Dieses Protokoll beschreibt einen RNA-Interferenz- und ChIP-Assay zur Untersuchung der epigenetischen Vererbung von RNAi-induziertem Silencing und damit verbundenen Chromatinmodifikationen in C. elegans.
Die transgenerationale epigenetische Vererbung (TEI) ermöglicht die Übertragung von Informationen durch die Keimbahn, ohne die Genomsequenz zu verändern, durch Faktoren wie nicht-kodierende RNAs und Chromatinmodifikationen. Das Phänomen der RNA-Interferenz (RNAi)-Vererbung im Fadenwurm Caenorhabditis elegans ist ein effektives Modell zur Untersuchung von TEI, das sich den kurzen Lebenszyklus, die Selbstvermehrung und die Transparenz dieses Modellorganismus zunutze macht. Bei der RNAi-Vererbung führt die Exposition von Tieren gegenüber RNAi zu Gen-Silencing und veränderten Chromatinsignaturen am Zielort, die über mehrere Generationen hinweg ohne den ursprünglichen Auslöser bestehen bleiben. Dieses Protokoll beschreibt die Analyse der RNAi-Vererbung in C. elegans unter Verwendung eines Keimbahn-exprimierten kerngrünen Fluoreszenzproteins (GFP)-Reporters. Das Reporter-Silencing wird durch die Fütterung der Tiere mit Bakterien eingeleitet, die doppelsträngige RNA exprimieren, die auf GFP abzielt. Bei jeder Generation werden die Tiere durchgelassen, um eine synchronisierte Entwicklung aufrechtzuerhalten, und das Stummschalten der Reportergene wird durch Mikroskopie bestimmt. In ausgewählten Generationen werden Populationen gesammelt und für die Chromatin-Immunpräzipitation (ChIP)-quantitative Polymerase-Kettenreaktion (qPCR) aufbereitet, um die Anreicherung der Histonmodifikation am GFP-Reporterlocus zu messen. Dieses Protokoll zur Untersuchung der RNAi-Vererbung kann leicht modifiziert und mit anderen Analysen kombiniert werden, um TEI-Faktoren in kleinen RNA- und Chromatin-Signalwegen weiter zu untersuchen.
Epigenetische Vererbung ermöglicht die Weitergabe genregulatorischer Informationen über Generationen hinweg und kann daher dazu führen, dass die Umwelt oder die Erfahrungen der Eltern ihre Nachkommen beeinflussen. Bei C. elegans kann das durch exogene doppelsträngige RNA (dsRNA) initiierte Gen-Silencing in der Keimbahn für mehrere Generationen in Nachkommen vererbt werden, die nicht dem ursprünglichen Auslöserexponiert sind 1,2,3,4. Dieser Prozess, der als RNA-Interferenz (RNAi)-Vererbung bezeichnet wird, ist eines von mehreren verwandten epigenetischen Silencing-Phänomenen bei C. elegans, einschließlich piRNA-initiiertes mehrgenerationenübergreifendes Silencing 2,5, Paramutation/RNAe (RNA-induziertes epigenetisches Silencing)6,7,8 und Multicopy-Array-initiiertes Silencing9, die überlappende, aber unterschiedliche Anforderungen an kleine RNA- und Chromatin-Regulationsmaschinen stellen . In der exogenen RNAi von C. elegans wird dsRNA zu kleinen interferierenden RNAs (siRNAs) verarbeitet, die in einem Komplex mit primären Argonautenproteinen agieren, um ihre Ziel-mRNA zu erkennen. Dieses Targeting führt zur Amplifikation von sekundären siRNAs, die mit sekundären Argonauten assoziiert sind, um die Ziel-mRNA sowohl über zytoplasmatische als auch über nukleäre Silencing-Signalwege zum Schweigen zu bringen. Für Keimbahn-exprimierte RNAi-Targets zielen das nukleäre sekundäre Argonaute HRDE-1 und zusätzliche nukleäre RNAi-Faktoren auf naszierende Transkripte ab, was zu einer transkriptionellen Repression und Rekrutierung von Histonmethyltransferasen führt, um repressive Chromatinmarkierungen, einschließlich H3K9me310, abzuscheiden. Histon H3K9me3 fördert die Etablierung eines vererbbaren Silencings von Keimbahn-exprimierten grün fluoreszierenden Proteinen (GFP)-Transgenen durch RNAi-Vererbung11,12.
