统。本文详细介绍了利用斑马鱼胚胎进行复制时序分析的实验方案。该方案可轻松适用于突变体、特定细胞类型、疾病模型及其他物种中的复制时序研究。
DNA复制时序是一种重要的细胞特征,与染色质结构、转录活动以及DNA突变率具有显著关联。在发育过程和癌症中均会发生复制时序的改变,但复制时序在发育和疾病中的具体作用尚不明确。斑马鱼 recently 被确立为研究复制时序的 in vivo 模型系统。本文详细描述了利用斑马鱼确定DNA复制时序的实验方案。通过对胚胎和成年斑马鱼的细胞进行分选后,可通过分析下一代测序数据中的DNA拷贝数变化,构建高分辨率的全基因组DNA复制时序图谱。斑马鱼模型系统可用于评估在体内整个发育过程中发生的复制时序变化,也可用于分析特定细胞类型、疾病模型或突变品系中的时序改变。这些方法将有助于研究发育过程中复制时序建立与维持的机制及其决定因素,揭示复制时序在突变和肿瘤发生中的作用,并探究干扰复制时序对发育和疾病的影响。
细胞要成功分裂,必须首先准确而忠实地复制其全部基因组。基因组的复制以一种可重复的模式进行,称为DNA复制时序程序1。DNA复制时序与染色质结构、表观遗传标记以及基因表达密切相关2,3。在发育过程中,复制时序会发生动态变化,并与转录程序以及染色质标记和结构的改变显著相关4,5。此外,复制时序与突变频率相关,在多种癌症中均观察到复制时序的改变6,7,8。尽管已有上述发现,复制时序建立与调控的机制及其决定因素在很大程度上仍不清楚,其在发育和疾病中的作用也尚未明确。此外,直到最近,脊椎动物发育过程中全基因组范围内的复制时序变化仅在细胞培养模型中得到研究。
斑马鱼, 斑马鱼,非常适合用于研究复制时序 体内 在发育过程中,单个交配对可产生数百个胚胎,这些胚胎发育迅速,且在许多方面与哺乳动物的发育相似9,10此外,在斑马鱼发育过程中,细胞周期、染色质结构和转录程序会发生变化,这些变化与DNA复制时序存在关联。11斑马鱼也是一种优秀的遗传学模型,因其特别适用于转基因、诱变和靶向突变等遗传操作,且通过遗传筛选已鉴定出许多脊椎动物发育所必需的基因12因此,斑马鱼可用于鉴定参与复制时间建立与维持的基因,并观察复制时间失调对脊椎动物发育的影响。转基因品系还可用于评估在不同发育阶段或疾病状态下分离的特定细胞类型中的复制时间。重要的是,目前已建立多种人类疾病斑马鱼模型,可用于研究复制时间在疾病发生与进展中的作用。9,13,14.
最近,首个斑马鱼复制时间谱型得以绘制,确立了其作为研究复制时间的模式系统 体内15为此,从斑马鱼胚胎发育的多个阶段以及成年斑马鱼中分离的特定细胞类型中收集细胞。随后根据DNA含量,通过FACS(荧光激活细胞分选)对细胞进行分选,以分离出G1期和S期细胞群体。以G1期样本作为拷贝数对照,测定S期群体中的拷贝数变异,并据此推断相对复制时间16随后可在不同发育阶段的样本和细胞类型之间直接比较复制时间的变化,并利用该方法确定所发生的复制时间改变 体内 在脊椎动物发育过程中。该方法相较于其他基因组学方法具有多项优势,主要在于无需使用胸腺嘧啶类似物标记或进行DNA免疫沉淀4,6.
