La plasticidad de la arquitectura nuclear es controlada por mecanismos epigenéticos dinámicos incluyendo no-codificación RNAs, ADN metilación, nucleosoma reposicionamiento como histona composición y modificación. Aquí se describe un protocolo de aislamiento Formaldehyde-Assisted de elementos regulatorios (FAIRE) que permite la determinación de la accesibilidad de la cromatina de forma reproducible, barata y sencilla.
Expresión génica apropiada en respuesta a señales extracelulares, es decir, tejido-linaje-específicas y gene transcripción críticamente depende de Estados altamente definidos de organización de la cromatina. La arquitectura dinámica del núcleo es controlada por múltiples mecanismos y formas de los programas de salida transcripcional. Por lo tanto, es importante determinar la accesibilidad de la cromatina de locus específico de manera confiable que sea preferiblemente independiente de anticuerpos, que pueden ser una fuente potencial de confusión de la variabilidad experimental. Accesibilidad de cromatina se puede medir por varios métodos, incluyendo el ensayo de aislamiento Formaldehyde-Assisted de elementos regulatorios (FAIRE), que permiten la determinación de la accesibilidad general de la cromatina en un número relativamente bajo de células. Aquí se describe un protocolo FAIRE que permite simple, fiable y rápida identificación de regiones genómicas con una ocupación baja en proteínas. En este método, el ADN es covalente enlazado a las proteínas de la cromatina mediante formaldehído como agente de reticulación y cortado a trozos pequeños. El ADN libre se enriquece luego con extracción de fenol: cloroformo. La proporción de DNA libre se determina por reacción en cadena de la polimerasa cuantitativa (qPCR) o secuencia de la DNA (DNA-seq) en comparación con una muestra de control que representa el ADN total. Las regiones con una estructura más flexible de la cromatina están enriquecidas en la muestra de ADN libre, permitiendo la identificación de regiones genómicas con menor compactación de la cromatina.
El ADN genómico de las células eucariotas se embala firmemente en los nucleosomas, que debe ser eliminado o remodelado para permitir la interacción de otras proteínas con el ADN. La activación transcripcional de un gen por lo general conduce a una configuración más abierta de su estructura nucleosomal, particularmente en el nucleosoma + 11, para facilitar la transcripción por la polimerasa de ARN. También, las regiones reguladoras tales como promotores y enhancers someterse a cambios dinámicos en su accesibilidad de cromatina para permitir la interacción con modificadores de la cromatina y transcripción factores2. Varios acercamientos se han desarrollado para identificar estas regiones libres de nucleosoma. Estos incluyen la sensibilidad a las nucleasas como DNasa I3 o nucleasa micrococcal4, que sólo pueden acceder al ADN cuando no está bien envuelto alrededor de los nucleosomas. Otros métodos para la identificación de la cromatina abierta o ADN libre incluyen la integración mediada por la transposasa de elementos retrotransposable (ensayo de cromatina transposasa accesible, ATAC)5o la cromatina (ChIP) de la inmunoprecipitación utilizando anticuerpos contra las histonas. El método FAIRE no se basa en la capacidad de una enzima a la DNA o la Unión de un anticuerpo para una proteína particular, pero en cambio se basa en la purificación de regiones libres de nucleosoma por una extracción de fenol: cloroformo6,7. En este método, el ADN está covalentemente a las proteínas de la cromatina por el formaldehído agente de reticulación y luego es cortado a trozos pequeños por sonicación. Regiones de cromatina apretadas tendrá abundante reticulaciones del DNA/proteína, mientras que las regiones de ADN con pocos o ningún nucleosomas tendrán poco o nada reticulado complejos DNA/proteína. Una extracción de fenol: cloroformo permite la purificación de la no-reticulado ADN libre en la fase acuosa, mientras que el reticulado de ADN a las proteínas es capturado en la fase orgánica fenol o interfase acuosa orgánica junto con las proteínas. La cuantificación de este ADN libre en comparación con una referencia de la muestra total de DNA permite la identificación de las regiones libres de cromatina. El método FAIRE puede utilizarse para la caracterización de regiones genómicas individuales como se describe aquí, pero también es adecuado para la identificación de la accesibilidad de todo el genoma cromatina junto a secuenciación profunda tal como se describe en diferentes modelos8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13. resultados obtenidos por otros métodos como ATAC-seq y FAIRE-seq solapan en gran medida14. El método FAIRE es un muy robusto, barato y fácil de realizar el método para identificar regiones libres de nucleosoma. A diferencia de otros métodos, no requiere de experiencias piloto para determinar el nivel adecuado de digestión como se requiere para las nucleasas (DNasa-seq, MNase-seq) o transposases (ATAC-seq) y discutido en detalle en una reciente revisión15. Los parámetros sólo ajustarse son condiciones de la sonicación y en algunos casos el tiempo de fijación. Este papel describe un protocolo simple que se muestra esquemáticamente en la figura 1 y que no requiere ningún equipo especial que no sea un sonicador. El protocolo se puede realizar en un tiempo razonablemente corto y hace FAIRE un método sencillo y confiable para probar la accesibilidad de la cromatina en un número de diversos tipos celulares que van desde células de pulmón11 a células primarias de ratón hígado16.
