Questo protocollo descrive i passaggi necessari per progettare e realizzare targeting multiplex di esaltatori con la proteina di fusione disattivazione SID4X-dCas9-KRAB, noto anche come interferenza di enhancer (Enhancer-i). Questo protocollo consente l’identificazione dei rinforzatori che regolano l’espressione genica e facilita la dissezione delle relazioni tra esaltatori di un gene bersaglio comune di regolazione.
Rinforzatori più spesso regolano un dato gene, ma per la maggior parte dei geni, rimane poco chiaro quali stimolatori sono necessari per l’espressione genica, e come questi rinforzatori si combinano per produrre una risposta trascrizionale. Come milioni di rinforzatori sono stati identificati, ad alta produttività strumenti sono necessari per determinare la funzione enhancer su scala genomica. Attuali metodi per lo studio della funzione enhancer includono fare genetiche eliminazioni utilizzando Cas9 nucleasi-competente, ma è difficile studiare gli effetti combinatoriali di esaltatori di più utilizzando questa tecnica, come più righe successive clonale delle cellule devono essere generati. Qui, presentiamo Enhancer-i, un metodo basato su interferenza di CRISPR che permette per l’interrogatorio funzionale di esaltatori di multipli contemporaneamente ai loro loci endogeni. Enhancer-i fa uso di due domini repressivi fuse a nucleasi-carenti Cas9, SID e KRAB, raggiungere disattivazione enhancer tramite deacetilazione ai loci mirati. Questo protocollo utilizza trasfezione transiente di guida RNAs per abilitare inattivazione transitoria delle regioni mirate ed è particolarmente efficace nel bloccare trascrizionali inducibili risposte agli stimoli nelle impostazioni di coltura del tessuto. Enhancer-i è altamente specifico sia nella sua targeting genomica e suoi effetti sull’espressione genica globale. Risultati ottenuti da questo protocollo aiutano a capire se un rinforzatore contribuisca all’espressione genica, l’entità del contributo, e come il contributo è influenzato da altri esaltatori di nelle vicinanze.
Su larga scala di sequenziamento progetti come codifica1e tabella di marcia epigenomica2FANTOM3 sono identificati milioni di esaltatori di presunti all’interno del genoma umano attraverso centinaia di tipi di cellule. Si stima che ogni promotore si associa con una media di 4,9 esaltatori e ogni enhancer contatti una media di 2,4 geni3, suggerendo che l’espressione genica è spesso il risultato dell’integrazione di molteplici interazioni di regolamentazione distribuite. Una sfida significativa restante è quello di definire non solo come singoli rinforzatori contribuiscono all’espressione genica, ma come essi si combinano per colpire espressione. Approcci genetici sono comunemente usati per identificare le relazioni tra esaltatori in organismi modello da drosofila4 a topi5. Tuttavia, questi esperimenti sono basso-rendimento per lo studio di esaltatori di più geni multipli e che richiede tempo.
Un approccio per lo studio della funzione enhancer su larga scala prevede saggi reporter parallelismo massivo. Queste analisi consentono la selezione simultanea di migliaia di sequenze di DNA per la loro capacità di guidare l’espressione di un reporter gene6. Mentre queste analisi hanno indicato che sequenza di DNA da solo può essere sufficiente per trasmettere il gene regolamento informazioni7, tornano con i caveat di viene eseguita all’esterno del contesto di cromatina nativo e con un promotore eterologo. Inoltre, la dimensione della sequenza di DNA analizzato nelle analisi di parallelismo massivo reporter è di solito meno di 200 basi, che possono escludere la sequenza rilevante circostante. Cosa importante, come reporter saggi solo misurano l’attività di una sequenza in un momento, non tengono conto le relazioni complesse che possono esistere tra rinforzatori. Così, mentre saggi reporter massicciamente parallela possono essere informativi circa l’attività intrinseca di una sequenza di DNA, essi non necessariamente ci informa della funzione di quella sequenza di DNA nel contesto del genoma.
