イントロダクション
哺乳類を含む様々な生物の完全なゲノム配列は、DNAシークエンシング技術の急速な進歩の結果として、最近利用可能になっている。 しかし、特に哺乳類では、転写物の分析は、まだゲノムとプロテオームの間のギャップを埋める上で重要な役割を果たしています。 これは、現在、ゲノム情報だけでは特定の遺伝子に由来する転写物の構造を正確に予測することができないためです。 したがって、転写物の分析のための方法として、cDNAライブラリーの構築は、ポストゲノム配列決定の時代であっても重要である。 PCRによる関心のある遺伝子のcDNAクローニングは、cDNAライブラリ構築なしで転写構造を分析するための単純化された代替ルートを提供しているが、cDNAラ 今日まで、高品質のcDNAライブラリーを調製するための方法の開発に多大な努力が払われてきた(1-4)。 対照的に、Rnaの小さなプールから高品質のcDNAライブラリを調製する方法の問題は、それほど積極的に対処されていません。 しかし、研究者は、病理学的サンプルで見られるような特定の条件下で特定の種類の細胞または組織でのみ発現すると予測される仮説的な遺伝子に
増幅されたcDNAまたはcRNAを生成するための少量のソースRNAの使用を記述する多くの報告があり、そこからマイクロアレイ分析のための標的を調製 それらの最終的な目標は、元のmRNAの高度に代表的な完全長の非集団バイアスRNAを得ることである。 これを行うために、これらの方法は、通常、PCRまたはT7RNAポリメラーゼによるin vitro転写を採用して、元のmRNAをcDNAまたはcRNAの形態でそれぞれ増幅する。 発現プロファイルの比較は、細胞や組織の生理学的状態の違いを調査するための最も効率的なアプローチの一つですが、転写物の構造特性(例えば、代替スプライシングパターン、転写開始部位、および転写終了部位の同定)は、このようなマイクロアレイ解析によって行うことはできません。 これらの場合、各転写物の配列解析は避けられません。
遺伝子クローニングや包括的なシーケンシング解析に適したcDNAライブラリーを構築するために、少量の出発RNAを使用できる方法を開発しました。 この方法は、増幅中のサイズバイアス効果を最小限に抑えるために、それぞれ、T7およびSP6ファージプロモーター配列と第一ラウンドcdnaの3’および5’端 二ラウンドcRNA増幅後、増幅したcrnaをcdnaに変換し、これらの生成物をプラスミドにクローニングし、得られたcDNAライブラリーを従来の方法(4,16,17)で構築したものと比較して評価した。
材料および方法
cRNA増幅
この研究で使用されたオリゴヌクレオチドの配列を表1に示す。 プロトコルを確立するために、我々はテンプレートとしてICRマウス脳(8週齢の雄マウス)から調製した1μ gの総RNAを使用しました。 1μ gの全RNAと1 0 0pmolのT7−Not−(d T)1 8プライマーの混合物(1 0μ l)を7 0℃で1 0分間インキュベートした後、氷上で急冷した。 二本鎖cDNA合成およびアダプター連結を、SUPERSCRIPT(登録商標)Plasmid System(Invitrogen,Carlsbad,C A,USA)(4,1 6,1 7)のプロトコルに従って、軽微な改変を加えて行った。 1Mジチオトレイトール(DT T)1μ l、1 0m M dNTPs1μ l、(4 0U)Rnaseout(商標)(Invitrogen)1μ l、および水1μ lを変性RNA/T7−Not−(D T)1 8プライマー混合物に添加し、3 7℃で3分間インキュベートして 次いで、反応混合物に2μ l(4 0 0U)SUPERSCRIPT III Rnase H−reverse transcriptase(Invitrogen)を添加し、温度を5 0℃に調整して第1鎖c DNA合成を開始した。 1時間後、GublerおよびHoffman(1 8)により以前に記載されたように第2鎖c DNA合成を行った;第1鎖c DNA混合物に、水9 1μ l、5×第2鎖緩衝液(Invitrogen)3 0μ l、1 0m M dNTPs3μ l、1μ l(1 0U)Escherichia coli DNA ligase、4μ l(4 0U)e.coli DNA polymerase、および1μ l(2U)e.coli Rnase Hを添加し、混合物を1 6℃で2時間インキュベートした。その後、cDNA末端を、1 0u t4dnaポリメラーゼ(Invitrogen)で1 6℃で5分間末端研磨し、1 0μ lの0. 得られたcDNAを、フェノール/クロロホルム/イソアミルアルコール(2 5:2 4:1)による抽出により精製し、続いて前述の(1 7)のようにエタノール沈殿させたが、ポリアデニル酸 沈殿したcDNAを、5 0μ lのTE(1 0m M Tris−Hcl、pH8. インキュベーション後、cDNA混合物を1 8,0 0 0×gで4℃で1 5分間遠心分離した。 