Dit protocol beschrijft de stappen die nodig zijn voor het ontwerpen en uitvoeren multiplexed targeting van versterkers met de deactivering fusieproteïne SID4X-dCas9-KRAB, ook bekend als enhancer interferentie (Enhancer-i). Dit protocol stelt de identificatie van versterkers die regelen van genexpressie en vergemakkelijkt de dissectie van de relaties tussen de versterkers van regulering van een gemeenschappelijk doel-gen.
Meerdere versterkers reguleren vaak een bepaald gen, maar voor de meeste genen, blijft het onduidelijk welke versterkers zijn nodig voor de expressie van genen, en hoe deze versterkers combineren om te produceren een transcriptionele reactie. Zoals miljoenen van versterkers zijn geïdentificeerd, zijn high-throughput hulpmiddelen nodig voor het bepalen van de versterker functie op de schaal van een genoom-brede. Huidige methoden voor het bestuderen van de versterker functie omvatten genetische verwijderingen met behulp van de nuclease-bedreven Cas9 maken, maar het is moeilijk te bestuderen van de combinatorische effecten van meerdere versterkers met behulp van deze techniek, zoals meerdere opeenvolgende klonale cellijnen moeten worden gegenereerd. Hier presenteren we Enhancer-i, een CRISPR storing gebaseerde methode waarmee voor functionele ondervraging van meerdere versterkers gelijktijdig op hun endogene loci. Versterker-i maakt gebruik van twee repressieve domeinen gesmolten tot nuclease-deficiënte Cas9, SID en KRAB, om enhancer deactivering via Histon deacetylation op gerichte loci. Dit protocol maakt gebruik van voorbijgaande transfectie van gids RNAs om voorbijgaande inactivatie van de beoogde regio’s en is met name effectief op het weren van afleidbare transcriptionele reacties op stimuli in weefselkweek instellingen. Versterker-i is zeer specifiek, zowel in de genomische gericht op en de gevolgen voor mondiale genexpressie. De resultaten van dit protocol helpen te begrijpen of een versterker draagt bij tot de genexpressie, de omvang van de bijdrage, en hoe de bijdrage wordt beïnvloed door andere nabijgelegen versterkers.
Grootschalige projecten zoals ENCODE1en routekaart Epigenomics2FANTOM sequencing3 hebben miljoenen van vermeende versterkers binnen het menselijk genoom geïdentificeerd over honderden celtypes. Geschat wordt dat elke promotor met een gemiddelde van 4,9 versterkers koppelt en elke enhancer contact op met een gemiddelde van 2,4 genen3, suggereert dat genexpressie vaak het resultaat van de integratie van meerdere gedistribueerde regelgevende interacties is. Een belangrijke resterende uitdaging is om te definiëren hoe afzonderlijke versterkers van niet alleen bijdragen tot genexpressie, maar hoe ze combineren om invloed op de expressie. Genetische benaderingen worden algemeen gebruikt als aanduiding van de relaties tussen versterkers in modelorganismen van Drosophila4 tot en met5van de muizen. Deze experimenten zijn echter tijdrovend en lage-doorvoer voor de studie van meerdere versterkers op meerdere genen.
Een benadering voor het bestuderen van de versterker functie op grote schaal houdt massaal parallelle verslaggever testen. Deze tests zijn voorzien van de gelijktijdige screening van duizenden van de opeenvolgingen van DNA om hun vermogen om de uitdrukking van een reporter gene6rijden. Terwijl deze tests is gebleken dat DNA-sequentie alleen voldoende zijn kan om overbrengen van gene verordening informatie7, komen ze met het voorbehoud van wordt uitgevoerd buiten de context van de inheemse chromatine en met een heteroloog promotor. Bovendien, is de grootte van de DNA-sequentie wordt geanalyseerd in massively parallel verslaggever testen meestal minder dan 200 basepairs, waarin relevante omliggende volgorde kunnen uitsluiten. Nog belangrijker is, als verslaggever testen alleen de activiteit van één opeenvolging tegelijk meten, doen ze niet rekening houden met de complexe relaties die tussen de versterkers optreden kunnen. Dus, hoewel massaal parallelle verslaggever testen kunnen informatief over de intrinsieke activiteit van een DNA-sequentie, ze doen niet per se mee te delen van de functie van dat DNA-sequentie in het kader van het genoom.
