插入突变是正向遗传学中用于鉴定功能性基因组元件的重要工具。本文中,我们描述了一种基于插入的功能元件与转录本筛选方法(InSET),该方法可用于检测基于慢病毒的插入突变细胞文库中的慢病毒整合位点。
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插入突变是正向遗传学中用于鉴定功能性基因组元件的重要工具。本文中,我们描述了一种基于插入的功能元件与转录本筛选方法(InSET),该方法可用于检测基于慢病毒的插入突变细胞文库中的慢病毒整合位点。
人类基因组中功能序列的范围是生物学领域一个关键但尚存争议的话题。尽管高通量反向遗传学筛选已在此方面取得进展,但这些方法通常局限于已知的基因组元件,且可能引入非特异性效应。这凸显了开发新型功能基因组学工具的迫切需求,以实现对基因组功能更深入、无偏倚的理解。本实验方案介绍了基于插入的功能元件与转录本筛选方法(Insertion-based Screen for functional Elements and Transcripts, InSET),该方法用于鉴定基于慢病毒的插入诱变细胞文库中的慢病毒整合位点。InSET可捕获全基因组范围内的慢病毒整合位点,并利用下一代测序技术检测和量化侧翼序列。InSET的设计支持在表型筛选中大规模分析整合位点丰度的变化,使其成为正向遗传学研究及功能基因组元件鉴定的有力工具。InSET的一个关键优势在于其能够独立于已有注释,发现先前未被识别的基因组元件,包括蛋白质编码RNA和非编码RNA中的新功能外显子。总体而言,InSET在研究人类基因组和转录组复杂性方面具有重要价值,目前仍有大量基因组元件有待功能表征。
即使在后基因组时代,功能基因组学仍然是一个至关重要且充满挑战的领域,基因组中仍有相当大比例的区域缺乏功能注释。造成这些挑战的一个主要原因是人类基因组和转录组的复杂性,其特征是在蛋白质编码区和非编码区均普遍存在转录活动以及广泛的可变剪接1,2,3,4,5。这种复杂性已通过靶向RNA的富集研究得到广泛揭示6,7,8,9。人们日益认识到,除了人类基因组中已有明确注释的片段外,仍存在大量尚未定位且功能未注释的新型基因组元件10,11,12。
近年来,反向遗传学工具取得了显著进展,例如RNA干扰(RNAi)和CRISPR/Cas系统13,14,15,16,17,18,19,20,21。然而,这些方法存在明显缺点,包括非特异性效应,以及构建短发夹RNA(shRNA)或单导向RNA(sgRNA)复杂文库所带来的高成本22,23,24,25。此外,这些方法主要针对已有注释的基因组元件。相比之下,正向遗传学的优势在于能够识别新颖的、尚未注释的功能性基因组元件。鉴于人类基因组和转录组的高度复杂性,以及大量未知基因组元件的存在,正向遗传学的这一能力具有重要意义。
正向遗传学细胞文库通常通过逆转录病毒的随机整合来构建,因此高效检测全基因组范围内的整合位点对于正向遗传学分析至关重要。检测这些整合位点通常需要借助基因组步移技术26。尽管此类技术已取得显著进展,但其中很少有方法针对下一代测序(NGS)应用进行了优化,并随后应用于插入突变研究中。细胞系中的插入突变通常采用反向PCR(I-PCR)或线性扩增介导PCR(LAM-PCR)等方法来检测整合位点27,28,29。然而,这些方法通常需要限制性酶切或连接步骤,可能导致效率降低并引入结果偏差。
为了提高正向遗传学筛选中全基因组整合位点的检测效率,本文介绍了一种名为基于插入的基因功能元件与转录本筛选(Insertion-based Screen for functional Elements and Transcripts,InSET)的方法。通过将基因组步移技术与高通量测序(NGS)相结合,InSET能够实现对基于慢病毒插入突变文库中慢病毒整合位点的高通量鉴定。与现有方法27,28,29相比,InSET操作相对直接且简便,无需限制性酶切或连接步骤,因而更加便捷且易于推广。此外,尽管现有的哺乳动物细胞正向遗传学筛选仅限于极少数单倍体或接近单倍体的细胞系27,28,29,30,31,InSET已被证实可在非整倍体细胞系中有效应用32。
本研究提供了实施InSET方法的详细分步实验方案,并展示了InSET在插入突变研究中的应用。InSET是一种强大的工具,可用于鉴定人类细胞系基因组元件中的新外显子,涵盖蛋白质编码RNA和非编码RNA。
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图1展示了InSET方法的示意图。为了获得最佳覆盖度,需从1 µg基因组DNA制备五个平行文库,然后将其混合用于高通量测序。该流程在先前的实验中已成功连续完成,但用户可根据需要自行设置暂停点。本研究中所用试剂与设备的详细信息见《材料表》。
1. 基因组中慢病毒整合位点的捕获
2. 使用巢式PCR构建NGS文库
3. 数据分析
注意:本节以人源细胞系中的分析为例。
