A plasticidade da arquitetura nuclear é controlada por mecanismos epigenéticos dinâmicos, incluindo não-codificantes RNAs, DNA methylation, nucleossoma reposicionamento, bem como composição de histona e modificação. Aqui descrevemos um protocolo de isolamento Formaldehyde-Assisted de elementos normativos (FAIRE) que permite a determinação de acessibilidade de cromatina de forma reprodutível, barata e simples.
Expressão gênica adequadas em resposta a sinais extracelulares, ou seja, específicos do tecido e linhagem genética da transcrição, criticamente depende altamente definidos Estados de organização da cromatina. A dinâmica arquitetura do núcleo é controlada por vários mecanismos e formas dos programas de saída transcricional. É, portanto, importante determinar a acessibilidade de cromatina locus específico de forma confiável de preferência independente de anticorpos, que podem ser uma fonte potencialmente confundimento de variabilidade experimental. Acessibilidade de cromatina pode ser medida por vários métodos, incluindo o ensaio de isolamento Formaldehyde-Assisted de elementos normativos (FAIRE), que permitem a determinação de acessibilidade geral da cromatina em um número relativamente baixo de células. Aqui descrevemos um protocolo FAIRE que permite a identificação simples, confiável e rápida das regiões genômicas com uma ocupação de baixa proteína. Neste método, o DNA é covalentemente ligado às proteínas da cromatina usando formaldeído como agente de reticulação e cortado em pedaços pequenos. O DNA gratuito é depois enriquecido usando extração fenol: clorofórmio. A proporção de DNA livre é determinada pela reação em cadeia da polimerase quantitativa (qPCR) ou sequenciação de ADN (DNA-seq) em comparação com uma amostra de controle que representa o DNA total. As regiões com uma estrutura mais flexível de cromatina são enriquecidas na amostra grátis do DNA, permitindo assim a identificação de regiões genômicas com baixa compactação da cromatina.
O DNA genômico das células eucarióticas é hermeticamente embalado para os nucleossomas, que precisa ser removido ou remodelada para permitir a interação com o DNA de outras proteínas. A ativação transcricional de um gene, geralmente, resulta em uma configuração mais aberta da sua estrutura de partícula, particularmente no nucleossoma + 11, para facilitar a transcrição pela RNA polimerase. Também, regiões reguladoras tais como promotores e potenciadores de sofrem mudanças dinâmicas em sua acessibilidade de cromatina para permitir a interação com modificadores de cromatina ou de fatores de transcrição2. Várias abordagens têm sido desenvolvidos para identificar essas regiões livres de nucleossoma. Estes incluem a sensibilidade de nucleases como DNase eu3 ou nuclease micrococcal4, que só pode acessar o DNA quando ele não é firmemente disposto ao redor os nucleossomas. Outros métodos para a identificação da cromatina aberta ou DNA livre incluem a integração mediada por transposase de elementos retrotransposable (ensaio para Transposase-acessível da cromatina, ATAC)5, ou cromatina (ChIP) de imunoprecipitação usando anticorpos contra histonas. O método FAIRE não é baseado na capacidade de uma enzima para alcançar o DNA ou a ligação de um anticorpo para uma proteína em particular, mas em vez disso depende a purificação das regiões nucleossoma-livre por uma extração de fenol: clorofórmio6,7. Neste método, o DNA é covalentemente a proteínas da cromatina pelo formaldeído de agente de reticulação e é depois cortado em pequenos pedaços por sonication. Regiões de cromatina firmemente embaladas terá ligações cruzadas de DNA/proteína abundantes, enquanto regiões de DNA com nenhum ou poucos nucleosomes terá pouca ou nenhuma complexos de DNA/proteína de ligação cruzada. Uma extração de fenol: clorofórmio permite a purificação do DNA livre na fase aquosa, enquanto a quitosana de DNA para as proteínas é capturado na fase orgânica fenol ou interfase aquosa-orgânica juntamente com as proteínas não-quitosana. A quantificação deste DNA livre em comparação com uma referência de amostra de DNA total permite a identificação das regiões da cromatina livre. O método FAIRE pode ser usado para a caracterização das regiões genômicas individuais conforme descrito aqui, mas também é adequado para a identificação de acessibilidade de todo o genoma da cromatina quando acoplado ao sequenciamento profundo, conforme descrito em diferentes modelos8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13. os resultados obtidos por outros métodos como ATAC-seq e FAIRE-seq em grande parte se sobrepõem a14. O método FAIRE é um muito robusto, barato e fácil de executar o método para identificar regiões livres de nucleossoma. Ao contrário de outros métodos, que não exige experiências piloto para determinar o nível apropriado de digestão conforme exigido por nucleases (DNase-seq, seq-MNase) ou transposases (ATAC-seq) e discutidos detalhadamente em uma recente revisão de15. Os únicos parâmetros para ser ajustado são o sonication condições e em alguns casos, o tempo de fixação. Este artigo descreve um protocolo simples que é apresentado esquematicamente na Figura 1 , e que não exige qualquer equipamento especial que não seja um sonicador. O protocolo pode ser executado em um tempo razoavelmente curto e faz FAIRE um método fácil e confiável para testar a acessibilidade de cromatina em um número de diferentes tipos de células variando de pulmão de células11 de células primárias, obtidas a partir de fígados de rato16.
