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要約

ここでは、ヒト細胞におけるモロニーマウス白血病ウイルスベースのレトロウイルスベクターの組み込み部位のゲノムワイドマッピングのためのプロトコールについて記載する。

要約

モロニーマウス白血病(MLV)ウイルスベースのレトロウイルスベクターは、主にアセチル化エンハンサーおよびプロモーターに組み込まれる。この理由から、mLV組込み部位は、活性調節エレメントの機能的マーカーとして使用することができる。ここでは、細胞特異的エンハンサーおよびプロモーターのゲノムワイドな同定を可能にするレトロウイルススキャニングツールを紹介します。簡潔には、標的細胞集団をmLV由来ベクターで形質導入し、ゲノムDNAを頻繁に切断する制限酵素で消化する。適合するDNAリンカーでゲノム断片をライゲーションした後、リンカー媒介ポリメラーゼ連鎖反応(LM-PCR)により、ウィルス - ホストゲノム接合の増幅が可能になる。アンプリコンの大規模な配列決定は、全ゲノムのmLVインテグレーションプロファイルを定義するために使用されます。最後に、細胞型特異的転写プログラムの活性化に関与する細胞特異的調節領域を同定するために、反復インテグレーションのクラスターを定義する。

例えば、体細胞幹細胞)の遡及的同定のための道具技術を表す。

概要

細胞同一性は、特定の遺伝子セットの発現によって決定される。プロモーターおよびエンハンサーのようなシス調節要素の役割は、細胞型特異的転写プログラムの活性化にとって重要である。これらの調節領域は、特異的ヒストン修飾、転写因子および補因子結合、およびクロマチン接近可能性などの特定のクロマチン特徴によって特徴づけられ、いくつかの細胞タイプ1,2,3 においてそのゲノムワイド同定に広く使用されている。特に、ヒストンH3リジン27(H3K27ac)のアセチル化のゲノムワイドプロファイルは、一般に、活性プロモーター、エンハンサーおよびスーパーエンハンサー4,5,6を定義するために使用される。

モロニーマウス白血病ウイルス(MLV)は、遺伝子に広く使用されているガンマ - レトロウイルスである哺乳動物細胞での転移。標的細胞を感染させた後、レトロウイルスRNAゲノムは、ウイルスおよび細胞タンパク質に結合して、前組み込み複合体(PIC)を構築する二本鎖DNA分子に逆転写される。 PICは核に入り、宿主細胞のクロマチンに結合する。ここで、重要なPIC成分であるウィルスインテグラーゼは、プロウイルスDNAの宿主細胞ゲノムへの組み込みを媒介する。ゲノムDNAにおけるmLVの組込みは、ランダムではなく、細胞特異的様式で、プロモーターおよびエンハンサーのような活性なシス調節エレメントにおいて起こる(7,8,9,10)。この特有の組込みプロファイルは、mLVインテグラーゼと細胞ブロモドメインおよび外胚葉ドメイン(BET)タンパク質11,12,13との間の直接的相互作用によって媒介される。 BETタンパク質(BRD2、BRD3、およびBRD4)は、宿主のクロマチンとmLV PICとの間の橋渡しとして作用する:それらのブロモドメインを介して、高度にアセチル化されたシス調節領域を認識するが、外側のドメインはmLVインテグラーゼ11,12,13と相互作用する。

ここでは、mLVの統合特性に基づいて活性なシス調節領域をマッピングするための新規ツールであるレトロウイルススキャニングについて説明します。簡潔に述べると、細胞は、増強緑色蛍光タンパク質(eGFP)レポーター遺伝子を発現するmLV由来レトロウイルスベクターで形質導入される。ゲノムDNA抽出後、mLVベクターの3 '末端反復配列(LTR)とゲノムDNAとの間の接合部をリンカー媒介PCR(LM-PCR)によって増幅し、大量配列決定する。 mLV組み込み部位はヒトゲノムにマッピングされ、mLVによって高度に標的化されるゲノム領域はmLV組み込み部位のクラスターとして定義される。

レトロウイルススキャンいくつかのヒト初代細胞14,15 において、細胞特異的活性調節エレメントを定義するために使用された。エピジェネティックに定義されたプロモーターおよびエンハンサー(ほとんどがH3K27acなどの活性ヒストンマークを有し、細胞特異的である)と共マップされたmLVクラスターである。レトロウイルススキャニングは、前向きに単離された細胞集団7,14、ならびにケラチノサイト幹細胞のような遡及的に規定された細胞集団において、将来の単離のための有効なマーカーを欠くゲノムワイドな同定を可能にする15

