Enhanced Reduced Representation Bisulfite Sequencing is a method for the preparation of sequencing libraries for DNA methylation analysis based on restriction enzyme digestion combined with cytosine bisulfite conversion. This protocol requires 50 ng of starting material and yields base pair resolution data at GC-rich genomic regions.
DNAメチル化パターンのマッピングが重く正常および疾患組織中で検討されている。種々の方法は、細胞中のシトシンメチル化パターンを調べるために確立されている。全ゲノムバイサルファイトシークエンシングの減少表現は、GCリッチなゲノム遺伝子座での定量的な塩基対の分解能シトシンメチル化パターンを検出するために開発された。これは、亜硫酸水素塩変換に続いて、制限酵素の使用を組み合わせることによって達成される。強化縮小表現重亜硫酸塩シークエンシング(ERRBS)が覆われ、生物学的に関連するゲノム遺伝子座を増加し、ヒト、マウス、および他の生物由来のDNA中のシトシンのメチル化をプロファイルするために使用されている。 ERRBSは、ライブラリーの調製において使用するための低分子量フラグメントを生成するために、DNAの制限酵素消化を開始する。これらの断片は、次世代配列決定のための標準ライブラリ構築にかけられる。最終amplificati前の非メチル化シトシンの重亜硫酸塩変換ステップに覆われたゲノム遺伝子座におけるシトシンのメチル化レベルの定量的なベースの解像度を可能にします。プロトコルは、4日以内に完了することができる。指定されたシーケンシング対照レーンを使用した場合、配列決定最初の3つの塩基で低複雑度にもかかわらず、ERRBSライブラリは、高品質のデータを得る。マッピングおよびバイオインフォマティクス解析は、次に実行され、歩留まりのデータを容易にゲノムワイドな様々なプラットフォームと一体化することができる。 ERRBSは、実現可能な研究用途の範囲内で、ヒト臨床サンプルおよび適用を処理すること小さな入力材料量を利用することができる。生成されたビデオは、ERRBSプロトコルの重要なステップを示しています。
シトシン(5-メチル)におけるDNAメチル化インプリンティング、X染色体不活性化、開発、および遺伝子発現1-8の調節を含むがこれらに限定されない生物学的過程、種々の哺乳動物細胞において重要なエピジェネティックなマークである。悪性および他の疾患におけるDNAメチル化パターンの研究は、疾患特異的パターンを決定し、疾患の病因と潜在的なバイオマーカーの発見9-17の理解に貢献してきました。 DNAのメチル化状態のためのエピゲノムを調べる多くのプロトコルがある。これらは、親和性に基づく、制限酵素ベース、および下流マイクロアレイまたは配列決定プラットフォームを利用して亜硫酸水素塩変換ベースのアッセイに分けることができる。さらに、複合重亜硫酸塩制限分析18および減少表現重亜硫酸塩シークエンシング(のCFM.rrb 19)、を含むがこれらに限定されますが、いないこれらの一般的なカテゴリを埋めるいくつかのプロトコルがあります。 </P>