Onlangs hebben ontwikkelde CRISPR/Cas9 tools8 vergemakkelijkt de studie van genregulatie zoals zij toestaan voor de verwijdering van versterkers op de endogene locus. Echter tegelijkertijd verwijderen van meerdere versterkers kan leiden tot instabiliteit van het genoom, en het is tijdrovend voor het genereren van opeenvolgende enhancer verwijderingen in de lijn van een enkele cel. Bovendien, nieuwe genomic volgorde wordt gemaakt op de site van de verwijdering na reparatie, en deze reeks kan winnen regulerende functie. Een alternatieve versie van Cas9 is speciaal ontwikkeld voor modulerende genexpressie, vertrouwen op fusies van9,10 te activeren of onderdrukken van11,12 domeinen aan de nuclease-deficiënte formulier van Cas9 (dCas9). Deze fusie-eiwitten zijn ideaal voor het bestuderen van meerdere loci gelijktijdig als ze niet fysiek de opeenvolging van DNA veranderen, en in plaats daarvan het moduleren van epigenetica om het ondervragen van een regelgevende regio. De meest gebruikte repressieve fusie is KRAB, die het KAP1 mede onderdrukker complex werft, bevordering van de afzetting van de repressie-geassocieerde Histon H3 lysine 9 trimethylation (H3K9me3)13. dCas9-KRAB, ook bekend als CRISPR interferentie14, is gebruikt om afzonderlijke versterkers van target en scherm voor hun bijdragen aan gen expressie15,16; echter, het is niet geoptimaliseerd voor het targeten van meerdere regio’s tegelijkertijd. Één versie van multiplex CRISPR interferentie voor enhancers, mozaïek-seq17, eencellige RNA-seq gebruikt als een uitlezing, maar deze technologie is duur en enkel geschikt voor de studie van zeer uitgesproken genen vanwege de lage gevoeligheid van één cel RNA-seq.
We gestreefd naar de ontwikkeling van een CRISPR storing gebaseerde methode voor het ontleden van combinatoriële enhancer functie in het kader van een transcriptionele reactie op oestrogeen. Ongeveer de helft van de oestrogeen-responsief genen bevatten 2 of meer versterkers gebonden door de oestrogeen receptor-alpha (ER) in de buurt van18, suggereren dat meerdere versterkers kunnen worden deel te aan de oestrogeen-reactie nemen, en begrijpen dat de regelgevende logica zou vereisen gelijktijdig meerdere versterkers gericht op. Zoals de aanvankelijke studies met behulp van CRISPR-interferentie bij initiatiefnemers voorgesteld dat niet alle initiatiefnemers even reageren op KRAB-gemedieerde repressie19 zijn, redeneerde we dat de toevoeging van een afzonderlijke repressieve domein dCas9 het deactiveren van vergemakkelijken kan de versterkers van het divers. We kozen de Sin3a interactie domein van Mad1 (SID)20 omdat het leidt tot de aanwerving van Histon deacetylases21, waarvan verwijderen acetylgroepen op histonen die geassocieerd met een transcriptionele activiteit worden. Nog belangrijker is, het domein-SID was effectief in het verminderen van genexpressie wanneer gesmolten dCas922 te verhalen23, en Sin3a heeft aangetoond dat een krachtige repressieve co-factor in een verscheidenheid van contexten24van de volgorde van de versterker. We SID4x-dCas9-KRAB (Enhancer-i) gebruikt om te richten van 10 verschillende versterkers gebonden aan de ER, en ER bandplaatsen (ERBS) die nodig voor de oestrogeen transcriptionele reactie op 4 genen18 zijnidentificeren. Wij ook de combinaties van versterkers te identificeren van de sites die in de productie van het oestrogeen transcriptionele antwoord samenwerken gericht. We vonden dat maximaal 50 sites kan mogelijk worden gericht gelijktijdig met detecteerbare gen expressie veranderingen. Met behulp van ChIP-seq en RNA-seq, we laten zien dat Enhancer-i een zeer specifieke techniek is voor het bestuderen van meerdere versterkers gelijktijdig.
In dit protocol beschrijven we de stappen betrokken bij het uitvoeren van Enhancer-i, een flexibele techniek waarmee de functionele studie van meerdere versterkers gelijktijdig in de instelling van een weefselkweek. Versterker-i is sterk gecorreleerd met genetische schrappen maar biedt tijdelijke deactivering die afhankelijk is van Histon deacetylases (HDACs). Door het leveren van gids RNAs via voorbijgaande transfectie in tegenstelling tot stabiele integratie via virale vectoren, vermijdt dit protocol afzetting en potentiële verspreiding van H3K9me3. Dit protocol details gids RNA ontwerp en klonen via assemblage van Gibson, de transfectie van gids RNAs met behulp van lipofection en de analyse van de resulterende genexpressie verandert door qPCR. Wij omvatten ook de methoden voor de evaluatie van de specificiteit van de Enhancer-i gericht op op het niveau van het genoom en de transcriptome. Hoewel deze techniek werd ontwikkeld om te bestuderen Genregulering door ER gebonden versterkers in menselijke kanker cellijnen, is van toepassing op de dissectie van alle zoogdieren versterker.
