超並列DNAシーケンシング技術に基づくゲノムアセンブリは、通常、高度に断片化されています。物理的な染色体マップの開発は、ゲノムアセンブリを改善できる可能性があります。本研究では、物理マップ開発のスループットを大幅に向上させる、染色体調製、蛍光in situハイブリダイゼーション、およびイメージングへの革新的なアプローチを実証します。
超並列DNAシーケンシング技術に基づくゲノムアセンブリは、通常、高度に断片化されています。物理的な染色体マップの開発は、ゲノムアセンブリを改善できる可能性があります。本研究では、物理マップ開発のスループットを大幅に向上させる、染色体調製、蛍光in situハイブリダイゼーション、およびイメージングへの革新的なアプローチを実証します。
10,000種の脊椎動物1および5,000種の昆虫および関連節足動物2の全ゲノム配列を解読するプロジェクトが、今後5年間にわたって実施される見込みです。例えば、15種のマラリア蚊のゲノム配列決定が、現在Illuminaプラットフォームを用いて行われています3,4。このAnopheles属の種群には、マラリアの媒介種と非媒介種の両方が含まれています。ゲノムアセンブリが利用可能になれば、研究者は媒介能力に関連する進化的な変化を推論するための比較解析を行うという、類まれな機会を得ることになります。しかし、次世代シーケンシングのリードを用いて高品質なde novoゲノムアセンブリを構築することは困難であることが判明しています5。さらに、Anopheles gambiaeの既存のゲノムアセンブリは、サンガー法を用いて得られたものであるものの、ギャップが存在するか断片化しています4,6。
比較ゲノム解析の成否は、研究者が染色体ベースのゲノムアセンブリではなく、多数のシーケンシングコンティグを扱うかどうかに左右されます。断片化されマッピングされていない配列は、ゲノム解析において以下の問題を引き起こします。(i) 未確認のギャップにより、ゲノム配列のアノテーションが不正確または不完全になる。(ii) マッピングされていない配列により、パラログ遺伝子と異なるハプロタイプ由来の遺伝子の区別がつかなくなる。(iii) シーケンシングコンティグの染色体への割り当てや方向性が不明であるため、再編成の系統樹の再構築や染色体進化の研究ができない。新しくゲノムが解読された種に対して高解像度の物理地図を構築することは、適時かつ費用対効果の高い投資であり、ゲノムアノテーション、進化解析、および天然集団における個々のゲノムの再シーケンシングを促進します7,8。
ここでは、物理地図の迅速な作成を可能にする、染色体調製、蛍光in situハイブリダイゼーション(FISH)、およびイメージングへの革新的なアプローチを紹介します。An. gambiaeを例として、物理的な染色体地図の作成がゲノムアセンブリを改善し、その結果、ゲノム解析の質を向上させ得ることを実証します。まず、高圧法を用いて多糸染色体のスプレッドを調製します。もともとDrosophila向けに開発されたこの手法9により、通常の押し潰し法10よりも染色体の詳細な可視化が可能になります。次に、ハイスループットな物理ゲノムマッピングのために、完全に自動化されたFISH用フロントエンドシステムを使用します。この自動スライド染色システムは、複数のアッセイを同時に実行し、手作業による時間を大幅に短縮します11。第三に、電動スライドステージを備えた自動蛍光イメージングシステムを用いて、FISH後のラベル化された染色体を自動的にスキャンし、撮影します12。このシステムは、同一スライド上の複数の染色体プレートを同定し、可視化するのに特に有用です。さらに、スキャンプロセスによって、より均一なFISH結果を得ることができます。全体として、この自動ハイスループット物理マッピングプロトコルは、標準的な手動プロトコルよりも効率的です。
1. 卵巣栄養細胞からの高圧ポリテン染色体標本作製
2. 自動スライド染色システムを用いたFISH法
プローブの標識を除き、Xmatrx自動スライド染色システムを用いて、以下のステップを実行するようにプログラムを設定します。詳細なニックトランスレーション標識プロトコルについては、Fermentas社のDNA polymeraseに付属の説明書に記載されています。
3. 自動蛍光イメージングシステムによるスライドの読み取り
