Dette verket beskriver en protokoll for generering av høy oppløsning i situ Hi-C biblioteker fra tett iscenesatt pre gastrulation Drosophila melanogaster embryoer.
Undersøker tredimensjonale arkitektur chromatin tilbyr uvurderlig innsikt mekanismer av genet regulering. Her beskriver vi en protokoll for å utføre den chromatin konformasjon fange teknikk i situ Hi-C på iscenesatt Drosophila melanogaster embryoet populasjoner. Resultatet er en sekvensering bibliotek som lar tilordningen av alle chromatin vekselsvirkningene som kjernen i ett enkelt eksperiment. Fosteret sortering gjøres manuelt med fluorescerende stereo mikroskop og en transgene flua linjen som inneholder en kjernefysisk markør. Bruker denne teknikken, fosteret befolkningsgrupper fra hver kjernefysiske divisjon syklus, og med definerte celle syklus status, kan fås med svært høy renhet. Protokollen kan også tilpasses til å sortere eldre embryo utover gastrulation. Sorterte embryo brukes som inndata for i situ Hi-C. Alle eksperimenter, inkludert sekvensering biblioteket forberedelse, kan fullføres på fem dager. Protokollen har lav input krav og fungerer pålitelig med 20 blastoderm scenen embryo som inndata materiale. Sluttresultatet er en sekvensering bibliotek for neste generasjons sekvensering. Etter sekvensering, kan dataene behandles i genomet hele chromatin interaksjon kart som kan analyseres ved hjelp av en rekke tilgjengelige verktøy til å få informasjon om topologisk knytte domenestruktur (TAD), chromatin looper og chromatin rom under Drosophila utvikling.
Chromatin konformasjon fange (3C) har dukket opp som en svært nyttig metode for å studere topologien for chromatin i kjernen1. 3C varianten Hi-C kan måle kontakt frekvenser av alle chromatin vekselsvirkningene som kjernen i et enkelt eksperiment2. Anvendelse av Hi-C har spilt en viktig rolle i oppdagelsen og karakterisering av mange grunnleggende prinsipper for chromatin organisasjonen, som var TADs, avdelinger og looper3,4,5.
Studier av chromatin arkitektur i forbindelse med utviklingsmessige overganger og celledifferensiering brukes stadig å rakne mekanismer av genet regulering under disse prosessene6,7,8, 9. En modell organismer av stor interesse er Drosophila melanogaster, som utvikling og genom blir godt preget. Imidlertid gjennomført få studier som undersøker chromatin arkitektur i Drosophila utenfor i vitro vev kultur er10,11. I embryoer ble 16 til 18 h innlegget befruktning, var TADs og avdelinger minner om lignende strukturer i pattedyr identifisert10, som reiser spørsmålet om hvilken rolle de spiller i genet regulering i Drosophila embryo utvikling. Spesielt i de tidlige stadiene av utviklingen, før gastrulation, er slike studier teknisk utfordrende. Før gastrulation gjennomgå Drosophila embryo 13 synkron kjernefysiske divisjoner som fortsetter i en svært rask tempo 8 – 60 min per syklus12,13. Mangel på visuelle funksjoner til å skille de ulike fasene gjør det vanskelig å få tett trinnvis embryoet materiale i tilstrekkelige mengder.
For å utvikle en protokoll som tillater studere chromatin arkitektur i Drosophila utviklingen kjernefysiske syklus oppløsning, vi kombinert to eksisterende teknikker: i situ Hi-C, som tillater generering av høy oppløsning hele genomet kontakt kart5og embryo iscenesettelse bruke en transgene Drosophila uttrykke en eGFP-PCNA transgene13,14. Denne transgene regionaliserer til kjernen under interphase og knuses gjennom syncytial blastoderm under mitose. Med denne egenskapen, er det mulig å enkelt skille ulike stadier av tetthet deres kjernefysiske og mitotisk embryo ved spredning av GFP.
Sammen disse teknikkene kan studere tredimensjonale strukturen i chromatin i høy oppløsning fra så lite som 20 Drosophila embryoer. Denne protokollen inneholder instruksjoner for høsting og sortere Drosophila embryo hente bestander av embryoer fra en enkelt kjernefysiske divisjon syklus. Videre beskriver hvordan de innhentet embryoene brukes til å utføre i situ Hi-C. Sluttresultatet er en nukleotid biblioteket egnet for sekvensering på neste generasjons sekvensering maskiner. Den resulterende sekvensering lest kan deretter behandles i detaljert chromatin interaksjon kart som dekker hele Drosophila genomet.