本文详细介绍了在斑马鱼中以高分辨率分析全基因组DNA复制时序的实验方案。这些方案已被用于确定斑马鱼基因组中复制时序与基因组及表观遗传特征之间的关联,并可用于分析这些关联在发育过程中发生的变化。这些方案还可轻松适用于研究斑马鱼突变品系及疾病模型中复制时序的改变。此外,通过首先从斑马鱼中分离特定细胞类型,这些方法可进一步拓展用于研究特定细胞类型中的复制时序。斑马鱼可作为研究脊椎动物发育和人类疾病机制的优良模型,其胚胎透明、体外发育以及遗传操作便利等特点使其成为探究DNA复制调控的理想系统。 斑马鱼、DNA复制时序、全基因组分析、高分辨率测序、表观遗传学、发育生物学、突变体模型、疾病模型、细胞分选 体内 研究复制时序的模型系统,并最终揭示这一重要表观遗传特征的生物学功能。
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所有动物均严格按照俄克拉荷马医学研究基金会机构动物护理和使用委员会批准的方案进行操作。
1. 准备成年斑马鱼用于繁殖
2. 定时交配——收集、分选和饲养斑马鱼胚胎用于实验
3. 脱膜、去卵黄并固定斑马鱼胚胎
注意:本实验方案部分适用于受精后48小时(hpf)之前的胚胎。对于发育较晚阶段(受精后48 hpf以上)的胚胎,无需去除绒毛膜,因为此时绒毛膜通常会自然脱落。对于受精后5天(dpf)以上的幼鱼,无需去卵黄或去除绒毛膜。
4. 染色DNA并使用流式细胞术分选胚胎
注意:本实验方案的此部分适用于受精后1天的胚胎。
5. DNA 提取、RNase 处理及 DNA 纯化
6. DNA文库制备与下一代测序
注意:每次测序运行都需要为每个生物来源提供一个G1拷贝数参考样本即 野生型、突变体、转基因、细胞系等。在同一测序运行中,将来自相同生物来源的所有S期样本与同一个G1期参考样本进行比较。每种样本至少进行两次生物学重复,以确保样本间的一致性。
7. 测序数据分析
注意:本节中的说明仅作为分析的指导原则。可使用其他方法进行序列比对、过滤、处理等操作。本实验方案的这一部分将介绍本研究中首选的分析方法。如果采用其他方法,请根据具体目的调整相应的参数和函数。以下命令在已安装适当软件包的 Ubuntu 或 Mac 终端中输入执行。
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利用已发表的复制时序数据,提供代表性的复制时序谱图及质量控制指标15。数据处理的初始步骤包括将测序数据比对到基因组、计算读段长度和基因组覆盖度统计量,并过滤低质量、未配对以及PCR重复的读段。典型斑马鱼测序样本的读段统计结果如图2所示。过滤后,在不同大小的窗口中确定读段计数,并对数据进行平滑和归一化处理。典型斑马鱼染色体在生物学重复样本中的平滑/归一化复制时序谱图如图3A所示。生物学重复与实验重复的谱图在视觉上应极为相似(见图3A),并且在整个染色体长度范围内表现出高度相关性(图3B)。全基因组范围内的时序值也应表现出高度相关性(图3C)。应使用自相关分析(一种评估模式连续性的方法)来评价数据集中结构特征的程度(
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斑马鱼为研究DNA复制时序提供了一种新颖而独特的体内模型系统。按照本实验方案中详述的方法进行定时交配,可在一天内收集数千枚胚胎用于实验。这些胚胎以精确的时间节点和明确的发育阶段同步发育。由于斑马鱼胚胎在体外发育且具有良好的光学透明性,因此可通过体视显微镜根据形态学特征对斑马鱼进行简便而准确的分期。本方案详细描述了利用斑马鱼胚胎研究脊椎动物整个发育过程中DNA复制时序的方法。
实验方案中可能出现问题的环节包括斑马鱼胚胎发育的同步性、制备过程中的细胞损失、FACS 分选以及文库构建。斑马鱼的发育时间受温度影响,因此实验应使用适应明/暗周期且饲养在 28.5 °C 条件下的斑马鱼。为确保发育同步,需进行精确计时的交配,并在极短的时间窗口内(10 分钟或更短)收集胚胎。维持胚胎在 28.5 °C 环境中至关重要,并应尽量减少其暴露于室温下的时间。斑马鱼的发育时间还高度依赖于单位区域内的胚胎密度。饲养密度不得超过每 10 cm 培养皿 100 个胚胎,否则将导致发育异常。移除死亡和未受精胚胎的最佳时机是胚胎发育至 4–16 细胞阶段,此时可轻松识别是否受精(可参考"...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本工作由美国国立卫生研究院下属的国家普通医学科学研究所通过资助编号5P20GM103636-02(包括流式细胞术核心支持)和1R01GM121703提供支持,同时获得俄克拉何马州成人干细胞研究中心奖项的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| NaCl | 费舍尔科技 | BP358-10 | |
| KCl | 费舍尔科技 | P217-500 | |
| CaCl2 | 费舍尔科技 | C79-500 | |
| MgSO4 | 默克密理博 | MMX00701 | |
| NaHCO3 | 费舍尔科技 | BP328-500 | |
| 蛋白酶 | 西格玛 | 10165921001 | 蛋白酶溶液 |
| 磷酸盐缓冲液(PBS) | 西格玛 | D1408 | |
| 乙醇(EtOH) | KOPTEC | V1016 | |
| 牛血清白蛋白(BSA) | 西格玛 | A9647-100G | |
| 碘化丙啶(PI) | 英杰公司 | P3566 | |
| Tris-HCl | 费舍尔科技 | BP153-500 | |
| EDTA | 西格玛 | E9844 | |
| SDS | 圣克鲁兹 | sc-24950 | |
| 蛋白酶K | 新英格兰生物实验室 | P8107S | |
| 苯酚:氯仿 | 西格玛 | P3803-100ML | |
| 乙酸钠 | J.T.Baker | 3470 | |
| 糖原 | 安必昂 | AM9510 | |
| RNase A | 赛默飞世尔科技 | EN0531 | |
| Quanit-iT | 英杰公司 | Q33130 | 基于荧光的DNA定量试剂 |
| Covaris AFA 微管 | Covaris | 520045 | 用于超声处理的专用管 |
| Covaris E220 超声仪 | Covaris | E220 | 聚焦式超声破碎仪 |
| 安捷伦 4200 Tapestation | 安捷伦 | G2991AA | 自动化电泳仪 |
| D1000 ScreenTape | 安捷伦 | 5067-5582 | 自动化电泳仪配套试剂 |
| NEBNext Ultra DNA文库构建试剂盒(适用于Illumina) | 新英格兰生物实验室 | 货号#E7370L | DNA文库构建试剂盒 |
| NEBNext 多重引物试剂盒(适用于Illumina,Index Primers Set 1) | 新英格兰生物实验室 | 货号#E7335S | DNA文库构建用多重寡核苷酸 |
| NEBNext 多重引物试剂盒(适用于Illumina,Index Primers Set 2) | 新英格兰生物实验室 | 货号#E7500S | DNA文库构建用额外多重寡核苷酸 |
| NEBNext 文库定量试剂盒(适用于Illumina) | 新英格兰生物实验室 | E7630L | 文库构建定量试剂盒 |
| Agencourt AMPure XP 磁珠 | 贝克曼库尔特 | A63882 | 磁珠 |
| Illumina HiSeq 2500 | Illumina | SY–401–2501 | 新一代DNA测序平台 |
| 40 µm Falcon 尼龙细胞筛 | 费舍尔科技 | 08-771-1 | |
| VWR 一次性培养皿 100 x 25 mm | VWR | 89107-632 | |
| 适用于Nichiryo Model 8100的6.0 mL注射器 | VWR | 89078-446 | |
| Posi-Click 管,1.7 mL,透明色 | 丹维尔科学 | C2170 (1001002) | 无DNA酶/RNA酶 |
| Vortex Genie 2 涡旋振荡器 | 科学仪器公司 | SI-0236 | |
| 洗瓶 | VWR | 16650-022 | 低密度聚乙烯,广口 |
| 筛网 | VWR | 470092-440 | 6.9 cm,细网 |
| 繁殖槽 | Aquaneering | ZHCT100 | 独立式繁殖槽 |
| iSpawn | Techniplast | N/A | 大型繁殖槽 |
| FACSAria II | BD 生物科学 | N/A | 细胞分选仪 |
| Wild M5a 体视显微镜 | Wild Heerbrugg | N/A | 解剖显微镜 |
| Qubit 3 荧光计 | 赛默飞世尔科技 | Q33216 | 基于定量荧光法测定DNA浓度的方法 |
| Matlab | Mathworks | 版本 2017a | |
| Matlab 统计工具箱 | Mathworks | 版本 11.1 | |
| Matlab 曲线拟合工具箱 | Mathworks | 版本 3.5.5 |
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