このセクションでは、ACCORD PLUS自動スキャニングシステムに標準搭載されているDuetソフトウェアの使用方法について詳述します。手順は、以下の順で電源を入れた後に開始してください:ハロゲンランプ用電源 Olympus U-RFL-T、コンピュータ Dell precision T3500、およびカメラ Olympus U-CMAD3を接続した顕微鏡 Olympus BX61。
4. 代表的な結果
図1は、高圧染色体標本作成の概略図である。この工程には、Dremelツールとメカニカルバイスを用いた染色体の押しつぶしおよび平坦化プロセスと、位相差顕微鏡を用いた染色体の視覚化が含まれる。図2は、自動スライド染色システムを用いた染色体スライド標本上の標的DNAへの蛍光標識プローブのハイブリダイゼーション、FISH実験後のプローブの視覚化およびマッピングのための自動スキャン顕微鏡の使用、ならびに染色体へのゲノムスキャホールドの配置と方向付けを示している。
An. gambiaeの雌の卵巣栄養細胞から多染体染色体を調製するため、高圧法を用いた。この手法では、染色体構造の大部分に損傷や変化を与えない(図 3)。また、曲がった染色体を平坦化するため、通常の標本では見られない隠れた微細帯を明らかにすることができる(図 4)。
本プロトコルで使用したプローブは、An. gambiae PEST系統のDNAから作製されたND-TAM BACライブラリーから得られたゲノムBAC DNAクローンである。このライブラリー用のゲノムDNAは、雌雄両方の孵化したばかりの1齢幼虫から抽出した。 Figure 5は、An. gambiaeの多糸染色体にハイブリダイズさせたBACクローンを用いたFISHの結果を示している。この手順は、Xmatrx自動スライド染色システムを用いて実施した。An. gambiaeの細胞遺伝学的フォトマップ10を用いて、2つのBACクローン、102B24(GenBank: BH372701, BH372694)およびBAC 142O19(GenBank: BH368703, BH368698)は、それぞれ2R腕の区分16Cおよび16Dに局在していた。しかし、An. gambiae PEST系統のAgamP3アセンブリ14に対するBLAST検索では、102B24および142O19に相同な配列は、それぞれ2R腕の区分16Bおよび17Aで特定された(Table 1)。したがって、ゲノム座標と細胞遺伝学的区分の対応関係を、我々のマッピングデータに基づいて調整することが可能となった。An. gambiae M型およびS型のゲノムアセンブリに対するBLAST検索の結果、これら2つのBACクローンは、各型において異なるコンティグにあるが、同一のスキャフォールド内に位置していることが分かった(Table 1)。これにより、特定されたコンティグを特定の染色体位置に関連付けることができる。さらに、特定されたスキャフォールドを細胞学的区分16CD内で適切に方向付けることができる。興味深いことに、スキャフォールドにおける102B24と142O19の配列間の距離は、PEST系統、M型、S型のゲノムアセンブリにおいて、それぞれ1,892,981 bp、1,658,391 bp、1,688,426 bpであった。PEST系統はM型とS型のハイブリッドであるため、この差はPESTゲノムのアセンブリミスに起因する可能性が高い。
| BAC (アクセッション番号) | PEST系統 AgamP3 座標 | M-form コンティグ 座標 | M-form スキャフォールド 座標 | S-form コンティグ 座標 | S-form スキャフォールド 座標 |
| 102B24 (BH372694) | 2R:AAAB0100 8844_26 (16B) 43,681,342- 43,681,874 | ABKP020247 53.1 32,513- 33,045 | EQ090167.1 1,858,377- 1,858,909 | ABKQ010123 32.1 4,299- 4,832 | EQ099711.1 215,891- 216,424 |
| 102B24 (BH372701) | 2R:AAAB0100 8844_28 (16B) 43,788,213- 43,788,969 | ABKP020247 51.1 24,816- 25,575 | EQ090167.1, 1,772,683- 1,773,442 | ABKQ010123 35.1 27,782- 28,540 | EQ099711.1, 305,514- 306,272 |
