Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
Method Article
Пиросеквенирующие анализы обеспечивают надежное и быстрое генотипирование однонуклеотидных полиморфизмов митохондриальной ДНК в гетероплазматических клетках или тканях.
Мутации в митохондриальном геноме (мтДНК) были связаны с генетическими заболеваниями, унаследованными по материнской линии. Тем не менее, интерес к полиморфизмам мтДНК возрос в последние годы из-за недавно разработанной способности создавать модели с помощью мутагенеза мтДНК и нового понимания связи между митохондриальными генетическими аберрациями и распространенными возрастными заболеваниями, такими как рак, диабет и деменция. Пиросеквенирование — это метод секвенирования путем синтеза, который широко используется в митохондриальном поле для рутинных экспериментов по генотипированию. Его относительная доступность по сравнению с методами массового параллельного секвенирования и простота реализации делают его бесценным методом в области митохондриальной генетики, позволяя быстро количественно определять гетероплазмию с повышенной гибкостью. Несмотря на практичность этого метода, его реализация в качестве средства генотипирования мтДНК требует соблюдения определенных руководящих принципов, в частности, чтобы избежать определенных предубеждений биологического или технического происхождения. В этом протоколе изложены необходимые шаги и меры предосторожности при разработке и внедрении пиросеквенирующих анализов для использования в контексте измерения гетероплазмии.
Митохондриальный геном существует в виде небольших (16,5 кб) кольцевых молекул (мтДНК), присутствующих во внутреннем компартменте митохондрий, называемом матрицей, и кодирует 13 субъединиц митохондриальной дыхательной цепи, а также тРНК и рРНК, необходимых для их трансляции in situ митохондриальной рибосомой1. Этот геном составляет примерно 1% всех белков, необходимых для функции митохондрий, остальная часть которых кодируется ядерной ДНК (нДНК). Обычно предполагается, что митохондрии происходят в результате эндосимбиотического слияния между альфа-протеобактериальным предком и предковой эукариотической клеткой. Как только этот гипотетический симбиоз произошел, генетическая информация митохондрий постепенно переносилась в ядро в течение эонов, что объясняет вышеупомянутую компактность мтДНК по сравнению с геномами современных цианобактерий2. Такой перенос генов наиболее убедительно подтверждается существованием длинных участков нДНК, которые высоко гомологичны последовательностям, обнаруженным в мтДНК. Эти ядерные митохондриальные последовательности (NUMT) являются распространенным источником неправильной интерпретации во время генотипирования, и необходимо принять определенные меры предосторожности, чтобы избежать ядерных предубеждений при генотипировании мтДНК3 (рис. 1A).
Еще одной отличительной особенностью мтДНК является то, что количество ее копий варьируется в зависимости от типа клетки, насчитывая от десятков до тысяч копий на клетку4. Из-за этой природы множественных копий мтДНК может содержать широкий спектр генотипов в одной клетке, что может привести к более непрерывному распределению аллелей в отличие от дискретных аллелей, связанных с ядерными генами, при рассмотрении зиготности хромосом. Эта гетерогенность митохондриальных аллелей называется митохондриальной гетероплазмией, которая обычно выражается в процентной распространенности данной мутации в процентах от общего количества мтДНК в данной клетке. Гетероплазмию можно противопоставить гомоплазмии, которая относится к уникальному виду мтДНК, присутствующему в клетке.
Измерение митохондриальной гетероплазмии представляет особый интерес при количественном определении доли молекул мтДНК, содержащих патогенные варианты. Такие варианты бывают в виде однонуклеотидных полиморфизмов (SNP), небольших инделов или крупномасштабных делеций5. Большинство людей гетероплазматичны в отношении патогенных вариантов; однако они не проявляют каких-либо клинических фенотипов, которые часто проявляются только при более высоких уровнях гетероплазмии патогенной мтДНК в явлении, называемом пороговым эффектом6. Хотя значения, связанные с патогенностью, сильно зависят от природы патогенной мутации и ткани, в которой она происходит, они обычно лежат выше 60% гетероплазмии7.
