삽입 돌연변이 유발은 기능적 게놈 요소를 식별하기 위한 순 유전학의 필수 도구입니다. 여기에서는 렌티바이러스 기반 삽입 돌연변이 유발 세포 라이브러리 내에서 렌티바이러스 통합 부위를 검출하는 방법인 InSET(Insertion-based Screen for functional Elements and Transcripts)에 대해 설명합니다.
방법 논문
삽입 돌연변이 유발은 기능적 게놈 요소를 식별하기 위한 순 유전학의 필수 도구입니다. 여기에서는 렌티바이러스 기반 삽입 돌연변이 유발 세포 라이브러리 내에서 렌티바이러스 통합 부위를 검출하는 방법인 InSET(Insertion-based Screen for functional Elements and Transcripts)에 대해 설명합니다.
인간 게놈 내 기능적 염기서열의 범위는 생물학에서 중추적이지만 논쟁의 여지가 있는 주제입니다. 고처리량 역 유전자 스크리닝이 이를 탐구하는 데 큰 진전을 이루었지만 종종 범위를 알려진 게놈 요소로 제한하고 비특이적 효과를 유발할 수 있습니다. 이는 게놈 기능에 대한 보다 심층적이고 편견 없는 이해를 가능하게 하는 새로운 기능적 유전체학 도구의 시급한 필요성을 강조합니다. 이 프로토콜은 렌티바이러스 기반 삽입 돌연변이 유발 세포 라이브러리 내에서 렌티바이러스 통합 부위를 식별하는 방법인 InSET(Insertion-based Screen for functional Elements and Transcripts)를 소개합니다. InSET은 측면 염기서열을 검출하고 정량화하는 데 사용되는 차세대 염기서열분석을 통해 게놈 전반의 렌티바이러스 통합 부위를 쉽게 캡처할 수 있습니다. InSET의 설계는 표현형 스크리닝의 통합 부위 풍부도 변화를 대규모로 분석할 수 있게 하여 순방향 유전학 및 기능적 유전체 요소를 식별하기 위한 강력한 도구로 자리매김할 수 있습니다. InSET의 주요 이점은 이전 주석과 무관하게 단백질 코딩 및 비코딩 RNA의 새로운 기능적 엑손을 포함하여 이전에 확인되지 않은 게놈 요소를 밝힐 수 있다는 것입니다. 전반적으로 InSET은 많은 게놈 요소가 기능적 특성화를 기다리고 있는 인간 게놈 및 전사체의 복잡한 복잡성을 연구하는 데 상당한 가치를 가지고 있습니다.
기능적 유전체학은 포스트 게놈 시대에도 여전히 중요하고 도전적인 분야로 남아 있으며, 게놈 영역의 상당 부분은 여전히 기능적 특성화가 부족합니다. 이러한 문제의 주요 원인은 단백질 코딩 및 비코딩 영역 모두에서 광범위한 전사 및 보편적인 대체 스플라이싱을 특징으로 하는 인간 게놈 및 전사체의 복잡한 특성에 있습니다1,2,3,4,5. 이러한 복잡성은 RNA 표적 농축 연구를 통해 광범위하게 강조되었습니다6,7,8,9. 인간 게놈의 잘 주석이 달린 세그먼트 외에도 수많은 새로운 게놈 요소가 매핑되지 않고 기능적으로 주석이 없는 상태로 남아 있다는 사실이 점점 더 인식되고 있습니다10,11,12
.최근 몇 년 동안 RNA 간섭(RNAi) 및 CRISPR/Cas 시스템과 같은 역유전학 도구의 발전이 관찰되었습니다13,14,15,16,17,18,19,20,21. 그러나 이러한 방법은 짧은 헤어핀 RNA(shRNA) 또는 단일 가이드 RNA(sgRNA)의 복잡한 라이브러리 생성과 관련된 비특이적 효과 및 높은 비용을 포함하여 주목할만한 단점이 있습니다22,23,24,25. 또한 이러한 방법은 주로 주석이 달린 게놈 요소에 중점을 둡니다. 대조적으로, 순방향 유전학은 주석이 없는 새로운 기능적 게놈 요소를 식별할 수 있는 이점이 있습니다. 인간 게놈 및 전사체의 복잡성과 수많은 새로운 게놈 요소를 감안할 때 이러한 순방향 유전학 능력은 매우 중요합니다.
