Ce protocole décrit les étapes nécessaires pour concevoir et effectuer le ciblage multiplexé des rehausseurs avec la protéine de fusion désactivant SID4X-dCas9-KRAB, également connu sous le nom des interférences enhancer (Enhancer-i). Ce protocole permet l’identification des activateurs qui régulent l’expression des gènes et facilite la dissection des relations entre les exhausteurs de réglementer un gène cible commun.
Exhausteurs de multiples souvent réglementent un gène donné, mais pour la plupart des gènes, on ne sait quels exhausteurs sont nécessaires à l’expression des gènes, et comment ces exhausteurs se combinent pour produire une réponse transcriptionnelle. Comme des millions de rehausseurs ont été identifiées, des outils de haut-débit sont nécessaires pour déterminer la fonction rehausseur sur une échelle de tout le génome. Les méthodes actuelles pour l’étude de fonction rehausseur comprennent destructions génétiques à l’aide de Cas9 nucléase-compétent, mais il est difficile d’étudier les effets combinatoires d’exhausteurs de multiples à l’aide de cette technique, comme plusieurs lignées clonales successifs doivent être générée. Nous présentons ici Enhancer-i, une méthode axée sur les interférences CRISPR permettant des interrogatoires fonctionnelle d’exhausteurs de multiples simultanément à leurs locus endogènes. Enhancer-i se sert de deux domaines répressifs fusionnées à nucléase-deficient Cas9, SID et KRAB, pour atteindre désactivation enhancer via la désacétylation des histones au locus ciblées. Ce protocole utilise une transfection transitoire du guide ARN pour permettre une inactivation transitoire des régions ciblées et est particulièrement efficace pour blocage inductibles transcriptionnelles réponses aux stimuli dans les milieux de culture de tissus. Enhancer-i est hautement spécifique tant dans le ciblage de génomique et de ses effets sur l’expression génique global. Résultats obtenus par ce protocole aident à comprendre si un renforceur contribue à l’expression des gènes, l’ampleur de la contribution, et comment la contribution est affectée par autres exhausteurs de proximité.
À grande échelle, séquençage des projets tels que ENCODE1et2de la feuille de route épigénomique FANTOM3 ont identifié des millions d’exhausteurs putatifs dans le génome humain sur des centaines de types de cellules. On estime que chaque porteur de projet, associé à une moyenne de 4,9 exhausteurs et chaque enhancer contacte en moyenne 2,4 gènes3, ce qui suggère que l’expression des gènes est souvent le résultat de l’intégration des multiples interactions réglementaires distribuées. Un défi de taille restant est de définir non seulement comment les exhausteurs de contribuent à l’expression des gènes, mais comment ils se combinent pour affecter l’expression. Approches génétiques sont couramment utilisés pour identifier les relations entre les rehausseurs en organismes modèles de drosophile4 à5de la souris. Toutefois, ces expériences sont chronophages et faible débit pour l’étude des exhausteurs de plusieurs à plusieurs gènes.
Une approche pour l’étude de fonction rehausseur à grande échelle consiste à reporter massivement parallèle des essais. Ces tests permettent la projection simultanée de milliers de séquences d’ADN pour leur capacité à conduire l’expression d’un gène de journaliste6. Bien que ces essais ont montré que des séquence d’ADN peut suffire seul à transmettre le gène règlement informations7, ils viennent avec les mises en garde d’être exécutée en dehors du contexte de la chromatine native et un promoteur hétérologue. En outre, la taille de la séquence d’ADN analysé lors d’essais de reporter massivement parallèle est généralement inférieure à 200 basepairs, ce qui pourrait exclure la séquence environnante pertinente. Ce qui est important, comme journaliste dosages ne mesurent l’activité d’une séquence à la fois, ils ne tiennent pas compte les relations complexes qui peuvent exister entre les rehausseurs. Ainsi, tout journaliste massivement parallèle des essais peuvent être instructifs sur l’activité intrinsèque d’une séquence d’ADN, ils ne pas forcément nous informer de la fonction de cette séquence d’ADN dans le cadre du génome.
