G2-seq: Uma alta taxa de transferência baseada no sequenciamento técnica para identificar a tarde replicando regiões do genoma

Resumo

Nós descrevemos uma técnica de combinação de citometria de fluxo e sequenciamento de alto throughput para identificar regiões de replicação finais do genoma.

Resumo

Inúmeras técnicas têm sido desenvolvidas para acompanhar o progresso da replicação do DNA através da fase S do ciclo celular. A maioria destas técnicas tem sido direcionada para elucidação do local e hora de início da duplicação do genoma, ao invés de sua conclusão. No entanto, é fundamental que nós entendemos de regiões do genoma que são última para concluir a replicação, porque essas regiões sofrem níveis elevados de quebra cromossômica e mutação, e eles têm sido associados com doenças e envelhecimento. Aqui descrevemos como nós estendemos uma técnica que tem sido usada para monitorar a iniciação de replicação para em vez disso, identificar as regiões do genoma última a replicação completa. Esta abordagem é baseada em uma combinação de citometria de fluxo e sequenciamento de alto rendimento. Embora este relatório centra-se sobre a aplicação desta técnica a levedura, a abordagem pode ser usada com qualquer uma das células que pode ser classificada em um citômetro de fluxo de acordo com o conteúdo de DNA.

Introdução

Replicação do genoma eucariótico é iniciada em vários locais discretos, chamados origens de replicação, de que a replicação garfos procedem em ambas as direções (revistas em Fragkos et al, 2015¹). Origens variam em seu tempo e a eficiência de queima, e várias técnicas foram desenvolvidas para monitorar a atividade de origem de replicação e elucidar as causas desta variação. A atividade de origens individuais pode ser inferida níveis de single-stranded DNA², que se forma em torno de origens ativas, ou por meio de eletroforese em gel 2D para monitorar a replicação específico intermediários³, ambos os quais podem ser detectados com sondas radioactivas. Ambas estas técnicas são mais facilmente aplicadas em S. cerevisiae do que em células de mamíferos, porque origens limitam-se a sequências específicas de conhecido na antiga. Com o advento dos microarrays, tornou-se possível avaliar globalmente a disparar de origem. Isto foi feito primeiro pela rotulagem DNA com isótopos pesados, liberando as células de um bloco de G1 no médios contendo isótopos leves e monitoramento em seguida a formação de pesados-luz híbrido DNA através do genoma⁴. A introdução de sequenciamento de alto throughput permitiu semelhante genoma-monitoração de atividade de origem, sem a exigência de marcação isotópica caro. As células foram classificadas em um citômetro de fluxo de acordo com o conteúdo de DNA e seu DNA submetido ao sequenciamento profundo. Porque a cobertura de sequência procede de 1x a 2x ao longo da fase S, sincronismo de replicação relativo pode ser avaliado comparando leitura profundidades de células em fase S àqueles em G1 ou G2^5,6. Estas técnicas, particularmente aplicadas à levedura, levaram a uma compreensão mais profunda de como sequência de DNA, estrutura da cromatina e DNA replicação proteínas regulam eficiência e sincronismo de origem.

Transmissão fiel da informação genética durante a proliferação celular requer não só sucesso iniciação da replicação do DNA, que se realiza às origens, mas também a conclusão bem sucedida da replicação, que ocorre onde encontram forquilhas de replicação. Como iniciação da replicação, o momento da conclusão da replicação varia consoante o genoma com certas regiões restantes replicadas no mesmo final do ciclo celular. Tais regiões podem ser particularmente distantes origens de replicação ativa ou podem conter sequências ou estruturas de cromatina que impedem as polimerases de DNA. Tarde, replicar as regiões pode se manifestar como sítios frágeis, que são associados com quebras cromossômicas e maiores taxas de mutação e têm sido implicados no cancro e o envelhecimento^7,8,9. No entanto, apesar da importância da adequada conclusão da replicação do DNA na manutenção da estabilidade do genoma, nossa compreensão de onde e como isso ocorre tem lag muito atrás da iniciação da replicação. E enquanto os genes individuais cuja replicação final tem sido associada com doença têm sido estudados com, por exemplo, qPCR¹⁰, globais estudos dirigidos a elucidar as localizações e ultimamente tem faltado replicação de causas subjacentes. Aqui nós descrevemos uma técnica que chamamos como "G2 seq", no qual combinamos citometria de fluxo com sequenciamento de alto throughput para lançar luz sobre a conclusão da replicação do genoma em fermento¹¹. Com pequenas alterações, este protocolo pode ser adaptado a qualquer uma das células que pode ser de fluxo-classificados de acordo com o conteúdo de DNA.

