Medindo o Número de Cópias de DNA Mitocondrial de Célula Única e a Heteroplasmia Usando a Reação em Cadeia da Polimerase de Gotículas Digitais

Aqui apresentamos um protocolo para medir o número absoluto de cópias mitocondriais (mt)DNA e os níveis de heteroplasmia de deleção do mtDNA em células únicas.

O DNA mitocondrial (mt) de mamíferos é uma molécula de DNA intramitocondrial pequena, circular, de fita dupla, que codifica 13 subunidades da cadeia de transporte de elétrons. Ao contrário do genoma nuclear diploide, a maioria das células contém muito mais cópias de mtDNA, variando de menos de 100 a mais de 200.000 cópias, dependendo do tipo de célula. O número de cópias do mtDNA é cada vez mais usado como um biomarcador para uma série de condições degenerativas e doenças relacionadas à idade e, portanto, a medição precisa do número de cópias do mtDNA está se tornando uma ferramenta fundamental em ambientes de pesquisa e diagnóstico. Mutações no mtDNA, muitas vezes ocorrendo como polimorfismos de nucleotídeo único (SNPs) ou deleções, podem existir em todas as cópias do mtDNA dentro da célula (denominada homoplasmia) ou como uma mistura de cópias de mtDNA mutadas e WT (denominadas heteroplasmia). As mutações heteroplasmáticas do mtDNA são uma das principais causas de patologia mitocondrial clínica, seja em doenças raras ou em um número crescente de doenças comuns de início tardio, como a doença de Parkinson. Determinar o nível de heteroplasmia presente nas células é um passo crítico no diagnóstico de doenças mitocondriais raras e em pesquisas destinadas a entender distúrbios comuns de início tardio em que as mitocôndrias podem desempenhar um papel. O número de cópias de mtDNA e a heteroplasmia têm sido tradicionalmente medidos por ensaios quantitativos baseados em (q)PCR ou sequenciamento profundo. No entanto, a recente introdução da tecnologia ddPCR forneceu um método alternativo para medir ambos os parâmetros. Ele oferece várias vantagens em relação aos métodos existentes, incluindo a capacidade de medir o número absoluto de cópias de mtDNA e sensibilidade suficiente para fazer medições precisas de células individuais, mesmo com números de cópia baixos. Apresentamos aqui um protocolo detalhado que descreve a medição do número de cópias de mtDNA em células individuais usando ddPCR, referido como PCR de geração de gotículas doravante, com a opção de medição simultânea de heteroplasmia em células com deleções de mtDNA. A possibilidade de expandir este método para medir a heteroplasmia em células com SNPs de mtDNA também é discutida.

O DNA mitocondrial (mt) de mamíferos é um genoma de DNA circular pequeno (aprox. 16,5 Kb) que reside na matriz mitocondrial que codifica 37 genes, compreendendo dois rRNAs, 22 tRNAs e 13 genes codificadores de proteínas¹. Ao contrário do genoma nuclear, que contém uma (haploide) ou duas cópias (diploide) de cada gene por célula, o mtDNA está presente em múltiplas cópias nas mitocôndrias de cada célula, variando de dezenas de cópias (por exemplo, espermatócitos maduros) a centenas de milhares de cópias (por exemplo, ovócitos)^2,3. Uma consequência dessa natureza multi-cópia é que mutações....

Todos os experimentos seguiram as diretrizes do ARRIVE e foram aprovados pelo Corpo de Revisão Ética do Bem-Estar Animal da Universidade de Cambridge (AWERB).

NOTA: Todas as etapas de preparação da amostra antes da geração de gotículas devem ser realizadas em uma área de trabalho pré-PCR limpa, idealmente em um gabinete esterilizado por UV, sempre que possível. O protocolo descrito aqui usa equipamentos específicos de PCR de geração de gotículas (consulte Tabela de Materi.......

Após a geração de gotículas, uma camada clara de gotículas opacas é visível flutuando sobre a fase de óleo em cada poço (Figura 1B). A formação de gotículas pode ser afetada negativamente pela presença de detergentes no lisado de entrada ao realizar experimentos em células individuais. Utilizando o protocolo de lise descrito em 2.1.2., rendimentos de gotículas acima do nível recomendado de 10.000 são rotineiramente alcançados, apesar da presença de uma pequena quantidade r.......

O protocolo descrito aqui é aplicável em uma ampla gama de tipos de células e espécies, além dos discutidos acima, embora a otimização cuidadosa de novos projetos de ensaio seja fundamental para garantir que a precisão e a repetibilidade do método sejam mantidas ao se afastar das combinações de primer/sonda previamente validadas. Ao trabalhar com células individuais, é vital garantir que a coleta de amostras seja realizada com a maior precisão possível (por exemplo, usando parâmetros rigorosos de célula .......

Obrigado ao Dr. L Bozhilova por conselhos sobre a análise estatística de dados de PCR de geração de gotículas. Obrigado ao Dr. H Zhang por fornecer os ovócitos usados para gerar dados na Figura 3C e na Figura 4B. Este trabalho foi realizado pela SPB na Unidade de Biologia Mitocondrial do Conselho de Pesquisa Médica (MC_UU_00015/9), Universidade de Cambridge, e financiado por uma bolsa de pesquisa principal da Wellcome Trust realizada pela PFC (212219/Z/18/Z).