กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 11 นาที

การจัดลำดับบิซัลไฟต์

การจัดลำดับ บิซัลไฟต์ [ 1 ] (หรือที่รู้จักกันในชื่อ การจัดลำดับบิซัลไฟต์ ) คือการใช้ การบำบัด บิซัลไฟต์ กับ DNA ก่อน การจัดลำดับ ตามปกติ เพื่อกำหนดรูปแบบของ เมทิลเลชัน เมทิล...

การจัดลำดับบิซัลไฟต์

รูปที่ 1: แผนภาพแสดงกระบวนการแปลงลำดับดีเอ็นเอจีโนมตัวอย่างด้วยไบซัลไฟต์ นิวคลีโอไทด์สีน้ำเงินคือไซโตซีนที่ไม่มีหมู่เมทิลซึ่งถูกแปลงเป็นยูราซิลด้วยไบซัลไฟต์ ในขณะที่นิวคลีโอไทด์สีแดงคือ 5-เมทิลไซโตซีนซึ่งทนต่อการแปลง
รูปที่ 2: แผนภาพแสดงปฏิกิริยาเคมีที่เป็นพื้นฐานของการเปลี่ยนไซโตซีนเป็นยูราซิลโดยใช้ไบซัลไฟต์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา

การจัดลำดับบิซัลไฟต์[ 1 ] (หรือที่รู้จักกันในชื่อการจัดลำดับบิซัลไฟต์ ) คือการใช้ การบำบัด บิซัลไฟต์กับDNAก่อนการจัดลำดับ ตามปกติ เพื่อกำหนดรูปแบบของเมทิลเลชันเมทิลเลชันของ DNA เป็นเครื่องหมาย เอพิเจเนติกส์ที่ถูกค้นพบเป็นครั้งแรกและยังคงเป็นเครื่องหมายที่ได้รับการศึกษามากที่สุด ในสัตว์ เมทิลเลชันส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการเพิ่มหมู่เมทิลที่ตำแหน่งคาร์บอน-5 ของ สารตกค้าง ไซโตซีนของไดนิวคลีโอไทด์CpGและเกี่ยวข้องกับการยับยั้งกิจกรรมการถอดรหัส

การบำบัดดีเอ็นเอด้วยไบซัลไฟต์จะเปลี่ยนหมู่ไซโตซีนให้เป็นยูราซิลแต่จะไม่ส่งผลกระทบต่อ หมู่ 5-เมทิลไซโตซีนดังนั้น ดีเอ็นเอที่ได้รับการบำบัดด้วยไบซัลไฟต์จึงคงไว้เฉพาะไซโตซีนที่มีหมู่เมทิลเท่านั้น ด้วยเหตุนี้ การบำบัดด้วยไบซัลไฟต์จึงทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเฉพาะในลำดับดีเอ็นเอซึ่งขึ้นอยู่กับสถานะการเมทิลเลชันของหมู่ไซโตซีนแต่ละตัว ทำให้ได้ข้อมูลเกี่ยวกับสถานะการเมทิลเลชันของดีเอ็นเอในระดับนิวคลีโอไทด์เดี่ยว สามารถทำการวิเคราะห์ต่างๆ กับลำดับที่เปลี่ยนแปลงไปเพื่อดึงข้อมูลนี้ออกมาได้ ดังนั้น วัตถุประสงค์ของการวิเคราะห์นี้จึงลดลงเหลือเพียงการแยกแยะความแตกต่างระหว่างโพลีมอร์ฟิซึมของนิวคลีโอไทด์เดี่ยว (ไซโตซีนและไทมิดีน ) ที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงด้วยไบซัลไฟต์ (ภาพที่ 1)

วิธีการ

การลำดับเบสด้วยไบซัลไฟต์ (Bisulfite sequencing) ใช้เทคนิคการลำดับเบสแบบปกติกับดีเอ็นเอจีโนมที่ผ่านการบำบัดด้วยไบซัลไฟต์เพื่อตรวจสอบสถานะการเมทิลเลชั่นที่ไดนิวคลีโอไทด์ CpG นอกจากนี้ยังมีการใช้กลยุทธ์อื่นๆ ที่ไม่ใช่การลำดับเบสเพื่อตรวจสอบการเมทิลเลชั่นที่ตำแหน่งเฉพาะหรือใน ระดับ จีโนมทั้งหมด กลยุทธ์ทั้งหมดนี้ตั้งอยู่บนสมมติฐานว่าการเปลี่ยนไซโตซีนที่ไม่ถูกเมทิลเลชั่นให้เป็นยูราซิลโดยไบซัลไฟต์นั้นสมบูรณ์ และนี่เป็นพื้นฐานของเทคนิคอื่นๆ ที่ตามมา ในอุดมคติแล้ว วิธีการที่ใช้ควรตรวจสอบสถานะการเมทิลเลชั่นแยกกันสำหรับแต่ละอัลลีลวิธีการอื่นนอกเหนือจากการลำดับเบสด้วยไบซัลไฟต์ ได้แก่ การวิเคราะห์การ จำกัด ด้วยไบซัลไฟต์แบบรวม (Combined Bisulphite Restriction Analysis)และการตกตะกอนภูมิคุ้มกันของดีเอ็นเอที่ถูกเมทิลเลชั่น (Memethylated DNA Immunoprecipitationหรือ MeDIP)

วิธีการวิเคราะห์ DNA ที่ผ่านการบำบัดด้วยไบซัลไฟต์กำลังได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง เพื่อสรุปวิธีการที่พัฒนาอย่างรวดเร็วเหล่านี้ ได้มีการเขียนบทความวิจารณ์จำนวนมาก[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]

