Summary

Chromatine Immunoprecipitation (ChIP) Protocol voor lage-overvloed embryonale monsters

Published: August 29, 2017
doi:

Summary

Hier beschrijven we een chromatine immunoprecipitation (ChIP) en ChIP-seq de protocol van de voorbereiding van de bibliotheek voor het genereren van wereldwijde epigenomic profielen van lage-overvloed kip embryonale monsters.

Abstract

Chromatine immunoprecipitation (ChIP) is een veel gebruikte techniek voor het toewijzen van de lokalisatie van post-translationally gemodificeerde histonen, histone varianten, transcriptiefactoren of enzymen chromatine-aanpassen aan een bepaald locus of op een genoom-brede schaal. De combinatie van ChIP tests met volgende-generatie sequencing (dat wil zeggen, ChIP-Seq) is een krachtige aanpak van gene regulerende netwerken wereldwijd te ontdekken en ter verbetering van de functionele annotatie van genomen, met name van niet-coderende regulerende sequenties. ChIP protocollen kunnen doorgaans alleen grote hoeveelheden van celmateriaal, dus de uitschakeling van de toepasselijkheid van deze methode op het onderzoek naar zeldzame celtypes of kleine weefsel biopsieën. Om de ChIP bepaling verenigbaar is met de hoeveelheid biologisch materiaal dat doorgaans worden in vivo tijdens de vroege gewervelde embryogenese verkregen kan, beschrijven wij hier een vereenvoudigde ChIP protocol waarin het aantal stappen wilt uitvoeren, moet de assay werden gereduceerd monster verlies te minimaliseren. Dit protocol ChIP is met succes gebruikt om het onderzoeken van verschillende histone modificaties in verschillende embryonale kip en volwassen muis weefsels met behulp van lage aan middelgrote cel nummers (5 x 104 – 5 x 105 cellen). Nog belangrijker is, dit protocol is compatibel met ChIP-seq-technologie met behulp van de standaard bibliotheek bereidingswijzen, waardoor wereldwijde epigenomic kaarten in zeer relevant embryonale weefsels.

Introduction

Histon posttranslationele modificaties zijn rechtstreeks betrokken bij diverse chromatine-afhankelijke processen, met inbegrip van transcriptie, replicatie en DNA repair1,2,3. Bovendien verschillende histone modificaties positieve Toon (b.v., H3K4me3 en H3K27ac) of negatief (bijvoorbeeld H3K9me3 en H3K27me3) correlaties met genexpressie en in grote lijnen gedefinieerd kunnen worden als activerende of repressieve Histon markeert, respectievelijk2,3. Bijgevolg, global Histon wijziging kaarten, ook wel aangeduid als epigenomic kaarten, opgedoken als krachtige en universele instrumenten functioneel aantekeningen gewervelde genoom4,5. Bijvoorbeeld, distale regulerende sequenties, zoals versterkers kunnen worden geïdentificeerd op basis van de aanwezigheid van specifieke chromatine handtekeningen (bijvoorbeeld actieve smaakversterkers: H3K4me1 en H3K27ac), die hen onderscheiden van proximale promotor regio’s (b.v., actieve promotoren: H3K4me3)6,7,8. Aan de andere kant, worden genen met grote cel identiteit regelgevende taken meestal gevonden met brede chromatine domeinen gemarkeerd met H3K4me3 of H3K27me3, afhankelijk van de transcriptionally actieve of inactieve status van de onderliggende genen, respectievelijk9 ,10. Ook lijkt de expressie van genen die grote cel identiteit te worden regelmatig gecontroleerd door meerdere en ruimtelijk geclusterd versterkers (dat wil zeggen, de Super-versterkers), die kunnen worden geïdentificeerd als brede H3K27ac-gemarkeerd domeinen11.

