Dit werk beschrijft een protocol voor het genereren van hoge resolutie in situ Hi-C bibliotheken van strak geënsceneerd pre gastrulatie Drosophila melanogaster embryo’s.
Onderzoeken van de driedimensionale structuur van de chromatine biedt onschatbaar inzicht in de mechanismen van de genexpressie. Hier beschrijven we een protocol voor het uitvoeren van de chromatine conformatie capture techniek in situ Hi-C op geënsceneerd Drosophila melanogaster embryo populaties. Het resultaat is een sequencing-bibliotheek waarmee de toewijzing van alle chromatine interacties die in de kern in een enkele experiment plaatsvinden. Embryo sorteren gebeurt handmatig met behulp van een fluorescente stereo microscoop en een transgene vlieg lijn met een nucleaire marker. Met behulp van deze techniek, embryo populaties van elke cyclus van nucleaire divisie, en met de gedefinieerde celcyclus status, kan worden verkregen met zeer hoge zuiverheid. Het protocol kan ook worden aangepast aan het sorteren van oudere embryo’s buiten gastrulatie. Gesorteerde embryo’s worden gebruikt als input voor in situ Hi-C. Alle experimenten, met inbegrip van sequencing bibliotheek voorbereiding, kunnen worden uitgevoerd in vijf dagen. Het protocol heeft lage input eisen en werkt betrouwbaar met behulp van 20 blastoderm fase embryo’s als uitgangsmateriaal. Het eindresultaat is een bibliotheek van de volgorde voor het volgende generatie rangschikken. Na sequencing, kunnen de gegevens worden verwerkt in genoom-brede chromatine interactie kaarten die kunnen worden geanalyseerd met behulp van een breed scala aan beschikbare hulpmiddelen te krijgen informatie over het koppelen topologisch domeinstructuur (TAD), chromatine loops en chromatine vakken tijdens de Drosophila ontwikkeling.
Chromatine conformatie vastleggen (3C) heeft ontpopt als een buitengewoon nuttig methode om te studeren van de topologie van de chromatine in de kern1. De variant 3C Hi-C kunt meten de contact frequenties van alle chromatine interacties die in de kern in een enkele experiment2 plaatsvinden. Toepassing van Hi-C speelde een belangrijke rol in de ontdekking en karakterisering van vele fundamentele beginselen van chromatine organisatie, zoals TADs, compartimenten en lussen3,4,5.
Studies van chromatine architectuur in het kader van de ontwikkelingsdoelen overgangen en celdifferentiatie worden steeds vaker gebruikt te ontrafelen van de mechanismen van genregulatie tijdens deze processen6,7,8, 9. Een van de modelorganismen van groot belang is de Drosophila melanogaster, wiens ontwikkeling en genoom worden goed gekenmerkt. Echter, enkele studies die onderzoeken van de architectuur van de chromatine in Drosophila buiten in vitro weefselkweek instellingen zijn uitgevoerd10,11. In embryo’s werden 16-18 h post bevruchting, TADs en compartimenten die doet denken aan soortgelijke structuren in zoogdieren geïdentificeerde10, waarin werpt de vraag welke rol ze in genregulatie tijdens Drosophila embryo spelen ontwikkeling. Vooral in de vroege stadia van ontwikkeling, vóór gastrulatie, zijn dergelijke studies technisch uitdagend. Voordat gastrulatie ondergaan Drosophila embryo’s 13 synchrone nucleaire divisies die gaan over een uiterst snelle tempo van de 8-60 min per cyclus12,13. Naast dit, het gebrek aan visuele functies te onderscheiden van de verschillende fasen maken het moeilijk strak geënsceneerde embryo materiaal in voldoende hoeveelheden aan te schaffen.
Oog op de ontwikkeling van een protocol waarmee het bestuderen van de chromatine architectuur in de vroege ontwikkeling van de Drosophila op de resolutie van de nucleaire kringloop, gecombineerd we twee bestaande technieken: in situ Hi-C, waarmee de generatie van hoge resolutie hele genoom contact kaarten5, en de embryo enscenering opdrachtregel een transgene Drosophila uiting van een eGFP-PCNA transgenic13,14. Deze transgenic lokaliseert op de nucleus tijdens de interfase en verspreidt gedurende de syncytieel blastoderm tijdens de mitose. Met behulp van deze eigenschap, is het mogelijk om gemakkelijk onderscheiden verschillende stadia van hun nucleaire dichtheid en mitotische embryo’s door de verspreiding van het GFP-signaal.
Deze technieken kunnen samen, bestuderen van de driedimensionale structuur van de chromatine in hoge resolutie uit zo weinig als 20 Drosophila embryo’s. Dit protocol bevat de instructies voor het verzamelen en sorteren van Drosophila embryo’s te verkrijgen van de populaties van embryo’s uit een cyclus van enkele nucleaire divisie. Het wordt verder beschreven hoe de verkregen embryo’s worden gebruikt om uit te voeren in situ Hi-C. Het eindresultaat is een nucleotide bibliotheek geschikt voor het rangschikken op volgende generatie sequencing machines. De resulterende sequencing leest kunnen vervolgens worden verwerkt tot gedetailleerde chromatine interactie kaarten die betrekking hebben op het volledige genoom van Drosophila .