โดยทั่วไปแล้ว วิธีการต่างๆ สามารถแบ่งออกเป็นกลยุทธ์ที่ใช้ PCR เฉพาะสำหรับการเมทิลเลชั่น (MSP) (รูปที่ 4) และกลยุทธ์ที่ใช้ปฏิกิริยาลูกโซ่พอลิเมอเรส (PCR) ที่ดำเนินการภายใต้สภาวะที่ไม่เฉพาะเจาะจงสำหรับการเมทิลเลชั่น (รูปที่ 3) วิธีการที่ใช้ไมโครอาร์เรย์ก็ใช้ PCR ภายใต้สภาวะที่ไม่เฉพาะเจาะจงสำหรับการเมทิลเลชั่นเช่นกัน

วิธีการ PCR ที่ไม่จำเพาะต่อการเมทิลเลชั่น

รูปที่ 3: วิธีการวิเคราะห์การเมทิลเลชั่นของดีเอ็นเอที่ไม่ใช้ PCR เฉพาะสำหรับการเมทิลเลชั่น หลังจากกระบวนการแปลงด้วยไบซัลไฟต์ ดีเอ็นเอจีโนมจะถูกขยายด้วย PCR ซึ่งไม่สามารถแยกแยะระหว่างลำดับที่มีเมทิลเลชั่นและไม่มีเมทิลเลชั่นได้ จากนั้นจึงใช้วิธีการต่างๆ ที่มีอยู่เพื่อทำการแยกแยะโดยอาศัยการเปลี่ยนแปลงภายในแอมพลิคอนอันเป็นผลมาจากการแปลงด้วยไบซัลไฟต์

การจัดลำดับโดยตรง

วิธีการวิเคราะห์เมทิลเลชันที่รายงานครั้งแรกโดยใช้ DNA ที่ผ่านการบำบัดด้วยไบซัลไฟต์ใช้ PCR และการจัดลำดับ DNA แบบไดดีออกซีนิวคลีโอไทด์มาตรฐาน เพื่อกำหนดนิวคลีโอไทด์ที่ทนต่อการแปลงไบซัลไฟต์โดยตรง[ 6 ] ไพรเมอร์ได้รับการออกแบบให้จำเพาะต่อสายและจำเพาะต่อไบซัลไฟต์ (เช่น ไพรเมอร์ที่มีไซโตซีนที่ไม่ใช่ CpG ซึ่งจะไม่เสริมกับ DNA ที่ไม่ได้ผ่านการบำบัดด้วยไบซัลไฟต์) โดยล้อมรอบ (แต่ไม่เกี่ยวข้อง) กับตำแหน่งเมทิลเลชันที่สนใจ ดังนั้นจึงจะขยายทั้งลำดับที่มีเมทิลเลชันและไม่มีเมทิลเลชัน ซึ่งแตกต่างจาก PCR ที่จำเพาะต่อเมทิลเลชัน ตำแหน่งของไซโตซีนที่ไม่มีเมทิลเลชันทั้งหมดจะแสดงเป็นไทมีนในลำดับที่ขยายของสายเซนส์ และเป็นอะดีนีนใน สาย แอนติเซนส์ ที่ขยาย โดยการรวมอะแดปเตอร์การจัดลำดับที่มีประสิทธิภาพสูงเข้ากับไพรเมอร์ PCR ผลิตภัณฑ์ PCR สามารถจัดลำดับได้ด้วยการจัดลำดับแบบขนานจำนวนมาก อีกทางเลือกหนึ่งซึ่งต้องใช้แรงงานมากคือ การโคลนและจัดลำดับดีเอ็นเอของผลิตภัณฑ์ PCR สามารถใช้วิธีNested PCR เพื่อเพิ่มคุณภาพของผลิตภัณฑ์สำหรับ การจัดลำดับดีเอ็นเอได้

เทคนิคการวิเคราะห์เมทิลเลชั่นของ DNA ทั้งหมดที่ตามมาโดยใช้ DNA ที่ผ่านการบำบัดด้วยไบซัลไฟต์นั้นอิงตามรายงานนี้โดย Frommer et al. (รูปที่ 2) [ 6 ]แม้ว่าวิธีการอื่นๆ ส่วนใหญ่จะไม่ใช่เทคนิคที่ใช้การจัดลำดับอย่างแท้จริง แต่คำว่า "การจัดลำดับไบซัลไฟต์" มักใช้เพื่ออธิบายเทคนิคการวิเคราะห์เมทิลเลชั่นของ DNA ที่ใช้การแปลงไบซัลไฟต์โดยทั่วไป

ไพโรซีเควนซิง

นอกจากนี้ ไพโรซีเควนซิงยังถูกนำมาใช้ในการวิเคราะห์ DNA ที่ผ่านการบำบัดด้วยไบซัลไฟต์โดยไม่ต้องใช้ PCR เฉพาะเมทิลเลชัน[ 7 ] [ 8 ] หลังจากการขยาย PCR ของบริเวณที่สนใจแล้ว ไพโรซีเควนซิงจะถูกใช้เพื่อกำหนดลำดับที่แปลงด้วยไบซัลไฟต์ของไซต์ CpG เฉพาะ ในบริเวณนั้น อัตราส่วนของ C ต่อ T ที่ไซต์แต่ละไซต์สามารถกำหนดได้ในเชิงปริมาณโดยอิงจากปริมาณการรวม C และ T ในระหว่างการขยายลำดับ ข้อจำกัดหลักของวิธีนี้คือต้นทุนของเทคโนโลยี อย่างไรก็ตาม ไพโรซีเควนซิงช่วยให้สามารถขยายไปสู่วิธีการคัดกรองที่มีปริมาณมากได้ เป็นอย่างดี

