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、非常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する可能性があります。ここでは、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に対する革新的なアプローチを示し、物理マップ開発のスループットを大幅に向上させます。
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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、非常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する可能性があります。ここでは、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に対する革新的なアプローチを示し、物理マップ開発のスループットを大幅に向上させます。
今後5年間で、脊椎動物10,000種1と昆虫および節足動物2500種の全ゲノム配列を取得するプロジェクトが予定されています。例えば、15種のマラリア蚊のゲノムのシーケンシングは、現在、Illuminaプラットフォーム3,4を用いて行われている。このハマダラカの種群には、マラリアの媒介生物と非媒介生物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ると、研究者はベクター能力に関連する進化的変化を推測するための比較分析を行うユニークな機会を得ることができます。しかし、次世代シーケンシングリードを使用して高品質のde novoゲノムアセンブリを生成することは困難であることが証明されています5。さらに、ハマダラカの既存のゲノムアセンブリは、サンガー法を使用して取得されましたが、ギャップまたは断片化されています4,6。
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場合、比較ゲノム解析の成功は限定的になります。断片化されたマッピングされていない配列は、次の理由でゲノム解析に問題を引き起こします:(i)未同定のギャップは、ゲノム配列の不正確または不完全なアノテーションを引き起こします。(ii)マッピングされていない配列は、パラロガス遺伝子と異なるハプロタイプ由来の遺伝子との間に混乱をもたらす。(iii)染色体の割り当てとシーケンシングコンティグの配向の欠如は、再配列の系統発生を再構築し、染色体の進化を研究することを可能にしません。新たに配列決定されたゲノムを持つ種の高解像度物理マップを開発することは、ゲノムアノテーション、進化解析、および自然集団からの個々のゲノムの再配列決定を容易にするタイムリーで費用対効果の高い投資です7,8。
ここでは、染色体調製、蛍光in situハイブリダイゼーション(FISH)、および物理マップの迅速な開発を促進する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を例にとると、物理的な染色体マップの発達がゲノムアセンブリを改善し、ひいてはゲノム解析の質を向上させる可能性があることを示しています。まず、高圧法を用いてポリテン染色体スプレッドを作製します。この方法は、もともとショウジョウバエ9のために開発されたもので、通常のスカッシュ技術10よりも染色体の詳細を視覚化することができます。次に、FISH用の完全に自動化されたフロントエンドシステムが、ハイスループットの物理ゲノムマッピングに使用されます。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、ハンズオン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含む自動蛍光イメージングシステムは、FISH12の後に標識された染色体を自動的にスキャンして撮影します。このシステムは、同じ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り、より均一なFISH結果がキャプチャされます。全体として、自動化されたハイスループットの物理マッピングプロトコルは、標準の手動プロトコルよりも効率的です。
1. 卵巣看護師細胞からの高圧ポリテン染色体調製
2. 自動スライド染色システムを使用したFISH
プログラムは、Xmatrx自動スライド染色システムを使用して、プローブのラベリング以外の次の手順を実行するように設定されています。詳細なニックトランスレーションラベリングプロトコルは、FermentasのDNAポリメラーゼに付属のドキュメントに記載されています。
3. 蛍光自動イメージングシステムによるスライド読み取り
