מוצגת בדיקת משקעים חיסוניים של כרומטין (X-ChIP) כנגד סימן ההיסטון H3K4me3 עבור אורגניזם המודל Exaiptasia diaphana . הספציפיות והיעילות של הבדיקה מאושרות על ידי PCR כמותי וריצוף הדור הבא. פרוטוקול זה מאפשר חקירה מוגברת של אינטראקציות חלבון-דנ”א בשושנת הים E. diaphana.
שינויים פוסט-תרגומיים של היסטון (PTM) ושינויים אפיגנטיים אחרים מווסתים את נגישות הכרומטין של גנים למנגנון השעתוק, ובכך משפיעים על יכולתו של אורגניזם להגיב לגירויים סביבתיים. משקעים חיסוניים של כרומטין בשילוב עם ריצוף בתפוקה גבוהה (ChIP-seq) נעשה שימוש נרחב כדי לזהות ולמפות אינטראקציות חלבון-דנ”א בתחומי אפיגנטיקה וויסות גנים. עם זאת, תחום האפיגנטיקה הקנידארית נפגע בשל היעדר פרוטוקולים ישימים, בין היתר בשל התכונות הייחודיות של אורגניזמים לדוגמה שושנת הים הסימביוטית Exaiptasia diaphana, שתכולת המים הגבוהה שלה וכמויות הריר שלה חוסמות שיטות מולקולריות. כאן מוצג הליך ChIP מיוחד, המאפשר לחקור אינטראקציות חלבון-DNA בבקרת הגן E. diaphana . שלבי ההצלבה ומיצוי הכרומטין עברו אופטימיזציה למשקעים חיסוניים יעילים ולאחר מכן אומתו על ידי ביצוע ChIP באמצעות נוגדן כנגד סימן ההיסטון H3K4me3. לאחר מכן, הספציפיות והיעילות של בדיקת ChIP אושרו על ידי מדידת התפוסה היחסית של H3K4me3 סביב מספר אתרי גנים מופעלים באופן קונסטיטוטיבי באמצעות PCR כמותי ועל ידי ריצוף הדור הבא לניתוח בקנה מידה גנומי רחב. פרוטוקול ChIP ממוטב זה עבור שושנת הים הסימביוטית E. diaphana מאפשר לחקור את אינטראקציות החלבון-דנ”א המעורבות בתגובות אורגניזמים לשינויים סביבתיים המשפיעים על קנידארים סימביוטיים, כגון אלמוגים.
דו”ח הפאנל הבין-ממשלתי לשינוי האקלים (IPCC) לשנת 2022 מדגיש כי למרות הגברת המודעות ומאמצי המיתון, גלי חום ימיים אינטנסיביים ותכופים יותר ויותר מציבים את שוניות האלמוגים בסיכון גבוה להלבנה נרחבת ולתמותה המונית בעשורים הקרובים1. על מנת לסייע במאמצי השימור והשיקום של שוניות האלמוגים, ההשפעות הנוכחיות והצפויות של התנאים הסביבתיים המשתנים על הבנטיים נחקרות ברמות ביולוגיות מרובות כדי להבין את המנגנונים הבסיסיים של תגובה ועמידות2.
זמינותם של כלי חקירה הישימים לקנידארים בנתיים חיונית להתמודדות עם אתגר זה, ופיתוח כלים אלה מחייב מאמץ אקטיבי להעברת ידע וטכנולוגיות שהוקמו בתחומים אחרים לאורגניזמים ימיים3. המכשולים לעבודה עם מיני אלמוגים רבים מקלים חלקית על ידי שימוש במערכות מודל, כגון שושנת הים Exaiptasia diaphana (המכונה בדרך כלל Aiptasia)4. שושנות ים סימביוטיות אלה, הגדלות במהירות, קלות יחסית להחזקה בתנאי מעבדה, מתרבות הן מינית והן א-מינית, וחסרות את שלד הסידן הפחמתי5. גנום הייחוסהפתוח 5 של E. diaphana מאפשר שימוש בשיטות אפיגנטיות הדורשות ריצוף. עם זאת, תכונות כגון תכולת מים גבוהה, ייצור ריר וכמויות רקמות נמוכות לאדם מהוות אתגרים להקמת פרוטוקולים הניתנים לשכפול, ובכך מרסנים את המחקר האפיגנטי על E. diaphana ועל cnidarians אחרים עם תכונות דומות.
