Hi-C 3.0は、ホルムアルデヒドおよびジスクシンイミジルグルタル酸架橋剤をDpnIIおよびDdeI制限酵素のカクテルと組み合わせて、クロマチン相互作用検出のS/N比と分解能を高める改良されたHi-Cプロトコルです。
染色体コンフォメーションキャプチャ(3C)は、3次元クロマチン相互作用を検出するために使用されます。通常、ホルムアルデヒド(FA)による化学架橋は、クロマチン相互作用を固定するために使用されます。次に、制限酵素によるクロマチン消化とそれに続くフラグメント末端のライゲーションにより、3次元(3D)近接性が独自のライゲーション産物に変換されます。最後に、架橋の逆転、タンパク質除去、およびDNA単離の後、DNAをせん断し、ハイスループットシーケンシング用に準備します。遺伝子座の対の近接ライゲーションの頻度は、細胞集団における三次元空間におけるそれらの共局在の頻度の尺度である。
配列決定されたHi-Cライブラリは、遺伝子座のすべてのペア間の相互作用頻度に関するゲノム全体の情報を提供します。Hi-Cの分解能と精度は、クロマチンの接触とクロマチンの頻繁で均一な断片化を維持する効率的な架橋に依存しています。この論文では、2つの架橋剤(ホルムアルデヒド[FA]とジスクシンイミジルグルタル酸[DSG])を組み合わせることで架橋効率を高め、2つの制限酵素(DpnIIとDdeI)を使用してより細かい消化を行うことで、改良された in situHi-C プロトコルHi-C 3.0について説明します。Hi-C 3.0は、ループやトポロジー関連ドメイン(TAD)などの小さなスケールでのゲノムフォールディングの特徴、およびコンパートメントなどの大きな核全体のスケールでの特徴を正確に定量化するための単一のプロトコルです。
染色体コンフォメーションキャプチャーは、2002年から使用されています1。基本的に、すべてのコンフォメーションキャプチャバリアントは、3Dクロマチン組織を維持するためにDNA-タンパク質およびタンパク質-タンパク質相互作用の固定に依存しています。これに続いて、通常は制限酵素処理によるDNA断片化が行われ、最後に、近くのDNA末端がライゲーションされて、空間的に近位の遺伝子座が固有の共有DNA配列に変換されます。初期の3Cプロトコルでは、PCRを使用して特定の「1対1」の相互作用をサンプリングしていました。その後の4Cアッセイでは、「1対すべて」の相互作用2の検出が可能になり、5Cは「多対多」の相互作用3を検出できました。染色体コンフォメーションキャプチャは、ゲノムワイドなHi-C4および3C-seq5、TCC6、Micro-C 7,8などの同等の技術を使用して「オールツーオール」ゲノム相互作用の検出を可能にする次世代のハイスループットシーケンシング(NGS)を実装した後に完全に実を結びました(DenkerとDe Laat9によるレビューも参照)。
Hi-Cでは、ビオチン化ヌクレオチドを使用して、消化後およびライゲーション前に5’オーバーハングをマークします(図1)。これにより、ストレプトアビジンコーティングビーズを使用して適切に消化およびライゲーションされたフラグメントを選択でき、GCC10とは一線を画しています。Hi-Cプロトコルの重要な更新は、スプリアスライゲーション生成物を減らすために無傷の核(すなわち、in situ)で消化とライゲーションを行ったRaoら11によって実装されました。さらに、HindIII消化をMboI(またはDpnII)消化に置き換えると、フラグメントサイズが小さくなり、Hi-Cの分解能の可能性が高まりました。この増加により、比較的小規模な構造の検出が可能になり、小さなシスエレメント間のDNAループ、例えばループ押出によって生成されたCTCF結合部位間のループなど、接触点のより正確なゲノム局在が可能になりました11,12。ただし、この可能性にはコストがかかります。まず、分解能を2倍に向上させるには、シーケンシングリードを4倍(22)に増やす必要があります13。第2に、断片サイズが小さいと、未消化の隣接断片を消化断片およびライゲーション断片と間違える可能性が高まります14。前述のように、Hi-Cでは、消化された断片およびライゲーションされた断片は、ライゲーション接合部におけるビオチンの存在によって未消化断片とは異なる。しかしながら、ライゲーション接合部のみが引き下げられることを保証するために、結紮されていない末端からの適切なビオチン除去が必要である14、15。
NGSのコストが下がるにつれて、染色体折り畳みをより詳細に研究することが可能になります。DNA断片のサイズを減少させ、それによって分離能を増加させるために、Hi−Cプロトコルは、より頻繁に切断制限酵素16を使用するか、または制限酵素17、18、19の組み合わせを使用するように適合させることができる。あるいは、マイクロC中のMNase 7,8およびDNase Hi-C20中のDNaseを滴定して、最適な消化を達成することができます。
