Name: measuring single-cell mitochondrial dna copy number and heteroplasmy using digital droplet polymerase chain reaction
Uploaded: 2022-07-12T13:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Measuring Single-Cell Mitochondrial DNA Copy Number and Heteroplasmy Using Digital Droplet Polymerase Chain Reaction at JoVE.com

תודה לד"ר ל. בוז'ילובה על הייעוץ לגבי הניתוח הסטטיסטי של נתוני PCR של דור טיפות. תודה לד"ר ה. ג'אנג על שסיפק את הביציות ששימשו להפקת נתונים באיור 3C ובאיור 4B. עבודה זו בוצעה על ידי SPB ביחידה לביולוגיה מיטוכונדריאלית של המועצה למחקר רפואי (MC_UU_00015/9), אוניברסיטת קיימברידג', ומומנה על ידי מלגת מחקר ראשית של Wellcome Trust המוחזקת על ידי PFC (212219/Z/18/Z).

כל הניסויים בוצעו בהתאם להנחיות ARRIVE ואושרו על ידי גוף הביקורת האתית לרווחת בעלי חיים של אוניברסיטת קיימברידג' (AWERB).
הערה: כל שלבי ההכנה לדוגמה לפני יצירת הטיפות חייבים להתבצע באזור עבודה נקי לפני PCR, באופן אידיאלי בארון מעוקר UV במידת האפשר. הפרוטוקול המתואר כאן משתמש בציוד PCR...

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

הפרוטוקול המתואר כאן ישים על פני מגוון רחב של סוגי תאים ומינים בנוסף לאלה שנדונו לעיל, אם כי אופטימיזציה זהירה של עיצובי בדיקה חדשים תהיה המפתח להבטיח שהדיוק והחזרתיות של השיטה נשמרים כאשר מתרחקים משילובי פריימר/בדיקה שאומתו בעבר. כאשר עובדים עם תאים בודדים, חיוני לוודא שאיסוף הדגימות מת?...