Het protocol hier gepresenteerd is zeer effectief in het genereren van hoge kwaliteit kaarten van de chromatine-architectuur in vroege Drosophila embryo’s. Vergeleken met een eerder protocol34, de beschreven aanpak hier gebruikt een up-to-date in situ Hi-C procedure5, wat resulteert in snellere verwerking, hogere resolutie, en minder reagens gebruik. De algemene procedure, met inbegrip van de in situ Hi-C protocol wordt verwacht om te werken aan een breed scala van podia en experimentele systemen naast Drosophila. Aangezien het protocol een lage invoer vereiste heeft, kon het ook worden gebruikt op geïsoleerde cel populaties. In Drosophila, wanneer met behulp van het protocol voor embryo’s buiten het bereik beschreven hier, sommige parameters, wellicht met name de vastlegging van het materiaal, worden aangepast. Aangezien oudere embryo’s een zeer ondoordringbare schubbenlaag ontwikkelen, verhoging van de concentratie van formaldehyde en fixatie te verlengen kunnen worden gehouden. Voor verzamelen van embryo’s in stadia dan nucleaire kringloop 14, de tijden van de incubatie van embryo’s bij 25 ° C in stap 1.4 moeten als volgt worden aangepast: nucleaire kringloop 12, 70 min; nucleaire kringloop 13, 90 min; 3-4 hpf, 3:30 h.
Tijdens de 13 decollete divisies (fase 1-4), verdubbelt de kernen dichtheid ongeveer met elke divisie. De kernen kunnen gemakkelijk worden geïdentificeerd door hun heldere GFP-fluorescentie. Tijdens de mitose, eGFP-PCNA is niet gelegen in de kern en zijn signaal is verspreid over het embryo. Deze functie maakt identificerende embryo’s die zich in een synchrone decollete divisie mogelijk. Voor de studie van chromatine bevleesdheid, zijn deze mitotische embryo’s meestal niet wenselijk, aangezien de mitotische organisatie van de chromatine drastisch anders dan de interfase organisatie35 is. Het is mogelijk om aan te passen het protocol specifiek Schakel embryo’s ondergaan een synchrone mitotische divisie. In dit geval alleen embryo’s met verspreide, niet-nucleaire verdeling van eGFP-PCNA moeten worden gehouden, en alle andere embryo’s moeten worden weggegooid. Aangezien de nucleaire dichtheid kan niet worden bepaald, moeten alternatieve methoden om fase embryo’s door hun morfologie bekeken in de lichte microscopie van verzonden worden toegepast. Aanwezigheid van pole cellen en kernen aan de rand van het embryo geven aan dat het embryo is voltooid ten minste nucleaire kringloop 9, overwegende dat zichtbaar cellularization aan de rand van de nucleaire kringloop 1412blijkt.
Hi-C experimenten kunnen met succes worden uitgevoerd met behulp van een brede selectie van restrictie-enzymen5. Huidige aanpak gebruiken meestal enzymen die beide een sequentie van de 4-base, zoals MboI, of een 6-base erkenning site, zoals HindIII herkent. Het voordeel van 4-base kotters over 6-base scharen is dat ze hogere potentiële resolutie bieden, gezien genoeg sequencing diepte en een meer gelijkmatige dekking van beperkingsplaatsen in het genoom. Bij het kiezen van een 4-base cutter over nog eens5,23,36,,37biedt geen duidelijke voordelen. De twee meest gebruikte enzymen, MboI en DpnII, herkennen beide dezelfde GATC erkenning site. DpnII is minder gevoelig voor CpG methylering, die van geen belang in Drosophila is. Het hier gepresenteerde protocol kan ook worden voltooid met behulp van DpnII als een restrictie-enzym. In paragraaf 4.2. restrictie-enzym en buffer moeten worden aangepast voor compatibiliteit van de DpnII, volgens de aanbevelingen van de fabrikant.
Als de grootte van het fragment van de sequencing-bibliotheek van het bereik wordt weergegeven in figuur 2Aaanzienlijk afwijkt, kan clustervorming tijdens sequencing minder efficiënt of volledig mislukken. In dit geval de grootteverdeling na het scheren moet worden gecontroleerd en schuintrekken parameters aangepast. Pieken in de verdeling van de fragmenten van DNA van zeer kleine ( 1000 bp) maten geeft problemen met grootte selectie, zoals carry over kralen of bovendrijvende substantie die moeten worden verwijderd. Deze bibliotheken met kleine pieken bij deze ongewenste maten, zoals de een afgebeeld, zijn nog steeds sequenced vaak met succes met slechts een lichte daling in clusters van efficiëntie.
