Cap analýza genové exprese

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 24. dubna 2022; kontroly vyžadují 2 úpravy .

Cap analýza genové exprese [1] ( angl.  cap analysis gen expression, CAGE ) je technologie používaná v molekulární biologii , jejímž výsledkem je získání profilů eukaryotické genové exprese se současným stanovením buněčně / tkáňově specifických podmínek transkripce startovací místa (TSS), včetně údajů o zapojených promotérech . Metoda spočívá v získání a přečtení krátkých (obvykle 27 nukleotidů dlouhých ) úseků sekvence 5'-konce zavíčkované eukaryotické RNA . Dalším krokem je mapování sekvencí sekvencí na hotovém genomu , což umožňuje objasnit 5'-hranice transkribovaných oblastí, stejně jako provést kvantitativní analýzu exprese. Technika byla vyvinuta a publikována v roce 2003, poté byla aktivně zdokonalována [2] . Metoda je aktivně využívána ve výzkumném projektu funkční anotace savčích genomů (FANTOMFunctional   Annotation of the Mammalian Genome) [3] .

Pomocí této metody byla prokázána existence alternativně regulovaných míst startu transkripce [4] [5] a objeveny nové regulační prvky [6] . Umožnil také předpovědět vazebná místa pro transkripční faktory [7] a další motivy spojené s transkripcí [8] . Analýza 5'-konců touto metodou je zvláště dobrá pro studium regulačních vztahů genů; byla použita k identifikaci klíčových transkripčních faktorů odpovědných za diferenciaci monoblastů na monocyty [9] . Protože tato metoda nepředpokládá žádný známý genový model, ukázalo se, že retrotranspozony jsou exprimovány specificky a regulují mRNA a další nekódující RNA [10] .

Relevance metody

Biologický aspekt

Transkripce vyžaduje , aby se RNA polymeráza vázala na sekvenci promotoru DNA . U bakterií je za tento proces odpovědný sigma faktor a zpravidla k iniciaci dochází na -10 a -35 nukleotidech před bodem začátku transkripce (σ 70 rozpozná konsenzuální sekvence v této oblasti) [11] . U archeí a eukaryot dochází k preiniciaci za účasti transkripčních faktorů. V závislosti na typu transkripčního faktoru může k iniciaci v eukaryotech dojít na různých místech v promotorové oblasti až do počátečního bodu transkripce. Kromě toho existuje mnoho mechanismů pro regulaci tohoto procesu. Některé transkripční faktory jsou například schopny vázat se na specifické regulační sekvence, což vede k aktivaci nebo represi transkripce cílového genu. Složitost systému iniciace transkripce znesnadňuje přesnou předpověď místa počátku transkripce ze sekvence DNA [12] .

Sekvenování sekvencí mRNA umožňuje tento problém vyřešit, nicméně RNA-seq používaný k vyhledávání transkribovaných oblastí , založený na moderních sekvenačních metodách s následným mapováním čtení do genomu, obvykle neumožňuje určit jasné hranice (s přesností na jeden nukleotid) konce RNA. Na jednu stranu, čím delší oblast můžeme sekvenovat, tím snazší bude sběr čtení. Na druhou stranu, čím delší čtení, tím menší je pravděpodobnost , že každé z nich narazí na okraj přepisu. V důsledku toho se u jakékoli technologie sekvenování obvykle vyskytují odchylky v počtu čtení na koncích transkribované oblasti (viz obr. 1) [13] .

K vyřešení problému určení počátečního bodu transkripce u bakterií existují různé metody založené na selektivním připojení různých značek na 5' konec mRNA s trifosfátem na konci [14] [15] .

Pro vyřešení problému určení počátečního bodu transkripce u eukaryot byla vytvořena metoda CAGE a její následné modifikace. Zaměřuje se na sekvenování 5' konců RNA, které jsou uzavřeny v eukaryotech. Prokaryota mají na 5' konci místo uzávěru trifosfát, proto na ně nelze použít metodu CAGE. Používá se však alternativní metoda: RNA je ošetřena endonukleázami a následně ošetřením 5'- exonukleázami . V tomto případě zůstávají pouze 5'-terminální fragmenty chráněné trifosfátem [16] .