のCFM.rrbはもともとマイスナーらによって記載された。19,20。プロトコルは、費用対効果の高い21,22で定量的な塩基対の解像度データが得られた重亜硫酸塩シークエンシング、続くGCリッチなゲノム領域を豊かにする手順を紹介しました。 GCに富む領域はMspIを(C ^ CGG)制限酵素によって標的化される、およびシトシンのメチル化は、ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)増幅、続いてシトシンの重亜硫酸塩変換(ウラシルに修飾されていないシトシンの脱アミノ化)によって解決される。のCFM.rrbは、遺伝子のプロモーターおよび全ゲノム配列決定のために必要な画分におけるCpGアイランドの大部分をカバー。しかしのCFM.rrbは、CpGの海岸と生物学的関連性の他の遺伝子間領域の限られた範囲を持っていた。いくつかのグループは、これらのゲノム領域23-25 の方法論と結果の報道に改良元のレポート以降に更新のCFM.rrbプロトコルを公開している。強化されたの減少表現重亜硫酸塩Sequencing(ERRBSは)のCFM.rrbに比べライブラリ準備の修正および代替データ整列アプローチ26を含む。 ERRBSは生成されたデータで表現CpGの高い数をもたらし、26を尋問すべてのゲノム領域のカバレッジを増加させた。この方法は、ヒト患者及び他の動物標本26-30におけるDNAメチル化パターンを解決するために使用されている。
ERRBSプロトコルが完了し、代表的なヒトDNAを使用して生成されたデータに必要なすべてのステップにオファーの詳細を説明した(サンプルは、以前に報告され、非識別患者サンプル31から得られ、正常なヒトのドナーからのCD34 +骨髄サンプルされた)。プロトコルは、サンプルあたりの処理時間が短縮され、ライブラリーサイズの選択において高い精度を可能にする自動化されたサイズ選択プロセスを含む。プロトコルは、確立された分子生物学技術のシリーズを組み合わせた。高分子量DNAはワット消化エンド修理、-テーリング、およびメチル化されたアダプターの連結に続いてメチル化非感受性制限酵素(MspIで)i番目。 GCリッチフラグメントのサイズ選択は、亜硫酸水素塩変換し、配列決定の前にPCR増幅に続いている。重亜硫酸塩変換は、以前に32に記載されているとデータ分析やアプリケーションの詳細なレビューはお薦めや参照が読者の使用のために含まれていますが、この論文の範囲を超えている。プロトコルは、4日間にわたって行われ、小さな入力(50 NG以下)材料量に適していることができます。差動メチル化部位と領域決定のためだけでなく、エピジェネティックな多型検出のためだけでなく、十分なCpG部位当りの高いカバレッジ記載収量データなどのプロトコルは、 ら 33 Landanに記載されているように。
生体関連ゲノム領域におけるシトシンのメチル化のプロトコル提示収量の塩基対解像度データ。出発物質の50 ngのために最適化されて書かれたプロトコルは、しかし、それは、入力材料の範囲(5ngのまたは複数)26を処理するように適合させることができる。 表6に見られるように、これは、プロトコルのステップのいくつかの調整が必要となる。ERRBSライブラリはペアエンド配列決定およびさらなるゲノムカバーに適しているシング長い51サイクルより読み込むことによっても達成することができる。多重化された配列決定は、サンプルあたりのコストプロトコルを提供するが、これはデータに表さCpG部位当りの縮小範囲( 図5および表8)になり、かつ当たり高いカバー力を必要とする分析を実行するために、カバレッジの十分な深さが得られないであろうCpG部位(Landan ら 33で説明した例のように)。最後に、このプロトコル(または重亜硫酸塩ベースのprotocol)はメチル-シトシンとヒドロキシメチルシトシン46,47を区別することができません。しかしながら、他のプロトコルと統合することができる生成されたデータは、異なる修飾を線引きする48,49をもたらし、他のシトシン修飾は最近、関心があるべきであり、50を報告した。
