Diese Arbeit beschreibt ein Protokoll für die Erzeugung von hoher Auflösung in Situ Hi-C-Bibliotheken von dicht vor Gastrulation Drosophila Melanogaster inszeniert Embryonen.
Die dreidimensionale Architektur des Chromatins zu untersuchen, bietet wertvolle Einblicke in die Mechanismen der Genregulation. Hier beschreiben wir ein Protokoll zur Durchführung der Chromatin Konformation Capture Technik in Situ Hi-C in Drosophila Melanogaster Embryo Populationen in Szene gesetzt. Das Ergebnis ist eine Sequenzierung-Bibliothek, die die Zuordnung aller Chromatin Interaktionen ermöglicht, die im Zellkern in einem einzigen Experiment auftreten. Embryo Sortierung erfolgt manuell mit einem fluoreszierenden Stereo-Mikroskop und eine transgene Fliegenschnur mit einem nuklearen Marker. Mit dieser Technik, Embryo Populationen aus jedem Zyklus nuclear Division und mit definierten Zellzyklus-Status erhalten Sie mit sehr hoher Reinheit. Das Protokoll kann auch an ältere Embryonen über Gastrulation sortieren angepasst werden. Sortierte Embryonen dienen als Eingänge für in Situ Hi-C. Alle Experimente, einschließlich Bibliothek Vorbereitung, Sequenzierung können in fünf Tagen abgeschlossen werden. Das Protokoll hat niedrige input-Anforderungen und arbeitet zuverlässig mit 20 Blastoderm Embryonen als input-Material. Das Endergebnis ist eine Sequenzierung-Bibliothek für die Sequenzierung der nächsten Generation. Nach der Sequenzierung, können die Daten zu genomweite Chromatin Interaktion Karten verarbeitet werden, die analysiert werden können, mit einem breiten Spektrum der verfügbaren Tools, Informationen über topologisch zuordnen Domänenstruktur (TAD), Chromatin Schleifen und Chromatin zu gewinnen Fächer bei Drosophila -Entwicklung.
Chromatin Konformation erfassen (3C) hat eine außerordentlich nützliche Methode, um die Topologie des Chromatins in der Kern-1Studie entwickelt. Die Variante 3C Hi-C ermöglicht Messung der Kontakt Frequenzen aller Chromatin-Interaktionen, die im Zellkern in einem einzigen Experiment2auftreten. Anwendung von Hi-C spielte eine wichtige Rolle bei der Entdeckung und Charakterisierung von vielen grundlegenden Prinzipien des Chromatin Organisation, z. B. TADs, Fächern und Schlaufen3,4,5.
Studium der Chromatin-Architektur im Rahmen der entwicklungspolitischen Übergänge und Zelldifferenzierung werden zunehmend verwendet, um die Mechanismen der Genregulation bei diesen Prozessen6,7,8zu entwirren, 9. Eines der Modellorganismen von großem Interesse ist Drosophila Melanogaster, deren Entwicklung und Genom gut charakterisiert sind. Jedoch führte nur wenige Studien, die untersuchen, Chromatin Architektur in Drosophila außerhalb von in-vitro- Gewebekultur Einstellungen wurden10,11. In Embryonen waren 16 – 18 h Post Befruchtung, TADs und Fächer erinnert an ähnliche Strukturen bei Säugetieren identifiziert10, welche wirft die Frage, welche Rolle sie in der Genregulation bei Drosophila Embryos spielen Entwicklung. Vor allem in den frühen Stadien der Entwicklung, vor der Gastrulation sind solche Studien technisch anspruchsvoll. Vor der Gastrulation unterziehen Drosophila Embryos 13 synchrone nuklearen Unternehmensbereiche, die in einem rasanten Tempo von 8 bis 60 min pro Zyklus12,13fortfahren. Darüber hinaus das Fehlen von visuellen Funktionen, die verschiedenen Phasen zu unterscheiden erschweren, dicht inszenierten Embryo Material in ausreichender Menge zu erhalten.
