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デジタル液滴ポリメラーゼ連鎖反応を用いた単一細胞ミトコンドリアDNAコピー数とヘテロプラスミーの測定(英語)

Published: July 12th, 2022

DOI:

10.3791/63870

1Department of Clinical Neurosciences, School of Clinical Medicine, University of Cambridge, Cambridge Biomedical Campus, 2Medical Research Council Mitochondrial Biology Unit, University of Cambridge, Cambridge Biomedical Campus

ここでは、単一細胞における絶対ミトコンドリア(mt)DNAコピー数とmtDNA欠失ヘテロプラスミーレベルを測定するためのプロトコルを紹介します。

哺乳類のミトコンドリア(mt)DNAは、電子伝達鎖の13サブユニットをコードする、小さな環状の二本鎖ミトコンドリア内DNA分子です。二倍体核ゲノムとは異なり、ほとんどの細胞にはmtDNAのコピーが多く含まれており、細胞の種類に応じて100コピー未満から200,000コピーを超える範囲です。MtDNAコピー数は、多くの加齢に伴う変性状態や疾患のバイオマーカーとしてますます使用されているため、mtDNAコピー数の正確な測定は、研究と診断の両方の設定において重要なツールになりつつあります。mtDNAの変異は、一塩基多型(SNP)または欠失として発生することが多く、細胞内のmtDNAのすべてのコピーに存在するか(ホモプラスミーと呼ばれる)、変異したmtDNAコピーとWTmtDNAコピーの混合物として存在する可能性があります(ヘテロプラスミーと呼ばれます)。ヘテロプラズマmtDNA変異は、希少疾患またはパーキンソン病などの一般的な遅発性疾患の増加のいずれかにおいて、臨床ミトコンドリア病理の主な原因です。細胞内に存在するヘテロプラスミーのレベルを決定することは、まれなミトコンドリア病の診断およびミトコンドリアが役割を果たす可能性のある一般的な遅発性疾患を理解することを目的とした研究において重要なステップです。MtDNAコピー数とヘテロプラスミーは、従来、定量的(q)PCRベースのアッセイまたはディープシーケンシングによって測定されてきました。しかし、ddPCR技術の最近の導入は、両方のパラメータを測定するための代替方法を提供しました。絶対mtDNAコピー数を測定する能力や、低いコピー数でも単一細胞から正確な測定を行うのに十分な感度など、既存の方法に比べていくつかの利点があります。ここでは、ddPCRを使用した単一細胞のmtDNAコピー数の測定を説明する詳細なプロトコル(以下、液滴生成PCRと呼びます)と、mtDNA欠失のある細胞のヘテロプラスミーを同時に測定するオプションを紹介します。mtDNA SNPを有する細胞のヘテロプラスミーを測定するためにこの方法を拡張する可能性についても議論されています。

哺乳類のミトコンドリア(mt)DNAは、ミトコンドリアマトリックスに存在する小さな(約16.5 Kb)環状DNAゲノムであり、2つのrRNA、22のtRNA、および13のタンパク質コード遺伝子で構成される37の遺伝子をコードしています1。細胞ごとに各遺伝子のコピーが1つ(一倍体)または2つ(二倍体)含まれる核ゲノムとは異なり、mtDNAは各細胞のミトコンドリアに複数のコピーとして存在し、数十コピー(成熟精母細胞など)から数十万コピー(卵母細胞など)の範囲で存在します2,3。このマルチコピーの性質の結果、一塩基多型(SNP)、欠失、または重複として存在する可能性のあるmtDNAゲノムの変異が、任意の細胞にさまざまなレベルで存在し、細胞の総mtDNA集団の0%から100%を占める可能性があります。同じ細胞内に野生型および変異型mtDNAゲノムが存在することはヘテロプラスミーと呼ばれ、病原性ヘテロプラズマmtDNA変異はミトコンドリア病の主な原因であり、いくつかの一般的な神経学的症候群が根底にあるヘテロプラスミックmtDNA変異に関連しています4。

ヘテロプラズマmtDNA変異が臨床疾患を引き起こす可能性に寄与する2つの重要なパラメータは、ヘテロプラスミーレベルとmtDN....

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すべての実験はARRIVEガイドラインに従い、ケンブリッジ大学動物福祉倫理審査機関(AWERB)によって承認されました。

注:液滴生成前のすべてのサンプル調製ステップは、清潔なプレPCR作業エリア、理想的には可能な限りUV滅菌キャビネットで実行する必要があります。ここで説明するプロトコルは、特定の液滴生成PCR装置( 材料の表を参照)を使用しており、一?.......

