Este artigo descreve um protocolo chip-seq semiautomado e microescalado de regiões de DNA associadas a uma modificação de histona específica (H3K27ac) usando uma plataforma de manipulador de líquidos ChIP, seguido de preparação da biblioteca usando tagmentação. O procedimento inclui avaliação de controle para fins de qualidade e quantidade e pode ser adotado para outras modificações de histona ou fatores de transcrição.
A imunoprecipitação de cromatina seguida de sequenciamento (ChIP-Seq) é uma abordagem poderosa e amplamente utilizada para perfilar DNA de cromatina associado a modificações específicas de histona, como H3K27ac, para ajudar a identificar elementos de DNA cis-regulatórios. O processo manual para completar um ChIP-Seq é intensivo em mão-de-obra, tecnicamente desafiador, e muitas vezes requer números de células grandes (>100.000 células). O método descrito aqui ajuda a superar esses desafios. Um procedimento semiautomático completo de H3K27ac ChIP-Seq, incluindo fixação celular, tesoura de cromatina, imunoprecipitação e preparação da biblioteca de sequenciamento, para lote de 48 amostras para entradas numédegas inferiores a 100.000 células é descrito em detalhes. A plataforma semiautônomo reduz a variabilidade técnica, melhora as relações de sinal para ruído e reduz drasticamente a mão-de-obra. Assim, o sistema pode reduzir os custos permitindo a redução dos volumes de reação, limitando o número de reagentes caros, como enzimas, contas magnéticas, anticorpos e tempo prático necessário. Essas melhorias no método ChIP-Seq se adequam perfeitamente a estudos epigenéticos em larga escala de amostras clínicas com números de células limitadas de forma altamente reprodutível.
O amplo uso de ensaios de ChIP-Seq para determinar fragmentos de DNA associados a modificações específicas de histona deve-se, em parte, à sua capacidade de identificar elementos de DNA cis-regulatórios, incluindo intensificadores ativos, promotores, silenciadores, heterocromatina, e outros1,2,3,4. A identificação de regiões reguladoras não codificadas em todo o genoma tem mostrado uma visão valiosa para entender melhor a regulação genética em saúde e doenças4. Trabalhos anteriores do laboratório usaram o ChIP-Seq para mostrar que os elementos cis–regulatórios podem desempenhar papéis importantes em diferentes tipos de células5. Os ensaios de chip do fator de transcrição (TF) têm sido utilizados para mostrar o risco associado à doença polimorfismos de nucleotídeos6.
O uso de ChIP-Seq com amostras clínicas humanas é desafiador, principalmente devido à limitação do número de células ou à amostra de tecido desejada. Como resultado, tem havido um esforço conjunto no campo para melhorar e microescalar essas técnicas e, como resultado, vários ensaios surgiram, como CUT&TAG5,7,8,9,10,11,12. Este ensaio utiliza uma transposase para tagment e isola regiões genômicas vinculadas por um anticorpo específico9. Esta técnica foi capaz de reduzir os números de células para 1.000 e, em alguns casos, para uma única célula, no entanto, o uso dessa técnica em pesquisa translacional e configuração clínica tem mostrado limitações devido aos requisitos de uso de células vivas para este método9,12. A exigência de células vivas torna as amostras clínicas logisticamente difíceis de manusear e pode introduzir efeitos em lote se as amostras não forem processadas ao mesmo tempo. Outros otimizaram técnicas microescaladas para células fixas de formaldeído, incluindo o desenvolvimento de ChIPmentation11, que é adaptado aqui de forma de alto rendimento. O uso de células fixas permite que as amostras sejam armazenadas até a coleta e posterior processamento de todas as amostras juntas para minimizar os efeitos em lote.
Aqui, é descrito um ensaio de ChIP-Seq microescalado semiautônomo que reduz o tempo prático experimental para traçar modificações de histona10. O método semiautomado permite ensaios chip-seq de alto rendimento, permitindo que até 48 amostras sejam totalmente processadas e prontas para sequenciamento em apenas 5 dias, para apenas 10.000 células por amostra usando um manipulador líquido ChIP. O manipulador completa a imunoprecipitação (IP) e lava posteriormente de forma autônoma, o que ajuda a reduzir a variabilidade entre as amostras. O método semiautomado reduz tanto o tempo prático em mais de 15 horas para 48 amostras quanto a variabilidade técnica, permitindo que estudos epigenéticos em larga escala sejam conduzidos de forma reprodutível e rápida para células primárias ou cultivadas. O protocolo explica o processo do início ao fim para chip-seq de alta qualidade. Se as máquinas específicas não estiverem disponíveis, o protocolo ainda será um recurso útil para configurar e problemáticar os experimentos chip-seq manualmente.
