Preview

Вавиловский журнал генетики и селекции

Расширенный поиск

Создание штрихкодированных плазмидных библиотек для множественного одновременного анализа эффекта положения гена

https://doi.org/10.18699/VJ19.483

Полный текст:

Аннотация

Открытие явления мозаичного эффекта положения гена и последующий тщательный анализ его молекулярных механизмов привели к пониманию того, что локальный состав хроматина оказывает существенное влияние на активность генов. Разработанный недавно метод Thousands of Reporters Integrated in Parallel (TRIP) основан на использовании штрихкодированных генов-репортеров и позволяет выполнять высокопроизводительный анализ эффекта положения гена в масштабе всего генома. В настоящей работе мы описываем конструирование и проверку качества штрихкодированных плазмидных библиотек высокой сложности, которые предполагается использовать для высокопроизводительного анализа эффекта положения гена в клетках дрозофилы. Во-первых, рассмотрены наиболее важные параметры, которые следует учитывать при создании штрихкодированных плазмидных библиотек, и предложен простой метод оценки сложности вырожденного фрагмента (штрихкода) в синтетических олигонуклеотидах с использованием ПЦР-амплификации и последующего секвенирования по методу Сэнгера. Далее проведено сравнение традиционного метода клонирования посредством рестрикции – лигирования с подходом сборки по методу Гибсона для клонирования штрихкодов в один и тот же плазмидный вектор. Кроме того, описаны оптимизированные параметры для создания штрихкодированных плазмидных библиотек, такие как соотношение вектор : вставка в реакции сборки методом Гибсона и напряжение, используемое для электропорации бактериальных клеток продуктами лигирования. Сравниваются также различные подходы для проверки качества штрихкодированных плазмидных библиотек. Наконец, кратко описаны альтернативные подходы, которые можно использовать для создания таких библиотек. Важно отметить, что все улучшения и модификации методов, приведенные в данной работе, могут быть применены к широкому кругу экспериментов, в которых используются штрихкодированные плазмидные библиотеки.

Об авторах

М. О. Лебедев
Институт молекулярной и клеточной биологии Сибирского отделения Российской академии наук; Новосибирский национальный исследовательский государственный университет.
Россия
Новосибирск.


Л. А. Яринич
Институт молекулярной и клеточной биологии Сибирского отделения Российской академии наук; Новосибирский национальный исследовательский государственный университет.
Россия
Новосибирск.


А. В. Иванкин
Институт молекулярной и клеточной биологии Сибирского отделения Российской академии наук.
Россия
Новосибирск.


А. В. Пиндюрин
Институт молекулярной и клеточной биологии Сибирского отделения Российской академии наук; Новосибирский национальный исследовательский государственный университет.
Россия
Новосибирск.


Список литературы

1. Akhtar W., de Jong J., Pindyurin A.V., Pagie L., Meuleman W., de Rid- der J., Berns A., Wessels L.F., van Lohuizen M., van Steensel B. Chromatin position effects assayed by thousands of reporters in¬tegrated in parallel. Cell. 2013;154:914-927. DOI 10.1016/j.cell. 2013.07.018.

2. Akhtar W., Pindyurin A.V., de Jong J., Pagie L., Ten Hoeve J., Berns A., Wessels L.F., van Steensel B., van Lohuizen M. Using TRIP for genome-wide position effect analysis in cultured cells. Nat. Protoc. 2014;9:1255-1281. DOI 10.1038/nprot.2014.072.

3. Babenko V.N., Makunin I.V., Brusentsova I.V., Belyaeva E.S., Maksi¬mov D.A., Belyakin S.N., Maroy P, Vasil’eva L.A., Zhimulev I.F. Paucity and preferential suppression of transgenes in late replication domains of the D. melanogaster genome. BMC Genomics. 2010;11: 318. DOI 10.1186/1471-2164-11-318.

4. Babu A., Verma R.S. Chromosome structure: euchromatin and hetero¬chromatin. Int. Rev. Cytol. 1987;108:1-60.

5. Blundell J.R., Levy S.F. Beyond genome sequencing: lineage tracking with barcodes to study the dynamics of evolution, infection, and can¬cer. Genomics. 2014;104:417-430. DOI 10.1038/nature14279.

6. Brueckner L., van Arensbergen J., Akhtar W., Pagie L., van Steensel B. High-throughput assessment of context-dependent effects of chro¬matin proteins. Epigenetics Chromatin. 2016;9:43. DOI 10.1186/ s13072-016-0096-y.

7. Cadinanos J., Bradley A. Generation of an inducible and optimized piggyBac transposon system. Nucleic Acids Res. 2007;35:e87. DOI 10.1093/nar/gkm446.

8. Chen H.C., Martinez J.P., Zorita E., Meyerhans A., Filion G.J. Position effects influence HIV latency reversal. Nat. Struct. Mol. Biol. 2017; 24:47-54. DOI 10.1038/nsmb.3328.