เทคนิครูปแบบหนึ่งที่อธิบายโดย Wong et al.ใช้ไพรเมอร์เฉพาะอัลลีลที่รวมโพลีมอร์ฟิซึมของนิวคลีโอไทด์เดี่ยวเข้าในลำดับของไพรเมอร์การจัดลำดับ ทำให้สามารถวิเคราะห์อัลลีล ของมารดาและบิดาแยกกัน ได้[ 9 ]เทคนิคนี้มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการวิเคราะห์การประทับทางพันธุกรรม

การวิเคราะห์โครงสร้างสายเดี่ยวที่ไวต่อการเมทิลเลชัน (MS-SSCA)

วิธีนี้ใช้พื้นฐานจาก วิธีการวิเคราะห์ โพลีมอร์ฟิซึมของคอนฟอร์เมชันสายเดี่ยว (SSCA) ที่พัฒนาขึ้นสำหรับ การวิเคราะห์ โพลีมอร์ฟิซึมของนิวคลีโอไทด์เดี่ยว (SNP) [ 10 ] SSCA แยกความแตกต่างระหว่างชิ้นส่วน DNA สายเดี่ยวที่มีขนาดเท่ากันแต่มีลำดับที่แตกต่างกันโดยอาศัยการเคลื่อนที่ที่แตกต่างกันในอิ เล็กโทร โฟเรซิส แบบไม่ทำให้ เสียสภาพ ใน MS-SSCA วิธีนี้ใช้เพื่อแยกความแตกต่างระหว่างบริเวณที่ได้รับการบำบัดด้วยไบซัลไฟต์และขยายด้วย PCR ที่มีไซต์ CpG ที่สนใจ แม้ว่า SSCA จะขาดความไวเมื่อ มีความแตกต่างของนิว คลีโอไทด์ เพียง ตัวเดียว แต่การบำบัดด้วยไบซัลไฟต์มักทำให้เกิดการแปลง C เป็น T จำนวนมากในบริเวณที่สนใจส่วนใหญ่ และความไวที่ได้จะเข้าใกล้ 100% MS-SSCA ยังให้การวิเคราะห์เชิงกึ่งปริมาณของระดับการเมทิลเลชันของ DNA โดยอิงจากอัตราส่วนของความเข้มของแถบ อย่างไรก็ตาม วิธีนี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อประเมินไซต์ CpG ทั้งหมด โดยรวมในบริเวณที่สนใจมากกว่าไซต์เมทิลเลชันแต่ละไซต์

การวิเคราะห์การหลอมเหลวความละเอียดสูง (HRM)

อีกวิธีหนึ่งในการแยกแยะ DNA ที่ผ่านการแปลงสภาพแล้วออกจาก DNA ที่ไม่ผ่านการแปลงสภาพ คือ การใช้การวิเคราะห์การหลอมละลายความละเอียดสูง (HRM) ซึ่งเป็น เทคนิคเชิง ปริมาณที่ใช้ PCRซึ่งออกแบบมาเพื่อแยกแยะ SNP เป็น หลัก [ 11 ]แอมพลิ คอน PCR จะถูกวิเคราะห์โดยตรงด้วยการเพิ่มอุณหภูมิและการปลดปล่อยสีย้อมเรืองแสง ที่แทรกตัว ระหว่างการหลอมละลาย ระดับของการเมทิลเลชั่น ซึ่งแสดงโดยปริมาณ C ต่อ T ในแอมพลิคอนจะกำหนดความเร็วของการหลอมละลายและการปลดปล่อยสีย้อมที่ตามมา วิธีนี้ช่วยให้สามารถวัดปริมาณโดยตรงในการทดสอบแบบหลอดเดียว แต่จะประเมินการเมทิลเลชั่นในบริเวณที่ขยายทั้งหมด แทนที่จะเป็นที่ไซต์ CpGเฉพาะ

การขยายไพรเมอร์แบบนิวคลีโอไทด์เดี่ยวที่ไวต่อการเมทิลเลชัน (MS-SnuPE)

MS-SnuPE ใช้ วิธี การต่อขยายไพรเมอร์ที่ออกแบบมาสำหรับการวิเคราะห์โพลีมอร์ฟิซึมของนิวคลีโอไทด์เดี่ยวเป็น หลัก [ 12 ] DNA จะถูกแปลงด้วยไบซัลไฟต์ และไพรเมอร์เฉพาะไบซัลไฟต์จะจับคู่กับลำดับจนถึงคู่เบสที่อยู่ก่อนหน้า CpG ที่สนใจ ไพรเมอร์จะได้รับอนุญาตให้ขยายคู่เบสหนึ่งคู่เข้าไปใน C (หรือ T) โดยใช้ ไดดีออกซีนิวคลีโอไทด์ ที่ยุติการ ทำงาน ของ DNA โพลี เมอเรส และอัตราส่วนของ C ต่อ T จะถูกกำหนดในเชิงปริมาณ