このセクションでは、ACCORD PLUS自動スキャンシステムに標準装備されているDuetソフトウェアの使用について詳しく説明します。電源を入れた後、ハロゲン電球用のオリンパスU-RFL-T電源、コンピューターのDell精密T3500、カメラが接続された顕微鏡オリンパスBX61オリンパスU-CMAD3の順に指示が始まります。
4. 代表的な結果
図1は、高圧染色体調製のスキームをグラフィカルに示しています。このステップには、Dremelツールとメカニカルバイスを使用した染色体の圧縮と平坦化のプロセス、および位相差顕微鏡を使用した染色体の可視化が含まれます。図2は、自動スライド染色システムを使用して染色体スライド調製物上のDNAを標的とする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とマッピングのための自動走査顕微鏡の使用、および染色体上のゲノムスキャフォールドの配置と配向を示しています。
An. gambiaeの雌からの卵巣看護師細胞ポリテン染色体の調製は、高圧技術を使用して行われました。この方法では、染色体構造のほとんどを損傷したり変化させたりすることはありません(図3)。曲がった染色体を平らにするため、通常の調製物では見られない隠れた細かいバンドが明らかになります(図4)。
このプロトコルで使用されるプローブは、An. gambiae PEST株DNAから生成されたND-TAM BACライブラリーから得られたゲノムBAC DNAクローンです。このライブラリーのゲノムDNAは、新たに孵化した雌雄の初齢幼虫から抽出しました。図5は、AN. gambiaeのポリテン染色体にハイブリダイズしたBACクローンを使用したFISHの結果を示しています。この手順は、Xmatrx自動スライド染色システムを使用して行いました。An. gambiae10の細胞遺伝学的フォトマップを用いて、2つのBACクローン、102B24(GenBank:BH372701、BH372694)およびBAC 142O19(GenBank:BH368703、BH368698)を、それぞれ2Rアームのサブディビジョン16Cおよび16Dに局在させた。しかし、An. gambiae PEST株AgamP3アセンブリ14に対するBLAST探索により、2Rアームのサブディビジョン16Bおよび17Aでそれぞれ102B24および142O19と相同な配列が同定されました(表1)。したがって、ゲノム座標と細胞遺伝学的細分化との間の対応は、マッピングデータに従って調整できるようになりました。An. gambiaeのM型およびS型のゲノムアセンブリに対するBLAST検索により、2つのBACクローンは異なるコンティグに位置しているが、各フォーム内の同じ足場に位置していることがわかりました(表1)。同定されたコンティグは、特定の染色体位置に関連付けられるようになりました。さらに、同定された足場は、今や細胞学的細分化16CD内で適切に配向することができる。興味深いことに、足場の102B24配列と142O19配列の間の距離は、PEST株、M型、S型ゲノムアセンブリでそれぞれ1,892,981 bp、1,658,391 bp、および1,688,426 bpです。PEST株はM型とS型のハイブリッドであるため、この違いはPESTゲノムの誤ったアセンブリによるものと考えられます。
千株 千株 千株 千株 千株 の 千株 千株 千株 千株 の 千株 千株 千株 千株 千株 千株 千株 千株 千株| BAC (加盟) | PEST株 AgamP3 座標 | M-フォーム contigs 座標 | M-フォーム スキャフォールド 座標 | Sフォーム contigs 座標 | Sフォーム 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のゲノム集合体に対するBAC末端配列のBLAST結果。

図 1. 高圧染色体調製の概略図。蚊の卵巣は、発達の正しい段階で示されています。

図 2. 自動FISH、スライドスキャン、およびゲノムスキャフォールドの染色体マッピングを表すスキーム。

図 3. 高圧技術を使用して得られたAn.gambiaeのポリテン染色体3の広がり。3Lと3Rは、左右の腕のテロメアをマークします。PHとIHは、それぞれペリセントリックヘテロクロマチンとインターカラリーヘテロクロマチンを示します。

図 4. 従来の技術(上)と高圧(下)の技術を使用して調製されたAn.gambiaeポリテン染色体の比較。画像は、アーム3R(A)のサブディビジョン29A-30Eとアーム3L(B)の43D-46Dをカバーしています。

図 5. BACクローンの魚からAn.gambiaeのポリテン染色体へ。A) 102B24(赤色信号)と2Rアームのハイブリダイゼーション。B)102B24(赤信号)と142O19(青信号)のデュアルカラーFISHを、それぞれ伸ばした2Rアームのサブディビジョン16Cと16Dに。矢印は、Cy3(赤)とCy5(青)で標識されたBACクローンのハイブリダイゼーションのシグナルを示しています。C-セントロメア領域。a/+はヘテロ接合体2Laの反転を示しています。染色体は、蛍光色素YOYO-1で対比染色しました。