Hoge tarieven van PCR overlappingen moeten worden vermeden omdat dit drastisch het aantal bruikbare volgorde leest vermindert. Het tarief van PCR duplicaten is direct gerelateerd aan de hoeveelheid uitgangsmateriaal. Met behulp van meer input daarom verlicht meestal problemen met PCR dubbel.
Hogere aantallen leest gefilterd door Lees oriëntatie ()figuur 2B) geven onvoldoende vertering, die kan het resultaat van het gebruik van te weinig enzym, teveel uitgangsmateriaal of onvolledige homogenisering van de embryo’s.
The authors have nothing to disclose.
Dit onderzoek werd gefinancierd door het Max-Planck-Gesellschaft. C.B.H. werd gesteund door een beurs van de Onderzoekschool International Max Planck-moleculaire biologie. Wij danken Shelby Blythe en Eric Wieschaus voorziet vriendelijk de eGFP-PCNA Drosophila melanogaster lijn.
Biotin-14-dATP | Life Technologies | 19524016 | |
MboI | New England Biolabs | R0147L | |
DNA Polymerase I Klenow Fragment | New England Biolabs | M0210L | |
T4 DNA Ligase | Thermo Fisher | EL0012 | T4 DNA Ligase Buffer included |
T4 DNA Polymerase | New England Biolabs | M0203L | |
Proteinase K | AppliChem | A4392 | |
GlycoBlue | Life Technologies | AM9516 | |
Complete Ultra EDTA-free protease inhibitors | Roche | 5892791001 | |
NEBNext Multiplex Oligos for Illumina (Index Primers Set 1) | New England Biolabs | E7335 | Sequencing Adaptor, Forward (unindexed) PCR primer and Reverse (indexed) PCR primer and USER enzyme used in the Library preparation section are components of this kit |
NEBNext Ultra II DNA Library Prep Kit | New England Biolabs | E7645 | End Prep Enzyme Mix, End Prep Reaction Buffer, Ligation Enhancer, Ligation Master Mix and Polymerase Master Mix used in the Library preparation section are components of this kit |
Covaris S2 AFA System | Covaris | ||
DNA LoBind Tubes, 1.5 mL | Eppendorf | 0030108051 | |
Falcon cell strainer 100 µm | Corning | 352360 | Embryo collection baskets |
37% formaldehyde | VWR | 437536C | |
Heptane | AppliChem | 122062.1612 | |
M165 FC fluorescent stereo microscope | Leica | ||
M165 FC DFC camera | Leica | ||
Metal micro pestle | Carl Roth | P985.1 | Used to lyse embryos in step 4.1.4 |
RNase A | AppliChem | A3832,0050 | |
Dynabeads MyOne Streptavidin C1 | Life Technologies | 65002 | Streptavidin coated magnetic beads |
Ampure XP beads | Beckman Coulter | A63881 | |
Qubit 3.0 Fluorometer | Thermo Fisher Scientific | Q33216 | |
Qubit assay tubes | Thermo Fisher Scientific | Q32856 | |
Qubit dsDNA HS Assay Kit | Thermo Fisher Scientific | Q32854 | |
Phosphate buffered saline (PBS) | Sigma-Aldrich | P4417 | |
eGFP-PCNA flies | Gift from S. Blythe and E. Wieschaus | ||
Sodium hypochlorite 13% | Thermo Fisher | AC219255000 | |
Triton X-100 | AppliChem | A4975 | |
Tris buffer pH 8.0 (1 M) for molecular biology | AppliChem | A4577 | |
NaCl | AppliChem | A2942 | |
IGEPAL CA-630 | Sigma-Aldrich | I8896 | |
1.5 mL microcentrifuge tubes | Greiner Bio-One | 616201 | |
SDS for molecular biology | AppliChem | A2263 | |
10x CutSmart buffer | New England Biolabs | B7204S | Restriction enzyme buffer |
PCR Nucleotide Mix | Sigma-Aldrich | 11814362001 | Unmodified dCTP, dGTP, dTTP |
BSA, Molecular Biology Grade | New England Biolabs | B9000S | |
EDTA 0.5M solution for molecular biology | AppliChem | A4892 | |
Sodium acetate 3M pH 5.2 | Sigma-Aldrich | S7899 | |
DynaMag-2 Magnet | Life Technologies | 12321D | Magnetic stand |
Intelli-Mixer RM-2L | Omnilab | 5729802 | Rotator |
ThermoMixer F1.5 | Eppendorf | 5384000012 | Mixer |
Small Embryo Collection Cages | Flystuff.com | 59-100 | Egg collection cage |
Centrifuge 5424 R | Eppendorf | 5404000413 | |
C1000 Touch Thermal Cycler | Bio-Rad | 1851148 | |
PCR tube strips | Greiner Bio-One | 673275 | |
NEBuffer 2.1 | New England Biolabs | B7202S | T4 DNA Polymerase buffer |