تصف هذه الورقة بروتوكول ChIP-Seq شبه دقيق الحجم لمناطق الحمض النووي المرتبطة بتعديل معين لهستون (H3K27ac) باستخدام منصة معالج سائل ChIP ، يليه إعداد المكتبة باستخدام العلامة. ويشمل الإجراء تقييم الرقابة لأغراض الجودة والكمية ويمكن اعتماده لتعديلات الهستون الأخرى أو عوامل النسخ.
إن التكفير المناعي للكروماتين يليه التسلسل (ChIP-Seq) هو نهج قوي ومستخدم على نطاق واسع لملف الحمض النووي الكروماتين المرتبط بتعديلات محددة لهستون ، مثل H3K27ac ، للمساعدة في تحديد عناصر الحمض النووي التنظيمية لرابطة الدول المستقلة. العملية اليدوية لإكمال ChIP-Seq كثيفة العمالة ، وصعبة من الناحية الفنية ، وغالبا ما تتطلب أعدادا كبيرة من الخلايا (>100،000 خلية). وتساعد الطريقة الموصوفة هنا على التغلب على تلك التحديات. ويرد وصف مفصل لإجراء كامل شبه دقيق H3K27ac ChIP-Seq بما في ذلك تثبيت الخلايا، وقص الكروماتين، وprecipitation، وإعداد مكتبة التسلسل، لدفعة من 48 عينة لإدخالات عدد الخلايا أقل من 100،000 خلية. تقلل المنصة شبه المستقلة من التباين التقني، وتحسن نسب الإشارة إلى الضوضاء، وتقلل بشكل كبير من المخاض. وبالتالي يمكن للنظام خفض التكاليف من خلال السماح بتقليل أحجام التفاعل ، والحد من عدد الكواشف باهظة الثمن مثل الإنزيمات والخرز المغناطيسي والأجسام المضادة والوقت العملي المطلوب. هذه التحسينات على طريقة ChIP-Seq تناسب تماما للدراسات اللاجينية على نطاق واسع من العينات السريرية مع عدد محدود من الخلايا بطريقة قابلة للاستنساخ للغاية.
الاستخدام الواسع لمقايسات ChIP-Seq لتحديد شظايا الحمض النووي المرتبطة بتعديلات معينة لهستون يرجع جزئيا إلى قدرته على تحديد عناصر الحمض النووي التنظيمية لرابطة الدول المستقلة ، بما في ذلك القدرة النشطة ، والمروجين ، وكواتم الصوت ، والهتيروماتين ، وغيرها1،2،3،4. وقد أظهرت تحديد المناطق التنظيمية غير الترميز عبر الجينوم نظرة قيمة لفهم أفضل لتنظيم الجينات في الصحة والأمراض4. وقد استخدم العمل السابق من المختبر ChIP-Seq لإظهار أن رابطة الدول المستقلة–العناصر التنظيمية يمكن أن تلعب أدوارا هامة في أنواع الخلايا المختلفة5. وقد استخدمت معامل النسخ (TF) ChIP المقايسات لإظهار الأمراض المرتبطة خطر واحد النيوكليوتيدات تعدد الأشكال6.
استخدام ChIP-Seq مع العينات السريرية البشرية أمر صعب ، ويرجع ذلك أساسا إلى الحد من أعداد الخلايا أو عينة الأنسجة المطلوبة. ونتيجة لذلك، كان هناك جهد متضافر في هذا المجال لتحسين وmicroscale هذه التقنيات ونتيجة لذلك، ظهرت العديد من المقايسات، مثل CUT&TAG5،7،8،9،10،11،12. يستخدم هذا المقايسة نقل إلى tagment وعزل المناطق الجينومية ملزمة بأجسام مضادة محددة9. وقد تمكنت هذه التقنية من تقليل أعداد الخلايا إلى 1000s وفي بعض الحالات إلى خلية واحدة ، ومع ذلك ، فإن استخدام هذه التقنية في البحوث التحويلية والايكريرية قد أظهرت قيودا بسبب متطلبات استخدام الخلايا الحيةلهذهالطريقة 9،12. متطلبات الخلية الحية يجعل العينات السريرية من الصعب من الناحية اللوجستية للتعامل مع ويمكن إدخال آثار دفعية إذا لم تتم معالجة العينات في نفس الوقت. وقد الأمثل الآخرين تقنيات microscaled للخلايا الفورمالديهايد الثابتة، بما في ذلك تطوير ChIPmentation11،والتي يتم تكييفها هنا بطريقة عالية الإنتاجية. استخدام الخلايا الثابتة يسمح العينات ليتم تخزينها حتى جمع ومعالجة لاحقة من جميع العينات معا للحد من الآثار الدفعية.