得られたcDNAペレットを7 0%エタノールで2回すすぎ、乾燥させ、次いで3 0μ lの水に再懸濁した。 精製したcDNAを5 0 0pmol sp6アダプター(表1)で5U T4DNAリガーゼ(Invitrogen)を使用して、5 0μ lの反応体積中で1 6℃で一晩連結した。 アダプター連結された混合物を水で2倍に希釈し、次いで、Dnaclear(商標)カラム(Ambion,Austin,T X,USA)を用いてcDNAを精製した。 溶出液(水中1 6μ L)をcRNA合成のための鋳型として使用した。 Megascript(登録商標)T7キット(Ambion)を使用して、cRNAを3 7℃で4 0μ Lの反応容積で一晩合成した。 鋳型c DNAを4UのDnase iによって分解した後、合成したcRNAを、Rneasy(登録商標)Miniキット(QIAGEN,Valencia,C A,USA)を用いて精製し、1 0 0μ lの水で溶出した。 CRNAの濃度は、紫外線(UV)吸収によって決定した。 2回目のcrna増幅のために、2μ gの合成cRNAおよび1 0 0pmolのSP6upプライマー(表1に示されるsp6アダプターの上部鎖オリゴヌクレオチドに等しい)を鋳型およ 第二ラウンドのcDNA合成は、SP6upプライマーアニーリングを50℃で3分間行ったことを除いて、ソースRNAからの元の逆転写のように行った。 得られた二本鎖cDNAをDnaclearカラムで精製した後、0.5μ gのcDNAを、次のSP6RNAポリメラーゼ支援cRNA増幅のための鋳型として使用した。 Megascript SP6kit(Ambion)を用いて、cRNA合成を3 7℃、6時間行った。dnase iを用いて鋳型c DNAを分解した後、合成したcRNAを上記のようにして精製した。
cDNAライブラリー構築
得られたcrnaの二つのマイクログラムを、100pmol attb2-Not-(dT)18プライマーを用いた二本鎖cDNA合成に供した(表1)。 CDNA合成、末端鈍化、精製、およびアダプター連結工程は、ATTB1アダプター(表1、5 0 0pmol)が二本鎖cDNAに連結されたことを除いて、以前のcDNA合成と同様に実施した。 ATTB1アダプター連結cDNAを、フェノール/クロロホルム/イソアミルアルコール抽出、エタノール沈殿、およびPEG/Nacl沈殿の連続処理によりこの順序で精製した後、5 0μ lのTEに溶解し、Rnase A(最終濃度1 0μ g/ml;Invitrogen)で処理して、3 7℃で3 0分間、汚染RNAを分解した。 反応混合物を再びフェノール/クロロホルム/イソアミルアルコールによる抽出により精製し、続いてエタノール沈殿およびPEG/Nacl沈殿を行った。 得られたcdnaを15μ l TEに溶解し、その量をアガロースゲル上で電気泳動した後の蛍光染色強度から推定した(4)。 ATTB1連結cDNA(3 6ng)を、2 5 0ngのATTP−psp7 3ドナーベクターを用いたin vitro組換え反応(Gateway(登録商標)System;Invitrogen)に先に記載したように供した(4、1 6、1 7)。 要するに、ATTB1連結c DNAおよびATTP−psp7 3ドナーベクターを混合し、2μ lの5×BP Clonasetm反応緩衝液および2μ lのbp Clonase(両方ともInvitrogen製)を含む1 0μ lの反応容積中で、2 5℃で一晩 CDNA混合物を2μ gのプロテイナーゼK(Invitrogen)で37℃で10分間処理し、反応をクエンチし、フェノール/クロロホルム/イソアミルアルコールで抽出し、2μ gの酵母tRNAを担体としたエタノール沈殿を行った。 沈殿したcDNAを1 0μ lの水に溶解し、1μ lの混合物をElectromax(商標)D H1 0B(商標)e.coli細胞(Invitrogen)の形質転換のために使用した。 得られたcDNAライブラリーを滴定した後、cDNAプラスミドを、前述のようにアルカリドデシル硫酸ナトリウム(SDS)法により約1 0 0万コロニーから回収した(4,1 9)。 得られたcdnaクローンはattl部位を担持するプラスミドの形態であった。 いくつかの用途では、ATTB部位を有するプラスミドが必要とされるので、これらのプラスミドを、前述の(1 6)のようにATTB部位を有するプラスミドに変換した。 このcDNAライブラリーをMB−AL(mouse brain amplified cRNA−derived library)と命名した。MB-ALについて説明したのと同様に、非増幅RNA(100μ gのマウス脳トータルRNA)からcDNAライブラリーを構築し、MB-CL(マウス脳従来構築ライブラリー)と命名しました。