| 142O19 (BH368698) | 2R:AAAB0100 8805_5 (17A) 45,428,580- 45,429,264 | ABKP020247 01.1 2,499- 3,185 | EQ090167.1 315,806- 316,492 | ABKQ010123 76.1 49,242- 49,942 | EQ099711.1 1,791,625- 1,792,325 |
| 142O19 (BH368703) | 2R:AAAB0100 8805_8 (17A) 45,560,099- 45,574,323 | ABKP020220 17.1 30,971- 32,469 | EQ090167.1 200,518- 202,016 | ABKQ010123 79.1 27,760- 28,508 | EQ099711.1 1,903,569- 1,904,317 |
表 1. An. gambiae のゲノムアセンブリに対するBAC末端配列のBLAST検索結果。

図 1. 高圧染色体標本作製の概略図。適切な発生段階にある蚊の卵巣が示されている。

図 2. 自動FISH、スライドスキャニング、およびゲノムスキャフォールドの染色体マッピングを示す概略図。

図3. 高圧法を用いて得られた An. gambiae のポリテン染色体3の展開図。3Lおよび3Rは、それぞれ左腕と右腕のテロメアを示す。PHおよびIHは、それぞれ中心節近傍ヘテロクロマチン(pericentric heterochromatin)と間在ヘテロクロマチン(intercalary heterochromatin)を示す。

図 4. 従来の手法(上)と高圧手法(下)を用いて調製したAn. gambiaeの多糸染色体の比較。画像は、3R腕の29A-30E(A)および3L腕の43D-46D(B)の区分を示している。

図 5. An. gambiaeの多糸染色体に対するBACクローンのFISH。A) 2R腕における102B24(赤色信号)のハイブリダイゼーション。B) 伸展させた2R腕の分節16Cおよび16Dに対する、102B24(赤色信号)および142O19(青色信号)のデュアルカラーFISH。矢印は、Cy3(赤)およびCy5(青)で標識したBACクローンのハイブリダイゼーション信号を示す。Cは中心体領域。a/+はヘテロ接合体2La逆位を示す。染色体は蛍光色素YOYO-1で対比染色した。
高圧法の最も重要なステップは、卵巣発達のChristophers' III stage13で単離された卵巣栄養細胞を適切に潰す(スクワッシングする)ことです。適切に潰せていない場合、染色体が十分に伸展せず、FISH後のプローブ位置の特定に支障をきたす可能性があります。一方で、潰しすぎると、染色体が断裂したり、バンドパターンが消失するほど伸長したりすることがあります。Dremelツールを用いて複数のスライドを作成することで、潰し方の習熟による一貫性が得られ、全体的なスライド作成効率が向上します。この高圧法は、もともとD. melanogasterの新鮮に単離した唾液腺のために開発された手法です9。しかし、蚊の卵巣は通常、染色体標本作製に使用される前に、修正Carnoy固定液(メタノール:氷酢酸=3:1 体積比)で保存されています。そのため、私たちは既存の高圧プロトコルを修正し、マラリア蚊An. gambiaeの固定された卵巣栄養細胞の多糸染色体に適合させました。高精度バイスを用いてスライド全体に高度に平行な作業面から高圧をかけるため、鉛筆の消しゴムを用いた従来のタッピング法よりも、染色体標本の作製時間を大幅に短縮できます。