דנ"א מיטוכונדריאלי של יונקים (mt)DNA הוא גנום דנ"א מעגלי קטן (כ-16.5 קילובייט) השוכן במטריצה המיטוכונדריאלית המקודדת 37 גנים, הכוללים שני rRNA, 22 tRNA ו-13 גנים המקודדים חלבונים1. בניגוד לגנום הגרעיני, המכיל עותק אחד (הפלואידי) או שניים (דיפלואידים) של כל גן לכל תא, mtDNA נמצא במספר עותקים במיטוכונדריה של כל תא, החל מעשרות עותקים (למשל, זרעונים בוגרים) ועד מאות אלפי עותקים (למשל, ביציות)2,3. תוצאה של ריבוי עותקים זה היא שמוטציות בגנום mtDNA, שעשויות להתקיים כפולימורפיזמים חד-נוקלאוטידים (SNPs), מחיקות או כפילויות, יכולות להימצא ברמות משתנות בכל תא נתון, ולהוות בין 0% ל-100% מכלל אוכלוסיית ה-mtDNA של התא. קיומם של גנומים mtDNA מסוג בר ומוטנטי באותו תא נקרא הטרופלזמה, ומוטציות mtDNA הטרופלסמיות פתוגניות הן הגורם העיקרי למחלות מיטוכונדריאליות, עם מספר תסמונות נוירולוגיות נפוצות הקשורות למוטציות mtDNA הטרופלזמיות בסיסיות4.
שני פרמטרים מרכזיים התורמים לסבירות של מוטציית mtDNA הטרופלסמית הגורמת למחלה קלינית הם רמת ההטרופלזמה ומספר עותק mtDNA. מוטציות הטרופלזמיות רבות מציגות אפקט סף, כאשר הפנוטיפים הביוכימיים והקליניים מתגלים רק מעל רמה הטרופלסטית מסוימת, בדרך כלל סביב 80%5, ולאחר מכן מחמירים ככל שההטרופלסמיות עולה עוד4. עם זאת, חשוב גם לקחת בחשבון את מספר העותקים של mtDNA הנמצאים בתא, שכן הדבר ישפיע על מספר הגנומים מסוג mtDNA פראי (כלומר, 'בריאים') הנמצאים ברמה הטרופלסטית נתונה. מחקרים בחולים במחלות מיטוכונדריאליות הדגישו את החשיבות של יחסי הגומלין האלה בין הטרופלזמה לעותק מספר5,6, ו- Filograna et al. דיווחו לאחרונה על עלייה במספר עותקי mtDNA המקלים על הסימפטומים למרות הטרופלזמה ללא שינוי במודל עכבר של מחלת המיטוכונדריה7.
בעוד שנעשה הרבה בשנים האחרונות כדי לשפר את ההבנה של פתוגנזה והעברה של מחלות הנגרמות על ידי הטרופלזמה mtDNA, רוב העבודה הזו נעשתה ברמה של רקמות ולא תאים, השוואת רמות הטרופלסמיות ממוצעות של רקמות ומדידות מספר עותקים שנרכשו מביופסיות רקמה בתפזורת ודגימות דם. כמה טכניקות מבוססות היטב, כגון מיקרודיסקציה של לכידת לייזר, מאפשרות מדידות כאלה ברמה התאית 8,9; עם זאת, ההתפוצצות האחרונה של שיטות ניתוח חד-תאיות בתפוקה גבוהה, או מה שמכונה "אומיקס חד-תאי"10, יצרה דרישה לשיטות שיכולות למדוד במדויק את הפרמטרים החיוניים האלה של mtDNA ברמת התא הבודד.
שיטת ה-PCR לייצור טיפות מנצלת את ההתקדמות האחרונה בטכנולוגיה המיקרופלואידית כדי לשפר את השיטות הקיימות לכמויות ריכוזי דנ"א לא ידועים באמצעות הגברת PCR של אמפליקוני מטרה ספציפיים בדגימת DNA11. בניגוד ל-qPCR, שבו הדנ"א של הדגימה מוגבר בתגובה אחת, כאשר הקצב היחסי של הצטברות תוצר ה-PCR משמש כקריאה, שיטה זו מפצלת את הדגימה הראשונית לאלפי טיפות בודדות, ובכך ממדלת את מולקולות הדנ"א של הדגימה לתגובות נפרדות מרחבית12. תגובת ה-PCR הבאה ממשיכה בכל טיפה בנפרד, כאשר מוצר ה-PCR מצטבר רק בטיפות המכילות את דנ"א המטרה. התוצאה של תגובה זו היא פלט דיגיטלי בצורת מאגר של טיפות המכילות עותק של דנ"א המטרה ותוצר PCR מוגבר, או שאינן מכילות דנ"א מטרה. באמצעות בדיקות דנ"א פלואורסצנטיות או צבע קושר דנ"א דו-גדילי (ds), ניתן לספור את הטיפות המכילות תוצר מוגבר, וניתן להשתמש ביחס בין טיפות 'חיוביות' ל'שליליות' כדי לחשב את המספר המוחלט של עותקי הדנ"א שהיו נוכחים בדגימה הראשונית. מדידה מוחלטת זו, בניגוד למדידה היחסית המתקבלת מתגובת qPCR, היא גורם המפתח המאפשר שימוש במתודולוגיה זו למדידה מדויקת של מספר עותק mtDNA והטרופלזמה בתאים בודדים11, ומספר מחקרים אחרונים כבר השתמשו בטכנולוגיית PCR לייצור טיפות למטרה זו13,14 . מאמר זה מציג שיטה למדידת מספר עותק mtDNA והטרופלזמה למחיקה בתאים בודדים מרקמות אנושיות ועכבריות כאחד.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr >
			<td >50% Tween-20 solution</td>
			<td >Novex</td>
			<td >3005</td>
			<td ></td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Automated droplet-generating oil&#160;</td>
			<td >Bio Rad</td>
			<td>1864110</td>
			<td>Commercial oil formulation used to generate the oil/droplet emulsion (used in Protocol Step 4.1)</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >C1000 PCR machine with deep-well block</td>
			<td >Bio Rad</td>
			<td>1851197</td>
			<td>PCR thermocycler equipped with a deep-well heating block, used for cell lysis (Protocol Step 2.1.2.) and PCR cycling (Protocol Step 5)</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Collection plate cooling block</td>
			<td >Bio Rad</td>
			<td>12002819</td>
			<td>Cooling block that keeps samples chilled during droplet generation (used in Protocol step 4.3)</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >ddPCR 96-well plates&#160;</td>
			<td >Bio Rad</td>
			<td>12001925</td>
