このプロトコルにより、DNA:RNAハイブリッドおよびそれに関連するRNA(TERRAを含む)を複数の組織にまたがって分離することが可能になります。私たちのアプローチはハイブリッド相互作用の一部を捉えていますが、完全なゲノム全体の特徴解析には追加のゲノムマッピングが必要です。
方法論記事
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このプロトコルにより、DNA:RNAハイブリッドおよびそれに関連するRNA(TERRAを含む)を複数の組織にまたがって分離することが可能になります。私たちのアプローチはハイブリッド相互作用の一部を捉えていますが、完全なゲノム全体の特徴解析には追加のゲノムマッピングが必要です。
テロメリックリピート含有RNA(TERRA)は、高等真核生物のすべてのテロメアから転写される長く非コードRNAであり、これらの分子の一部のみがテロメアで安定したDNA/RNAハイブリッドを形成します。これらのハイブリッド推定値を特定・精製するための詳細な分子プロトコルをまとめました。この効率的な手法により、 生体内 で自然に形成されるDNA/RNAハイブリッド相互作用を直接抽出でき、すべての領域を検出するために応用可能です。手順を最小限に抑えることで、この技術はDNAに結合したRNAを単離する上で非常に効率的になり、下流のシーケンスの信頼性と再現性を推定します。グアニジンイソチオシアネート試薬は、全細胞溶解および均質化に用いられ、特にDNA/RNAハイブリッドの核酸(DNAおよびRNA)の完全性を保ちます。クロロホルムを加えると遠心分離(下のフェノール-クロロホルム相、間相、上水相)による遠心分離が始まります。核と細胞質の両方から放出されるRNAは水相に保持され、一方で高分子量のDNAやDNA/RNAハイブリッド領域は間期に限定されます。イソプロピルアルコールを用いて遠心分離を行って、水相(遊離RNA)、間相、そしてDNA、特にDNA/RNAハイブリッドが回収されます。残留したタンパク質の痕跡を除去するために、サンプルはプロテナーゼKで培養されます。DNase処理、フェノール/クロロホルム抽出、イソプロピルアルコール、遠心分離によりDNAにハイブリナイズされたRNAが放出されます。
ゲノムの転写により、三本鎖構造からなる一時的なハイブリッド分子(Rループ)が形成されます。これらの構造には、非コード鎖とコード鎖が含まれ、非コード鎖は補完的なRNA1とのハイブリッド形成によって置換されます。ゲノム転写の過程では、両DNA鎖から多数の非コードRNAが異なる速度で産生されます。これらのRNAの多くは短命な中間体として機能しますが、特にテロメアやセントロメア1のような非コード領域に由来するものなど、ゲノム生物学を支配する調節ネットワークにおいて重要な役割を果たすものもあります。ゲノム内のDNA/RNAハイブリッドの分布は、任意の時点での細胞の転写活性を反映することもあります。
非コードRNAの調節機能への関心が高まる中、特に一時的なDNA/RNAハイブリッドの形で、その転写とゲノム全体の分布を追跡することへの関心が高まっています。これに対処するため、安定したDNA/RNAハイブリッドを検出するための独立したアッセイを開発し、あらゆる生物細胞や組織に適用可能となりました。この方法は、DNAと共純化する補完的なRNAを単離し、その後PCR沈殿またはシーケンスによる解析を可能にします。
細胞培養モデルの研究により、DNA複製および転写中に、トポロジカル的、構造的、ハイブリダイゼーションのイベントにより複製ストレス、DNA損傷、複製フォーク衝突、RNAポリメラーゼIIの停止が起こることが示されました。これらの過程、特にDNA二重らせんの展開はねじれ応力を生じさせ、転写1の際にRループなどの異常構造の形成を引き起こすことがあります。
