$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Protokół konwersji wodorosiarczynu
Standardowy protokół konwersji 2 μg genomowego DNA jest opisany poniżej. Mniejsze lub większe ilości genomowego DNA (100 pg-200 μg) mogą być również z powodzeniem poddane obróbce wodorosiarczynowej. Te warunki reakcji skutkują całkowitą konwersją (99,5-99,7%) prawie każdej docelowej sekwencjiDNA 3.
1. Przygotowanie DNA
Przygotuj próbki poprzez inkubację genomowego DNA z bisiarczynowym buforem do lizy DNA (2 μg tRNA, 280 ng/μl Proteinaza K, 1% SDS) w całkowitej objętości 18 μl przez 1 godzinę w temperaturze 37°C. Uwaga: Jest to ważne dla osiągnięcia maksymalnej konwersji wodorosiarczynu, szczególnie w przypadku DNA wyizolowanego z próbek klinicznych, gdzie nadal może istnieć białko związane z DNA.
2. Denaturacja DNA
- Denaturować 2 μg DNA w objętości 20 μl przez dodanie 2 μl świeżo przygotowanego 3M NaOH do końcowego stężenia 0,3M.
- Próbki należy inkubować w temperaturze 37 °C przez 15 minut w łaźni wodnej, a następnie inkubować w temperaturze 90 °C przez 2 minuty w bloku grzewczym. Natychmiast umieść probówki na lodzie na 5 minut.
- Odwirować probówki w temperaturze 4°C przez 10 s w temperaturze 10 000 g, aby upewnić się, że DNA znajduje się na dnie probówki.
3. Deaminacja wodorosiarczynu
Sulfonacja i deaminacja hydrolityczna
- Przygotować świeże roztwory 10 mM chinolu i nasyconego pirosiarczynu sodu o pH 5,0 (7,6 g Na2S2O5 z 464 μl 10 M NaOH, uzupełnione wodą do 15 ml). Roztwór nasyconego wodorosiarczynu sodu uzyskuje się przez delikatne odwrócenie mieszaniny odczynnika/H2O, przy minimalnym wymieszaniu i napowietrzeniu. W razie potrzeby dostosować pH za pomocą 10 M NaOH w celu całkowitego rozpuszczenia pirosiarczynu. Uwaga: Ponieważ jest to roztwór nasycony, małe grudki mogą nadal pozostać nierozpuszczone.
- Dodać 208 μl nasyconego pirosiarczynu i 12 μl 10 mM chinolu do zdenaturowanego DNA (20 μl), w końcowej objętości 240 μl, do końcowego stężenia 2,31 M wodorosiarczynu/0,5 mM chinolu, pH 5,0. Delikatnie wymieszaj wszystkie odczynniki i odwiruj przez 10 sekund, aby upewnić się, że wszystkie kropelki znajdują się na dnie probówki.
- Na próbki nałożyć 200 μl oleju mineralnego. Próbki należy inkubować w temperaturze 55°C w łaźni wodnej przez 4-16 godzin. Czas trwania obróbki wodorosiarczynem zależy od ilości i jakości DNA, które ma zostać przekształcone. W przypadku DNA złej jakości lub zdegradowanego DNA należy ograniczyć czas inkubacji do 4 godzin. Uwaga: ważne jest, aby konwersja wodorosiarczynu odbywała się w ciemności, aby uniknąć utleniania, więc jeśli nie jest to możliwe, owiń probówki folią przed inkubacją.
- Pod koniec odpowiedniego czasu inkubacji należy krótko obrócić probówki w mikrowirówce, aby upewnić się, że cały płyn znajduje się na dnie probówki.
- Odzyskać DNA poddane działaniu wodorosiarczynu spod warstwy oleju, ostrożnie odpipetowując roztwór DNA z dna probówki, nie pobierając żadnej części oleju mineralnego.
Odsalanie
- Usunąć wszelkie wolne jony wodorosiarczynowe, przechodząc przez kolumnę odsalającą i eluując w 50 μl wody mili-Q (MQH2O). W zależności od ilości i jakości genomowego DNA oraz sposobu jego przygotowania, można stosować różne kolumny odsalające. Rutynowo używamy kolumn Promega Wizard Clean-up, ponieważ są one odpowiednie do usuwania SDS używanego do przygotowania DNA przed konwersją.
Odsiarczanie alkaliów
- Addukt wodorosiarczynowy jest usuwany z pierścienia uracylu przez odsulfonowanie. Odsulfonian przez dodanie 5,5 μl świeżo przygotowanego 3M NaOH do końcowego stężenia 0,3M, następnie inkubować próbki w temperaturze 37°C przez 15 minut.
- Krótko odwirować i dodać 1 μl tRNA (10 mg/ml).
- Zneutralizować roztwór przez dodanie 33 μl octanu amonu (NH4O Ac), pH 7,0 do końcowego stężenia 3M.
- Etanol - wytrącić DNA, dodając 330 μl lodowatego 100% etanolu, dobrze wymieszać przez inwersję. Pozostaw w temperaturze -20 μC na 1 godzinę do nocy. Wirować przy 14 000 g przez 15 minut w temperaturze 4°C. Usunąć wszelkie ślady supernatantu i wysuszyć wytrącone DNA na powietrzu przez ~20 minut.
- Ponownie zawiesić osad DNA w 50 μl/μg 0,1 TE (10mM Tris-HCL, 0,1mM EDTA, pH 8,0) lubH2O. Pozostaw w temperaturze pokojowej na około 2 godziny. Od czasu do czasu wiruj probówki, aby upewnić się, że DNA się rozpuściło, a następnie szybko odwiruj.
- Zużyć natychmiast do amplifikacji PCR lub przechowywać w temperaturze -20°C przez 1-10 lat, w zależności od ilości i jakości DNA.
4. Amplifikacja PCR
Projekt podkładu
- Skuteczne zaprojektowanie starterów swoistych dla konwersji wodorsiarczynu PCR ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia wydajnej, bezstronnej amplifikacji całkowicie przekształconego DNA. Poniższe wskazówki służą do wspomagania projektowania podkładu.
Wytyczne dotyczące projektowania podkładów