プロトコル

1.ヒト細胞のMLV形質導入

  1. 標的細胞を単離し、eGFPレポーター遺伝子を有し、水疱性口内炎ウイルスG(VSV-G)または両性エンベロープ糖タンパク質16でシュードタイピングしたmLV由来レトロウイルスベクターでそれらを形質導入する。
    1. 以下の分析のために、偽形質導入細胞を陰性対照として保つ。 mLVベースのレトロウイルスベクターは効率的に分裂している細胞に形質導入できるので、細胞分裂を刺激する条件で標的細胞集団を培養する。形質導入条件は、研究中の各細胞型について特異的に最適化する必要がある。ヒト造血前駆体、T細胞および表皮細胞の細胞増殖および形質導入条件は参考文献7,14,15および17に記載されている。
  2. 形質導入の48時間後、2%ウシ胎仔血清を含むリン酸緩衝食塩水(PBS)300μLに100,000細胞を再懸濁し、eGFP発現をf低サイトメトリー分析(488nm励起レーザー)。陰性対照として偽形質導入細胞を使用する。最適な組込み部位検索のために、蛍光活性化細胞選別(FACS)によりGFP +細胞を精製する。
  3. ゲノムDNA調製のために0.5〜500万個の細胞を収集する。分化していないプロウイルスを希釈するためにはより長い培養期間(> 7日間)が好ましく、 真正幹細胞の長期間の子孫を分析する場合には必要である( 討論欄および参考文献15参照)。細胞ペレットをスナップ凍結し、使用するまで-80℃で保存することができます。

