このプロトコルは、チャンバースライドで成長した 緑膿菌バイオ フィルムからRNAを単離し、ハイスループットシーケンシングを行う方法を提示します。
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このプロトコルは、チャンバースライドで成長した 緑膿菌バイオ フィルムからRNAを単離し、ハイスループットシーケンシングを行う方法を提示します。
緑膿菌 は、嚢胞性線維症(CF)患者の気道に感染症を引き起こす日和見性細菌性病原体です。 緑膿菌は 、エキソ多糖のマトリックスによって保護されるバイオフィルムを形成する能力で知られています。このマトリックスにより、微生物は抗生物質治療などの外的要因に対してより回復力を持つことができます。研究用のバイオフィルム成長の最も一般的な方法の1つは、マイクロタイタープレートまたはチャンバースライドです。これらのシステムの利点は、複数の増殖条件を試験できることですが、欠点は、RNA抽出のためのバイオフィルムの生成量が限られていることです。この記事の目的は、ハイスループットシーケンシングに十分な品質と量の少量のバイオフィルムから全RNAを抽出する方法について、詳細なステップバイステップのプロトコルを提供することです。このプロトコルにより、これらのバイオフィルムシステム内での遺伝子発現の研究が可能になります。
嚢胞性線維症(CF)患者の肺感染症やプロテーゼ関連感染症など、ほとんどの慢性細菌感染症は、バイオフィルム内の生物の増殖を特徴としています。バイオフィルム1 は、主に多糖類2からなるマトリックスに包まれた細菌の群集である。バイオフィルム内の細菌は、成長が遅く、代謝的に休眠しており、嫌気性、低酸素状態にある可能性があります。バイオフィルムは、抗生物質の浸透性の低下、薬物排出ポンプの発現の増加、細胞分裂の減少などの要因により、抗生物質に対してより耐性があります3。これらの理由やその他の理由から、それらは非常に研究上の関心を集めています。
CF患者における慢性緑膿菌感染症などの持続性感染症を正確に研究するためには、バイオフィルム形成に見られる成長条件をin vitroで正確に反映する必要があります。一般的なハイスループットな方法は、チャンバースライドやマイクロタイタープレートでそれらを成長させ、共焦点顕微鏡4でバイオフィルム形成をモニターすることです。プランクトン性または自由浮遊性からバイオフィルム細菌生活への移行における主要な調節因子は、二次メッセンジャーである環状ジGMP5であることが知られています。サイクリックジGMPレベルが増加すると、バイオフィルムの成長を促進する特定の遺伝子の発現が増加します。また、低分子のノンコーディング制御RNAやクオラムセンシングも、バイオフィルム形成の制御に重要な役割を果たしています5。抽出された細菌RNAのシーケンシングによるバイオフィルム遺伝子発現の測定は困難な場合があります。例えば、P. aeruginosaは、3つのエキソ多糖類(Psl、Pelおよびアルギン酸塩)を産生し、これらはバイオフィルム6,7において大量に産生される。これらの多糖類は、RNAの抽出と精製を妨害し、低レベルの細菌mRNA8を含む不純な調製物につながる可能性があります。市販のRNA抽出キットは、プランクトン性細菌培養物から高品質のRNAを産生することができるが、バイオフィルム培養物ではうまく機能しない可能性がある9,10,11。バイオフィルムに効くと謳っている市販のRNA抽出キットがいくつかあり、そのうちの1つをこの方法で使用しています。
この原稿では、チャンバスライドで緑膿菌のバイオフィルムを増殖させ、ハイスループットシーケンシング12,13のための細菌mRNAを抽出する手順について説明します。CF患者の喀痰サンプルから採取した臨床分離株を利用して、これらの方法がさまざまな成長特性を持つ分離株に使用できることを実証します。以前の出版物と比較して、このプロトコルは、細菌のバイオフィルム遺伝子発現11,14,15,16の研究においてより良い成功を可能にするために詳細に説明されています。
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研究倫理委員会(REB)は、ヒト被験者からの喀痰サンプルの収集と処理に必要です。この研究は、Hospital for Sick Children(REB#1000019444)によって承認されました。研究倫理委員会(REB)は、ヒトを対象とする喀痰サンプルを収集し、保存することが義務付けられています。これらの研究は、Hospital for Sick Children REB#1000058579によって承認されました。
1.バイオフィルム形成
2. バイオフィルムの回復
注:各スライドガラスには、8つの別々のウェルが含まれています。1つのサンプルは、プールされるバイオフィルムを備えた4つのウェルで構成されています17。この抽出プロトコルは、1つのサンプル(4つのウェル)を対象としており、バイオフィルムは一度に2つのウェルから回収されます。RNA抽出は、ビーズビーティングステップとカラムベースのクリーンアップを含む市販のRNA抽出キットを使用して実行されます。試薬の調製については、製造元の指示に従ってください。
3. Total RNAの単離と品質評価
注:RNA抽出は、バイオフィルムに効くと主張する市販のRNA抽出キットを使用して行われます。個々のコンポーネントは、可能であれば 、材料表に含まれています。各精製ステップの背後にあるメカニズムについては、可能な限り説明します。
4. リボソームRNAの枯渇とハイスループットシーケンシング
5. シーケンシングリードの品質評価
注:無料のオープンソースプラットフォームであるGalaxy27から入手できる無料のプログラムFastQC26を使用して、シーケンシングリードの品質を確認してください。
6. シーケンシングリードのマッピング
注:リストされているのは、RNA-seqデータのアダプタートリミングとリードマッピングの基本的なパイプラインです。アダプターシーケンスは、Trimmomatic28を使用してリードからトリミングされます。トリミングされたリードは、BWA30およびSamtools31を使用してNCBI(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/)29から得られた緑膿菌PAO1参照ゲノム(NC_002516.2)にマッピングされます。わかりやすくするために、読み取りのペアは PA_1.fq と PA_2.fq と呼ばれます。トリミングされるアダプタ読み取りファイルの名前は adapter.fa;PAO1 参照配列は PAO1.fasta と呼ばれます。すべてのツールはオープンソースであり、UNIX / LINUX環境で実行されます。これらのコマンドを実行するには、UNIX/LINUX の基本をよく理解しておくことを強くお勧めします。