هنا ، يوصف فحص ChIP-Seq شبه المصغر الذي يقلل من الوقت العملي التجريبي لملف تعديلات الهستون10. تسمح الطريقة شبه الذرية بإجراء فحوصات ChIP-Seq عالية الإنتاجية ، مما يسمح بمعالجة ما يصل إلى 48 عينة بالكامل وجاهزة للتسلسل في أقل من 5 أيام ، مقابل عدد قليل يصل إلى 10000 خلية لكل عينة باستخدام معالج سائل ChIP. يكمل المعالج التكفير المناعي (IP) ويغسل لاحقا بطريقة مستقلة ، مما يساعد على تقليل التباين بين العينات. وتخفض الطريقة شبه الذرية الوقت العملي بأكثر من 15 ساعة ل 48 عينة والتباين التقني، مما يتيح إجراء دراسات لاجينية واسعة النطاق بطريقة قابلة للاستنساخ وسريعة للخلايا الأولية أو المستزرعة. البروتوكول يشرح العملية من البداية إلى النهاية للحصول على جودة عالية ChIP-Seq. إذا لم تتوفر أجهزة معينة، سيظل البروتوكول موردا مفيدا لإعداد تجارب ChIP-Seq وتصويرها يدويا.
تم إجراء الفحص بثلاثة أنواع مختلفة من الخلايا المناعية البشرية الأولية وخط خلية مثقف واحد (HUT78 – ATCC: TIB-161). للوضوح ، تم تقسيم البروتوكول إلى سبعة أقسام: تثبيت الخلايا ، وقص الكروماتين عن طريق سونيكيشن ، والمناعة الآلية للكروماتين ، وإعداد المكتبة عن طريق تصنيف جزء الحمض النووي ، وتضخيم المكتبة ، وتنقية المكتبة ، تليها تحديد كمي للحمض النووي. للحصول على وصفات عازلة يرجى الرجوع إلى الجدول التكميلي 1.
الطريقة الموصوفة هنا تتوسع في إجراء ChIPmentation11، الذي ينفذ بروتوكول إعداد مكتبة الوسم قبل تنقية الحمض النووي ، عن طريق أتمتة البروتوكول وmicroscaling. منذ بداية ChIP-Seq ، تم تخفيض أعداد الخلايا المطلوبة بشكل كبير ، من حوالي 20 مليون خلية لهيستون إلى المئات وحتى الخلايا المفردة1و7و10و 12و18و19و20و21. وقد سمحت هذه الأساليب المطورة حديثا لفهم أعمق لكيفية عمل الآليات التنظيمية لرابطة الدول المستقلةفي الخلايا من خلال زيادة الحساسية والسماح لتجمعات الخلايا السريرية النادرة ليتم اختبارها5و6و12و17. على سبيل المثال، واحدة من الإجراءات الأكثر حداثة وشعبية، ودعا CUT &؛ TAG، كما ChIP-Seq قوية وحساسة البديل9. وتنتج نسبة ممتازة إشارة إلى الضوضاء كما يرتبط الإنزيم Tn5 بشكل متناقض إلى البروتين A ويعترف سلسلة FC من الأجسام المضادة ChIP مع خصوصية عالية9. يتم تقليل النشاط الخلفية من Tn5-انزيم كما انزيم ليست وظيفية قبل ربط للأجسام المضادة المستهدفة9. ومع ذلك ، فإن تنفيذ هذه الطريقة في سياق سريري محدود لأنه يتطلب خلايا حية غير ثابتة. أيضا، إزالة شظايا الحمض النووي من نواة هيبوتونيك يمكن أن يكون لها آثار سلبية على الكروماتين كما تتم إزالته من أثناء الفحص. الشرط اللازم للعمل مع الخلايا الطازجة والحية هو مصدر للقضايا لعينات سريرية نادرة والأفواج الكبيرة من العينات، لأن الأفواج الكبيرة يمكن أن يستغرق سنوات عديدة لجمع5. نوع آخر من الأسلوب، قطرة ChIP، يستخدم بأناقة جهاز microfluidics لتوليد tagmention قطرة على أساس قبل معالجة ChIP19. ومع ذلك، فإنه يستخدم جهاز microfluidic متخصصة للغاية، وعلى الرغم من أنه من الممكن لإكمال خلية واحدة ChIP-Seq، فإنه يقتصر أيضا على استخدام الخلايا الحية7،8،9،18،19. أحدث الأساليب التي تعتمد على ChIP-Seq مثل PLAC-Seq أو HiChIP، محاولة لفهم التفاعلات 3 الأبعاد (3D) بين قمم ChIP-Seq22،23. هذه الأساليب ثلاثية الأبعاد مثيرة لأنها تحدد التفاعلات بين رابطة الدول المستقلةأو TF بوساطة عبر الجينوم وفهم أفضل لتنظيم التعبير الجيني في أنواع الخلايا ذات الاهتمام ، في الأنسجة السليمة وفي سياق المرض.