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Protocolo

1. preparação de células para Flow Cytometry classificação

1. Inocular tubos de ensaio de 15 mL contendo 8 mL de caldo YEPD tal que as culturas atingem uma densidade de 5 x 10⁶ a 1,5 x 10⁷ células / mL após crescimento durante a noite (ver discussão Nota 1).
2. Spin para baixo de células de levedura (1.400 x g, à temperatura ambiente ou 4 ° C) em um tubo de centrifugação de tampa de rosca 15 mL por 5 min, Ressuspender as células em 1,5 mL de etanol a 70% e transferir para um tubo de microcentrífuga de 1,6 mL, deixando este sentar-se por 1h à temperatura ambiente ou pelo menos 3 h no gelo ( podem ser armazenados indefinidamente a 4 ° C) (ver ponto de discussão (2)).
3. Spin para baixo de células de levedura na microcentrífuga (14.000 x g, 4 ° C) por 1 min, resuspenda em citrato de sódio 1 mL 50 mM, pH 7,2, spin-down (14.000 x g, 4 ° C) por 1 min, aspirar o sobrenadante, resuspenda em citrato de sódio 1 mL 50 mM, pH 7,2 , contendo 0,25 mg/mL solução de RNAse h 1 a 50 ° C, ou durante a noite a 37 ° C em banho de água ou bloco térmico.
4. Adicionar 50 µ l solução de proteinase K (20 mg/mL resuspended em pH de Tris 10 mM 7,5, 2 mM CaCl₂, peso de 50% de glicerol de volume) e incubar durante 1 h a 50 ° C.
5. Spin para baixo de células (14.000 x g, 4 ° C), Ressuspender as células em 1 mL citrato de sódio 50 mM, pH 7,2, spin para baixo (14.000 x g, 4 ° C), aspirar o sobrenadante com vácuo, resuspenda em 1 mL 1 µM verde ácido nucleico estirpe resuspended em citrato de sódio 50 mM , pH 7,2 e incubar no escuro por 1h à temperatura ambiente, proceda à sonicação 2x para 2 s cada (2 watts de potência de saída).

2. célula de triagem

1. Usando um classificador de célula, tipo de células de acordo com o conteúdo de DNA em fases G1, S, "G2 precoce" e "tarde G2", recolha de pelo menos 1,6 milhões células haploides de cada fase do ciclo celular como na Figura 1 (ver ponto de discussão (3)).
2. Células de transferência para tubos de microcentrífuga e spin para baixo de células por 20 min a 14.000 x g a 4 ° C, na microcentrífuga e aspire o sobrenadante com vácuo (a pelota pode ser armazenada congelado a-20 ° C indefinidamente; ver discussão ponto (4)).

3. DNA extração e preparação de sequenciamento de bibliotecas

Nota: As etapas a seguir são baseadas em "protocolo" na extração de DNA genômico de levedura Kit (veja a Tabela de materiais).