Das Ziel dieses Protokolls ist es, ein Transgen, das ein GFP-Histon-Fusionsprotein in der Keimbahn exprimiert, als Reporter für die RNAi-Vererbung zu verwenden und Veränderungen der Histonmodifikationen am Reportertransgenlocus mittels Chromatin-Immunpräzipitation und quantitativer Polymerase-Kettenreaktion (ChIP-qPCR) zu untersuchen. Dieses Protokoll beschreibt einen standardisierten plattenbasierten RNAi-Fütterungsansatz, um das Reporter-Silencing zu initiieren. Es bietet auch einen detaillierten Zeitplan für die Passage von Tieren zwischen den Generationen, indem Embryonen in utero von trächtigen Erwachsenen durch alkalische Hypochloritbehandlung (“Bleichung”) isoliert werden. Methoden und repräsentative Daten zur Überwachung der Häufigkeit des GFP-Silencings in einer Untergruppe der Bevölkerung mittels Fluoreszenzmikroskopie und für die Histon H3K9me3 ChIP-qPCR werden ebenfalls beschrieben. Reporter-basierte RNAi-Vererbungsassays bieten ein hochgradig handhabbares System, um die Rolle genetischer und umweltbedingter Faktoren in der epigenetischen Regulation funktionell zu untersuchen 13,14, und genetische Screenings mit solchen Reportern haben sowohl Gene identifiziert, die für 2,3,15 erforderlich sind, als auch Gene, die 16,17 die Dauer der transgenerationalen epigenetischen Vererbung negativ regulieren.
In diesem Protokoll wird dsRNA durch Fütterung eingeführt, was bei C. elegans zu einer Standardmethode geworden ist 18. Für RNAi-Vererbungsassays bietet der Fütterungsansatz eine einfache Methode, um eine große P0-Population 2,11,12,22,23,24,25 zu erhalten. Der Zeitpunkt und die Dauer der RNAi-Exposition beeinflussen jedoch die Wirksamkeit des Transgen-Silencings26, und die Konzentration von RNAi-Bakterien beeinflusst die Persistenz des vererbbaren RNAi-Silencings1. Daher sind standardisierte RNAi-Bakterien und Wurmwachstum wichtig, um ein konsistentes Maß an GFP-Silencing und Vererbungsdauer zu erreichen. Dabei werden Embryonen auf RNAi-Platten plattiert, so dass P0-Tiere vom Schlüpfen an RNAi-Bakterien ausgesetzt sind. Bei alternativen Ansätzen wurden synchronisierte Tiere im L1 24,27– oderL4 25-Stadium auf RNAi-NGM-Platten plattiert. Da Hunger und andere Belastungen die Aufrechterhaltung der RNAi-Vererbung beeinträchtigen13, müssen die Platten überwacht werden, um eine Überfüllung und Erschöpfung des Nahrungsangebots zu verhindern. Als Alternative zur Initiierung von RNAi durch Fütterung induzierten einige der bahnbrechenden RNAi-Vererbungsstudien von C. elegans RNAi durch Gonadeninjektion, was eine bessere Kontrolle der dsRNA-Konzentration ermöglicht 1,28.
In diesem Protokoll wird jede Generation als Population mit alkalischer Hypochloritbehandlung durchlaufen, wie zuvor beschrieben 16,22,23,24. Die Hypochloritbehandlung stellt sicher, dass die F1-Generation nicht mit RNAi-Bakterien aus der elterlichen Umgebung kontaminiert wird22 und verhindert mögliche unerwünschte Engpässe in der Population. Die Massenverbringung kann jedoch auch eine Einschränkung darstellen, da einzelne Tiere unterschiedliche Vererbungsmuster aufweisen können 1,29. Eine alternative Methode, um jede Generation zu bestimmen, ist die Auswahl einzelner Tiere 1,2,9,11,25. Dieser Ansatz ermöglicht es, Phänotypen innerhalb von Abstammungslinien zu verfolgen und genetische Kreuzungen einzubauen. Die Abstammungsanalyse kann auch bei Phänotypen mit geringer Penetranz von Vorteil sein12.