هناك بعض الخطوات الحاسمة للنظر في البروتوكول لتكون ناجحة مثل نوعية الكروماتين سونيكاتيد وجودة الأجسام المضادة. القص كفاءة أمر بالغ الأهمية، إذا لم يتم sonicated الكروماتين بشكل جيد، وكفاءة المقايسة يقلل بشكل كبير24. سونيكيشن هو جانب من جوانب التحدي ChIP- Seq بسبب أرقام الخلايا المطلوبة. على sonicator المستخدمة في البروتوكول ، وخفضت الكفاءة بشكل كبير تحت 300،000 الخلايا. هذا هو جانب من جوانب التحدي في ChIP-Seq كما سونيكاتي تحت هذا المستوى غالبا ما تتطلب تجزئة الأنزيمية، وهو أقل حيادية. ونتيجة لذلك ، سونيكيشن هو عامل محدود رئيسي لChIP – Seq microscaled صحيح. تم اختبار منصات سونيكيشن أخرى ومجموعات متاحة تجاريا لchromatin سونيكاتي، ولكن سونيكاتور المستخدمة هنا كان النتائج الأكثر قوة واستنساخها. ميزة أخرى من sonicator هو عدم الاضطرار إلى شراء أنابيب متخصصة لتشغيل سونيكيشن، مما يقلل من التكاليف عند التعامل مع عدد كبير من العينات. ل sonication الأمثل ، أولا ، من المهم أن ما قبل الحارة sonicator كما هو موضح أعلاه. ثانيا، لlyse بيليه، فمن المستحسن أن يكون طرف ماصة لمس الجزء السفلي من الأنبوب في حين lysing لتفريق الخلايا مع المزيد من القيود المادية. ثالثا، أي تشكيل فقاعة قبل sonication يعوق قدرة العينة أن سونيكاتيد بالتساوي. إذا كان هناك أي فقاعات تشكلت أثناء التحلل ، فمن المهم إزالتها مع ماصة. هذا يمكن أن يكون تحديا دون إزالة الكثير من العينة، ولكن إذا تم الضغط على طرف طفيفة ضد فقاعة يمكن أن توضع ببطء دون فقدان الكثير من العينة. وأخيرا، عند تحديد عدد الدورات، أكمل دورة زمنية حيث تتم إزالة العينة وتنقيتها، ويتم تشغيلها على جل الآغاروز كل ثلاث دورات. تجنب أكثر من / تحت sonication من العينات وهذا يقلل من كفاءة ChIP. إذا كانت العينة تحت sonicated، شظايا كبيرة يمكن أن يكون لها تأثير سلبي على جودة ChIP-Seq24. من ناحية أخرى ، إذا كانت العينة أكثر من sonicated ، هناك خطر من الضياع epitope الهدف في هذه العملية.
جزء أساسي آخر من ChIP-Seq هو جودة الأجسام المضادة. قبل إجراء أي دراسة واسعة النطاق ، من الضروري تحسين الجسم المضاد الذي سيتم استخدامه. والهدف من ذلك هو الحصول على إشارة عالية إلى حد كبير إلى نسبة الضوضاء من المناطق المعروفة من الجينوم وآخر هو استنساخ. إذا كان الجسم المضاد هو سحب الكثير من إشارة الخلفية، قد يكون من المستحسن استخدام مدخلات أكبر أو محاولة الكثير مختلفة / المورد. وهذا سيضيف وقتا قبل البدء في تجربة واسعة النطاق، ولكنه خطوة أساسية. لاختبار الإشارة إلى الضوضاء، يوصى باستخدام qPCR مع المناطق المعروفة بأنها هدف للأجسام المضادة ومنطقة أخرى معروفة بالتغيب. وقد لوحظ تعديلات الهستون هي أكثر قوة وأسهل لتحسين من TFs.
