我们提供了一种偏倚低于标准方法且对2'-O-甲基化RNA具有更高灵敏度的详细小RNA文库构建方案。该方案可使用自制试剂以降低成本,也可使用现成试剂盒以提高操作便利性。
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我们提供了一种偏倚低于标准方法且对2'-O-甲基化RNA具有更高灵敏度的详细小RNA文库构建方案。该方案可使用自制试剂以降低成本,也可使用现成试剂盒以提高操作便利性。
利用下一代测序技术(NGS)研究小RNA(sRNA)时,文库构建过程中的偏倚问题是一大挑战。多种类型的小RNA,例如植物微小RNA(miRNA),在其3'末端核苷酸上带有2'-O-甲基(2'-OMe)修饰。这种修饰会抑制3'接头连接反应,从而带来额外困难。我们先前已证明,对“TruSeq(TS)”方案进行修饰后的版本可减少偏倚,并更有效地检测2'-OMe修饰的RNA。本文详细描述了整体表现最优的TS5方案。TS5方案既可使用自制试剂,也可使用TS试剂盒中的试剂,两者性能相当。
小分子RNA(sRNA)参与调控多种生物学过程1。真核生物中具有调控功能的sRNA通常长度在20至30个核苷酸之间;主要包括三类:微小RNA(miRNA)、PIWI相互作用RNA(piRNA)和小干扰RNA(siRNA)。异常的miRNA表达水平已被证实与多种疾病相关2。这凸显了miRNA在健康与疾病中的重要作用,以及开发准确、定量的研究工具以检测sRNA的必要性。
下一代测序(NGS)是一种广泛用于研究小RNA(sRNA)的方法。与定量PCR或微阵列技术(qPCR)等其他方法相比,NGS的主要优势在于无需预先了解sRNA序列,因此可用于发现新的RNA分子;此外,其背景信号和饱和效应更少。同时,NGS能够检测单核苷酸差异,通量也高于微阵列。然而,NGS也存在一些缺点:测序运行成本仍然相对较高,且将样本转化为测序文库所需的多步骤流程可能引入偏差。在典型的sRNA文库构建过程中,首先使用RNA连接酶2(RNL2)的截短形式和预先腺苷酸化的3'接头,在无ATP条件下将3'接头连接至sRNA(通常从总RNA中经凝胶纯化获得)(图1)。该步骤可提高sRNA与接头连接的效率,并减少sRNA环化或串联等副反应的发生。随后,通过RNA连接酶1(RNL1)连接5'接头,再进行逆转录(RT)和PCR扩增。这些步骤均可能引入偏差3,4。因此,测序读数可能无法真实反映sRNA的实际表达水平,从而导致人为的、依赖于方法的表达模式。某些特定的sRNA可能在文库中被过高或过低代表,而严重低代表的sRNA甚至可能无法被检测到。这一问题在具有3'末端2'-O-甲基(2'-OMe)修饰的植物miRNA、昆虫和植物中的siRNA,以及昆虫、线虫和哺乳动物中的piRNA中尤为复杂1。这种修饰会强烈抑制3'接头的连接效率5,使得这类RNA的文库构建成为一项困难的任务。
先前的研究表明,由于RNA序列/结构的影响,接头连接会引入严重的偏差6,7,8,9,10,11。接头连接后续的步骤,如逆转录和PCR,并不会显著导致偏差6,11,12。接头连接偏差可能源于这样一个事实:具有特定序列的接头分子会与反应体系中的小RNA(sRNA)分子相互作用,形成共折叠结构,这些结构可能形成有利于或不利于连接的构型(图2)。Sorefan等人的数据7表明,RNL1偏好单链环境,而RNL2则偏好双链结构进行连接。由于接头/sRNA共折叠结构由特定的接头和sRNA序列决定,这解释了为何在特定接头组合下某些sRNA会被过度或不足地代表。还需注意的是,在一系列需要相互比较的sRNA文库中,应使用相同的接头序列。事实上,先前已有研究观察到,在测序文库中通过引入不同的条形码序列更换接头会改变miRNA的谱型9,13。
在连接 junction 附近对接头序列进行随机化,可能降低这些偏差。Sorefan 及其同事7使用了在其末端带有4个随机核苷酸的接头,称为"高分辨率"(HD)接头,并证明使用此类接头可构建出更真实反映小RNA(sRNA)表达水平的文库。最近的研究进一步证实了这些发现,并表明随机化区域无需紧邻连接 junction11。这种新型接头被命名为"MidRand"接头。综上所述,这些结果表明,优化的接头设计能够减少偏倚。