Technologické vlastnosti

Srovnání metod RNA-seq a CAGE ukazuje, že obě metody poskytují téměř identické kvantitativní odhady genové exprese [17] . To potvrzuje vysokou účinnost metody CAGE také pro kvantitativní analýzu exprese. Hlavní výhodou CAGE je schopnost sekvenovat sekvence startu transkripce. Tato technika byla opakovaně zdokonalována a bylo dosaženo následujících technologických ukazatelů [18] :

Omezení

Protože metoda byla původně navržena k analýze 5'-terminálních oblastí RNA, které prošly procesem zakrytí, nelze ji použít k analýze nezakrytých RNA. V tomto ohledu není metoda použitelná pro prokaryota, stejně jako pro RNA transkribovanou RNA polymerázami I a III . Většina vyvinutých protokolů navíc nepracuje s RNA kratšími než ~100 nukleotidů, protože se během purifikace vymyjí [19] .

Základní schéma experimentu

Níže je schéma základního experimentu CAGE [2] [19] .

  1. Syntéza kompletní cDNA reverzní transkriptázou s oligo(dT) primerem komplementárním k polyadenylovanému 3' konci mRNA. Příprava kompletních hybridů mRNA-cDNA.
  2. Biotinylace 5' konce mRNA působením činidla CAP Trapper [20] , které specificky interaguje se dvěma sousedními hydroxylovými skupinami čepičky.
  3. Purifikace duplexů obsahujících čepičku za použití streptavidinových nosičů.
  4. Hydrolýza mRNA, získání jednovláknové kompletní cDNA.
  5. Připojení k 5'-konci 1. biotinylovaného linkeru s rozpoznávacími místy pro restrikční endonukleázy XmaJI a Mmel.
  6. Syntéza druhého řetězce cDNA (až k polyadenylačnímu místu).
  7. Zpracování dsDNA restrikční endonukleázou Mmel. Restrikční enzym Mmel je schopen štěpit dvouřetězcovou nukleovou kyselinu a ustoupit o 20/18 nukleotidů. Tato funkce se používá k odstranění většiny cDNA, přičemž zůstane asi 20 nukleotidů odpovídajících 5' konci mRNA.
  8. Ligace z opačné strany 2. linkeru obsahujícího rozpoznávací místo Xbal .
  9. PCR (nárůst počtu kopií).
  10. Léčba restrikčními enzymy XmaJI a Xbal (získání fragmentů o 32 nukleotidech, z nichž 20 je sekvence z 5'-konce mRNA).
  11. Purifikace streptavidinem (zbavíme se fragmentů linkeru).
  12. Příprava konkatemerů ligací lepivých konců GATC vzniklých působením restrikčního enzymu.
  13. Vytvoření knihovny klonů a Sangerovo sekvenování.
  14. Mapování fragmentů do sestaveného genomu.

Vývoj technologií

V roce 2011 byl v souvislosti s využitím technologie v ENCODE protokol CAGE přehodnocen pro sekvenování platformami nové generace . Takže teď [21] :

Metody založené na CAGE

DeepCAGE

Tato metoda byla vyvinuta za účelem nalezení neaktivních promotorů. Metoda je ve srovnání s pozdějšími protokoly zastaralá. Pro čtení konkatemerů se používají sekvenační metody „nové generace“ 454 [24] .

nanoCAGE

Tato metoda byla vyvinuta pro práci s velmi malým množstvím RNA (až 10 ng celkové RNA) [25] :

CAGEscan

Tato metoda je adaptací nanoCAGE (od stejných autorů) pro párové sekvenování [25] :

HeliScopeCAGE

Tato metoda byla vyvinuta ke snížení zkreslení a zahrnuje použití sekvenování jedné molekuly . Protokol je automatizovaný Itoh et al. [26] v roce 2012 [6] .

RAMPAGE

Tato metoda byla vyvinuta pro profilování aktivity promotorů [27] .

nAnTi-CAGE

Tato metoda byla vyvinuta za účelem snížení zkreslení a zahrnuje použití Illumina [28] .

Analýza

Výsledkem cap analýzy genové exprese je soubor sekvencí sekvenovaných oblastí podle počátečních míst transkripce a úrovně jejich exprese. Hranice počátku transkripce je určena s přesností na jeden nukleotid. Prostředí místa počátku transkripce obvykle zahrnuje regulační prvky, které řídí genovou expresi. Je tak možné porovnávat úroveň exprese z různých bodů iniciace transkripce, identifikovat a analyzovat motivy v sousedních oblastech pro hledání a kvalitativní popis enhancerů a represorů [29] .