Um ein Protokoll zu entwickeln, das Chromatin Architekturstudium in der frühen Entwicklung von Drosophila mit nuklearen Kreislaufs Auflösung ermöglicht, wir haben zwei bestehende Techniken kombiniert: in Situ Hi-C, wodurch die Generation mit hoher Auflösung ganze Genom Kontakt Karten5und Embryo-Inszenierung mit einer transgenen Drosophila -Linie mit dem Ausdruck eines eGFP-PCNA Transgen13,14. Das Transgen lokalisiert in den Zellkern während der Interphase und verteilt im gesamten syncytial Blastoderm während der Mitose. Mit dieser Eigenschaft ist es möglich, verschiedene Phasen durch ihre nuklearen Dichte und mitotischen Embryonen durch die Streuung der GFP-Signal leicht zu unterscheiden.
Diese Techniken ermöglichen die dreidimensionale Struktur des Chromatins in hoher Auflösung von nur 20 Drosophila Embryos zu studieren. Dieses Protokoll enthält die Anweisungen für die Ernte und Sortierung Drosophila Embryos Populationen von Embryonen aus einem einzelnen Atom Abteilung Zyklus zu erhalten. Es beschreibt die weitere Verwendung der gewonnenen Embryonen durchzuführen in Situ Hi-C. Das Endergebnis ist ein Nukleotid-Bibliothek für Sequenzierung auf Maschinen der nächsten Generation Sequenzierung geeignet. Der daraus resultierende Sequenzierung liest können dann zu detaillierten Chromatin Interaktion Karten für das gesamte Genom von Drosophila verarbeitet werden.
Die hier vorgestellten Protokoll ist sehr effektiv bei der Generierung von qualitativ hochwertige Karten der Chromatin-Architektur in den frühen Drosophila Embryos. Im Vergleich zu einer früheren Protokoll34, verwendet beschriebene Ansatz hier eine auf dem neuesten Stand in Situ Hi-C Verfahren5, was schnellere Verarbeitung, höheren Auflösung und weniger Reagenz Verwendung. Das gesamte Verfahren, einschließlich der in Situ -Hi-C-Protokoll wird voraussichtlich auf den unterschiedlichsten Bühnen und experimentellen Systemen neben Drosophilaarbeiten. Da das Protokoll geringem input Bedarf hat, könnte es auch auf isolierten Zellpopulationen verwendet werden. In Drosophilawenn einige Parameter mithilfe des Protokolls für Embryonen außerhalb des Bereichs hier beschrieben, insbesondere die Fixierung des Materials, müssen möglicherweise angepasst werden. Da ältere Embryonen eine hochgradig undurchlässige Kutikula entwickeln, können die Erhöhung der Konzentration von Formaldehyd und verlängert die Fixierung angebracht sein. Für die Sammlung von Embryonen in Phasen als nukleare Zyklus 14, Inkubationszeiten von Embryonen bei 25 ° C im Schritt 1.4 wie folgt angepasst werden müssen: nukleare Zyklus 12, 70 min; nukleare Zyklus 13, 90 min; 3 – 4 hpf, 03:30 Uhr.