Recentemente sviluppati strumenti di CRISPR/Cas98 hanno facilitato lo studio della regolazione genica poiché consentono l’eliminazione di esaltatori del locus endogeno. Tuttavia, l’eliminazione di esaltatori di multipli simultaneamente può portare a instabilità genomica ed è molto tempo per generare le eliminazioni successive del rinforzatore in una linea singola cella. Inoltre, nuova sequenza genomica è creato presso il sito dell’eliminazione dopo la riparazione, e questa sequenza può avere funzione regolatrice. Una versione alternativa di Cas9 è stata sviluppata specificamente per la modulazione dell’espressione genica, basandosi su fusioni di attivazione9,10 o reprimere11,12 domini alla forma di nucleasi-carenti di Cas9 (dCas9). Queste proteine di fusione sono ideali per studiare i luoghi multipli simultaneamente come fisicamente non alterano la sequenza del DNA e invece modulare epigenetica per interrogare una regione regolatrice. La fusione repressiva più ampiamente usata è KRAB, che recluta il complesso co-repressore KAP1, promuovendo la deposizione di repressione-collegata istone H3 lisina 9 trimethylation (H3K9me3)13. dCas9-KRAB, noto anche come CRISPR interferenza14, è stato usato per destinazione e schermo rinforzatori individuali per i loro contributi a gene espressione15,16; Tuttavia, esso non è stato ottimizzato per il targeting più aree contemporaneamente. Una versione di interferenza di CRISPR multiplex per rinforzatori, mosaico-seq17, utilizza singola cella RNA-seq come una lettura, ma questa tecnologia è costoso e adatto solo per lo studio dei geni altamente espressi a causa della bassa sensibilità della singola cella RNA-seq.
Abbiamo cercato di sviluppare un metodo di base di interferenza di CRISPR per la dissezione funzione combinatoria enhancer nel contesto di una risposta trascrizionale ad estrogeno. Circa la metà dei geni estrogeno-rispondente contengono esaltatori di 2 o più vincolati dal recettore degli estrogeni (ER) è vicino a18, suggerendo che esaltatori di più possono essere partecipanti nella risposta dell’estrogeno e comprendere che la logica di regolamentazione richiederebbe targeting rinforzatori multipli contemporaneamente. Come gli studi di iniziale con interferenza CRISPR a promotori ha suggerito che non tutti i promotori sono ugualmente reattivi KRAB-mediata repressione19, abbiamo ragionato che l’aggiunta di un dominio repressivo distinto per dCas9 può facilitare la disattivazione della esaltatori di diversi. Abbiamo scelto il Sin3a interagendo dominio di Mad1 (in SID)20 come conduce al reclutamento di istone deacetilasi21, che rimuovono i gruppi acetile sugli istoni che sono associati con l’attività trascrizionale. D’importanza, il dominio SID è stato efficace nel ridurre l’espressione genica quando fusa a dCas922 e TALEs23e Sin3a ha dimostrato di essere un co-fattore potente di repressivo in una varietà di contesti di enhancer sequenza24. Abbiamo usato SID4x-dCas9-KRAB (Enhancer-i) a 10 diversi rinforzatori vincolati al pronto soccorso di destinazione e identificare siti di legame di ER (erbe) che sono necessari per la risposta trascrizionale dell’estrogeno alle 4 geni18. Siamo presi di mira anche le combinazioni di rinforzatori per identificare i siti che collaborano nella produzione della risposta trascrizionale dell’estrogeno. Abbiamo trovato che fino a 50 siti possono potenzialmente essere mirate simultaneamente con cambiamenti di espressione di gene rilevabile. Utilizzando ChIP-seq e RNA-seq, abbiamo dimostrato che Enhancer-i è una tecnica altamente specifica per studiare rinforzatori multipli contemporaneamente.