1. Adicione 120 µ l de "Buffer de digestão," um buffer patenteado que permite que a enzima lítica de levedura digerir a parede celular e 5 µ l da enzima lítica de levedura, resuspenda vortexing e incubar a 37 ° C por 40-60 min.
2. Adicione 120 µ l de "Lise," uma reserva proprietária que contém detergente e difícil para 10-20 s de vórtice.
3. Adicionar 250 clorofórmio µ l - homogeneizar por 1 min.
4. Girar na velocidade máxima em uma microcentrífuga por 2 min.
5. Carrega o sobrenadante para a coluna de ligação de DNA e centrifugar a velocidade máxima em uma microcentrífuga por 1 min.
6. Adicione 300 µ l de "DNA lavagem Buffer," uma reserva proprietária que contém etanol e centrifugar por 1 min na velocidade máxima em uma microcentrífuga. Descartar o fluxo através de, adicionar 300 µ l de tampão de lavagem do DNA e repita o processo de lavagem.
7. Transferir a coluna de rotação para um tubo de microcentrífuga fresco, Adicionar 60 µ l de água (não TE) - Espere 3 min - 1 e em seguida centrifugar durante 10 s para Eluir o DNA.
8. Medir a concentração pela adição de 5 µ l de DNA para 195 µ l de reagente de alta sensibilidade de dsDNA que foi diluído 1: 200 em dsDNA buffer de alta sensibilidade e, em seguida, a medida de fluorescência em um dados, usando 10 µ l de fornecidos padrões para calibração; Espero que entre 10 e 50 ng do rendimento total do ADN.
9. Proceda à sonicação (pico incidente poder 450, Factor de serviço de 30%, ciclos por 200 Burst, tratamento tempo 60 s, nível de água 6) para separar o DNA em fragmentos de bp 250-350.
10. Preparar uma biblioteca usando o kit de preparação de amostra de DNA e sequência-(leituras de pelo menos 10 milhões 50 bp único-extremidade) do instrumento de sequenciamento de DNA no modo rápido (ver nota de discussão (5)).

4. análise de dados e geração de replicação de sequenciamento perfis

1. Alinhar sequências de Saccharomyces cerevisiae sacCer3 genoma usando Gsnap¹² (ver nota de discussão (6)).
2. Determine por-base par ler profundidades usando "genomeCoverageBed" software^{13 dos Bedtools}.
3. Remover artefactual picos nas profundezas de leitura, se presente (ver nota de discussão (7)).
4. Liso ler profundezas por cromossoma usando medianas em um 20KB deslizante janela usando a função "runMean" em R pacote "caTools" (ver nota de discussão (8)).
5. Trama ler profundezas em S fase precoce G2 e G2 atrasado como uma porcentagem de profundidades de leitura completamente replicadas (ver nota de discussão (9)).

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Resultados

Temos utilizado o procedimento descrito acima para identificar sites replicação finais no fermento de brotamento. Esta abordagem usando uma região de replicação final conhecida em um cromossomo artificial de teste provou a técnica para ser precisa e confiável. Nossos resultados também demonstraram a importância biológica da conclusão atempada da replicação, mostrando que uma tarde região replicam no cromossomo 7, que identificamos como replicação final com base nos nossos ...

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Discussão

Enquanto esta técnica é robusta e relativamente direta, deve ser prestada especial atenção ao seguinte:

(1) recomendamos que culturas crescem pelo menos 12 h antes que eles atinjam a fase de registo, desde que diferenças se manifestar no ciclo celular distribuições se culturas são colhidas após ter alcançado a densidade desejada apenas 4 h após a inoculação. Nossa suposição é que uma distribuição de ciclo celular que atingiu um equilíbrio relativamente estável melhor repres...

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Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
YeaStar Genomic DNA kit	Genesee Scientific	11-323
1 µM SYTOX Green	ThermoFisher	57020	resuspend in 50 mM sodium citrate, pH 7.2
50 mM sodium citrate, pH 7.2
RNase solution (0.25 mg / mL)	Sigma	R6513	0.25 mg / mL RNaseA resuspended in 50 mM sodium citrate, pH 7.2, boil RNase solution for 10 minutes before the first use only, and from then on store at -20°
proteinase K solution (20 mg / mL)	ThermoFisher / Invitrogen	25530-015	resuspend in 10 mM Tris, pH 7.5, 2 mM CaCl2, 50% glycerol, store at -20°C
Model 50 Sonic Dismembrator	Fisher Scientific	FB50A220
BD Biosciences FACSAria II	BD Biosciences	644832
Zymo-spin III columns	Zymo Research	C1005
Qubit dsDNA HS Assay Kit	ThermoFisher	Q32851
Qubit 3.0 Fluorometer	ThermoFisher	Q33216
Covaris Model LE220 Focused-Ultrasonicator	Covaris	500219
Illumina TruSeq DNA LT Sample Prep Kit	Illumina	15026486
Illumina HiSeq 2500 instrument	Illumina	SY–401–2501
gsnap alignment software	open source software / Genentech		http://research-pub.gene.com/gmap