يوفر البروتوكول المذكور أعلاه طريقة قوية لتعديل الهستون عالي الإنتاجية ChIP-Seq بطريقة شبه مستقلة ومصغرة. الأسلوب يحد من مقدار التدريب العملي على الوقت ويزيد من القابلية للاستنساخ على ChIP-Seq اليدوي. الدراسات السابقة التي أنجزت في المختبر تستخدم دليل ChIP على تكرار التقنية وحصلت على متوسط ارتباط سبيرمان من 0.505، ومع ذلك ، مع النظام شبه الموتوم ، وارتباط سبيرمان بين مختلف الجهات المانحة مع متوسط خلايا NK من 0.66(الجدول التكميلي 2). كما تم الانتهاء من ذلك مع حوالي 40٪ أقل التدريب العملي في الوقت المحدد. تم تحسين الطريقة الموضحة هنا لتعديلات الهستون (H3K27ac الموضحة هنا ، ولكن البروتوكول لا ينبغي أن يحتاج إلى أي تعديل للآخرين) وسيتطلب فقط تعديلات طفيفة ليتم تنفيذها ل TF ChIP-Seq. على الرغم من جودة الأجسام المضادة ، فإن التعديل الرئيسي سيكون لوقت سونيكيشن وربما المخازن المؤقتة المستخدمة أثناء IP. عادة، ل TF ChIP المقايسات، قد تعمل هذه الطريقة بشكل أفضل مع شظايا أطول قليلا من الكروماتين (مع مجموعة من حوالي 350-800 نقطة أساس) كما TF:مجمعات الحمض النووي هي على الأرجح أقل قدرة على الحفاظ عليها من خلال سونيكيشنصارمة 6. قد تحتاج المخازن المؤقتة أيضا إلى تغيير إلى مزيج مخصص أو مجموعات أخرى متوفرة في الصناعة ، حيث يمكن أن تتصرف TFs بشكل مختلف عن تعديلات الهستون.
وعلى الرغم من أن المعالج السائل الآلي ل ChIP قد تم اختباره لعدد قليل من الخلايا يصل إلى 10,000 خلية، إلا أنه كان هناك انخفاض ملحوظ في القابلية للاستنساخ بتركيزات الكروماتين المنخفضة. ونتيجة لهذا، لم يوص البروتوكول إلى أقل من 10،000 خلية، مع 100،000 الخلايا هي الظروف المثلى. كما تم الانتهاء من البروتوكول باستخدام مخازن ChIP الصناعية ، والتي كانت نفقات إضافية ولكنها قدمت بيانات ذات جودة أعلى. يمكن تعديل البروتوكول فيما يتعلق بشروط سونيكيشن (طالما يتم الاحتفاظ الكروماتين القص داخل نفس النطاق)، يمكن تخصيص المخازن المؤقتة لprecipitation المناعي (IP؛ قد تكون هناك حاجة إلى التحسين)، أو قد لا يتم استخدام معالج السائل ChIP. وهناك قيود على البروتوكول هو استخدام معالج السائل ChIP، والتي يمكن أن تكون استثمارا مكلفا ويمكن تشغيل 16 عينة فقط في وقت واحد. ويقتصر معالج السائل ChIP على ردود الفعل على نطاق صغير وأرقام الخلايا أكبر من مليون لا ينصح. ومع ذلك، يمكن إكمال البروتوكول بدونه، من خلال إكمال خطوات IP والغسيل يدويا. إذا تم الانتهاء من الملكية الفكرية ويغسل باليد، والوقت لإكمال الفحص سوف تزيد والقابلية للاستنساخ قد تنخفض، ولكن هذا الدليل سوف لا تزال مفيدة تشغيل تجربة عالية الجودة ChIP-Seq. وتجدر الإشارة إلى أنه يمكن تكييف معالجات سائلة أخرى لتشغيل ردود فعل ChIP شبه الفغرة.
وخلاصة الأمر أن الفوائد الرئيسية لهذا النظام هي الطبيعة العالية الإنتاجية، حيث يتم الانتهاء من خطوات الملكية الفكرية والغسيل بشكل مستقل. وعلى هذا النحو، يمكن إكمال جولات متتابعة من تجارب ChIP، مما يسمح بمعالجة ما يصل إلى 48 عينة بالكامل وجاهزة للتسلسل في غضون 5 أيام، مع وقت عملي محدود مقارنة بتجارب ChIP-Seq اليدوية. وثمة فائدة أخرى هي زيادة القابلية للاستنساخ لأن ChIP-Seq يمكن أن يكون من الصعب الحصول على نتائج قابلة للاستنساخ للغاية. وهناك طرق أخرى تتطلب إما خلايا حية، أو أنظمة معقدة للأنابيب الدقيقة، أو العمل الذي يجب إكماله يدويا. يجب تحسين هذا النظام للعينات منخفضة الإدخال (<10,000 خلية)، مما يسمح في نهاية المطاف بتفاعلات ChIP أحادية الخلية. النظام قادر أيضا على التكيف مع أحدث أساليب ChIP ، مثل PLAC – Seq وHiChIP22،23.
