유전자 리포터 분석은 DNA 염기서열과 유전자 조절 활동 사이의 관계를 해부하기 위한 잘 정립되고 강력한 도구입니다. 후보 조절 요소를 식별 염기서열 태그를 운반하는 리포터 유전자에 결합하면 이러한 분석의 대규모 병렬화가 가능합니다.
유전자 리포터 분석은 DNA 염기서열과 유전자 조절 활동 사이의 관계를 해부하기 위한 잘 정립되고 강력한 도구입니다. 후보 조절 요소를 식별 염기서열 태그를 운반하는 리포터 유전자에 결합하면 이러한 분석의 대규모 병렬화가 가능합니다.
유전자 리포터 분석은 DNA 염기서열과 유전자 조절 활동 사이의 관계를 해부하기 위한 잘 정립되고 강력한 도구입니다. 그러나 이 분석의 잠재적 처리량은 단백질 형광 또는 효소 활성을 조절 활성의 대용물로 사용하여 관심 있는 각 염기서열의 활성을 개별적으로 복제하고 분석해야 하는 필요성에 의해 제한되었습니다. 최근 high-throughput DNA synthesis 및 sequencing 기술의 발전으로 인해 reporter constructs의 대규모 라이브러리의 구성 및 심문을 다중화하여 이러한 한계를 극복할 수 있게 되었습니다. 이 프로토콜은 단일 세포 배양 접시에서 수십만 개의 추정 조절 서열을 직접 비교할 수 있는 MPRA(Massively Parallel Reporter Assay)의 구현을 설명합니다.
대규모 병렬 리포터 분석 실험은 (MPRA)는 DNA 서열 1 (7)을 수천 수백 수천의 전사 규제 활동의 다중 측정을 할 수 있습니다. 자신의 가장 일반적인 실시 예에서, 다중화는 오픈 리딩 프레임의 하류 서열 식별 태그가 포함되어 합성 리포터 유전자를 관심있는 각각의 시퀀스를 연결함으로써 달성된다 (ORF를,도 1). 형질 감염, RNA 분리 및 리포터 유전자 전 사체의 3 '말단의 깊이 순서화에 따라, 결합 된 서열의 상대적인 활동은 식별 태그의 상대적인 풍부로부터 추론 될 수있다.

MPRA의 그림 1 개요. MPRA 기자의 라이브러리는 합성으로 추정 조절 서열을 결합하여 구성되어 구축서열 식별 태그 뒤에 (예로서 루시페라아제 또는 GFP) "불활성"ORF로 구성 리포터 유전자. 도서관은 배양 된 세포의 인구에 대거 형질 전환하고, 전사 리포터 mRNA를 연속적으로 회수한다. 깊은 순서는 기자의 mRNA와 형질 전환 된 플라스미드 중 각 태그의 발생 수를 계산하는 데 사용됩니다. 플라스미드 카운트 대응하는 조절 서열의 활성을 추정하는 데 사용될 수있는 동안의 mRNA의 비를 계산. 멜린 니코의 허가를 적응, 등 2.
MPRA은 관심 궤적 걸쳐 신규 조절 요소에 대해 개별 유전자 조절 요소는 1) 광범위한 돌연변이 유발, 2) 주사를 포함하여, 실험 다양한 설계에 적용 할 수 있으며, 3) 추정의 세트 천연 유전 적 변이의 효과를 테스트 프로모터, 인핸서 또는 소음기, 합성 규제 요소 사) 반 합리적인 엔지니어링. 리시퀀스 변종 braries은 퇴화 올리고 1,4, 조합 결찰 8 게놈 DNA 5의 조각화 올리고 뉴클레오티드 라이브러리 프로그램 마이크로 어레이 2,3,6,7-에 합성 (OLS), 조립 등 다양한 방법을 사용하여 생성 할 수 있습니다.
이 프로토콜은 프로모터의 라이브러리의 구조를 설명 변종 OLS와 pMPRA1 및 pMPRAdonor1 벡터 (각각 Addgene ID를 49349 및 49352; http://www.addgene.org)를 사용하여, 배양 된 포유류 세포 및 후속 정량에이 라이브러리의 일시 발현을 관련 태그의 깊은 시퀀싱 (태그-SEQ)에 의해 프로모터 활동. 이 프로토콜의 이전 버전 (2013) 연구 23, 800-811 멜린 니코 등. 자연 생명 공학 30, 271-277 (2012)과 Kheradpour 등. 게놈에보고 된 연구에 사용되었다.
