BisQC: một quy trình hoạt động cho việc giải trình tự bisulfite đa dạng

Springer Science and Business Media LLC - Tập 15 - Trang 1-22 - 2014
Gary G Chen1,2, Alpha B Diallo1,2, Raphaël Poujol1,2, Corina Nagy1,2, Alfredo Staffa3, Kathryn Vaillancourt1,2, Pierre-Eric Lutz1,2, Vanessa K Ota1,2, Deborah C Mash4, Gustavo Turecki1,2,5, Carl Ernst1,2,5
1Department of Psychiatry, McGill University, Douglas Hospital Research Institute, Montreal, Canada
2McGill Group for Suicide Studies, Douglas Hospital Research Institute, Montreal, Canada
3McGill University and Genome Quebec Innovation Center, Montreal, Canada
4Departments of Neurology and Molecular and Cellular Pharmacology, Miller School of Medicine, Miami, USA
5Department of Human Genetics, McGill University, Montreal, Canada

Tóm tắt

Giải trình tự bisulfite là phương pháp hiệu quả nhất để phân tích mức độ metyl hóa tại quy mô toàn bộ hệ gen với độ phân giải đơn nucleotide, nhưng cần cải thiện các chỉ số kiểm soát chất lượng nhằm chuẩn hóa tốt hơn các thí nghiệm. Chúng tôi mô tả BisQC, một phương pháp từng bước cho việc xây dựng thư viện DNA chuyển hóa bisulfite, nhóm lại, nội dung bổ sung và phân tích sinh học thông tin. Chúng tôi chứng minh những cải tiến kỹ thuật cho quá trình chuẩn bị thư viện và phân tích sinh học thông tin có thể thực hiện trong các phòng thí nghiệm tiêu chuẩn. Chúng tôi phát hiện rằng việc tách rời quá trình khuếch đại DNA đã được chuyển hóa bisulfite (bis) khỏi phản ứng đánh dấu là một lợi thế, đặc biệt trong việc giảm tổng số chu kỳ PCR và chọn lựa trước thư viện bis có chất lượng cao. Chúng tôi cũng giới thiệu một phương pháp PCR tiến bộ cho việc khuếch đại thư viện tối ưu và lựa chọn kích thước. Tại giai đoạn giải trình tự, chúng tôi thử nghiệm kỹ lưỡng lợi ích của việc kết hợp thư viện DNA không bis với thư viện bis và tìm thấy rằng thư viện BisSeq có thể được kết hợp với tỷ lệ cao thư viện DNA không bis với tác động tối thiểu đến đầu ra BisSeq. Đối với phân tích thông tin, chúng tôi đề xuất một loạt các bước tối ưu hóa, bao gồm việc sử dụng hệ gen ti thể như một tiêu chuẩn QC, và chúng tôi đánh giá tính hợp lệ của việc sử dụng các bản sao để thống kê độ phủ. Chúng tôi chứng minh vài điểm kiểm soát chất lượng tại các giai đoạn chuẩn bị thư viện, trước khi giải trình tự, sau khi giải trình tự, và sau khi căn chỉnh, điều này sẽ hữu ích trong việc xác định chất lượng mẫu và quy trình. Chúng tôi cũng xác định rằng việc bao gồm một tỷ lệ đáng kể DNA không được chuyển hóa bisulfite cùng với DNA đã chuyển hóa bisulfite có ảnh hưởng tối thiểu đến đầu ra đọc bisulfite sử dụng được.

Từ khóa

#giải trình tự bisulfite #kiểm soát chất lượng #thư viện DNA #khuếch đại DNA #phân tích sinh học thông tin #tối ưu hóa quy trình