Termocyling
- Aby przetestować proporcjonalną amplifikację PCR metylowanego i niemetylowanego DNA, należy użyć próbki kontrolnej 50:50 w pełni konwersji wodorosiarczynu w proporcji 50:50 i amplifikować starterami specyficznymi dla konwersji wodorosiarczynu w zoptymalizowanych warunkach reakcji PCR (Figura 3). W przypadku kontroli 50:50 metylowanej: niemetylowanej należy użyć zmetylowanego DNA SssI in vitro i DNA z amplifikacją całego genomu (WGA) lub DNA z krwi pełnej. Należy pamiętać, że niektóre geny będą naturalnie metylowane we krwi i dlatego w takich przypadkach najlepiej jest używać tylko DNA WGA jako "niemetylowanej" kontroli.
- Przygotować mieszaniny reakcyjne amplifikacji PCR w 100 μl podwielokrotnościach zawierających 2 μl genomowego DNA przekształconego w wodorosiarczyn, 200 μM dNTP, 1 μM startery, 1,5 mM MgCl2, 50 mM KCl, 10 mM Tris-HCL, pH 8,3 i 0,15 μl polimerazy Taq.
- W termocyklerze z gradientem temperatury ustaw reakcję przebiegu w gradiencie +/- 3°C od przewidywanej Tm startera na 10 probówkach

- Aby sprawdzić, czy metylowane i niemetylowane amplikony zostały amplifikowane proporcjonalnie, amplikon może być trawiony za pomocą informacyjnego enzymu restrykcyjnego, takiego jak Taq 1 (TCGA), który trawi metylowane DNA, ale nie trawi niemetylowanego DNA, gdy miejsce enzymu restrykcyjnego ulega zmianie po konwersji wodorosiarczynu do TTGA. Stopień trawienia można uwidocznić za pomocą elektroforezy w żelu agarozowym (ryc. 3A). Alternatywnie do reakcji PCR można dodać SYBRGreen (0,2 μl rozcieńczenia 1:1000), a zakres metylacji można ocenić, wykonując wykresy dysocjacji ciepła w termocyklerze PCR w czasie rzeczywistym (Figura 3B).
- Mieszanina reakcyjna PCR, w tym stężenie MgCl2 i warunki termocyklingu, może wymagać dostosowania w celu zwiększenia wydajności PCR lub zapewnienia proporcjonalnej amplifikacji PCR metylowanych i niemetylowanych fragmentów PCR.
- Po zoptymalizowaniu warunków PCR można przeprowadzić amplifikację PCR na próbkach przekształconych w wodorosiarczyn. Uwaga: Po zoptymalizowaniu Tm nie trzeba stosować PCR z gradientem temperatury.
5. Reprezentatywne wyniki:
Przykład optymalizacji amplifikacji bisulfitynowego PCR pokazano na rysunku 3. Optymalne warunki amplifikacji PCR powinny amplifikować metylowane i niemetylowane amplikony proporcjonalnie i bez stronniczości. Rysunek 3A przedstawia żel agarozowy z profilem amplifikacji PCR w gradieniu temperatury, z mieszaniny 50% metylowanego i niemetylowanego DNA. Amplikony PCR zostały potraktowane enzymem restrykcyjnym, Taq 1 (TCGA), który trawi metylowane (M) DNA, ale nie trawi niemetylowanego (U) DNA, ponieważ miejsce enzymu restrykcyjnego jest zmieniane przez konwersję wodorosiarczynu do TTGA. Oczekuje się, że taka sama ilość pociętego i niepociętego produktu PCR zostanie amplifikowana proporcjonalnie, jeśli metylowane i niemetylowane DNA zostanie amplifikowane. Na tym żelu widać, że optymalne warunki termocylingu dla wzmocnienia bez odchylenia wynoszą 56,1°C (T). Całkowita konwersja wodorosiarczynowego DNA może być również analizowana przez trawienie enzymem specyficznym dla miejsca cytozyny, takim jak HpaIII (CCGG). Hpa (Hpa)III zostanie przetrawiony tylko wtedy, gdy konwersja nie powiodła się, ponieważ witryna ograniczeń zostanie zachowana. Jeśli konwersja zostanie zakończona, miejsce restrykcji zostanie przekształcone w TCGG lub TTGG w zależności od stanu metylacji DNA. Pełną konwersję wodorosiarczynowego DNA można zobaczyć na rysunku 3A (H).
Rysunek 3B pokazuje wykres dysocjacji w czasie rzeczywistym, który może być również użyty jako narzędzie do określenia, czy istnieje jakiekolwiek odchylenie amplifikacji na podstawie temperatury, w której różne cząsteczki będą dysocjować. Na tym rysunku widać, że PCR ma amplifikowane metylowane (M) i niemetylowane (U) DNA proporcjonalnie z mieszanki 50% metylowanego i niemetylowanego DNA w porównaniu z kontrolną amplifikacją w pełni metylowanego i niemetylowanego DNA, które dysocjują odpowiednio w 82,1 μC i 78,9 μC.
Po optymalizacji termocyklingu i warunków reakcji, próbki traktowane wodorosiarczynem mogą być wzmacniane za pomocą starterów specyficznych dla nici i wodorosiarczynów w pojedynczej lub częściowo zagnieżdżonej reakcji PCR. Powstałe fragmenty PCR można uwidocznić za pomocą elektroforezy w żelu agarozowym i sekwencjonować bezpośrednio (Figura 4A) lub przez klonowanie i sekwencjonowanie. Po sklonowaniu i sekwencjonowaniu stan metylacji poszczególnych cząsteczek można przedstawić w tabeli na mapie wodorosiarczynowej (ryc. 4B), aby zobrazować niejednorodność metylacji.
Wysokoprzepustowa ilościowa analiza metylacji może być przeprowadzona przy użyciu technologii takiej jak ta stosowana metodą Sequenom EpiTYPER. Korzystając z tej metody, DNA przekształcone w wodorosiarczyn jest amplifikowane starterami PCR specyficznymi dla wodorosiarczynu, a następnie następuje właściwy proces rozszczepienia. Powstałe fragmenty są oznaczane ilościowo za pomocą spektrometrii mas MALDI-TOF o specyficznym spektrum zależnym od obecności metylowanych cytozyn (ryc. 5A). Podsumowanie stosunków metylacji w próbce można następnie ekstrapolować w postaci epigramu (rysunek 5B) lub wykresu metylacji (rysunek 5C).