高圧処置の最も重要なステップは、卵巣発育のクリストファーズIII段階で単離された卵巣看護細胞を適切に押しつぶすことです13。不適切な押しつぶしは染色体の不十分な広がりにつながる可能性があり、FISH後にプローブの位置を特定しようとするときに問題を引き起こす可能性があります。染色体が過度に押しつぶされると、縞模様が失われるほど染色体が壊れたり伸びたりする可能性があります。複数のスライドを作成すると、Dremel ツールを使用してスライドを押しつぶそうとするときに一貫性が得られ、スライド全体の生産効率が向上します。高圧技術は、新たに分離された唾液腺用に最初に開発されました D. melanogaster9。しかし、蚊の卵巣は、染色体調製に使用される前に、修飾カルノイ固定液(3メタノール:1体積の氷酢酸)で日常的に保存されます。そこで、既存の高圧プロトコルを修正して、マラリア蚊の固定卵巣看護師細胞ポリテン染色体に適したものにしました ガン ビア。スライド全体の作業面が非常に平行な精密万力を使用して高圧が加えられるため、鉛筆の消しゴムを使用した従来のタッピング技術を使用するよりも、染色体カボチャの準備にかかる時間が大幅に短縮されます。
その他の重要な手順には、卵胞を50%プロピオン酸に十分に浸し、スライドを加熱することが含まれます。これらのステップは両方とも、染色体を平らにするために不可欠です。これらを無視すると、脱水後に染色体が光沢を持って見える可能性があり、FISHのシグナルと間違われる可能性のある過剰なバックグラウンドにつながる可能性があります。高圧押しつぶし技術は、有糸分裂染色体調製を行うときに同じ溶液を使用してもうまく機能します。追加の広がりと平坦化は、核から染色体をよりよく発現するのに役立ちます。均等な圧力を加えると、それに応じてそれらを平らにして、測定が可能になり、染色から見えるバンドの解像度が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の詳細は、他の場所で示されています15。通常のスカッシュ製剤は、FISH 16 や免疫染色17などの多くの目的に十分ですが、高圧法は、あるスライドから次のスライドへの潜在的な分散を低減するだけでなく、染色体全体の質を向上させ、染色体をマッピングする際の詳細につながります。この手順は、レーザーキャプチャマイクロダイセクション用のポリテン染色体膜スライドの調製にも使用できます。
高圧法の制限には、スライドの破損と染色体の過度の伸張が含まれます。万力を介してスライドに過度のストレスをかけることによるスライドの破損は可能ですが、記事に示されている圧力を使用することで制限されます。染色体の過度の伸びについては、ドレメルツールをスライドに長時間適用すると、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、染色体が十分に広がっていない場合は、ツールを短時間適用し、顕微鏡下で確認し、ドレメルツールでさらに時間を適用することで改善できます。
従来のFISHプロトコルには、通常5〜20分の長さの洗浄およびインキュベーションステップが多数含まれており、実験の全期間にわたって研究者のほぼ完全な注意が必要です。さらに、手動で処理できるスライドの数は、通常、特定の実験で数枚のスライドに制限されます。対照的に、自動スライド染色システムは、すべてのステップ(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、カバーガラス塗布、除去を含む)を自動的に実行します。これにより、FISH実験の研究者は最大6〜8時間の労働時間を解放できます。さらに、自動化されたFISHシステムは、スループットを大幅に向上させることができます。たとえば、Xmatrxシステムは、単一の調製スライドで最大40のアッセイを、デュアル調製スライドで最大80のアッセイを同時に処理できます。このシステムの限界は、大量の溶液を調製する必要があるため、少数のFISH実験では効率的ではないことです。さらに、システムにプログラムされたFISHプロトコルは、新しいアプリケーションのために変更や調整が必要になる場合があります。
スライドスキャンシステムは、蛍光顕微鏡の自動化バージョンです。自動ステージ移動とシンプルな顕微鏡コントロールパネルにより、研究者の時間が解放され、顕微鏡の操作が非常に簡単になります。たとえば、ACCORD PLUSスキャンシステムのソフトウェアを使用すると、複数の蛍光チャンネルを簡単にキャプチャし、画像取得を簡単に管理できます。この例は、単一の画像を撮影するのではなく、zスタックキャプチャを含めることです。ソフトウェアは、構成可能な画像のZスタックをキャプチャして、少なくとも1つの画像に焦点が合っていることを確認します。このシステムは、複数の画像取得(1枚のスライドに多くの細胞)用に作られていますが、スライドを手動で移動するよりもスライド上の染色体を見つけるのがはるかに簡単になります。