			<td>96-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)</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >ddPCR droplet reader oil&#160;</td>
			<td >Bio Rad</td>
			<td>1863004</td>
			<td>Commercial oil formulation used by the droplet reader (used in Protocol step 6.1)</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >ddPCR Supermix for Probes (no dUTP)</td>
			<td >Bio Rad</td>
			<td>1863023</td>
			<td>Commercial supermix for use in ddPCR experiments utilising probes (used in Protocol Step 3.3)</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >DG32 automated droplet generator cartridges&#160;</td>
			<td >Bio Rad</td>
			<td>1864108</td>
			<td>Microfluidic cartridges used in the QX200 AutoDG droplet generator to generate the oil/droplet emulsion (used in Protocol Step 4.3)</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Fetal bovine serum</td>
			<td >Gibco</td>
			<td >10270-106</td>
			<td>Qualified fetal bovine serum</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Foil plate covers&#160;</td>
			<td >Bio Rad</td>
			<td>1814040</td>
			<td>Foil plate covers used to seal droplet collection plates after droplet generation (used in Protocol step 4.6)</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >HEK 293T cells</td>
			<td >Takara</td>
			<td >632180</td>
			<td>Commercial subclone of the transformed human embryonic kidney cell line, HEK 293, expressing the SV40 Large-T antigen</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >HeLa cells</td>
			<td >ECACC</td>
			<td >93021013</td>
			<td>Human cervix epitheloid carcinoma cells</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >High glucose DMEM</td>
			<td >Gibco</td>
			<td >13345364</td>
			<td>4.5g/L D-Glucose, with L-glutamine and sodium pyruvate</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Human cybrids</td>
			<td colspan="2">University of Miami</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Mouse embryonic fibroblasts&#160;</td>
			<td colspan="2">Newcastle University</td>
			<td>Immortalized from C57Bl/6 mice</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Nuclease-free water</td>
			<td >Ambion</td>
			<td >AM9937</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr >
			<td >PCR plate seals</td>
			<td >Pierce</td>
			<td >SP-0027</td>
			<td>Clear adhesive plate seals, only used pre-droplet generation (foil seal must be used in step 4.6)</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Pipet Tip Waste Bins</td>
			<td >Bio Rad</td>
			<td>1864125</td>
			<td>Disposable collection bin used to collect discarded tips in the QX200 AutoDG droplet generator (used in Protocol step 4.3)</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Pipet tips for AutoDG system&#160;</td>
			<td >Bio Rad</td>
			<td>1864120</td>
			<td>Filtered pipet tips designed for use in the QX200 AutoDG droplet generator (used in Protocol step 4.3)</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Primary human dermal fibroblast cells</td>
			<td>Newcastle Biobank</td>
			<td ></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Primers/Probes</td>
			<td >IDT</td>
			<td >N/A</td>
			<td>Exact primer/probe sequences will be assay dependent. Primers and probes used in this study are given in Table 1</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Proteinase K 20 mg/mL solution</td>
			<td >Ambion</td>
			<td>AM2546</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr >
			<td >PX1 PCR plate sealer</td>
			<td >Bio Rad</td>
			<td>1814000</td>
			<td>Applies foil seals to ddPCR sample plates after droplet generation (used in Protocol Step 4.6)</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >QX Manager software</td>
			<td >Bio Rad</td>
			<td>12012172</td>
			<td>Droplet reader set up &#38; analysis software (used in Protocol Steps 6 &#38; 7)</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >QX200 AutoDG droplet generator</td>
			<td >Bio Rad</td>
			<td>1864101</td>
			<td>Automated microfluidic droplet generator (used in Protocol Step 4)</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >QX200 droplet reader</td>
			<td >Bio Rad</td>
			<td>1864003</td>
			<td>Droplet reader (used in Protocol Step 6)</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Trizma pre-set crystals pH 8.3</td>
			<td >Sigma</td>
			<td >T8943-100G</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

