Este protocolo descreve as etapas necessárias para projetar e executar a segmentação multiplexada de realçadores com a proteína de fusão desativação CASCUDO-SID4X-dCas9, também conhecido como interferência de realçador (Enhancer-i). Este protocolo permite a identificação de potenciadores que regulam a expressão gênica e facilita a dissecação das relações entre potenciadores de regulação de um gene alvo comum.
Potenciadores de múltiplas vezes regulam um determinado gene, no entanto, para a maioria dos genes, ainda não está claro quais realçadores são necessários para a expressão do gene, e como estes potenciadores combinam para produzir uma resposta transcricional. Como milhões de realçadores foram identificados, ferramentas de alta produtividade são necessários para determinar a função de potenciador na escala do genoma. Métodos atuais para estudar a função potenciador incluem fazer genéticas exclusões usando Cas9 nuclease-proficiente, mas é difícil de estudar os efeitos combinatórios de realçadores múltiplos usando esta técnica, como várias linhas sucessivas clonal de célula devem ser gerados. Aqui, apresentamos Enhancer-i, um método baseado em interferência CRISPR que permite o interrogatório funcional de potenciadores de múltiplos simultaneamente em seus loci endógena. Potenciador-i empreg dois domínios repressivos fundidos a nuclease deficiente Cas9, SID e CASCUDO, para alcançar a desativação do realçador através de deacetilação de histona em loci alvo. Este protocolo utiliza transfection transiente de guia RNAs para habilitar transitória inactivação das regiões alvo e é particularmente eficaz em bloquear inducible transcriptional respostas aos estímulos em configurações de cultura de tecidos. Potenciador-i é altamente específica, tanto em seu direcionamento genômica e seus efeitos na expressão gênica global. Resultados obtidos com este protocolo ajudam a compreender se um intensificador está a contribuir para a expressão do gene, a magnitude da contribuição e como a contribuição é afectada por outros potenciadores nas proximidades.
Em grande escala sequenciamento projetos como ENCODE1, roteiro Epigenomics2e FANTOM3 identificaram milhões de realçadores putativos dentro do genoma humano em centenas de tipos de células. Estima-se que cada promotor associa-se com uma média de 4,9 potenciadores e cada potenciador de contatos uma média de 2,4 genes3, sugerindo que a expressão gênica é muitas vezes o resultado da integração de múltiplas interações reguladoras distribuídas. Um desafio significativo remanescente é definir não só individuais como potenciadores de contribuam para a expressão do gene, mas como eles se combinam para afetar a expressão. Abordagens genéticas são comumente usadas para identificar as relações entre potenciadores em organismos-modelo de drosófila4 para ratos5. No entanto, estas experiências são morosas e de baixo rendimento para o estudo de múltiplas potenciadores de múltiplos genes.
Uma abordagem para estudar a função potenciador em grande escala envolve ensaios repórter massivamente paralelo. Estes ensaios permitem a exibição simultânea de milhares de sequências de DNA por sua capacidade de conduzir a expressão de um gene de repórter6. Enquanto estes ensaios têm mostrado que a sequência de DNA sozinho pode ser suficiente para transmitir o gene Regulamento informações7, eles vêm com as advertências de sendo executada fora do contexto de cromatina nativa e com um promotor heterólogo. Além disso, o tamanho da sequência de DNA, sendo analisado em ensaios de repórter maciçamente paralelo é geralmente basepairs menos de 200, que podem excluir a sequência relevante circundante. Importante, como repórter ensaios apenas medem a atividade de uma sequência de cada vez, eles não levam em conta as relações complexas que podem existir entre potenciadores. Assim, enquanto repórter maciçamente paralelo ensaios podem ser informativos sobre a atividade intrínseca de uma sequência de DNA, eles não necessariamente nos informar sobre a função dessa sequência de DNA no contexto do genoma.
Recentemente desenvolvidos CRISPR/Cas9 ferramentas8 facilitaram o estudo da regulação genética, já que permitem a exclusão de realçadores no locus endógeno. No entanto, excluir potenciadores de múltiplos simultaneamente pode levar à instabilidade genômica e é demorado para gerar exclusões potenciador sucessivas em uma linha única célula. Além disso, nova sequência genômica é criada no site da exclusão após o reparo, e essa sequência pode ganhar função reguladora. Uma versão alternativa do Cas9 foi desenvolvida especificamente para modular a expressão gênica, contando com fusões de ativação9,10 ou reprimir11,12 domínios de forma deficiente nuclease das Cas9 (dCas9). Estas proteínas de fusão são ideais para estudar simultaneamente múltiplos loci, como eles não fisicamente alterar a sequência de DNA e em vez disso, modulam epigenética para interrogar uma região reguladora. A fusão repressiva mais amplamente utilizada é CASCUDO, que recruta o complexo de repressor co KAP1, promovendo a deposição da repressão-associado histona H3 lisina 9 trimethylation (H3K9me3)13. dCas9-CASCUDO, também conhecido como CRISPR interferência14, tem sido usada para alvo e tela potenciadores individuais por suas contribuições para o de15,de expressão do gene16; no entanto, isso não foi otimizado para segmentação de várias regiões simultaneamente. Uma versão do multiplex interferência CRISPR para realçadores, mosaico-seq17, usa única célula RNA-seq como uma leitura, mas esta tecnologia é caro e indicado apenas para o estudo de genes altamente expressos devido à baixa sensibilidade de uma única célula RNA-Seq