1 시퀀스 설계 및 합성
| MPRA_SfiI_F | GCTAAGGGCCTAACTGGCCGCTTCACTG |
| MPRA_SfiI_R | GTTTAAGGCCTCCGTGGCCGACGCTCTTC |
| TAGseq_P1 | AATGATACGGCGACCACCGAGATCTACACT CTTTCCCTACACGACGCTCTTCCGATCT |
| TAGseq_P2 | CAAGCAGAAGACGGCATACGAGAT [인덱스] GT GACTGGAGTTCAGACGTGTGCTCTTCCGATCTCGAGG |
표 1 프라이머 서열. [색인] 다중화 시퀀싱에 사용될 6-8 NT 인덱스 시퀀스를 나타낸다. 다른 인덱스 적어도 8 TagSeq-P2 프라이머를 얻습니다. 모든프라이머의 HPLC 또는 PAGE로 정제해야한다.
| 시약 | 1X 볼륨 (μL) |
| Herculase II 퓨전 DNA 중합 효소 | 0.5 |
| 5 배 Herculase II 반응 버퍼 | 10 |
| 의 dNTP (10 mM의 각) | 1.25 |
| BSA (20 ㎎ / ㎖) | 1.25 |
| 프라이머 MPRA_SfiI_F (25 μM) | 0.25 |
| 프라이머 MPRA_SfiI_R (25 μM) | 0.25 |
| OLS 템플릿 (1-10 attomol) | 변화 |
| 핵산 분해 효소가없는 물 | 50 |

올리고 뉴클레오티드 합성 라이브러리의 그림 2 준비.) 세 가지 다른 원료 올리고 뉴클레오티드 합성 라이브러리 (OLS)은 10 % TBE-우레아 폴리 아크릴 아마이드 젤을 변성에서 실행됩니다. 전체 길이 올리고 뉴클레오티드 (*)에 해당하는 밴드 시각화 라이브러리 1에서 절제과 2 도서관 3 페이지 정화 방해 오염 물질을 포함 할 수 있습니다. 이러한 경우, 아가로 오스 겔상에서 동일한 올리고 뉴클레오티드 라이브러리 런의 개방 및 에멀젼 PCR 증폭 PCR 증폭. B)로 직접 이동 제품. 복잡한 올리고 뉴클레오티드 라이브러리의 PCR 증폭 자주 키메라 제품과 상한 및 하한 밴드로 나타날 수 있습니다 다른 아티팩트를 생성합니다. 에멀젼 PCR은 이러한 아티팩트를 최소화 할 수 있습니다.
2 라이브러리 생성
3 Transfection, 동요 및 RNA 분리
4 태그-SEQ
| 시약 | 1X 볼륨 (μL) |
| mRNA의 샘플 (400-700 NG 전체) | 8 |
| 올리고 0dT (50 μM) | 1 |
| 의 dNTP (10 mM의 각) | 1 |
| 시약 | 1X 볼륨 (μL) |
| 10 배 첨자 III RT 버퍼 | 이 |
| MgCl2를 (25 밀리미터) | 4 |
| DTT (0.1 M) | 이 |
| RNaseOut (40 U / μL) | 1 |
| 첨자 III (200 U / μL) | 1 |
표 4의 cDNA 합성 반응 믹스.
| 시약 | 1X 볼륨 (μL) |
| 배 PfuUltra II HotStart PCR 마스터 믹스 | 25 |
| 프라이머 TagSeq_P1 (25 μM) | 0.5 |
| 프라이머 TagSeq_P2 (25 μM) | 0.5 |
| 템플릿 (mRNA를 cDNA를 혼합 또는 플라스미드 DNA) | 변화 |
| 핵산 분해 효소가없는 물 | 50 |
표 5 태그-SEQ PCR 반응 혼합물.
MPRA 고해상도, 전사 조절 요소의 시퀀스 - 활성 관계를 정량적으로 절개를 용이하게한다. 성공적인 MPRA 실험은 전형적으로 형질 라이브러리 (도 3a)에서 서열의 대부분 고도로 재현 가능한 측정 값을 수득한다. 나쁨 재현성 (도 3b)이 관찰되는 경우, 이는 정량 서열 중 하나) 낮은 절대 활성, 또는 2) 낮은 형질 감염 효율 하나에, 회수 된 RNA 샘플에서 리포터의 mRNA 너무 낮은 농도를 나타낸다.
도 4는 시금 생성 대표적인 "공간 정보"를 보여준다 ~ 1,2 또는 센다이 바이러스에의 노출없이 HEK293 세포에서 인간 IFNB 유전자의 상류에 145 bp의 서열의 임의의 변형 37000. 발기인 TATA 박스 알려진 근위 증강 (10)는 명확하게 정보가 풍부한 REGI으로 식별 할 수 있습니다바이러스 의존적으로 기능.