3C法の基礎に関する最近の系統的評価では、1%FAとそれに続く3 mM DSG17による連続架橋により、あらゆる長さスケールでの染色体折り畳み機能の検出が大幅に改善されることが示されました。さらに、HindIII消化を伴うHi-Cは、コンパートメントなどの大規模なフォールディング機能を検出するための最良のオプションであり、Micro-CはDNAループなどの小規模なフォールディング機能の検出に優れていました。これらの結果は、FA架橋剤とDSG架橋剤の組み合わせを使用し、その後DpnIIおよびDdeIエンドヌクレアーゼ21で二重消化する単一の高分解能「Hi-C 3.0」戦略の開発につながりました。Hi-C 3.0は、すべての長さスケールで折り畳み機能を正確に検出するため、一般的な使用に効果的な戦略を提供します17。Hi-C 3.0プロトコルの実験部分はここで詳述され、シーケンシング後に期待できる典型的な結果が示されています。
図1:6つのステップでのHi-C手順。 セルは最初にFAで固定され、次にDSGで固定されます(1)。次に、溶解はDdeIとDpnIIによる二重消化に先行します(2)。ビオチンはオーバーハングフィルインによって添加され、近位平滑末端はDNA精製(4)の前にライゲーションされます(3)。ビオチンは、超音波処理およびサイズ選択の前に結紮されていない末端から除去される(5)。最後に、ビオチンのプルダウンにより、アダプターライゲーションとPCRによるライブラリ増幅が可能になります(6)。略語:FA =ホルムアルデヒド;DSG =ジスクシンイミジルグルタル酸;B =ビオチン。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
セル処理の重要なステップ
より少ない数のインプットセルを使用することも可能ですが、このプロトコルは、シーケンシングレーンあたり~5×106セル(~400 Mリード)に最適化されており、ディープシーケンシング後の適切な複雑さを確保しています。細胞は固定前に最もよく数えられます。超深度ライブラリの生成では、通常、目的の読み取り深度に達するまでレーン(およびセル)の数を乗算します。最適な固定のためには、FA固定の前に血清含有培地をPBSに交換し、固定液を濃度勾配なしで直ちに添加する必要があります15,22。細胞回収では、トリプシン処理後の平坦形状から球形への遷移が核立体構造に影響を与える可能性があるため、トリプシン処理よりも掻き取りが好まれます。DSGの添加後、ゆるくて塊状の細胞ペレットは容易に失われる。この段階で細胞を取り扱うときは注意し、凝集を減らすために最大0.05%のBSAを追加します。
メソッドの変更
このプロトコルは、ヒト細胞17を用いて開発された。それでも、染色体立体配座捕捉の経験に基づいて、このプロトコルはほとんどの真核細胞で機能するはずです。入力量が著しく低い場合(~1 ×10 6 細胞)、溶解および立体構造捕捉手順に半分の体積を使用することをお勧めします[ステップ2.1-2.4]。これにより、1.7 mLチューブを備えた卓上遠心分離機でDNA単離[ステップ2.5]を行うことができ、低DNA濃度のペレット化を改善することができます。DNAの定量(ステップ2.6.6)は、進め方を示します。単離されたDNA(1-5 μg)の量が少ない場合は、サイズ選択をスキップし(ステップ3.3)、CFUで容量を130 μLから~45 μLに減らした後、ビオチン除去を進めることをお勧めします。
このプロトコルは、その後のFAおよびDSGによる架橋およびDpnIIおよびDdeIによる消化後の高品質のデータを確保するために特別に開発されました。ただし、ChIP-seq23 およびChIA-PET24でも使用されているFAとそれに続くEGS(エチレングリコールビス(スクシンイミジルコハク酸塩))などの代替架橋戦略も同様にうまく機能する可能性があります17。同様に、DpnIIとHinfI18 またはMboI、MseI、およびNlaIII19 などの異なる酵素の組み合わせを消化に使用できます。酵素の組み合わせを適応させるときは、特定の5’オーバーハングを埋めることができるビオチン化ヌクレオチドを使用し、各カクテルに最適なバッファーを使用してください。DpnIIには独自のバッファーが付属しており、酵素メーカーはDdeI消化用の特定のバッファーを推奨しています。ただし、このプロトコルのDpnIIとDdeIによる二重消化には、両方の酵素で100%の活性が評価されているため、制限バッファーが推奨されます。
コンフォメーションキャプチャのトラブルシューティング