Díky CAGE bylo možné zmapovat místa startu transkripce a promotory pro mRNA s nízkou úrovní exprese [29] . Bylo také možné dokázat, že transkripce často nezačíná striktně od určité pozice, ale existuje rozdělení: akutní (kde je preferován jeden začátek a variace jsou nevýznamné) nebo široké (když neexistuje jasný vrchol a transkripce může začít v místě desítek nebo dokonce stovek nukleotidů). V důsledku toho mohou různé počátky iniciace transkripce ovlivnit funkci RNA/ proteinu a otevřít možnost další regulace [30] .

Při analýze výsledků CAGE je třeba vzít v úvahu odchylku ve výsledných knihovnách směrem k přidání nadbytečných guanosinů na 5'-konci [30] . To je způsobeno skluzem reverzní transkriptázy a je dokonce používáno v řadě protokolů využívajících „přepínač šablon“ [25] [31] .

Poznámky

  1. Margasjuk Sergej Dmitrijevič. Analýza korelace mezi daty CAGE a genovými konci . Lomonosova konference 2017 (2017). Získáno 30. dubna 2019. Archivováno z originálu dne 30. dubna 2019.
  2. ↑ 1 2 3 Shiraki T. , Kondo S. , Katayama S. , Waki ​​​​K. , Kasukawa T. , Kawaji H. , Kodzius R. , Watahiki A. , Nakamura M. , Arakawa T. , Fukuda S. , Sasaki D. , Podhajska A. , Harbers M. , Kawai J. , Carninci P. , Hayashizaki Y. Cap analysis genová exprese pro vysoce výkonnou analýzu transkripčního výchozího bodu a identifikaci použití promotoru  (anglicky)  // Proceedings of the National Akademie věd. - 2003. - 8. prosince ( roč. 100 , č. 26 ). - S. 15776-15781 . — ISSN 0027-8424 . - doi : 10.1073/pnas.2136655100 .
  3. FANTOM (downlink) . fantom.gsc.riken.jp. Staženo 1. 5. 2019. Archivováno z originálu 2. 11. 2018. 
  4. Carninci Piero , Sandelin Albin , Lenhard Boris , Katayama Shintaro , Shimokawa Kazuro , Ponjavic Jasmina , Semple Colin AM , Taylor Martin S , Engström Pär G , Frith Martin C , Forrest Alistair RR , Alkema Wyndius Laless , Kokos Rimantas , Ravasi Timothy , Kasukawa Takeya , Fukuda Shiro , Kanamori-Katayama Mutsumi , Kitazume Yayoi , Kawaji Hideya , Kai Chikatoshi , Nakamura Mari , Konno Hideaki , Nakano Kenji , Salsbarce Stefan , Mottagui , Persi - Tagui , Suzuki Harukazu , Grimmond Sean M , Wells Christine A , Orlando Valerio , Wahlestedt Claes , Liu Edison T , Harbers Matthias , Kawai Jun , Bajic Vladimir B , Hume David A , Hayashizaki Yoshihide. Genomová analýza architektury a evoluce savčích promotorů  //  Genetika přírody. - 2006. - 28. dubna ( roč. 38 , č. 6 ). - S. 626-635 . — ISSN 1061-4036 . - doi : 10.1038/ng1789 .
  5. Gustincich Stefano , Sandelin Albin , Plessy Charles , Katayama Shintaro , Simone Roberto , Lazarevic Dejan , Hayashizaki Yoshihide , Carninci Piero. Složitost savčího transkriptomu  (anglicky)  // The Journal of Physiology. - 2006. - 24. srpna ( roč. 575 , č. 2 ). - str. 321-332 . — ISSN 0022-3751 . - doi : 10.1113/jphysiol.2006.115568 .
  6. ↑ 1 2 Kanamori-Katayama M. , Itoh M. , Kawaji H. , Lassmann T. , Katayama S. , Kojima M. , Bertin N. , Kaiho A. , Ninomiya N. , Daub CO , Carninci P. , Forrest ARR , Hayashizaki Y. Unamplified cap analýza genové exprese na jednomolekulovém sekvenátoru  //  Genome Research. - 2011. - 19. května ( roč. 21 , č. 7 ). - S. 1150-1159 . — ISSN 1088-9051 . - doi : 10.1101/gr.115469.110 .
