Primer Capture Estensione: Recupero sequenza mirata da fonti DNA fortemente degradate

Biology
 

Summary

Vi presentiamo un metodo di recupero mirato antica sequenza di DNA, che abbiamo usato per ricostruire il genoma mitocondriale completo di cinque individui Neandertal. Confronto di queste sequenze con gli esseri umani oggi suggerisce che i Neanderthal avevano un lungo periodo bassa dimensione effettiva della popolazione.

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Briggs, A. W., Good, J. M., Green, R. E., Krause, J., Maricic, T., Stenzel, U., Pääbo, S. Primer Extension Capture: Targeted Sequence Retrieval from Heavily Degraded DNA Sources. J. Vis. Exp. (31), e1573, doi:10.3791/1573 (2009).

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Abstract

Vi presentiamo un metodo di recupero mirati sequenza di DNA da fonti di DNA che sono fortemente degradati e contaminati con il DNA microbico, come è tipico delle ossa antiche. Il metodo riduce notevolmente la distruzione del campione e le richieste relative al sequenziamento diretto della PCR o approcci di sequenziamento shotgun. Abbiamo usato questo metodo per ricostruire l'intero DNA mitocondriale (mtDNA) genomi di cinque Neanderthal provenienti da tutta la loro distribuzione geografica. La diversità genetica del DNA mitocondriale Neanderthal fine è stata di circa tre volte inferiore a quella del contemporaneo esseri umani moderni. Nonché l'analisi dell'evoluzione delle proteine ​​del mtDNA, questi dati suggeriscono che a lungo termine dimensione della popolazione effettiva di Neanderthal era più piccola di quella degli esseri umani moderni e di grandi scimmie esistenti.

Protocol

Questo metodo è stato utilizzato nella ricerca riportata in Briggs et al. Science 325 (5938). 318-321 (2009) .

Reagenti richiesti:

  • AmpliTaq Gold DNA polimerasi
  • 10x GeneAmp PCR Buffer II
  • MgCl2 25mM
  • dNTP mix, 25 mm ciascuno
  • BSA, 10 mg ml-1 in acqua
  • Biologia molecolare acqua di grado
  • EB tampone (fornito con il kit MinElute purificazione PCR), 10 mM Tris HCl, pH 8,5
  • MinElute PCR Purification Kit
  • M-270 streptavidina Dynabeads
  • 2x Binding e Wash (BW) buffer (2 M di NaCl, 10 mM Tris-Cl, 1 mM EDTA, pH 8.0, 0.2% Tween 20)
  • 1x Binding e Wash (BW) buffer (2x tampone 2X BindWash diluito in acqua)
  • Hot Wash (HW) buffer (2,5 mm MgCl, 1X Taq Oro tampone, 0,1% Tween 20)

Per informazioni sul produttore in materia di non-standard reagenti e attrezzature vediamo dopo tavola.

1) Biblioteca di amplificazione

  1. Il modello di DNA qui è una libreria di 454 preparata da una fonte a basso numero di copie del DNA, come descritto in (Rohland e Hofreiter, 2007a, 2007b) e (Maricic e Pääbo, 2009). Per amplificare l'intera biblioteca, preparare l'impasto seguenti PCR:
    Reagente microlitri per reazione
    Acqua 45
    10X Gene Amp PCR tampone II 10
    MgCl 2 (25mm) 10
    BSA (10 mg / ml) 2
    dNTPs (25 mm ciascuno) 1
    454 emPCR fwd primer/10uM 3
    454 emPCR RVS primer/10uM 3
    AmpliTaq Gold DNA polimerasi (5 U / mL) 1
    454 DNA stampo biblioteca 25
    Totale 100
  2. Utilizza il seguente programma PCR in un Thermo cycler per 14 cicli di amplificazione
    1. 95 ° C 12min
    2. 95 ° C '30
    3. 60 ° C (temperatura di ricottura o desiderato) 1 min
    4. 72 ° C 1 min
    5. Vai a 2 (x 13)
    6. 72 ° C 5min
    7. 10 ° C ∞
  3. Purificare la reazione sopra una colonna Qiagen giro MinElute secondo le istruzioni del produttore. Eluire in 50 microlitri di buffer EB.
  4. Quantificare il prodotto purificato amplificato e un aliquota della biblioteca non amplificata con qPCR (Meyer et al., 2007). Se il prodotto amplificato ha più di 1 X 10 12 copie per ul, ridurre la quantità di modello nella fase successiva estensione Primer per garantire che non più di 2 x 10 12 copie vengono aggiunti alla reazione di primer extension.

