Summary

Yinelemeli epigenomik analizler için yeniden kullanılabilir tek hücre

Published: February 11, 2022
doi:

Summary

Mevcut protokol, yeniden kullanılabilir tek bir hücre kullanarak yinelemeli epigenomik analizler için tek hücreli bir yöntemi açıklamaktadır. Yeniden kullanılabilir tek hücre, aynı tek hücrede birden fazla epigenetik işaretin analizine ve sonuçların istatistiksel olarak doğrulanmasına izin verir.

Abstract

Mevcut tek hücreli epigenom analizleri tek kullanım için tasarlanmıştır. Hücre tek bir kullanımdan sonra atılır, tek bir hücrede çoklu epigenetik işaretlerin analizini önler ve sinyali tek bir hücredeki deneysel arka plan gürültüsünden ayırt etmek için diğer hücrelerden veri gerektirir. Bu makalede, yinelemeli epigenomik analizler için aynı tek hücreyi yeniden kullanma yöntemi açıklanmaktadır.

Bu deneysel yöntemde, hücresel proteinler ilk önce protein ve DNA’ya çapraz bağlamak yerine bir poliakrilamid polimere bağlanır ve yapısal önyargıyı hafifletir. Bu kritik adım, aynı tek hücreyle tekrarlanan deneylere izin verir. Daha sonra, yakınlık ligasyonu için bir iskele dizisine sahip rastgele bir astar, genomik DNA’ya tavlanır ve genomik dizi, bir DNA polimeraz kullanılarak genişletilerek primer’e eklenir. Daha sonra, her biri farklı DNA probları ile etiketlenmiş bir epigenetik belirteç ve kontrol IgG’ye karşı bir antikor, aynı tek hücredeki ilgili hedeflere bağlanır.

Rastgele primer ve antikor arasında, rastgele primer ve antikor-DNA probunun iskele dizisine tamamlayıcı dizilere sahip bir bağlayıcı DNA eklenerek yakınlık ligasyonu indüklenir. Bu yaklaşım, antikor bilgisini ve yakındaki genom dizilerini, yakınlık ligasyonunun tek bir DNA ürününde bütünleştirir. Aynı tek hücreyle tekrarlanan deneylere olanak tanıyarak, bu yöntem nadir bir hücreden veri yoğunluğunda bir artışa ve aynı hücreden sadece IgG ve antikor verilerini kullanarak istatistiksel analize izin verir. Bu yöntemle hazırlanan yeniden kullanılabilir tek hücreler en az birkaç ay saklanabilir ve daha sonra epigenetik karakterizasyonu genişletmek ve veri yoğunluğunu artırmak için tekrar kullanılabilir. Bu yöntem araştırmacılara ve projelerine esneklik sağlar.

Introduction

Tek hücreli teknoloji, bireysel tek hücreli omik teknolojilerini entegre eden tek hücreli multiomik çağına giriyor1. Son zamanlarda, tek hücreli transkriptomikler, kromatin erişilebilirliğini (scNMT-seq2 ve SHARE-seq3) veya histon modifikasyonlarını (Paired-seq4 ve Paired-Tag5) tespit etmek için yöntemlerle birleştirilmiştir. Daha yakın zamanlarda, tek hücreli transkriptomik ve proteomik, kromatin erişilebilirliği ile entegre edilmiştir (DOGMA-seq6). Bu yöntemler, kromatin erişilebilirliğini veya histon modifikasyonlarını tespit etmek için transpozaz tabanlı etiketleme kullanır.

Transpozaz bazlı yaklaşımlar genomik DNA’yı parçalara ayırır ve genomik DNA fragmanının sonuna bir DNA barkodu ekler. Her parçalanmış genomik parça sadece iki DNA barkodunu (= bölünme bölgesi başına bir epigenetik işaret) kabul edebilir ve bölünme bölgesindeki genomik DNA kaybolur. Bu nedenle, bölünmeye dayalı yaklaşımlar, test edilen epigenetik işaretlerin sayısı ile sinyal yoğunluğu arasında bir dengeye sahiptir. Bu, aynı tek hücredeki çoklu epigenetik işaretlerin analizini engeller. Bu sorunun üstesinden gelmek için genomik DNA’yı parçalamayan tek hücreli bir epigenomik yöntem geliştirilmiştir 7,8.