순방향 유전학 세포 라이브러리는 무작위 레트로바이러스 통합을 통해 생성되는 경우가 많기 때문에 순방향 유전학 분석에 있어 게놈 전체 통합 부위의 효율적인 검출이 중요합니다. 이러한 통합 사이트를 탐지하려면 일반적으로 게놈 보행 도구26이 포함됩니다. 이러한 도구에서 상당한 발전이 있었지만 차세대 염기서열분석(NGS) 응용 분야에 최적화되어 삽입성 돌연변이 유발 연구에 적용된 도구는 거의 없습니다. 세포주에서의 삽입 돌연변이 유발은 종종 Inverse PCR(I-PCR) 또는 선형 증폭 매개 PCR(LAM-PCR)과 같은 방법을 사용하여 통합 부위를 검출합니다27,28,29. 그러나 이러한 방법은 일반적으로 제한 효소 분해 또는 결찰 단계가 필요하며, 이는 효율성을 감소시키고 결과에 편향을 유발할 수 있습니다.
순 유전학 스크리닝에서 게놈 전체 통합 부위의 효율적인 검출을 향상시키기 위해 InSET(Insertion-based Screen for functional Elements and Transcripts) 방법이라는 방법이 여기에 도입되었습니다. InSET은 게놈 워킹(genome-walking)과 NGS를 통합함으로써 렌티바이러스 기반 삽입 돌연변이 유발 라이브러리에서 렌티바이러스 통합 부위를 고처리량으로 식별할 수 있습니다. 기존 방법27,28,29에 비해 InSET은 상대적으로 간단하고 간단하여 제한 효소 분해 또는 결찰 단계를 제거하여 더 편리하고 접근하기 쉽습니다. 더욱이, 포유류 세포의 기존 순유전학 스크리닝은 극소수의 반수체 또는 준반수체 세포주에 국한되어 있지만27,28,29,30,31, InSET은 이수성 세포주에서 작동하는 것으로 입증되었습니다32.
이 연구는 InSET 메소드를 구현하기 위한 자세한 단계별 프로토콜을 제공합니다. 또한 삽입 돌연변이 유발 연구에서 InSET의 적용을 보여줍니다. InSET은 인간 세포주에서 단백질 코딩 및 비코딩 RNA를 모두 포함하는 게놈 요소 내에서 새로운 엑손을 식별하기 위한 강력한 도구 역할을 합니다.
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그림 1은 InSET 메소드의 개략도를 제공합니다. 최적의 커버리지를 위해 1μg의 게놈 DNA에서 5개의 병렬 라이브러리를 준비한 다음 차세대 염기서열분석을 위해 풀링합니다. 이 절차는 이전 테스트에서 지속적으로 성공적으로 완료되었지만 사용자는 재량에 따라 일시 중지 지점을 도입할 수 있습니다. 이 연구에 사용된 시약 및 장비에 대한 자세한 정보는 Table of Materials에서 확인할 수 있습니다.
1. 게놈에서 렌티바이러스 통합 부위 캡처
2. 중첩된 PCR을 이용한 NGS 라이브러리 구축
3. 데이터 분석
참고: 이 섹션에서는 인간 세포주 분석이 예로 사용되었습니다.
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일반적으로 염기서열분석 제공자가 수행하는 NGS 라이브러리의 품질 관리 평가는 염기서열분석 전에 표준 품질 검사로 사용됩니다. 라이브러리 품질의 영향을 입증하기 위해 두 가지 샘플을 비교했습니다. s2-20-15로 표시된 고품질 라이브러리는 두 개의 순차적 증폭 단계(첫 번째는 20 사이클, 두 번째는 15 사이클)로 구성된 표준 중첩 PCR 프로토콜을 사용하여 준비되었습니다. 이와는 대조적으로, s1-30으로 표시된 저품질 라이브러리는 Illumina 어댑터를 통합하기 위해 30 사이클의 단일 단계 PCR을 사용하여 준비되었습니다.