リンカー媒介PCR(LM-PCR)によるmLV組み込み部位の増幅は、

  1. ゲノムDNA(gDNA)の調製
    1. カラムベースのDNA抽出キットを使用してgDNAを抽出し、製造元の指示に従って培養細胞のプロトコールに従う。
  2. 制限酵素消化
    1. 1.5 mLのチューブで1サンプルあたり4つの制限酵素消化を設定します。 1μLのTru9I(10U)と1μLのBuffer Mを最終容量10μLで加えることにより、各チューブに0.1〜1μggDNAを消化する。反応液を65℃で6時間または一晩インキュベートする。
    2. 各反応物に1μLのPstI(10U)、1μLの緩衝液Hおよび8μLの水を加える。 37℃で6時間または一晩反応をインキュベートする。サンプルは使用するまで-20℃で保存することができます。
  3. リンカーライゲーション
    1. 100μM濃度のリンカープラス鎖およびリンカーマイナス鎖オリゴヌクレオチドを混合することにより、1.5mLチューブ中の100μMのTru9Iリンカーストック溶液を調製する。チューブを100℃にセットした水に入れ、室温で冷却させます。 Tru9Iリンカーストック溶液は、使用するまで-20℃で保存することができます。
    2. 1.5mLのチューブで8個のリンカーライゲーション反応をセットアップする。各反応について、以下の成分10μLの制限酵素消化:1.4μLの10X T4 DNAリガーゼ反応緩衝液、1μLの10μMリンカーTru9I、1μL(2,000U)のT4 DNAリガーゼおよび0.6μLの水。 16℃で3〜6時間インキュベートする。サンプルは使用するまで-20℃で保存することができます。
  4. 最初のPCR
    1. 0.2mLチューブ中で48のPCR反応(各ライゲーションチューブから6反応)をセットアップする。各PCRについて、以下の試薬を2μLのライゲーション反応に添加する:5μLの10X PCRバッファー、2μLの50 mM硫酸マグネシウム、1μLの10 mMデオキシヌクレオチド(dNTP)Mix、1μLの10μMリンカープライマー、1 10μMmLV-3'LTRプライマーμL、Taq DNAポリメラーゼ0.3μL(1.5U)および水37.7μLを添加した。プライマー配列を表1に示す。
    2. 次のように、加熱された蓋付きのサーマルサイクラーでPCR反応を行います:95℃で2分間; 95℃で15秒、55℃で30秒、72℃で1分のサイクルを25サイクル; 72°; 5分間C; 4℃で保持する。サンプルは使用するまで-20℃で保存することができます。
  5. 第2のPCR
    1. 0.2mLチューブ中で48のPCR反応(各「最初のPCR」チューブから1つ)をセットアップする。各PCRについて、以下の成分を2μLの第1のPCR反応に加える:5μLの10X PCR緩衝液、2μLの50mM硫酸マグネシウム、1μLの10mM dNTP Mix、1μLの10μMリンカーネスト化プライマー、1μL 10μMのmLV-3'LTR入れ子プライマー、0.3μLのTaq DNAポリメラーゼ(1.5U)および37.7μLの水を含む。選択された特定の巨大な配列決定戦略のために設計されたネストされたプライマーを使用する:(i)リンカーネストプライマーおよびイルミナプラットフォームと適合するmLV-3 'LTRネストプライマー; (ii)Rocheプラットフォームに適合するリンカーネステッドプライマーおよびmLV-3'LTRネストプライマー。プライマー配列を表1に示す
    2. 次のように、加熱された蓋付きのサーマルサイクラーでPCR反応を行います:95℃で2分間; 2595℃で15秒、58℃で30秒、72℃で1分のサイクル; 72℃で5分間; 4℃で保持する。サンプルは使用するまで-20℃で保存することができます。
    3. 48 mLの入れ子になったPCR反応液を15 mLチューブ(最終容量〜2.4 mL)にプールする。サンプルは使用するまで-20℃で保存することができます。
  6. アガロースゲル電気泳動によってLM-PCR産物の存在およびサイズを決定する。
    1. 4μLのLoading Bufferを20μLのLM-PCR産物に加え、サンプルを100 bp DNAラダーとともに1%アガロースゲルにロードします。ゲルを5V / cmで30〜60分間泳動し、エチジウムブロマイド染色によってPCR産物を視覚化する。
    2. ネガティブコントロールとして偽形質導入サンプルからLM-PCR反応を行う。
  7. 0.1容量の酢酸ナトリウム溶液(3M; pH5.2)および2.5容量の100%エタノールを加えることによってアンプリコンを沈殿させる。混合し、-80℃で20分間凍結させる。
    1. フーでスピン標準微量遠心分離機で4℃、20分間スピードアップします。上清を捨て、ペレットを70%エタノールで洗浄する。 4℃で5分間標準マイクロ遠心分離機で最高速度でスピンします。
    2. 上清を捨て、ペレットを空気乾燥する。 PCR等級の水200μLを加え、DNAを再懸濁する。サンプルは使用するまで-20℃で保存することができます。
  8. LM-PCR産物100μLにLoading Buffer20μLを添加し、サンプルを100%DNAラダーとともに1%アガロースゲルにロードします。
    1. ゲルを5V / cmで30〜60分間流し、150〜500bpのアンプリコンを含むゲル部分を切断する。
    2. カラムベースのゲル抽出キットでLM-PCR産物を精製し、UV分光光度計を使用して濃度を測定する。
  9. メーカーの指示に従って、バイオアナライザを使用してLM-PCR産物の長さを評価するために、1μLのライブラリーを使用する。
  10. アンプリコンの散布クローニング
    1. 20 ngの精製LM-PCR産物を使用し、pCR2.1-TOPOベクター中で製造業者の指示に従ってクローン化する。
    2. 得られた配列のゲノムマッピングを行ってM13ユニバーサルプライマーを用いたシークエンシング反応を行い、適切なサンプルを同定するためにクローンの> 50%のウイルスゲノム接合部(mLV-3 'LTRネストプライマーを含む)の存在を明らかにする大規模な配列決定のため。ウイルスゲノム接合部の例:
      figure-protocol-3938
      MLV-3 'LTRネストプライマー454およびリンカーネステッドプライマー454( 表1 )を太字で示し、ウイルスLTRの3'末端をイタリックで示す。ヒトゲノム配列は赤色のテキストで強調表示されている(chr10:6439408-6439509、hg19)。

3. mLV統合サイトの大規模配列決定

注:LM-PCRは市販のプラットフォームを使用して配列決定することができます(2回目のPCR反応で適切な入れ子になったプライマー対を選択します(2.5.1項を参照)。 Roche GS-FLXパイロシーケンシングプラットフォームによるシークエンシングについては、以前の論文7,14,15を参照してください。このセクションでは、Illuminaシーケンシングプラットフォームのために新たに最適化されたプロトコルについて説明します。