ほとんどのRループデータは酵母細胞や培養がん細胞を用いて生成され、DNA-RNAハイブリッド特異的モノクローナル抗体S9.6に依存しています。構造的研究により、S9.6の抗原結合断片(Fab)は13塩基のRNA-DNAハイブリッド二重結合1に特異的に結合することが示されています。抗体を用いたRループ検出は、転写時にグアニン豊富な領域で形成されるハイブリッドを主に特定しており、そこでRNA-DNAハイブリダイゼーションが強化される可能性が高いです。S9.6抗体を用いた in vitro 研究では、5′末端近くで4つ以上の連続したグアニンを含むRNAが検出されやすく、Rループ形成の増加と相関していることが示唆されています1。ヘリカーゼ、トポイソメラーゼ、RNase H1、RNase H2などのさまざまな酵素が、転写中のRループバランスの維持を助けます。Rループ恒常性の崩壊はゲノム不安定性の増加と関連しており、がんや神経変性疾患などの疾患に寄与しています2。
かつて転写的に無言と考えられていたテロメアは、テロメリックリピート含有RNA(TERRA)3として知られる長い非コードRNAを転写することが発見されています。これらの転写産物はサブテロメア領域から起源を持ち、テロメアの恒常性維持に不可欠な役割を果たします。本論文では、「TERRAハイブリッドRNA」をDNase I処理を経てDNA/RNAハイブリッド複合体から放出されるRNA分子と呼び、抽出特性やプライマー特異性に基づくTERRA配列を含むと推定されます。
TERRAの転写はセントロメアからテロメアへの方向に起こり、長さは100 bpから9 kbまで変動します。TERRAの大部分は水相で遊離RNA分子として回収されます。ごく一部はDNAに残り、がんや老化などの主要な生物学的プロセスに関連しています。TERRAレベルはサブテロメア遺伝子座によって異なり、テロメアのヘテロクロマティック状態によって調節されます。細胞培養研究では、さまざまなサブテロメア領域からのTERRA転写産物が長さに異質性を示すことも示されています。一部の腫瘍由来細胞培養研究では、20qサブテロメア領域がTERRA転写産物の主な供給源であり、この領域はしばしばCpG島7,8,9でメチル化されていることがわかっています。マウスでは、染色体18のサブテロメア領域がTERRA産生の主要な場所です。さらに、胚細胞の擬常染色体亜テロメア領域に由来するTERRA転写産物であるPAR-TERRAは、染色体1811,12に比べて最大200倍多くのTERRAを持つことが示されました。
TERRAの転写はDNAメチル化およびH3K9やH4K20トリメチル化などのヒストン修飾によって制御され、これらはTERRAを抑制します。一方、ヒストンアセチル化はTERRA転写6,13,14と正の相関を示します。TERRAはまた、遺伝子間部位やイントロンを含む外テロメア領域にも結合しており、ゲノム調節におけるより広範な役割を示しています。
さらに、TERRAの枯渇は多くの遺伝子、特に結合部位近くの遺伝子の調節障害を引き起こし、クロマチンのエピジェネティック調節および遺伝子発現に関与していることを示唆しています。短縮されたテロメアでのTERRA蓄積は相同組換え(HR)に基づくテロメアの延長を促進し、テロメア長の恒常性に寄与します15,16。
TERRAおよび他のDNA/RNAハイブリッドの役割に対処するため、安定的にハイブリ化されたRNA分子を単離するために特化したアッセイを用いました。簡単に言えば、核を単離し、DNaseフリーRNaseで処理して保護されていないRNAを除去しました。その後、選択的DNase消化を用いてDNA/RNAハイブリッドを抽出しました。これは元々DNAにハイブリ化されたRNAを放出します。この分画は「DNA/RNAハイブリッド関連RNA」と呼ばれ、その後RNA-seqで解析され、標準的なフェノール-クロロホルム抽出で得られた総可溶性RNAと比較されました。このアプローチにより、RNA-DNAハイブリッド形成におけるテロメア部位と非テロメア部位の両方を特定し、DNA結合型と可溶性RNAプールのトランスクリプトムプロファイルを比較することができました。かつてはテロメア転写の副産物と考えられていましたが、現在ではテロメア維持における二重の役割、テロメラーゼ活性および相同組換えに影響を与え、これらはテロメア長の恒常性に不可欠です。さらに、検出アッセイの進歩により、ゲノム全体におけるRNAとDNAの動的相互作用の詳細な理解が可能になりました。この知見は、TERRAのようなDNA/RNAハイブリッドが細胞過程に与える影響や、がんや神経変性疾患などの疾患との潜在的な関連性のさらなる探求への道を開きます。この分野で進行中の研究は、ゲノム調節とそれが健康や病気に与える重要性の理解を確実に深めるでしょう。
