Summary

Chromatin Immunoprecipitation (ChIP) protokollen for lav-overflod embryonale prøver

Published: August 29, 2017
doi:

Summary

Her beskriver vi en chromatin immunoprecipitation (ChIP) og ChIP-seq biblioteket forberedelse protokollen å generere globale epigenomic profiler fra lav-overflod kylling embryonale prøver.

Abstract

Chromatin immunoprecipitation (ChIP) er en mye brukt teknikk for å kartlegge lokaliseringen av post-translationally endret histones, histone varianter, transkripsjonsfaktorer eller chromatin-modifisere enzymer i et gitt locus eller på en genomet-bred skala. Kombinasjonen av ChIP analyser med neste generasjons sekvensering (dvs. ChIP-Seq) er en effektiv tilnærming til å avdekke globalt genet regulatoriske nettverk og forbedre funksjonelle merknaden av genomer, spesielt av ikke-kodingen regulatoriske sekvenser. ChIP protokoller krever vanligvis store mengder mobilnettet materiale, dermed utelukker anvendelsen av denne metoden å undersøke sjeldne celletyper eller liten vev biopsier. For å gjøre ChIP analysen kompatibel med mengden biologisk materiale som vanligvis finnes i vivo under tidlig virveldyr embryogenesis, beskriver vi her en forenklet ChIP protokoll der antall trinn som kreves for å fullføre den analysen ble redusert for å unngå tap av prøven. Denne brikken protokollen har blitt brukt til å undersøke ulike histone endringer i ulike embryonale kylling og voksen mus vev med lav til middels cellen tallene (5 x 104 – 5 x 105 celler). Viktigere, denne protokollen er kompatibel med ChIP-seq-teknologi bruker standard bibliotek forberedelse metoder, gir global epigenomic kart i svært relevante embryonale vev.

Introduction

Histone post-translational modifikasjoner er direkte involvert i ulike chromatin avhengig av prosesser, inkludert transkripsjon, replikering og DNA reparasjon1,2,3. Videre ulike histone modifikasjoner Vis positiv (f.eks H3K4me3 og H3K27ac) eller negative (f.eks H3K9me3 og H3K27me3) korrelasjoner med genuttrykk og kan bredt defineres som aktivering eller undertrykkende histone merker, henholdsvis2,3. Følgelig globale histone endring kart, også referert til som epigenomic kart, har dukket opp som kraftige og universell verktøy funksjonelt kommentere virveldyr genomer4,5. For eksempel distale regulatoriske sekvenser som enhancers kan bli identifisert basert på tilstedeværelsen av bestemte chromatin signaturer (f.eks aktive enhancers: H3K4me1 og H3K27ac), som skilles fra proksimale promoter regioner (f.eks aktive arrangører: H3K4me3)6,7,8. På den annen side, finnes gener med store celle identitet regulatoriske funksjoner vanligvis med bred chromatin domener merket med H3K4me3 eller H3K27me3, avhengig av transcriptionally aktiv eller inaktiv status for underliggende genene, henholdsvis9 ,10. Tilsvarende synes uttrykket av store celle identitet gener å styres ofte av flere og romlig gruppert enhancers (dvs. super enhancers), som kan identifiseres som bred H3K27ac-merket domener11.

Foreløpig genereres histone endringen kartene ved hjelp av ChIP-seq-teknologi, som i forhold til forrige metoder som ChIP-chip (ChIP koblet til microarrays) gir høyere oppløsning, færre gjenstander, mindre støy, større dekning og lavere koster12. Likevel, generering av epigenomic kart ved hjelp av ChIP-seq teknologi har iboende begrensninger mostly assosiert med kapasitet til å utføre ChIP i utvalgene av interesse. Tradisjonelle ChIP protokoller vanligvis kreves millioner av celler, som limit anvendelse av denne metoden til i vitro cellen linjer eller celler som kan lett bli isolert i vivo (f.eks blodceller). I de siste årene, har en rekke endret ChIP protokoller kompatibel med lav cellen tallene vært beskrevet13,14,15,16. Men disse protokollene er utviklet for å være sammen med neste generasjons sekvensering (dvs. ChIP-seq), og de bruker adhoc biblioteket forberedelse metoder13,14, 15 , 16.

Her vi beskrev en ChIP-protokoll som kan brukes til å undersøke histone endring profiler med lav til middels celle tall (5 x 104 – 5 x 105 celler) på enten valgte loci (dvs. ChIP-qPCR) eller globalt (dvs. ChIP-seq) (figur 1). Kombinert ChIP-seq teknologi, kan våre ChIP-protokollen brukes sammen med standard bibliotek forberedelse metoder, således gjør den bredt tilgjengelig for mange laboratorier10. Denne protokollen er brukt til å undersøke flere histone merker (f.eks H3K4me3, H3K27me3 og H3K27ac) i annen kylling embryonale vev (f.eks spinal medfødte (SNT), frontonasal prominences og epiblast). Men forventer vi at det skal være bredt aktuelt for andre organismer der biologisk og/eller klinisk relevante eksempler bare finnes i små mengder.

Protocol

Ifølge tyske dyr omsorg retningslinjer, ingen dyr institusjon og bruk Committee (IACUC) godkjenning var nødvendig å utføre kylling embryoet eksperimenter. I henhold til lokale retningslinjer må bare eksperimenter med kylling HH44 (18-dag) embryoer og eldre IACUC godkjennes. Men embryoene brukt i denne studien var i tidligere stadier av embryonale utvikling (dvs. HH19 (72 h)). Merk: hensikten med denne protokollen er å gi en detaljert beskrivelse av ChIP analysen slik at den ef…

Representative Results

For å illustrere ytelsen til vår ChIP-protokollen, utført vi ChIP-seq eksperimenter med grupperte SNT inndelinger fra HH19 kylling embryoer, maxillary prominences av HH22 kylling embryoer og scenen-HH3 kylling embryoer undersøke bindende profiler ulike histone endringer (dvs. H3K4me2, H3K27ac, H3K4me3 og H3K27me3). Når ChIP DNAs ble innhentet, ble sonication effektiviteten evaluert av agarose gel geleelektroforese av de tilsvarende input DNAs (Figur 3</s…

Discussion

Epigenomic profilering av histone modifisering benytter ChIP-seq kan brukes til å forbedre funksjonelle merknaden av virveldyr genomer i ulike mobilnettet sammenhenger4,5,18. Disse epigenomic profiler kan brukes, blant annet for å identifisere enhancer elementer, definere regulatoriske delstaten enhancers (dvs. aktiv, primet og klar), og å definere store celle identitet regulatorer i forskjellige biologiske eller pat…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne takker Jan Appel for hans utmerket kundestøtte under etableringen av denne protokollen. Arbeid i Rada-Iglesias laboratoriet støttes av CMMC intramural finansiering, DFG forskningsmidler (RA 2547/1-1, RA 2547/2-1 og TE 1007/3-1), UoC avanserte forskeren gruppe Grant og CECAD tilskudd.

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