染色体コンフォメーションキャプチャの3つの重要なステップである架橋、消化、ライゲーションはすべて、結果をゲルで視覚化する前に実行されました。これら3つのステップのそれぞれの品質を判断し、問題が発生した可能性のある場所を識別するために、消化前(CI)と消化後(DC)のアリコートを採取し、ライゲーションされたHi-Cサンプルとともにゲルにロードします(図2)。このゲルは、Hi-Cサンプルの品質を判断し、プロトコルを継続する価値があるかどうかを判断するために使用されます。CIとDCがなければ、潜在的な次善のステップを特定することは困難です。次善のライゲーションは、ライゲーション自体の問題、フィルイン、または架橋の問題が原因である可能性があることは注目に値します。架橋のトラブルシューティングを行うには、ライブラリあたり1×107 細胞以上を使用せず、新しい架橋試薬とクリーンな細胞(PBSですすいで)から始めてください。ライゲーションでは、細胞とライゲーション混合物が氷上に保たれていることを確認してください。16°Cで4時間インキュベートする直前にT4 DNAリガーゼを加え、よく混ぜます。
ライブラリ準備のトラブルシューティング
10回を超えるPCRサイクルが必要な場合、またはPCR滴定後にゲルにPCR産物が見られない場合(図4)、Hi-Cサンプルを保存するためのいくつかのオプションがあります。PCR滴定からさかのぼって、最初のオプションはPCRを再試行することです。それでも十分な製品がない場合は、1x TLEバッファーでビーズを2回洗浄した後、Aテーリングとアダプターライゲーション(ステップ3.6)の別のラウンドを試みることができます。この追加のAテーリングとアダプターライゲーションの後、以前と同様にPCR滴定に進むことができます。それでも製品がない場合、最後のオプションは、ステップ3.3の0.8倍フラクションを再超音波処理し、そこから続行することです。
Hi-C3.0の制限事項と利点
Hi-Cは、細胞集団内の遺伝子座のペア間の相互作用の平均頻度をキャプチャする集団ベースの方法であることを認識することが重要です。いくつかの計算解析は、集団25から立体構造の組み合わせを解きほぐすように設計されていますが、原則として、Hi-Cは細胞間の違いを知らされません。シングルセルHi−C26,27を行うことは可能であり、計算推論28を行うことができるが、シングルセルHi−Cは超高分解能3C情報を得るのには適していない。Hi-Cの追加の制限は、ペアワイズ相互作用のみを検出することです。マルチコンタクト相互作用を検出するには、ショートリードシーケンシング(Illumina)16と組み合わせて頻繁なカッターを使用するか、PacBioまたはOxford Nanoporeプラットフォームのロングリードシーケンシングを使用してマルチコンタクト3C29または4C30を実行することができます。姉妹染色分体間および姉妹染色分体に沿った接触を特異的に検出するためのHi−C誘導体も開発されている31,32。
Hi-C19とMicro-C33は、サブキロベースの解像度でコンタクトマップを生成するために使用できますが、どちらも大量のシーケンシングリードを必要とし、これはコストのかかる作業になる可能性があります。コストをかけずに同等またはさらに高い分解能を得るために、特定のゲノム領域(キャプチャーC 34)または特定のタンパク質相互作用(ChiA-PET 35、PLAC-seq36、Hi-ChIP37)の濃縮を適用できます。これらのエンリッチメント アプリケーションの長所と欠点は、サンプリングされる相互作用の数が限られていることです。このようなエンリッチメントにより、Hi-C のグローバルな側面 (およびグローバル正規化のオプション) が失われます。
Hi-C3.0の重要性と応用の可能性
このプロトコルは、TADやコンパートメント17などの大規模な折り畳み機能を同時に検出しながら、高解像度の超深度3Cを可能にするように設計されています(図6)。このプロトコルは、Hi-Cライブラリごとにチューブあたり5セル×10セルから始まり、フローセルで1レーンまたは2レーンをシーケンスして最大10億のペアエンドリードを取得するのに十分な材料である必要があります。超ディープシーケンシングでは、マッピングされたリードとPCRの重複の数に応じて、5×106細胞の複数のチューブを準備する必要があります。最高分解能(<1 kb)では、CTCF部位間でループ相互作用が主に見られますが、プロモーター-エンハンサー相互作用も検出できます。読者は、データ分析の詳細な説明について、Akgol Oksuz et al.17を参照することができます。
The authors have nothing to disclose.
プロトコル開発のDenis LafontaineとBioinformaticの支援をしてくれたSergey Venevに感謝します。この研究は、国立衛生研究所共通基金4D Nucleome ProgramからJ.D.への助成金(U54-DK107980、UM1-HG011536)によって支援されました。JDはハワードヒューズ医学研究所の研究者です。
