حلقات الكروماتين تلعب دوراً هاما في تنظيم الجينات؛ ومع ذلك، كانت هناك لا التطورات التكنولوجية التي تسمح بتعديل حلقات الكروماتين انتقائية وعكسها. هنا يصف لنا نظاما قويا للونين حلقة إعادة تنظيم استخدام كريسبر-dCas9 (CLOuD9)، أظهرت بصورة انتقائية وعكسية تعدل التعبير الجيني في استهداف المكاني.
الدراسات التي أجريت مؤخرا أظهرت بوضوح أن الكروماتين بعيد المدى، وثلاثي الأبعاد حلقات التفاعلات تلعب دوراً هاما في تنظيم التعبير الجيني، لكن إذا كان التكرار المسؤول عن أو نتيجة للتعديلات في التعبير الجيني لا يزال غير معروف. وحتى وقت قريب، حلقات الكروماتين يؤثر على كيفية تنظيم نشاط الجين ووظيفة الخلوية كانت غامضة نسبيا، وأوجه القصور في الأساليب الحالية التعامل مع هذه الهياكل منع استكشاف متعمق لهذه التفاعلات. لحل هذا الغموض، يمكننا إجراء هندسة عكسية طريقة الكروماتين انتقائية وعكسها حلقة إعادة تنظيم استخدام كريسبر-dCas9 (CLOuD9). قد تجلت دينامية النظام CLOuD9 الترجمة الناجحة من بنيات CLOuD9 لاستهداف المكاني الجينوم تعدل تشكيل الكروماتين المحلية. الأهم من ذلك، قد أكد أيضا القدرة على عكس المستحث بجهة الاتصال وإعادة تكيف الكروماتين الذاتية. تعديل التعبير الجيني بهذا الأسلوب يحدد القدرة على تنظيم التعبير الجيني الخلوية ويبرز إمكانات كبيرة لتطبيقات هذه التكنولوجيا في خلق استقرار حيثياته الحلقات الكروماتين ملحوظ تؤثر على الجينات التعبير في السياقات السرطان والتنمية.
العلاقة بين الكروماتين قابلة للطي في النواة ومنظمة محددة من الجينوم قد حصل على اهتمام كبير في السنوات الأخيرة، كما أنه ثبت أن تكون مرتبطة ارتباطاً وثيقا بالتعبير الجيني1،2. بينما العلاقة الدقيقة بين نشاط الجينات وتعديل هيكل الكروماتين لا يزال غير واضح، قد تم الافتراض بأن التفاعلات بين جهات الاتصال صبغية نتيجة تنظيم الكروماتين ثلاثي الأبعاد الحيوية تخدم وظيفة التنظيم الجيني3. والواقع أن هذا أثر قد ثبت جيدا في موضع الجينات البشرية جلوبين، حيث المنطقة موضع عنصر التحكم (LCR) وينظم نشاط الجينات جلوبين بطريقة محددة تنمويا بإنشاء حلقة الكروماتين بين المنطقتين4. ومع ذلك، في كل هذا، ومناطق أخرى، الواضح حلقات الكروماتين هو ما إذا كان سببا أو نتيجة للتعديلات في التعبير الجيني.
حتى الآن، ظلت التحديات في دراسة هذه الظاهرة التي لم تحل. على سبيل المثال، تشارك سائر المحاولات الرامية إلى حمل الحلقات الكروماتين تعديل تسلسل الحمض النووي الخطي أو إجراءات معقدة تتطلب وفرة معرفة الأساسية على عناصر محددة تسهل حلقات5،6، 7،8. بالإضافة إلى ذلك، بينما العمل السابقة قد اقترحت أن الكروماتين الحلقات محرك التعبير الجيني في سياق محدد ومقيد7،8، المستوى في الكروماتين الذي حلقات يؤثر النسخ عالمياً غير مؤكد. على الرغم من تزايد الاهتمام بتأثير حلقات طويلة المدى على التعبير الجيني باستمرار في السنوات الأخيرة، ما زالت قائمة الأسئلة حول إنشاء والاحتفاظ بجهات الاتصال الكروماتين لتغيير نشاط الجينات.