Yukarıda bahsedilen bölünme kaynaklı soruna ek olarak, transpozaz tabanlı yaklaşımların başka sınırlamaları da vardır. Tek hücreli epigenom analizinde, histonların ve DNA ile ilişkili proteinlerin genom üzerindeki yerini bilmek çok önemlidir. Mevcut yaklaşımlarda bu, sabit olmayan tek hücreler kullanılarak ve protein-DNA ve protein-protein etkileşimlerinin tutulmasıyla gerçekleştirilir. Bununla birlikte, bu, histon modifikasyonlarının analizinde bile erişilebilir kromatin bölgelerine güçlü bir önyargı oluşturur 9. Histonların ve genomla ilişkili proteinlerin genom üzerindeki yeri, bir poliakrilamid iskelesi 7,8 kullanılarak protein-DNA ve protein-proteini çapraz bağlamadan korunabilir. Bu yaklaşım, protein-DNA ve protein-protein etkileşimlerine dayanan mevcut yaklaşımlarda gözlenen yapısal önyargıyı azaltır.

Transpozaz tabanlı yaklaşımlar, tek bir hücreden yalnızca bir kez sinyal alabilir. Bu nedenle, sinyallerin düşmesi nedeniyle tek bir hücrenin tam epigenomunu tanımlamak zordur. Yeniden kullanılabilir tek hücreler, aynı tek hücrede yinelemeli epigenomik analize izin vererek mevcut sınırlamaların üstesinden gelmek için geliştirilmiştir.

Protocol

Not: yöntemin şematik bir gösterimi Şekil 1’de gösterilmiştir. Şekil 1: Protokol iş akışının şematik gösterimi. Adım 7.2-13 şematik gösterimlerle açıklanmaktadır. Her satır protokoldeki bir adımı gösterir. Yeşil renkli bir hücresel protein, kristal bir yapıya (PDB: 6M4G) da…

Representative Results

K562 tek hücreleri, adım 8’de açıklanan protokol kullanılarak oluşturulmuştur (bkz. Şekil 5). Tek hücreler poliakrilamid boncuğun dış tabakasına gömüldü. Hücre DNA’sı, DNA boyaması için bir interkalatör boya kullanılarak boyandı ve görselleştirildi. Şekil 5: Oluşturulan yeniden kullan…

Discussion

Bu makalede, yeniden kullanılabilir tek hücreler7 kullanılarak yakın zamanda bildirilen tek hücreli multiepigenomik analiz için adım adım protokol açıklanmaktadır. Sonraki paragraflarda, protokoldeki potansiyel sınırlamaları vurgulayarak kritik noktaları tartışıyoruz.

Protokol boyunca kritik noktalardan biri (7.2-13. adımlardan itibaren) DNaz kontaminasyonunu önlemektir. Tek bir hücre, genomik DNA’nın sadece iki kopyasına sahiptir. Bu nedenle, ge…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dr. David Sanchez-Martin ve Christopher B. Buck’a projenin kavramsallaştırma aşamasındaki yorumları için teşekkür ederiz. Ayrıca, ön deneylerde yardım için Genomics Core, Center for Cancer Research, National Cancer Institutes, National Institute of Health’e ve hesaplamalı analizde tavsiye için Collaborative Bioinformatics Resource, CCR, NCI, NIH’ye teşekkür ederiz. Yöntemde kullanılan DNA polimerazlarının optimizasyonuna yardımcı olduğu için Bayan Anna Word’e teşekkür ederiz. Bu çalışmada NIHHPC Biowulf kümesinin (http://hpc.nih.gov) hesaplama kaynakları kullanılmıştır. Bu proje, Kanser Araştırmaları Merkezi’nin Intramural Programı, Ulusal Kanser Enstitüsü, Ulusal Sağlık Enstitüleri, NCI Direktörünün İnovasyon Ödülü (#397172) ve Ulusal Kanser Enstitüsü’nden HHSN261200800001E Sözleşme No’lu Federal fonlar tarafından desteklenmektedir. Dr. Tom Misteli, Carol Thiele, Douglas R. Lowy ve Hücresel Onkoloji Laboratuvarı’nın tüm üyelerine verimli yorumları için teşekkür ederiz.