O ensaio foi realizado com três diferentes tipos primários de células imunes humanas e uma linha de células cultivadas (HUT78 – ATCC: TIB-161). Para clareza, o protocolo foi dividido em sete seções: fixação celular, cisalhamento de cromatina via sônica, imunoprecipitação de cromatina automatizada, preparação da biblioteca por tagmentação de fragmento de DNA, amplificação da biblioteca, purificação da biblioteca, seguida de quantificação de DNA. Para receitas tampão, consulte a Tabela Suplementar 1.
O método descrito aqui expande o procedimento de ChIPmentation11, que implementa um protocolo de preparação da biblioteca de tagmentação antes da purificação do DNA, automatizando e microdimensionando o protocolo. Desde o início do ChIP-Seq, os números de células necessários foram reduzidos drasticamente, de cerca de 20 milhões de células para histones até centenas e até mesmo células únicas1,7,10,12,18,19,20,21. Esses métodos recém-desenvolvidos permitiram uma compreensão mais profunda de como os mecanismos cis-reguladoresestão funcionando nas células, aumentando a sensibilidade e permitindo que populações raras de células clínicas sejam testadas5,6,12,17. Por exemplo, um dos procedimentos mais recentes e populares, chamado CUT&TAG, como robusta e sensível Alternativa ChIP-Seq9. Produz uma excelente relação sinal-ruído, pois a enzima Tn5 está covalentemente ligada à proteína A e reconhece a cadeia Fc do anticorpo ChIP com alta especificidade9. A atividade de fundo da enzima Tn5 é reduzida, pois a enzima não está funcional antes de se ligar ao anticorpoalvo 9. No entanto, a implementação desse método em um contexto clínico é limitada, uma vez que requer células vivas não fixas. Além disso, a remoção de fragmentos de DNA do núcleo hipotônico pode ter efeitos negativos sobre a cromatina, uma vez que é removida durante o ensaio. A exigência necessária para trabalhar com células frescas e vivas é uma fonte de problemas para amostras clínicas raras e para grandes coortes de amostras, uma vez que grandes coortes podem levar inúmeros anos para coletar5. Outro tipo de método, drop-ChIP, usa elegantemente um dispositivo de microfluidics para gerar tagmention baseado em gotícula antes de processar o ChIP19. No entanto, utiliza um dispositivo microfluido altamente especializado e, embora seja possível completar chIP-Seq unicelular, também está limitado ao uso de células vivas7,8,9,18,19. Métodos mais novos que dependem do ChIP-Seq, como PLAC-Seq ou HiChIP, tentam compreender as interações de 3 dimensões (3D) entre os picos ChIP-Seq22,23. Esses métodos 3D são emocionantes, pois estão identificando interações cis -regulatóriasou mediadas por TF em todo o genoma e melhor a compreensão da regulação da expressão genética em tipos de interesse celular, em tecidos saudáveis e no contexto da doença.
Existem algumas medidas críticas a serem consideradas para que o protocolo seja bem sucedido, como a qualidade da cromatina sônica e a qualidade do anticorpo. A eficiência da cisalhamento é fundamental, se a cromatina não for bem sônica, a eficiência do ensaio diminui drasticamente24. A sônicação é um aspecto desafiador do ChIP-Seq devido aos números de células necessários. No sonicator usado no protocolo, a eficiência foi drasticamente reduzida sob 300.000 células. Este é um aspecto desafiador no ChIP-Seq quanto ao sonicate sob esse nível muitas vezes exigiria fragmentação enzimática, o que é menos imparcial. Como resultado, a sônica é um fator limitado importante para o verdadeiro ChIP-Seq microescalado. Outras plataformas de sônica e kits disponíveis comercialmente foram testados para cromatina sônica, mas o sonicator usado aqui teve os resultados mais robustos e reprodutíveis. Outra vantagem do sonicator é não ter que comprar tubos especializados para executar a sônica, o que reduz os custos ao lidar com um grande número de amostras. Para a sônica ideal, em primeiro lugar, é importante pré-aquecer o sonicator como descrito acima. Em segundo lugar, para lise a pelota, recomenda-se ter a ponta pipeta tocando a parte inferior do tubo enquanto lise para quebrar as células com mais restrições físicas. Em terceiro lugar, qualquer formação de bolha antes da sônica dificulta a capacidade da amostra de ser sônica uniformemente. Se houver alguma bolha formada durante a lise, é importante removê-las com uma pipeta. Isso pode ser desafiador sem remover muita amostra, mas se a ponta for levemente pressionada contra a bolha, ela pode ser lentamente elaborada sem perda de muita amostra. Por fim, ao determinar o número de ciclos, complete um curso de tempo onde a cada três ciclos, a amostra é removida, purificada e ran ed em um gel de agarose. Evite a sônica excessiva/sob sônica de amostras, pois isso diminui a eficiência do ChIP. Se a amostra estiver sob sonicação, os fragmentos grandes podem ter um efeito negativo sobre a qualidade ChIP-Seq24. Por outro lado, se a amostra for mais sônica, há o risco de o epitope alvo se perder no processo.
