Summary

Cromatina (ChIP) imunoprecipitação para baixo-abundância embrionárias amostras

Published: August 29, 2017
doi:

Summary

Aqui, descrevemos uma imunoprecipitação da cromatina (ChIP) e protocolo de preparação ChIP-seq biblioteca para gerar perfis de epigenomic global de amostras embrionárias de galinha baixa abundância.

Abstract

Imunoprecipitação da cromatina (ChIP) é uma técnica amplamente utilizada para mapear a localização das histonas post-translationally modificadas, variantes de histona, fatores de transcrição ou enzimas de modificação de cromatina em um determinado locus ou na escala do genoma. A combinação de ensaios de ChIP com a próxima geração de sequenciamento (i.e., ChIP-Seq) é uma poderosa abordagem globalmente descobrir redes reguladoras do gene e melhorar a anotação funcional de genomas, especialmente de sequências reguladoras não-codificante. Microplaqueta protocolos normalmente requerem grandes quantidades de material celular, impedindo, assim, a aplicabilidade desse método para investigar os tipos de células raras ou biópsias de tecido pequeno. Para fazer o ensaio da microplaqueta compatível com a quantidade de material biológico que normalmente pode ser obtido na vivo durante a embriogênese precoce de vertebrados, descrevemos aqui um protocolo simplificado de ChIP em que o número de passos necessários para completar o ensaio foram reduzidos para minimizar a perda de amostra. Este protocolo de ChIP tem sido utilizado com sucesso para investigar as modificações do histone diferentes em vários galinha embrionária e tecidos de rato adulto usando baixa para números de telemóvel médio (5 x 104 – 5 x 105 células). Importante, este protocolo é compatível com a tecnologia de ChIP-seq usando métodos de preparação de biblioteca padrão, proporcionando assim global epigenomic mapas em tecidos embrionários altamente relevantes.

Introduction

Borne-translational modificações do histone estão directamente envolvidas nos diversos processos dependentes de cromatina, incluindo a transcrição, replicação e reparo de ADN a1,2,3. Além disso, modificações do histone diferentes mostram positivas (por exemplo, H3K4me3 e H3K27ac) ou negativo (por exemplo, H3K9me3 e H3K27me3) correlações com a expressão de gene e pode ser amplamente definida como marca de histona ativando ou repressiva, respectivamente,2,3. Por conseguinte, mapas de modificação do histone global, também conhecidos como epigenomic mapas, têm emergido como ferramentas poderosas e universais para anotar funcionalmente genomas vertebrados4,5. Por exemplo, sequências reguladoras distais como potenciadores podem ser identificados baseiam na presença de assinaturas específicas da cromatina (por exemplo, potenciadores de ativo: H3K4me1 e H3K27ac), que distingui-las das regiões proximais promotor (por exemplo, ativos promotores: H3K4me3)6,7,8. Por outro lado, os genes com funções reguladoras de identidade de células grandes são encontrados tipicamente com domínios de cromatina amplo marcados com H3K4me3 ou H3K27me3, dependendo do estado transcricionalmente ativo ou inativo dos genes subjacentes, respectivamente9 ,10. Da mesma forma, a expressão de genes de identidade principal célula parece ser frequentemente controlado por múltiplo e espacialmente agrupado realçadores (ou seja, super potenciadores), que podem ser identificadas como grandes domínios H3K27ac-marcado11.

Atualmente, mapas de modificação de histonas são gerados usando a tecnologia de ChIP-seq, que, em comparação com abordagens anteriores como ChIP-chip (ChIP acoplado ao microarrays) fornece maior resolução, menos artefatos, menos ruído, maior cobertura e menor custa12. No entanto, a geração de mapas de epigenomic usando a tecnologia de ChIP-seq tem suas limitações inerentes, principalmente associadas com a capacidade de executar com êxito o ChIP nas amostras de interesse. Protocolos de ChIP tradicionais normalmente necessários milhões de células, que limite a aplicabilidade deste método de vitro em células, linhas ou células que pode ser facilmente isoladas na vivo (por exemplo, células do sangue). Nos últimos anos, um número de protocolos modificados de ChIP compatíveis com celulares de baixo foram descritos13,14,15,16. No entanto, esses protocolos são projetados especificamente para ser acoplado a próxima geração sequenciamento (i.e., ChIP-seq), e eles geralmente usam ad-hoc biblioteca preparação métodos13,14, 15 , 16.

Aqui, descrevemos um protocolo de ChIP que pode ser usado para investigar perfis de modificações do histone usando números de telemóvel baixas a intermédias (5 x 104 – 5 x 105 células) em qualquer loci selecionado (ou seja, ChIP-qPCR) ou globalmente (ou seja, ChIP-seq) (Figura 1). Quando acoplado à tecnologia ChIP-seq, nosso protocolo de ChIP pode ser usado em conjunto com os métodos de preparação de biblioteca padrão, tornando-se amplamente acessível para muitos laboratórios10. Este protocolo tem sido usado para investigar várias marcas de histona (por exemplo, H3K4me3, H3K27me3 e H3K27ac) em tecidos embrionários de frango diferente (por exemplo, na coluna tubo neural (SNT), proeminências frontonasal e epiblasto). No entanto, nós antecipamos que deve ser amplamente aplicável para outros organismos em que amostras biologicamente e/ou clinicamente relevantes podem ser obtidas apenas em pequenas quantidades.

Protocol

de acordo com orientações de cuidados com animais alemão, nenhuma aprovação institucional Animal cuidados e uso Comité (IACUC) era necessária para realizar os experimentos de embrião de galinha. De acordo com as diretrizes locais, apenas experiências com embriões de galinha HH44 (18 dias) e mais velhos requerem aprovação IACUC. No entanto, os embriões utilizados neste estudo foram todos em estágios iniciais de desenvolvimento embrionário (i.e., HH19 (72 h)). Nota: O p…

Representative Results

Para ilustrar o desempenho do nosso protocolo de ChIP, realizamos experimentos usando seções SNT em pool de embriões de galinha HH19, proeminências maxilares de HH22 frango embriões e embriões de galinha HH3-palco para investigar os perfis de ligação do ChIP-seq diversas modificações do histone (i.e., H3K4me2, H3K27ac, H3K4me3 e H3K27me3). Uma vez que o ChIP DNAs foram obtidos, a eficiência de sonication foi avaliada pela electroforese do gel do agarose dos DNAs de ent…

Discussion

Epigenomic caracterização das modificações do histone usando ChIP-seq pode ser usado para melhorar a anotação funcional de genomas de vertebrados em diferentes contextos celular4,5,18. Estes perfis de epigenomic podem ser usados, entre outras coisas, para identificar elementos potenciador, para definir o estado regulador de realçadores (i.e., ativo, preparado, ou preparada) e definir reguladores de célula grande…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Os autores Agradecemos sua excelente assistência técnica durante o estabelecimento deste protocolo Jan Appel. Trabalho no laboratório Rada-Iglesias é suportado pelo CMMC intramural financiamento, bolsas de investigação DFG (RA 2547/1-1, RA 2547/2-1 e TE 1007/3-1), o pesquisador avançado UoC grupo Grant e o CECAD Grant.

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