Введение
TILLING (Targeting Induced Local Lesions in Genomes) – это метод в молекулярной биологии, позволяющий целенаправленно выявлять мутации в конкретном гене. TILLING был разработан в 2000 году на примере модельного растения Arabidopsis thaliana и впоследствии расширен и адаптирован для других целей и методологий небольшой группой ученых, включая Луку Комаи. С тех пор TILLING используется как метод обратной генетики в различных организмах, таких как данио рерио (рыба-зебра), кукуруза, пшеница, рис, соя, томат и салат.
Обзор
Метод сочетает в себе стандартную и эффективную технику мутагенеза с использованием химического мутагена, такого как этилметансульфонат (EMS), с высокочувствительной методикой скрининга ДНК, позволяющей выявлять однонуклеотидные мутации (также называемые точечными мутациями) в целевом гене. Метод TILLING основан на формировании гетеродуплексов ДНК, которые образуются при амплификации множественных аллелей методом ПЦР с последующим нагревом и медленным охлаждением. В месте несовпадения двух цепей ДНК формируется "пузырь", который затем расщепляется одноцепочечной нуклеазой. Полученные продукты разделяют по размеру на различных платформах (см. ниже). Несовпадения могут быть обусловлены индуцированной мутацией, гетерозиготностью внутри организма или естественной изменчивостью между организмами. EcoTILLING – это метод, использующий принципы TILLING для поиска естественных мутаций у организмов, обычно для анализа популяционной генетики. DEcoTILLING является модификацией TILLING и EcoTILLING, использующей недорогой способ идентификации фрагментов. С развитием технологий секвенирования нового поколения (NGS) был разработан TILLING с использованием секвенирования, основанный на секвенировании Illumina целевых генов, амплифицированных из мультиплексно объединенных матриц, для выявления возможных однонуклеотидных изменений.
Энзимы одноцепочечного расщепления
Существует несколько источников одноцепочечных нуклеаз. Первым широко используемым ферментом была мунговая нуклеаза, однако было показано, что эта нуклеаза обладает высокой неспецифической активностью и работает только при низком pH, что может приводить к деградации продуктов ПЦР и праймеров, меченных красителями. Изначальным источником одноцепочечной нуклеазы был CEL1 или CJE (экстракт сока сельдерея), но на рынок вышли и другие продукты, включая ферменты SNiPerase от Frontier Genomics, оптимизированные для использования на платформах, работающих с маркированными и немаркированными продуктами ПЦР (см. следующий раздел). Transgenomic выделил белок одноцепочечной нуклеазы и продает его в рекомбинантной форме. Преимущество рекомбинантной формы заключается в том, что, в отличие от ферментных смесей, она не содержит неспецифической нуклеазной активности, способной разрушать красители на ПЦР-праймерах. Недостатком является существенно более высокая стоимость.
Разделение расщепленных продуктов
Первая статья, описывающая TILLING, использовала ВЭЖХ (HPLC) для идентификации мутаций (McCallum et al., 2000a). Метод был сделан более высокопроизводительным за счет использования рестрикционного фермента Cel I в сочетании с системой на основе геля LICOR для идентификации мутаций (Colbert et al., 2001). Преимуществом использования этой системы является то, что сайты мутаций можно легко подтвердить и отличить от шума, поскольку для прямого и обратного праймеров можно использовать красители разных цветов. После разделения продуктов расщепления на геле их можно визуализировать в отдельных каналах, и, подобно RFLP, сумма размеров фрагментов в каждом канале должна соответствовать размеру продукта в полной длине. Преимущества системы LICOR включают разделение крупных фрагментов (~2 кб), высокую пропускную способность (загрузка до 96 образцов с помощью бумажных гребней) и бесплатное программное обеспечение для идентификации мутаций (GelBuddy). Недостатками системы LICOR являются необходимость отливки гелей и длительное время работы (~4 часа). Методы TILLING и EcoTILLING теперь используются с капиллярными системами от Advanced Analytical Technologies, ABI и Beckman. Для разделения продуктов ПЦР, не меченных красителями, можно использовать несколько систем. Простые системы агарозного электрофореза позволяют разделять продукты расщепления недорого и с использованием стандартного лабораторного оборудования. Это было использовано для обнаружения SNPs у горбуши и получило название DEcoTILLING. Недостатком этой системы является пониженное разрешение по сравнению с полиакриламидными системами. Elchrom Scientific продает гели Spreadex, которые являются готовыми к использованию, могут быть высокопроизводительными и более чувствительными, чем стандартные полиакриламидные гели. Advanced Analytical Technologies Inc продает флуоресцентную систему AdvanCE FS96 dsDNA, представляющую собой 96-канальную систему капиллярного электрофореза, обладающую рядом преимуществ перед традиционными методами, включая возможность разделения крупных фрагментов (до 40 кб), отсутствие необходимости в десалировании или осаждении, короткое время работы (~30 минут), чувствительность до 5 пг/мкл и отсутствие необходимости в флуоресцентно меченных праймерах.