FAIRE é um método robusto e de baixo custo, permitindo a identificação de regiões livres de nucleossoma. É baseado no princípio de que o DNA enrolado nucleosomes pode ser facilmente quitosana para as histonas. Uma extração de fenol: clorofórmio é usada para separar o DNA de proteínas, que se encontra na fase de fenol inferior e até certo ponto no período do intérfase (Figura 1) o não-quitosana e fragmentos de DNA livre de proteína. Portanto, as regiões nucleossoma-free estão sobre-representados na fração de DNA livre na fase aquosa. Um número de publicações descreve protocolos detalhados de FAIRE método23,24,25,26, que pode ser consultada para complementar o procedimento descrito aqui.
Semelhante a outros métodos usados para determinar a estrutura da cromatina, o método FAIRE criticamente também depende de tosquia ideal do DNA. Se os fragmentos são muito longos, qualquer região livre de nucleossoma será mascarada adjacentes ligados a cromatina DNA. Se os fragmentos são muito pequenos, a deteção por qPCR ou sequenciamento profundo torna-se muito difícil. Por esta razão, o sonication do DNA é um parâmetro crucial que deve ser controlado e otimizado para obter fragmentos em torno de 200-300 comprimento de bp, que representam os nucleosomes 1-2 (Figura 4).
Outro parâmetro que pode afetar o resultado final é a reticulação da amostra. Embora o procedimento de fixação descrito aqui é válido para a maioria das linhas de celular, o pesquisador deve avaliar cuidadosamente este passo para a amostra particular sob estudo, especialmente quando usando tecidos, onde tempos mais longos de fixação podem ser necessários para permitir que o formaldeído para atingir as células em todas as amostras de tecido.
Ao contrário de outros métodos, tais como a DNase I ou hipersensibilidade micrococcal nuclease, ChIP ou ATAC, FAIRE não depende de uma atividade enzimática ou anticorpos específicos, e, portanto, que não precisa de titulação ou otimização das condições de reação. Isto faz FAIRE um método ideal para medir a acessibilidade de cromatina para laboratórios com pouca experiência no campo da cromatina. Além disso, experimentos piloto só são necessários a fim de otimizar a etapa de corte do DNA e o tempo de reticulação, quando necessário.
O método foi desenvolvido inicialmente em fermento6, mas ele também foi estendido para células de mamíferos. O DNA purificado com o método FAIRE pode ser usado para sequenciamento profundo, permitindo a caracterização de todo o genoma do status da cromatina. Isto já provou útil em um número de estudos8,9,10,11,12,13,19,27, 28.
Resultados de experimentos de FAIRE-seq mostram uma grande sobreposição com os resultados obtidos por outros métodos como DNase-seq14, embora algumas diferenças surgem. Isto é devido a diferenças metodológicas, como por exemplo nucleosomes relaxados ou remodeladas ainda poderiam dificultar a clivagem por DNase eu, enquanto estas regiões de DNA seriam menos propensas a produzir ligações cruzadas do DNA/proteína e, portanto, seria determinadas como nucleossoma-livre regiões usando FAIRE9. Também, a presença de proteínas não-histonas como ARN-polimerase ou proteínas de leitor para marcas epigenéticas poderia resultar em ligações cruzadas do DNA/proteína e, portanto, seria interpretada como regiões de proteína-embalados em experimentos FAIRE. Estas limitações são inerentes a cada método utilizado para a determinação do estado de cromatina, aumentando assim a necessidade de usar uma combinação de diferentes métodos para obter uma visão abrangente.
The authors have nothing to disclose.
Os autores gostaria de agradecer Tilman Borggrefe (Universidade de Giessen) gentilmente partilha o dispositivo sonication. O trabalho de M.L.S. é suportado por concessões do programa IMPRS-HLR, SFB/TRR81, SFB1021, SFB1213, a excelência Cluster sistema Cardio-pulmonar (ECCPS, EXC. o 147/2), o Deutsche Krebshilfe (111447) e a Deutsche Forschungsgemeinschaft (SCHM 1417/8-3) da sociedade Max Planck.
Phenol:chloroform:isoamyl alcohol 25:24:1 | Carl Roth | A156.1 | |
Glycogen, 20 mg/ml | Thermo Fisher | R0561 | |
ABsolute QPCR Mix, SYBR-Green, Rox | Thermo Fisher | AB1162B | |
Proteinase K, 20 mg/ml | Thermo Fisher | EO0491 | |
RNase A, 10 mg/ml | Thermo Fisher | EN0531 | |
Leupeptin | Sigma | L8511 | |
Aprotinin | Sigma | A1603 | |
Phenylmethylsulfonyl fluoride (PMSF) | Sigma | 78830 | |
milliTUBE 1 ml AFA Fiber | Covaris | 520130 | |
Holder milliTUBE 1ml | Covaris | 500371 | |
Covaris S220 Focused-ultrasonicator | Covaris | ||
StepOnePlus Real-Time PCR System | Applied Biosistems | 4376600 |