図3A-Cに示されており、一回シークエンシングのためにプールのような高品質のライブラリが表示されます両方のライブラリ留分から等しいモルの寄与を表す図3Gに示すようにトレース(赤トレース)が得られる。ライブラリ調製障害は手順中の任意の工程から生じ得る。分解したDNAが処理される場合は、このプロトコルで説明シングパラメータを使用してのMspI断片が濃縮され、したがって、低いのCpGカバレッジされていないライブラリになります。酵素は、非機能的または不注意の反応のいずれかから除外された場合、プロトコルが期待ライブラリをもたらさないであろう。ライゲーションREAた場合ctionは非効率的であり、アダプタは、予想よりも高濃度であり、および/または使用したプライマー濃度は、ライブラリー、障害が発生することができ、最終的な増幅工程のための制限試薬である。 (バイオアナライザ結果の〜150 bpのピークと見られ; 図3D-F)過剰アダプタは、ライブラリ内にも、ライブラリと過剰のアダプターの両方の無差別クラスタリングにシークエンシングを妨害する。そのようなライブラリは、明らかに正常にシーケンスかもしれないが、読み込みのかなりの部分は、単にアダプタのシーケンスになります。過剰のアダプタがライブラリに認められた場合、それは材料が数量比をアダプタために最適な入力素材を使用して利用可能な場合、ライブラリの準備を繰り返すのがベストです。最後に、ライブラリの効率的なPCR増幅を確実にするために、より低いおよびより高いライブラリ画分を亜硫酸水素塩変換し、PCR濃縮ステップを通して別々の試料として維持されている。これを怠ると、Pの間に、増幅の微分効率を生み出すのCR( 図3G青のトレースに見られるように)上位と下位画分の反応および配列決定の際に、各ライブラリの画分に覆われたそれぞれのゲノム遺伝子座の不均等な表現の可能性。ユーザーがすぐに生成されているライブラリーを増幅するために必要な最適なPCRサイクルのさらなる滴定亜硫酸水素塩変換後に定量的PCRステップを含むように選択してもよい。
ERRBSライブラリ調製プロトコルは、特定の試薬が推奨されているいくつかの重要なステップがあります。エンドリペア工程では、四ヌクレオチドdNTPミックスの使用は、MspIで酵素スター活性に起因するものと、元のDNAサンプルに存在する剪断DNA断片として、CGオーバーハングを含有していない製品の最終修復を可能にする。これが結果に改善されたのCpG表現になる。連結工程では、ライゲーションをReactiことを保証するために高濃度リガーゼ(200万単位/ ml)およびメチル化アダプターを使用することが重要である上は効率的であり、亜硫酸水素塩変換が正確なデータの位置合わせのための不可欠なアダプター配列に影響しないこと。 PCR工程では、亜硫酸水素塩処理したGCリッチなDNA断片を増幅することができるポリメラーゼを用いて、高い特異性のために必要である。最後に、過剰のアダプターおよびプライマーの除去を確実にするために、(例:アジェンコートAMPure XP)SPRIビーズ精製は、連結およびPCR産物の単離のために列に基づいたアッセイではなく、推奨されます。
高品質のデータを生成するためには、効率的な亜硫酸水素塩変換を保証することが重要である。提示制御は、ユーザーにシークエンシングに先立って変換効率を決定する能力を提供しています。代替として、そのようなラムダDNAなどの非ヒトDNA、内部対照(スパイクイン)として使用することができる。による種の違いにより、このタイプの制御は、直接下流の配列決定に含めることができる( 例えば、ユーによって使用されるような、 ら 34)。しかし、スパイク-iの場合利用sの、それを一意に増幅され、独立して、ライブラリーの配列決定の前に配列決定されない限り、ライブラリの配列決定に先立って変換効率を決定するために使用することができない。決定された換算率は、非CpG部位でのメチル化状態に基づいている。これは、非CpGコンテキストで高いシトシンメチル化の文脈で使用するのに適切でないかもしれない(例えば、胚性幹細胞)と平行サンプルまたは変換効率を評価する他の手段は、この目的のために利用することができる。
