Questo lavoro descrive un protocollo per la generazione di alta risoluzione in situ Hi-C librerie da strettamente in scena pre-gastrulazione Drosophila melanogaster embrioni.
Studiando l’architettura tridimensionale della cromatina offre preziose informazioni sui meccanismi di regolazione genica. Qui, descriviamo un protocollo per l’esecuzione la cromatina conformazione acquisizione tecnica in situ Hi-C su organizzato popolazioni di embrione di Drosophila melanogaster . Il risultato è una libreria di sequenziamento che permette la mappatura di tutte le interazioni di cromatina che si verificano nel nucleo in un singolo esperimento. L’ordinamento dell’embrione è fatto manualmente utilizzando un microscopio a fluorescenza stereo e una linea di volo transgenica contenenti un marcatore nucleare. Utilizzando questa tecnica, le popolazioni di embrione da ogni ciclo di divisione nucleare e con lo stato definito ciclo cellulare, può essere ottenuto con purezza molto elevata. Il protocollo può anche essere adattato per ordinare più vecchi embrioni di là di gastrulazione. Ordinato gli embrioni vengono utilizzati come input per in situ Hi-C. Tutti gli esperimenti, tra cui il sequenziamento preparazione libreria, possono essere completati in cinque giorni. Il protocollo ha bassi requisiti di ingresso e funziona in modo affidabile utilizzando 20 embrioni in fase blastoderm come materiale in entrata. Il risultato finale è una libreria di sequenziamento per il sequenziamento di nuova generazione. Dopo l’ordinamento, i dati possono essere trasformati in mappe di interazione della cromatina genoma che possono essere analizzate utilizzando una vasta gamma di strumenti disponibili per ottenere informazioni sull’associazione topologicamente struttura di dominio (TAD), cicli di cromatina e cromatina compartimenti durante lo sviluppo della drosofila .
Acquisizione di conformazione cromatinica (3C) è emerso come un metodo estremamente utile per studiare la topologia della cromatina nel nucleo1. La variante 3C Hi-C permette di misurare le frequenze di contatto di tutte le interazioni di cromatina che si verificano nel nucleo in un singolo esperimento2. Applicazione di Hi-C ha giocato un ruolo importante nella scoperta e caratterizzazione di molti principi fondamentali dell’organizzazione della cromatina, ad esempio TADs, comparti e cicli3,4,5.
Studi di architettura della cromatina nel contesto delle transizioni inerente allo sviluppo e differenziazione delle cellule sono sempre più utilizzati per svelare i meccanismi di regolazione genica durante questi processi6,7,8, 9. Uno degli organismi modello di grande interesse è la Drosophila melanogaster, cui sviluppo e genoma sono ben caratterizzati. Tuttavia, pochi studi che indagano l’architettura della cromatina in Drosophila di fuori della coltura in vitro del tessuto le impostazioni sono state condotti10,11. Negli embrioni fertilizzazione post 16 – 18 h, TADs e scomparti che ricorda di strutture simili a mammiferi erano identificati10, che solleva la questione di quale ruolo giocano nella regolazione genica durante l’embrione di Drosophila sviluppo. Soprattutto nelle prime fasi di sviluppo, prima della gastrulazione, tali studi sono tecnicamente impegnativi. Prima di gastrulazione, embrioni della drosofila subiscono 13 divisioni nucleari sincroni che procedono ad un ritmo estremamente rapido di 8 – 60 min per ciclo12,13. Oltre a questo, la mancanza di funzionalità visive a distinguere le diverse fasi rendono difficile ottenere materiale strettamente in fasi embrione in quantità sufficienti.
Al fine di sviluppare un protocollo che permette di studiare architettura della cromatina nello sviluppo iniziale di Drosophila a ciclo nucleare ad alta risoluzione, abbiamo combinato due tecniche esistenti: in situ Hi-C, che consente la generazione di alta risoluzione tutta genoma contatto mappe5e messa in scena di embrione tramite riga di Drosophila transgenica che esprimono un eGFP-PCNA transgene13,14. Questo transgene si localizza nel nucleo durante l’interfase e si disperde in tutto il blastoderm sinciziale durante la mitosi. Utilizzare questa proprietà, è possibile facilmente distinguere diverse fasi dalla loro densità nucleare e mitotici embrioni mediante la dispersione del segnale GFP.
Insieme, queste tecniche consentono di studiare la struttura tridimensionale della cromatina in alta risoluzione da poco più di 20 embrioni della drosofila . Questo protocollo include le istruzioni per la raccolta e cernita embrioni della drosofila per ottenere popolazioni di embrioni da un ciclo di singola divisione nucleare. Inoltre descrive come gli embrioni ottenuti vengono utilizzati per eseguire in situ Hi-C. Il risultato finale è una libreria di nucleotidi adatta per il sequenziamento su macchine di prossima generazione sequenziamento. Le letture di sequenziamento risultante possono quindi essere elaborate in cromatina dettagliata interazione mappe che coprono l’intero genoma di Drosophila .