Récemment développés CRISPR/Cas9 outils8 ont facilité l’étude de la régulation des gènes, car ils permettent la suppression des enrichisseurs du locus endogène. Cependant, suppression des exhausteurs de multiples simultanément peut conduire à l’instabilité génomique, et c’est beaucoup de temps pour générer des destructions successives enhancer dans une lignée cellulaire unique. En outre, nouvelle séquence génomique est créé sur le site de la suppression après réparation, et cette séquence peut gagner fonction régulatrice. Une version alternative de Cas9 a été développée spécifiquement pour moduler l’expression des gènes, en s’appuyant sur les fusions d’activation9,10 ou réprimer les domaines12 11,à la forme de nucléase déficients de Cas9 (dCas9). Ces protéines de fusion sont idéales pour l’étude de plusieurs loci simultanément comme ils le ne font pas physiquement modifier la séquence d’ADN et au contraire moduler épigénétique afin d’interroger une région régulatrice. La fusion répressive plus largement utilisée est KRAB, qui recrute le complexe de répresseur co KAP1, promotion de la déposition de l’histone H3 lysine 9 triméthylation (H3K9me3)13associée à la répression. dCas9-KRAB, également connu sous le nom CRISPR interférence14, a été utilisé pour cible et écran exhausteurs individuels pour leurs contributions à l’expression de gène15,16; Cependant, il n’a pas été optimisée pour cibler des régions multiples simultanément. Une seule version de multiplex interférence CRISPR enrichisseurs, mosaïque-seq17, utilise seule cellule RNA-seq comme une lecture, mais cette technologie est coûteux et convient uniquement pour l’étude des gènes fortement exprimés en raison de la faible sensibilité de la cellule unique RNA-Seq.
Nous avons cherché à élaborer une méthode axée sur les interférences de CRISPR pour disséquer la fonction rehausseur combinatoire dans le cadre d’une réponse transcriptionnelle à l’oestrogène. Environ la moitié des gènes sensibles aux oestrogènes contiennent 2 ou plusieurs exhausteurs liés par œstrogènes alpha du récepteur (ER) est proche de18, suggérant que les exhausteurs de multiples peuvent être participant à la réponse de l’oestrogène et comprendre que la logique de réglementation exigerait ciblage des exhausteurs de multiples simultanément. Comme les études initiales à l’aide de brouillage CRISPR aux promoteurs suggèrent que pas tous les promoteurs sont également sensibles aux répression médiée par KRAB19, nous avons pensé que l’ajout d’un domaine répressif distinct à dCas9 peut faciliter la désactivation de exhausteurs de diverses. Nous avons choisi le Sin3a interagissant domaine de Mad1 (SID)20 qui mène au recrutement des histones désacétylases21, qui éliminent les groupes d’acétyle sur les histones qui sont associés à l’activité transcriptionnelle. Important, le domaine SID était efficace pour réduire l’expression de gène lorsqu’elle est fondue à dCas922 et23de la contes et Sin3a s’est avéré être un co-facteur répressif puissant dans une variété de renforceur séquence contextes24. Nous avons utilisé des SID4x-dCas9-KRAB (Enhancer-i) afin de cibler les 10 exhausteurs différents liés par l’ER et identifier les sites de fixation de ER (ERBS) qui sont nécessaires à la réponse transcriptionnelle oestrogène à 4 gènes18. Aussi, nous avons ciblé les combinaisons des rehausseurs pour identifier les sites qui coopèrent dans la production de la réponse transcriptionnelle de l’oestrogène. Nous avons constaté que jusqu’à 50 sites peuvent potentiellement être ciblés en même temps avec les modifications de l’expression génique détectable. À l’aide de ChIP-seq et RNA-seq, nous avons démontré que Enhancer-i est une technique très spécifique pour l’étude des exhausteurs de multiples simultanément.