שינויים אפיגנטיים יכולים לשנות את הפנוטיפ מבלי לשנות את רצף הנוקלאוטידים הגנומי של אורגניזם על ידי ויסותתהליכים הקשורים לכרומטין6. ויסות אפיגנטי קנידרי נחקר בעיקר בהקשרים של היסטוריה אבולוציונית והתפתחות 7,8,9,10, הקמת סימביוזה ותחזוקתה 11,12,13, ותגובה לשינויים סביבתיים 14,15. באופן ספציפי, שינויים בדפוסי מתילציה של דנ”א, אשר, ברוב המקרים, כרוכים בתוספת של קבוצת מתיל לבסיס ציטוזין, נצפו בתגובה לתנאים סביבתיים משתנים כגון התחממות13 והחמצת האוקיינוס16. דפוסי מתילציה של דנ”א הוכחו גם כתורשתיים בין-דוריים, תוך הדגשת תפקידה של האפיגנטיקה בהתאקלמות אלמוגים לגורמי עקה סביבתיים17. בהשוואה למתילציה של דנ”א, נערכו מחקרים מעטים יחסית על רגולטורים אפיגנטיים חשובים אחרים, כגון RNA לא מקודד 11,18,19, גורמי שעתוק 9,10, או שינויים פוסט-תרגומיים של היסטון (PTM) בקנידארים20. חקירת חלבונים הקשורים לדנ”א תובענית במיוחד מכיוון שהשיטות הזמינות דורשות גישה לגנום ייחוס של אורגניזם המחקר והן יקרות בגלל גודל הדגימה הגדול והנוגדנים הספציפיים הגבוהים הדרושים3. עם מגוון רחב של קבוצות כימיות היוצרות PTMs בשאריות היסטון ספציפיות, הבנת נופי שינוי הכרומטין אצל cnidarians, במיוחד בהקשר של לחצים סביבתיים מתקרבים, נותרה אתגר גדול.
מטרת עבודה זו היא לקדם את המחקר של היסטון PTMs, וריאנטים של היסטון וחלבונים אחרים הקשורים לכרומטין, על ידי הצגת פרוטוקול אופטימלי של כרומטין-משקעים חיסוניים (ChIP) עבור מודל האלמוגים E. diaphana (פרוטוקול מקורי של Bodega et al.21). ChIP יכול להיות משולב עם PCR כמותי כדי לאפיין אינטראקציות חלבון-DNA ספציפיות לוקוס או ריצוף הדור הבא (NGS) כדי למפות אינטראקציות אלה על פני הגנום כולו. באופן כללי, חלבונים ודנ”א מקושרים זה לזה באופן הפיך, כך שהחלבון בעל העניין (POI) נשאר קשור לאותו מוקד שאליו הוא משויך in vivo. בעוד ששיטת הקרוס-לינקינג הנפוצה הנמצאת בשימוש נרחב במערכת מודל היונקים נשמרת בדרך כלל עד 15 דקות או פחות בטמפרטורת החדר, גישת הקרוס-לינקינג הותאמה כדי לאפשר לפורמלדהיד לחדור דרך הריר המיוצר על ידי E. diaphana בצורה יעילה יותר. לאחר מכן הרקמה מוקפאת-הבזק בחנקן נוזלי, הומוגנית, ועוברת ליזה כדי לחלץ את הגרעינים מהתאים. אובדן החומר בשלבים אלה נמנע על ידי שימוש בחיץ ליזה אחד בלבד ולאחר מכן עובר ישירות לסוניקציה, אשר מפרקת את הכרומטין לשברים באורך ~300 bp. מקטעים אלה מודגרים עם נוגדן ספציפי לנקודת העניין עד לרמת דיוק של PTM. האימונוקומפלקס נוגדן-חלבון-DNA מואץ באמצעות חרוזים מגנטיים הנקשרים לנוגדנים הראשוניים, ובכך בוחרים רק את מקטעי הדנ”א המשויכים לנקודת העניין. לאחר היפוך קישורים צולבים וניקוי המשקע, ניתן להשתמש במקטעי הדנ”א המתקבלים לבניית ספריית qPCR או DNA לריצוף כדי למפות את המקטעים לגנום ייחוס, ובכך לזהות את המוקדים שנקודת העניין משויכת אליהם. פרטים נוספים על שיקולים עבור כל שלב ניתן למצוא ב- Jordán-Pla וב- Visa22.