Momenteel, worden histone wijziging kaarten gegenereerd met behulp van de ChIP-seq-technologie, die in vergelijking met de vorige benaderingen zoals ChIP-chip (ChIP gekoppeld aan microarrays) hogere resolutie, minder artefacten, minder lawaai, meer dekking en lagere biedt kost12. Niettemin, de generatie van epigenomic kaarten met behulp van de ChIP-seq technologie heeft haar inherente beperkingen, meestal gekoppeld aan het vermogen om met succes uitvoeren ChIP in de monsters van belang. Traditionele ChIP protocollen vereist meestal miljoenen cellen, welk grensbedrag de toepasselijkheid van deze methode naar de cel in vitro lijnen of cellen die gemakkelijk geïsoleerd in vivo (bijvoorbeeld bloedcellen worden kan). In de afgelopen jaren zijn een aantal gemodificeerde ChIP protocollen compatibel met lage cel nummers beschreven13,14,15,16. Echter, deze protocollen zijn speciaal ontworpen om te worden gekoppeld met de volgende-generatie sequencing (dat wil zeggen, ChIP-seq), en zij gebruiken meestal ad hoc bibliotheek voorbereiding methoden13,14, 15 , 16.

Hier, we een ChIP protocol dat kan worden gebruikt voor het onderzoeken van Histon wijziging profielen met behulp van lage tot tussentijdse cel nummers (5 x 104 – 5 x 10,5 cellen) beschreven op beide geselecteerde loci (dat wil zeggen, ChIP-qPCR) of wereldwijd (dat wil zeggen, ChIP-seq) (Figuur 1). Wanneer gekoppeld aan ChIP-seq technologie, kan onze ChIP-protocol worden gebruikt samen met de standaard bibliotheek bereidingswijzen, waardoor het voor veel laboratoria10breed toegankelijk. Dit protocol is gebruikt voor het onderzoeken van verschillende Histon merken (bijvoorbeeld, H3K4me3, H3K27me3 en H3K27ac) in verschillende kip embryonale weefsels (bijvoorbeeld spinale neuraalbuis (SNT) uitsteeksels van de frontonasal en epiblast). Wij verwachten echter dat het breed toepasbare naar andere organismen in die biologisch en/of klinisch relevante monsters kunnen slechts worden verkregen in lage bedragen moet zijn.

Protocol

volgens de richtlijnen van de Duitse dierenverzorgers, geen goedkeuring dier zorginstellingen en gebruik Comité (IACUC) moest de kip embryo experimenten uit te voeren. Volgens de lokale richtsnoeren, heeft alleen de experimenten met kip HH44 (18-daagse) embryo’s en oudere IACUC goedkeuring vereist. De embryo’s gebruikt in deze studie waren echter al in eerdere stadia van embryonale ontwikkeling (dat wil zeggen, HH19 (72 h)). Opmerking: het doel van dit protocol is bedoeld als een g…

Representative Results

Ter illustratie van de prestaties van onze ChIP protocol, we uitgevoerd ChIP-seq experimenten met behulp van de gepaarde SNT secties van HH19 kip embryo’s, maxillaire uitsteeksels van HH22 kip embryo’s, en fase-HH3 kip embryo’s te onderzoeken van de bindende profielen van verschillende histone modificaties (dat wil zeggen, H3K4me2, H3K27ac, H3K4me3 en H3K27me3). Zodra de ANI van de ChIP werden verkregen, werd de ultrasoonapparaat efficiëntie beoordeeld door agarose de Elektrofor…

Discussion

Epigenomic profilering van Histon wijziging met behulp van de ChIP-seq kan worden gebruikt ter verbetering van de functionele aantekening van gewervelde genomen in verschillende contexten van de cellulaire4,5,18. Deze epigenomic-profielen kunnen worden gebruikt, onder andere om enhancer elementen, te definiëren van de regelgevende staat van versterkers (dat wil zeggen, actieve, primer, of klaar), en te bepalen van grot…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

De auteurs bedanken Jan Appel voor zijn uitstekende technische hulp tijdens de totstandbrenging van dit protocol. Werk in het laboratorium van de Rada-Iglesias wordt ondersteund door CMMC intramurale financiering, DFG onderzoekssubsidies (RA 2547/1-1 RA 2547/2-1 en TE 1007/3-1), de UoC geavanceerde onderzoeker groep Grant, en de toekenning van CECAD.