توظف التكنولوجيا التي كنا قد هندسيا نوكلاس ناقصة متفاوت المسافات بانتظام إينتيرسباسيد المتناوب قصيرة يكرر (كريسبر)-كريسبر-المرتبطة البروتين 9 (dCas9)، للسماح لاستهداف أي المكاني الجينوم9تنطبق على نطاق واسع. يحل المسائل المعقدة المتعلقة بإدخال تعديلات على تسلسل الحمض النووي الخطية هذه التكنولوجيا ويمكن الوصول إليها دون علم مسبق هام من مكونات حلقات خاصة. وأبرزها الأداة عالمية ونطاق واسع ينطبق على الحلقات الكروماتين المعترف بها في التنمية، فضلا عن مجموعة متنوعة من الأمراض، مثل السرطان. قوة CLOuD9 يتجلى بشكل قابل للعكس تغيير هيكل الحلقات شكل فعال تعدل التعبير الجيني.
The most خطوات حاسمة في حلقات الكروماتين CLOuD9: 1) تصميم أو استخدام جرناس الصحيح، الإعلام 2) المتغيرة يوميا على ترانسدوسيد CLOuD9 الخلايا، بما في ذلك أبا أو [دمس]، 3) الحفاظ على نضارة أبا، و 4) إجراء تقييمات دقيقة ومتأنية من الكروماتين المطابقة.
حدود CLOuD9 يقيمون أساسا في القدرة على تصميم أدلة للمنطقة المستهدفة للاختيار. دليل الكشف القيام بالمهمة الهامة المتمثلة في إضفاء الطابع المحلي على مكونات dCas9 إلى المناطق المستهدفة الحمض النووي تكون ديميريزيد وفعالية الأدلة تستند إلى موقعهم مستهدفة محددة. دون المكونات جرنة السليم، CLOuD9 النظام لن يكون قادراً على تشكيل عكسية الناجمين عن الحلقات. وهكذا، بتصميم أدلة متعددة لكل منطقة من مناطق الاهتمام ونشر الأدلة على منطقة 250-1000 bp، سيكفل دليل نجاح واحد على الأقل. موقع الدليل أيضا جزء لا يتجزأ من نتائج دقيقة. من المهم تجنب الأدلة الموجودة في مواقع الربط عامل النسخ أو المناطق الحرجة الأخرى لمنع الآثار الخلفية مثل أعلى أو أسفل اللائحة من النسخ. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تؤثر الموقع الدقيق لبناء CLOuD9 قليلاً بنسخ الجينات المستهدفة. وهذا يؤكد أهمية اختبار أزواج متعددة من الأدلة لكل المنطقة المستهدفة، وتحديد الزوج الأكثر قوة لأغراض تجريبية. علاوة على ذلك، في كل زوج من المناطق المستهدفة، ينبغي أن تستهدف بناء وكالة الفضاء الكندية مع جرناس ل S. aureus، وينبغي أن تستهدف بناء CSP مع جرناس المقيّحة س لاستهداف خصوصية.
لضمان دقة النتائج وثنائي الصحيح، من المهم أيضا للحفاظ على نضارة البيئات الخلوية بعد توصيل من بنيات CLOuD9. تغيير وسائل الإعلام اليومية وإضافة ديميريزير جديدة (أو التحكم) يضمن أن تظل بالقرب من بنيات مكملة والحفاظ على تكيف الكروماتين غيرت. وعلاوة على ذلك، تضمن أبا طازجة وتم تخزينها على نحو مناسب وفقا للبروتوكول الخاص بالشركة المصنعة (فتح في غضون 6 أشهر، تبقى باردة، محمية من الضوء) ضروري للحصول على نتائج صحيحة.