9. Chen M., Licon K., Otsuka R., Pillus L., Ideker T. Decoupling epige-netic and genetic effects through systematic analysis of gene posi-tion. Cell Rep. 2013;3:128-137. DOI 10.1016/j.celrep.2012.12.003.

10. Davidsson M., Diaz-Fernandez P., Schwich O.D., Torroba M., Wang G., Bjorklund T. A novel process of viral vector barcoding and library preparation enables high-diversity library generation and recombination-free paired-end sequencing. Sci. Rep. 2016;6:37563. DOI 10.1038/srep37563.

11. Dickel D.E., Zhu Y., Nord A.S., Wylie J.N., Akiyama J.A., Afzal V., Plajzer-Frick I., Kirkpatrick A., Gottgens B., Bruneau B.G., Visel A., Pennacchio L.A. Function-based identification of mammalian enhancers using site-specific integration. Nat. Methods. 2014;11:566- 571. DOI 10.1038/nmeth.2886.

12. Elgin S.C., Reuter G. Position-effect variegation, heterochromatin for-mation, and gene silencing in Drosophila. Cold Spring Harb. Per- spect. Biol. 2013;5:a017780. DOI 10.1101/cshperspect.a017780.

13. Ernst J., Kheradpour P., Mikkelsen T.S., Shoresh N., Ward L.D., Ep-stein C.B., Zhang X., Wang L., Issner R., Coyne M., Ku M., Dur-ham T., Kellis M., Bernstein B.E. Mapping and analysis of chroma¬tin state dynamics in nine human cell types. Nature. 2011;473:43-49. DOI 10.1038/nature09906.

14. Filion G.J., van Bemmel J.G., Braunschweig U., Talhout W., Kind J., Ward L.D., Brugman W., de Castro I.J., Kerkhoven R.M., Busse- maker H.J., van Steensel B. Systematic protein location mapping re¬veals five principal chromatin types in Drosophila cells. Cell. 2010; 143:212-224. DOI 10.1016/j.cell.2010.09.009.

15. Gibson D.G., Young L., Chuang R.Y., Venter J.C., Hutchison C.A. 3rd, Smith H.O. Enzymatic assembly of DNA molecules up to several hundred kilobases. Nat. Methods. 2009;6:343-345. DOI 10.1038/ nmeth.1318.

16. Gierman H.J., Indemans M.H., Koster J., Goetze S., Seppen J., Geerts D., van Driel R., Versteeg R. Domain-wide regulation of gene expression in the human genome. Genome Res. 2007;17:1286-1295. DOI 10.1101/gr.6276007.

17. Grewal S.I., Moazed D. Heterochromatin and epigenetic control of gene expression. Science. 2003;301:798-802. DOI 10.1126/science. 1086887.

18. Handler A.M., Harrell R.A. 2nd. Germline transformation of Droso-phila melanogaster with the piggyBac transposon vector. Insect Mol. Biol. 1999;8:449-457. DOI 10.1046/j.1365-2583.1999.00139.x.

19. Hill A.J., McFaline-Figueroa J.L., Starita L.M., Gasperini M.J., Mat- reyek K.A., Packer J., Jackson D., Shendure J., Trapnell C. On the design of CRISPR-based single-cell molecular screens. Nat. Me-thods. 2018;15:271-274. DOI 10.1038/nmeth.4604.

20. Huisinga K.L., Brower-Toland B., Elgin S.C. The contradictory defini¬tions of heterochromatin: transcription and silencing. Chromosoma. 2006;115:110-122. DOI 10.1007/s00412-006-0052-x.

21. Kebschull J.M., Zador A.M. Cellular barcoding: lineage tracing, screen¬ing and beyond. Nat. Methods. 2018;15:871-879. DOI 10.1038/ s41592-018-0185-x.

22. Kharchenko P.V., Alekseyenko A.A., Schwartz Y.B., Minoda A., Rid-dle N.C., Ernst J., Sabo P.J., Larschan E., Gorchakov A.A., Gu T., Linder-Basso D., Plachetka A., Shanower G., Tolstorukov M.Y., Luquette L.J., Xi R., Jung Y.L., Park R.W., Bishop E.P., Can¬field T.K., Sandstrom R., Thurman R.E., MacAlpine D.M., Stama- toyannopoulos J.A., Kellis M., Elgin S.C., Kuroda M.I., Pirrotta V., Karpen G.H., Park PJ. Comprehensive analysis of the chromatin landscape in Drosophila melanogaster. Nature. 2011;471:480-485. DOI 10.1038/nature09725.

23. Kinde I., Wu J., Papadopoulos N., Kinzler K.W., Vogelstein B. Detec-tion and quantification of rare mutations with massively parallel sequencing. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2011;108:9530-9535. DOI 10.1073/pnas.1105422108.

