このプロトコルでは、デザインを多重化融合タンパク質として知られているエンハンサー干渉 (エンハンサー-i) SID4X-dCas9-KRAB にエンハンサーのターゲットを実行するために必要な手順について説明します。このプロトコルにより、遺伝子発現調節エンハンサーの同定と共通のターゲット遺伝子を調節するエンハンサー関係の解剖が容易になります。
複数エンハンサーはしばしばある特定の遺伝子を調節する、まだほとんどの遺伝子は不明のまま、エンハンサーは、遺伝子の発現に必要などのようにこれらの増強物結合転写応答を生成します。エンハンサーの何百万人を特定したとゲノム規模でエンハンサー機能を決定する高スループット ツールが必要です。エンハンサー機能を研究するための現在の方法は、ヌクレアーゼ熟練した Cas9 を使用して遺伝的削除ですが複数の連続したクローンの細胞が必要としてこのテクニックを使用して複数のエンハンサーの組合せの効果を検討することは困難生成されます。エンハンサー-i、その内因性遺伝子座で同時に複数のエンハンサー機能の尋問は、CRISPR 干渉ベースの方法を紹介します。エンハンサー i ターゲット遺伝子ヒストンの脱アセチル化を介してエンハンサーを非アクティブ化を達成するために Cas9、SID および KRAB、ヌクレアーゼ欠損に溶ける 2 つの抑圧的なドメインの使用になります。このプロトコルは利用ガイド対象地域の一時的な不活性化を有効にする Rna のトランスフェクションと組織文化の設定で刺激誘導型転写応答をブロックで特に効果的です。エンハンサー i は、ゲノムをターゲットとグローバル遺伝子発現への影響の両方非常に固有です。このプロトコルから得られた結果は、エンハンサーが遺伝子発現の出資の大きさと他の近くのエンハンサーでの貢献の影響に貢献しているかどうかを理解を助けます。
大規模なエンコード1、ロードマップ早稲田2、ファントムなどプロジェクトのシーケンス3セルタイプの数百にわたる数百万の人間のゲノムの内で推定エンハンサーを識別しました。各プロモーターに関連付けます 4.9 エンハンサーの平均、各エンハンサーと交信 2.4 遺伝子3の平均遺伝子発現は頻繁複数分散規制相互作用の統合の結果であることを示唆するいると推定されます。重要な残りの課題だけでなく個々 のエンハンサーは、遺伝子発現に貢献を定義することですが表現に影響を与える結合方法しますが、。遺伝子解析、マウス5ショウジョウバエ4からのモデル生物のエンハンサーの間の関係を識別するために使用されます。しかし、これらの実験は時間がかかり、複数の遺伝子に複数のエンハンサーの研究の低スループットです。
大規模なエンハンサー機能を勉強するための 1 つのアプローチには、並列のレポーターの試金が含まれます。これらの試金 DNA シーケンス6レポーター遺伝子の発現をドライブする能力についての何千もの同時のスクリーニングを可能にします。これらのアッセイは、DNA シーケンスでは、遺伝子制御情報7を伝えるために十分なだけすることができます示されている、彼らはネイティブ クロマチンのコンテキストの外部で実行中の注意事項と異種プロモーター付属します。さらに、超並列レポーターの試金の分析対象の DNA シーケンスのサイズは通常関連する周囲のシーケンスを除外する可能性があります未満 200 ヒトです。重要なは、レポーターの試金はのみ、一度に 1 つのシーケンスの活性を測定ととることはありません考慮エンハンサーの間に存在することができます複雑な関係。したがって、並列レポーターの試金が DNA シーケンスの本質的な活動についての参考情報であるが、彼らはありません必ずしもお知らせゲノムのコンテキストでその DNA シーケンスの関数の。
最近内因性遺伝子座でエンハンサーの削除ができるよう、開発した CRISPR/Cas9 ツール8が遺伝子発現制御の研究を促進しました。ゲノム不安定性につながる可能性があります複数のエンハンサーを同時に削除するし、それは単一セルラインで連続エンハンサー削除を生成する時間がかかる。さらに、修復、削除のサイトで新しいゲノム配列が作成され、このシーケンスは、調節機能を得ることができます。9,10を活性化または抑制 Cas9 のヌクレアーゼ欠損形態に11,12ドメインの融合に依存する遺伝子発現を調節することのために特別開発した Cas9 の代替バージョン(dCas9)。これらの融合蛋白質は、彼らは物理的に DNA シーケンスを変更し、代わりに規制地域を調査するためにエピジェネティクスを調節すると同時に複数の遺伝子座の勉強に最適です。最も広く使われている抑圧的な融合は、抑圧のヒストン H3 のリジン 9 のトリメチル (H3K9me3)13の堆積を促進 KAP1 コリプレッサー複合体を募集する KRAB です。dCas9-KRAB、として知られているまた CRISPR 干渉14、遺伝子発現15,16; への貢献ターゲットと画面の個々 の増強に使用されていますただし、同時に複数の地域をターゲットにしない最適化されています。エンハンサー、モザイク seq17、多重 CRISPR 干渉の影響の 1 つのバージョンは、読み出しとして単一細胞 RNA シーケンスを使用しますが、この技術は高価で、単一細胞の感度が低いため高発現遺伝子の研究にのみ適してRNA シーケンス