In questo protocollo, descriviamo i passaggi coinvolti nell’esecuzione di Enhancer-i, una tecnica flessibile che consente lo studio funzionale di esaltatori di multipli simultaneamente in un ambiente di coltura del tessuto. Enhancer-i è altamente correlato con delezione genetica ma fornisce disattivazione transitoria che dipende dell’istone deacetilasi (HDAC). Fornendo guida RNAs tramite trasfezione transiente al contrario stabile integrazione tramite vettori virali, questo protocollo evita la deposizione e la potenziale diffusione del H3K9me3. Questo protocollo Dettagli Guida RNA design e clonazione tramite Assemblea di Gibson, la transfezione di guida RNAs utilizzando lipofezione, e l’analisi dell’espressione genica risultante cambia da qPCR. Includiamo anche i metodi per valutare la specificità di Enhancer-i targeting a livello del genoma e del trascrittoma. Mentre questa tecnica è stata sviluppata per studiare regolamento del gene di ER associato rinforzatori in linee cellulari tumorali umane, è applicabile per la dissezione di qualsiasi mammifero enhancer.
Questo protocollo descrive un metodo semplice e flessibile per la dissezione funzione enhancer del locus genomico endogeno senza alterare fisicamente la sequenza del DNA. Mentre simile nel concetto a protocolli di interferenza CRISPR precedentemente pubblicati utilizzando dCas9-KRAB27, Enhancer-i differisce da questi protocolli in 3 modi principali. In primo luogo, Enhancer-i utilizza il dominio interagente SIN3A di MAD120 per raggiungere disattivazione enhancer. Disattivazione di Enhancer possa essere recuperati utilizzando inibitori HDAC, suggerendo che il meccanismo primario di disattivazione è dipendente di HDAC. A differenza di interferenza CRISPR con dCas9-KRAB, Enhancer-i non porta alla deposizione di H3K9me3. Questo è probabilmente dovuto al fatto che Enhancer-i si basa sull’introduzione transitoria della Guida RNAs, con le cellule essendo raccolte alle 3 giorni post transfezione. In interferenza CRISPR, è osservato un aumento H3K9me3 a 7 giorni post trasduzione12. Infine, il protocollo di Enhancer-i fornisce una strategia per indirizzare più siti contemporaneamente e monitorare l’efficienza di targeting. Mosaico-seq17, dCas9-KRAB è utilizzato per indirizzare rinforzatori multipli simultaneamente, ma questa tecnica si basa sul sequenziamento di RNA di singola cellula per identificare i cambiamenti di espressione, e molti geni (quali geni estrogeno-rispondente) passano inosservati a causa della bassa sensibilità di singole cellule RNA-seq. Enhancer-i fornisce un metodo affidabile per studiare rinforzatori individualmente e in associazione per qualsiasi gene.
La fase più critica di Enhancer-i è transfezione, che dovrebbe essere ottimizzata per la linea cellulare di interesse. Questo protocollo si basa su un trattamento con puromicina arricchire per cellule trasfettate, ma è possibile che guida co-trasfettando RNAs con una proteina fluorescente e l’ordinamento per cellule fluorescenti mediante citometria a flusso può rivelarsi un metodo migliore di arricchimento per alcuni cellulari tipi. Si consiglia di monitorare il livello di espressione della Guida RNAs e SID4x-dCas9-KRAB di qPCR per risolvere i problemi e confermare la transfezione. Se i livelli guida RNA sono bassi (ciclo soglia > 30), gli utenti possono anche considerare alternative guida strategie di produzione di RNA come in vitro trascrizione28. È anche possibile che, malgrado i livelli elevati gRNA, guida targeting RNA della proteina SID4x-dCas9-KRAB è inefficiente, nel qual caso selezionando diversi guida sequenze di RNA può essere necessario. Eseguendo ChIP-seq la proteina di fusione con cromatina dalle cellule Enhancer-i trattati, l’efficienza di targeting può essere monitorato. Se c’è segnale alto di SID4x-dCas9-KRAB presso la regione di interesse e viene rilevata alcuna modifica di espressione nel suo gene bersaglio putativo, quindi la regione probabile non contribuisce all’espressione di tale gene sotto le condizioni studiato.