ERRBSライブラリの配列に固有であるアドレスには、いくつかの注意事項があります。配列決定されたライブラリの画分の最初の3つの塩基が原因のMspI認識切断部位にほぼ一様に非ランダムである(C ^ CGG; 図4B、Cを参照のこと)。低い品質に重要なデータの損失の可能性で、この結果は、シークエンシング時に見かけ上高いクラスター密度にもかかわらず、貧しいクラスタのローカリゼーションの結果を読み込みます。この障壁を克服するために、専用の制御車線として独立したレーン(PHIX制御や他のライブラリタイプ)の高い複雑さのライブラリが含まれています。高い複雑さのライブラリーは、配列決定され、最初の4つの塩基は、A、C、TおよびGのバランスの表現を含む端部を有する。適切なコントロールレーンは、RNA-seqの、チップ配列、全ゲノム配列決定、または配列決定機メーカー( 例えば PHIXコントロールV3)によって提供されるコントロールなどのライブラリが含まれています。各配列決定実行の対照レーンとして指定する場合は、クラスタの位置を検出するために配列決定の最初の4つの塩基の間に利用される行列生成のための基礎として役立つことができる。高い品質が5.2によりCpG部位あたりの平均カバレッジを上げる(n = 4)をしますキャプチャさ読み込む。代替的に、この技術的な困難は、以前23に記載のようにダーククエンシングアプローチを用いて克服することができる。その他のシーケンシング基準は製造業者のプロトコルごとの標準操作手順に従ってください。のCpG Cあたりの最後に、報道データ分析のための芳泉は、目的の生物学的質問によってユーザによって部分的に案内される。 10倍のカバレージ閾値は、関心のものであるべきであるが、このしきい値を下げることができ、高いカバレッジ分析アプローチを与える。
ERRBSデータ解析の完全な議論はしかし、差別的メチル化シトシンと地域は、オープンソースツール31,51-53を用いて決定することができる、この記事の範囲を超えています。追加の分析の考慮事項とアプローチは54,55を十分に記載されており、読者は計画された分析に最も適切なツールについての文献を検索することが奨励されている。
他の公開方法と比較して、ERRBSは再現性の記載された歩留まり率が高いように行う4日間のプロトコルを提供しています。それのMassARRAY EpiTYPER 26標準金に比べて検証された、費用対効果の高いカバレッジデータ用であり、各種の入力材料に適応可能であるおよび配列決定アプローチ(臨床サンプル処理及び他の低周波の細胞型に有利な)量。これは、ゲノムワイドな結合転写因子、クロマチンリモデリング、エピジェネティックマークと関心のある他のシトシン修飾プロファイリング他の技術と分析、生物学的に関連する遺伝子座での塩基対の分解能を提供し、統合的に使用することができる。データがこのような研究で使用ERRBSは、総合的な分子的アプローチに貢献し、生物学的なモデルとヒト疾患の研究では、高次元解析を可能にすることができる。
The authors have nothing to disclose.
We thank all the authors of the original ERRBS report. We thank Mame Fall for technical assistance. We acknowledge the Weill Cornell Medical College Epigenomics Core for technical services and assistance. The work was supported by a Sass Foundation Judah Folkman Fellowship, an NCI K08CA169055 and ASH-AMFDP12005 to FGB, NIH R01HG006798 and R01NS076465, funding from the Irma T. Hirschl and Monique Weill-Caulier Charitable Trusts and STARR Consortium (I7-A765) to CEM, and an LLS SCORE grant (7006-13) to AMM.