สามารถใช้วิธีการหลายวิธีในการกำหนดอัตราส่วน C:T นี้ ในตอนเริ่มต้น MS-SnuPE อาศัยddNTPs ที่มีกัมมันตรังสี เป็นตัวรายงานการขยายไพรเมอร์ นอกจาก นี้ยังสามารถใช้ วิธีการที่ใช้ฟลูออเรสเซนซ์หรือ ไพโรซีเควนซิง ได้ [ 13 ] อย่างไรก็ตาม การวิเคราะห์ ด้วยแมสสเปกโทร เมตรีแบบ MALDI-TOF (matrix-assisted laser desorption ionization/time-of-flight ) เพื่อแยกความแตกต่างระหว่างผลิตภัณฑ์การขยายไพรเมอร์แบบโพลีมอร์ฟิกสองชนิด สามารถทำได้โดยพื้นฐานแล้วโดยอิงจากการทดสอบ GOOD ที่ออกแบบมาสำหรับการระบุจีโนไทป์ SNP โครมาโทกราฟีของเหลวประสิทธิภาพสูงแบบย้อนกลับเฟสคู่ไอออน(IP-RP- HPLC ) ก็ถูกนำมาใช้เพื่อแยกความแตกต่างของผลิตภัณฑ์การขยายไพรเมอร์เช่น กัน [ 14 ]

การแยกเฉพาะเบส/MALDI-TOF

วิธีการที่ Ehrich et al. อธิบายไว้เมื่อเร็วๆ นี้ ใช้ประโยชน์จากการแปลงบิซัลไฟต์เพิ่มเติมโดยการเพิ่มขั้นตอนการแยกเบสเฉพาะเพื่อเพิ่มข้อมูลที่ได้รับจากการเปลี่ยนแปลงนิวคลีโอไทด์[ 15 ] โดยการใช้การถอดรหัส ในหลอดทดลอง ของบริเวณที่สนใจเป็นRNA ก่อน (โดยการเพิ่ม ไซต์ โปรโมเตอร์RNA โพลีเมอเรส ลงในไพรเมอร์ PCR ในการขยายสัญญาณเริ่มต้น) สามารถใช้RNase A ในการแยก RNA ที่ ไซต์เบสเฉพาะได้ เนื่องจากRNase AแยกRNAเฉพาะที่ไรโบนิวคลีโอไทด์ไซ โตซีนและยูราซิล ความจำเพาะของเบสจึงเกิดขึ้นได้โดยการเพิ่ม dTTPที่ทนต่อการแยกเมื่อต้องการการแยกเฉพาะไซโตซีน (C-specific) และการรวม dCTP เมื่อต้องการการแยกเฉพาะยูราซิล (U-specific) จากนั้นสามารถวิเคราะห์ชิ้นส่วนที่แยกได้ด้วยMALDI- TOF การบำบัดด้วยไบซัลไฟต์ส่งผลให้เกิดการเพิ่ม/ลดตำแหน่งการตัดโดยการแปลง C เป็น U หรือการเปลี่ยนแปลงมวลของชิ้นส่วนโดยการแปลง G เป็น A ในสายย้อนกลับที่ถูกขยาย การตัดแบบเฉพาะ C จะตัดเฉพาะที่ตำแหน่ง CpG ที่มีการเมทิลเลชั่นทั้งหมด โดยการวิเคราะห์ขนาดของชิ้นส่วนที่ได้ จะสามารถระบุรูปแบบเฉพาะของการเมทิลเลชั่นของ DNA ที่ตำแหน่ง CpGภายในบริเวณนั้นได้ แทนที่จะระบุขอบเขตของการเมทิลเลชั่นของบริเวณทั้งหมด วิธีนี้แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพสำหรับการคัดกรองปริมาณมากทำให้สามารถตรวจสอบตำแหน่ง CpG จำนวนมาก ในเนื้อเยื่อหลายชนิดได้อย่างคุ้มค่า

การตรวจ PCR เฉพาะการเมทิลเลชั่น (MSP)

รูปที่ 4: PCR ที่จำเพาะต่อการเมทิลเลชั่นเป็นวิธีการที่มีความไวสูงในการขยายและตรวจจับบริเวณที่มีการเมทิลเลชั่นที่สนใจโดยใช้ไพรเมอร์ที่จำเพาะต่อการเมทิลเลชั่นบนดีเอ็นเอจีโนมที่ผ่านการแปลงด้วยไบซัลไฟต์ ไพรเมอร์ดังกล่าวจะจับคู่กับลำดับที่มีการเมทิลเลชั่นเท่านั้น ซึ่งจะมี5-เมทิลไซโตซีนที่ทนต่อการแปลงด้วยไบซัลไฟต์ ในทางกลับกัน สามารถใช้ไพรเมอร์ที่จำเพาะต่อการไม่มีเมทิลเลชั่นได้เช่นกัน

วิธีการวิเคราะห์เมทิลเลชันทางเลือกนี้ยังใช้ DNA ที่ผ่านการบำบัดด้วยไบซัลไฟต์ แต่หลีกเลี่ยงความจำเป็นในการจัดลำดับบริเวณที่สนใจ[ 16 ]แทนที่จะเป็นเช่นนั้น คู่ไพรเมอร์ได้รับการออกแบบให้เป็น "เฉพาะเมทิลเลชัน" โดยการรวมลำดับที่เสริมเฉพาะ5-เมทิลไซโตซีน ที่ไม่ถูกแปลง หรือในทางกลับกัน "เฉพาะไม่เมทิลเลชัน" โดยเสริมไทมีนที่แปลงมาจากไซโตซีนที่ไม่เมทิลเลชัน การเมทิลเลชันถูกกำหนดโดยความสามารถของไพรเมอร์เฉพาะในการทำให้เกิดการขยาย วิธีนี้มีประโยชน์อย่างยิ่งในการตรวจสอบเกาะ CpGที่อาจมีความหนาแน่นของเมทิลเลชันสูง เนื่องจากจำนวนคู่ CpG ที่เพิ่มขึ้นในไพรเมอร์จะเพิ่มความจำเพาะของการทดสอบ การวางคู่ CpG ที่ปลาย 3' ของไพรเมอร์ยังช่วยเพิ่มความไวอีกด้วย รายงานเบื้องต้นที่ใช้ MSP อธิบายถึงความไวที่เพียงพอในการตรวจจับเมทิลเลชันของอัลลีล 0.1 % โดยทั่วไป MSP และโปรโตคอลที่เกี่ยวข้องถือว่ามีความไวสูงสุดในการตรวจสอบสถานะการเมทิลเลชั่นที่ตำแหน่ง เฉพาะ เจาะจง