جدير بالذكر أن استخدمت ديميريزير أبا ل CLOuD9 مع أبي وبرونتوسوروس البروتينات ثنائي، بدلاً من أن تستخدم الأكثر شيوعاً نظام FRB وفكبب. ضرورة رابالوج للنظام FRB/فكبب ستكون محدودة بانطباق CLOuD9، بسبب السمية على الخلايا السرطانية. التحايل نظام بديل لأبي/برونتوسوروس هذا القيد، فعالية تمكين CLOuD9 أن يكون قابل للاستعمال على نطاق أوسع.
جماعياً، وقد وضعنا CLOuD9، تقنية فريدة وقوية يمكن قسراً ولكن عكسية إنشاء جهات اتصال بين الهدف بعيد المدى المكاني الجينوم. من خلال حمل الحلقات الكروماتين، نثبت أيضا أن CLOuD9 يمكن أن تستخدم لتعديل التعبير الجيني في سياق الخلوية المناسبة. يسمح تكييف التكنولوجيا لدراسة التفاعلات بين أي المكاني الجينوم اثنين، دون أن يتطلب ذلك معرفة مسبقة من حلقات المناطق أو حلقات الآليات غير مقيد. وباﻹضافة إلى ذلك، عكس CLOuD9 بأظهر فريدة من نوعها تمكن كذلك دراسة آليات حلقات في المرض والتنمية. في حين آثار على الهدف من حلقات الكروماتين قد تم بوضوح، هناك بعد أن تكون البيانات التي توفر نظرة ثاقبة آثار حلقات خارج الهدف والأثر اللاحق على الحلقات على الهدف.
لدينا البيانات يوضح سوى عدد قليل من الطلبات لهذه الأداة ولكن يعني الفكرة الأساسية الرئيسية أن ترتيب الكروماتين إرشادي للتعبير الجيني. يمكن استخدام التكنولوجيا لدينا لدراسة وتكشف عن الفروق الدقيقة هيكل الكروماتين في تنظيم الجينات، مما يؤدي إلى تحسين الفهم العام لدور الكروماتين قابلة للطي في نسخ جينات. فهم أفضل للدقيقة لديناميات النسخي يمكن أن تقود الطريق في البحوث والعلاج من السرطان والأمراض الوراثية والخلقية، في الكروماتين المتميزة التي يغير الجمعية بلا شك التعبير الجيني20، 21،،من2223. سوف تضيء الأعمال اللاحقة استخدام تكنولوجيا CLOuD9 المزيد من التفاصيل حول الترتيب وديناميات المجالات الكروماتين وكيف أنها محرك أقراص قابلة للطي للحفاظ على التعبير الجيني مستقرة في كل من التنمية والمرض.
The authors have nothing to disclose.
نشكر تشانغ حاء، أورو ت.، س. تافازوي، فلين R.، باتيستا ص، كالو هاء، ومختبر وانغ كامل الدعم الفني وقراءة نقدية من المخطوطة. وقد دعمت S.L.M. في هذا العمل عن طريق نسفجرف (DGE-114747)، ندسيجف (FA9550-11-ج-0028)، والمعهد الوطني للسرطان (1F99CA222541-01). K.C.W. معتمد من قبل “جائزة المهنة” “علماء الطب” من صندوق ويلكوم بوروز، وهو دونالد هاء ودليا باء باكستر مؤسسة كلية الباحث.