Name of Reagent/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description | URL |
MspI | New England Biolabs | R0106M | 100,000 units/ml | https://www.neb.com/products/r0106-mspi |
NEBuffer 2 | New England Biolabs | B7002S | Reaction buffer for MspI enzyme; protocol step 1.2 | https://www.neb.com/products/b7002-nebuffer-2 |
Phenol solution | Sigma-Aldrich | P4557 | Equilibrated with 10 mM Tris HCl, pH 8.0; see safety and handling instructions at http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/p4557 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/p4557 |
Chloroform | Sigma-Aldrich | C2432 | See safety and handling instructions at http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/c2432 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/c2432 |
Glycogen | Sigma-Aldrich | G1767 | 19-22 mg/ml | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/g1767 |
NaOAc | Sigma-Aldrich | S7899 | 3M pH 5.2 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/s7899 |
Ethanol | Sigma-Aldrich | E7023 | 200 proof, for molecular biology | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/e7023 |
Buffer EB | Qiagen | 19086 | 10 mM Tris-Cl, pH 8.5 | http://www.qiagen.com/products/catalog/lab-essentials-and-accessories/buffer-eb |
tris(hydroxymethyl)aminomethane (Tris) | Sigma-Aldrich | T1503 | prepare a 1M pH 8.5 solution | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/t1503 |
Tris- Ethylenediaminetetraacetic acid (TE) | Sigma-Aldrich | T9285 | Dilute to 1X buffer solution per manufacturer's recommendations | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/t9285 |
T4 DNA Ligase Reaction Buffer | New England Biolabs | B0202S | 10X concentration | https://www.neb.com/products/b0202-t4-dna-ligase-reaction-buffer |
Deoxynucleotide triphosphate (dNTP) Solution Mix | New England Biolabs | N0447L | 10 mM each nucleotide | https://www.neb.com/products/n0447-deoxynucleotide-dntp-solution-mix |
T4 DNA Polymerase | New England Biolabs | M0203L | 3,000 units/ml | https://www.neb.com/products/m0203-t4-dna-polymerase |
DNA Polymerase I, Large (Klenow) Fragment | New England Biolabs | M0210L | 5,000 units/ml | https://www.neb.com/products/m0210-dna-polymerase-i-large-klenow-fragment |
T4 Polynucleotide Kinase | New England Biolabs | M0201L | 10,000 units/ml | https://www.neb.com/products/m0201-t4-polynucleotide-kinase |
QIAquick PCR Purification Kit | Qiagen | 28104 | Used for DNA product purification in protocol step 2.3 | http://www.qiagen.com/products/catalog/sample-technologies/dna-sample-technologies/dna-cleanup/qiaquick-pcr-purification-kit |
2'-deoxyadenosine 5'-triphosphate (dATP) | Promega | U1201 | 100 mM | http://www.promega.com/products/pcr/routine-pcr/deoxynucleotide-triphosphates-_dntps_/ |
Klenow Fragment (3'→5' exo-) | New England Biolabs | M0212L | 5,000 units/ml | https://www.neb.com/products/m0212-klenow-fragment-3-5-exo |
MinElute PCR Purification Kit | Qiagen | 28004 | Used for DNA product purification in protocol step 3.3 | http://www.qiagen.com/products/catalog/sample-technologies/dna-sample-technologies/dna-cleanup/minelute-pcr-purification-kit |
T4 DNA Ligase | New England Biolabs | M0202M | 2,000,000 units/ml | https://www.neb.com/products/m0202-t4-dna-ligase |
Methylation Adapter Oligo Kit | Illumina | ME-100-0010 | ||
Agencourt AMPure XP | Beckman Coulter | A63881 | Used in protocol sections that implement magnetic bead purification steps (steps 4.3 and 8.2). Equilibrate to room temperature before use | https://www.beckmancoulter.com/wsrportal/wsrportal/wsr/research-and-discovery/products-and-services/nucleic-acid-sample-preparation/agencourt-ampure-xp-pcr-purification/index.htm?i=A63882#2/10//0/25/1/0/asc/2/A63882///0/1//0/ |