วิธี MethyLight ใช้ MSP เป็นพื้นฐาน แต่ให้การวิเคราะห์เชิงปริมาณโดยใช้PCR เชิงปริมาณ[ 17 ] ใช้ไพรเมอร์เฉพาะเมทิลเลต และยังใช้โพรบรายงานฟลูออเรสเซนซ์เฉพาะเมทิลเลตที่จับกับบริเวณที่ขยาย ในอีกวิธีหนึ่ง สามารถออกแบบไพรเมอร์หรือโพรบโดยไม่ต้องมีความจำเพาะต่อเมทิลเลตหากต้องการแยกแยะระหว่างคู่ CpG ภายในลำดับที่เกี่ยวข้อง การหาปริมาณทำโดยอ้างอิงจาก DNA อ้างอิงที่มีเมทิลเลต การปรับเปลี่ยนโปรโตคอลนี้เพื่อเพิ่มความจำเพาะของ PCR สำหรับ DNA ที่แปลงด้วยไบซัลไฟต์สำเร็จ (ConLight-MSP) ใช้โพรบเพิ่มเติมกับ DNA ที่ไม่ได้แปลงด้วยไบซัลไฟต์เพื่อหาปริมาณการขยายที่ไม่จำเพาะนี้[ 18 ]

ระเบียบวิธีเพิ่มเติมที่ใช้ DNA ที่ขยายด้วย MSP จะวิเคราะห์ผลิตภัณฑ์โดยใช้การวิเคราะห์เส้นโค้งการหลอมเหลว (Mc-MSP) [ 19 ] วิธีนี้จะขยาย DNA ที่แปลงด้วยไบซัลไฟต์ด้วยไพรเมอร์เฉพาะสำหรับเมทิลเลตและไพรเมอร์เฉพาะสำหรับไม่มีเมทิลเลต และกำหนดอัตราส่วนเชิงปริมาณของผลิตภัณฑ์ทั้งสองโดยการเปรียบเทียบยอดที่แตกต่างกันที่เกิดขึ้นในการวิเคราะห์เส้นโค้งการหลอมเหลว วิธีการวิเคราะห์การหลอมเหลวที่มีความละเอียดสูงซึ่งใช้ทั้งPCR เชิงปริมาณและการวิเคราะห์การหลอมเหลวได้รับการแนะนำโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการตรวจจับเมทิลเลตระดับต่ำอย่างไว[ 20 ]

วิธีการที่ใช้ไมโครอาร์เรย์

วิธีการที่ใช้ ไมโครอาร์เรย์เป็นส่วนขยายเชิงตรรกะของเทคโนโลยีที่มีอยู่สำหรับการวิเคราะห์ DNA ที่ผ่านการบำบัดด้วยไบซัลไฟต์ เพื่อให้สามารถวิเคราะห์เมทิลเลชันทั่วทั้งจีโนมได้[ 21 ] ไมโครอาร์เรย์โอลิโกนิวคลีโอไทด์ได้รับการออกแบบโดยใช้คู่ของโพรบไฮบริดไดเซ ชันโอลิโกนิวคลีโอไทด์ที่ กำหนดเป้าหมายไป ยังไซต์ CpGที่สนใจ โพรบหนึ่งจะเสริมกับลำดับเมทิลเลชันที่ไม่เปลี่ยนแปลง และอีกโพรบหนึ่งจะเสริมกับลำดับที่ไม่ถูกเมทิลเลชันที่แปลงจาก C เป็น U โพรบเหล่านี้ยังมีความจำเพาะต่อไบซัลไฟต์เพื่อป้องกันการจับกับ DNA ที่แปลงไม่สมบูรณ์โดยไบซัลไฟต์การทดสอบเมทิลเลชันของ Illuminaเป็นหนึ่งในการทดสอบดังกล่าวที่ใช้เทคโนโลยีการจัดลำดับไบซัลไฟต์ในระดับไมโครอาร์เรย์เพื่อสร้างข้อมูลเมทิลเลชันทั่วทั้งจีโนม

ข้อจำกัด

5-ไฮดรอกซีเมทิลไซโตซีน

การจัดลำดับบิซัลไฟต์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในจีโนมของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม อย่างไรก็ตาม ความซับซ้อนได้เกิดขึ้นจากการค้นพบการดัดแปลง DNA ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมชนิดใหม่ คือ5- ไฮดรอกซีเมทิลไซโตซีน[ 22 ] [ 23 ] 5-ไฮดรอกซีเมทิลไซโตซีนจะเปลี่ยนเป็นไซโตซีน-5-เมทิลซัลโฟเนตเมื่อได้รับการบำบัดด้วยบิซัลไฟต์ ซึ่งจะถูกอ่านเป็น C เมื่อทำการจัดลำดับ[ 24 ]ดังนั้น การจัดลำดับบิซัลไฟต์จึงไม่สามารถแยกแยะระหว่าง 5-เมทิลไซโตซีนและ 5-ไฮดรอกซีเมทิลไซโตซีนได้ ซึ่งหมายความว่าผลลัพธ์จากการจัดลำดับบิซัลไฟต์ไม่สามารถนิยามได้ว่าเป็นเพียงการเมทิลเลชั่นของ DNA เท่านั้น เนื่องจากเป็นการรวมกันของ 5-เมทิลไซโตซีนและ 5-ไฮดรอกซีเมทิลไซโตซีน