自動スライド染色システムとスキャンシステムはどちらも、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診断に日常的に使用されています。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。自動化されたハイスループット物理マッピングプロトコルは、関心のあるあらゆる種の物理染色体マップの迅速な開発を容易にします。このレポートでは、物理的なマッピングにポリテン染色体を使用しましたが、有糸分裂染色体もこれらのシステムで利用できます。大多数の生物は読み取り可能なポリテン染色体を発達させないため、プロトコルを有糸分裂染色体に調整することは有用です。ただし、ポリテン染色体が利用可能であれば、機能的ゲノムドメインと染色体構造との対応に関する有用な情報を最高解像度で提供できます。バンドやバンド間のパターンなどのポリテン染色体の組織原理は、最近、通常の非ポリテン(間期)染色体の組織原理に例えられています18。したがって、高圧染色体調製物に対して実行される詳細な物理的マッピングは、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リンクする可能性があります。したがって、染色体ベースのゲノムアセンブリを作成します。
利益相反は宣言されていません。
この研究は、国立衛生研究所1R21AI094289からIgor V. Sharakhovへの助成金によって支援されました。Xmatrx 自動スライド染色システムと ACCORD PLUS 自動スキャンシステムは、バージニア工科大学の Equipment Trust Fund プログラム、Fralin Life Science Institute、昆虫学部、生化学部門の協力を得て購入されました。
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 22x22 mm顕微鏡カバースリップ | フィ | ッシャー12-544-10 | |
| 18x18 mm顕微鏡カバースリップ | フィ | ッシャー12-553-402 | |
| 酢酸 | フィ | ッシャーA491-212 | |
| メタノール | フィ | ッシャーA412-4 | |
| ピオン酸 | シグマアルドリッチ | 402907 | |
| ドレメル200フレックスシャフト付き回転工具 | 3インチ多目的ミニベンチグラインダー(レートリミッター付き) | ||
| 特別に設計された200 μl ドレメル工具用プラスチックチップ(ビーズプラスチックエッジ) | ピペットマン | F171300 | ピペットチップの脂肪端をカットして加熱 |
| 錫コーティングラピッドバイス | アベンジャーゴールド工具メーカー | MTC-200-1 | 精密研削正方形および0.00025以内に平行 |
| トルクレンチ | 職人 | 44593 | |
| ThermoBrite スライド 変性/ハイブリダイゼーションシステム | アボット モレキュラー | 30-144110 | |
| 25 mm バリアスライド | アボット モレキュラー | XT108-SL | |
| 25 mm カバースリップ | アボット モレキュラー | XT122-90X | |
| Xmatrx 自動スライド染色システム | アボット モレキュラー | 08L46-001 | |
| MZ6 ライカ実体顕微鏡 | ライカ | VA-OM-E194-354 | 別の実体顕微鏡を使用できます |
| オリンパス CX41 フェーズ顕微鏡 | オリンパス | CX41RF-5 | 相の顕微鏡を使用できます |
| ACCORD PLUS 自動スキャンシステム | BioView (米国) | 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 | フィッシャーサイエンティフィック | BP227500 | |
| デキストラン硫酸ナトリウム塩 | Sigma | D8906 | |
| 20x SSC バッファー | Invitrogen | AM9765 | |
| リン酸ナトリウム | Sigma-Aldrich | S3264 | |
| 50x デンハルト溶液 | Sigma-Aldrich | D2532 | |
| アジ化ナトリウム | Sigma-Aldrich | S2002 | |
| DMSO 中の 1 mM YOYO-1 ヨウ化物 (491/509) 溶液 | Invitrogen | Y3601 | |
| ProLong Gold 退色防止試薬 | 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 |
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