Tài liệu tham khảo

Scarano E, Iaccarino M, Grippo P, Winckelmans D: On methylation of DNA during development of the sea urchin embryo. J Mol Biol. 1965, 14 (2): 603-607. 10.1016/S0022-2836(65)80211-X. Reik W, Dean W, Walter J: Epigenetic reprogramming in mammalian development. Science. 2001, 293 (5532): 1089-1093. 10.1126/science.1063443. Caldji C, Hellstrom IC, Zhang TY, Diorio J, Meaney MJ: Environmental regulation of the neural epigenome. FEBS Lett. 2011, 585 (13): 2049-2058. 10.1016/j.febslet.2011.03.032. Clark SJ, Harrison J, Paul CL, Frommer M: High sensitivity mapping of methylated cytosines. Nucleic Acids Res. 1994, 22 (15): 2990-2997. 10.1093/nar/22.15.2990. Bernstein BE, Stamatoyannopoulos JA, Costello JF, Ren B, Milosavljevic A, Meissner A, Kellis M, Marra MA, Beaudet AL, Ecker JR, Farnham PJ, Hirst M, Lander ES, Mikkelsen TS, Thomson JA: The NIH Roadmap epigenomics mapping consortium. Nat Biotechnol. 2010, 28 (10): 1045-1048. 10.1038/nbt1010-1045. Meissner A, Gnirke A, Bell GW, Ramsahoye B, Lander ES, Jaenisch R: Reduced representation bisulfite sequencing for comparative high-resolution DNA methylation analysis. Nucleic Acids Res. 2005, 33 (18): 5868-5877. 10.1093/nar/gki901. Gifford CA, Ziller MJ, Gu H, Trapnell C, Donaghey J, Tsankov A, Shalek AK, Kelley DR, Shishkin AA, Issner R, Zhang X, Coyne M, Fostel JL, Holmes L, Meldrim J, Guttman M, Epstein C, Park H, Kohlbacher O, Rinn J, Gnirke A, Lander ES, Bernstein BE, Meissner A: Transcriptional and epigenetic dynamics during specification of human embryonic stem cells. Cell. 2013, 153 (5): 1149-1163. 10.1016/j.cell.2013.04.037. Gu H, Smith ZD, Bock C, Boyle P, Gnirke A, Meissner A: Preparation of reduced representation bisulfite sequencing libraries for genome-scale DNA methylation profiling. Nat Protoc. 2011, 6 (4): 468-481. 10.1038/nprot.2010.190. Gu H, Bock C, Mikkelsen TS, Jager N, Smith ZD, Tomazou E, Gnirke A, Lander ES, Meissner A: Genome-scale DNA methylation mapping of clinical samples at single-nucleotide resolution. Nat Methods. 2010, 7 (2): 133-136. 10.1038/nmeth.1414. Smith ZD, Gu H, Bock C, Gnirke A, Meissner A: High-throughput bisulfite sequencing in mammalian genomes. Methods. 2009, 48 (3): 226-232. 10.1016/j.ymeth.2009.05.003. Boyle P, Clement K, Gu H, Smith ZD, Ziller M, Fostel JL, Holmes L, Meldrim J, Kelley F, Gnirke A, Meissner A: Gel-free multiplexed reduced representation bisulfite sequencing for large-scale DNA methylation profiling. Genome Biol. 2012, 13 (10): R92-10.1186/gb-2012-13-10-r92. Chatterjee A, Rodger EJ, Stockwell PA, Weeks RJ, Morison IM: Technical considerations for reduced representation bisulfite sequencing with multiplexed libraries. J Biomed Biotechnol. 2012, 2012: 741542- Krueger F, Andrews SR: Bismark: a flexible aligner and methylation caller for Bisulfite-Seq applications. Bioinformatics. 2011, 27 (11): 1571-1572. 10.1093/bioinformatics/btr167. Xi Y, Bock C, Muller F, Sun D, Meissner A, Li W: RRBSMAP: a fast, accurate and user-friendly alignment tool for reduced representation bisulfite sequencing. Bioinformatics. 2012, 28 (3): 430-432. 10.1093/bioinformatics/btr668. Xi Y, Li W: BSMAP: whole genome bisulfite sequence MAPping program. BMC Bioinforma. 2009, 10: 232-10.1186/1471-2105-10-232. Smith AD, Chung WY, Hodges E, Kendall J, Hannon G, Hicks J, Xuan Z, Zhang MQ: Updates to the RMAP short-read mapping software. Bioinformatics. 2009, 25 (21): 2841-2842. 