Il protocollo presentato qui è molto efficace nella generazione di mappe di alta qualità dell’architettura della cromatina in primi embrioni della drosofila . Rispetto ad un precedente protocollo34, l’approccio descritto qui utilizza un sono aggiornati in situ Hi-C procedura5, con conseguente elaborazione più veloce, maggiore risoluzione e meno uso di reagente. La procedura complessiva, compreso il protocollo di Hi-C in situ è previsto di lavorare su una vasta gamma di sistemi sperimentali oltre Drosophilae fasi. Poiché il protocollo ha un requisito di ingresso basso, potrebbe essere utilizzato anche su popolazioni di cellule isolate. In Drosophila, quando utilizza il protocollo per gli embrioni nell’intervallo descritto qui, alcuni parametri, in particolare la fissazione del materiale, potrebbe essere necessario essere regolata. Poiché più vecchi embrioni si sviluppano una cuticola altamente impermeabile, aumentare la concentrazione di formaldeide e prolungare la fissazione può essere appropriati. Per la raccolta degli embrioni nelle fasi diverse nucleare ciclo 14, i tempi di incubazione degli embrioni a 25 ° C nel passaggio 1.4 devono essere regolato come segue: ciclo nucleare 12, 70 min; ciclo nucleare 13, 90 min; 3 – 4 hpf, 03:30 h.
Durante le divisioni di 13 clivaggio (fase 1-4), la densità di nuclei raddoppia ad ogni divisione. I nuclei possono essere identificati facilmente da loro brillante fluorescenza di GFP. Durante la mitosi, eGFP-PCNA non si trova nel nucleo, e il suo segnale è dispersa in tutto l’embrione. Questa caratteristica rende l’identificazione degli embrioni che stanno subendo una divisione di clivaggio sincrono possibile. Per studiare la conformazione della cromatina, questi embrioni mitotici non sono solitamente desiderabili, poiché l’organizzazione mitotica della cromatina è drasticamente diverso da quello di organizzazione l’interfase35. È possibile adattare il protocollo specificamente selezionare embrioni sottoposti a una divisione mitotica sincrona. In questo caso, dovrebbero essere tenuti solo gli embrioni con distribuzione disperso, non-nucleari di eGFP-PCNA, e tutti gli altri embrioni devono essere eliminati. Poiché la densità nucleare non può essere determinata, metodi alternativi di embrioni in fase di loro morfologia hanno visualizzata in microscopia chiara trasmessa devono essere impiegati. Presenza di cellule del palo e nuclei alla periferia dell’embrione indicano che l’embrione ha completato il ciclo nucleare almeno 9, mentre indica cellularization visibili alla periferia nucleare ciclo 1412.
Hi-C esperimenti possono essere effettuati con successo usando una vasta selezione di enzimi di restrizione5. Approcci attuali utilizzano in genere gli enzimi che riconoscono una sequenza di 4-base, ad esempio MboI o un sito di riconoscimento 6-base, ad esempio HindIII. Il vantaggio di 4-base frese su frese 6-base è che essi offrono maggiore risoluzione potenziale, dato abbastanza profondità di sequenziamento e una copertura più uniforme dei siti di restrizione in tutto il genoma. Non c’è nessun chiaro vantaggio nella scelta di una lama 4-base sopra un altro5,23,36,37. I due enzimi più comunemente usati, MboI e DpnII, entrambe riconoscono il sito di riconoscimento stesso GATC. DpnII è meno sensibile alla metilazione di CpG, che è di alcuna preoccupazione in drosofila. Il protocollo presentato qui può anche essere completato con successo utilizzando DpnII come un enzima di restrizione. Nella sezione 4.2. enzima di restrizione e buffer devono essere regolati per la compatibilità DpnII, secondo le raccomandazioni del produttore.
Se la dimensione del frammento della biblioteca sequenziamento si discosta significativamente dalla gamma mostrata nella Figura 2A, formazione del cluster durante la sequenza può essere meno efficiente o fallire completamente. In questo caso, la distribuzione delle dimensioni dopo la tosatura deve essere controllata e parametri di taglio regolata di conseguenza. Picchi nella distribuzione di frammenti di DNA di piccolissime ( 1.000 bp) dimensioni indica problemi con selezione di dimensioni, ad esempio trasportare sopra di perline o surnatante che dovrebbero essere scartati. Spesso queste librerie con piccoli picchi a queste dimensioni indesiderabili, come quello nella foto, è ancora sequenziati con successo con solo una diminuzione secondaria in clustering di efficienza.