Die Expression fluoreszierender Proteine ist ein leistungsfähiges und bequemes Auslesen des RNAi-induzierten Silencings 2,3,4,12,14,15,16,25,30. Wie in diesem Protokoll beschrieben, kann die GFP-Expression manuell als EIN oder AUS 11,12,15,16,25 bewertet werden. Das manuelle Scoring kann durch die Zuweisung der qualitativen Intensitätsstufen 3,4,14 weiter verfeinert werden. Alternativ kann die automatisierte Intensitätsbewertung von Mikroskopiebildern 11,12,14,25,27 oder die Durchflusszytometrie-Fluoreszenzmessung von lebenden Tieren 2 eine quantitative und Hochdurchsatz-Auslesung liefern. Da die Reporterexpression jedoch auf die Keimbahn beschränkt ist, besteht ein Vorbehalt automatisierter Ansätze darin, dass sie auch zwischen Tieren mit stillgelegter GFP-Expression und Tieren ohne Keimbahn unterscheiden müssen, insbesondere wenn die Studie Mutanten mit abnormaler Keimbahnentwicklung umfasst. Als Alternative zur GFP-Fluoreszenz kann die reverse Transkription (RT)-qPCR verwendet werden, um die RNAi-Ziel-Prä-mRNA- und mRNA-Spiegel 2,16,23,24 zu quantifizieren. Dieser Ansatz ermöglicht ein direkteres Auslesen des Silencings, das auf RNA abzielt, und ist besonders nützlich für andere RNAi-Ziele, bei denen das Silencing keinen sichtbaren Phänotyp erzeugt. Eine Einschränkung bei der Verwendung künstlicher GFP-Reporter besteht darin, dass exogene und endogene Sequenzen in transgenerationaler RNAi11 unterschiedlich reguliert werden. Studien mit endogenen Targets, wie z. B. dem temperaturempfindlichen embryonalen letalen Allel oma-1(zu405)1,11,16,25, sollten daher als komplementärer Ansatz zu fluoreszierenden transgenen Reportern in Betracht gezogen werden.
Die Analyse von ChIP im Rahmen von RNAi-Vererbungsassays erfordert einen Vergleich zwischen Behandlungen und Replikaten. Erstens, um Unterschiede im Ausgangsmaterial zwischen den Proben zu berücksichtigen, wird das ChIP-Signal auf das Eingangssignal an der gleichen Stelle wie der “Prozentsatz des Eingangs” normalisiert. Die parallele Verarbeitung eines Histon-H3-ChIP hilft zu bestimmen, ob Veränderungen der Histonmodifikation mit Änderungen der Nukleosomendichte korrespondieren. Da es sich bei ChIP um einen mehrstufigen Prozess handelt, kann die Effizienz zwischen den Proben variieren. Die Auswahl geeigneter positiver und negativer Kontrollloci ist nützlich, um das Signal-Rausch-Verhältnis zwischen Proben und Experimenten zu bewerten und zu vergleichen. Um Vergleiche zwischen Proben zu erleichtern, werden die ChIP-DNA-qPCR-Schwellenwerte am RNAi-Ziel häufig auf einen Kontrollort 3,11,15,23,30,31 normiert. Um die Auswirkungen der RNAi-Behandlung zu bewerten, wird auch das Verhältnis des ChIP-Signals bei der Behandlung mit RNAi im Vergleich zu Kontroll- oder Nicht-RNAi-Bedingungen verglichen. Eine Einschränkung des derzeitigen Ansatzes besteht darin, dass ChIP mit ganzen Tieren durchgeführt wird, während das Ansprechen auf die RNAi-Behandlung möglicherweise nur in der Keimbahn erfolgt. Ein Ansatz, um diesen Vorbehalt zu überwinden, besteht darin, ChIP mit isolierten Keimbahnkernen durchzuführen. Weitere technische Überlegungen zur Optimierung von ChIP wurden auch an anderer Stelle ausführlich diskutiert32,33.