표 2에서 볼 수 있듯이 저품질 샘플은 형광과 qPCR 모두로 측정했을 때 고품질 샘플에 비해 라이브러리 농도가 낮습니다. 특히, qPCR 농도 측정은 형광 측정보다 NGS 라이브러리 품질에 대한 더 신뢰할 수 있는 지표입니다. 라이브러리는 바이오분석기를 사용하여 추가로 분석되었습니다. 저품질 샘플에서 약 83bp의 지...
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순방향 유전학 분석에서 게놈 워킹은 삽입 돌연변이 유발 세포 라이브러리의 통합 부위를 프로파일링하는 데 필수적입니다. I-PCR 및 LAM-PCR과 같은 고전적인 게놈 워킹 방법은 종종 제한 효소 소화 및 결찰이 필요하며, 이는 라이브러리 복잡성을 줄이고 효소 부위 의존성으로 인한 편향을 유발할 수 있습니다 27,28,29. InSET 방법은 제한 분해 및 결찰 단계를 제거하여 이러한 한계를 극복합니다. 이는 측면 서열 지수 고정 PCR(FLEA-PCR)37과 유사하지만 레트로바이러스 내부 서열의 증폭을 피하기 위해 블로킹 올리고뉴클레오티드의 사용을 생략함으로써 더욱 단순화됩니다. 대신 이러한 서열은 NGS 데이터 분석 중에 제거됩니다. NGS 응용 분야를 위해 설계된 InSET은 삽입 돌연변이 유발 세포 라이브러리에서 ...
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저자는 공개하지 않았습니다.
D.X.는 중국 국립 자연 과학 재단(32000441), 중국 푸젠성 자연 과학 재단(2023J01130), 화차오 대학교 중앙 대학 기초 연구 기금(ZQN-924) 및 화차오 대학교 과학 연구 기금(18BS205)의 지원을 받습니다. PK는 중국 국립 자연 과학 재단(32170619), 국립 자연 연구소의 국제 고위 과학자를 위한 연구 기금의 지원을 받습니다. 중국과학재단(32150710525), 중국 푸젠성 자연과학재단(2020J02006).
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 0.5 M EDTA | Invitrogen | AM9260G | 바인딩 / 세척 버퍼 |
| 1 M Tris-HCl (Ph 8.0) | Invitrogen | 15568025 | 바인딩 / 세척 버퍼 |
| 10 회를 만들기 위해; Klenow 프래그먼트 버퍼 | Takara | 2140A | |
| 10회; Taq 버퍼 | Tiangen | ET101-01-01 | |
| 5 M NaCl | Invitrogen | AM9659 | 바인딩 / 세척 버퍼 |
| BeaverBeads Streptavidin | Beaver | 22307-1 | 1 μ m |
| BEDTools | 소프트웨어, v2 | https://bedtools.readthedocs.io/en/latest/ | |
| BWA-MEM | 소프트웨어, v0.7.12 | ||
| dNTP 혼합물 | Takara | 4030 | 2.5 mM 각 |
| Equalbit dsDNA HS 분석 키트 | Vazyme | EQ111-02 | |
| fastp | 소프트웨어 | ||
| HiSeq X Ten | Illumina | SY-412-1001 | Illumina 플랫폼, Novogene Corporation (Beijing)에 아웃소싱 |
| Klenow Fragment | Takara | 2140A | |
| NovaSeq 6000 | Illumina | 20012850 | Illumina 플랫폼, Novogene Corporation (Beijing)에 아웃소싱Qubit |
| 3.0 Fluorometer | ThermoFisher Scientific | Q33216 | |
| SICER | Software, v1.1 | ||
| Taq DNA 중합효소 | Tiangen | ET101-01-01 | |
| Tween-20 | HuShi | 30189328 | 바인딩/세척 버퍼 |
| UltraPure 증류수 | Invitrogen | 10977015 | |
| VAHTS DNA 클린 비드 | Vazyme | N411-01 |
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