24. Lehtonen S.I., Taskinen B., Ojala E., Kukkurainen S., Rahikainen R., Riihimaki T.A., Laitinen O.H., Kulomaa M.S., Hytonen V.P. Effi-cient preparation of shuffled DNA libraries through recombination (Gateway) cloning. Protein Eng. Des. Sel. 2015;28:23-28. DOI 10.1093/protein/gzu050.

25. Melnikov A., Murugan A., Zhang X., Tesileanu T., Wang L., Rogov P., Feizi S., Gnirke A., Callan C.G., Jr., Kinney J.B., Kellis M., Lan¬der E.S., Mikkelsen T.S. Systematic dissection and optimization of inducible enhancers in human cells using a massively parallel reporter assay. Nat. Biotechnol. 2012;30:271-277. DOI 10.1038/nbt. 2137.

26. Morrison S.L. Transformation of E. coli by electroporation. Curr. Pro- toc. Immunol. 2001;21(1):A.3N.1-A.3N.4. DOI 10.1002/0471142735. ima03ns21.

27. Patwardhan R.P., Hiatt J.B., Witten D.M., Kim M.J., Smith R.P., May D., Lee C., Andrie J.M., Lee S.I., Cooper G.M., Ahituv N., Pennacchio L.A., Shendure J. Massively parallel functional dissec-tion of mammalian enhancers in vivo. Nat. Biotechnol. 2012;30:265- 270. DOI 10.1038/nbt.2136.

28. Patwardhan R.P., Lee C., Litvin O., Young D.L., Pe’er D., Shendure J. High-resolution analysis of DNA regulatory elements by synthetic saturation mutagenesis. Nat. Biotechnol. 2009;27:1173-1175. DOI 10.1038/nbt.1589.

29. Quail M.A., Smith M., Jackson D., Leonard S., Skelly T., Swerd- low H.P., Gu Y., Ellis P. SASI-Seq: sample assurance Spike-Ins, and highly differentiating 384 barcoding for Illumina sequencing. BMC Genomics. 2014;15:110. DOI 10.1186/1471-2164-15-110.

30. Riddle N.C., Minoda A., Kharchenko P.V., Alekseyenko A.A., Schwartz Y.B., Tolstorukov M.Y., Gorchakov A.A., Jaffe J.D., Ken¬nedy C., Linder-Basso D., Peach S.E., Shanower G., Zheng H., Ku- roda M.I., Pirrotta V, Park P.J., Elgin S.C., Karpen G.H. Plasticity in patterns of histone modifications and chromosomal proteins in Drosophila heterochromatin. Genome Res. 2011;21:147-163. DOI 10.1101/gr.110098.110.

31. Ruf S., Symmons O., Uslu V.V., Dolle D., Hot C., Ettwiller L., Spitz F. Large-scale analysis of the regulatory architecture of the mouse genome with a transposon-associated sensor. Nat. Genet. 2011;43: 379-386. DOI 10.1038/ng.790.

32. Seguin-Orlando A., Schubert M., Clary J., Stagegaard J., Alberdi M.T., Prado J.L., Prieto A., Willerslev E., Orlando L. Ligation bias in Il- lumina next-generation DNA libraries: implications for sequencing ancient genomes. PLoS One. 2013;8:e78575. DOI 10.1371/journal. pone.0078575.

33. Vvedenskaya I.O., Zhang Y., Goldman S.R., Valenti A., Visone V., Taylor D.M., Ebright R.H., Nickels B.E. Massively Systematic Transcript End Readout, “MASTER”: transcription start site selec-tion, transcriptional slippage, and transcript yields. Mol. Cell. 2015; 60:953-965. DOI 10.1016/j.molcel.2015.10.029.

34. Wong A.S., Choi G.C., Cui C.H., Pregernig G., Milani P., Adam M., Perli S.D., Kazer S.W., Gaillard A., Hermann M., Shalek A.K., Fraenkel E., Lu T.K. Multiplexed barcoded CRISPR-Cas9 screening enabled by CombiGEM. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2016;113:2544- 2549. DOI 10.1073/pnas.1517883113.

35. Woodruff L.B.A., Gorochowski T.E., Roehner N., Mikkelsen T.S., Densmore D., Gordon D.B., Nicol R., Voigt C.A. Registry in a tube: multiplexed pools of retrievable parts for genetic design space exploration. Nucleic Acids Res. 2017;45:1553-1565. DOI 10.1093/ nar/gkw1226.

36. Yankulov K. Dynamics and stability: epigenetic conversions in position effect variegation. Biochem. Cell Biol. 2013;91:6-13. DOI 10.1139/ bcb-2012-0048.


Просмотров: 115


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2500-0462 (Print)
ISSN 2500-3259 (Online)