Dans ce protocole, nous décrivons les étapes impliquées dans l’exécution de Enhancer-i, une technique flexible qui permet l’étude fonctionnelle des exhausteurs de multiples simultanément dans un milieu de culture de tissus. Enhancer-i est fortement corrélé avec délétion génétique mais fournit désactivation transitoire qui est tributaire des histones désacétylases (HDAC). En livrant guide ARN par transfection transitoire, par opposition à l’intégration stable par l’intermédiaire de vecteurs viraux, ce protocole évite les dépôts et la propagation potentielle de H3K9me3. Ce modèle de guide RNA de détails de protocole et le clonage par assemblage de Gibson, la transfection de guideront RNAs utilisant lipofection et l’analyse de l’expression génique qui en résulte transforme par qPCR. Nous incluons également les méthodes d’évaluation de la spécificité de Enhancer-i ciblage au niveau du génome et du transcriptome. Tandis que cette technique a été développée afin d’étudier la régulation génique par ER lié exhausteurs en lignées cellulaires cancéreuses humaines, elle s’applique à la dissection de n’importe quel mammifère enhancer.
Ce protocole décrit une méthode simple et flexible pour disséquer la fonction rehausseur au locus génomique endogène sans altérer physiquement la séquence d’ADN. Bien que similaire au concept des protocoles de brouillage CRISPR précédemment publiés en utilisant dCas9-KRAB27, Enhancer-i diffère de ces protocoles de 3 façons. Tout d’abord, Enhancer-i utilise le domaine interaction SIN3A MAD120 pour atteindre la désactivation de l’enrichisseur. Désactivation de Enhancer peut être sauvée en utilisant des inhibiteurs d’HDAC, suggérant que le principal mécanisme de désactivation est HDAC dépendant. À la différence des interférences CRISPR avec dCas9-KRAB, Enhancer-i ne conduit pas à la déposition de H3K9me3. Cela est probablement dû au fait que Enhancer-i repose sur l’introduction transitoire du guide RNAs, avec les cellules étant récoltées à 3 jours après la transfection. Interférence CRISPR, il est observé une augmentation H3K9me3 à 7 jours post transduction12. Enfin, le protocole Enhancer-i fournit une stratégie permettant de cibler plusieurs sites simultanément et surveiller l’efficacité du ciblage. Mosaïque-seq17, dCas9-KRAB est utilisé pour cibler les exhausteurs de multiples simultanément, mais cette technique repose sur le séquençage de RNA monocellulaires pour identifier les modifications de l’expression, et de nombreux gènes (tels que des gènes sensibles aux oestrogènes) passent inaperçus en raison de la faible sensibilité des unicellulaires RNA-Seq. Enhancer-i fournit une méthode fiable pour étudier les enrichisseurs individuellement ou en combinaison pour n’importe quel gène.
L’étape la plus critique de Enhancer-i est la transfection, qui doit être optimisée pour la lignée de cellules d’intérêt. Ce protocole repose sur le traitement de la puromycine enrichir pour les cellules transfectées, mais il est possible que guide co-transfection ARN avec une protéine fluorescente et le tri des cellules fluorescentes cytométrie peut s’avérer une meilleure méthode d’enrichissement pour quelques cellules types. Il est recommandé de surveiller le niveau d’expression du guide RNAs et SID4x-dCas9-KRAB de qPCR de dépanner et de confirmer la transfection. Si les niveaux indicatifs RNA sont faibles (cycle seuil > 30), les utilisateurs peuvent également envisager alternative guide stratégies de production de RNA tels que in vitro de transcription28. Il est également possible que, malgré un niveau élevé gRNA, guide RNA ciblage de la protéine de SID4x-dCas9-KRAB est inefficace, auquel cas en sélectionnant différents guide de séquences d’ARN peut être nécessaire. En effectuant des ChIP-seq sur la protéine de fusion avec la chromatine des cellules Enhancer-i traité, l’efficacité du ciblage peut être surveillée. Si il y a un signal de SID4x-dCas9-KRAB à la région d’intérêt et aucune modification de l’expression dans son gène cible putatifs n’est détectées, puis la région probablement ne contribue pas à l’expression de ce gène dans les conditions étudiées.