この記事は、HHMIの出版物へのオープンアクセスポリシーの対象となります。HHMIラボの責任者は以前、研究論文で非独占的なCC BY 4.0ライセンスを一般に付与し、HHMIにサブライセンス可能なライセンスを付与しています。これらのライセンスに従い、この記事の著者が承認した原稿は、公開後すぐにCC BY 4.0ライセンスの下で自由に利用することができます。
1 kb Ladder | New England Biolabs | N3232L | |
Agarose | Invitrogen | 16500100 | |
Agencourt AMPure XP magnetic beads , 60 mL | Beckman Coulter | A63881 | |
Amicon Ultra-0.5 Centrifugal Filter Unit (CFU) | EMD Millipore | UFC500396 | |
Annealing Buffer (5x) | See recipe in supplemental materials | ||
ATP 10 mM | ThermoFisher | R0441 | |
Avanti J-25i High Speed Refrigerated ultra-centrifuge | Beckman Coulter | ||
beckman ultracentrifuge tube 35 mL | Beckman Coulter | 357002 | |
Binding Buffer (2x) | See recipe in supplemental materials | ||
biotin-14-dATP 0.4 mM | Invitrogen | 19524-016 | |
BSA 10 mg/mL | New England Biolabs | B9000S | dilute from 20 mg/mL |
Cell scraper | Falcon | 353089 | |
Cell scraper | Corning | 3008 | |
Conical polypropylene tubes 50 mL | Denville | C1062-P | |
Conical tube 15 mL | Denville | C1017-P | |
Covaris micro tube AFA fiber with snap-cap 130 µL | Covaris | 520045/520077 | |
Covaris Sonicator | Covaris | E220/E220evolution/M220 | |
Culture flask 175 cm2 | Falcon | 353112 | |
Culture plates 150 mm x 25 mm | Corning | 430599 | |
dATP 1 mM | Invitrogen | 56172 | |
dATP 10 mM | Invitrogen | 56172 | |
dCTP 10 mM | Invitrogen | 56173 | |
DdeI | New England Biolabs | R0175L | |
dGTP 10 mM | Invitrogen | 56174 | |
DMSO | Sigma | D2650-5x10ML | |
dNTP mix 25 mM | Invitrogen | 10297117 | |
Dounce homogenizer | DWK Life Sciences | 8853010002/8853030002 | |
DPBS | Gibco | 14190-144 | |
DpnII | New England Biolabs | R0543M | |
DSG | ThermoScientific | 20593 | |
dTTP 10 mM | Invitrogen | 56175 | |
Ethanol 70% | Fisher | A409-4 | Diluted from 100% |
Ethidium Bromide | Fisher | BP1302-10 | |
Formaldehyde (37%) | Fisher | BP531-500 | |
Gel loading dye (6x ) | New England Biolabs | B7024S | |
Glycine in ultrapure water 2.5 M | Sigma | G8898-1KG | |
HBSS | Gibco | 14025-092 | |
Igepal CA-630 detergent | MP Biomedicals | 198596 | |
Klenow DNA polymerase 5 U/µL | New England Biolabs | M0210L | |
Klenow Fragment 3–>5’ exo-, 5 U/µL | New England Biolabs | M0212L | |
ligation buffer (10x) | New England Biolabs | B7203S | |