その他の重要な手順として、毛包を50%プロピオン酸に十分に浸漬させること、およびスライドを加熱することが挙げられます。これらの手順はいずれも、染色体を平坦化させるために不可欠です。これらの工程を怠ると、脱水後に染色体が光沢を帯びることがあり、その結果、FISHにおいてシグナルと誤認されかねない過剰な背景(バックグラウンド)が生じる可能性があります。この高圧圧砕法は、同様の溶液を用いて有糸分裂染色体の調製を行う際にも有効です。さらなる伸展と平坦化により、核から染色体をより適切に露出させることができます。均等に圧力をかけることで染色体が適切に平坦化され、計測が可能となり、染色によって可視化されるバンドの解像度も向上する可能性があります。蚊から有糸分裂染色体を単離する方法についての詳細は、別の文献15に記載されています。通常の圧砕調製でも、FISH 16や免疫染色17を含む多くの目的に十分ですが、高圧法を用いることで、スライド間のばらつきを抑えられるだけでなく、染色体全体の品質が向上し、染色体マッピングにおいてより詳細な情報を得ることができます。また、この手順は、レーザーキャプチャーマイクロダイセクション用の多糸染色体メンブレンスライドの調製にも利用可能です。
高圧法の制限事項としては、スライドの破損や染色体の過伸展が挙げられます。バイスでスライドに過剰な負荷をかけることでスライドが破損する可能性がありますが、本記事に記載された圧力を用いることでこれを抑制できます。染色体の過伸展については、ドレメルツールを長時間スライドに適用すると、染色体が伸びすぎて解像度が低下する可能性があります。これは、ツールを短時間だけ適用し、顕微鏡下で確認した後、染色体の広がりが不十分な場合にのみ再度ドレメルツールを適用することで解消できます。
従来のFISHプロトコールには、通常5〜20分間行われる洗浄およびインキュベーション工程が多数含まれており、実験期間中のほぼ全行程において研究者の細心の注意が必要となります。さらに、手動で処理できるスライドの枚数は、通常、1回の実験につき数枚に制限されます。対照的に、自動スライド染色システムは、すべての工程(洗浄、インキュベーション、プローブ塗布、変性、ハイブリダイゼーション、カバーガラスの貼付および除去を含む)を自動的に実行します。これにより、FISH実験において研究者は最大6〜8時間の作業時間を削減できます。さらに、自動FISHシステムはスループットを大幅に向上させることが可能です。例えば、Xmatrxシステムでは、シングルプレパレーションスライドで最大40アッセイ、デュアルプレパレーションスライドで最大80アッセイを同時に処理できます。本システムの制限としては、大量の溶液を調製する必要があるため、少数のFISH実験を行う場合には効率的ではないことが挙げられます。加えて、システムにプログラムされたFISHプロトコールを新しいアプリケーションに適用する場合、修正や調整が必要になる場合があります。
スライドスキャニングシステムは、蛍光顕微鏡を自動化したものです。ステージ移動の自動化とシンプルな顕微鏡コントロールパネルにより、研究者の時間は節約され、顕微鏡の操作は極めて簡単になります。例えば、ACCORD PLUSスキャニングシステムのソフトウェアでは、複数の蛍光チャネルの容易なキャプチャと、管理しやすい画像取得が可能です。その一例として、単一の画像を撮影するのではなく、z-stackキャプチャ機能が搭載されています。このソフトウェアは、設定可能なz-stack画像をキャプチャすることで、少なくとも1枚の画像がピントが合った状態であることを保証します。このシステムは、主に大量の画像取得(1枚のスライド上の多数の細胞)向けに作られていますが、手動でスライドを操作するよりも、スライド上の染色体をはるかに簡単に見つけることができます。
自動スライド染色システムとスキャンニングシステムの両者は、細胞遺伝学クリニックによるヒト細胞の染色体異常のFISH診断に日常的に用いられています。本研究では、これらの自動化システムを基礎研究用途に活用するプロトコルを開発しました。この自動ハイスループット物理地図作成プロトコルにより、あらゆる対象種の物理的染色体地図を迅速に構築することが可能になります。なお、本報告では物理地図作成に多染染色体を使用しましたが、これらのシステムには有糸分裂染色体も利用可能です。大半の生物は判読可能な多染染色体を形成しないため、本プロトコルを有糸分裂染色体に適応させることは有用であると考えられます。しかし、利用可能な場合は、多染染色体を用いることで、機能的ゲノム領域と染色体構造との対応関係について、最高解像度で有用な情報を得ることができます。バンドやインターバンドのパターンなどの多染染色体の組織化原理は、最近では通常の非多染(間期)染色体のそれと同様であると言われています18。したがって、高圧染色体標本を用いて詳細な物理地図を作成すれば、DNA配列をバンド、インターバンド、パフ、セントロメア、テロメア、ヘテロクロマチンなどの特定の染色体構造に結びつけることができ、染色体ベースのゲノムアセンブリを構築できる可能性があります。