measuring single-cell mitochondrial dna copy number and heteroplasmy using digital droplet polymerase chain reaction

דנ"א מיטוכונדריאלי של יונקים (mt)DNA הוא מולקולת דנ"א תוך-מיטוכונדריאלית קטנה, מעגלית, דו-גדילית, המקודדת 13 תת-יחידות של שרשרת הובלת האלקטרונים. שלא כמו הגנום הגרעיני הדיפלואידי, רוב התאים מכילים הרבה יותר עותקים של mtDNA, החל מפחות מ-100 ועד למעלה מ-200,000 עותקים, תלוי בסוג התא. מספר עותק MtDNA משמש יותר ויותר כסמן ביולוגי למספר מצבים ניווניים ומחלות הקשורות לגיל, ולכן, מדידה מדויקת של מספר עותק mtDNA הופכת לכלי מרכזי הן במסגרות מחקר והן בהגדרות אבחון. מוטציות ב-mtDNA, המתרחשות לעתים קרובות כפולימורפיזמים של נוקלאוטידים בודדים (SNPs) או כמחיקות, יכולות להתקיים בכל העותקים של ה-mtDNA בתוך התא (המכונה הומופלסמיות) או כתערובת של עותקי mtDNA שעברו מוטציה ו-WT (המכונים הטרופלזמה). מוטציות mtDNA הטרופלזמיות הן הגורם העיקרי לפתולוגיה מיטוכונדריאלית קלינית, בין אם במחלות נדירות או במספר גדל והולך של מחלות נפוצות מאוחרות כגון מחלת פרקינסון. קביעת רמת ההטרופלזמה הקיימת בתאים היא שלב קריטי באבחון מחלות מיטוכונדריאליות נדירות ובמחקר שמטרתו להבין הפרעות נפוצות מאוחרות שבהן המיטוכונדריה עשויה לשחק תפקיד. מספר עותק MtDNA והטרופלזמה נמדדו באופן מסורתי על ידי בדיקות כמותיות (q)מבוססות PCR או ריצוף עמוק. עם זאת, ההקדמה האחרונה של טכנולוגיית ddPCR סיפקה שיטה חלופית למדידת שני הפרמטרים. הוא מציע מספר יתרונות על פני שיטות קיימות, כולל היכולת למדוד מספר עותק mtDNA מוחלט ורגישות מספקת כדי לבצע מדידות מדויקות מתאים בודדים גם במספרי העתקה נמוכים. מוצג כאן פרוטוקול מפורט המתאר את המדידה של מספר עותק mtDNA בתאים בודדים באמצעות ddPCR, המכונה ייצור טיפות PCR מעתה ואילך, עם אפשרות למדידה בו זמנית של הטרופלזמה בתאים עם מחיקות mtDNA. כמו כן נדונה האפשרות להרחיב שיטה זו למדידת הטרופלזמה בתאים עם SNPs mtDNA.

לאחר יצירת הטיפות, ניתן לראות שכבה ברורה של טיפות אטומות מרחפת מעל שלב השמן בכל באר (איור 1B). היווצרות טיפות יכולה להיות מושפעת לרעה על ידי נוכחות של דטרגנטים בליזאט קלט בעת ביצוע ניסויים על תאים בודדים. באמצעות פרוטוקול התזה המתואר ב-2.1.2., תפוקות טיפות מעל הרמה המומלצת של 10,00...

Watch this Scientific Journal Video about Measuring Single-Cell Mitochondrial DNA Copy Number and Heteroplasmy Using Digital Droplet Polymerase Chain Reaction at JoVE.com

Measuring Single-Cell Mitochondrial DNA Copy Number and Heteroplasmy Using Digital Droplet Polymerase Chain Reaction

כאן אנו מציגים פרוטוקול למדידת מספר עותק דנ"א מיטוכונדריאלי מוחלט (mt)DNA ורמות הטרופלזמה של מחיקת mtDNA בתאים בודדים.

מדידת מספר עותק דנ"א מיטוכונדריאלי חד-תאי והטרופלזמה באמצעות תגובת שרשרת דיגיטלית של טיפות פולימראז

The mammalian mitochondrial (mt)DNA is a small, circular, double-stranded, intra-mitochondrial DNA molecule, encoding 13 subunits of the electron ...