การแปลงไม่สมบูรณ์

การจัดลำดับบิซัลไฟต์อาศัยการแปลงสารตกค้างไซโตซีนที่ไม่ถูกเมทิลเลตทุกตัวให้เป็นยูราซิล หากการแปลงไม่สมบูรณ์ การวิเคราะห์ในภายหลังจะตีความไซโตซีนที่ไม่ถูกเมทิลเลตที่ไม่ถูกแปลงเป็นไซโตซีนที่ถูกเมทิลเลตอย่างไม่ถูกต้อง ส่งผลให้ได้ ผลลัพธ์ ที่เป็นบวกเท็จสำหรับการเมทิลเลต เฉพาะไซโตซีนในดีเอ็นเอสายเดี่ยวเท่านั้นที่ไวต่อการโจมตีโดยบิซัลไฟต์ ดังนั้นการทำให้ดีเอ็นเอที่กำลังวิเคราะห์เสีย สภาพจึงมีความสำคัญ [ 2 ]สิ่งสำคัญคือต้องแน่ใจว่าพารามิเตอร์ของปฏิกิริยา เช่น อุณหภูมิและความเข้มข้นของเกลือ เหมาะสมที่จะรักษาดีเอ็นเอให้อยู่ในโครงสร้างสายเดี่ยวและอนุญาตให้มีการแปลงอย่างสมบูรณ์ มีรายงานว่าการฝังดีเอ็นเอใน เจล อะกาโรสช่วยปรับปรุงอัตราการแปลงโดยการทำให้สายดีเอ็นเอแยกออกจากกันทางกายภาพ[ 25 ]อัตราการแปลงที่ไม่สมบูรณ์สามารถประมาณและปรับแก้ได้หลังจากการเรียงลำดับโดยการรวมตัวควบคุมภายในไว้ในไลบรารีการเรียงลำดับ เช่น DNA ของแลมบ์ดาฟาจ (ซึ่งทราบกันว่าไม่มีการเติมหมู่เมทิล) หรือโดยการจัดเรียงลำดับการอ่านแบบไบซัลไฟต์กับบริเวณที่ไม่มีการเติมหมู่เมทิลที่ทราบในสิ่งมีชีวิต เช่น จีโนมของคลอโรพลาสต์[ 26 ]

การเสื่อมสภาพของดีเอ็นเอระหว่างการบำบัดด้วยไบซัลไฟต์

ความท้าทายสำคัญในการจัดลำดับบิซัลไฟต์คือการเสื่อมสภาพของ DNA ที่เกิดขึ้นพร้อมกับการแปลง เงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการแปลงที่สมบูรณ์ เช่น เวลาการบ่มที่ยาวนาน อุณหภูมิที่สูงขึ้น และความเข้มข้นของบิซัลไฟต์สูง อาจทำให้ DNA ที่บ่มไว้เสื่อมสภาพไปประมาณ 90% [ 27 ] เนื่องจากปริมาณ DNA เริ่มต้นมักมีจำกัด การเสื่อมสภาพอย่างกว้างขวางเช่นนี้จึงอาจเป็นปัญหาได้ การเสื่อมสภาพเกิดขึ้นใน รูปแบบของการกำจัดพิ วรีนส่งผลให้เกิดการแตกของสายแบบสุ่ม[ 28 ]ดังนั้น ยิ่งแอมพลิคอนPCR ที่ต้องการยาวมาก เท่าใด จำนวนโมเลกุลแม่แบบที่สมบูรณ์ก็จะยิ่งมีจำกัดมากขึ้นเท่านั้น ซึ่งอาจนำไปสู่ความล้มเหลวของการขยายสัญญาณ PCR หรือการสูญเสียข้อมูลที่ถูกต้องเชิงปริมาณเกี่ยวกับระดับเมทิลเลชั่นอันเนื่องมาจากการสุ่มตัวอย่างโมเลกุลแม่แบบที่จำกัด ดังนั้น จึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องประเมินปริมาณการเสื่อมสภาพของ DNA ที่เกิดจากเงื่อนไขของปฏิกิริยาที่ใช้ และพิจารณาว่าสิ่งนี้จะส่งผลต่อแอมพลิคอน ที่ต้องการ อย่างไร เทคนิคต่างๆ สามารถนำมาใช้เพื่อลดการเสื่อมสภาพของ DNA เช่น การปรับอุณหภูมิการบ่มเป็นรอบๆ[ 28 ]

ในปี 2020 New England Biolabsได้พัฒนา NEBNext Enzymatic Methyl-seq ซึ่งเป็นวิธีการทางเอนไซม์ทางเลือกเพื่อลดความเสียหายของ DNA แทนที่จะใช้ไบซัลไฟต์ จะใช้ APOBECในการแปลง C เป็น U ความแตกต่างระหว่าง C, 5mC และ 5hmC เกิดขึ้นจากการดัดแปลงเพิ่มเติมที่ "ปกป้อง" เบสที่ถูกดัดแปลงจาก APOBEC [ 29 ] [ 30 ]