我々 はエストロゲンに転写応答のコンテキスト内で組合せエンハンサー機能解剖 CRISPR 干渉に基づく手法を開発しようとしました。エストロゲン応答遺伝子の約半分が含まれて 2 つ以上エンハンサー縛られてエストロゲン受容体 α (ER)18、近くに複数のエンハンサーのエストロゲン応答に参加して規制のロジックが必要になりますを理解可能性があることを示唆しています。同時に複数のエンハンサーを対象とします。プロモーターに CRISPR 干渉を用いた初期の研究は、すべてのプロモーターは KRAB 仲介抑圧19に均等に敏感ことを示唆と私たちは dCas9 への抑圧的なドメインの追加が非活性化を促進するかもしれないと判断多様なエンハンサー。我々 は選んだ Sin3a の相互作用ドメインの Mad1 (SID)20それヒストン脱アセチル化酵素21の採用につながると転写活性に関連付けられているヒストンのアセチルのグループを削除します。重要なは、SID のドメイン dCas922と23の物語に融合遺伝子の発現を減らすことで有効であったし、Sin3a 様々 なエンハンサー シーケンス コンテキスト24で強力な抑圧的な共同の要因であることが示されています。我々 は ER によってバインドされている 10 の異なるエンハンサーを対象とする SID4x-dCas9-KRAB (エンハンサー-i) を使用し、4 遺伝子18エストロゲン転写反応に必要な小胞体結合部位 (ERB) を識別します。またエストロゲン転写応答の生産に協力するサイトを識別するエンハンサーの組み合わせを取り上げた。その 50 サイトまですることができます潜在的の対象になる同時に検出可能な遺伝子発現変動がわかった。チップ seq と RNA シーケンスを使用して、エンハンサー i が複数エンハンサーを同時に研究のための特異性の高い技術であることを示しました。
このプロトコルではエンハンサー-i、ティッシュ文化の設定で同時に複数のエンハンサー機能研究をできる柔軟な技術を実行するための手順をについて説明します。エンハンサー i 遺伝子欠失との相関が大きいが、ヒストン脱アセチル化酵素 (Hdac) に依存している一時的な不活性化を提供します。ガイドを提供する Rna ウイルスベクターによる安定した統合ではなく一過性トランスフェクションを介して堆積と H3K9me3 の潜在的な広がりこのプロトコルを回避できます。このプロトコルの詳細ガイド RNA デザインとクローニングのトランスフェクション ギブソン アセンブリを介してガイド リポフェクションを使用して Rna と qPCR による結果の遺伝子発現の解析を変更します。我々 はゲノムとトランスクリプトームのレベルを対象にしたエンハンサー i の特異性を評価する方法があります。この手法を研究開発した小胞体遺伝子はひと癌細胞株におけるエンハンサーをバインド、すべての哺乳類のエンハンサーの解剖にも適用可能です。
このプロトコルでは、物理的に dna 塩基配列を変えることがなく内因性の genomic 位置でエンハンサー機能を解剖するための簡単で柔軟なメソッドについて説明します。間 dCas9 KRAB27を使用して以前に発行された CRISPR 干渉プロトコルに概念で類似した、3 つの主要な方法でこれらのプロトコルが異なりますエンハンサー i。まず、エンハンサー i は、エンハンサーの非アクティブ化を達成するために MAD120の SIN3A の相互作用ドメインを利用しています。エンハンサーの非アクティブ化は、非アクティブ化の主要なメカニズムが HDAC 依存であることを示唆している HDAC の抑制剤を使用して救出することができます。DCas9 KRAB に CRISPR 干渉とは異なり、エンハンサー i は H3K9me3 の沈着に導かない。これは、エンハンサー i ガイド Rna、3 日間で収穫されて細胞をトランスフェクションの記事の一時的な導入に依存しているという事実のために可能性が高いです。CRISPR 干渉で 7 日間ポスト伝達12H3K9me3 の増加が観察されます。最後に、エンハンサー i プロトコルは、複数のサイトを同時にターゲットし、ターゲットの効率を監視するための戦略を提供します。モザイク seq17、dCas9 KRAB が複数エンハンサーを同時にターゲットに使用しますが、この手法で表現の変更を識別するために単一細胞 RNA シーケンスで利用され (エストロゲン応答遺伝子) など多くの遺伝子が低いのため探知されていなく行く単一細胞 RNA シーケンス エンハンサー-i の感度は、エンハンサーを個別に任意の遺伝子を組み合わせて研究を信頼性の高い方法を提供します。