פרוטוקול זה יכול לשמש למדידה מדויקת של מספר העותקים של דנ"א מיטוכונדריאלי הנמצאים בתאים בודדים ואת הרמה של סוגים מסוימים של מוטציה בדנ"א המיטוכונדריאלי. שיטות קודמות יכולות לבצע מדידות אלה במדויק בדגימות רקמה המכילות תאים רבים. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שאנו יכולים לבצע את אותן מדידות בתאים בודדים.שיטה זו שימושית במיוחד למי שחוקר מיטוכונדריה ויהיו לה יישומים נרחבים בתחום זה. בידוד יעיל ותזה של תאים בודדים הוא המפתח לטכניקה זו. ניסיון קודם עם מיון תאים בודדים יעזור מאוד.כדי להתחיל, הכן את תערובת האב עבור PCR ללא DNA הדגימה על הקרח, כפי שמתואר בטקסט. לאחר מערבולת קצרה, הפיצו את הנפח הנדרש של תערובת האב המוכנה לכל באר של צלחת PCR 96-well מדור טיפות, תוך סידור הדגימות בעמודות מלאות. לאחר מכן, הוסף את תערובת האב לכל באר ריקה בעמודות לא שלמות לשימוש בהן כפקדים שאינם תבנית.לאחר מכן הוסף את הדנ"א הקלט לכל באר כדי להפוך את הנפח הכולל של כל באר 22 מיקרוליטר. אטמו את הצלחת עם חותם צלחת דבק והניחו אותה על שייקר במהירות של 2000 סל"ד למשך דקה אחת. לאחר מכן צנטריפוגה של הצלחת ב 1000 פעמים G במשך דקה אחת בארבע מעלות צלזיוס לפני הנחתה על קרח.עבור יצירת טיפות, תחילה ודא כי מחולל הטיפות מופעל ובדוק אם בקבוק של שמן המייצר טיפות נטען למיקום E של סיפון המכשיר. לאחר מכן לחצו על 'קביעת תצורה של צלחת לדוגמה' במסך המגע. לאחר בחירת כל העמודות בלוח הדגימה המכילות את הדגימות או הריקים, לחץ על בסדר כדי לאשר את תצורת הלוחית.לאחר מכן, טען את מחסניות מחולל הטיפות כדי למקם את B על סיפון המכשיר כך שכל האורות יהפכו לירוקים והניחו שוקת פסולת קצה ריקה למצב C.לאחר מכן טען תיבות קצה מסנן עם מכסים שהוסרו כדי למקם את D על במת המכשיר כך שכל האורות יהפכו לירוקים. לאחר מכן, הסר את חותם הדבק לפני טעינת צלחת הדגימה כדי למקם F של סיפון המכשיר כך שהאור יהפוך לירוק. כמו כן, טען אוסף טיפות ריק 96-באר צלחת המונחת לתוך בלוק קריר, מקורר מראש במינוס 20 מעלות צלזיוס, במיקום G כך שהאור הופך לירוק.לחץ על התחל יצירת Droplet במסך המגע של המכשיר ומכסה מחולל הטיפות ייסגר באופן אוטומטי. לאחר השלמת ייצור הטיפות, בדקו את צלחת איסוף הדגימות באופן חזותי כדי לוודא ששכבת תחליב טיפות נמצאת מעל שלב השמן בכל באר. לאחר מכן, הפעילו את איטום הצלחת והגדירו את הטמפרטורה ל-180 מעלות צלזיוס ואטמו את הזמן לחמש שניות.אפשר להתקן להגיע לטמפרטורת ההפעלה. לאחר מכן הניחו את צלחת איסוף הדגימה על מחזיק הצלחת של איטום הצלחת והניחו חותם נייר כסף טרי על החלק העליון של הצלחת כאשר הקו האדום פונה כלפי מעלה. כאשר איטום הצלחות הגיע לטמפרטורת ההפעלה שלו, לחץ על הוצא במסך המגע של המכשיר.לאחר הנחת מחזיק הצלחת במגירה של איטום הצלחות, לחץ על SEAL כדי לסגור את המגירה. לאחר השלמת האיטום, המגירה תיפתח באופן אוטומטי. הסר את הצלחת האטומה והנח אותה על בלוק קר.לאחר מכן כבה את איטום הצלחת. להפעלת ה-PCR, הניחו את צלחת איסוף הטיפות האטומה במכונת PCR עם בלוק עמוק של 96. לאחר השלמת ה-PCR, הפעל את קורא הטיפות ואת המחשב המחובר.