Protokollen presenteres her er svært effektiv til å generere høy kvalitet kart av den chromatin arkitekturen i tidlig Drosophila embryoer. Sammenlignet med en tidligere protokollen34, bruker tilnærming som er beskrevet her en oppdatert i situ Hi-C prosedyren5, som resulterer i raskere behandling, høyere oppløsning, og mindre reagens forbruk. Den generelle prosedyren inkludert i situ Hi-C protokoll forventes å arbeide på en rekke etapper og eksperimentelle systemer foruten Drosophila. Siden protokollen har en lav input kravet, kan den også brukes på isolerte celle populasjoner. I Drosophila, når bruker protokollen for embryoer utenfor område beskrevet her, noen parametere, kanskje spesielt fiksering av materialet, må justeres. Siden eldre embryo utvikle en svært ugjennomtrengelig cuticle, kan øke konsentrasjonen av formaldehyd og forlenge fiksering være hensiktsmessig. For innsamling av embryo på stadier enn kjernefysiske syklus 14, inkubasjon tider embryo ved 25 ° C i trinn 1.4 må justeres som følger: kjernefysiske syklus 12: 70 min; kjernefysisk syklus 13, 90 min; 3-4 hpf, 3:30 h.
Under 13 cleavage divisjonene (stadium 1-4), fordobles kjerner tettheten omtrent hver avdeling. Kjerner kan lett identifiseres av deres lys GFP fluorescens. Under mitose, eGFP-PCNA finnes ikke i kjernen og dekningen er spredt over hele fosteret. Denne funksjonen gjør identifiserende embryo som er under en synkron cleavage divisjon mulig. For å studere chromatin konformasjon, er disse mitotisk embryo vanligvis ikke ønskelig, siden mitotisk organiseringen av chromatin er drastisk annerledes enn de interphase organisasjon35. Det er mulig å tilpasse protokollen for å velge spesielt embryo gjennomgår en synkron mitotisk divisjon. I dette tilfellet bare embryo med spredte, ikke-nukleære distribusjon av eGFP-PCNA bør holdes, og alle andre embryo skal kastes. Siden kjernefysiske tettheten ikke kan bestemmes, må alternative metoder til scenen embryo av deres morfologi vises i overført * lys være ansatt. Pol cellene og kjerner i fosteret periferien indikerer at fosteret har fullført minst kjernefysiske syklus 9, mens synlig cellularization i periferien angir kjernefysiske syklus 1412.
Hei-C eksperimenter utføres med hell med et bredt utvalg av begrensning enzymer5. Gjeldende tilnærminger bruker vanligvis enzymer som gjenkjenner enten en 4-base rekkefølge, for eksempel MboI eller en 6-base anerkjennelse webområdet, for eksempel HindIII. Fordelen av 4-base cutters over 6-base kniver er at de tilbyr høyere potensielle oppløsning, gitt nok sekvensering dybde og en jevnere dekning av begrensning nettsteder over genomet. Det er ingen klar fordel i å velge en 4-base kutter over ytterligere5,23,36,37. De to vanligste enzymene, MboI og DpnII, erkjenner begge det samme GATC anerkjennelse området. DpnII er mindre sensitiv for CpG metylering, som er ingen bekymring i Drosophila. Protokollen presenteres her kan også være fullført med DpnII som en begrensning enzym. I delen 4.2. begrensning enzym og buffer må justeres for DpnII kompatibilitet, i henhold til produsentens anbefalinger.
Hvis fragment størrelsen på sekvensering biblioteket avviker betydelig fra området vises i figur 2A, kan klynge formasjon under sekvensering være mindre effektiv eller ikke. I dette tilfellet størrelsesDistribusjon etter klipping bør sjekkes og klipping parametere justert tilsvarende. Toppene i fordelingen av DNA fragmenter av veldig små ( 1000 bp) størrelser indikerer problemer med størrelse utvalg, for eksempel bære perler eller nedbryting som skal forkastes. Ofte disse bibliotekene med små topper på disse uønskede størrelser, for eksempel en avbildet, er fortsatt sekvensielt vellykket med bare en mindre nedgang i klynger effektivitet.
Høy forekomst av PCR duplisering bør unngås fordi dette drastisk reduserer antall brukbare sekvens leser. Frekvensen av PCR duplikater er direkte relatert til mengden av input materiale. Bruke flere inndata derfor lindrer vanligvis problemer med PCR duplisering.
Høyere antall leseoperasjoner filtrert på grunn av Les orientering ()finne 2B) angi utilstrekkelig fordøyelsen, som kan være et resultat av bruker for lite enzym, for mye input materiale eller ufullstendig homogenisering av embryo.
The authors have nothing to disclose.
Denne forskningen ble finansiert av Max Planck Society. C.B.H. ble støttet av et fellesskap fra den internasjonale Max Planck Research School-molekylær biomedisin. Vi takker Shelby Blythe og Eric Wieschaus for vennlige gir eGFP-PCNA Drosophila melanogaster linjen.
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 |