10.1093/bioinformatics/btp533. Guo W, Fiziev P, Yan W, Cokus S, Sun X, Zhang MQ, Chen PY, Pellegrini M: BS-Seeker2: a versatile aligning pipeline for bisulfite sequencing data. BMC Genomics. 2013, 14 (1): 774-10.1186/1471-2164-14-774. Chatterjee A, Stockwell PA, Rodger EJ, Morison IM: Comparison of alignment software for genome-wide bisulphite sequence data. Nucleic Acids Res. 2012, 40 (10): e79-10.1093/nar/gks150. Akalin A, Kormaksson M, Li S, Garrett-Bakelman FE, Figueroa ME, Melnick A, Mason CE: methylKit: a comprehensive R package for the analysis of genome-wide DNA methylation profiles. Genome Biol. 2012, 13 (10): R87-10.1186/gb-2012-13-10-r87. Robinson JT, Thorvaldsdottir H, Winckler W, Guttman M, Lander ES, Getz G, Mesirov JP: Integrative genomics viewer. Nat Biotechnol. 2011, 29 (1): 24-26. 10.1038/nbt.1754. Ichiyanagi T, Ichiyanagi K, Miyake M, Sasaki H: Accumulation and loss of asymmetric non-CpG methylation during male germ-cell development. Nucleic Acids Res. 2013, 41 (2): 738-745. 10.1093/nar/gks1117. Arand J, Spieler D, Karius T, Branco MR, Meilinger D, Meissner A, Jenuwein T, Xu G, Leonhardt H, Wolf V, Walter J: In vivo control of CpG and non-CpG DNA methylation by DNA methyltransferases. PLoS Genet. 2012, 8 (6): e1002750-10.1371/journal.pgen.1002750. Dawid IB: 5-methylcytidylic acid: absence from mitochondrial DNA of frogs and HeLa cells. Science. 1974, 184 (4132): 80-81. 10.1126/science.184.4132.80. Nass MM: Differential methylation of mitochondrial and nuclear DNA in cultured mouse, hamster and virus-transformed hamster cells. In vivo and in vitro methylation. J Mol Biol. 1973, 80 (1): 155-175. 10.1016/0022-2836(73)90239-8. Cardon LR, Burge C, Clayton DA, Karlin S: Pervasive CpG suppression in animal mitochondrial genomes. Proc Natl Acad Sci U S A. 1994, 91 (9): 3799-3803. 10.1073/pnas.91.9.3799. Guo JU, Ma DK, Mo H, Ball MP, Jang MH, Bonaguidi MA, Balazer JA, Eaves HL, Xie B, Ford E, Zhang K, Ming GL, Gao Y, Song H: Neuronal activity modifies the DNA methylation landscape in the adult brain. Nat Neurosci. 2011, 14 (10): 1345-1351. 10.1038/nn.2900. Reik W, Walter J: Genomic imprinting: parental influence on the genome. Nat Rev Genet. 2001, 2 (1): 21-32. Davies W, Isles AR, Wilkinson LS: Imprinted gene expression in the brain. Neurosci Biobehav Rev. 2005, 29 (3): 421-430. 10.1016/j.neubiorev.2004.11.007. Das R, Lee YK, Strogantsev R, Jin S, Lim YC, Ng PY, Lin XM, Chng K, Yeo G, Ferguson-Smith AC, Ding C: DNMT1 and AIM1 Imprinting in human placenta revealed through a genome-wide screen for allele-specific DNA methylation. BMC Genomics. 2013, 14: 685-10.1186/1471-2164-14-685. Stadler MB, Murr R, Burger L, Ivanek R, Lienert F, Scholer A, van Nimwegen E, Wirbelauer C, Oakeley EJ, Gaidatzis D, Tiwari VK, Schübeler D: DNA-binding factors shape the mouse methylome at distal regulatory regions. Nature. 2011, 480 (7378): 490-495. Weichenhan D, Plass C: The evolving epigenome. Hum Mol Genet. 2013, 22 (R1): R1-R6. 10.1093/hmg/ddt348. Chen YS, Lee CH, Hung MY, Pan HA, Chiou JC, Huang GS: DNA sequencing using electrical conductance measurements of a DNA polymerase. Nat Nanotechnol. 2013, 8 (6): 452-458. 10.1038/nnano.2013.71. Flusberg BA, Webster DR, Lee JH, Travers KJ, Olivares EC, Clark TA, Korlach J, Turner SW: Direct detection of DNA methylation during single-molecule, real-time sequencing. Nat Methods. 2010, 7 (6): 461-465. 10.1038/nmeth.1459.
Thông tin
Thông tin xuất bản

Springer Science and Business Media LLC

Tập 15

1-22

Thông tin tác giả