Pippin Prep Gel Cassettes, 2% Agarose, dye-free | Sage Science | CDF2010 | with internal standards | http://store.sagescience.com/s.nl/it.A/id.1036/.f |
Certified Low Range Ultra Agarose | Bio-Rad | 161-3106 | http://www.bio-rad.com/en-us/sku/161-3106-certified-low-range-ultra-agarose | |
Tris-Borate-EDTA (TBE) buffer | Sigma-Aldrich | T4415 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/t4415 | |
Ethidium bromide solution | Sigma-Aldrich | E1510 | 10 mg/ml | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/e1510 |
50 bp DNA Ladder | NEB | N3236S | https://www.neb.com/products/n3236-50-bp-dna-ladder | |
100 bp DNA Ladder | NEB | N3231S | https://www.neb.com/products/n3231-100-bp-dna-ladder | |
Gel Loading Dye, Orange (6X) | NEB | B7022S | https://www.neb.com/products/b7022-gel-loading-dye-orange-6x | |
Scalpel Blade No. 11 | Fisher Scientific | 3120030 | http://www.fishersci.com/ecomm/servlet/fsproductdetail?position=content&tab=Items&productId=11876776 | |
QIAquick Gel Extraction Kit | Qiagen | 28704 | http://www.qiagen.com/products/catalog/sample-technologies/dna-sample-technologies/dna-cleanup/qiaquick-gel-extraction-kit | |
EZ DNA Methylation Kit | Zymo Research | D5001 | Used in protocol step 6.2 | http://www.zymoresearch.com/epigenetics/dna-methylation/bisulfite-conversion/ez-dna-methylation-kits/ez-dna-methylation-kit |
EZ DNA Methylation-Lightning Kit | Zymo Research | D5030 | Alternative for step 6.2 | http://www.zymoresearch.com/epigenetics/dna-methylation/bisulfite-conversion/ez-dna-methylation-lightning-kit |
Universal Methylated Human DNA Standard | Zymo Research | D5011 | Used as bisulfite conversion control | http://www.zymoresearch.com/epigenetics/dna-methylation/methylated-dna-standards/universal-methylated-human-dna-standard |
FastStart High Fidelity PCR System | Roche | 03553426001 | http://lifescience.roche.com/shop/products/faststart-high-fidelity-pcr-system#tab-0 | |
Qubit dsDNA High Sensitivity Assay Kit | Life Technologies | Q32854 | A fluorescence-based DNA quantitation assay; used in protocol steps 1.1, 9.1 and 10.1 | http://www.lifetechnologies.com/order/catalog/product/Q32854 |
DynaMag-2 Magnet | Life Technologies | 12321D | https://www.lifetechnologies.com/order/catalog/product/12321D | |
High Sensitivity DNA Kit | Agilent Technologies | 5067-4626 | http://www.genomics.agilent.com/en/Bioanalyzer-DNA-RNA-Kits/High-Sensitivity-DNA-Analysis-Kits/?cid=AG-PT-105&tabId=AG-PR-1069 | |
2100 Bioanalyzer | Agilent Technologies | http://www.genomics.agilent.com/en/Bioanalyzer-System/2100-Bioanalyzer-Instruments/?cid=AG-PT-106&tabId=AG-PR-1001 | ||
PhiX Control v3 | Illumina | FC-110-3001 | http://www.illumina.com/products/phix_control_v3.ilmn | |
HiSeq 2500 | Illumina | http://www.illumina.com/systems/hiseq_2500_1500.ilmn | ||
Pippin Prep | Sage Science | http://www.sagescience.com/products/pippin-prep/ | ||
Qubit 2.0 Fluorometer | Life Technologies | Q32872 | http://www.lifetechnologies.com/order/catalog/product/Q32872 | |
TruSeq SR Cluster Kit v3-cBot-HS | Illumina | GD-401-3001 | http://www.illumina.com/products/truseq_sr_cluster_kit_v3-cbot-hs.ilmn | |
TruSeq SBS Kit v3-HS | Illumina | FC-401-3002 | http://www.illumina.com/products/truseq_sbs_kit_v3-hs.ilmn | |
TruSeq RNA Sample prep | Illumina | RS-122-2001 | Barcoded adapters used for multiplexing libraries; See Supplemental file for multiplexing protocol | http:/http://www.illumina.com/products/truseq-rna-access-kit.ilmn |
Microcentrifuge | ||||
Vortex Mixer | ||||
Dry Block Heater | ||||
Thermal Cycler | ||||
Water Bath | ||||
Gel electrophoresis system | ||||
Electrophoresis power supply | ||||
Gel doc | ||||
UV or blue light transilluminator |