ข้อกังวลอื่นๆ

ปัญหาสำคัญที่อาจเกิดขึ้นหลังจากการบำบัดด้วยไบซัลไฟต์คือการกำจัดซัลโฟเนตของ สารตกค้าง ไพริมิ ดีนไม่สมบูรณ์ เนื่องจากความเป็นด่างของสารละลายไม่เพียงพอ ซึ่งอาจยับยั้งเอนไซม์ DNA polymerase บางชนิด ทำให้การทำ PCR ในภายหลังเป็นไปได้ยาก อย่างไรก็ตาม สามารถหลีกเลี่ยงสถานการณ์นี้ได้โดยการตรวจสอบค่า pHของสารละลายเพื่อให้แน่ใจว่าการกำจัดซัลโฟเนตจะสมบูรณ์[ 2 ]

ข้อกังวลสุดท้ายคือการบำบัดด้วยไบซัลไฟต์จะลดระดับความซับซ้อนของตัวอย่างลงอย่างมาก ซึ่งอาจเป็นปัญหาหากต้องดำเนินการปฏิกิริยา PCR หลายครั้ง (2006) [ 5 ] การออกแบบ ไพรเมอร์ทำได้ยากขึ้น และการผสมข้ามสายพันธุ์ที่ไม่เหมาะสมเกิดขึ้นบ่อยขึ้น

การประยุกต์ใช้: การวิเคราะห์เมทิลเลชั่นทั่วทั้งจีโนม

ความก้าวหน้าในการจัดลำดับไบซัลไฟต์ทำให้สามารถนำไปใช้ใน ระดับ จีโนมได้ ซึ่งก่อนหน้านี้ การวัดเมทิลเลชั่นของดีเอ็นเอในระดับทั่วโลกทำได้เฉพาะโดยใช้เทคนิคอื่น เช่นการสแกนจีโนมด้วยเครื่องหมายจำกัด การทำแผนที่ เอพิเจโนมของมนุษย์นั้นนักวิทยาศาสตร์หลายคนมองว่าเป็นผลสืบเนื่องที่สมเหตุสมผลจากการเสร็จสิ้นโครงการจีโนมมนุษย์[ 31 ] [ 32 ]ข้อมูลเอพิเจโนมนี้จะมีความสำคัญในการทำความเข้าใจว่าการทำงานของลำดับทางพันธุกรรมถูกนำไปใช้และควบคุมอย่างไร เนื่องจากเอพิเจโนมมีความเสถียรน้อยกว่าจีโนม จึงคิดว่ามีความสำคัญใน ปฏิสัมพันธ์ ระหว่างยีนกับสิ่งแวดล้อม[ 33 ]

การทำแผนที่เอพิเจโนมิกนั้นซับซ้อนกว่าการลำดับจีโนมโดยเนื้อแท้ เนื่องจากเอพิเจโนมมีความแปรปรวนมากกว่าจีโนม มาก เอพิเจโนมของแต่ละบุคคลจะเปลี่ยนแปลงไปตามอายุ แตกต่างกันไปตามเนื้อเยื่อ ถูกเปลี่ยนแปลงโดยปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม และแสดงความผิดปกติในโรคต่างๆ อย่างไรก็ตาม การทำแผนที่เอพิเจโนมิกที่ครอบคลุมช่วงอายุ ชนิดของเนื้อเยื่อ และสภาวะของโรคต่างๆ จะให้ข้อมูลที่มีค่าเกี่ยวกับหน้าที่ปกติของ เครื่องหมาย เอพิเจเนติกส์ตลอดจนกลไกที่นำไปสู่ความชราและโรคต่างๆ

ประโยชน์โดยตรงของการทำแผนที่เอพิเจโนมิกส์ ได้แก่ ความก้าวหน้าที่อาจเกิดขึ้นใน เทคโนโลยี การโคลนนิ่งเชื่อกันว่าความล้มเหลวในการผลิตสัตว์โคลนนิ่งที่มีความสามารถในการอยู่รอดและอายุขัยปกติเป็นผลมาจากรูปแบบของเครื่องหมายเอพิเจเนติกส์ที่ไม่เหมาะสม นอกจากนี้ รูปแบบการเมทิลเลชั่นที่ผิดปกติยังมีลักษณะเฉพาะในมะเร็ง หลายชนิด การไฮโปเมทิลเลชั่นทั่วโลกส่งผลให้ความเสถียรของจีโนมลดลง ในขณะที่การไฮเปอร์เมทิลเลชั่นเฉพาะที่ของโปรโมเตอร์ยีนยับยั้งเนื้องอก มักเป็นสาเหตุของการสูญเสียการทำงานรูปแบบเฉพาะของการเมทิลเลชั่นบ่งชี้ถึงมะเร็งชนิดเฉพาะ มี คุณค่า ในการพยากรณ์โรค และสามารถช่วยชี้นำแนวทางการรักษาที่ดีที่สุดได้[ 32 ]

ความพยายามในการทำแผนที่เอพิเจโนมขนาดใหญ่กำลังดำเนินการอยู่ทั่วโลกและได้รับการจัดระเบียบภายใต้โครงการ Human Epigenome Project [ 33 ] ซึ่งอิงตามกลยุทธ์หลายระดับ โดยใช้การจัดลำดับไบซัลไฟต์เพื่อรับโปรไฟล์เมทิลเลชันที่มีความละเอียดสูงสำหรับเอพิเจโนมอ้างอิงจำนวนจำกัด ในขณะที่การวิเคราะห์ที่ไม่ละเอียดถี่ถ้วนจะดำเนินการกับตัวอย่างที่หลากหลายมากขึ้น แนวทางนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อเพิ่มความเข้าใจให้มากที่สุดจากทรัพยากรที่มีอยู่ เนื่องจากการทำแผนที่จีโนมทั่วทั้งระบบที่มีความละเอียดสูงยังคงเป็นเรื่องที่มีค่าใช้จ่ายสูง