בעקבות הפרוטוקול לעיל, ה- DNA שהתקבל שימש בהצלחה עבור ChIP-qPCR ו- ChIP-Seq. אותו פרופיל שיא כללי עבור H3K4me3 שדווח בעבר מאורגניזמים אחרים 26,27,28 התקבל כאן, עם הפסגה הגבוהה ביותר סביב TSS והעשרה גבוהה באתרים הצפויים ב- ChIP-qPCR. ייתכן שהמספר הגבוה יחסית של קריאות ממופות כפולות בנתוני ChIP-Seq נגרם על ידי כפילויות PCR. ניתן להגדיל את כמות הקריאות הממופות באופן ייחודי על ידי שינויים בפרוטוקול הכנת ספריית ה- DNA כדי להפחית כפילויות PCR. ישנן מספר שיטות נורמליזציה עבור נתוני ChIP-qPCR, כאשר אחוז שיטת הקלט המוצגת כאן נפוצה יותר. שיטה זו מנרמלת את ה- IP ואת דגימות דמה ישירות לקלט, עם החיסרון כי הקלט מעובד באופן שונה מן ה- IP דגימות דמה במהלך ChIP, אשר עשוי להציג שגיאות. שיטת העשרת הקיפול החלופית מנרמלת את האות של ה- IP בהתבסס על האות של הדמה באמצעות אותן ערכות פריימר, ובכך נותנת יחס אות-על-רקע. עם זאת, עוצמת האות של מדגם דמה יכול להשתנות מאוד, אשר, בתורו, יש השפעות גדולות על הנתונים. דיון מפורט על ChIP-qPCR ונורמליזציה של נתונים ניתן למצוא ב Haring et al.29.
התאמה משמעותית בשיטה שהוצגה לעיל בהשוואה לפרוטוקולי ChIP נפוצים היא זמן הקישור הצולב, מסביבות 15 דקות עבור חלבוני היסטון לדגירת לילה. המטרה העיקרית של התאמה זו היא להקל על חדירת הפורמלדהיד המקובע דרך שכבת הריר לתוך הרקמה העמוקה יותר של E. diaphana כדי לשמר את אינטראקציות החלבון-DNA בתוך הגרעין. אופטימיזציה של שלב זה היא קריטית כדי להבטיח מספיק cross-linking כדי לשמר את אינטראקציות חלבון-DNA ללא cross-linking עד כדי כך שחיתוך הכרומטין על ידי סוניקציה הופך ללא יעיל. הוספת דטרגנטים כגון SDS יכולה להגדיל את יעילות הסוניקציה גם כן29. בנוסף, דגירה ארוכה עם פורמלדהיד נמצאה כמקלה על שלב ההומוגניזציה והביאה לדגימה טחונה עדינה ואחידה יותר בהשוואה לשושנות ים טריות או קפואות שעברו הומוגניות לפני שלב הקישור הצולב. הטווחים המומלצים של אורכי המקטעים נעים בין 100 bp ל-1,000 bp 29,30 ועשויים להיות תלויים בחלבון המטרה. זה קריטי שכל משתמש ימטב את תנאי הסוניקציה כדי להגיע לאורך המקטע הרצוי עם עוצמת סוניקציה קטנה ככל האפשר, מכיוון שסוניקציה מוגזמת עלולה לפרק את החלבונים, ובכך להשפיע על IP31. מגבלה נוספת של ChIP היא כמות החומר הנדרשת, אשר משפיעה במיוחד על אורגניזמים קטנים יחסית כגון שושנות ים; בעיה זו טופלה על ידי הפחתת אובדן הדגימה בין השלבים. לאחר הומוגניזציה של הדגימה, היא עברה ליזה מיידית, ובכך הושמטה מספר שלבי