Materials

Reagent
BSA powder Carl Roth 3737.3
Phosphate Saline buffer (PBS) Sigma Aldrich D8537
Tris-HCL pH8.0 Sigma Aldrich T1503
NaCl Carl Roth 3957.2
EDTA Carl Roth 8043.2
EGTA Carl Roth 3054.2
Na-Deoxycholate Sigma Aldrich D6750-24
N-lauroylsarcosine Sigma Aldrich 61743-25G
Hepes Applichem A3724,0250
LiCl Carl Roth 3739.2
NP-40 Sigma Aldrich I3021-100ml
SDS Carl Roth 1833
Protein G/magnetic beads Invitrogen 1004D
37% Formaldehyde Sigma Aldrich 252549-1L
Glycine
RNase Peqlab 12-RA-03
Proteinase K Sigma Aldrich 46.35 E
Na-butyrate Sigma Aldrich SLB2659V
Proteinase inhibitor Roche 5892791001
SYBRgreen Mix biozym 617004
dH2O Sigma Aldrich W4502
1Kb ladder Thermofisher SM1333
Orange G Sigma Alrich 03756-25
Agarose Invitrogen 16500-500
0.25% Trypsin-EDTA (1X) Gibco 25200-072
Octylphenol Ethoxylate (Triton X 100) Roth 3051.4
DMEM (Dulbecco´s Modified Eagle Medium) Gibco 31331-028
Gel loading tips Multiflex A.Hartenstein GS21
qPCR Plates Sarstedt 721,985,202
384 well Sarstedt 721,985,202
1.5 mL tubes Sarstedt 72,706
100-1000µl Filter tips Sarstedt 70,762,211
2-20µl Filter tips Sarstedt 70,760,213
2-200µl Filter tips Sarstedt 70,760,211
0.5-10µl Filter tips Sarstedt 701,116,210
H3K27me3 antibody Active Motif 39155
H3K27ac antibody Active Motif 39133
H3K4me3 antibody Active Motif 39159
H3K4me2 antibody Active Motif 39141
End Repair Mix Illumina FC-121-4001
Paramagnetic beads Beckman Coulter A63881
Resuspension buffer Illumina FC-121-4001
A-Tailing Mix Illumina FC-121-4001
Ligation Mix Illumina FC-121-4001
RNA Adapter Indexes Illumina RS-122-2101
Stop Ligation Buffer Illumina FC-121-4001
PCR Primer Cocktail Illumina FC-121-4001
Enhanced PCR Mix Illumina FC-121-4001
Genomic DNA ladder Agilent 5067-5582
Elution Buffer Agilent 19086
Sample Buffer Agilent 5067-5582
Library Quantification Kit Kapa Biosystems KK4835 – 07960204001
Fertile chicken white eggs LSL Rhein Main KN: 15968
Needle (Neoject) A.Hartenstein 10001
Syringe (Ecoject 10ml) Dispomed witt oHG 21010
Name Company Catalog Number Comments
Equipment
Centrifuge Hermle Z 216 MK
Thermoshaker ITABIS MKR13
Sonicator Active Motive EpiShear probe sonicator
Sonicator Diagenode Bioruptor Plus
Rotator Stuart SB3
Variable volume (5–1,000 μl) pipettes Eppendorf N/A
Timer Sigma N/A
Magnetic holder Thermo Fisher DynaMag-2 12321D
Table spinner Heathrow Scientific Sprout
Mixer LMS VTX 3000L
Real-Time PCR Cycler Roche Light Cycler; Serial Nr.5662
PCR Cycler Applied Biosystems Gene Amp PCR System 9700
DNA and RNA quality control system Agilent Agilent 4200 TapeStation System
Forceps Dumont 5-Inox-H
Perforated spoon World precision instruments 501997