2) Primer Extension

  1. Preparare una master mix per il numero di reazioni.
    Reagente microlitri per reazione
    Acqua 45
    10X Gene Amp PCR tampone II 10
    MgCl 2 (25mm) 10
    BSA (10 mg / ml) 2
    dNTPs (25 mm ciascuno) 1
    454 emPCR fwd primer/10uM 3
    454 emPCR RVS primer/10uM 3
    AmpliTaq Gold DNA polimerasi (5 U / mL) 1
    454 DNA stampo biblioteca 25
    Totale 100
  2. Eseguire il seguente programma in un termociclatore per la reazione singolo primer extension:
    1. 95 ° C 12min
    2. 60 ° C (o il vostro PEC fondo ricottura temperatura se diverso) 1 min
    3. 72 ° C 5 min
    4. 72 ° C per sempre!

      PUNTO CRITICO Mantenere reazione dopo l'estensione a 72 ° C. Poi direttamente pipetta 150ul PBI o PB tampone per la depurazione QIAGEN MinElute nei tubi prima di togliere dal blocco di calore. Questo è importante per evitare di non-specifico fondo di ricottura e catturare il composto si raffredda.
  3. Purificare la reazione sopra una colonna Qiagen giro MinElute, secondo le istruzioni del produttore. Eluire in 50 microlitri EB.

3) estensione Capture prodotto

  1. Risospendere soluzione madre di M-270 perle vortexando. Estrarre 25 microlitri sospensione tallone per campione. Lavare due volte con le perline 500ul 2x BW buffer e risospendere in 25 microlitri di buffer 2xBW per campione.
  2. Aggiungere 25 microlitri eluato dal passo 2,3-25 microlitri sospensione perle dal punto 3.1. Mescolare poi ruotare per 15 minuti a temperatura ambiente.

    Raccomandati: tenere restante 5 ul dell'eluato dal punto 2.3 per la quantificazione qPCR.

  3. Trasferire il composto tutto in una nuova provetta 1,5 ml (questo aiuta a ridurre il riporto di non bersaglio frammenti biblioteca). Pellet il surnatante con il collettore di particelle magnetiche (MPC) e scartare il surnatante.
  4. Lavare 5 volte con 500 microlitri di buffer 1xBW (molti lavaggi aiutano a rimuovere come sfondo il più possibile). Dopo la fase di lavaggio scorso, centrifugare brevemente e rimuovere le ultime tracce di sopranatante.
  5. Aggiungere 500μl 1x Hot Wash (HW) buffer. Agitare per 2 minuti a 65 ° C (o 5C sopra il primer PEC Tm) su un blocco termico. Rimuovere il surnatante subito dopo questo, per ridurre al minimo il raffreddamento. (Questo passaggio è quello di rimuovere i frammenti di fondo ancora associato con primer PEC, ma non di fatto esteso durante la fase di estensione). Rimuovere le ultime tracce di sopranatante.
  6. Risospendere il pellet tallone in 30 microlitri di buffer EB. Trasferire il composto tutto in una nuova provetta 1,5 ml (questo aiuta a ridurre il riporto di non bersaglio frammenti biblioteca). Incubare a 95 ° C per 3 minuti in un termociclatore per l'eluizione. Posto nella MPC e rimuovere il supernatante, avendo cura di lasciare alle spalle le perline.