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NGS文库的质量控制评估通常由测序服务提供方完成,是测序前的标准质量检查步骤。为了展示文库质量的影响,本研究对两个样本进行了比较。高质量文库标记为s2-20-15,采用标准的嵌套PCR流程制备,包含两个连续的扩增步骤:第一步扩增20个循环,第二步扩增15个循环。相比之下,低质量文库标记为s1-30,采用单步PCR流程制备,通过30个循环扩增将Illumina接头引入。
如表2所示,与高质量样本相比,低质量样本通过荧光法和qPCR法测得的文库浓度均较低。值得注意的是,qPCR浓度测定结果比荧光法测定结果更能可靠地反映NGS文库的质量。进一步使用生物分析仪对文库进行分析。在低质量样本中,约83 bp处出现一个显著的主峰,表明存在接头二聚体污染(图2)。相比之下,高质量NGS文库在150 bp至1500 bp范围内呈现多个主峰,符合成功构建的InSET文库的特征(图2)。
低质量和...
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在正向遗传学分析中,基因组步行法对于鉴定插入诱变细胞文库中的整合位点至关重要。传统的基因组步行方法,如 I-PCR 和 LAM-PCR ,通常需要限制性酶切和连接步骤,这些步骤可能因依赖酶切位点而降低文库复杂性并引入偏差27,28,29。InSET 方法通过省去限制性酶切和连接步骤,克服了这些局限性。该方法类似于侧翼序列指数锚定 PCR(FLEA-PCR)37,但进一步简化:无需使用阻断性寡核苷酸来避免扩增逆转录病毒内部序列;这些内部序列可在后续的高通量测序(NGS)数据分析中去除。InSET 方法专为 NGS 应用设计,非常适合检测插入诱变细胞文库中的整合位点。该方法操作简便、易于使用,完成 NGS 文库制备约需九小时。
InSET 实验方案包含以下几个关键步骤:(1)线性扩增:使用生物素标记的引物扩增慢病毒整合位点。随后利用生...
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D.X. 受国家自然科学基金(32000441)、中国福建省自然科学基金(2023J01130)、华侨大学中央高校基本科研业务费专项资金(ZQN-924)和华侨大学科研基金(18BS205)资助。P.K. 受国家自然科学基金(32170619)、国家自然科学基金国际资深科学家研究基金(32150710525)和中国福建省自然科学基金(2020J02006)资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.5 M EDTA | Invitrogen | AM9260G | 用于配制结合/洗涤缓冲液 |
| 1 M Tris-HCl (pH 8.0) | Invitrogen | 15568025 | 用于配制结合/洗涤缓冲液 |
| 10× Klenow 片段缓冲液 | Takara | 2140A | |
| 10× Taq 缓冲液 | Tiangen | ET101-01-01 | |
| 5 M NaCl | Invitrogen | AM9659 | 用于配制结合/洗涤缓冲液 |
| BeaverBeads 链霉亲和素磁珠 | Beaver | 22307-1 | 1 μm |
| BEDTools | 软件,v2 | https://bedtools.readthedocs.io/en/latest/ | |
| BWA-MEM | 软件,v0.7.12 | ||
| dNTP 混合物 | Takara | 4030 | 每种 2.5 mM |
| Equalbit dsDNA HS 检测试剂盒 | Vazyme | EQ111-02 | |
| fastp | 软件 | ||
| HiSeq X Ten | Illumina | SY-412-1001 | Illumina 测序平台,外包给诺禾致源公司(北京) |
| Klenow 片段 | Takara | 2140A | |
| NovaSeq 6000 | Illumina | 20012850 | Illumina 测序平台,外包给诺禾致源公司(北京) |
| Qubit 3.0 荧光计 | ThermoFisher Scientific | Q33216 | |
| SICER | 软件,v1.1 | ||
| Taq DNA 聚合酶 | Tiangen | ET101-01-01 | |
| Tween-20 | HuShi | 30189328 | 用于配制结合/洗涤缓冲液 |
| UltraPure 去离子水 | Invitrogen | 10977015 | |
| VAHTS DNA 纯化磁珠 | Vazyme | N411-01 |
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