References

  1. Jenuwein, T., Allis, C. D. Translating the histone code. Science. 293 (5532), 1074-1080 (2001).
  2. Kouzarides, T. Chromatin modifications and their function. Cell. 128 (4), 693-705 (2007).
  3. Wang, Z., Schones, D. E., Zhao, K. Characterization of human epigenomes. Curr Opin. Genet Dev. 19 (2), 127-134 (2009).
  4. ENCODE Project Consortium. An integrated encyclopedia of DNA elements in the human genome. Nature. 489 (7414), 57-74 (2012).
  5. Roadmap Epigenomics Consortium. Integrative analysis of 111 reference human epigenomes. Nature. 518 (7539), 317-330 (2015).
  6. Heintzman, N. D., et al. Histone modifications at human enhancers reflect global cell-type-specific gene expression. Nature. 459 (7243), 108-112 (2009).
  7. Rada-Iglesias, A., Bajpai, R., Swigut, T., Brugmann, S. A., Flynn, R. A., Wysocka, J. A unique chromatin signature uncovers early developmental enhancers in humans. Nature. 470 (7333), 279-283 (2011).
  8. Creyghton, M. P., et al. Histone H3K27ac separates active from poised enhancers and predicts developmental state. Proc Nat Acad Sci USA. 107 (50), 21931-21936 (2010).
  9. Benayoun, B. A., et al. H3K4me3 breadth is linked to cell identity and transcriptional consistency. Cell. 158 (3), 673-688 (2014).
  10. Rehimi, R., et al. Epigenomics-Based Identification of Major Cell Identity Regulators within Heterogeneous Cell Populations. Cell Rep. 17 (11), 3062-3076 (2016).
  11. Whyte, W. A., et al. Master transcription factors and mediator establish super-enhancers at key cell identity genes. Cell. 153 (2), 307-319 (2013).
  12. Valouev, A., et al. Genome-wide analysis of transcription factor binding sites based on ChIP-Seq data. Nat Methods. 5 (9), 829-834 (2008).
  13. Dahl, J. A., et al. Broad histone H3K4me3 domains in mouse oocytes modulate maternal-to-zygotic transition. Nature. 537 (7621), 548-552 (2016).
  14. Rotem, A., et al. Single-cell ChIP-seq reveals cell subpopulations defined by chromatin state. Nat Biotech. 33 (11), 1165-1172 (2015).
  15. Schmidl, C., Rendeiro, A. F., Sheffield, N. C., Bock, C. ChIPmentation: fast, robust, low-input ChIP-seq for histones and transcription factors. Nat Methods. 12 (10), 963-965 (2015).
  16. Zhang, B., et al. Allelic reprogramming of the histone modification H3K4me3 in early mammalian development. Nature. 537 (7621), 553-557 (2016).
  17. Hamburger, V., Hamilton, H. L. A series of normal stages in the development of the chick embryo. Dev Dynam. 195 (4), 231-272 (1951).
  18. Ho, J. W. K., et al. Comparative analysis of metazoan chromatin organization. Nature. 512 (7515), 449-452 (2014).
  19. Calo, E., Wysocka, J. Modification of enhancer chromatin: what, how, and why?. Mol Cell. 49 (5), 825-837 (2013).
  20. Spitz, F., Furlong, E. E. M. Transcription factors: from enhancer binding to developmental control. Nat Rev Genetics. 13 (9), 613-626 (2012).
check_url/56186?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Rehimi, R., Bartusel, M., Solinas, F., Altmüller, J., Rada-Iglesias, A. Chromatin Immunoprecipitation (ChIP) Protocol for Low-abundance Embryonic Samples. J. Vis. Exp. (126), e56186, doi:10.3791/56186 (2017).

View Video