Dit protocol beschrijft een eenvoudige en flexibele methode voor het ontleden van versterker functie op de endogene genomic locus zonder te fysiek veranderen de opeenvolging van DNA. Terwijl gelijkaardig in concept aan de eerder gepubliceerde CRISPR interferentie protocollen met behulp van dCas9-KRAB27, verschilt Enhancer-i op 3 belangrijkste punten van deze protocollen. Eerst, Enhancer-i maakt gebruik van het domein SIN3A interactie van MAD120 tot deactivering van de versterker. Versterker deactivering kan worden gered met behulp van HDAC-remmers, suggereert dat het primaire mechanisme van deactivering HDAC afhankelijk is. In tegenstelling tot de interferentie van de CRISPR met dCas9-KRAB leidt Enhancer-i niet tot de afzetting van H3K9me3. Dit is waarschijnlijk vanwege het feit dat Enhancer-i is afhankelijk van de tijdelijke invoering van gids RNAs, met de cellen worden geoogst op 3 dagen transfectie post. In CRISPR de storing, wordt een toename van de H3K9me3 waargenomen op 7 dagen post transductie12. Tot slot biedt het Enhancer-i-protocol een strategie om te richten op meerdere sites tegelijk en bewaken van de efficiëntie van targeting. DCas9-KRAB wordt gebruikt tegelijkertijd richten op meerdere versterkers in mozaïek-seq17, maar deze techniek is afhankelijk van eencellige RNA sequencing om expressie veranderingen te identificeren, en vele genen (zoals oestrogeen-responsief genen) onopgemerkt blijven als gevolg van de lage gevoeligheid van eencellige RNA-seq. Enhancer-i biedt een betrouwbare methode om te studeren versterkers afzonderlijk en in combinatie voor elke gen.
De meest kritische stap van Enhancer-i is transfectie, die moet worden geoptimaliseerd voor de cellijn van belang. Dit protocol is gebaseerd op puromycin behandeling te verrijken voor transfected cellen, maar het is mogelijk dat mede transfecting gids RNAs met een fluorescente proteïne en sorteren voor fluorescerende cellen met behulp van stroom cytometry kan blijken te zijn een betere methode voor verrijking voor sommige cel typen. Het is raadzaam om toezicht op het niveau van de expressie van gids RNAs en SID4x-dCas9-KRAB door qPCR oplossen en bevestigen van transfectie. Als RNA richtniveaus laag zijn (cyclus drempel > 30), gebruikers kunnen ook overwegen alternatieve gids RNA productiestrategieën zoals in vitro transcriptie28. Het is ook mogelijk dat ondanks de hoge gRNA niveaus, gids RNA richten van het eiwit SID4x-dCas9-KRAB is inefficiënt, in welk geval selecteren verschillende begeleiden RNA-sequenties kunnen het nodig zijn. Door het uitvoeren van ChIP-seq op de fusieproteïne met chromatine uit Enhancer-i behandeld cellen, kan de efficiëntie van targeting worden gecontroleerd. Als er hoog signaal van SID4x-dCas9-KRAB in de regio van belang is, en geen expressie veranderingen in haar vermeende target-gen zijn waargenomen, dan bijdraagt de regio waarschijnlijk niet tot de uitdrukking van dit gen onder de voorwaarden die studeerde.
Een mogelijke beperking van Enhancer-i is dat af-target effecten zich ophopen kunnen als te veel sites tegelijkertijd zijn gericht. Toch hebben CRISPR interferentie strategieën voor knockdown minder af target effecten dan RNAi29, met name wanneer een polyclonal cellijn uiting van dCas9-KRAB wordt gebruikt. Terwijl we hebben gezien de genomic bindende uit-target van SID4X-dCas9-KRAB bij het uitstippelen van 10 sites tegelijk, hebben we gen expressie veranderingen als gevolg van deze bindende gebeurtenissen niet geïdentificeerd. Zoals sommige versterkers kunnen contact opnemen met meerdere initiatiefnemers en/of andere versterkers, is het mogelijk dat vele genen expressie op het richten van een interne versterker, veranderen kunnen, maar het is onduidelijk of deze vorm van genexpressie gemeenschappelijk is. Om te bevestigen dat de expressie veranderingen waargenomen zijn te wijten aan gericht op een specifieke versterker, en niet uit-target effecten, kunnen gebruikers Enhancer-i uitvoeren met twee verschillende sets van niet-overlappende gids RNAs gericht op hetzelfde gebied. Daarnaast kan de genetische schrapping van de regio met behulp van de nuclease-bevoegde Cas9 verder te bevestigen de effecten ervan op de genexpressie.