Существует несколько областей исследований, в которых распространено митохондриальное генотипирование. В области медицины тестирование или количественная оценка мутаций мтДНК может служить диагностическим критерием митохондриальных заболеваний, многие из которых имеют аберрации мтДНК в качестве источника5. В дополнение к изучению патогенных мутаций человека, распространенность животных моделей, содержащих патогенные SNP в мтДНК, вероятно, увеличится, учитывая недавнее появление редактирования митохондриальных оснований, обеспечиваемого митохондриально целевыми редакторами цитозиновых оснований, полученных из DddA (DdCBE)8, и деаминазами на основе TALE (TALED) для редактирования адениновых оснований9. Этот подход будет играть важную роль в понимании взаимодействия между аберрантными митохондриальными генотипами и возникающими в результате дисфункциями. Также продолжаются научные исследования по ремоделированию митохондриального генома для конечного использования в качестве терапевтической стратегии при митохондриальных заболеваниях человека с помощью подхода, известного как сдвиг гетероплазмии. Эта область исследований в первую очередь включает направление мутационно-специфических нуклеаз в митохондриальный матрикс; это приводит к преимущественной деградации патогенной мтДНК, что приводит к спасению фенотипа10,11,12,13. Любые эксперименты, связанные с ремоделированием митохондриального генотипа, требуют надежного количественного метода для оценки сдвигов гетероплазмии.
Для генотипирования мтДНК используется широкий спектр методов, которые варьируются в зависимости от характера мутации. Методы секвенирования следующего поколения (NGS) более точны, когда речь идет о количественном определении SNP в мтДНК; Однако эти методы остаются непомерно дорогими для рутинной количественной оценки митохондриальной гетероплазмии, особенно если количество образцов невелико. Секвенирование по Сэнгеру также может позволить обнаруживать SNP; Однако этот подход не является количественным и часто не позволяет обнаружить низкие уровни гетероплазмии или может быть неточным при оценке высоких гетероплазмий. Пиросеквенирование, как анализ, который включает минимальную подготовку и позволяет быстро количественно определить гетероплазмию для любого образца мтДНК, предлагается в качестве подходящего компромисса между этими двумя крайностями. Этот метод регулярно использовался для количественной оценки митохондриальных SNP многочисленными исследователями в различных контекстах, включая судебно-медицинский анализ 14,15, клинический диагноз16 или генотипирование мтДНК из отдельных клеток17.
Этот анализ включает в себя первый этап преамплификации ПЦР области, фланкирующей SNP в мтДНК, за которым следует анализ секвенирования путем синтеза с использованием одной цепи ранее сгенерированного ампликона. Один из двух праймеров, используемых на стадии преамплификации, должен быть биотинилирован на 5'-конце, что позволит пиросеквенирующему аппарату изолировать одну цепь ДНК, которая будет использоваться в качестве матрицы для реакции секвенирования. Затем третий праймер для секвенирования отжигают на сохраненную биотинилированную цепь, что позволяет зарождающемуся синтезу ДНК в виде дезоксинуклеотидов распределяться в заранее определенном порядке в реакционную камеру. Пиросеквенсор записывает количество каждого включенного основания на основе люминесцентного считывания, что позволяет проводить относительную количественную оценку мутантных и митохондриальных аллелей дикого типа при синтезе ДНК (рис. 1B). Люминесценция генерируется ферментом люциферазы, который излучает свет в присутствии АТФ, который АТФ-сульфурилаза синтезирует de novo при каждом событии включения из пирофосфатов, высвобождаемых каждым нуклеотидом. Эти две реакции можно резюмировать следующим образом:
1. PPi (от включения нуклеотидов) + APS → АТФ + сульфат (АТФ-сульфурилаза)
2. АТФ + люциферин + О2 → АМФ + РРi + оксилюциферин +СО2 + свет (люцифераза)
Обнаружение адениновых оснований пиросеквенсором без перекрестной реакции АТФ с люциферазой во второй реакции является сложной задачей. Однако это решается с помощью аналога аденина для синтеза ДНК, а именно dATPαS. Несмотря на то, что он не является идеальным субстратом для люциферазы, он производит более сильную люминесценцию по сравнению с тремя другими нуклеотидами, которая регулируется пиросеквенсором в цифровом виде и устанавливается на коэффициент 0,9. Из-за этой присущей изменчивости рекомендуется избегать секвенирования аденина в положении SNP (см. обсуждение для получения дополнительной информации).