増幅されたcrnaに対するサイズバイアス効果の検査
crnaに対するサイズバイアス効果を調べるために、T7RNAポリメラーゼによって転写された第一ラウンドcrnaとSP6RNAポリメラーゼによって転写された第二ラウンドcrnaを1.0%アガロースゲル(各1μ g)上で実行し、ナイロン膜(Biodyne(登録商標)Bナイロン膜;PALL、East Hills、NY、USA)上でブロットした。 それらを、それぞれ、3 2P標識SP6upプライマー(表1)およびNot−(d T)1 8(5’−GCGGCCGCTTTTTTTTTTTTTTTTTTT−3’)オリゴヌクレオチドとハイブリダイズした。 各プローブの1 0ピコモルをATP(約3 0 0 0Ci/mmol)で標識した。; Amersham Biosciences,Piscataway,NJ,USA)を用いて、T4ポリヌクレオチドキナーゼ(Takara,Kyoto Japan)を用いた。 4 5℃のGMC緩衝液(2 0)中で一晩ハイブリダイゼーションした後、これらの膜を、1×標準クエン酸塩(SSC)/1%SDS溶液中で室温で3回広範囲に洗浄した。 ハイブリダイズされたシグナルの分析は、bas2000Image Analyzer(Fuji Photo Film,Tokyo,Japan)
cDNAライブラリーの評価
ゲル電気泳動上で行った。
ゲル電気泳動。
ゲル電気泳動。
ゲル電気泳動。 CDNA挿入サイズの分布は、テンプレートとしてNotI消化MB-ALとMB-CLプラスミドcdnaを使用してT7RNAポリメラーゼによって合成されたcrnaの電気泳動によって調 Rneasyミニキットを使用して精製した後、cRNAを、Perfect RNAマーカー(EMD Biosciences,Madison,WI,USA)を有するホルムアルデヒド含有アガロースゲル上で電気泳動した。 SYBR(登録商標)Green II(Invitrogen)でゲルを染色した後、蛍光染色強度を、Fluorimager5 9 5(Amersham Biosciences)上のImagequant(登録商標)(バージョン5.0)ソフトウェアを使用して分析した。
ランダムシングルパスシーケンシング解析。 CDNAクローンの3’末端配列は、DNA配列決定によって調べた。 無作為に選択した7 6 8クローンからのプラスミドDNAを、MFX−9 6 0 0Magnia(登録商標)(Toyobo,Osaka,Japan)を用いて精製し、RISA3 8 4−Capillary Sequencer(Shimadzu,Kyoto,Japan)によって分析した(1 6)。 1(Hitachi Software,Tokyo,Japan)を用いてベクター配列をトリミングした後、得られた2 0 0ヌクレオチド残基を超えるcDNA配列を、Genbank(登録商標)データベースおよび自社マウスデータベースに CDNAクローンの3’末端の整合性の検査は、正準ポリアデニル化シグナル六量体(5′-AATAAA-3’)またはその単一塩基変異体(11シグナル六量体)がcdnaのポリ(a)尾から上流50ヌクレオチド残基内に発見されたかどうかの分析によって行われた(21)。
cDNAマイクロアレイ。 マイクロアレイ分析は、MB-ALとMB-CLライブラリ内のcDNA集団を比較するために行われました。 3534プローブを備えた自家製cDNAナイロンマイクロアレイを調製し、放射性同位体検出を行った(22)。 簡単に説明すると、我々の研究所で単離され、完全配列または末端配列が既に知られていたcDNAプラスミドを、Genetac(商標)RA1(Genomic Solutions,Ann Arbor,MI,USA)を使用してBiodyne b nylon membrane上で発見し、次いで、製造者の指示に従って固定した。 このマイクロアレイ上に固定化されたcdnaのリストは、著者らからの要求に応じて入手可能である。 MB−A lおよびMB−CL標的c DNAを、上記のような挿入サイズ分析に使用した1μ gのcRNA試料のそれぞれからの逆転写を用いて調製した。 これらの標的を合成し、1μ gの各cRNA、1 0 0ngのランダム六量体、1×第1鎖緩衝液、1 0m MのDTT、各8 0 0μ MのDATP、DTTP、およびDGTP、8 0 0nMのdCTP、5μ LのdCTP(<div id=”1f0 6 7 6 8 8fb”></div>2 5 0 0Ci/mmol;Amersham Biosciences)、および1 0 0U Superscript I I Rnase H−アルカリ溶解および中和の後、標識したcdnaをqiaquick(登録商標)PCR PURIFICATION KIT(QIAGEN)で精製し、計数した。 