Rysunek 1. Schemat metylowanego CpG. W normalnej komórce wyspy CpG związane z promotorem są przeważnie niemetylowane (szare), podczas gdy miejsca CpG w ciałach genowych są rzadkie i na ogół metylowane (czerwone). Panel po prawej stronie rozszerza strukturę molekularną DNA w pojedynczym miejscu CpG i pokazuje metylację cząsteczką CH3 przy węglu 5 cytozyny.

Rysunek 2. Schemat konwersji chemicznej. Analiza metylacji DNA obejmuje cztery główne etapy, jak pokazano; denaturacja, konwersja wodorosiarczynu, amplifikacja i analiza PCR. W prawym panelu przedstawiono modyfikacje cząsteczki cytozyny, które zachodzą podczas konwersji wodorosiarczynu.

Rysunek 3. Optymalizacja amplifikacji PCR. A. Elektroforeza w żelu agarozowym z profilem amplifikacji PCR w gradiencie temperatury z mieszaniny 50% metylowanego i niemetylowanego DNA. Fragmenty zostały strawione za pomocą Taq1 (T) lub HpaIII (H), które trawią odpowiednio metylowany DNA i niesiarczynowy DNA. B. Analiza krzywej dysocjacji cieplnej wykazuje równą proporcję metylowanego i niemetylowanego DNA (czerwona linia 50/50 mieszanki) w porównaniu z kontrolną amplifikacją w pełni metylowanego (różowa linia, M) i niemetylowanego DNA (zielona linia, U), które dysocjują odpowiednio w temperaturze 82,1 °C i 78,9 °C.


Rysunek 4. Przykład sekwencjonowania bezpośredniego i mapy wodorosiarczynowej. A. Ślad sekwencji z trzech różnych linii komórkowych z miejscami CpG zaznaczonymi na żółto. Linia komórkowa X wykazuje 100% metylację we wszystkich trzech miejscach CpG, podczas gdy linie komórkowe Y i Z wykazują różne stopnie metylacji, co widać po nakładających się sygnałach G / A. B. Reprezentatywna mapa wodorosiarczynowa przedstawiająca gęstość metylacji (czerwone kropki) w poszczególnych miejscach CpG, oznaczoną przez bezpośrednie sekwencjonowanie poszczególnych klonów.


Rysunek 5. Wysokoprzepustowa analiza metylacji DNA przy użyciu Sequenom. A. Widok widma przy użyciu technologii Sequenom epiTYPER. Fragmenty DNA wykazują specyficzne widma, w zależności od ilości obecnej metylacji DNA. B. Epigram podsumowujący procentową zawartość metylacji DNA w każdym miejscu CpG dla czterech różnych linii komórkowych. C. Podsumowanie wykresu metylacji pochodzące z Epigramu Sequenom.