그림 3 태그-SEQ 재현성. 고 (A)과 낮은 (B) 재현성이 독립적 인 복제 형질에서 태그-SEQ 데이터의 예를 나타내는 산포도. 후자의 플롯은 반복에의 한 높은 mRNA의 수가 많은 아웃 라이어의 태그를 보여줍니다. 이러한 유물은 일반적으로 기자의 mRNA의 농도 인해 기자의 구조 중 낮은 절대 활동, 또는 낮은 형질 전환 효율에 하나, 정량적 PCR 증폭 너무 낮았다을 나타냅니다.

인간의 IFNB 전사 시작 사이트와 근위 증강의 그림 4 정보 배출량 측정. 상류 IFNB 인간 유전자의 뉴클레오티드 145 (NT) 영역의 약 37,000 랜덤 변형 (A)로 및 센다이 바이러스 (B)의 노출없이 HEK293 세포를 사용 MPRA 분석 하였다. 파란색 막대는 각 위치에서 리포터 출력 및 뉴클레오타이드 간의 상호 정보를 나타낸다. 근위 증강 및 TATA 박스는 바이러스 감염시 높은 정보 콘텐츠의 영역으로 눈에 띄는.
MPRA는 유전자 조절 요소의 서열-활성 관계를 분석하기 위한 유연하고 강력한 도구입니다. MPRA 실험의 성공 여부는 적어도 세 가지 요인에 달려 있습니다: 1) 서열 라이브러리의 신중한 설계, 2) 증폭 및 클로닝 중 아티팩트 최소화, 3) 높은 형질감염 효율.
리포터 구조에서 가변 영역의 가능한 길이는 주로 사용된 합성 또는 복제 기술에 의해 결정됩니다. 표준 OLS는 일반적으로 약 200nt로 제한되지만 이 프로토콜은 최소 1,000nt의 인서트와 호환됩니다. 반복성이 높거나 강력한 2차 구조를 포함하는 가변 영역은 PCR 및 복제 편향으로 인해 과소 대표될 수 있습니다. 각 가변 영역을 식별하는 태그의 길이는 10-20nt여야 하며 태그 모음은 임의의 쌍 사이에 적어도 2개의 뉴클레오티드 차이가 있도록 이상적으로 설계되어야 합니다. 알려진 microRNA의 시드 서열 또는 mRNA 안정성에 영향을 미칠 수 있는 기타 인자를 포함하는 태그도 가능하면 피해야 합니다.
MPRA 실험 설계의 핵심 매개변수는 라이브러리에 포함될 개별 리포터 구조의 총 수입니다(설계 복잡성, CD로 표시됨). 실제로 CD는 형질감염될 수 있는 배양 세포의 수에 의해 제한됩니다. 일반적으로 형질감염된 세포의 총 수는 CD보다 최소 50-100배 많아야 합니다. 예를 들어, 50%의 형질감염 효율로 2천만 개의 세포를 형질감염할 수 있는 경우 C-D는 ~200,000을 넘지 않아야 합니다. CD는 고유한 조절 서열 변이체의 수에 서열당 고유한 태그의 수를 곱한 것과 같습니다. 각 조절 서열에 더 많은 고유한 태그가 연결될수록 해당 서열의 활성을 더 정확하게 추정할 수 있지만(서로 다른 태그의 측정값을 평균화할 수 있기 때문에) 한 실험에서 분석할 수 있는 별개의 변이체는 더 적습니다. 최적의 선택은 실험 설계에 따라 다릅니다. 집계된 측정값에 수학적 모델이 장착되는 간단한 "프로모터 배싱" 실험에서는 일반적으로 변형당 단일 태그로 충분합니다. 조절 활동의 변화를 일으키는 단일 뉴클레오티드 다형성에 대한 스크리닝에서, 각 대립유전자 쌍을 비교하려면 별도의 가설 검정이 필요하기 때문에 통계적으로 강력한 결과를 얻기 위해 대립유전자당 20개 이상의 태그를 사용해야 할 수도 있습니다.
분석할 서열이 전사 시작 부위를 포함할 것으로 예상되지 않는 경우, 동일한 단편에 상수 프로모터를 추가할 수도 있습니다. 예를 들어, pMPRAdonor2 (Addgene ID 49353)는 업스트림 가변 영역이 상당한 인핸서 활성을 가질 것으로 예상될 때 유용한 최소 TATA-box 프로모터를 포함하는 반면, pMPRAdonor3 (Addgene ID 49354)는 가변 영역이 소음기 활성 또는 기타 음성 조절 요소를 포함할 것으로 예상될 때 유용한 변형된 강력한 SV40 바이러스 프로모터를 포함한다.
