Replikacja DNA ssaków jest ściśle regulowana, aby zapewnić precyzyjną replikację każdego chromosomu dokładnie raz podczas cyklu komórkowego. Replikacja odbywa się zgodnie z wysoce regulowaną kolejnością — wiele dużych regionów genomu (~Mb) replikuje się na początku fazy S (domeny wczesnej replikacji), podczas gdy inne regiony genomu replikują się później w środkowej lub późnej fazie S (domeny środkowej i późnej replikacji)1. Większość genomu replikuje się w tym samym czasie we wszystkich tkankach (domeny konstytutywne ToR), natomiast 30% - 50% genomu zmienia swoje ToR między tkankami2, podczas różnicowania3,4 oraz w mniejszym stopniu również podczas transformacji nowotworowej5. Co więcej, niektóre regiony genomu replikują się asynchronicznie6,7,8, a mianowicie istnieje różnica w ToR między tymi dwoma allelami.
ToR koreluje z wieloma cechami genomicznymi i epigenomicznymi, takimi jak poziomy transkrypcji, zawartość GC, stan chromatyny, gęstość genów, itp.1,9. ToR jest również związany z częstością i typami mutacji10,11 i dlatego nie jest zaskoczeniem, że perturbacje programu replikacji są powiązane z rakiem12,13. Związek przyczynowo-skutkowy między ToR a strukturą chromatyny nie jest jeszcze zrozumiały. Możliwe, że otwarta chromatyna ułatwia wczesną replikację. Jednak alternatywny model sugeruje, że chromatyna jest składana podczas replikacji, a różne regulatory chromatyny obecne na początku i na końcu fazy S prowadzą do różnicowego pakowania wczesnych i późnych regionów replikacji1,14. Niedawno wykazaliśmy, że ToR kształtuje zawartość GC, wpływając na rodzaj mutacji, które występują w różnych regionach genomu11.
Fluorescencyjna hybrydyzacja in situ (FISH) jest główną metodą pomiaru ToR w poszczególnych loci. Odbywa się to po prostu poprzez zliczanie procentu komórek fazy S, które wykazują pojedyncze sygnały FISH, w porównaniu z procentem dubletów dla danego allelu15,16. Alternatywna metoda polega na pulsacyjnym znakowaniu DNA za pomocą BrdU, sortowaniu komórek według ich zawartości DNA do wielu punktów czasowych wzdłuż S, immunoprecypitacji DNA zawierającego BrdU i sprawdzaniu obfitości wytrąconego DNA za pomocą qPCR17.
Mapowanie genomicznego ToR można osiągnąć dwoma metodami. Pierwsza metoda to genomiczna wersja opisanej powyżej metody opartej na BrdU-IP, w której kwantyfikacja ilości wytrąconego DNA w każdej frakcji odbywa się jednocześnie dla całego genomu poprzez hybrydyzację do mikromacierzy lub głębokie sekwencjonowanie. Druga metoda, CNR-ToR, opiera się na pomiarze liczby kopii każdego regionu genomowego komórek fazy S i normalizacji przez zawartość DNA w komórkach G1. W tej metodzie komórki są sortowane przez FACS na grupy niereplikujące (faza G1) i replikujące (faza S) (ryc. 1). Komórki w G1 mają tę samą liczbę kopii we wszystkich regionach genomu, a zatem ich zawartość DNA powinna być taka sama. Z drugiej strony, liczba kopii DNA w S zależy od ToR, ponieważ wczesne regiony replikujące uległy replikacji w większości komórek, a zatem ich zawartość DNA jest podwojona, podczas gdy późne regiony replikujące nie uległy jeszcze replikacji w większości komórek, a zatem ich zawartość DNA będzie podobna do tej w komórkach G1. Stąd stosunek S do G1 w zawartości DNA wskazuje na ZWiO. Ilość DNA dla każdego regionu genomowego jest mierzona albo przez hybrydyzację do mikromacierzy, albo przez głębokie sekwencjonowanie2,8. Zalety metody CNR-ToR zostaną szerzej omówione.
Ten artykuł opisuje metodę CNR-ToR do mapowania genomicznego ToR, jak opisano na rysunku 2. W artykule omówiono najdrobniejsze szczegóły całego procesu, począwszy od pobierania komórek, aż po podstawową analizę wyników i stworzenie genomowych map ToR. Protokół opisany w tej pracy został z powodzeniem przeprowadzony na różnych typach komórek hodowanych w hodowli. Przyszłe ulepszenia tego protokołu mogą prowadzić do mapowania ZWiO in vivo i w rzadkich typach komórek.