  1. 図書館の準備
    1. 0.2 mLのチューブで1サンプルあたり1回のインデックスPCR反応を設定します。各PCRについて、精製LM-PCR産物5μL(150-170ng)に以下の試薬を添加する:5μLのIndexPrimer1,5μLのIndexPrimer2,25μLの2X Master Mixおよび10μLのPCR-グレードの水。各サンプルに異なるインデックスの組み合わせを使用します。
    2. 次のように、加熱された蓋付きのサーマルサイクラーでPCR反応を行います:95℃で3分間; 95℃で30秒間、55℃で30秒間、72℃で30秒間の8サイクル; 72℃5mに; 4℃で保持する。
    3. 固相可逆固定(SPRI)ビーズ分離プロトコルを使用してPCR産物を精製する:新しい1.5mLチューブで、各サンプルにビーズ56μLを加え、製造業者の指示に従う。 25μLのTris-HCl(10mM)で溶出する。ライブラリは、使用するまで-20℃で保存することができます。
  2. ライブラリチェック
    1. バイオアナライザを使用してライブラリのサイズを評価するには、1μLのサンプルを使用します。
    2. メーカーの指示に従って、蛍光ベースのリアルタイムPCRアッセイを使用してライブラリーモル濃度を定量するために1μLのサンプルを使用します。
  3. ライブラリーの希釈およびシークエンシング
    1. Tris-HCl 10mMを用いて10nMにライブラリを希釈する。ライブラリーをプールするために、各希釈ライブラリー5μLを新しい1.5mLチューブに移し、次いでプールをTris-HCl 10mM中で4nMに希釈する。
    2. 5μLの希釈したプールを5μLの0.2N NaOHと新たに1.5mで混合する。Lチューブに入れ、短時間ボルテックスし、スピンダウンし、室温で5分間インキュベートしてライブラリーを変性させる。
    3. チューブを氷上に置き、予冷したハイブリダイゼーション緩衝液(HT1)990μLを加える。新しい1.5mLチューブに300μLの変性プールを分注し、300μLの予備冷却したHT1を添加して、10μM最終ライブラリープールを得る。
    4. 並行して、2mLのPhiXコントロールライブラリー(10nM)を3mLのTris-HCl 10mMと1.5mLのチューブに混合する。 5μLのNaOH 0.2Nを添加し、短時間ボルテックスし、スピンダウンし、室温で5分間インキュベートして、希釈したPhiXを変性させる。チューブを氷上に置き、予め冷却したHT1990μLを加える。
    5. 新たな1.5mLチューブに300μLの変性PhiXを分注し、予め冷却したHT1300μLを加えて10μMの最終PhiXを得る。
    6. 新しい1.5mLチューブに、変性ライブラリープール510μLを変性PhiXライブラリー90μLと混合し、15%PhiXコントロールを含む最終10pMプールを得る。
    7. これらのサンプル600μLをピペット容積を解凍したシーケンシング試薬カートリッジのロードサンプルリザーバーに入れ、直ちにシングルリード150サイクルを実行します。
      注:このプロトコールに必要な重要な試薬およびプライマー配列を表1に示します。

結果

レトロウイルススキャニング手順のワークフロー

レトロウイルススキャニング手順のワークフローは図1に図式化されてます。標的細胞集団を精製し、eGFPレポーター遺伝子を発現するmLV由来のレトロウイルスベクターで形質導入する。導入遺伝子には、2つの同一の長い末端反復...

ディスカッション

ここでは、クロマチン領域を標的とするレトロウイルスであるmLVの組込み部位のゲノムワイドマッピングのためのプロトコールについて記載し、活性化プロモーターおよびエンハンサーとしてエピジェネティックにマークした。プロトコルの重要なステップおよび/または限界には、(i)標的細胞集団のmLV形質導入; (ii)LM-PCRによるウイルス - 宿主接合部の増幅; (iii)集積部位の高い割合?...

