在这里,我们提出了一种用于执行大规模平行剪接测定 (MaPSy) 的详细方案,该方案采用微型基因构建体来系统地批量评估内含子变体。这种方法能够通过扩增子测序对细胞中变体诱导的剪接变化进行高通量分析,从而对其对前 mRNA 剪接的影响进行功能评估。
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在这里,我们提出了一种用于执行大规模平行剪接测定 (MaPSy) 的详细方案,该方案采用微型基因构建体来系统地批量评估内含子变体。这种方法能够通过扩增子测序对细胞中变体诱导的剪接变化进行高通量分析,从而对其对前 mRNA 剪接的影响进行功能评估。
剪接错误占导致罕见遗传性疾病的致病突变的 10-30%。RNA 剪接通过选择性地连接外显子和去除内含子来确保正确的基因表达,关键调控序列位于内含子内。5'剪接位点和分支位点与小核RNA相互作用形成剪接体的识别复合物,而聚嘧啶束和剪接增强子/沉默子等元件则招募蛋白质来调节剪接体组装。由于这些相互作用的复杂性,预测内含子变体的剪接中断具有挑战性。
内含子变异占人类天然基因变异的 90%,可能会破坏经典剪接并引起疾病。为了研究这种可能性,我们开发了一种大规模平行剪接测定 (MaPSy) 来评估患者鉴定的内含子变异。将合成的具有参考或变异序列的寡核苷酸连接到含有启动子和聚腺苷酸化信号的剪接小基因中。每个构建体包括两个恒定的外显子,位于中间外显子两侧,该外显子包含感兴趣的可变内含子-外显子连接序列。将变体序列的细胞剪接效率与参考对应物进行了比较,使我们能够将重大破坏识别为剪接变体。
MaPSy 的结果可以通过其他方法进行验证,例如小基因测定或 CRISPR 介导的 体内基因组编辑。此外,对断裂连接的聚集分析可以更深入地了解剪接机制和与剪接错误相关的疾病的分子基础。
RNA剪接是一个关键过程,它连接外显子进行翻译并去除内含子,促进RNA输出和维持核酸稳态。这种严格调节的机制以时间和空间方式运作,有助于转录组的多样性和复杂性1。剪接由关键信号引导,包括 5' 剪接位点 (5'ss)、分支位点和 3' 剪接位点 (3'ss),以及其他调节元件,例如分支位点下游的聚嘧啶束和 AG 二核苷酸排除区,有助于识别 3's2。从机制上讲,U1 小核 RNA (snRNA) 与 5'ss 配对,而分支位点与 U2 snRNA3 相互作用。分支位点、聚嘧啶束和3'ss的协调活性促进了U2小核蛋白(snRNPs)和U2辅助因子的结合,稳定了剪接体,定位了对5'ss的亲核攻击的分支点,从而启动了剪接。
随着测序技术的快速进步,全基因组测序的成本不断下降,导致人类遗传变异的目录不断扩大。据估计,罕见遗传性疾病中 10-30% 的疾病相关突变会影响 RNA 剪接 4,5,6,通常产生可作为治疗靶点的异常基因产物。然而,由于剪接信号的复杂性,评估内含子变体的功能影响仍然具有挑战性,剪接信号通常是冗余和简并的。虽然 5' 和 3' 剪接位点的特征相对较好,但分支位点、聚嘧啶束和其他剪接调节元件在高等真核生物中表现出相当大的序列和位置变异性。大规模映射研究进一步证明,单个内含子 7,8,9,10 内可以存在多个分支位点,这使得内含子-外显子边界变化的解释变得复杂。
深度学习已被用于评估一级序列如何促进剪接位点识别 4,11,12,揭示剪接变体聚集在规范剪接位点,同时稀疏地延伸到外显子和内含子的 3' 区域。这种模式符合既定的理解,即 5' 剪接位点选择主要由共有序列决定,而 3' 剪接位点识别取决于其他内含子元件,例如分支位点和聚嘧啶束。然而,现有模型经过训练,可以区分组成型剪接位点与替代或人工剪接位点,而不是专门关注内含子变体。因此,这些计算工具仅显示出中等的预测准确性,主要识别剪接位点和外显子剪接变体 13,14,15,16。除了预测模型之外,能够批量验证剪接变异的实验系统将显着增强剪接缺陷的识别和表征。
将疾病相关内含子变体与剪接表型联系起来的综合 RNA 测序数据仍然稀缺,因为它们的频率低且难以从现有数据集中预测剪接结果。为了解决这一差距,已经开发了高通量剪接测定和计算模型来系统地分析剪接变体。大规模平行剪接报告基因测定 (MaPSy) 旨在评估可变序列对剪接位点选择的影响。通过在 5' 和 3' 剪接位点附近或跨越固定小基因主链内的整个内含子-外显子区域合并序列变异,MaPSy 能够对剪接改变进行功能评估。然而,由于大量寡核苷酸合成的局限性,这种方法无法捕获深度内含子变体和假外显子激活。
MaPSy 的鲁棒性已使用 70 个独立的剪接小基因进行了验证,得出 0.8917 的 Pearson 相关性。值得注意的是,大约 90% 的剪接供体变体(+1 和 +2)表现出剪接缺陷,凸显了该测定的准确性。此外,具有随机分支位点序列的MaPSy揭示了分支位点识别的退化性质及其对U2核心蛋白的依赖18。此外,分裂 GFP MaPSy 设计与荧光激活细胞分选 (FACS) 相结合,已被用于研究由遗传变异引起的外显子跳跃事件。这种方法表明,54% 的剪接破坏变体存在于内含子区域,包括经典剪接位点13,强调了内含子元件在剪接调节中的重要作用。总的来说,这些发现强化了内含子序列在剪接控制中的重要性,并证明了MaPSy在识别疾病相关剪接缺陷方面的效用(图1)。