Materials

10x CutSmart buffer New England BioLabs B6004 10x Digestion buffer
200 proof ethanol Warner-Graham Company 200 proof Ethanol
5-Hydroxymethylcytosine (5-hmC) Monoclonal Antibody [HMC/4D9] Epigentek A-1018-100 Anti-5hmC
Acridine Orange/Propidium Iodide Stain Logos Biosystems F23001 Cell counter
Acrylamide solution, 40% in H2O, for molecular biology MilliporeSigma 01697-500ML 40% acrylamide solution
All-in-One Fluorescence Microscope BZ-X710 Keyence BZ-X710 Scanning microscope
Amicon Ultra-0.5 Centrifugal Filter Unit MilliporeSigma UFC510024 Ultrafiltration cassette
Ammonium persulfate for molecular biology MilliporeSigma A3678-100G Ammonium persulfate powder
Anhydrous DMF Vector laboratories S-4001-005 Anhydrous N,N-dimethylformamide (DMF)
Anti-RNA polymerase II CTD repeat YSPTSPS (phospho S5) antibody [4H8] Abcam ab5408 Anti-Pol II
Anti-TRAP220/MED1 (phospho T1457) antibody Abcam ab60950 Anti-Med1
BciVI New England BioLabs R0596L BciVI
Bovine Serum Albumin solution, 20 mg/mL in H2O, low bioburden, protease-free, for molecular biology MilliporeSigma B8667-5ML 20% BSA (Table 7)
Bst DNA Polymerase, Large Fragment New England BioLabs M0275L Bst DNA polymerase
BT10 Series 10 µl Barrier Tip NEPTUNE BT10 P10 low-retention tip
CellCelector Automated Lab Solutions N/A Automated single cell picking robot
CellCelector 4 nl nanowell plates for single cell cloning, Plate S200-100 100K, 24 well,ULA Automated Lab Solutions CC0079 4 nL nanowell plate
Chloroform MilliporeSigma Chloroform
Corning Costar 96-Well, Cell Culture-Treated, Flat-Bottom Microplate Corning 3596 Flat-bottom 96-well plates
Deep Vent (exo-) DNA Polymerase New England BioLabs M0259L Exo DNA polymerase
DNA LoBind Tubes, 0.5 mL Eppendorf 30108035 0.5 mL DNA low-binding tube
DNA Oligo, 1st random primer Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 1st random primer
DNA Oligo, 2nd random primer Cell#01 Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 2nd random primer
DNA Oligo, 2nd random primer Cell#02 Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 2nd random primer
DNA Oligo, 2nd random primer Cell#03 Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 2nd random primer
DNA Oligo, 2nd random primer Cell#04 Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 2nd random primer
DNA Oligo, 2nd random primer Cell#05 Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 2nd random primer
DNA Oligo, 2nd random primer Cell#06 Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 2nd random primer
DNA Oligo, 2nd random primer Cell#07 Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 2nd random primer
DNA Oligo, 2nd random primer Cell#08 Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 2nd random primer
DNA Oligo, 2nd random primer Cell#09 Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 2nd random primer
DNA Oligo, 2nd random primer Cell#10 Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 2nd random primer
DNA Oligo, 2nd random primer Cell#11 Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 2nd random primer
DNA Oligo, 2nd random primer Cell#12 Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 2nd random primer
DNA Oligo, 2nd synthesis primer Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 2nd synthesis primer
DNA Oligo, Ligation Adaptor Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 Ligation Adaptor
DNA Oligo, Reverse Transcription primer Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 Reverse Transcription primer
DNase I (RNase-free) New England BioLabs M0303L DNase I (RNase-free, 4 U).
DNase I Reaction Buffer New England BioLabs B0303S 10x DNase I buffer (NEB)
dNTP Mix (10 mM each) Thermo Fisher R0192 10 mM dNTPs
Fetal Bovine Serum, USA origin, Heat-inactivated MilliporeSigma F4135-500ML Fetal bovine serum
HiScribe T7 High Yield RNA Synthesis Kit New England BioLabs E2040S In-vitro-transcription master mix
Histone H3K27ac antibody Active motif 39133 Anti-H3K27ac
Histone H3K27me3 antibody Active motif 39155 Anti-H3K27me3