  7. Vitezic Morana , Lassmann Timo , Forrest Alistair RR , Suzuki Masanori , Tomaru Yasuhiro , Kawai Jun , Carninci Piero , Suzuki Harukazu  , regulační sítě s využitím RNA a siRNA /Daub Carsten O.,YoshihideHayashizaki - 2010. - 19. srpna ( roč. 38 , č. 22 ). - S. 8141-8148 . — ISSN 0305-1048 . doi : 10.1093 / nar/gkq729 .
  8. Frith MC , Valen E. , Krogh A. , Hayashizaki Y. , Carninci P. , Sandelin A. Kód pro iniciaci transkripce v genomech savců  //  Genome Research. - 2007. - 21. listopadu ( roč. 18 , č. 1 ). - str. 1-12 . — ISSN 1088-9051 . - doi : 10.1101/gr.6831208 .
  9. FANTOM Consortium , Riken Omics Science Center. Transkripční síť, která řídí zastavení růstu a diferenciaci v buněčné linii lidské myeloidní leukémie  //  Nature Genetics. - 2009. - 19. dubna ( roč. 41 , č. 5 ). - S. 553-562 . — ISSN 1061-4036 . - doi : 10.1038/ng.375 .
  10. Faulkner Geoffrey J , Kimura Yasumasa , Daub Carsten O , Wani Shivangi , Plessy Charles , Irvine Katharine M , Schroder Kate , Cloonan Nicole , Steptoe Anita L , Lassmann Timo , Waki ​​​​Kazunori , Hashi ​​Kazunori , Hornig Takawahadine , Arakuki Takawahadine Jun , Forrest Alistair RR , Suzuki Harukazu , Hayashizaki Yoshihide , Hume David A , Orlando Valerio , Grimmond Sean M , Carninci Piero. Regulovaný retrotransposonový transkriptom savčích buněk  (anglicky)  // Nature Genetics. - 2009. - 19. dubna ( roč. 41 , č. 5 ). - str. 563-571 . — ISSN 1061-4036 . - doi : 10.1038/ng.368 .
  11. Biologie . — 9. vyd. - Dubuque, IA: McGraw-Hill, 2011. - S. 278-301. — xxvi, 1279, [97] str. - ISBN 9780073532226 , 9780077350024, 0077350022, 0073532223, 9780071222068, 0071222065, 978007132764.
  12. Lieberman, Michael, 1950-. Kapitola 14 // Marksova základní lékařská biochemie: klinický přístup . — Čtvrté vydání. — Philadelphia: Wolters Kluwer Health/Lippincott Williams & Wilkins, [2013]. — ix, 1014 stran s. - ISBN 9781608315727 , 160831572X, 9781451100037, 1451100035.
  13. Vedoucí Steven R. , Komori H. Kiyomi , LaMere Sarah A. , Whisenant Thomas , Van Nieuwerburgh Filip , Salomon Daniel R. , Ordoukhanian Phillip. Konstrukce knihovny pro sekvenování nové generace: Přehledy a výzvy   // BioTechniques . - 2014. - 1. února ( roč. 56 , č. 2 ). — ISSN 1940-9818 . - doi : 10.2144/000114133 .
  14. Innocenti Nicolas , Golumbeanu Monica , Fouquier d'Hérouël Aymeric , Lacoux Caroline , Bonnin Rémy A. , Kennedy Sean P. , Wessner Françoise , Serror Pascale , Bouloc Philippe , Repoila Francis , Aurell. Celogenomové mapování 5′ RNA končí v bakteriích pomocí značkovaného sekvenování: komplexní pohled v Enterococcus faecalis   // RNA . - 2015. - 3. března ( roč. 21 , č. 5 ). - S. 1018-1030 . — ISSN 1355-8382 . - doi : 10.1261/rna.048470.114 .