本研究で用いられたTERRA分子およびDNA/RNAハイブリッド同定方法は、ここに詳述された最適化されたグアニジニウムチオシアネート-フェノール-クロロホルム抽出プロトコルと同じです。このプロトコルは、RNA-DNA/RNA ハイブリッド、全RNA、ゲノムDNAを統一ワークフロー内で同時に分離できるように開発されました。従来の三相分離法を戦略的に改良することで、このプロトコルはフェノール間期におけるDNA/RNAハイブリッドの選択的保持を促進し、その損失を最小限に抑えます。これは従来の抽出技術の本質的な制約です。
従来、DNA/RNAハイブリッドの検出と分離は、DNA/RNAハイブリッド構造を特異的に認識するS9.6モノクローナル抗体による免疫沈殿に依存してきました(18,19)。このS9.6ベースのアプローチは広く使われていますが、抗体の利用性、コスト、交差反応の可能性に制約されることがあります。対照的に、当プロトコルは細胞由来および組織由来のサンプルの両方に容易に適用可能な、コスト効率の良い抗体に依存しない代替手段を提供します。
分離されたDNA/RNAハイブリッド画の純度と構造的完全性をさらに高めるために、プロテイナーゼK介在脱タンパク質化を取り入れ、その後DNase I処理を行いました。DNase IステップはDNA/RNAハイブリッドのDNA鎖を選択的に消化し、その結果、ハイブリダイズしたRNAを放出し、その後の分離および下流の分子解析を行います。このアプローチにより、回収されるRNA種が体内で安定的にハイブリッド化されたRNA種であることが保証されます。モジュール構成と拡張性により、当社のプロトコルは多様な生物学的文脈に広く適応可能であり、研究者に多様な実験システムにおけるDNA/RNAハイブリッド生物学の検証に強力なツールを提供します。
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動物を対象としたすべての実験プロトコルはエルジエス大学動物倫理委員会(ライセンス番号19-07-2019、決定番号19/127)によって承認されました。この研究では Balb/c マウスが使用され、健康なメス5頭(生後6週、25g)、オス5頭(生後8週、30g)が使用されました。マウスは実験動物ケアの原則(欧州規則)に従ってケア・治療されました。ここで紹介する研究は、エルジエス大学人間倫理委員会(決定番号:17/002)から倫理承認を受けた以前の研究プロジェクトから得られた、健康な対照群13人の血液サンプルを用いました。このプロトコルのグラフィカルな要約は 図1に示されています。RNA分解を最小限に抑えるため、すべての工程でRNaseフリー材料と無菌技術を用いましょう。
1. ネズミ飼育
2. 人体サンプル
3. すべての細胞タイプからのDNA/RNAハイブリッド抽出
4. cDNA合成
注意:RNase/DNaseフリーの材料を使用し、検査中はサンプルを氷上保管してRNA、cDNA、DNAの完全性を確保してください。
5. Q-PCRによるTERRA発現レベルの決定
6. テロメア長の決定
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本研究では、複数のマウス組織(血液、精子、皮膚、視床下部、下垂体、副腎)およびヒトの血液および皮膚サンプルにおける遊離TERRA、DNA/RNAハイブリッドTERRA、テロメア長のレベルを定量・比較し、組織特異的な動態とテロメア生物学との関係を調査しました。フェノール-クロロホルム抽出後の水相から遊離TERRAは単離され(プロトコルステップ3.6.1-3.6.5)、クロマチンやDNAに関連しないTERRA分子を含む細胞質および核質RNAを濃縮しました。テロメアでDNA/RNAハイブリッドに関与するTERRAを表すハイブリッドTERRAは、DNase I処理後の間期画分から分離され(プロトコルステップ3.11)、テロメアDNAと安定的に関連したTERRAのみの回復を保証しました。
各フラクションの特異性は、ハイブリッドのRNase H消化や既に検証済みの...