Liquid nitrogen | |||
LoBind microcentrifuge tube 1.7 mL | Eppendorf | 22431021 | |
Low Molecular Weight DNA Ladder | New England Biolabs | N3233L | |
Lysis buffer | See recipe in supplemental materials | ||
Magnetic Particle separator | ThermoFisher | 12321D | |
Microfuge tubes 1.7 mL | Axygen | MCT-175-C | |
MyOne Streptavidin C1 beads | Invitrogen | 65001 | |
NEBuffer 2.1 (10x) | New England Biolabs | B7002S | |
NEBuffer 3.1 (10x) | New England Biolabs | B7203S | |
PBS | Gibco | 70013-032 | |
PCR (strip) tubes | Biorad | TBS0201/ TCS0803 | |
PCR thermocycler | Biorad | T100 | |
Pfu Ultra II Buffer (10x) | Agilent | Comes with Pfu Ultra | |
PfuUltra II Fusion HS DNA Polymerase | Agilent | 600674 | |
Phase lock tube 15 mL | Qiagen | 129065 | |
Phase lock tubes 2 mL | Qiagen | 129056 | |
Phenol:chloroform:isoamyl alcohol | Invitrogen | 15593-049 | |
Protease inhibitor cocktail | ThermoFisher | 78440 | |
Proteinase K in ultrapure water 10 mg/mL | Invitrogen | 25530-031 | |
Refrigerated Centrifuge | Eppendorf | 5810R | |
RNase A, DNase and protease-free 10 mg/mL | Thermo Scientific | EN0531 | |
Rotator | Argos technologies | EW-04397-40 or rocking platform | |
SDS 1% | Fisher | BP13111 | |
Sodium acetate pH = 5.2, 3 M | Sigma | ||
Sub-Cell GT Horizontal Electrophoresis System | Biorad | 1704401 | |
T4 DNA ligase 1 U/µL | Invitrogen | 100004817 | |
T4 DNA polymerase | New England Biolabs | M0203L | |
T4 DNA polymerase | New England Biolabs | M0203L | |
T4 DNA polymerase 3 U/µL | New England Biolabs | M0203L | |
T4 ligation buffer (5x) | Invitrogen | Y90001 | |
T4 polynucleotide kinase 10 U/µL | New England Biolabs | M0201L | |
Tabletop centrifuge | Eppendorf | 5425 | |
TBE buffer | See recipe in supplemental materials | ||
Tris Low EDTA Buffer (TLE) | See recipe in supplemental materials | ||
Triton X-100 (10%) | Sigma | 93443 | |
Truseq adapter oligos | Integrated DNA Technologies (IDT)) | https://www.idtdna.com/site/order/oligoentry | 250 nmole and HPLC purified |
Tween 20 detergent | Fisher | 9005-64-5 | |
Tween Wash Buffer | See recipe in supplemental materials | ||
Vortex | Scientific Industries | (G560)SI-0236 |