В следующем протоколе подробно описывается метод оценки гетероплазмии мтДНК путем пиросеквенирования и излагаются необходимые меры предосторожности при разработке амплификационных праймеров, чтобы избежать биологической или технической предвзятости при генотипировании SNP в мтДНК. Последнее включает в себя цифровую съемку и выбор наборов праймеров, оптимизацию ПЦР с предварительной амплификацией и, наконец, секвенирование и уточнение анализа. Продемонстрированы два прикладных примера: во-первых, оптимизация наиболее распространенного патогенного варианта человека m.3243A>G18 и, во-вторых, генотипирование клеток эмбриональных фибробластов мыши (MEF), подвергшихся гетероплазменному сдвигу, с использованием технологий, разработанных в лаборатории Минчука в Кембридже 10,11,12,19,20,21,22.
Было предоставлено информированное согласие на использование клеток кибридов человека 3243A>G и иммортализированных MEF m.5024C>T, используемых в этом исследовании. В этом случае не требовалось этического одобрения, поскольку клетки пациентов не были собраны в Кембриджском университете. Однако использование фибробластов человека может потребовать этического одобрения. Настоятельно рекомендуется следовать рекомендациям по настройке ПЦР при подготовке образца ДНК к пиросеквенированию. Частая амплификация с использованием идентичных праймеров может привести к контаминации ампликонов и внести смещение в последующее генотипирование, если не наблюдается строгого разделения между областями до и после ПЦР. В представленном здесь трубопроводе используется специальное оборудование от одного производителя; подробности можно найти в Таблице материалов. Дизайн праймера для ПЦР может быть выполнен вручную при желании; однако для этой цели рекомендуется использовать существующее программное обеспечение (см. Таблицу материалов).
1. Проектирование пиросеквенирующей грунтовки и выбор анализа
2. Оптимизация ПЦР с предварительной амплификацией
3. Настройка и запуск прибора
ПРИМЕЧАНИЕ: После того, как этап ПЦР в предыдущем разделе оптимизирован, следующий шаг включает программирование пиросеквенсора с правильной нуклеотидной последовательностью для анализа конкретного SNP. Это включает в себя ввод 10 оснований непосредственно после 3'-конца праймера секвенирования. Это подробно описано в следующем разделе.
4. Получение результата
В этом разделе представлен пример оптимизации пиросеквенирующего анализа патогенной мутации мтДНК человека, а также данные секвенирования генотипирования гетероплазматических (m.5024C>T) эмбриональных фибробластов (MEF) мышей, обработанных митохондриальными нуклеазами цинкового пальца ...
Важнейшим аспектом успеха протокола является предотвращение загрязнений, особенно при использовании небольшого количества исходного материала. Рекомендуется использовать УФ-колпак и фильтрованные наконечники пипеток при подготовке образцов, где это возможно, а также разделять обл?...
М.М. является соучредителем, акционером и членом Научно-консультативного совета Pretzel Therapeutics, Inc. P.S.-P. и P.A.N. предоставляют консультационные услуги для Pretzel Therapeutics, Inc.
Выражаем благодарность Сильвии Марше (Silvia Marchet) и Констанце Ламперти (Istituto Neurologico "Carlo Besta", Fondazione IRCCS, Милан) за подготовку и предоставление цибридных клеток m.3243A>G, используемых в качестве иллюстративных примеров для этого протокола. Мы также хотели бы поблагодарить членов Группы митохондриальной генетики (MRC-MBU, Кембриджский университет) за полезное обсуждение в ходе этого исследования. Эта работа была поддержана основным финансированием Совета по медицинским исследованиям Великобритании (MC_UU_00015/4 и MC_UU_00028/3). .А.Н. и.С.-. дополнительно поддерживаются The Lily Foundation и The Champ Foundation соответственно.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
KOD Hot Start DNA Polymerase | Sigma-Aldrich | 71086 | |
PyroMark Assay Design 2.0 | QIAGEN | ||
Pyromark Q48 Absorber Strips | QIAGEN | 974912 | |
PyroMark Q48 Advanced CpG Reagents (4 x 48) | QIAGEN | 974022 | |
Pyromark Q48 Autoprep | QIAGEN | 9002470 | |
PyroMark Q48 Cartridge Set | QIAGEN | 9024321 | |
Pyromark Q48 Disks | QIAGEN | 974901 | |
Pyromark Q48 Magnetic beads | QIAGEN | 974203 | |
PyroMark Q48 Software License (1) | QIAGEN | 9024325 |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены