Análisis de microbiota utilizando PCR de dos pasos y secuenciación genética de rRNA 16S de próxima generación

Resumen

Aquí se describe un procedimiento operativo estándar simplificado para la elaboración de perfiles de microbiomas mediante la secuenciación y el análisis metagenómicos de 16S rRNA utilizando herramientas disponibles gratuitamente. Este protocolo ayudará a los investigadores que son nuevos en el campo del microbioma, así como aquellos que requieren actualizaciones sobre los métodos para lograr el perfilado bacteriano a una resolución más alta.

Resumen

El intestino humano es colonizado por billones de bacterias que apoyan funciones fisiológicas como el metabolismo de los alimentos, la recolección de energía, y la regulación del sistema inmunológico. Se ha sugerido que la perturbación del microbioma intestinal sano desempeña un papel en el desarrollo de enfermedades inflamatorias, incluida la esclerosis múltiple (EP). Los factores ambientales y genéticos pueden influir en la composición del microbioma; por lo tanto, la identificación de comunidades microbianas vinculadas con un fenotipo de la enfermedad se ha convertido en el primer paso hacia la definición del papel del microbioma en la salud y la enfermedad. El uso de la secuenciación metagenómica de 16S rRNA para la generación de perfiles de la comunidad bacteriana ha ayudado a avanzar en la investigación del microbioma. A pesar de su amplio uso, no existe un protocolo uniforme para el análisis de perfiles taxonómicos basado según rRNA 16S. Otra limitación es la baja resolución de la asignación taxonómica debido a dificultades técnicas tales como lecturas de secuenciación más pequeñas, así como el uso de sólo lecturas hacia adelante (R1) en el análisis final debido a la baja calidad de lecturas inversas (R2). Es necesario un método simplificado con alta resolución para caracterizar la diversidad bacteriana en un bioespécme dado. Los avances en la tecnología de secuenciación con la capacidad de secuenciar lecturas más largas a alta resolución han ayudado a superar algunos de estos desafíos. La tecnología de secuenciación actual combinada con una canalización de análisis metagenómico disponible al público, como Divisive Amplicon Denoising Algorithm-2 (DADA2) basado en R, ha ayudado a avanzar en el perfilmicrobiano a alta resolución, ya que DADA2 puede asignar secuencia en el género y los niveles de especies. Aquí se describe una guía para realizar perfiles bacterianos utilizando amplificación en dos pasos de la región V3-V4 del gen rRNA 16S, seguido de un análisis utilizando herramientas de análisis disponibles libremente (es decir, DADA2, Phyloseq y METAGENassist). Se cree que este flujo de trabajo simple y completo servirá como una excelente herramienta para los investigadores interesados en realizar estudios de perfildeo de microbioma.

Introducción

Microbiota se refiere a una colección de microorganismos (bacterias, virus, arqueas, bacteriófagos y hongos) que viven en un entorno particular, y el microbioma se refiere al genoma colectivo de los microorganismos residentes. Como las bacterias son uno de los microbios más abundantes en humanos y ratones, este estudio se centra sólo en el perfil aseguir bacterias. El intestino humano es colonizado por billones de bacterias y cientos de cepas bacterianas¹. La microbiota intestinal normal desempeña un papel vital en el mantenimiento de un estado saludable en el huésped mediante la regulación de las funciones (es decir, el mantenimiento de una ba

Protocolo

El protocolo fue aprobado por el Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales de la Universidad de Iowa.

1. Recolección y Manipulación de Muestras Fecales

1. Esterilice las cajas divisoras (ver Tabla de Materiales, Figura Suplementaria 1)con 70% de etanol.
2. Pre-etiquetar tubos de microcentrífuga (uno por ratón) con el ID de muestra y el grupo de tratamiento (si corresponde).
3. Coloque los ratones en cajas divisoras esterilizadas y permítales defecar normalmente hasta 1 h.
4. Recoja los gránulos fecales en un tubo de microcentrífuga de 1,5 ml preetiquetado y preetiquetado

Resultados

Como las moléculas MHC clase II (HLA en humanos) son actores centrales en la respuesta inmune adaptativa y muestran fuertes asociaciones con una predisposición a MS^24,25,26, se hipotetizó que la molécula HLA clase II influiría en la composición microbiana intestinal. Por lo tanto, los ratones que carecían del gen MHC clase II (AE.KO) o expresaban el gen HLA-DQ8 humano (HLA-DQ8) se utilizaron para comprender la importancia...