Outra parte essencial do ChIP-Seq é a qualidade do anticorpo. Antes de executar qualquer estudo em larga escala, é necessário otimizar o anticorpo que será usado. O objetivo é obter uma relação sinal significativamente alta para ruído de regiões conhecidas do genoma e outra é a reprodutibilidade. Se o anticorpo estiver puxando um monte de sinal de fundo, pode ser recomendado usar uma entrada maior ou tentar um lote/fornecedor diferente. Isso adicionará tempo antes de iniciar um experimento em larga escala, mas é um passo essencial. Para testar o sinal-para-ruído é recomendável usar qPCR com regiões conhecidas por serem um alvo do seu anticorpo e outra região conhecida por estar ausente. Notou-se que as modificações de histonas são mais robustas e fáceis de otimizar do que os TFs.
O protocolo descrito acima fornece um método robusto para chip-seqão de alta produtividade de modificação de histona de forma semiautônomo e microescalada. O método limita a quantidade de tempo prático e aumenta a reprodutibilidade sobre o ChIP-Seq manual. Estudos anteriores concluídos no laboratório utilizaram ChIP manual em réplicas técnicas e obtiveram uma média de correlação de Spearman de 0,505, porém, com o sistema semiautomado, a correlação de Spearman entre diferentes doadores com uma média de células NK de 0,66 (Tabela Suplementar 2). Isso também foi concluído com cerca de 40% menos tempo prático. O método descrito aqui foi otimizado para modificações de histona (H3K27ac mostrado aqui, mas o protocolo não deve precisar de qualquer modificação para outros) e exigiria apenas pequenas modificações para serem implementadas para TF ChIP-Seq. Apesar da qualidade do anticorpo, a principal modificação seria para o tempo de sônicação e potencialmente os buffers utilizados durante o IP. Normalmente, para ensaios TF ChIP, o método pode funcionar melhor com fragmentos ligeiramente mais longos de cromatina (com um alcance de cerca de 350-800 bp) como os complexos TF:DNA são provavelmente menos capazes de ser mantidos através de sônica rigorosa6. Os buffers também podem precisar mudar para um mix personalizado ou outros kits disponíveis da indústria, já que os TFs podem se comportar de forma diferente das modificações de histona.
Embora o manipulador líquido ChIP automatizado tenha sido testado para apenas 10.000 células, houve uma diminuição notável na reprodutibilidade em concentrações de cromatina mais baixas. Devido a isso, o protocolo não foi recomendado para menos de 10.000 células, sendo 100.000 células as condições ideais. O protocolo também foi concluído usando buffers chip da indústria, que era uma despesa adicional, mas forneceu dados de maior qualidade. O protocolo pode ser modificado em relação às condições de sônica (desde que a cromatina ensaboada seja mantida dentro da mesma faixa), os buffers podem ser personalizados para a imunoprecipitação (IP; a otimização pode ser necessária) ou o manipulador líquido ChIP pode não ser usado. Uma limitação do protocolo é o uso do manipulador de líquidos ChIP, que pode ser um investimento caro e só pode executar 16 amostras de uma só vez. O manipulador líquido ChIP está limitado a reações em pequena escala e números de células superiores a um milhão não são recomendados. No entanto, o protocolo poderia ser concluído sem ele, completando as etapas de IP e lavagem manualmente. Se o IP e as lavagens forem completados à mão, o tempo para concluir o ensaio aumentará e a reprodutibilidade poderá diminuir, mas este guia ainda será útil executando um experimento ChIP-Seq de alta qualidade. Note-se que outros manipuladores líquidos podem ser adaptados para executar reações chip semiautomáticas.
Resumindo, os principais benefícios deste sistema são a natureza de alto rendimento, uma vez que as etapas de IP e lavagem são concluídas de forma autônoma. Como tal, rodadas sequenciais de experimentos ChIP podem ser concluídas, permitindo que até 48 amostras sejam totalmente processadas e prontas para sequenciamento em 5 dias, com tempo prático limitado em comparação com experimentos manuais de ChIP-Seq. Outro benefício é o aumento da reprodutibilidade, uma vez que o ChIP-Seq pode ser difícil obter resultados altamente reprodutíveis. Outros métodos requerem células vivas, sistemas complexos de micro-tubulação ou o trabalho a ser concluído manualmente. Este sistema terá que ser otimizado para amostras de baixa entrada (<10.000 células), permitindo, em última análise, reações de ChIP unicelulares. O sistema também é capaz de ser adaptado para os métodos ChIP mais novos, como PLAC-Seq e HiChIP22,23.
The authors have nothing to disclose.
Agradecemos aos membros do laboratório Vijayanand por ajuda técnica e discussões construtivas e o Dr. Sharron Squazzo e o Sr. Geoffrey Berguet de Diagenode por assistência técnica com a máquina e protocolos de sonicator e chip. Este trabalho foi apoiado pelas bolsas NIH AI108564, R01HL114093, S10RR027366 (BD FACSAria II) e S10OD016262 (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 |