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液滴の生成後、各ウェルの油相の上に透明な液滴の透明な層が浮かんでいるのが見えます(図1B)。液滴形成は、単一細胞で実験を行う際の投入ライセート中の界面活性剤の存在によって悪影響を受ける可能性があります。2.1.2.に記載されている溶解プロトコルを使用すると、最終サンプルに少量のTWEEN-20が残っているにもかかわらず、推奨レベルの10,000を超える液滴収率?.......

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ここで説明するプロトコルは、上記以外にも幅広い細胞タイプおよび種に適用できますが、以前に検証されたプライマー/プローブの組み合わせから離れる際にメソッドの精度と再現性を維持するには、新しいアッセイデザインの慎重な最適化が重要です。単一細胞を扱う場合、得られた結果が個々の細胞の結果を真に反映していることを確認するために、サンプル収集が可能な限り正確に実.......

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液滴生成PCRデータの統計解析に関するアドバイスをくださったL Bozhilova博士に感謝します。図 3C および 図4Bのデータを生成するために使用される卵母細胞を提供してくれたH.Zhang博士に感謝します。この研究は、ケンブリッジ大学の医学研究評議会ミトコンドリア生物学ユニット(MC_UU_00015/9)のSPBによって実施され、PFCが保有するウェルカムトラストプリンシパルリサーチフェローシップ(212219 / Z / 18 / Z)によって資金提供されました。

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NameCompanyCatalog NumberComments
50% Tween-20 solutionNovex3005
Automated droplet-generating oil Bio Rad1864110Commercial oil formulation used to generate the oil/droplet emulsion (used in Protocol Step 4.1)
C1000 PCR machine with deep-well blockBio Rad1851197PCR thermocycler equipped with a deep-well heating block, used for cell lysis (Protocol Step 2.1.2.) and PCR cycling (Protocol Step 5)
Collection plate cooling blockBio Rad12002819Cooling block that keeps samples chilled during droplet generation (used in Protocol step 4.3)
ddPCR 96-well plates Bio Rad1200192596-well plates pipet tips designed for use in the QX200 AutoDG droplet generator, used for sample preparation (Protocol step 3.4) and droplet collection (Protocol step 4.3)
ddPCR droplet reader oil Bio Rad1863004Commercial oil formulation used by the droplet reader (used in Protocol step 6.1)
ddPCR Supermix for Probes (no dUTP)Bio Rad1863023Commercial supermix for use in ddPCR experiments utilising probes (used in Protocol Step 3.3)
DG32 automated droplet generator cartridges Bio Rad1864108Microfluidic cartridges used in the QX200 AutoDG droplet generator to generate the oil/droplet emulsion (used in Protocol Step 4.3)
Fetal bovine serumGibco10270-106Qualified fetal bovine serum
Foil plate covers Bio Rad1814040Foil plate covers used to seal droplet collection plates after droplet generation (used in Protocol step 4.6)
HEK 293T cellsTakara632180Commercial subclone of the transformed human embryonic kidney cell line, HEK 293, expressing the SV40 Large-T antigen
HeLa cellsECACC93021013Human cervix epitheloid carcinoma cells
High glucose DMEMGibco133453644.5g/L D-Glucose, with L-glutamine and sodium pyruvate
Human cybridsUniversity of Miami
Mouse embryonic fibroblasts Newcastle UniversityImmortalized from C57Bl/6 mice
Nuclease-free waterAmbionAM9937
PCR plate sealsPierceSP-0027Clear adhesive plate seals, only used pre-droplet generation (foil seal must be used in step 4.6)
Pipet Tip Waste BinsBio Rad1864125Disposable collection bin used to collect discarded tips in the QX200 AutoDG droplet generator (used in Protocol step 4.3)
Pipet tips for AutoDG system Bio Rad1864120Filtered pipet tips designed for use in the QX200 AutoDG droplet generator (used in Protocol step 4.3)
Primary human dermal fibroblast cellsNewcastle Biobank
Primers/ProbesIDTN/AExact primer/probe sequences will be assay dependent. Primers and probes used in this study are given in Table 1
Proteinase K 20 mg/mL solutionAmbionAM2546
PX1 PCR plate sealerBio Rad1814000Applies foil seals to ddPCR sample plates after droplet generation (used in Protocol Step 4.6)
QX Manager softwareBio Rad12012172Droplet reader set up & analysis software (used in Protocol Steps 6 & 7)
QX200 AutoDG droplet generatorBio Rad1864101Automated microfluidic droplet generator (used in Protocol Step 4)
QX200 droplet readerBio Rad1864003Droplet reader (used in Protocol Step 6)
Trizma pre-set crystals pH 8.3SigmaT8943-100G

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