除了修饰接头外,还可以通过优化反应条件来抑制偏好性。聚乙二醇(PEG)是一种已知可提高连接效率的大分子拥挤剂14,已被证明能显著降低偏好性15,16。基于这些结果,市场上出现了多种"低偏好性”试剂盒。这些试剂盒有的在连接反应中使用PEG,无论是与经典接头还是HD接头联合使用;另一些试剂盒则完全避免连接反应,分别通过3'多聚腺苷酸化和模板转换来添加3'和5'接头12。还有一种策略是在3'接头连接后进行环化步骤,从而省去5'接头的连接17。
在之前的一项研究中,我们致力于寻找一种偏倚尽可能低且对2'-OMe RNA检测效果最佳的小RNA(sRNA)文库构建方案12。我们测试了上述几种被称为“低偏倚”的试剂盒,发现它们对2'-OMe RNA的检测能力优于标准方案(TS)。然而令人意外的是,通过对标准方案进行若干改进(包括使用随机接头、在连接反应中添加PEG,以及通过纯化步骤去除过量的3'接头),其在检测2'-OMe RNA方面的表现反而超过了其他商用试剂盒。本文详细描述了一种基于TS方案优化而来的“TS5”方案,该方案在整体上实现了对2'-OMe RNA的最佳检测效果。该方案可使用TS试剂盒中的试剂搭配“Nf”试剂盒中的一种试剂完成;或者为节约成本,也可使用自制试剂,其性能与前者相当。此外,我们还提供了从总RNA中纯化sRNA以及制备预腺苷化3'接头的详细操作流程。
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1. 小RNA的分离
2. 预腺苷酸化3' HD接头的制备
注意:3' HD 接头的预腺苷化处理方法与 Chen 等人18所述方案类似。请注意,可直接订购预腺苷化接头(/5rApp/ 修饰),但成本较高。
3. 文库构建 - 方案 TS5
注意:我们在此介绍之前描述过的改良型 TS 方案“TS5”12,该方案可使用试剂盒中的试剂或自行提供的试剂进行。需要指出的是,我们曾使用另一种方案“TS7”获得了相似甚至略优的结果。然而,TS7 方案更难去除接头二聚体。因此,我们选择详细描述 TS5 方案,但可通过简单替换接头的方式采用 TS7 方案。对于 TS7,请使用“类中段随机(MidRand-Like, MRL)”接头序列(表 1)。请注意,此处随机化区域位于接头的中间位置。逆转录和 PCR 引物将分别与 3' 接头中随机区域下游序列以及 5' 接头中随机区域上游序列杂交。测序将从 5' 接头中的第一个随机化核苷酸开始。
4. 数据分析
注意:以下所述的数据分析流程基于 Linux 操作系统 Ubuntu 16.04 LTS。
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关键步骤包括从起始的总RNA材料中分离小RNA组分(图3)以及获得目标的最终文库产物(图4)。这两个步骤均涉及聚丙烯酰胺凝胶纯化;小RNA从15% TBE尿素凝胶中分离,而最终文库则从6%非变性TBE凝胶中分离。从凝胶中分离的小RNA可在小RNA毛细管电泳芯片上进行分析(材料表;图3B)。这将使用户能够估算回收的小RNA量以及样品中miRNA所占的比例。
对最终文库产物进行凝胶纯化是一个精细的步骤,因为在电泳过程中会形成多种迁移位置接近目标文库的副产物。切勿过量上样,否则会增加文库被其他产物(如接头二聚体)污染的风险。例如(图4),将不同量的PCR扩增文库(来自 B. napus RNA)上样至凝胶,切取对应于预期大小(150 bp)的条带(
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由于偏倚问题,小RNA文库构建仍然具有挑战性,其中主要偏倚来源于接头连接步骤。3'端带有2'-OMe修饰的RNA(例如植物miRNA、昆虫、线虫和哺乳动物中的piRNA,以及昆虫和植物中的小干扰RNA(siRNA))尤其难以研究,因为2'-OMe修饰会抑制3'接头的连接。文献中已提出多种改进小RNA文库构建方案的方法,但目前大多数商业试剂盒仍基于存在严重偏倚的经典TS方法。少数“低偏倚”试剂盒已经出现,例如采用随机化接头并加入PEG进行连接反应的Nf试剂盒,以及最近出现的完全避免接头连接的若干试剂盒12。我们此前曾报道,与标准TS方法相比,Nf方法可检测到更多的不同miRNA,而方法“S”(无接头连接)则因副产物显著形成而表现相对较差12。令人意外的是,经改进的TS方法对2'-OMe修饰的小RNA检测更为灵敏,但对普通小RNA的检测则不然。本文中,我们选择详细描述TS5方法,该方法在接头末端采用随机化设计,连接反应中使用PEG,并通过磁珠纯化去除过量的3'接头。需要指出的是,另一种使用MRL接头的方法(TS7)可能比TS5方法性能略优。然而,...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本工作由法国国家科学研究中心(CNRS)、法国替代能源和原子能委员会(CEA)以及巴黎第十一大学资助。本研究的所有文库构建、Illumina 测序和生物信息学分析均在 I2BC 下一代测序(NGS)平台完成。感谢 I2BC NGS 平台成员对稿件的审阅和提出的宝贵建议。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 2100 生物分析仪 | Agilent | G2939BA | |
| 酸性酚:氯仿,pH 4.5(含IAA,125:24:1) | ThermoFisher | AM9720 | |
| 腺苷-5'-三磷酸(ATP) | New England Biolabs | P0756S | |
| Agencourt AMPure XP 磁珠 | Beckman Coulter | A63880 | |
| 生物分析仪高灵敏度DNA试剂盒 | Agilent | 5067-4626 | |
| 生物分析仪小RNA试剂盒 | Agilent | 5067-1548 | |
| Corning Costar Spin-X 离心管滤器 | Sigma Aldrich | CLS8162-96EA | |
| Dark Reader 透射仪 | 多家供应商 | ||
| 含dNTPs的HotStart PCR试剂盒 | Kapa Biosystems | KK2501 | |
| NEXTflex 小RNA-seq V3 试剂盒 | BIOO Scientific | NOVA-5132-05 | 可选 |
| Novex 6% TBE 凝胶 | ThermoFisher | EC6265BOX | |
| Novex 15% TBE 尿素凝胶 | ThermoFisher | EC6885BOX | |
| QIAquick 核苷酸去除试剂盒 | Qiagen | 28304 | |
| Qubit 4 定量起始试剂盒 | ThermoFisher | Q33227 | |
| Qubit ssDNA 检测试剂盒 | ThermoFisher | Q10212 | |
| RNA凝胶上样染料(2X) | ThermoFisher | R0641 | |
| RNA凝胶上样染料(2X) | ThermoFisher | R0641 | |
| 鼠源RNase抑制剂 | New England Biolabs | M0314S | |
| SuperScript IV 逆转录酶 | ThermoFisher | 18090200 | |
| SYBR Gold 核酸凝胶染料 | ThermoFisher | S11494 | |
| T4 RNA连接酶1(ssRNA连接酶) | New England Biolabs | M0204S | |
| T4 RNA连接酶2,截短型 | New England Biolabs | M0242S | |
| TrackIt 50 bp DNA Ladder | ThermoFisher | 10488043 | |
| TruSeq 小RNA文库制备试剂盒 | Illumina | RS-200-0012/24/36/48 | 可选 |
| UltraPure 甘油 | ThermoFisher | 10814010 | |
| XCell SureLock Mini-Cell | ThermoFisher | EI0001 | |
| XCell SureLock Mini-Cell | ThermoFisher | EI0001 | |
| ZR 小RNA Ladder | Zymo Research | R1090 | |
| 最后两位数字对应索引编号 | |||
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