JoVE Logo
Faculty Resource Center
Authors
Librarians
High Schools
About

Sign In

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Representative Results

Discussion

Acknowledgements

Materials

References

Medicine

디지털 액적 중합효소 연쇄반응을 이용한 단세포 미토콘드리아 DNA 복제 수 및 이형질 측정

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

여기에서는 단일 세포에서 절대 미토콘드리아(mt)DNA 복제 수와 mtDNA 결실 이형질 수준을 측정하기 위한 프로토콜을 제시합니다.

포유류 미토콘드리아 (mt) DNA는 전자 수송 사슬의 13 개 서브 유닛을 암호화하는 작고 원형의 이중 가닥 미토콘드리아 내 DNA 분자입니다. 이배체 핵 게놈과 달리 대부분의 세포에는 세포 유형에 따라 100개 미만에서 200,000개 이상의 사본에 이르는 mtDNA 사본이 더 많이 포함되어 있습니다. MtDNA 복제 수는 여러 연령 관련 퇴행성 질환 및 질병에 대한 바이오마커로 점점 더 많이 사용되고 있으며, 따라서 mtDNA 복제 수의 정확한 측정은 연구 및 진단 환경 모두에서 핵심 도구가 되고 있습니다. 종종 단일 뉴클레오티드 다형성 (SNP) 또는 결실로 발생하는 mtDNA의 돌연변이는 세포 내 mtDNA의 모든 사본 (동형 플라즘이라고 함) 또는 돌연변이 및 WT mtDNA 사본의 혼합물 (이종 플라스미라고 함)로 존재할 수 있습니다. 이종질 mtDNA 돌연변이는 희귀 질환 또는 파킨슨병과 같은 점점 더 많은 일반적인 후기 발병 질환에서 임상 미토콘드리아 병리의 주요 원인입니다. 세포에 존재하는 이형질의 수준을 결정하는 것은 희귀 미토콘드리아 질환의 진단과 미토콘드리아가 역할을 할 수있는 일반적인 후기 발병 장애를 이해하기위한 연구에서 중요한 단계입니다. MtDNA 복제 수 및 이형질은 전통적으로 정량적 (q) PCR 기반 분석 또는 심층 시퀀싱에 의해 측정되었습니다. 그러나 최근 도입된 ddPCR 기술은 두 파라미터를 모두 측정하기 위한 대체 방법을 제공했습니다. 절대 mtDNA 복제 수를 측정할 수 있는 기능과 낮은 복제 수에서도 단일 세포에서 정확한 측정을 수행할 수 있는 충분한 감도를 포함하여 기존 방법에 비해 몇 가지 이점을 제공합니다. 여기에 제시된 것은 ddPCR을 사용하여 단일 세포에서 mtDNA 복제 수의 측정을 설명하는 자세한 프로토콜이며, 이후 액적 생성 PCR이라고 하며, mtDNA가 결실된 세포에서 이형질을 동시에 측정하는 옵션이 있습니다. mtDNA SNP를 가진 세포에서 이형질을 측정하기 위해이 방법을 확장 할 가능성도 논의된다.

포유류 미토콘드리아(mt)DNA는 2개의 rRNA, 22개의 tRNA 및 13개의 단백질 코딩 유전자로 구성된 37개의 유전자를 암호화하는 미토콘드리아 매트릭스에 상주하는 작은(약 16.5Kb) 원형 DNA게놈입니다. 세포당 각 유전자의 사본이 하나(반수체) 또는 두 개(이배체) 복제를 포함하는 핵 게놈과 달리 mtDNA는 각 세포의 미토콘드리아에 수십 개의 사본(예: 성숙한 정자세포)에서 수십만 개의 사본(예: 난모세포)에 이르기까지 여러 사본으로 존재합니다2,3. 이러한 다중 복제 특성의 결과는 단일 염기 다형성(SNP), 결실 또는 복제로 존재할 수 있는 mtDNA 게놈의 돌연변이가 주어진 세포에서 다양한 수준으로 존재할 수 있으며 세포의 전체 mtDNA 집단의 0%에서 100%까지 구성할 수 있다는 것입니다. 동일한 세포에 야생형 및 돌연변이 mtDNA 게놈이 존재하는 것을 이형질이라고 하며, 병원성 이형질 mtDNA 돌연변이는 미토콘드리아 질환의 주요 원인이며, 몇 가지 일반적인 신경 증후군이 근본적인 이형질 mtDNA 돌연변이와관련이 있습니다4.