FAIRE es un método robusto y de bajo costo que permite la identificación de regiones libres de nucleosoma. Se basa en el principio de que el ADN envuelto alrededor de los nucleosomas puede ser fácilmente reticulado a las histonas. Una extracción de fenol: cloroformo se usa para separar el no reticulado y fragmentos de ADN libre de proteínas, el ADN unida a las proteínas, que se encuentra en la fase inferior de fenol y en cierta medida en la interfase (figura 1). Por lo tanto, las regiones libres de nucleosoma son representadas en la fracción de ADN libre en la fase acuosa. Varias publicaciones describen protocolos detallados de la FAIRE método23,24,25,26, que puede ser consultado para complementar el procedimiento descrito aquí.
Similar a otros métodos utilizados para determinar la estructura de la cromatina, el método FAIRE también críticamente depende de corte óptimo de la DNA. Si los fragmentos son demasiado largos, cualquier región libre de nucleosoma se enmascara por el ADN de la cromatina-limite adyacente. Si los fragmentos son demasiado pequeños, la detección por qPCR o secuenciación profunda resulta muy difícil. Por esta razón, la sonicación de la DNA es un parámetro crucial que debe ser controlado y optimizado para obtener fragmentos de alrededor de 200-300 longitud de bp, que representan 1-2 los nucleosomas (figura 4).
Otro parámetro que puede afectar el resultado final es el entrecruzamiento de la muestra. Aunque el procedimiento de fijación descrito aquí es válido para la mayoría de las líneas de la célula, el investigador debe evaluar cuidadosamente este paso de la muestra particular de estudio, especialmente cuando se utilizan los tejidos, donde tiempo de fijación puede ser necesario para permitir la formaldehído para llegar a las células en toda la muestra de tejido.
A diferencia de otros métodos, como la ADNasa I o hipersensibilidad de la nucleasa micrococcal, ChIP o ATAC, FAIRE no depende de una actividad enzimática o anticuerpos específicos, y por lo tanto no es necesario titulación o la optimización de las condiciones de reacción. Esto hace que FAIRE un método ideal para medir la accesibilidad de la cromatina para laboratorios con poca experiencia en el campo de la cromatina. Además, sólo son necesarios experimentos piloto para optimizar el paso de corte de ADN y el tiempo de reticulación, cuando sea necesario.
El método fue desarrollado inicialmente en levadura6, pero se ha extendido también a células de mamíferos. El ADN purificado con el método FAIRE puede utilizarse para secuenciación profunda, permitiendo la caracterización del genoma de la estado de cromatina. Esto ya ha demostrado ser útil en un número de estudios8,9,10,11,12,13,19,27, 28.
Resultados de experimentos de FAIRE-seq demuestran un traslapo grande con resultados obtenidos por otros métodos como la DNasa-seq14, aunque se presentan algunas diferencias. Esto es debido a las diferencias metodológicas, como por ejemplo nucleosomas relajados o remodelados todavía podrían obstaculizar el escote por la ADNasa I, mientras que estas regiones de ADN serían menos propensas a producir DNA/proteína reticulaciones y así estaría determinadas como nucleosoma-libre regiones con FAIRE9. Además, la presencia de proteínas no histonas como Polimerasas del RNA o proteínas lector de marcas epigenéticas podría resultar en DNA/proteína reticulaciones y así se interpretaría como regiones repleto de proteína en los experimentos FAIRE. Estas limitaciones son inherentes a cada método utilizado para la determinación del estado de cromatina, elevando así la necesidad de utilizar una combinación de diferentes métodos para obtener una visión integral.
The authors have nothing to disclose.
Los autores desean agradecer Tilman Borggrefe (Universidad de Giessen) para el dispositivo de sonicación para compartir amablemente. El trabajo de M.L.S. es apoyado por las subvenciones de la Deutsche Forschungsgemeinschaft (SCHM 1417/8-3), SFB/TRR81, SFB1021, SFB1213, el sistema Cardio-pulmonar del grupo excelencia (ECCPS, EXC 147/2), la Deutsche Krebshilfe (111447) y el programa IMPRS-ELO de la sociedad Max-Planck.
Phenol:chloroform:isoamyl alcohol 25:24:1 | Carl Roth | A156.1 | |
Glycogen, 20 mg/ml | Thermo Fisher | R0561 | |
ABsolute QPCR Mix, SYBR-Green, Rox | Thermo Fisher | AB1162B | |
Proteinase K, 20 mg/ml | Thermo Fisher | EO0491 | |
RNase A, 10 mg/ml | Thermo Fisher | EN0531 | |
Leupeptin | Sigma | L8511 | |
Aprotinin | Sigma | A1603 | |
Phenylmethylsulfonyl fluoride (PMSF) | Sigma | 78830 | |
milliTUBE 1 ml AFA Fiber | Covaris | 520130 | |
Holder milliTUBE 1ml | Covaris | 500371 | |
Covaris S220 Focused-ultrasonicator | Covaris | ||
StepOnePlus Real-Time PCR System | Applied Biosistems | 4376600 |