4) Acquisizione di amplificazione del prodotto

  1. Preparare una master mix PCR per il numero di campioni.
    Reagente microlitri per reazione
    Acqua 45
    10X Gene Amp PCR tampone II 10
    MgCl 2 (25mm) 10
    BSA (10 mg / ml) 2
    dNTPs (25 mm ciascuno) 1
    454 emPCR fwd primer/10uM 3
    454 emPCR RVS primer/10uM 3
    AmpliTaq Gold DNA polimerasi (5 U / mL) 1
    L'acquisizione dei prodotti eluiti 25
    Totale 100
  2. Utilizza il seguente programma PCR in un Thermo cycler per 14 cicli di amplificazione:
    1. 95 ° C 12min
    2. 95 ° C '30
    3. 60 ° C (temperatura di ricottura o desiderato) 1 min
    4. 72 ° C 1 min
    5. Vai a 2 (x 13)
    6. 72 ° C 5min
    7. 10 ° C ∞
  3. Purificare la reazione sopra una colonna di silice giro Qiagen MinElute secondo le istruzioni del produttore. Eluire in 50 microlitri di buffer EB. Il prodotto può essere ora utilizzato sia per un secondo round di cattura, a partire dal punto 2.1, o inserito direttamente in emulsione 454 Protocollo PCR, per il sequenziamento.

Rappresentante dei risultati:

E 'fortemente consigliato quando si inizia con il protocollo PEC per effettuare prima una reazione di cattura in cui una piccola quantità di una' sequenza positiva obiettivo di controllo '(ad esempio un ~ 100bp prodotto di PCR - 1 picogrammo è abbastanza facilmente) si mescola con il normale raccomandata quantità di amplificato 454 Template Library (vedi punto 2.1), e la cattura viene eseguita con un primer singolo PEC progettato per catturare il prodotto controllo positivo. Se questa reazione viene eseguito il controllo, qPCR con entrambi positivi di controllo specifico e 454 adattatore specifico per coppie di primer può essere usato per quantificare la quantità di 'obiettivo di controllo' contro di fondo nella reazione fondo purificato estensione (1,3), estensione del prodotto Primer (2,3 ) ed eluita prodotto di acquisizione tallone (3,6). In questo modo, sia l'efficacia della rimozione di fondo ("specificità") e l'efficienza di recupero di destinazione ("sensibilità") nella vostra condizioni sperimentali possono essere misurati direttamente.

Un successo PEC protocollo normalmente ha le seguenti caratteristiche -

Sensibilità (misurata dalla quantità di target di controllo mantenuto attraverso il protocollo):
Importo totale del target di controllo in eluiti prodotto di acquisizione tallone (3,6) = ~ 1-20% del totale in purificato estensione reazione Primer (2,3).

Di fondo (misurata da 454 coppia emPCR primer):
Importo totale di sfondo in eluita prodotto di acquisizione tallone (3,6) <0,01% del totale in reazione fondo purificato estensione (2,3).

Se c'è meno dell'1% del target rimanenti nel prodotto finale, il passo estensione primer può non hanno avuto successo e devono essere esaminati.

Se c'è molto di più dello 0,01% del fondo residuo nei prodotti finali, le fasi di lavaggio potrebbe essere stato erroneamente eseguito e deve essere indagato.

Discussion

Il metodo di PEC è semplice, veloce, sensibile e specifico. Quindi abbiamo le applicazioni prevedono più autori al di fuori del DNA antico, quali la cattura di piccoli frammenti di RNA da una libreria di RNA, gli interrogatori di variazione strutturale in un campione aggregato o la cattura di 16S (o di altri loci) diversità da un campione metagenomica. Un punto da ricordare è che la sensibilità di cattura si riduce il numero di PEC primer in un multiplex aumenta la cattura di reazione. PEC non è quindi ideale per la cattura delle regioni catturare molto grandi (ad esempio un megabase o più), ma è molto adatto per la cattura delle regioni obiettivo di piccole dimensioni o addirittura posizioni SNP da molti individui in modo rapido.