Log in or to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

모든 실험은 REACH 지침을 따랐으며 캠브리지 대학 동물 복지 윤리 검토 기관 (AWERB)의 승인을 받았습니다.

알림: 액적 생성 전 모든 샘플 준비 단계는 깨끗한 사전 PCR 작업 영역, 가능하면 UV 멸균 캐비닛에서 수행해야 합니다. 여기에 설명된 프로토콜은 특정 액적 생성 PCR 장비( 재료 표 참조)를 사용하며, 일반적인 방법은 다른 시스템에도 적용할 수 있어야 하지만 ?.......

Log in or to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

액적 생성 후 불투명한 액적의 투명한 층이 각 웰의 오일 상 위에 떠 있는 것을 볼 수 있습니다(그림 1B). 액적 형성은 단일 세포에 대한 실험을 수행할 때 투입 용해물에 세제가 존재함으로써 악영향을 받을 수 있습니다. 2.1.2.에 설명된 용해 프로토콜을 사용하면 최종 샘플에 소량의 TWEEN-20이 존재함에도 불구하고 권장 수준인 10,000 이상의 액적 수율이 일상적으로 달성됩니다.......

Log in or to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

여기에 설명된 프로토콜은 위에서 논의한 것 외에도 광범위한 세포 유형 및 종에 적용할 수 있지만, 이전에 검증된 프라이머/프로브 조합에서 벗어날 때 분석법의 정확성과 반복성이 유지되도록 하려면 새로운 분석 설계의 신중한 최적화가 중요합니다. 단일 세포로 작업할 때 샘플 수집이 가능한 한 정확하게 수행되도록 하고(예: FACS로 세포를 분류할 때 엄격한 단일 세포 파라미터 사용) 얻은 결?.......

Log in or to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

액적 생성 PCR 데이터의 통계 분석에 대한 조언을 해주신 L Bozhilova 박사에게 감사드립니다. 그림 3C 및 그림 4B에서 데이터를 생성하는 데 사용되는 난모세포를 제공한 H Zhang 박사에게 감사드립니다. 이 작업은 캠브리지 대학의 의학 연구위원회 미토콘드리아 생물학 단위 (MC_UU_00015 / 9)의 SPB에 의해 수행되었으며 PFC (212219 / Z / 18 / Z)가 보유한 Wellcome Trust Principal Research Fellowship의 자금 지원을 받았습니다.

....