การวิเคราะห์ชุดยีน (เช่น การใช้เครื่องมืออย่าง DAVID และ GoSeq) พบว่ามีความลำเอียงอย่างมากเมื่อนำไปใช้กับข้อมูลเมทิลเลชันที่มีปริมาณมาก (เช่น การจัดลำดับไบซัลไฟต์ทั่วทั้งจีโนม) มีการแนะนำว่าสามารถแก้ไขได้โดยใช้การสลับป้ายกำกับตัวอย่าง หรือใช้แบบจำลองทางสถิติเพื่อควบคุมความแตกต่างในจำนวนโพรบ CpG / ไซต์ CpG ที่กำหนดเป้าหมายแต่ละยีน[ 34 ]

การจัดลำดับไบซัลไฟต์แบบออกซิเดชัน

5-เมทิลไซโตซีนและ 5-ไฮดรอกซีเมทิลไซโตซีนทั้งคู่ถูกอ่านเป็น C ในการจัดลำดับไบซัลไฟต์[ 24 ]ในการจัดลำดับไบซัลไฟต์แบบออกซิเดชัน (oxBS) จะใช้ Tet ในการแปลง 5-ไฮดรอกซีเมทิลไซโตซีนเป็น 5-ฟอร์มิลไซโตซีน ซึ่งต่อมาจะถูกแปลงเป็นยูราซิลในระหว่างการบำบัดด้วยไบซัลไฟต์[ 35 ]เบสเดียวที่ถูกอ่านเป็น C คือ 5-เมทิลไซโตซีน ทำให้ได้แผนที่ของสถานะเมทิลเลชันที่แท้จริงในตัวอย่าง DNA ระดับของ 5-ไฮดรอกซีเมทิลไซโตซีนยังสามารถวัดปริมาณได้โดยการวัดความแตกต่างระหว่างการจัดลำดับไบซัลไฟต์และการจัดลำดับไบซัลไฟต์แบบออกซิเดชัน

อีกวิธีหนึ่งคือการจัดลำดับบิซัลไฟต์ออกซิเดชันโดยใช้ Tet (TAB-Seq) โดยChuan Heที่มหาวิทยาลัยชิคาโก จะแปลงเบสแตกต่างกัน: 5hmC อ่านเป็น C ในขณะที่ 5mC และ C อ่านเป็น T ทั้งคู่ เพื่อให้ได้ผลลัพธ์นี้ เบส 5hmC จะถูก "ป้องกัน" ก่อนโดยการแปลงเป็น β-glucosyl-5-hydroxymethylcytosine (5gmC) จากนั้นจึงนำเอนไซม์ Tet มาแปลง 5mC ทั้งหมดเป็น 5caC บิซัลไฟต์จะแปลงทั้ง C และ 5caC เป็นยูราซิล 5gmC จะถูกอ่านออกมาเหมือน C ในการขยายสัญญาณ PCR [ 36 ]

ดูเพิ่มเติม

  • โปรโตคอลการแปลงไบซัลไฟต์
  • โครงการเอพิเจโนมของมนุษย์ (HEP) - ข้อมูลจากสถาบันแซงเกอร์
  • เครือข่ายความเป็นเลิศด้านเอพิเจโนม

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ การจัดลำดับบิซัลไฟต์

การจัดลำดับ บิซัลไฟต์ [ 1 ] (หรือที่รู้จักกันในชื่อ การจัดลำดับบิซัลไฟต์ ) คือการใช้ การบำบัด บิซัลไฟต์ กับ DNA ก่อน การจัดลำดับ ตามปกติ เพื่อกำหนดรูปแบบของ เมทิลเลชัน เมทิล...

วิธีการ

การลำดับเบสด้วยไบซัลไฟต์ (Bisulfite sequencing) ใช้เทคนิคการลำดับเบสแบบปกติกับดีเอ็นเอจีโนมที่ผ่านการบำบัดด้วยไบซัลไฟต์เพื่อตรวจสอบสถานะการเมทิลเลชั่นที่ไดนิวคลีโอไทด์ CpG นอกจากนี้ยังมีการใช้กลยุทธ์อื่นๆ...

วิธีการ PCR ที่ไม่จำเพาะต่อการเมทิลเลชั่น

วิธีการวิเคราะห์เมทิลเลชันที่รายงานครั้งแรกโดยใช้ DNA ที่ผ่านการบำบัดด้วยไบซัลไฟต์ใช้ PCR และ การจัดลำดับ DNA แบบไดดีออกซีนิวคลีโอไทด์มาตรฐาน เพื่อกำหนดนิวคลีโอไทด์ที่ทนต่อการแปลงไบซัลไฟต์โดยตรง [ 6 ]...

การตรวจ PCR เฉพาะการเมทิลเลชั่น (MSP)

วิธีการวิเคราะห์เมทิลเลชันทางเลือกนี้ยังใช้ DNA ที่ผ่านการบำบัดด้วยไบซัลไฟต์ แต่หลีกเลี่ยงความจำเป็นในการจัดลำดับบริเวณที่สนใจ [ 16 ] แทนที่จะเป็นเช่นนั้น คู่ไพรเมอร์ได้รับการออกแบบให้เป็น "เฉพาะเมทิลเลชัน" โดยการรวมลำดับที่เสริมเฉพาะ 5-เมทิลไซโตซีน...