申告すべき利益相反はありません。
本研究は、National Institutes of Healthからの助成金1R21AI094289(Igor V. Sharakhov宛)による支援を受けて行われました。Xmatrx 自動スライド染色システムおよびACCORD PLUS 自動スキャニングシステムは、Virginia TechのFralin Life Science Institute、昆虫学部および生化学学部のEquipment Trust Fundプログラムの支援により購入されました。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 22x22 mm 顕微鏡用カバーガラス | Fisher | 12-544-10 | |
| 18x18 mm 顕微鏡用カバーガラス | Fisher | 12-553-402 | |
| 酢酸 | Fisher | A491-212 | |
| メタノール | Fisher | A412-4 | |
| プロピオン酸 | Sigma-Aldrich | 402907 | |
| フレックスシャフトアタッチメント付き Dremel 200 ロータリーツール | Rand | 3" 多目的ミニベンチグラインダー(速度制限機能付き) | |
| Dremelツール用特別設計 200 μl プラスチックチップ(プラスチックエッジ付きビーズ状) | Pipetman | F171300 | ピペットチップの先端部分をカットし、加熱する |
| 錫コーティング・ラピッドバイス | Avenger Gold Toolmaker | MTC-200-1 | 直角度および平行度の精密研磨精度 0.00025 以内 |
| トルクレンチ | Craftsman | 44593 | |
| ThermoBrite スライド変性・ハイブリダイゼーションシステム | Abbott Molecular | 30-144110 | |
| 25 mm バリアスライド | Abbott Molecular | XT108-SL | |
| 25 mm カバーガラス | Abbott Molecular | XT122-90X | |
| Xmatrx 自動スライド染色システム | Abbott Molecular | 08L46-001 | |
| MZ6 Leica 実体顕微鏡 | Leica | VA-OM-E194-354 | 別の実体顕微鏡を使用可能 |
| Olympus CX41 位相差顕微鏡 | Olympus | CX41RF-5 | 別の位相差顕微鏡を使用可能 |
| ACCORD PLUS 自動スキャンシステム | BioView (USA) | BV-5000-ACCP | |
| 10x PBS | Invitrogen | P5493 | |
| 10% NBF(中性緩衝ホルマリン) | Sigma-Aldrich | HT501128 | |
| 99% ホルムアミド | Fisher Scientific | BP227500 | |
| デキストラン硫酸ナトリウム | Sigma | D8906 | |
| 20x SSCバッファー | Invitrogen | AM9765 | |
| リン酸ナトリウム | Sigma-Aldrich | S3264 | |
| 50x Denhardt液 | Sigma-Aldrich | D2532 | |
| アジ化ナトリウム | Sigma-Aldrich | S2002 | |
| 1 mM YOYO-1 ヨウ化物 (491/509) DMSO溶液 | Invitrogen | Y3601 | |
| ProLong Gold 退色防止剤 | Invitrogen | P36930 | |
| dATP, dCTP, dGTP, dTTP | Fermentas | R0141, R0151, R0161, R0171 | |
| Cy3-dUTP, Cy5-dUTP | GE Healthcare | PA53022, PA55022 | |
| BSA | Sigma | A3294 | |
| DNAポリメラーゼ I | Fermentas | EP0041 | |
| DNase I | Fermentas | EN0521 |