Insgesamt bietet diese RNAi-Vererbung und das ChIP-Protokoll eine detaillierte und leicht anzupassende Grundlage, die mit anderen Techniken integriert werden kann, um die transgenerationale epigenetische Regulation weiter zu erforschen. Zum Beispiel können Hochdurchsatz-Sequenzierungsbibliotheken aus der ChIP-DNA (ChIP-seq) konstruiert werden, um eine detailliertere Sicht auf die Chromatinlandschaft sowohl proximal des RNAi-Ziels als auch auf genomweiter Ebene zu erhalten.
The authors have nothing to disclose.
Wir möchten uns bei den Laboren in der C. elegans-Gemeinschaft bedanken, die die Werkzeuge entwickelt und geteilt haben und deren Arbeit in diesem Manuskript zitiert wird. Einige Stämme wurden vom CGC zur Verfügung gestellt, das vom NIH Office of Research Infrastructure Programs (P40 OD010440) finanziert wird. Diese Arbeit wurde durch ein Projektstipendium des Canadian Institutes of Health Research (CIHR) an A.L.S. (PJT-175245) unterstützt. C.L. wird durch ein Postgraduiertenstipendium des Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) (PGS-D) unterstützt.
Agarose | Bioshop | AGA002 | |
Ampicillin | Bioshop | AMP201 | Make a 100 mg/mL solution in ultrapure water. Filter-sterilize and store at -20 °C. |
Anti-H3K9me3 Rabbit Polyclonal Antibody | Abcam | ab8898 | Concentration is batch-dependent (0.9 – 1 mg/mL). |
Anti-Histone H3 Rabbit Polyclonal Antibody | Abcam | ab1791 | Concentration is batch-dependent (0.7 – 1 mg/mL). |
Bleach (6% Sodium hypochlorite) | Lavo | 02358107 | |
C. elegans strain with GFP RNAi Reporter | NA | SX1263 | Sapetschnig et al. 2015 (ref. 7). A gift from E. Miska lab, University of Cambridge. |
Carbenicillin | BioShop | CAR544 | Make a 25 mg/mL solution in ultrapure water. Filter-sterilize and store at -20 °C. |
Dynabeads Protein G Magnetic Beads | Invitrogen | 10003D | |
E. coli strain HT115(DE3) | Caenorhabditis Genetics Center (CGC) | HT115(DE3) | |
E. coli strain OP50-1 | Caenorhabditis Genetics Center (CGC) | OP50-1 | |
EDTA (0.5 M, pH 8.0) | Invitrogen | 15575020 | |
Fluorescence Stereoscope | Zeiss | Axio Zoom.V16 | |
Formaldehyde (37%) | Sigma | F8775 | |
Glycine | Sigma | 50046 | Make a 1.25 M solution and store at 4 °C. |
HEPES-KOH (1 M, pH 7.5) | Teknova | H1035 | |
Hydrophobic Printed Slides, 10 wells | VWR | 100488-904 | |
IGEPAL CA-630 (Octylphenol ethoxylate) | BioShop | NON999 | Make a 10% (v/v) solution in ultrapure water and store at room temperature. |
IPTG (Isopropyl-β-D-thiogalactoside) | BioShop | IPT001 | Make a 0.2 g/mL solution in ultrapure water. Filter-sterilize and store at -20 °C. |
iTaq Universal SYBR Green Supermix | Bio-Rad | 1725122 | |
LB Agar Plates supplemented with 100 µg/mL Ampicillin | NA | NA | Standard lab recipe. |
Levamisole (Tetramisole hydrochloride) | Sigma | L9756 | Make a 200 mM solution in ultrapure water. Store at -20 °C. |
LiCl (8 M) | Sigma | L7026 | |
M9 Buffer | NA | NA | 22 mM KH2PO4, 42 mM Na2HPO4, 86 mM NaCl, 1 mM MgSO4. |
Magnetic Separator (1.5 mL tubes) | Applied Biosystems | A13346 | |