Alti tassi di duplicazione di PCR dovrebbero essere evitati perché questo riduce drasticamente il numero di sequenza utilizzabile letture. Il tasso di PCR duplicati è direttamente correlato alla quantità di materiale in ingresso. Pertanto utilizzando ulteriori input di solito allevia i problemi con duplicazione di PCR.
Un numero maggiore di letture filtrati a causa di leggere orientamento (Figura 2B) indica digestione insufficiente, che può essere il risultato dell’utilizzo di enzima troppo poco, troppo input materiale o incompleta omogeneizzazione degli embrioni.
The authors have nothing to disclose.
Questa ricerca è stata finanziata dalla società Max Planck. C.B.H. è stato sostenuto da una borsa di studio della scuola di ricerca internazionale Max Planck – biomedicina molecolare. Ringraziamo Shelby Blythe ed Eric Wieschaus per gentilmente fornire la linea di melanogaster della drosofila eGFP-PCNA.
Biotin-14-dATP | Life Technologies | 19524016 | |
MboI | New England Biolabs | R0147L | |
DNA Polymerase I Klenow Fragment | New England Biolabs | M0210L | |
T4 DNA Ligase | Thermo Fisher | EL0012 | T4 DNA Ligase Buffer included |
T4 DNA Polymerase | New England Biolabs | M0203L | |
Proteinase K | AppliChem | A4392 | |
GlycoBlue | Life Technologies | AM9516 | |
Complete Ultra EDTA-free protease inhibitors | Roche | 5892791001 | |
NEBNext Multiplex Oligos for Illumina (Index Primers Set 1) | New England Biolabs | E7335 | Sequencing Adaptor, Forward (unindexed) PCR primer and Reverse (indexed) PCR primer and USER enzyme used in the Library preparation section are components of this kit |
NEBNext Ultra II DNA Library Prep Kit | New England Biolabs | E7645 | End Prep Enzyme Mix, End Prep Reaction Buffer, Ligation Enhancer, Ligation Master Mix and Polymerase Master Mix used in the Library preparation section are components of this kit |
Covaris S2 AFA System | Covaris | ||
DNA LoBind Tubes, 1.5 mL | Eppendorf | 0030108051 | |
Falcon cell strainer 100 µm | Corning | 352360 | Embryo collection baskets |
37% formaldehyde | VWR | 437536C | |
Heptane | AppliChem | 122062.1612 | |
M165 FC fluorescent stereo microscope | Leica | ||
M165 FC DFC camera | Leica | ||
Metal micro pestle | Carl Roth | P985.1 | Used to lyse embryos in step 4.1.4 |
RNase A | AppliChem | A3832,0050 | |
Dynabeads MyOne Streptavidin C1 | Life Technologies | 65002 | Streptavidin coated magnetic beads |
Ampure XP beads | Beckman Coulter | A63881 | |
Qubit 3.0 Fluorometer | Thermo Fisher Scientific | Q33216 | |
Qubit assay tubes | Thermo Fisher Scientific | Q32856 | |
Qubit dsDNA HS Assay Kit | Thermo Fisher Scientific | Q32854 | |
Phosphate buffered saline (PBS) | Sigma-Aldrich | P4417 | |
eGFP-PCNA flies | Gift from S. Blythe and E. Wieschaus | ||
Sodium hypochlorite 13% | Thermo Fisher | AC219255000 | |
Triton X-100 | AppliChem | A4975 | |
Tris buffer pH 8.0 (1 M) for molecular biology | AppliChem | A4577 | |
NaCl | AppliChem | A2942 | |
IGEPAL CA-630 | Sigma-Aldrich | I8896 | |
1.5 mL microcentrifuge tubes | Greiner Bio-One | 616201 | |
SDS for molecular biology | AppliChem | A2263 | |
10x CutSmart buffer | New England Biolabs | B7204S | Restriction enzyme buffer |
PCR Nucleotide Mix | Sigma-Aldrich | 11814362001 | Unmodified dCTP, dGTP, dTTP |
BSA, Molecular Biology Grade | New England Biolabs | B9000S | |
EDTA 0.5M solution for molecular biology | AppliChem | A4892 | |
Sodium acetate 3M pH 5.2 | Sigma-Aldrich | S7899 | |
DynaMag-2 Magnet | Life Technologies | 12321D | Magnetic stand |
Intelli-Mixer RM-2L | Omnilab | 5729802 | Rotator |
ThermoMixer F1.5 | Eppendorf | 5384000012 | Mixer |
Small Embryo Collection Cages | Flystuff.com | 59-100 | Egg collection cage |
Centrifuge 5424 R | Eppendorf | 5404000413 | |
C1000 Touch Thermal Cycler | Bio-Rad | 1851148 | |
PCR tube strips | Greiner Bio-One | 673275 | |
NEBuffer 2.1 | New England Biolabs | B7202S | T4 DNA Polymerase buffer |