원시 OLS 제품에는 잘린 올리고뉴클레오티드가 상당 부분 포함되어 있는 경우가 많습니다. 이는 특히 서열 사이에 상당한 상동성이 있는 경우 설계된 서열의 정확한 PCR 증폭을 방해할 수 있습니다. PAGE 정제를 사용하여 잘린 합성 산물을 제거하고 에멀젼 PCR을 사용하여 증폭 아티팩트를 최소화하는 것은 높은 라이브러리 품질을 보장하는 효과적인 기술입니다. 두 단계 중 하나가 실용적이지 않은 경우 각 증폭 단계에서 사용되는 PCR 주기 수를 최소화하는 것이 필수적입니다. 액체 배양에서 클론화된 라이브러리의 선택 및 확장은 일반적으로 설계 복잡성을 유지하기에 충분하지만, 재조합이 발생하기 쉬운 벡터를 사용하거나 상당한 표현 편향이 관찰되는 경우 회수된 세포를 대신 큰 LB 한천 플레이트에 직접 도금하고 개별 콜로니로 확장한 다음 DNA 분리를 위해 긁어낼 수 있습니다. 일반적으로 OLS에서 1:100-500의 비율로 발견되는 합성 오류의 잠재적 영향을 고려하는 것도 중요합니다. 이러한 오류를 식별하고 수정하기 위해 형질감염 전에 리포터 구조물의 전체 길이 시퀀싱이 권장됩니다.
형질감염된 배양의 모든 세포에 리포터 구조물을 도입할 필요는 없지만 형질감염 효율이 ~50% 미만이면 신호 대 잡음비가 낮아질 수 있습니다. 새로운 세포 유형에서 MPRA 실험을 수행하기 전에 형질감염 조건을 최적화하는 것이 좋습니다. 형질감염이 어려운 세포 유형으로 작업할 때 형질감염된 세포를 미리 선택하여 MPRA 신호를 증폭할 수 있습니다. pMPRA 벡터 시리즈에는 RNA 분리 전에 형질감염된 세포를 물리적으로 농축하는 데 사용할 수 있는 잘린 세포 표면 마커를 구성적으로 발현하는 변이체(예: Addgene ID 49350 및 49351)가 포함되어 있습니다.
저자는 그들이 더 경쟁 금전적 이해 관계가 없다고 선언합니다.
이 작품은 상을 수 R01HG006785에서 국립 보건원 (NIH)의 국립 인간 게놈 연구소에 의해 지원되었다.
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 올리고뉴클레오티드 라이브러리 합성 | Agilent, CustomArray 또는 기타 OLS 공급업체 | 사용자 정의 | OLS 구성 방법을 사용하는 경우 |
| pMPRA1 | Addgene | 49349 | MPRA 플라스미드 백본 |
| pMPRAdonor1 | Addgene | 49352 | luc2 ORF 공여체 플라스미드 |
| TE 0.1 Buffer (10 mM Tris-HCl, 0.1 mM EDTA, pH 8.0) | Generic | n/a | OLS buffer |
| Novex TBE-Urea Gels, 10% | Life Technologies | EC6875BOX | OLS 제품의 PAGE 정제 |
| Novex TBA-Urea 샘플 버퍼 | Life Technologies | LC6876 | OLS 제품의 PAGE 정제 |
| SYBR Gold Nucleic Acid Gel Stain | Life Technologies | S-11494 | PAGE OLS 제품의 정제 |
| Micellula DNA Emulsion & 정제 키트 | EURx/CHIMERx | 3600-01 | 에멀젼에 의한 라이브러리 증폭 |
| PCR Herculase II Fusion DNA 중합효소 | 애질런트 | 600675 | 중합효소 PCR |
| SfiI | New England Biolabs | R0123S | pMPRA 벡터를 사용한 라이브러리 클로닝 |
| KpnI-HF | New England Biolabs | R3142S | pMPRA 벡터를 사용한 라이브러리 클로닝 |
| XbaI | New England Biolabs | R0145S | pMPRA 벡터를 사용한 라이브러리 클로닝 |
| T4 DNA 리가아제(2,000,000 단위/ml) | New England Biolabs | M0202T | pMPRA 벡터를 사용한 라이브러리 클로닝 |
| One Shot TOP10 Electrocomp E. coli | Life Technologies | C4040-50 | pMPRA 벡터를 사용한 라이브러리 클로닝 |
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| (텍스트 참조) | IDT | 맞춤형 | PAGE 정제 Tag-Seq 프라이머 |