IgG from rabbit serum Millipore Sigma I5006-10MG Control IgG
Iron oxide(II,III) magnetic nanopowder, 30 nm avg. part. size (TEM), NHS ester functionalized MilliporeSigma 747467-1G NHS ester functionalized 30 nm iron oxide powder
K-562 American Type Culture Collection (ATCC) CCL-243 cells
Linear Acrylamide (5 mg/mL) Thermo Fisher AM9520 Linear Acrylamide
LUNA-FL Dual Fluorescence Cell Counter Logos Biosystems L20001 Cell counter
LUNA Cell Counting Slides, 50 Slides Logos Biosystems L12001 Cell counter
Mineral oil, BioReagent, for molecular biology, light oil MilliporeSigma M5904-500ML Mineral oil
N,N,N′,N′-Tetramethylethylenediamine for molecular biology MilliporeSigma T7024-100ML N,N,N′,N′-Tetramethylethylenediamine
NaCl (5 M), RNase-free Thermo Fisher AM9760G 5M NaCl
NanoDrop Lite Thermo Fisher 2516  Microvolume spectrophotometer
NEST 2 mL 96-Well Deep Well Plate, V Bottom Opentrons N/A 2 mL deep well 96-well plate
Non-skirted 96-well PCR plate Genesee Scientific 27-405 96-well PCR plate
NuSive GTG Agarose Lonza 50081 Agarose
OmniPur Acrylamide: Bis-acrylamide 19:1, 40% Solution MilliporeSigma 1300-500ML 40%Acrylamide/Bis-acrylamide
OT-2 lab robot Opentrons OT2 Automated liquid handling robot
Paraformaldehyde, EM Grade, Purified, 20% Aqueous Solution Electron Microscopy Sciences 15713 20% Pararmaldehyde
PBS (10x), pH 7.4 Thermo Fisher 70011044 10x PBS
PIPETMAN Classic P1000 GILSON F123602 A P1000 pipette
Protein LoBind Tubes, 1.5 mL Eppendorf 925000090 1.5 mL Protein low-binding tube
QIAgen Gel Extraction kit Qiagen 28706 A P1000 pipette
Quant-iT PicoGreen dsDNA Assay Thermo Fisher P11495  dsDNA specific intercalator dye
Quick Ligation kit New England BioLabs M2200L T4 DNA ligase (NEB)
RNaseOUT Recombinant Ribonuclease Inhibitor Thermo Fisher 10777019 RNAse inhibitor
S-4FB Crosslinker (DMF-soluble) Vector laboratories S-1004-105 Succinimidyl 4-formylbenzoate (S-4FB)
S-HyNic Vector laboratories S-1002-105 Succinimidyl 6-hydrazinonicotinate acetone hydrazone (S-HyNic)
Sodium Acetate, 3 M, pH 5.2, Molecular Biology Grade MilliporeSigma 567422-100ML 3M Sodium acetate (pH 5.2)
Sodium bicarbonate, 1M buffer soln., pH 8.5 Alfa Aesar J60408 1M sodium bicarbonate buffer, pH 8.5
Sodium phosphate dibasic for molecular biology MilliporeSigma S3264-250G Na2HPO4
Sodium phosphate monobasic for molecular biology MilliporeSigma S3139-250G NaH2PO4
SuperScript IV reverse transcriptase Thermo Fisher 18090050 Reverse transcriptase
SYBR Gold Nucleic Acid Gel Stain (10,000x Concentrate in DMSO) Thermo Fisher S11494 An intercalator dye for DNA
T4 DNA Ligase Reaction Buffer New England BioLabs B0202S 10x T4 DNA ligase reaction buffer
ThermoPol Reaction Buffer Pack New England BioLabs B9004S 10x TPM-T buffer (Tris-HCl/Pottasium chloride/Magnesium sulfate/Triton X-100)
TRIzol LS reagent Thermo Fisher 10296-028 Guanidinium thiocyanate-phenol-chloroform extraction
TruSeq Nano DNA library prep kit Illumina 20015965 A DNA library preparation kit (see also the manufacturer's instruction)
Ultramer DNA Oligo, Anti-5hmC_Ab#005 Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 An amine-modified DNA probe for antibody
Ultramer DNA Oligo, Anti-H3K27ac_Ab#002 Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 An amine-modified DNA probe for antibody
Ultramer DNA Oligo, Anti-H3K27me3_Ab#003 Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 An amine-modified DNA probe for antibody
Ultramer DNA Oligo, Anti-Med1_Ab#004 Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 An amine-modified DNA probe for antibody
Ultramer DNA Oligo, Anti-Pol II_Ab#006 Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 An amine-modified DNA probe for antibody
Ultramer DNA Oligo, Control IgG_Ab#001 Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 An amine-modified DNA probe for control IgG
UltraPure 0.5 M EDTA, pH 8.0 Thermo Fisher 15575020 0.5M EDTA, pH 8.0
UltraPure DNase/RNase-Free Distilled Water Thermo Fisher 10977023 Ultrapure water
Zeba Splin Desalting Columns, 7K MWCO, 0.5 mL Thermo Fisher 89882 Desalting column

