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Nature Biotechnology:高通量研究启动子突变

来源:生物通 2010-01-14 09:36

某个启动子的活性标志。
图片来自Nature Biotechnology

随着更多的基因组被测序,科学家们对变异的了解也更清楚,特别是在调控区域。不过,这又产生了新的问题:调控区域的突变有哪些功能影响呢?为了高效地将变异与功能相联系,美国华盛顿大学基因组科学系的研究人员设计出一种高通量的饱和突变方法,来确定核心启动子上每个碱基对启动子强度的影响。

他们的目标是在单个实验中检测核心启动子上所有可能的单核苷酸突变的作用。Jay Shendure领导的研究小组在芯片上合成了突变的启动子,三个噬菌体和三个哺乳动物的核心启动子,寡核苷酸长度为200个碱基。每个启动子的两侧为原始序列和一个独特的条形码,用于鉴别突变。寡核苷酸从芯片上释放之后,研究人员进行体外转录,并在Illumina的Genome Analyzer测序仪上对cDNA进行了测序。每个条形码的丰度提供了数字读数,显示出每个启动子支持转录的程度。

研究小组选择了研究透彻的启动子,试图用文献中报道的情况来验证他们的结果。大部分结果与预期一致,比如,TATA box的突变大大降低了转录。但也有一些结果是出人意料的,如双突变比任一单突变的转录活性更高。研究人员推测,第一个突变增加了转录酶的结合,使转录活性降低,而第二个突变又削弱了这种结合,从而抵消了第一个突变的作用。

目前此种方法的限制在于芯片上合成的寡核苷酸长度。Shendure也认为有功能的启动子远远超出了核心区域,他承认这种芯片合成方法无法获得更长的寡核苷酸。他们正在考虑用溶液中的合成作为替代。

研究人员的方向是分析调控序列中常见变异的功能,特别是增强子和影响转录本稳定性的非翻译区。除了更长的寡核苷酸,Shendure谈到:“为了让这一切更有说服力,我们至少应进入细胞系。”将数百个带有条形码的寡核苷酸转染到细胞中,然后提取转录本进行高通量测序,还需要方法的一些改进。

除了作为大规模变异分析的工具,Shendure预计饱和突变还能用于合成生物学。它让研究人员能预先确定具有特定功能的启动子,建立一个寡核苷酸文库,并筛选出符合要求的突变。

基因组生物学和合成生物学将共享饱和突变这一套工具,一个来了解自然变异,另一个来模拟并改善它。(生物谷Bioon.com)

生物谷推荐原始出处:

Nature Biotechnology 27, 1173 - 1175 (2009) 15 November 2009 | doi:10.1038/nbt.1589

High-resolution analysis of DNA regulatory elements by synthetic saturation mutagenesis

Rupali P Patwardhan1, Choli Lee1, Oren Litvin2,3, David L Young1, Dana Pe'er2,3 & Jay Shendure1

We present a method that harnesses massively parallel DNA synthesis and sequencing for the high-throughput functional analysis of regulatory sequences at single-nucleotide resolution. As a proof of concept, we quantitatively assayed the effects of all possible single-nucleotide mutations for three bacteriophage promoters and three mammalian core promoters in a single experiment per promoter. The method may also serve as a rapid screening tool for regulatory element engineering in synthetic biology.

1 Department of Genome Sciences, University of Washington, Seattle, Washington, USA.
2 Department of Biological Sciences, Columbia University, New York, New York, USA.
3 Center for Computational Biology and Bioinformatics, Columbia University, New York, New York, USA.

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