  15. Ettwiller Laurence , Buswell John , Yigit Erbay , Schildkraut Ira. Nová strategie obohacování odhaluje bezprecedentní počet nových míst začátku transkripce s rozlišením jedné báze v modelovém prokaryotu a střevním mikrobiomu  //  BMC Genomics. - 2016. - 8. března ( roč. 17 , č. 1 ). — ISSN 1471-2164 . doi : 10.1186 / s12864-016-2539-z .
  16. Mazin Pavel V. , Fisunov Gleb Y. , Gorbačov Alexey Y. , Kapitskaya Kristina Y. , Altukhov Ilya A. , Semashko Tatiana A. , Alexeev Dmitry G. , Govorun Vadim M. Analýza transkriptomu odhaluje nové regulační mechanismy v genomu redukovaná bakterie  (anglicky)  // Nucleic Acids Research. - 2014. - 31. října ( roč. 42 , č. 21 ). - S. 13254-13268 . — ISSN 1362-4962 . - doi : 10.1093/nar/gku976 .
  17. Kawaji H. , Lizio M. , Itoh M. , Kanamori-Katayama M. , Kaiho A. , Nishiyori-Sueki H. , Shin JW , Kojima-Ishiyama M. , Kawano M. , Murata M. , Ninomiya-Fukuda Ni , Ishikawa-Kato S. , Nagao-Sato S. , Noma S. , Hayashizaki Y. , Forrest ARR , Carninci P. , The FANTOM Consortium. Srovnání profilování transkriptomu CAGE a RNA-seq pomocí klonálně amplifikovaného a jednomolekulárního sekvenování nové generace  //  Genome Research. - 2014. - 27. března ( roč. 24 , č. 4 ). - str. 708-717 . — ISSN 1088-9051 . - doi : 10.1101/gr.156232.113 .
  18. Adiconis Xian , Haber Adam L. , Simmons Sean K. , Levy Moonshine Ami , Ji Zhe , Busby Michele A. , Shi Xi , Jacques Justin , Lancaster Madeline A. , Pan Jen Q. , Regev Aviv , Levin Joshua Z. Comprehensive srovnávací analýza metod sekvenování 5'-konce RNA  //  Nature Methods. - 2018. - 4. června ( roč. 15 , č. 7 ). - S. 505-511 . — ISSN 1548-7091 . - doi : 10.1038/s41592-018-0014-2 .
  19. ↑ 1 2 3 Kodzius Rimantas , Kojima Miki , Nishiyori Hiromi , Nakamura Mari , Fukuda Shiro , Tagami Michihira , Sasaki Daisuke , Imamura Kengo , Kai Chikatoshi , Harbers Matthias , Hayhide Izaki , Car CAGE: cap analýza genové exprese  (anglicky)  // Nature Methods. - 2006. - březen ( roč. 3 , č. 3 ). - str. 211-222 . — ISSN 1548-7091 . - doi : 10.1038/nmeth0306-211 .
  20. Carninci Piero , Kvam Catrine , Kitamura Akiko , Ohsumi Tomoya , Okazaki Yasushi , Itoh Mitsuteru , Kamiya Mamoru , Shibata Kazuhiro , Sasaki Nobuya , Izawa Masaki , Muramatsu , Caizaki Schakila , Yohidio , Yohidio . Vysoce účinné klonování cDNA s plnou délkou pomocí biotinylovaného CAP Trapper   // Genomics . - 1996. - Listopad ( roč. 37 , č. 3 ). - str. 327-336 . — ISSN 0888-7543 . - doi : 10.1006/geno.1996.0567 .
  21. Takahashi Hazuki , Lassmann Timo , Murata Mitsuyoshi , Carninci Piero. Profilování exprese na 5' konci s použitím genové exprese analýzy cap a sekvenování nové generace  //  Nature Protocols. - 2012. - 23. února ( vol. 7 , č. 3 ). - S. 542-561 . — ISSN 1754-2189 . - doi : 10.1038/nprot.2012.005 .
  22. Reverzní transkriptáza SuperScript II - Thermo Fisher Scientific . www.thermofisher.com Staženo 1. 5. 2019. Archivováno z originálu 1. 5. 2019.
  23. Efektivní příprava cDNA: PrimeScript reverzní transkriptáza . www.takarabio.com. Staženo 1. 5. 2019. Archivováno z originálu 1. 5. 2019.