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ここで紹介するプロトコルの中心的な強みは、複雑な組織サンプルから遊離TERRAおよびDNA/RNAハイブリッドTERRAを段階的に抽出・識別することにあります。重要なステップには、フェノール・クロロホルム抽出時に水相および間相の分離を慎重に行うことが挙げられます。交差汚染は自由TERRAとハイブリッドTERRAの区別を混乱させる可能性があるからです。その後の間期分画のDNase I処理も極めて重要です。消化が不十分だとDNA結合RNAにアクセスできなくなり、過剰消化はハイブリッドを分解するリスクがあります。RNase H処理などの検証済みハイブリッド特異的酵素対照群やqPCRプライマーセットの使用は、画分特異性の確認とアーティファクトの回避に不可欠です(22,23)。qPCRによるテロメア長の正確な測定は、分離されたDNAの品質と純度、そして単一コピー遺伝子への正確な正規化に依存しています24。
<...アクセスが制限されています。このコンテンツを表示するにはログインするか、トライアルを開始してください。
著者には開示すべき利益相反はありません。
助成金番号TYL-2019-9224およびTSA-2022-11929のエルジエス大学科学研究ユニットに感謝いたします。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 0.2 mL PCRチューブ | グライナー | 671201 | |
| 15 mL ファルコンチューブ | アイソラボ | 078.02.001 | |
| 2 mL シリンジ | ハヤト | 該当なし | |
| 96- マルチウェルプレート | グライナー | 50-720-3203 | |
| 絶対エタノール | メルク | 1070172511 | |
| アモニウムアセテート | シグマ | 238074-500G | |
| cDNAシンヘシスキット | ロッシュ | 07 912 439 001 | |
| クロロホルム | メルク | 1024451000 | |
| DNAse I キット | ザイモ | E1010 | |
| EDTA | シグマ | E9884-1KG | |
| ガラス瓶 | アイソラボ | LB。IS.061.01.901 | |
| 目盛りシリンダー | アイソラボ | 015.01.901 | |
| グアニジン・イソチオシアネート | シグマ | G9277-100G | |
| アイソプロポナル | メルク | 1096342511 | |
| ライトサイクラー480 II | ロッシュ | 5015278001 | |
| マイクロ遠心分離機チューブ(1.5 mL) | グライナー | 616201 | |
| マイクロピペット(10およびマイクロ;L) | ギルソン | FD10001 | |
| マイクロピペット(100およびマイクロ;L) | ギルソン | FD10004 | |
| マイクロピペット(1000およびマイクロ;L) | ギルソン | FD10003 | |
| マイクロピペット(2およびマイクロ;L) | ギルソン | GFAM00064 | |
| ナノドロップ | 島津 | C101-E112 | |
| PBSタブレット | シグマ | P4417-50TAB | |
| PCRデバイス | センソクエスト | T3-0140 | |
| PGL3 基本ベクター | プロメガ | #212936 | |
| ピペットチップ(10 & micro;L、200 & micro;L、1000 & micro;L) | グライナー | 772352 | |
| プラスチック製ペトリ皿 | グライナー | 627102 | |
| プロテイナーゼK | シグマ | P6556-10MG | |
| SDS | シグマ | 8170342500 | |
| 血清学的ピペット | グライナー | 760107 | |
| スピン | ギルソン | PMC880 | |
| シブル・グリーン・マスター | ロッシュ | 4707516001 | |
| サーモミキサー | エッペンドルフ | #5355 | |
| トリズマ基地 | シグマ | 1503-1KG | |
| トリゾール | バイオラッド | 7326890 | |
| ユニマックス1010 DTシェイカー | ハイドルフ | 543-12310-00-6 | |
| 渦 | ハイドルフ | 541-10000-00-1 | |
| Zymo-Spin Iカラム | ザイモ | C1003-50 |
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