Una potenziale limitazione di Enhancer-i è che gli effetti fuori bersaglio possono accumularsi se troppi siti sono destinate allo stesso tempo. Tuttavia, CRISPR interferenza strategie per atterramento hanno meno effetti di destinazione oltre RNAi29, particolarmente quando viene utilizzata una linea di policlonale delle cellule che esprimono dCas9-KRAB. Mentre abbiamo visto fuori bersaglio genomic associazione di SID4X-dCas9-KRAB quando la destinazione 10 siti contemporaneamente, non abbiamo individuato i cambiamenti di espressione genica a seguito di quegli eventi di associazione. Come alcuni rinforzatori possono contattare promotori multipli e/o altri esaltatori, è possibile che molti geni possono cambiare espressione al momento di targeting di un enhancer singolo, anche se non è chiaro se questa forma di regolazione genica è comune. Per confermare che i cambiamenti di espressione osservati sono dovuti a un rinforzatore specifico di targeting e non gli effetti fuori bersaglio, gli utenti possono eseguire Enhancer-i con due insiemi distinti di guida non sovrapposte RNAs targeting della stessa regione. Inoltre, la delezione genetica della regione utilizzando Cas9 nucleasi-competente può confermare ulteriormente suoi effetti sull’espressione genica.
Come funzioni Enhancer-i attraverso deacetilazione, è possibile che le sue abilità di disattivazione sono limitate ai rinforzatori che hanno livelli apprezzabili di acetilazione dell’istone. Ci sono una varietà di fusioni repressive alternative che può essere più efficace alle specifiche esaltatori di targeting. Fusioni di methyltransferase del DNA di dCas9 possono essere utilizzate per ridurre l’espressione genica quando mirati a rinforzatori distale30, ma questa repressione spesso non è temporanea. Un’altra fusione repressivo utilizza il dominio di amico di GATA1 (FOG1), che porta a istone H3 lisina 27 trimethylation e reprime l’espressione genica a livelli simili a dCas9-KRAB attraverso una varietà di cellula linee e promotori31. È interessante notare che, aggiunta di ulteriori copie di FOG1 a dCas9 ridotto il potenziale repressivo a promotori, suggerendo che una singola copia del dominio SID può fornire ulteriori disattivazione potenziatore delle 4 copie attualmente utilizzato in Enhancer-i. È possibile che alcuni loci possono trarre vantaggio dal targeting dual da diverse combinazioni delle fusioni dCas9 sopra. Ad esempio, stabile a lungo termine repressione può avvenire attraverso la trasduzione simultanea di dCas9-DNMT3a e dCas9-KRAB32. La maggior parte di queste fusioni repressive sono stata indirizzata solo a un singolo locus in un momento, e rimane poco chiaro che è più efficace nel manipolare rinforzatori multipli contemporaneamente.
Enhancer-i, mentre un metodo adatto per lo studio di combinazioni di rinforzatori per una manciata di geni, è ancora un po ‘ limitato nella velocità effettiva se l’utente desidera studiare putativi rinforzatori per centinaia di geni. Future applicazioni di questa tecnica di integrare tecnologie basate su formazione immagine per quantificare i geni multipli in campioni multipli contemporaneamente. D’importanza, queste tecnologie sono compatibili con rilevamento diretto di molecole di RNA da lisato, eliminando la necessità di isolamento del RNA che richiede tempo. Questi adattamenti faciliterà l’interrogatorio del set più grandi dei rinforzatori.
The authors have nothing to disclose.
Questo lavoro è stato supportato da NIH/NHGRI R00 HG006922 e NIH/NHGRI R01 HG008974 a J.G. e il Huntsman Cancer Institute. J.B.C. è stato sostenuto dal programma di formazione di NIH 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 |