  24. Valen E. , Pascarella G. , Chalk A. , Maeda N. , Kojima M. , Kawazu C. , Murata M. , Nishiyori H. , Lazarevic D. , Motti D. , Marstrand TT , Tang M.-HE , Zhao X. , Krogh A. , Winther O. , Arakawa T. , Kawai J. , Wells C. , Daub C. , Harbers M. , Hayashizaki Y. , Gustincich S. , Sandelin A. , Carninci P. Genome-wide detekce a analýza promotorů jádra hippocampu pomocí DeepCAGE  //  Genome Research. - 2008. - 3. prosince ( roč. 19 , č. 2 ). - str. 255-265 . — ISSN 1088-9051 . - doi : 10.1101/gr.084541.108 .
  25. ↑ 1 2 3 Plessy Charles , Bertin Nicolas , Takahashi Hazuki , Simone Roberto , Salimullah Md , Lassmann Timo , Vitezic Morana , Severin Jessica , Olivarius Signe , Lazarevic Dejan , Hornig Nadine , Du Bella Iranovc , Hudobné , Gama Iranovc Philipp , Wang Huaien , Davis Carrie A , Gingeras Thomas R , Kawai Jun , Daub Carsten O , Hayashizaki Yoshihide , Gustincich Stefano , Carninci Piero. Spojení promotorů s funkčními transkripty v malých vzorcích pomocí nanoCAGE a CAGEscan  //  Nature Methods. - 2010. - 13. června ( díl 7 , č. 7 ). - str. 528-534 . — ISSN 1548-7091 . - doi : 10.1038/nmeth.1470 .
  26. Itoh Masayoshi , Kojima Miki , Nagao-Sato Sayaka , Saijo Eri , Lassmann Timo , Kanamori-Katayama Mutsumi , Kaiho Ai , Lizio Marina , Kawaji Hideya , Carninci Piero , Forrest Alistairashizaki RR , Yo Automatizovaný pracovní postup pro přípravu cDNA pro Cap analýzu genové exprese na sekvenátoru jedné molekuly  //  PLoS ONE. - 2012. - 30. ledna ( díl 7 , č. 1 ). — P.e30809 . — ISSN 1932-6203 . - doi : 10.1371/journal.pone.0030809 .
  27. Batut P. , Dobin A. , Plessy C. , Carninci P. , Gingeras TR Vysoce věrné profilování promotorů odhaluje rozšířené použití alternativních promotorů a expresi vývojových genů řízenou transposony  //  Genome Research. - 2012. - 30. srpna ( roč. 23 , č. 1 ). - S. 169-180 . — ISSN 1088-9051 . - doi : 10.1101/gr.139618.112 .
  28. Murata Mitsuyoshi , Nishiyori-Sueki Hiromi , Kojima-Ishiyama Miki , Carninci Piero , Hayashizaki Yoshihide , Itoh Masayoshi. Detekce vyjádřených genů pomocí CAGE  //  regulačních sítí transkripčních faktorů. - 2014. - S. 67-85 . — ISBN 9781493908042 . — ISSN 1064-3745 . - doi : 10.1007/978-1-4939-0805-9_7 .
  29. ↑ 1 2 de Hoon Michiel , Hayashizaki Yoshihide. Genová exprese pro analýzu hluboké čepice (CAGE): identifikace promotorů v celém genomu, kvantifikace jejich exprese a síťová inference   // BioTechniques . - 2008. - Duben ( roč. 44 , č. 5 ). - S. 627-632 . — ISSN 0736-6205 . - doi : 10.2144/000112802 .
  30. ↑ 1 2 Zhao Xiaobei , Valen Eivind , Parker Brian J. , Sandelin Albin. Systematické shlukování transkripce Krajiny startu webu  //  PLoS ONE. - 2011. - 24. srpna ( roč. 6 , č. 8 ). — P. e23409 . — ISSN 1932-6203 . - doi : 10.1371/journal.pone.0023409 .
  31. Islam S. , Kjallquist U. , Moliner A. , Zajac P. , Fan J.-B. , Lonnerberg P. , Linnarsson S. Charakterizace jednobuněčné transkripční krajiny vysoce multiplexním RNA-seq  //  Genome Research. - 2011. - 4. května ( roč. 21 , č. 7 ). - S. 1160-1167 . — ISSN 1088-9051 . - doi : 10.1101/gr.110882.110 .

Odkazy