הכנת גרעינים נפוצים. מאגר הדגימות שהתקבל מ-20 שושנות ים הכיל בדרך כלל מספיק כרומטין לשלוש כתובות IP וגם בקרות דמה וקלט. כמות החומר ההתחלתי (כלומר, מספר שושנות הים) עשויה להיות מופחתת עוד יותר בעתיד, במיוחד בעת ביצוע ChIP עם חלבון מטרה אחד בלבד. בהתאם לשיטה המיועדת במורד הזרם, יש להתאים את הפקדים; עבור ChIP-qPCR, יש לשקול לכלול פקדים נוספים29, ואילו עבור ChIP-seq, ניתן להשמיט את הדמה לטובת פקד קלט.
בעוד אימות נוגדנים הוא מחוץ לטווח של פרוטוקול זה היה, לכן, רק נגע בקצרה כאן, זה צעד קריטי לפני ביצוע ChIP. במיוחד כאשר משתמשים בנוגדנים מסחריים על מינים חסרי חוליות, הזמינות של נוגדנים ספציפיים למטרות הרצויות יכולה להיות מגבלה. בשלב הראשון, רצף הזנב H3 N-terminal של E. diaphana ואורגניזמים מודל אחרים, כולל דגי זברה ועכברים, הושווה ונמצא שמור מאוד12. הספציפיות של הנוגדנים נבדקה לאחר מכן באמצעות אימונופלואורסנציה, אשר מיקמה את האותות של חומצת הגרעין והנוגדן. פרופיל השיא של H3K4me3 סביב TSS המתקבל מנתוני הרצף נותן ביטחון נוסף לגבי הספציפיות של הנוגדן.
שיקול נוסף לגבי ספציפיות נוגדנים הוא האפשרות של כל אינטראקציה עם dinoflagellates סימביוטי כי E. diaphana, כמו גם אנתוזואנים רבים אחרים, לארח בתאים שלהם. ניתוחי שעתוק בדינופלגלטים מהסוגים Lingulodinium32 ו-Symbiodinium33 מצאו גנים מקודדי היסטון, כולל ליבת היסטון H3 וכמה גרסאות H3 ברמות ביטוי נמוכות, ומידת השימור הפונקציונלי של קוד ההיסטון אינה ברורה34. מרינוב ולינץ’34 השוו את שימור הרצף של זנבות N-טרמינליים מסוג H3 בתוך ובין מיני דינופלגלטים, ומיני Symbiodiniaceae הראו סטייה גבוהה סביב ליזין 4 ברצף הזנב, במיוחד כאשר לוקחים בחשבון את ההלימה של חומצות אמינו סמוכות לליזין 4 כגורם. אזור זה הוכח גם כשונה ממיני מודל אחרים כגון Arabidopsis thaliana, Drosophila melanogaster ו – Saccharomyces cerevisiae, התואמים את הרצף של E. diaphana12. לכן, הסיכון לאינטראקציה לא מכוונת של הנוגדן נגד H3K4me3 עם dinoflagellate H3 הוא נמוך. בנוסף, הרצפים מיושרים רק לגנום E. diaphana , והפריימרים של qPCR צריכים להיות ספציפיים לרצפי E. diaphana , ולספק שכבה נוספת של סינון של רצפים לא מכוונים.
פרוטוקול ChIP המוצג מניב מספיק DNA עבור qPCR כמו גם ריצוף הדור הבא, ובעוד אופטימיזציה אישית על ידי כל משתמש ככל הנראה תידרש, הוא מספק נקודת מוצא לחקירה מוגברת של אינטראקציות חלבון-DNA ב cnidarians benthic, אולי בהקשר של סימביוזה ושינויים סביבתיים.