Log in or to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

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

  1. Taanman, J. W. The mitochondrial genome: structure, transcription, translation and replication. Biochimica Biophysica Acta. 1410 (2), 103-123 (1999).
  2. Wai, T., et al. The role of mitochondrial DNA copy number in mammalian fertility. Biology of Reproduction. 83 (1), 52-62 (2010).
  3. D'Erchia, A. M., et al. Tissue-specific mtDNA abundance from exome data and its correlation with mitochondrial transcription, mass and respiratory activity. Mitochondrion. 20, 13-21 (2015).
  4. Stewart, J. B., Chinnery, P. F. The dynamics of mitochondrial DNA heteroplasmy: implications for human health and disease. Nature Reviews: Genetics. 16 (9), 530-542 (2015).
  5. Durham, S. E., Samuels, D. C., Cree, L. M., Chinnery, P. F. Normal levels of wild-type mitochondrial DNA maintain cytochrome c oxidase activity for two pathogenic mitochondrial DNA mutations but not for m.3243A-->G. American Journal of Human Genetics. 81 (1), 189-195 (2007).
  6. Liu, H., et al. Wild-type mitochondrial DNA copy number in urinary cells as a useful marker for diagnosing severity of the mitochondrial diseases. PloS One. 8 (6), 67146 (2013).
  7. Filograna, R., et al. Modulation of mtDNA copy number ameliorates the pathological consequences of a heteroplasmic mtDNA mutation in the mouse. Science Advances. 5 (4), (2019).
  8. Wang, Y., et al. The increase of mitochondrial DNA content in endometrial adenocarcinoma cells: a quantitative study using laser-captured microdissected tissues. Gynecologic Oncology. 98 (1), 104-110 (2005).
  9. Boulet, L., Karpati, G., Shoubridge, E. A. Distribution and threshold expression of the tRNA(Lys) mutation in skeletal muscle of patients with myoclonic epilepsy and ragged-red fibers (MERRF). American Journal of Human Genetics. 51 (6), 1187-1200 (1992).
  10. Lee, J., Hyeon, D. Y., Hwang, D. Single-cell multiomics: technologies and data analysis methods. Experimental and Molecular Medicine. 52 (9), 1428-1442 (2020).
  11. Taylor, S. C., Laperriere, G., Germain, H. Droplet Digital PCR versus qPCR for gene expression analysis with low abundant targets: from variable nonsense to publication quality data. Scientific Reports. 7 (1), 2409 (2017).
  12. Hindson, C. M., et al. Absolute quantification by droplet digital PCR versus analog real-time PCR. Nature Methods. 10 (10), 1003-1005 (2013).
  13. Herbst, A., et al. Digital PCR quantitation of muscle mitochondrial DNA: age, fiber type, and mutation-induced changes. Journals of Gerontology. Series A: Biological Sciences and Medical Sciences. 72 (10), 1327-1333 (2017).
  14. O'Hara, R., et al. Quantitative mitochondrial DNA copy number determination using droplet digital PCR with single-cell resolution. Genome Research. 29 (11), 1878-1888 (2019).
  15. Diaz, F., et al. Human mitochondrial DNA with large deletions repopulates organelles faster than full-length genomes under relaxed copy number control. Nucleic Acids Research. 30 (21), 4626-4633 (2002).
  16. Krishnan, K. J., Bender, A., Taylor, R. W., Turnbull, D. M. A multiplex real-time PCR method to detect and quantify mitochondrial DNA deletions in individual cells. Analytical Biochemistry. 370 (1), 127-129 (2007).
  17. Lowes, H., Pyle, A., Duddy, M., Hudson, G. Cell-free mitochondrial DNA in progressive multiple sclerosis. Mitochondrion. 46, 307-312 (2019).
  18. Perier, C., et al. Accumulation of mitochondrial DNA deletions within dopaminergic neurons triggers neuroprotective mechanisms. Brain. 136, 2369-2378 (2013).
  19. Cossarizza, A., et al. Guidelines for the use of flow cytometry and cell sorting in immunological studies (second edition). European Journal of Immunology. 49 (10), 1457 (2019).
  20. Espina, V., et al. Laser-capture microdissection. Nature Protocols. 1 (2), 586-603 (2006).
  21. Cree, L. M., et al. A reduction of mitochondrial DNA molecules during embryogenesis explains the rapid segregation of genotypes. Nature Genetics. 40 (2), 249-254 (2008).
  22. Belmonte, F. R., et al. Digital PCR methods improve detection sensitivity and measurement precision of low abundance mtDNA deletions. Scientific Reports. 6, 25186 (2016).
  23. Samuels, D. C., Schon, E. A., Chinnery, P. F. Two direct repeats cause most human mtDNA deletions. Trends in Genetics. 20 (9), 393-398 (2004).
  24. Nissanka, N., Minczuk, M., Moraes, C. T. Mechanisms of mitochondrial DNA deletion formation. Trends in Genetics. 35 (3), 235-244 (2019).
  25. Macaulay, I. C., et al. Separation and parallel sequencing of the genomes and transcriptomes of single cells using G&T-seq. Nature Protocols. 11 (11), 2081-2103 (2016).
  26. Ludwig, L. S., et al. Lineage tracing in humans enabled by mitochondrial mutations and single-cell genomics. Cell. 176 (6), 1325-1339 (2019).
  27. Rooney, J. P., et al. PCR based determination of mitochondrial DNA copy number in multiple species. Methods in Molecular Biology. 1241, 23-38 (2015).
  28. Kamitaki, N., Usher, C. L., McCarroll, S. A. Using droplet digital PCR to analyze allele-specific RNA expression. Methods in Molecular Biology. 1768, 401-422 (2018).
  29. Maeda, R., Kami, D., Maeda, H., Shikuma, A., Gojo, S. High throughput single cell analysis of mitochondrial heteroplasmy in mitochondrial diseases. Scientific Reports. 10 (1), 10821 (2020).
  30. Quan, P. L., Sauzade, M., Brouzes, E. dPCR: A Technology Review. Sensors (Basel). 18 (4), (2018).
  31. Lin, X., Huang, X., Urmann, K., Xie, X., Hoffmann, M. R. Digital loop-mediated isothermal amplification on a commercial membrane. ACS Sensors. 4 (1), 242-249 (2019).
  32. Li, Z., et al. Fully integrated microfluidic devices for qualitative, quantitative and digital nucleic acids testing at point of care. Biosensors and Bioelectronics. 177, 112952 (2021).

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2024 MyJoVE Corporation. All rights reserved