Une des limites possibles de Enhancer-i, c’est que les effets hors cible peuvent s’accumuler si trop de sites sont ciblés en même temps. Néanmoins, stratégies de brouillage CRISPR knockdown ont moins hors effets de la cible que l’ARNi29, particulièrement lorsqu’une lignée de cellules polyclonaux exprimant dCas9-KRAB est utilisée. Alors que nous avons vu hors cible liaison génomique du SID4X-dCas9-KRAB lors du ciblage de 10 sites en même temps, nous n’avons pas identifié modifications de l’expression génique à la suite de ces événements de liaison. Comme certains exhausteurs peuvent communiquer avec plusieurs promoteurs et/ou autres exhausteurs, il est possible que plusieurs gènes peuvent changer expression sur le ciblage d’un renforceur unique, même s’il est difficile de savoir si cette forme de régulation génique est fréquente. Pour confirmer que les modifications de l’expression observées sont dues à cibler un rehausseur spécifique et non hors-cible des effets, les utilisateurs peuvent effectuer Enhancer-i avec deux ensembles distincts de non-cumul guide RNAs ciblant la même région. En outre, la suppression génétique de la région à l’aide de Cas9 nucléase-compétente peut confirmer ses effets sur l’expression génique.
En tant que fonctions Enhancer-i par le biais de désacétylation des histones, il est possible que ses capacités de neutralisation sont limitées aux rehausseurs qui ont des niveaux appréciables d’acétylation des histones. Il y a une variété d’autres fusions répressives qui peut être plus efficace au ciblage spécifiques exhausteurs. Fusions d’ADN méthyltransférase à dCas9 peuvent être utilisées pour réduire l’expression de gène lorsque destiné aux enrichisseurs distale30, mais cette répression n’est pas souvent transitoire. Une autre fusion répressive utilise le domaine de l’ami de GATA1 (FOG1), qui mène de l’histone H3 lysine 27 triméthylation et réprime l’expression des gènes à des niveaux comparables à dCas9-KRAB dans une variété de cellule promoteurs et lignes31. Fait intéressant, ajoutant plus de copies de FOG1 à dCas9 réduit le potentiel répressif aux promoteurs, ce qui suggère qu’une seule copie du domaine SID peut fournir désactivation d’enhancer plus que les 4 copies utilisées actuellement Enhancer-i. Il est possible que certains loci peut-être bénéficier du double ciblage par différentes combinaisons des fusions dCas9 ci-dessus. Par exemple, la répression à long terme stable est possible par transduction simultanée de dCas9-DNMT3a et dCas9-KRAB32. La plupart de ces fusions répressives seulement ont été ciblée à un locus unique à la fois, et on ne sait toujours pas qui est le plus efficace à la manipulation des exhausteurs de multiples simultanément.
Enhancer-i, en une méthode appropriée pour l’étude des combinaisons d’exhausteurs de pour une poignée de gènes, est encore un peu limité en débit si l’utilisateur souhaite étudier les enrichisseurs de présumés pour des centaines de gènes. Futures applications de cette technique intégrera les technologies basées sur l’imagerie afin de quantifier plusieurs gènes dans des échantillons multiples simultanément. Ce qui est important, ces technologies sont compatibles avec la détection directe de molécules d’ARN de lysat, éliminant le besoin d’ARN chronophage. Ces adaptations facilitera l’interrogatoire de plus grands ensembles d’exhausteurs.
The authors have nothing to disclose.
Ce travail a été soutenu par le NIH/NHGRI R00 HG006922 et NIH/NHGRI R01 HG008974 à J.G. et l’Institut de Cancer de Huntsman. J.B.C. était soutenue par le programme de formation du NIH en génétique 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 |