图1:近外显子内含子突变的大规模平行剪接测定(MaPSy)的实验设计。 收集人类疾病数据库中记录的变异并合成为 5,307 对寡核苷酸。每个寡核苷酸对都包含一个参考和一个跨越 78 核苷酸 (nt) 内含子和 35-nt 外显子区域的变异等位基因。寡核苷酸的两侧是用于扩增和连接成 3 外显子剪接小基因的共同引发位点。因此,合成区域包括小基因的第二个外显子的3'ss。小基因组装后,将混合的小基因剪接到人胚胎肾 (HEK293T) 细胞中。收获所得剪接的亚型并通过扩增子测序进行分离。该图已经 Chiang 等人许可改编 17。 请点击此处查看此图的大图。
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1. MaPSy寡核苷酸(寡核苷酸)文库的合成

图 2:MaPSy 的寡核苷酸和剪接小基因设计。(A) 内含子 3' 或 5' 端的混合寡核苷酸合成设计。这些图说明了 155-nt 寡核苷酸的基本结构。寡核苷酸合成的实际产能取决于选择生产的公司。 (B) MaPSy小基因的设计。从pGint质粒(i)修饰三外显子小基因(ii),剪接位点被混合寡核苷酸取代,引入剪接信号变异(iii)。 请点击此处查看此图的大图。
2. MaPSy文库DNA模板的构建

图3:文库构建的工作流程。(A) 重叠PCR中使用的引物(另见 表1)。 (B) 重叠PCR的程序。简而言之,寡核苷酸库和剪接小基因的其他部分通过 25 个 PCR 循环扩增。通过使用 20 个扩增循环重叠 PCR,将含有启动子和第一个外显子(PCR 产物 1)的片段缝合到寡核苷酸池(PCR 产物 2)上。然后,使用20个扩增循环将缝合的产物(PCR产物1+2)进一步缝合到含有第3个 外显子和聚腺苷酸化信号(PCR产物3)的片段上,以获得最终构建体(PCR产物1+2+3)。该图已经 Chiang 等人许可改编 17。 请点击此处查看此图的大图。
| MaPSy文库引物的构建 | 注意 | |
| CMVGFPF | CCGCCATGCATTAGTTATTAATAG | PCR产物1 |
| LibR2 | CAGGTCTTCAGGCCCCAGCC | PCR产物1 |
| LibF | GGCTGGGGCCTGAAGACCTG | PCR产物2 |
| 图书馆 | AAGGCGCACATGACCCCGGG | PCR产物2 |
| LibF2 | CCCGGGGTCATGTGCGCCTT | PCR产物3 |
| CMVGFPR | GGACAAACCACAACTAGAATGC | PCR产物3 |
| 用于扩增子测序的 MaPSy 文库 PCR 引物 | ||
| P7-Lib0F | GTCTCGTGGGCTCGGAGATGTGTATAAGAGACAGAAGTTCAGCGTGTCCGGCGA | |
| P7-Lib1F | GTCTCGTGGGCTCGGAGATGTGTATAAGAGACAGNAAGTTCAGCGTGTCCGGCGA | |
| P7-Lib2F | GTCTCGTGGGCTCGGAGATGTGTATAAGAGACAGNNAAGTTCAGCGTGTCCGGCGA | |
| P7-Lib3F | GTCTCGTGGGCTCGGAGATGTGTATAAGAGACAGNNNAAGTTCAGCGTGTCCGGCGA | |
| P5-Lib0RI | TCGTCGGCAGCGTCAGATGTGTATAAGAGACAGCGAAGGCTCCTGTCTCTGTAGT | |
| P5-Lib1RI | TCGTCGGCAGCGTCAGATGTGTGTATAAGAGACAGNCGAAGGCTCCTGTCTCTGTAGT | |
| P5-Lib2RI | TCGTCGGCAGCGTCAGATGTGTATAAGAGACAGNNCGAAGGCTCCTGTCTCTGTAGT | |
| P5-Lib3RI | TCGTCGGCAGCGTCAGATGTGTataagagacagnnncgaaggctcctgtctctgtagt | |
| 验证入门 | ||
| Lib0F(库验证) | AAGTTCAGCGTGTCCGGCGA | |
| Lib0R(库验证) | CAGCTTGCCGTAGGTGGCAT | |
表1:本协议中使用的引物。
| PCR反应混合物 | |
| 组件 | 卷 |
| ddH2O | 13.4 微升 |