開示事項

著者は何も開示することはない。

謝辞

この研究は、イタリア教育省、大学および研究省(FIRB-Futuro in Ricerca 2010-RBFR10OS4G、FIRB-Futuro in Ricerca 2012-RBFR126B8I_003)の欧州研究評議会(ERC-2010-AdG、GT-SKIN) 、EPIGEN Epigenomics Flagship Project)、イタリア保健省(若手研究者は2011年GR-2011-02352026)、Imagine Institute Foundation(フランス、パリ)があります。

資料

NameCompanyCatalog NumberComments
PBS, pH 7.4ThermoScientific10010031or equivalent
Fetal Bovine SerumThermoScientific16000044or equivalent
0.2 ml tubesgeneral lab supplier
1.5 ml tubesgeneral lab supplier
QIAGEN QIAmp DNA mini Kit QIAGEN51306or equivalent
T4 DNA ligase New England BioLabsM0202T
T4 DNA Ligase Reaction bufferNew England BioLabsM0202T
Linker Plus Strand oligonucleotidegeneral lab supplier5’-PO4-TAGTCCCTTAAGCGGAG-3’  (Purification grade: SDS-PAGE)
Linker Minus Strand oligonucleotidegeneral lab supplier5’-GTAATACGACTCACTATAGGGCTCCGCTTAAGGGAC-3’ (Purification grade: SDS-PAGE)
Tru9IRoche-Sigma-Aldrich11464825001
SuRE/Cut Buffer MRoche-Sigma-Aldrich11417983001
PstI Roche-Sigma-Aldrich10798991001
SuRE/Cut Buffer HRoche-Sigma-Aldrich11417991001
Platinum Taq DNA Polimerase High Fidelity Invitrogen11304011
10 mM dNTP MixInvitrogen18427013or equivalent
PCR grade watergeneral lab supplier
96-well thermal cycler (with heated lid)general lab supplier
linker primergeneral lab supplier5’-GTAATACGACTCACTATAGGGC-3’ (Purification grade: PCR grade)
MLV-3’ LTR primergeneral lab supplier5’-GACTTGTGGTCTCGCTGTTCCTTGG-3’ (Purification grade: PCR grade)
linker nested primer 454general lab supplier5’-GCCTTGCCAGCCCGCTCAG[AGGGCTCCGCTTAAGGGAC](Purification grade: SDS-PAGE)
MLV-3’ LTR nested primer 454general lab supplier5’-GCCTCCCTCGCGCCATCAGTAGC[GGTCTCCTCTGAGTGATTGACTACC](Purification grade: SDS-PAGE)
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MLV-3’ LTR nested primer Illuminageneral lab supplier5'-GTCTCGTGGGCTCGGAGATGTGTATAAGAGACAG-[GGTCTCCTCTGAGTGATTGACTACC](Purification grade: SDS-PAGE)
Sodium Acetate Solution (3M) pH 5.2general lab supplier
Ethanol (absolute) for molecular biologySigma-AldrichE7023or equivalent
Topo TA Cloning kit (with pCR2.1-TOPO vector)InvitrogenK4500-01
QIAquick Gel Extraction kitQIAGEN28704
AgaroseSigma-AldrichA9539or equivalent
Ethidium bromide Sigma-AldrichE1510or equivalent
100 bp DNA ladderInvitrogen15628019or equivalent
6x Loading BufferThermoScientificR0611or equivalent
NanoDrop 2000 UV-Vis SpectrophotometerThermoScientificND-2000
Nextera XT Index kitIlluminaFC-131-1001 or FC-131-1002
2x KAPA HiFi Hot Start Ready Mix KAPA BiosystemsKK2601
Dynal magnetic stand for 2 ml tubesInvitrogen12321Dor equivalent
Agencourt AMPure XP 60 ml kitBeckman Coulter GenomicsA63881
Tris-HCl 10 mM, pH 8.5general lab supplier
Agilent 2200 TapeStation systemAgilent TechnologiesG2964AAor equivalent
D1000 ScreenTapeAgilent Technologies5067-5582or equivalent
D1000 ReagentsAgilent Technologies5067-5583or equivalent
KAPA Library Quantification Kit for Illumina platforms (ABI Prism)KAPA BiosystemsKK4835
ABI Prism 7900HT Fast Real-Time PCR SystemApplied Biosystems4329003
NaOH 1.0 N, molecular biology-gradegeneral lab supplier
HT1 (Hybridization Buffer)Illumina Provided in the MiSeq Reagent Kit
MiSeq Reagent Kit v3 (150 cycles)IlluminaMS-102-3001
MiSeq SystemIlluminaSY-410-1003
PhiX Control v3IlluminaFC-110-3001

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