The authors have nothing to disclose.
ללא.
1 kb Plus DNA Ladder | Invitrogen | 10787018 | |
100% Ethanol | |||
15 mL falcon tubes | |||
16% Formaldehyde Solution (w/v), Methanol-free | Thermo scientific | 28906 | |
5 mL tube | |||
5PRIME Phase Lock tubes | Quantabio | 2302820 | Phase lock gel – light |
AGANI needle 25 G | Terumo | AN*2516R1 | |
Agarose | |||
Bovine Serum Albumin | Sigma-Aldrich | A7030 | |
Bowtie | open source, available from https://bowtie-bio.sourceforge.net/index.shtml | ||
Branson sonifier 250 | Branson | Sonicator | |
Centrifuge | Eppendorf | 5430 R | With rotors for 15 mL and 1.5 mL tubes |
ChIP-grade antibody (here polyclonal H3K4me3 antibody) | Diagenode | C15410003 | |
Complete EDTA-free Protease Inhibitor Cocktail | Roche | 11873580001 | 2 tablets/mL water for 100x stock |
Cover glass | vwr | 48393 194 | |
Disposable Spatula | vwr | 80081-188 | |
DNA purification kit (here QIAGEN QIAquick PCR purification kit) | QIAGEN | 28104 | |
Dounce tissue grinder | Wheaton | tight pestle | |
Dulbecco's Phosphate Buffered Saline (DPBS) 1x | gibco | 14190-094 | |
Dynabeads Protein G | Thermo Fisher Scientific | 10004D | |
EDTA | Sigma-Aldrich | 3609 | |
EGTA | Sigma-Aldrich | 324626 | |
Electrophoresis system | |||
Ethidium bromide | |||
FASTQC v0.11.9 | software | ||
Gel Doc EZ Documentation System | Bio-Rad | 1708270 | Gel imaging system |
Glycine | Sigma-Aldrich | 50046 | |
Injekt-F Tuberculin syringe 1 mL | B. Braun | 9166017V | |
Linear acrylamide (5 mg/mL) | Invitrogen | AM9520 | |
Low-retention 1.5 mL tube | |||
Magnetic separation rack | for 1.5 mL tubes | ||
Microscope | |||
Microscope slide | |||
Model-based Analysis of ChIP-Seq (MACS) | open source | ||
Mortar and pestle, porcelain | |||
NanoDrop 2000c spectrophotometer | Thermo scientific | ND-2000C | |
N-lauroylsarcosine | Sigma-Aldrich | 61739 | |
Nuclease-free water | |||
Pasteur pipette | |||
Phenol:Chloroform:Isoamyl Alcohol Mixture (25:24:1) | Sigma-Aldrich | 77617 | |
Proteinase K (20 mg/mL) | Ambion | AM2546 | |
Purple Loading Dye 6x | New England BioLabs | B7024S | |
Qubit 2.0 Fluorometer | Invitrogen | ||
RNase Cocktail Enzyme Mix | Invitrogen | AM2286 | RNase A = 500 U/mL, RNase T1 = 20000 U/mL |
Sodium acetate | Sigma-Aldrich | S2889 | |
Sodium chloride | Sigma-Aldrich | S9888 | |
Sodium deoxycholate | Sigma-Aldrich | 30970 | |
SYBR Safe DNA Gel Stain | Invitrogen | S33102 | |
TAE buffer | |||
Thermomixer | Eppendorf | 5384000012 | |
Tris base | Sigma-Aldrich | 10708976001 | |
Triton X-100 solution | Sigma-Aldrich | 93443 | |
Trypan Blue Stain (0.4%) | Gibco | 15250-061 | Danger: may cause cancer. Suspected of damagin fertility or the unborn child |
Tube rotator SB3 | Stuart | ||
UltraPure SDS Solution, 10% | Invitrogen | 15553027 | |
Vacuum pump |