Discusión

El protocolo descrito es simple, con pasos fáciles de seguir para realizar perfiles de microbioma utilizando la secuenciación metagenómica de rRNA 16S de un gran número de biorespecímenes de interés. La secuenciación de próxima generación ha transformado los estudios de ecología microbiana, especialmente en los modelos de enfermedades humanas y preclínicas^31,32. La principal ventaja de esta técnica es su capacidad para analizar con éxito composicione...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
1.5 ml Natural Microcentriguge Tube	USA, Scientific	1615-5500	Fecal collection
3M hand applicator squeegee PA1-G	3M, MN, US	7100038651	Squeeger for proper sealing of PCR Plate
Agencourt AMPure XP	Beckman Coulter, IN, USA	A63880	PCR Purification, NGS Clean-up, PCR clean-up
Agilent DNA 1000 REAGENT	Agilent Technologies, CA, USA	5067-1504	DNA quantification and quality control
Bioanalyzer DNA 1000 chip	Agilent Technologies, CA, USA	5067-1504	DNA quantification and quality control
Index Adopter Replacement Caps	Illumina, Inc., CA, USA	15026762	New cap for Index 1 and 2 adopter primer
DNeasy PowerLyzer PowerSoil Kit	MoBio now part of QIAGEN, Valencia, CA, USA	12855-100	DNA isolation
KAPA HiFi HotStart ReadyMiX (2X)	Kapa Biosystem, MA, USA	KK2602	PCR ready mix for Amplicon PCR1 and Indexed PCR2
Lewis Divider Boxes	Lewis Bins, WI, US	ND03080	Fecal collection
Magnetic stand	New England BioLabs, MA, USA	S1509S	For PCR clean-up
MicroAmp Fast Optical 96-Well Reaction Plate	Applied Biosystems, Thermo Fisher Scientific, CA, USA	4346906	PCR Plate
MicroAmp Optical Adhesive Film	Applied Biosystems, Thermo Fisher Scientific, CA, USA	4311971	PCR Plate Sealer
Microfuge 20 Centrifuge	Beckman Coulter, IN, USA	B30154	Centrifuge used for DNA isolation
MiSeq Reagent Kit (600 cycles)v.3	Illumina, Inc., CA, USA	MS-102-3003	For MiSeq Sequencing
Nextera XT DNA Library Preparation Kit	Illumina, Inc., CA, USA	FC-131-1001	16S rRNA DNA Library Preparation
Reagent Reservoirs Multichannel Trays	ASI, FL,USA	RS71-1	For Pooling of PCR2 Product
Plate Cetrifuge	Thermo Fisher Scientific, CA, USA	75004393	For PCR reagent mixing and removing air bubble from Plate
PhiX Control	Illumina, Inc., CA, USA	FC-110-3001	For MiSeq Sequencing control
Microbiome DNA Purification Kit	Thermo Fisher Scientific, CA, USA	A29789	For purification of PCR1 product
PowerLyzer 24 Homogenizer	Omni International, GA, USA	19-001	Bead beater for DNA Isolation
Qubit dsDNA HS (High Sensitivity) assay kit	Thermo Fisher Scientific, CA, USA	Q32854	DNA quantification
TruSeq Index Plate Fixture	Illumina, Inc., CA, USA	FC-130-1005	For Arranging of the index primers
Vertical Dividers (large)	Lewis Bins, WI, US	DV-2280	Fecal collection
Vertical Dividers (small)	Lewis Bins, WI, US	DV-1780	Fecal collection