Während 13 Spaltung Divisionen (Stufe 1-4) verdoppelt sich die Kerne Dichte etwa mit jeder Abteilung. Die Kerne können leicht durch ihre hellen GFP Fluoreszenz identifiziert werden. Während der Mitose eGFP-PCNA befindet sich nicht im Zellkern, und sein Signal über den Embryo verstreut ist. Diese Eigenschaft macht identifizierende Embryonen, die eine synchrone Spaltung Division möglich durchmachen. Für das Studium Chromatin Konformation, sind diese mitotischen Embryonen in der Regel nicht erwünscht, da die mitotische Organisation des Chromatins drastisch anders als die Interphase Organisation35. Es ist möglich, das Protokoll um speziell Embryonen durchläuft eine synchrone mitotische Teilung wählen anzupassen. In diesem Fall nur Embryonen mit verstreuten, nichtnukleare Verteilung von eGFP-PCNA aufbewahrt werden, und alle anderen Embryonen verworfen werden sollte. Da die atomare Dichte bestimmt werden kann, müssen alternative Methoden, um Embryonen durch ihre Morphologie in der übertragenen Lichtmikroskopie angesehen eingesetzt werden. Pol-Zellen und Kerne an die Peripherie der Embryo hindeuten, dass der Embryo mindestens nuklearen Kreislaufs 9, abgeschlossen wurde während sichtbare Cellularization an der Peripherie nuklearen Zyklus 1412anzeigt.
Hallo-C Experimente können erfolgreich mit einer großen Auswahl von Restriktionsenzymen5durchgeführt werden. Aktuelle Ansätze verwenden in der Regel Enzyme, die entweder eine 4-Base-Sequenz, wie MboI oder ein 6-Base Anerkennung-Website, z. B. HindIII zu erkennen. Der Vorteil von 4-Base Fräser über 6-Base Fräser ist, dass sie höhere mögliche Lösung angesichts genügend Sequenzierung Tiefe und eine gleichmäßigere Abdeckung von Restriktionsschnittstellen über das Genom. Es gibt keine klarer Vorteil bei der Wahl einer 4-Sockel-Fräser über weitere5,23,36,37. Die zwei am häufigsten verwendeten Enzyme, MboI und DpnII, erkennen beide die gleichen GATC-Anerkennung-Website. DpnII ist unempfindlicher gegen CpG Methylierung, kein Anliegen in Drosophila. Die hier vorgestellten Protokoll kann auch als ein Restriktionsenzym DpnII verwenden erfolgreich abgeschlossen werden. In Abschnitt 4.2. Restriktionsenzym und Puffer haben gemäß den Empfehlungen des Herstellers für DpnII Kompatibilität angepasst werden.
Weicht die Fragmentgröße der Sequenzierung Bibliothek deutlich aus dem Bereich in Abbildung 2Agezeigt, kann Clusterbildung während der Sequenzierung werden weniger effizient oder komplett ausfallen. In diesem Fall die Größenverteilung nach der Schur sollte überprüft werden und Scheren Parameter entsprechend angepasst. Gipfel in der Verteilung der DNA-Fragmente von sehr kleinen ( 1.000 bp) Größen deutet auf Probleme mit Größenauswahl, z. B. tragen über Perlen oder überstand, die verworfen werden sollen. Diese Bibliotheken mit kleinen Peaks bei diesen unerwünschten Größen, z. B. eine abgebildet, sind noch sequenziert oft erfolgreich mit nur einem geringfügigen Rückgang clustering Effizienz.
Hohe Raten von PCR Doppelarbeit sollte vermieden werden, denn dies drastisch die Anzahl der nutzbaren Sequenz liest reduziert. Die Rate der PCR Duplikate steht in direktem Zusammenhang mit der Menge an input-Material. Mit mehr Input mindert daher in der Regel Probleme mit PCR Vervielfältigung.
Höhere Zahlen liest, gefiltert durch Lesen Sie Orientierung ()( )Abbildung 2 bunzureichende Verdauung, die das Ergebnis der Verwendung zu wenig Enzym, zuviel input-Material oder unvollständige Homogenisierung der Embryonen werden kann.
The authors have nothing to disclose.
Diese Forschung wurde von der Max-Planck-Gesellschaft finanziert. C.B.H. wurde durch ein Stipendium von der International Max Planck Research School – molekulare Biomedizin unterstützt. Wir danken Shelby Blythe und Eric Wieschaus für die freundliche Bereitstellung eGFP-PCNA Drosophila Melanogaster Linie.
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 |