Als Enhancer-i functies door Histon deacetylation, is het mogelijk dat de deactivering capaciteiten beperkt zijn tot versterkers die aanzienlijke niveaus van Histon acetylation hebben. Er zijn een verscheidenheid van alternatieve repressieve fusies die meer effectief op gericht op specifieke versterkers kan zijn. DNA methyltransferase fusies te dCas9 kunnen worden gebruikt voor het verminderen van genexpressie wanneer gericht op de versterkers van de distale30, maar deze repressie is vaak niet van voorbijgaande aard. Een andere repressieve fusion gebruikt het domein van de vriend van GATA1 (FOG1), die leidt tot Histon H3 lysine 27 trimethylation en verdringt genexpressie op niveaus die vergelijkbaar is met dCas9-KRAB over een verscheidenheid van cel lijnen en initiatiefnemers31. Interessant, verminderd toe te voegen meer kopieën van FOG1 aan dCas9 het repressieve potentieel aan initiatiefnemers, suggereren dat één exemplaar van het domein-SID meer enhancer deactivering dan de 4 exemplaren die momenteel worden gebruikt in Enhancer-i kan leveren. Het is mogelijk dat sommige loci profiteren kunnen van de dual richten door verschillende combinaties van de bovenstaande dCas9 fusies. Stabiel op lange termijn onderdrukking kan bijvoorbeeld worden bereikt door gelijktijdige transductie van dCas9-DNMT3a en dCas9-KRAB32. De meeste van deze repressieve fusies hebben alleen is gericht op een interne locus tegelijk, en blijft het onduidelijk welke is het meest effectief in het manipuleren van meerdere versterkers gelijktijdig.
Versterker-i, terwijl een geschikte methode voor het bestuderen van combinaties van versterkers voor een handvol genen, is nog enigszins beperkt in doorvoer, als de gebruiker wenst te studeren putatief versterkers voor honderden genen. Toekomstige toepassingen van deze techniek zal imaging gebaseerde technologieën om te kwantificeren van meerdere genen in meerdere monsters tegelijk opnemen. Nog belangrijker is, zijn deze technologieën compatibel met directe detectie van molecules van RNA van lysate, eliminerend de behoefte aan tijdrovende RNA isolatie. Deze aanpassingen vergemakkelijkt de ondervraging van grotere soorten versterkers.
The authors have nothing to disclose.
Dit werk werd gesteund door de NIH/NHGRI R00 HG006922 en NIH/NHGRI R01 HG008974 aan J.G. en de jager Cancer Institute. J.B.C. werd gesteund door de NIH trainingsprogramma in genetica T32GM007464.
ZR 96-well Quick-RNA Kit | Zymo Research | R1053 | |
Power SYBR Green RNA-to-CT 1-Step | Applied Biosystems | 4389986 | |
AflII restriction enzyme | NEB | R0520S | |
Phusion High-Fidelity PCR Master Mix with HF Buffer | NEB | M0531L | |
NEBuilder HiFi DNA Assembly Master Mix | NEB | E2621L | |
FuGENE HD | Promega | E2312 | |
DNA Clean & Concentrator Kit | Zymo Research | D4013 | |
Buffer RLT Plus | Qiagen | 1053393 | |
b-estradiol | Sigma-Aldrich | E2758 | |
Human: Ishikawa cells | ECACC | 99040201 | |
H3K27ac rabbit polyclonal | Active Motif | 39133 | |
H3K9me3 rabbit polyclonal | Abcam | ab8898 | |
FLAG mouse monoclonal | Sigma-Aldrich | F1804 | |
ER alpha rabbit polyclonal | Santa Cruz | sc-544 | |
pGL3-U6-PGK-Puro plasmid | Addgene | 51133 | Shen et al., 2014 |
gRNA_cloningVector plasmid | Addgene | 41824 | Mali et al., 2013 |
AflII U6 puromycin plasmid | Addgene | 106404 | Carleton et al., 2017 |
SID4X-dCas9-KRAB plasmid | Addgene | 106399 | Carleton et al., 2017 |
2-Mercaptoethanol | Sigma-Aldrich | M6250-10ML | |
UltraPure DNase/RNase-Free Distilled Water | ThermoFisher Scientific | 10977-023 | |
Opti-MEM I Reduced Serum Medium | Gibco | 31985070 | |
KAPA Stranded mRNA-Seq Kit, with KAPA mRNA Capture Beads | Kapa Biosytems | KK8420 | |
Pierce Protease and Phosphatase Inhibitor Mini Tablets | ThermoFisher Scientific | A32959 | |
Formaldehyde solution | Sigma-Aldrich | 252549-25ML | |
Geneticin Selective Antibiotic (G418 Sulfate) (50 mg/mL) | ThermoFisher Scientific | 10131035 | |
LB Broth | ThermoFisher Scientific | 10855001 | |
Quick-DNA Miniprep Kit | Zymo Research | D3020 | |
Quick-Load Purple 2-Log DNA Ladder | NEB | N0050S |