References

  1. Perkel, J. M. Single-cell analysis enters the multiomics age. Nature. 595 (7868), 614-616 (2021).
  2. Clark, S. J., et al. scNMT-seq enables joint profiling of chromatin accessibility DNA methylation and transcription in single cells. Nature Communications. 9 (1), 781 (2018).
  3. Ma, S., et al. Chromatin potential identified by shared single-cell profiling of RNA and Chromatin. Cell. 183 (4), 1103-1116 (2020).
  4. Zhu, C., et al. An ultra high-throughput method for single-cell joint analysis of open chromatin and transcriptome. Nature Structural & Molecular Biology. 26 (11), 1063-1070 (2019).
  5. Zhu, C., et al. Joint profiling of histone modifications and transcriptome in single cells from mouse brain. Nature Methods. 18 (3), 283-292 (2021).
  6. Mimitou, E. P., et al. Scalable, multimodal profiling of chromatin accessibility, gene expression and protein levels in single cells. Nature Biotechnology. 39 (10), 1246-1258 (2021).
  7. Ohnuki, H., Venzon, D. J., Lobanov, A., Tosato, G. Iterative epigenomic analyses in the same single cell. Genome Research. 31 (10), 1819-1830 (2021).
  8. Tosato, G., Ohnuki, H. . Methods of preparing a re-usable single cell and methods fro analyzing the epigenome, transcriptome, and genome of a single cell. , (2021).
  9. Harada, A., et al. A chromatin integration labelling method enables epigenomic profiling with lower input. Nature Cell Biology. 21 (2), 287-296 (2019).
  10. Egelhofer, T. A., et al. An assessment of histone-modification antibody quality. Nature Structural & Molecular Biology. 18 (1), 91-93 (2011).
  11. Marina, R. J., et al. TET-catalyzed oxidation of intragenic 5-methylcytosine regulates CTCF-dependent alternative splicing. EMBO Journal. 35 (3), 335-355 (2016).
  12. Weast, R. C., Weast, R. C., Astle, M. J., Beyer, W. H., et al. . Handbook of chemistry and physics: a ready-reference book of chemical and physical data. 56th edn. , (1975).
  13. Aydin, S. A short history, principles, and types of ELISA, and our laboratory experience with peptide/protein analyses using ELISA. Peptides. 72, 4-15 (2015).
  14. Gan, S. D., Patel, K. R. Enzyme immunoassay and enzyme-linked immunosorbent assay. Journal of Investigative Dermatology. 133 (9), 12 (2013).
  15. Porstmann, T., Kiessig, S. T. Enzyme immunoassay techniques. An overview. Journal of Immunological Methods. 150 (1-2), 5-21 (1992).
  16. Chao, H. P., et al. Systematic evaluation of RNA-Seq preparation protocol performance. BMC Genomics. 20 (1), 571 (2019).
  17. Song, Y., et al. A comparative analysis of library prep approaches for sequencing low input translatome samples. BMC Genomics. 19 (1), 696 (2018).
  18. Rotem, A., et al. Single-cell ChIP-seq reveals cell subpopulations defined by chromatin state. Nature Biotechnology. 33 (11), 1165-1172 (2015).
  19. Ku, W. L., et al. Single-cell chromatin immunocleavage sequencing (scChIC-seq) to profile histone modification. Nature Methods. 16 (4), 323-325 (2019).
  20. Carter, B., et al. Mapping histone modifications in low cell number and single cells using antibody-guided chromatin tagmentation (ACT-seq). Nature Communications. 10 (1), 3747 (2019).
  21. Maskell, D. P., et al. Structural basis for retroviral integration into nucleosomes. Nature. 523 (7560), 366-369 (2015).

Play Video

Cite This Article
Ohnuki, H., Venzon, D. J., Lobanov, A., Tosato, G. Reusable Single Cell for Iterative Epigenomic Analyses. J. Vis. Exp. (180), e63456, doi:10.3791/63456 (2022).

View Video