| 5x HF 缓冲液 | 4 μL |
| 10 mM dNTP | 0.4 微升 |
| 正向引物 10 μM | 0.5 μL |
| 反向引物 10 μM | 0.5 μL |
| cDNA | 1 μL |
| 高保真 DNA 聚合酶 | 0.2 微升 |
| 运行 PCR 程序(20 μL 反应) | |||
| 临时 | 时间 | 周期 | |
| 初始变性 | 98°C | 1分钟 | 1 |
| 变性 | 98°C | 30 秒 | 10–20 |
| 退火 | 65°C | 30 秒 | |
| 外延 | 72°C | 30 秒 | 返回变性 |
| 最终扩展 | 72°C | 5 分钟 | 1 |
| 拿 | 4°C | 拿 | 拿 |
表 2:热循环仪设置。
3. 哺乳动物细胞剪接小基因的表达和回收
4. 扩增子测序和分析
| 读 | 拼接 | 未拼接和/或非规范 |
| 参考 | 一个 | b |
| 变体 | c | d |
表 3:Fisher 精确检验的二乘二表。
5. 验证
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在MaPSy构建体的细胞剪接之后,剪接和未剪接的产物都以混合物的形式存在。由于文库的大小多样性和非经典剪接的潜力,两种类型的产物在凝胶上可能显得有些弥散。在靶向3'端的构建体中,包含部分腺病毒序列的第二个内含子倾向于非常稳健地剪接(图4A)。
在MaPSy实验中,大约10-30%的疾病相关变异表现出剪接改变,大多数重要病例显示典型剪接效率降低(图4B)。尽管非经典剪接可能会适度改变剪接变体池,但在分析中包括这些事件对于识别在剪接位点竞争框架内促进非典型剪接位点的变体至关重要(图4C)。先前的一项研究表明,选择 3 的 ss 对邻近区域突变的竞争特别敏感17。
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MaPSy 构建体中的固有 EGFP 信号能够对外显子跳跃进行基于荧光的检测。如果中间外显子或内含子中的序列促进外显子跳跃,则第一个和第三个外显子的连接会产生FACS可检测到的EGFP信号,使其成为识别影响外显子跳跃的变体和促进剪接变体的基于显微镜可视化的宝贵方法13。然而,本文描述的扩增子测序方法不能捕获外显子跳跃产物,因为它们缺乏文库信息,因此不会对它们进行测序。因此,我们的方法不能直接识别诱导外显子跳跃的变体。然而,根据之前的分析,减少经典剪接的变体通常会触发多个非经典剪接事件,包括非经典剪接位点的使用和外显子跳跃17,27。因此,即使不检测外显子跳跃事件,我们的扩增子测序方法也能可靠地识别剪接变体。
与基于FACS的检测相比,扩增子测序在识别非经典剪接位点使用方面更加稳健。基于FACS的测定依赖于中间外显子包涵来破坏EGFP阅读框,使它们对剪接...
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作者声明没有利益冲突。
本研究的经费由中央研究院大挑战种子基金(AS-CDA-108-M03、AS-PH-109-01-3 和 AS-GCS-113-L03)、台湾国立卫生研究院职业发展奖(NHRI-EX112-10908BC)和国家科学技术委员会优秀青年学者研究资助和吴大佑纪念奖提供资助。 台湾(MOST 112-2628-B-001-009-MY3 和 108-2118-M-001-013-MY5)。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Direct-zol RNA MiniPrep Plus 试剂盒 | Zymo研究 | R2072 | |
| 杜尔贝科's 改装鹰's 培养基 (DMEM) | 赛默飞世尔科技 | 11965084 | |
| 胎牛血清 (FBS) | 赛默飞世尔科技 | 26140079 | |
| L-谷氨酰胺 | 赛默飞世尔科技 | A2916801 | |
| 脂外毒素 3000 | 赛默飞世尔科技 | L3000015 | |
| 青霉素-链霉素 | 赛默飞世尔科技 | 15140122 | |
| pGint质粒 | 阿德基因 | 24217 | |
| Phusion 高保真 DNA 聚合酶 | 赛默飞世尔科技 | F530L | |
| QIAquick 凝胶提取试剂盒 | 洽根 | 28706 | |
| QIAquick PCR纯化试剂盒 | 洽根 | 28106 | |
| QIAxcel DNA 筛选试剂盒 (2400) | 洽根 | 929004 | |
| SuperScript IV 逆转录酶 | 赛默飞世尔科技 | 18090010 |
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