טען את הצלחת עם דגימות ה- PCR שלאחר מכן לתוך מחזיק צלחת קורא הטיפות. תוך שמירה על מכסה נייר הכסף על צלחת הדגימה, הניחו את המכסה על החלק העליון של המחזיק והדקו אותו במקומו באמצעות מהדקי נעילה שחורים. לאחר מכן, כדי לפתוח את מכסה קורא הטיפות, לחץ על לחצן הפתיחה/סגירה.לאחר מכן טען את מחזיק צלחת קורא הטיפות עם צלחת הדגימה לתוך תא הקורא והנח אותו היטב על הבסיס המגנטי. לחץ שוב על לחצן הפתיחה/סגירה כדי לסגור את המכסה. פתח את ממשק תוכנת הניתוח.בחר בכרטיסיה הוסף לוח, לחץ על הוסף צלחת ולאחר מכן על קביעת תצורה של לוח. בכרטיסייה 'פרטי לוחית', הזן שם לוחית, בחר Supermix עבור בדיקות, ללא DUTP מהתפריט הנפתח Supermix והזן שם קובץ תחת שמור קובץ נתונים As.In הכרטיסיה בחירת בארות, סמן את הבארות לניתוח ולחץ על כלול בארות שנבחרו. לאחר מכן, בכרטיסייה מידע באר, בחר את הבארות שיש להוסיף להן ביאורים.בחר כימות ישיר מהתפריט הנפתח סוג ניסוי. לאחר מכן אכלס את תיאור הדוגמה, סוג הדגימה ותיבות שם היעד, והוסף הערות באר או הערות לוח לפי הצורך. לאחר מכן לחצו על 'החל'.לאחר השלמת תצורת הצלחת, לחץ על התחל הפעלה. לניתוח תוצאות, בחר בכרטיסיה ניתוח נתונים ופתח את הקובץ לניתוח מתפריט קבצי הנתונים שלי. לאחר מכן לחץ על הכרטיסיה משרעת 1D עבור ניסויים בצבע יחיד, או על הכרטיסייה משרעת דו-ממדית עבור ניסויים בשני צבעים.לאחר מכן, בחר את הבארות הדורשות סף. השתמש בכלי מצב קו סף כדי להחיל ידנית את הסף במרחב הברור בין האוכלוסייה החיובית והשלילית בחלקת המשרעת, ולהבטיח שהכוונת תוצב כך שארבע אוכלוסיות הטיפות מופרדות בבירור. לאחר החלת הסף על כל הדוגמאות, ייצא את התוצאות כקובץ csv לניתוח נוסף על ידי לחיצה על הכרטיסייה טבלת נתונים, ייבוא/ייצוא ובחירה באפשרות ייצוא נתונים גלויים ל- CSV.הזן שם קובץ מתאים ולחץ על שמור. נהלי קריאת ה-PCR והטיפות ששימשו בפרוטוקול זה הדגימו את נוכחותן של אוכלוסיות מופרדות בבירור של טיפות חיוביות ושליליות, הן בערוצי fam והן בערוצי hex. ניתן גם להבחין בין אוכלוסיות דנ"א מיטוכונדריאליות חיוביות לשתי הגשושיות לבין ליזטים חד-תאיים.שיטה זו הראתה גם כי עבור דגימות עם מחיקות בדנ"א המיטוכונדריאלי, קיימת אוכלוסייה מעורבת של טיפות חיוביות כפולות וטיפות חיוביות רק עבור החלק שלא נמחק של הדנ"א. שיטה זו שימשה בהצלחה לספירת מספר עותק הדנ"א המיטוכונדריאלי לכל תא במגוון תאי יונקים, כולל ביציות עכבר ותאים עובריים ראשוניים של עכברים. יתר על כן, בתאים עם הטרופלזמה עם מחיקה גבוהה, האוכלוסייה החיובית עבור בדיקה בודדת נמצאה גדולה משמעותית מהאוכלוסייה החיובית הכפולה.עם זאת, בתאים עם הטרופלזמה עם מחיקה נמוכה, שתי האוכלוסיות היו בגודל דומה. כך שתוצאות מדויקות תמיד מבטיחות שיצירת הטיפות הייתה מוצלחת ושהסף יושם כראוי באמצעות תצוגת המשרעת החד-ממדית או הדו-ממדית. ליזאט שאינו בשימוש יכול לשמש עבור בדיקות אחרות של תאים בודדים, כגון pyrosequencing, אשר יכול למדוד הטרופלזמה פולימורפיזם נוקלאוטיד יחיד.הפיתוח של טכניקה זו אפשר לנו לבצע מדידות מדויקות של מספר עותק DNA מיטוכונדריאלי, ומחיקה heteroplasmy בתאים בודדים, אשר בעבר לא היה אפשרי.