Magnetic Separator (0.2 mL tubes) | Permagen | MSR812 | |
Microscope Cover Glass | Fisher Scientific | 12541B | |
Microscope Slide | Technologist Choice | LAB-037 | |
NaCl (5 M) | Promega | V4221 | For ChIP buffers. |
NaOH | Sigma | S5881 | Make a 10 M solution and store at room temperature. |
NGM Plates | NA | NA | 1.7% (w/v) agar, 0.3% (w/v) NaCl, 0.25% (w/v) peptone, 1 mM CaCl2, 5 μg/mL cholesterol, 25 mM Potassium phosphate pH 6.0, 1 mM MgSO4, 50 µg/mL streptomycin. |
Normal Rabbit IgG (1 mg/mL) | Cell Signaling Technology | 2729 | |
Petri Dishes (35 mm x 10 mm) | Sarstedt | 82.1135.500 | |
Phosphate Buffered Saline (10X) | Fisher BioReagents | BP3991 | |
Plasmid – Control RNAi | Addgene | L4440 (Plasmid #1654) | |
Plasmid – GFP-targetting RNAi | Addgene | L4417 (Plasmid #1649) | Note, alternative L4440-derived plasmids targeting GFP can be used. |
Primer pair [-3.3 kb upstream of gfp] | Integrated DNA Technologies | NA | F: AAACCAAAGGACGAGAGATTCA, R: GGCTCGATCAAGTAAAATTTCG |
Primer pair [+1.3 kb downstream of gfp] | Integrated DNA Technologies | NA | F: TCGACCAGTTCTAAAGTCACCG, R: ACGTGCGGGATCATTTCTTACT |
Primer pair [clec-18] | Integrated DNA Technologies | NA | F: TGCTCCATGACCTCAACAACA, R: AGTACAGTTCACCGATCCAGA |
Primer pair [gfp exon 1] | Integrated DNA Technologies | NA | F: CTGGAGTTGTCCCAATTCTTGT, R: GGGTAAGTTTTCCGTATGTTGC |
Primer pair [gfp exon 4] | Integrated DNA Technologies | NA | F: GATGGCCCTGTCCTTTTACCA, R: ATGCCATGTGTAATCCCAGCA |
Primer pair [hrp-2] | Integrated DNA Technologies | NA | F: CGTCAACAGGGAGCAGCTG, R: CCTCCGAACTTTCTCTGTCCA |
Protease Inhibitor Cocktail Tablet | Roche | 11836170001 | |
Proteinase K | Bioline | BIO-37084 | |
QIAquick PCR Purification Kit | Qiagen | 28104 | |
Real-Time PCR Detection System | Bio-Rad | CFX96 | |
RNAi-NGM plates | NA | NA | 1.7% (w/v) agar, 0.3% (w/v) NaCl, 0.25% (w/v) peptone, 1 mM CaCl2, 5 µg/mL cholesterol, 25 mM Potassium phosphate buffer pH 6.0, 1 mM MgSO4, 25 µg/mL carbenicillin and 5 mM IPTG. |
RNase A | Sigma | R4642 | |
Sarkosyl (N-Lauroylsarcosine sodium salt) | Sigma | L5777 | Make a 10% (w/v) solution and store at room temperature protected from light for a maximum of 1 month. |
SDS | Sigma | 74255 | Make a 10% (w/v) solution and store at room temperature. |
Sodium deoxycholate | Sigma | 30970 | Make a 5% (w/v) solution and store at room temperature protected from light for a maximum of 1 month. |
Sonication Tube | Evergreen | 214-3721-010 | |
Sonication Tube Cap | Evergreen | 300-2911-020 | |
Sonicator | Qsonica | Q800R3-110 | |
Streptomycin sulfate | Bioshop | STP101 | Make a 50 mg/mL solution in ultrapure water. Filter-sterilize and store at -20 °C. |
TAE buffer (1X) | NA | NA | 40 mM Tris, 20 mM acetate, 1 mM EDTA |
Tally counter clicker | Uline | H-7350 | |
Tetracycline | Bioshop | TET701 | Make a 5 mg/mL solution in ethanol and store at -20 °C. |
Thermomixer | Eppendorf | 05-400-205 | |
Tris-HCl (1 M, pH 8.0) | Invitrogen | 15568025 | |
Triton X-100 | Sigma | T8787 | Make a 10% (v/v) solution in ultrapure water and store at room temperature. |