エンハンサー i の最も重要なステップは、トランスフェクション興味の細胞ラインのために最適化する必要があります。ピューロマイシン transfected セルを豊かにするためにこのプロトコル依存しますが、可能な蛍光蛋白質及びフローサイトメトリーを使用して蛍光セルの並べ替えと共同 transfecting ガイド Rna は、いくつかの細胞への良い濃縮法証明するかもしれないタイプ。トラブルシューティングを行うし、トランスフェクションを確認する qPCR によるガイド Rna の発現レベルと SID4x-dCas9-KRAB の監視をお勧めします。ガイド RNA レベルが低いかどうか (サイクルしきい値 > 30)、ユーザーまた RNA の生産戦略の in vitro転写28など代替ガイドを検討する場合があります。高 gRNA レベルにもかかわらずガイド SID4x-dCas9-KRAB 蛋白質の RNA をターゲットすることは効率的ではありません、RNA シーケンスをガイドの場合異なる選択をする必要があります可能です。エンハンサー i 扱われる細胞クロマチンと融合タンパク質のチップ seq を実行すると、ターゲットの効率を監視できます。SID4x-dCas9-KRAB 関心の領域での高信号があり、その推定ターゲット遺伝子の表現の変更が検出されない場合、可能性が高い地域は検討した条件の下でその遺伝子の発現に影響しません。
エンハンサー-i の 1 つの潜在的な制限は、あまりにも多くのサイトが同時に対象とした場合、オフターゲット効果が蓄積する可能性です。それにもかかわらず、ノックダウンの CRISPR 干渉戦略少数がある RNAi29よりターゲット効果を特に dCas9 KRAB を表現するポリクローナル セルラインを使用時。我々 は同時に 10 のサイトをターゲットにする場合 SID4X-dCas9-KRAB の標的をゲノム結合を見ていますが、ないそれらのバインド イベントの結果として遺伝子発現変動を同定しました。いくつかエンハンサーは複数のプロモーターおよび/または他のエンハンサーに連絡、遺伝子発現制御のこの形態は共通かは明らかではないが、多くの遺伝子が単一のエンハンサーのターゲット式に変更されることが可能です。式変化観察特定エンハンサーをターゲットことを確認していないターゲットに効果、ユーザーは非重複ガイド Rna ターゲットに同じ地域の 2 つの明瞭なセットとエンハンサー i を実行できます。また、ヌクレアーゼ有能な Cas9 を使用して、領域の遺伝子の欠失はさらに遺伝子発現に及ぼす影響を確認できます。
ヒストン脱アセチル化を介してエンハンサー i 機能としてその無効化能力のヒストンのアセチル化のレベルがかなり増強に制限が可能です。さまざまな可能性があります特定のエンハンサーをターゲットでより効果的な代替の抑圧的な融合があります。遠位エンハンサー30、ターゲット遺伝子の発現を抑える dCas9 への DNA メチルトランスフェラーゼ融合を使用できますが、この抑圧が一時的でよくないです。別の抑圧的な融合は、ヒストン H3 のリジン 27 トリメチルにつながる、さまざまな細胞ラインとプロモーター31dCas9 ボブと同様のレベルでの遺伝子発現を抑制する友人の GATA1 (噴霧試験 ※ 1) ドメインを使用します。興味深いことに、SID のドメインの単一のコピーがエンハンサー i で現在使用されている 4 つのコピーよりもより多くのエンハンサー非アクティブ化を提供することが示唆しているプロモーターで抑圧的な可能性を低減噴霧試験 ※ 1 のより多くのコピーを dCas9 に追加します。いくつかの遺伝子座上 dCas9 融合のさまざまな組み合わせによるデュアル ターゲットから寄与するかもしれないことが可能です。たとえば、安定した長期的な抑圧は dCas9 DNMT3a と dCas9 KRAB32の同時伝達によって達成できます。これらの抑圧的な融合のほとんどだけ、一度に単一の軌跡に対象となってにいるし、不明のままは、同時に複数のエンハンサーを操作するに最も効果的であります。
エンハンサー-i、一握りの遺伝子の増強物の組み合わせを研究するための適切な方法ながらまだ多少スループット ユーザーが何百もの遺伝子の推定エンハンサーを勉強したい場合限られます。この技術の将来のアプリケーションは、複数のサンプルに複数の遺伝子を同時に定量化するイメージング技術を組み込む予定します。重要なは、これらの技術は時間のかかる RNA の隔離の必要性を排除、ライセートから RNA 分子の直接検出と互換性が。これらの適応はエンハンサーの大きいセットの尋問を容易にするため。
The authors have nothing to disclose.
この作品は、NIH/NHGRI R00 HG006922 と j. g. に NIH/NHGRI R01 HG008974 とハンツマン癌研究所によって支持されました。J.B.C. は、NIH の遺伝学 T32GM007464 トレーニング プログラムによって支えられました。
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 |