Acknowledgments

Ringraziamo M. Meyer per un consiglio; L'Accademia Croata delle Scienze e delle Arti e il Berlino-Brandeburgo Accademia delle Scienze per il supporto logistico e scientifico, e il Fondo per l'Innovazione del Presidente della Max Planck Society per il sostegno finanziario. JMG è stato sostenuto da una borsa post-dottorato internazionale NSF (OISE-0754461). Sequenze sono depositate presso la banca dati EBI nucleotide con i numeri di adesione: Neandertal 1 (Feldhofer 1) FM865407, Neandertal 2 (Feldhofer 2) FM865408, Sidron 1253 FM865409, Vindija 33,25 FM865410, Mezmaiskaya 1 FM865411

Materials

Name Company Catalog Number Comments
AmpliTaq Gold polymerase with GeneAmp PCR buffer II and MgCl2 Applied Biosystems N8080241
QIAGEN MinElute PCR purification kit Qiagen 28004
M-270 streptavidin beads Invitrogen 653.05
Tween-20 Sigma-Aldrich P2287
DynaMag-2 magnetic particle separator Invitrogen 120.02D

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Briggs, A. W., Good, J. M., Green, R. E., Krause, J., Maricic, T., Stenzel, U., Lalueza-Fox, C., Rudan, P., Brajkovic, D., Kucan, Z. Targeted retrieval and analysis of five Neandertal mtDNA genomes. Science. 325, (5938), 318-321 (2009).
  2. Rohland, N., Hofreiter, M. Comparison and optimization of ancient DNA extraction. Biotechniques. 42, (3), 343-352 (2007).
  3. Rohland, N., Hofreiter, M. Ancient DNA extraction from bones and teeth. Nat Protoc. 2, (7), 1756-1762 (2007).
  4. Maricic, T., Pääbo, S. Optimization of 454 sequencing library preparation from small amounts of DNA permits sequence determination of both DNA strands. Biotechniques. 46, (1), 51-57 (2009).
  5. Meyer, M., AW, B. riggs, Maricic, T., Hober, B., Hoffner, B., Krause, J., Weihmann, A., Paabo, S., Hofreiter, M. From micrograms to picograms: quantitative PCR reduces the material demands of high-throughput sequencing. Nucleic Acids Res. 36, (1), e5-e5 (2007).

Comments

9 Comments

  1. thank you for sharing ! PEC ,it`s still confused in my mind ,can you explain it more commonly ?

    Reply
    Posted by: Qiu Q.
    March 28, 2010 - 10:55 AM
  2. Do you have any recommendation in designing biotinylated primers?
    And, how many independent target biotin-primers could be pooled in a reaction?

    Reply
    Posted by: Anonymous
    September 15, 2010 - 2:08 AM
  3. Primer optimal Tm = 60C (the target-specific part of the primer). Avoid similarity to repetitive DNA elements.

    Up to 150 primers can be used in a single reaction, more are not recommended although it has not been not extensively tested

    Reply
    Posted by: Anonymous
    September 15, 2010 - 9:47 AM
  4. I read in the sup data from your original paper describing PEC that when designing primers you had also avoided complementarity to adaptors A and B. However it looks pretty much like these sequences are somewhat embargŒd by Roche. Of course, it is still possible to clone the adaptors but I guess you already did so (or managed getting the info from Roche?). Could you provide these seqs? Further, in your experience, are many primers discarded because of that kind of complementarity (guess that Roche designed the adaptors to only fit martian DNA:-)? Finally do you also check autocomplementarity of the spacer+specific primer sequences?
    Many thanks in advance!

    Reply
    Posted by: Anonymous
    October 6, 2010 - 8:28 AM
  5. Hi
    We used the Roche 454-FLX adaptor sequences, which are published (e.g. Margulies et al, Nature ²005). The 454-Titanium adaptor sequences may be embargŒd, I don't know. If you really can't get the sequences you wish to use you can try it without the filtering step in primer design - not many primers get discarded in the process I used (maybe 1% of designs). Illumina sequences are known if you can use that platform.

    Reply
    Posted by: Anonymous
    October 6, 2010 - 10:23 AM
  6. We haven't ever checked autocomplementarity of the primer and spacer sequence.

    Reply
    Posted by: Anonymous
    October 6, 2010 - 10:25 AM
  7. Were your oligos biotinylated with simple biotin or biotin TEG? What purification method did you choose (DSL, HPLC...)?

    Reply
    Posted by: Anonymous
    December 6, 2010 - 9:53 AM
  8. Many thanks in advance of course!

    Reply
    Posted by: Anonymous
    December 6, 2010 - 9:57 AM
  9. I used simple biotin and HPLC purification for the oligos.

    Reply
    Posted by: Anonymous
    December 6, 2010 - 10:04 AM

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