The authors have nothing to disclose.
نشكر أعضاء مختبر Vijayanand على المساعدة التقنية والمناقشات البناءة والدكتور شارون سكوازو والسيد جيفري بيرجيه من Diagenode للمساعدة التقنية مع آلة معالج السائل sonicator وChIP والبروتوكولات. تم دعم هذا العمل من قبل المعاهد القومية للصحة منح AI108564، R01HL114093، S10RR027366 (BD FACSAria II)، وS10OD016262 (Illumina HiSeq 2500).
200 µl tube strips (8 tubes/strip) + cap strips | Diagenode | C30020002 | Strip tubes for use on the IP Star; ChIP 8-tube strip |
AMPure XP for PCR Purification | Beckman Coulter | A63880 | SPRI beads |
Axygen 0.6 mL MaxyClear Snaplock Microcentrifuge Tube | Corning | MCT-060-C | 0.65 mL low binding tube |
Bioruptor Pico Sonicator | Diagenode | B01060010 | Sonicator used in the lab but others can be used |
ChIP DNA Clean & Concentrator (Capped Columns) | Zymo Research | D5205 | DNA clean-up kit |
Dynabeads Protein A for Immunoprecipitation | ThermoFisher | 10001D | |
EDTA (0.5 M), pH 8.0, RNase-free | ThermoFisher | AM9260G | |
EGTA pH 8.0 | Millipore Sigma | E3889-25G | |
Eppendorf ThermoMixer C | Eppendorf | 2231000667 | |
Formaldehyde solution | Millipore Sigma | 252549-1L | |
Glycine | Millipore Sigma | 50046-250G | |
H3K27ac polyclonal antibody – Premium | Diagenode | C15410196 | |
HEPES (1 M) pH 7.5 | ThermoFisher | 15630080 | |
IDT for Illumina Nextera DNA Unique Dual Indexes | Illumina | 20027213 | |
Illumina Tagment DNA Enzyme and Buffer Small Kit | Illumina | 20034197 | |
IP-Star Compact Automated System | Diagenode | B03000002 | Automated system for ChIP-Seq studies; ChIP liquid handler |
KAPA HiFi HotStart ReadyMix | Roche | KK2601 | PCR mix |
Medium reagent container for SX-8G IP-Star Compact | Diagenode | C30020003 | |
MgCl2 (magnesium chloride) (25 mM) | ThermoFisher | R0971 | |
N,N-Dimethylformamide | Millipore Sigma | D4551-250ML | CAUTION – low flash point |
NaCl (5 M), RNase-free | ThermoFisher | AM9760G | |
PBS (10X), pH 7.4 | ThermoFisher | 70011044 | |
PCR Flex-free 8-tube stripes, attached individual optical caps | USA Scientific | 1402-4700 | 8 strip tubes, 0.2 mL 8-tube strip |
Proteinase Inhibitor Cocktail | Millipore Sigma | P8340 | |
Proteinase K Solution (20 mg/mL), RNA grade | ThermoFisher | 25530049 | |
PureLink RNase A (20 mg/mL) | ThermoFisher | 12091021 | |
Quant-iT PicoGreen dsDNA Reagent | ThermoFisher | P7581 | Used in the flourescence quantification |
QuantStudio 6 Flex Real-Time PCR System | ThermoFisher | 4485699 | qPCR |
ROX Reference Dye | ThermoFisher | 12223012 | |
Sodium butyrate | Millipore Sigma | 303410-100G | |
SYBR Gold Nucleic Acid Gel Stain (10,000X Concentrate in DMSO) | ThermoFisher | S11494 | nucleic acid dye |
SYBR Green I Nucleic Acid Gel Stain – 10,000X concentrate in DMSO | ThermoFisher | S7563 | |
TE Buffer | ThermoFisher | 12090015 | |
Tips (bulk) | Diagenode | C30040020 | Tips for the IP Star |
True MicroChIP Kit | Diagenode | C01010130 | Contains all the buffers for the IP; ChIP kit |
UltraPure 1M Tris-HCI, pH 8.0 | ThermoFisher | 15568025 | |
UltraPure SDS Solution, 10% | ThermoFisher | 24730020 |