RPMI 1640 media | Life Technologies | 11875-119 | For K562 cell culture |
DMEM media | Life Technologies | 11995-065 | 1X, for 293T cell culture |
lentiCRISPR v2 | Addgene plasmid | #52961 | For CLOuD9 plasmid development |
pRSV-Rev | Addgene plasmid | #12253 | For lentivirus production |
pMD2.G | Addgene plasmid | #12259 | For lentivirus production |
pMDLg/pRRE | Addgene plasmid | #12251 | For lentivirus production |
Lipofectamine 2000 | Thermo Fisher Scientific | 11668-019 | For lentivirus production |
anti-HA antibody | Cell Signaling | 3724 | For immunoprecipitation |
anti-Flag antibody | Sigma | F1804 | For immunoprecipitation |
DNeasy Blood and Tissue Kit | Qiagen | 69504 | For DNA extraction |
TRIzol | Life Technologies | 15596-018 | For RNA extraction |
RNeasy Kit | Qiagen | 74106 | For RNA extraction |
Superscript VILO | Life Technologies | 11754-050 | For cDNA |
SYBR Green I MasterMix | Roche | 4707516001 | For qPCR analysis |
Light Cycler 480II | Roche | For qPCR analysis | |
anti-H3K4me3 antibody | AbCam | ab8580 | For ChIP-qPCR |
anti-RNA Pol-II antibody | Active Motif | 61083 | For ChIP-qPCR |
EDTA free protease inhibitor | Roche | 11873580001 | For protein extraction |
4-12% Tris Glycine gel | Biorad | Any size, For western blot | |
anti-Rabbit HRP antibody | Santa Cruz | sc-2030 | For western blot |
anti-mouse HRP antibody | Cell Signaling | 7076S | For western blot |
K562 and H3K293 ChIP-Seq data | Encode | ENCSR000AKU | For ChIP-seq analysis |
K562 and H3K293 ChIP-Seq data | Encode | ENCSR000APE | For ChIP-seq analysis |
K562 and H3K293 ChIP-Seq data | Encode | ENCSR000FCJ | For ChIP-seq analysis |
K562 and H3K293 ChIP-Seq data | GEO | GSM1479215 | For ChIP-seq analysis |
Dynabeads Protein A for Immunoprecipitation | Thermo Fisher Scientific | 10001D | For immunoprecipitation |
Dynabeads Protein G for Immunoprecipitation | Thermo Fisher Scientific | 10004D | For immunoprecipitation |
RNA Clean & Concentrator-5 | Zymo Research | R1015 | For RNA purification |
Pierce 16% Formaldehyde Methanol-free | Thermo Fisher Scientific | 28908 | For crosslinking |
PX458 Plasmid | Addgene | 48138 | Suggested active Cas9 plasmid for gRNA cloning, but any active Cas9 plasmid will do |
QIAquick PCR Purification Kit | Qiagen | 28104 | For PCR purification |
FastDigest BsmBI | Thermo Fisher Scientific | FD0454 | For cloning guide RNAs |
FastAP | Thermo Fisher Scientific | EF0651 | For cloning guide RNAs |
10X FastDigest Buffer | Thermo Fisher Scientific | B64 | For cloning guide RNAs |
QIAquick Gel Extraction Kit | Qiagen | 28704 | For cloning guide RNAs |
10X T4 Ligation Buffer | NEB | B0202S | For cloning guide RNAs |
T4 PNK | NEB | M0201S | For cloning guide RNAs |
2X Quick Ligase Buffer | NEB | B2200S | For cloning guide RNAs |
Quick Ligase | NEB | M2200S | For cloning guide RNAs |
Buffers | |||
Farnham lysis buffer | 1% Tris-Cl pH 8.0, 1% SDS, 1% protease inhibitor water solution (non-EDTA), and 1 mM EDTA in water | ||
Modified RIPA buffer | 1% NP40/Igepal, 0.5% sodium deoxycholate, 0.1% SDS, 1 mM EDTA, and 1% protease inhibitor water solution (non-EDTA) in PBS pH 7.8 or 7.4 | ||
IP dilution buffer | 0.01% SDS, 1.1% Triton-X 100, 1.2 mM EDTA, 16.7 mM Tris-HCl pH 8.0, 167 mM NaCl, 0.1x protease inhibitor | ||
Wash buffer | 100 mM Tris pH 9, 100 mM LiCl, 1% NP-40, and 1% sodium deoxycholate | ||
Swelling buffer | 0.1 M Tris pH 7.5, 10 mM potassium acetate, 15 mM magnesium acetate, 1% NP-40 | ||
Dilution buffer | 0.01% SDS, 1.1% Triton X-100, 1.2 mM EDTA, 16.7 mM Tris pH 8 and 167 mM NaCl | ||
IP elution buffer | 1% SDS, 10% NaHCO3 |