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このメソッドの一般的な概要を図 1 に示します。我々は以前、8ウェルチャンバースライドを使用して緑膿菌のバイオフィルムを増殖させ、それらを抗生物質に曝露した後、異なる時点で共焦点顕微鏡でそれらを調べていた12,13。この方法は、このシステムで成長したバイオフィルムから直接トータルRNAを抽出し、処理後の遺伝子発現変化を研究するために使用できます。このプロトコールは緑膿菌に最適化されていますが、他の細菌種にも簡単に適応できます。
少量のバイオフィルムから十分な量の良質なRNAを抽出することは、rRNAの枯渇とハイスループットシーケンシングのために困難な場合があります。このプロトコルを使用して、17種類の 緑膿菌 バイオフィルム分離株からトータルRNAを三重に抽出し、合計51の別々のサンプルに成功裏に抽出します。高収量と低収量を表す抽出RNAの量を
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17種類の細菌バイオフィルムサンプルからトータルRNAを三重に抽出し、合計51のサンプルが得られます。49のRNAライブラリーがプールされ、成功裏に配列決定されました。全体として、これは、サンプルの半分以上が存在量が少なく、最適ではない品質であると考えられているにもかかわらず、96%の成功率で私たちの品質基準を検証しています34,35,36,37。
意味
このRNA抽出プロトコルは、チャンバースライドで成長した限られた量のバイオフィルムからRNAを抽出する詳細な説明においてユニークです。8ウェルチャンバースライドにおけるバイオフィルムの成長は、バイオフィルムへの外因的に添加された因子の影響やバイオフィルム形成における微生物...
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著者には、宣言する開示はありません。
著者の貢献:P.W.、Y.Y.、V.W.が研究の概念化に関与しました。K.G.、L.J.、A.M.、P.W.は、ラボのプロトコルを最適化しました。K.G.の資金は、BioTalent CanadaによるStudent Work Placement Program補助金によって支えられました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| Agilent 2100 バイオアナライザー | Agilent | G2939BA | 生体分子の自動電気泳動 |
| Agilent RNA 6000 pico kit | Agilent | 5067-1513 | を生成する高感度RNA電気泳動チップ |
| Zymo Research | D7001-1-50 | 核酸精製キットの一部として販売されているチオシアン酸グアニジニウムおよびN-ラウロイルサルコシンベースの溶解バッファー | |
| DNA/RNA調製バッファー | Zymo Research | D7010-2-10 | DNAおよびRNAの精製に使用されるグアニジンHClおよびエタノール緩衝液 |
| DNA/RNAシールド | Zymo Research | R1100-50 | DNAおよびRNA保存/保護試薬 |
| DNA/RNA洗浄バッファー | Zymo Research | D7010-3-6 | DNAおよびRNAの精製に使用される塩およびエタノール緩衝液 |
| DNBSEQ G-400RS | MGI | G-400RS | ハイスループットシーケンサー |
| MGIEasy RNA Directional Library Prep Set | MGI | 1000006386 | トータルRNAからMGIハイスループットシーケンシングプラットフォーム用のライブラリを生成します。 |
| Mini-Beadbeater-96 | BioSpec | 1001 | 高エネルギー、高スループットの細胞かく乱物質 |
| NEBNext rRNA 枯渇キット (バクテリア) | New England Biolabs | E7850X | 細菌 rRNA の効率的かつ特異的な枯渇 (5S、16S、23S) |
| Nunc Lab-Tek II チャンバースライドシステム | サーモフィッシャーサイエンティフィック | 154534 | 8 ウェルチャンバースライド、取り外し可能なウェル付き |
| Qubit Fluorometer | サーモフィッシャーサイエンティフィック | Q33238 | DNA、RNAおよびタンパク質用蛍光光度計 |
| Qubit RNA HSアッセイキット | サーモフィッシャーサイエンティフィック | Q32852 | RNA濃度を測定する高感度蛍光測定アッセイ |
| スピンアウェイフィルター | ザイモリサーチ | C1006-50-F | 主にゲノムDNAの結合または除去に使用されるシリカベースのスピンカラム |
| 滅菌接種ループ、1 uL | Sarstedt | 86.1567.050 | 微生物の操作のための無菌、使い捨て接種ループ |
| ZR BashingBead 溶解チューブ | Zymo Research | S6003-50 | 0.1mmと0.5mmのビーズ溶解マトリックスを含む2mLチューブで、生体サンプルを均質化 |
| Zymo Spin IIICGカラム | Zymo Research | C1006-50-G | DNAおよびRNAの精製用シリカベースのスピンカラム |
| Zymo-Spin III-HRCフィルター | Zymo Research | C1058-50 | ポリフェノール化合物、フミン酸/フルボ酸、タンニン、メラニンなどの阻害剤を除去します。 |
| Zymobiomics DNA/RNA Miniprep kit | Zymo Research | R2002 | DNAおよびRNAデュアル抽出キット |
| Zymobiomics HRC Prep solution | Zymo Research | D4300-7-30 | PCR阻害剤を除去するためにZymo-Spin III-HRCフィルターと併用 |
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