5μ gのマウスCot−1DNA(登録商標)(Invitrogen)の存在下、2 5 0μ lのPerfecthyb(商標)緩衝液(Toyobo)中で、6 8℃で一晩、cDNAナイロンマイクロアレイとのハイブリダイゼーションを行った。 6 8℃で2×ssc/1%SDS(それぞれ1 5分間の2回の洗浄)、次いで、0.1×SSC/1%SDS(それぞれ3 0分間の2回の洗浄)で厳格に洗浄した後、ハイブリダイゼーション信号を検出し、FLA−8 0 0 0(Fuji Photo Film)で分析した。 背景対照のものよりも強いシグナルを示すcdnaスポットを選択し,さらなる分析を行った。 大域的正規化を行った後,MB-A lおよびMB-CL標的に由来するcdnaスポットのシグナル強度の散布図を得た。
RNAブロットハイブリダイゼーション。 サイズバイアス効果を調べるためにRNAブロットハイブリダイゼーションを行った。 MB−A lおよびMB−CLのcRNA(それぞれ1.5μ g、上記のように合成)をホルムアルデヒド含有アガロースゲル上で電気泳動し、Biodyne bナイロン膜に移した。 PCR増幅を用いてプローブcDNAを調製した。 プライマーはGenBankのデータベースか私達の社内データベースで登録されている順序に基づいて設計されていた; 鋳型は、我々が単離したcDNAプラスミドであった。 リボソームS6タンパク質のプローブは長さ724bpであり、5′-CGCTCGGCTGTGTCAAGATG-3’および5′-GAGGACAGCCTACGTCTCTTGG-3’プライマーで増幅され、熱ショックタンパク質(hsp)のプローブは長さ70、940bpで、5′-GATGGACAAGGCGCAGATCC-3’および5′-CTCGATGGTGGGTCCTGAGC-3’プライマーで増幅された。 これらのプローブを、Radprime DNA Labeling System(Invitrogen)を使用して、dCTP(約3 0 0 0Ci/mmol;Amersham Biosciences)で標識した。 1×SSC/1%SDSで、室温で5分間および1 5分間、次いで6 5℃で3 0分間連続的に洗浄した。 ハイブリダイゼーション信号は、BAS2000画像アナライザで検出されました。
結果と考察
本研究で開発したcDNAライブラリー構築法を図1に示します(新たに導入されたステップは星で強調表示されています)。 この方法は,crna増幅ステップ,cDNAへのcRNAの変換,およびプラスミドへの組換えクローニングの2ラウンドからなる。 この方法の重要なステップは、sp6プロモーター配列でcDNA末端をタグ付けするためのアダプター連結である。 この形式でcdnaを合成することができれば、SP6プロモーター配列を3’末端に含む最初のラウンドのcrnaを特異的に逆転写することが可能になる。 得られた二本鎖cDNAを鋳型として、SP6RNAポリメラーゼを用いて第2ラウンドcRNAを合成する。 2ラウンドのRNAポリメラーゼ支援増幅の後、得られたcRNAは、ATTB2−Not−(d T)1 8プライマーを用いた逆転写によって二本鎖cDNAに変換される。 逆転写におけるattb2-Not-(dT)18プライマーの使用は、配列5′-(A)18GCGGCCGC-3’をそれらの3’末端に運ぶcrnaのみを変換することを可能にする。 これらの修飾は、増幅と正しくタグ付けされた末端を持っているcdnaのクローニングを許可する必要がありますので、我々は、この方法は、RNAポリメラーゼ支援
本方法の有効性を試験するために、マウス脳からの非増幅総RNA(100μ g)を用いた従来の方法(16)およびマウス脳からの総RNAの1μ gを用い 表2は、各工程で得られたcDNAおよびcRNAの量を要約し、MB−AL構築の3つの独立した実験実行の平均として計算した。 我々は、最終的な出力として6.4×107独立したcDNAクローンの平均を得た。 CDNAクローンのこの数は、増幅プロトコルを使用して生成された36ngのcDNAの合計に由来するので、我々は、この方法は、約1.2×1011のcDNAクローンを1μ gの総RNAか
増幅ステップ中のサイズバイアス効果を実験的に調べるために、我々は次のRNAブロットハイブリダイゼーション分析によって第一ラウンドと第二ラウンドcRNAのサイズ分布を比較した。 これらのオリゴヌクレオチドプローブは正しく最後に転写された唯一のcrnaを検出するため、これらの実験では、第一ラウンドと第二ラウンドcrnaは、そ 図2に示すように、第二ラウンドのcrnaのハイブリダイゼーションシグナルのピーク時のRNAサイズは、第一ラウンドのcRNAのそれとほぼ同じであるが、より小さ 我々は、crnaの切り捨ては、おそらくSP6アッププライマーと第二ラウンドcDNA合成中に行われたと思われる。