Research

JoVE Journal

Medicine

Measuring Ascending Aortic Stiffness In Vivo in Mice Using Ultrasound

Measuring Ascending Aortic Stiffness In Vivo in Mice Using Ultrasound

מדידה עולה אבי העורקים נוקשים<em&gt; In vivo</em&gt; בעכברים באמצעות אולטראסאונד

We present a protocol for measuring in vivo aortic stiffness in mice using high-resolution ultrasound imaging. Aortic diameter is measured by ultrasound ...

Evaluation of Stem Cell Properties in Human Ovarian Carcinoma Cells Using Multi and Single Cell-based Spheres Assays

הערכה של מאפייני תא גזע בקרצינומה של תאי השחלות אדם באמצעות Multi ומבחני Spheres מבוסס תא בודדים

Years of research indicates that ovarian cancers harbor a heterogeneous mixture of cells including a subpopulation of so-called &#8220;cancer stem ...

Phosphorus-31 Magnetic Resonance Spectroscopy: A Tool for Measuring In Vivo Mitochondrial Oxidative Phosphorylation Capacity in Human Skeletal Muscle

Phosphorus-31 Magnetic Resonance Spectroscopy: A Tool for Measuring In Vivo Mitochondrial Oxidative Phosphorylation Capacity in Human Skeletal Muscle

זרחן-31 ספקטרוסקופיה תהודה מגנטית: כלי למדידת<em&gt; In vivo</em&gt; קיבולת זרחון חמצוני מיטוכונדריאלי של שריר שלד אדם

Skeletal muscle mitochondrial oxidative phosphorylation (OXPHOS) capacity, which is critically important in health and disease, can be measured in vivo ...

Novel Diagnostics in Revision Arthroplasty: Implant Sonication and Multiplex Polymerase Chain Reaction

אבחון הרומן ב מהדורה שכיחיםהחלפת: שתל Sonication ואת תגובת שרשרת פולימראזית מולטיפלקס

In orthopedic patients, foreign body-associated infections, especially periprosthetic joint infections (PJIs), are a devastating complication of ...

A Blood-based Test for the Detection of ROS1 and RET Fusion Transcripts from Circulating Ribonucleic Acid Using Digital Polymerase Chain Reaction

דם מבוסס מבחן איתור ROS1 ואת RET פיוז'ן תעתיקים מלהסתובב חומצה ריבונוקלאית באמצעות תגובת שרשרת פולימראזית דיגיטלי

We have developed novel methods for the isolation and characterization of tumor-derived circulating ribonucleic acid (cRNA) for blood-based liquid biopsy. ...

A Flow Cytometry-based Assay for Measuring Mitochondrial Membrane Potential in Cardiac Myocytes After Hypoxia/Reoxygenation

וזמינותו מבוססי Cytometry זרימה מודדים פוטנציאל ממברנה מיטוכונדריאלי של תאי שריר הלב לאחר היפוקסיה/Reoxygenation

Timely and efficient reperfusion of the occluded coronary artery is the best strategy for decreasing myocardial infarct size in patients with a ST-segment ...

Estimation of Nephron Number in Whole Kidney using the Acid Maceration Method

הערכה של מספר נפרורון בכליה שלמה באמצעות שיטת השימוש באסיד

Nephron endowment refers to the total number of nephrons an individual is born with, as nephrogenesis in humans is completed by 36 weeks of gestation and ...

Genotyping Single Nucleotide Polymorphisms in the Mitochondrial Genome by Pyrosequencing

גנוטיפ פולימורפיזמים של נוקלאוטידים בודדים בגנום המיטוכונדריאלי על ידי Pyrosequencing

Mutations in the mitochondrial genome (mtDNA) have been associated with maternally inherited genetic diseases. However, interest in mtDNA polymorphisms ...

Ultrasound in Evaluating Diaphragm Dysfunction and Monitoring Treatment

Measuring Diaphragm Thickness and Function Using Point-of-Care Ultrasound

Unraveling the Impact of Mechanical Ventilation on Diaphragm Function and Patient Outcomes (Video) | JoVE

מדידת עובי הסרעפת ותפקודה באמצעות אולטרסאונד נקודתי

The diaphragm is the main component of the respiratory muscle pump. Diaphragm dysfunction can cause dyspnea and exercise intolerance, and predisposes ...