Temos procurado desenvolver um método baseado em interferência de CRISPR para dissecar função combinatória potenciador dentro do contexto de uma resposta transcricional de estrogênio. Cerca de metade dos genes hormona-responsivo contêm 2 ou mais potenciadores vinculados pela Alfa do receptor de estrógeno (ER) nas proximidades de18, sugerindo que potenciadores de múltiplas podem ser participantes em resposta ao estrogênio e compreender que a lógica de regulamentação exigiria segmentação potenciadores de múltiplos simultaneamente. Como os estudos iniciais usando interferência CRISPR em promotores sugeriram que nem todos os promotores são igualmente responsivos a repressão mediada por CASCUDO19, nós raciocinou que a adição de um domínio repressivo distinta para dCas9 pode facilitar a desativação de potenciadores de diversas. Escolhemos o interagindo na Sin3a domínio de Mad1 (SID)20 como ele leva para o recrutamento de histona deacetilases21, que removem grupos acetila em histonas que estão associados com a atividade transcricional. Importante, o domínio de SID foi eficaz em reduzir a expressão de gene quando fundido dCas922 e contos23, e Sin3a tem demonstrado ser um potente repressivo co-fator em uma variedade de potenciador sequência contextos24. Costumávamos a alvo 10 diferentes realçadores vinculados a ER SID4x-dCas9-CASCUDO (Enhancer-i) e identificar os locais obrigatórios de ER (ERBS) que são necessários para a resposta transcricional de estrogênio em 4 genes18. Também escolhemos as combinações de potenciadores para identificar os sites que cooperam na produção da resposta transcricional de estrogênio. Achamos que até 50 sites pode potencialmente ser alvo simultaneamente com as mudanças de expressão de gene detectável. Usando o ChIP-seq e RNA-seq, demonstrámos que Enhancer-i é uma técnica altamente específica para estudar potenciadores de múltiplos simultaneamente.
Este protocolo, descreveremos as etapas envolvidas na realização de Enhancer-i, uma técnica flexível que permite o estudo funcional de potenciadores de múltiplos simultaneamente em uma configuração de cultura de tecidos. Potenciador-i está altamente correlacionada com deleção genética mas fornece desativação transiente que é dependente de histona deacetilases (HDACs). Entregando a guia RNAs através de transfecção transiente em oposição a integração estável através de vetores virais, este protocolo evita deposição e potencial de disseminação de H3K9me3. Este protocolo detalhes guia RNA design e clonagem através de montagem de Gibson, o transfection de guia RNAs usando lipofection, e a análise resultante da expressão do gene alterado por qPCR. Nós também incluímos os métodos para avaliar a especificidade do Enhancer-i visando ao nível do genoma e transcriptoma. Enquanto esta técnica foi desenvolvida para estudar a regulação gênica por ER vinculado potenciadores em linhas de células cancerosas humanas, é aplicável para a dissecação de qualquer realçador de mamíferos.
Este protocolo descreve um método simples e flexível para dissecar função potenciador no locus genômico endógena sem fisicamente alterar a sequência de DNA. Enquanto similar em conceito a protocolos de interferência CRISPR anteriormente publicados usando dCas9-CASCUDO27, Enhancer-i difere esses protocolos de 3 maneiras. Primeiro, Enhancer-i utiliza o domínio interagindo SIN3A de MAD120 para alcançar a desativação do realçador. Desativação de potenciador pode ser resgatada usando inibidores HDAC, sugerindo que o mecanismo primário de desativação é dependente de HDAC. Ao contrário de interferência CRISPR com dCas9-CASCUDO, Enhancer-i não leva à deposição de H3K9me3. Isto é provavelmente devido ao fato de que Enhancer-i baseia-se na transitória introdução guia RNAs, para o post com as células, sendo colhidas aos 3 dias do transfection. Interferência de CRISPR, observa-se um aumento na H3K9me3 em 7 dias post transdução12. Finalmente, o protocolo de Enhancer-i fornece uma estratégia para vários sites de destino simultaneamente e monitorar a eficiência da segmentação. Em mosaico-seq17, dCas9-CASCUDO é usado para direcionar potenciadores de múltiplos simultaneamente, mas esta técnica se baseia em sequenciamento de RNA monocelulares identificar alterações de expressão, e muitos genes (tais como genes hormona-responsivo) passam despercebidos devido a baixa sensibilidade da célula única RNA-Seq Enhancer-i fornece um método confiável para estudar potenciadores individualmente e em combinação para qualquer gene.
A etapa mais crítica de Enhancer-i é transfeccao, quais deve ser otimizado para a linhagem de células de interesse. Este protocolo se baseia em puromicina enriquecer para células transfectadas, mas é possível que o co transfecting guia RNAs com uma proteína fluorescente e a classificação para as células fluorescentes usando citometria de fluxo pode vir a ser um melhor método de enriquecimento para uma célula tipos. Recomenda-se monitoramento do nível de expressão do guia RNAs e SID4x-dCas9-CASCUDO por qPCR para solucionar problemas e confirmar a transfeccao. Se a guia RNA níveis são baixos (ciclo limite > 30), os usuários também podem considerar guia alternativo estratégias de produção de RNA como em vitro transcrição28. Também é possível que apesar de gRNA altos níveis, guia RNA alvo da proteína SID4x-dCas9-CASCUDO é ineficiente, caso em que selecionando diferentes: guia de sequências de RNA pode ser necessário. Por meio de ChIP-seq a proteína de fusão com cromatina das células tratada Enhancer-i, a eficiência de segmentação pode ser monitorada. Se houver sinal elevado de SID4x-dCas9-CASCUDO na região de interesse, e sem alterações de expressão em seu gene alvo putativo são detectadas, então a região provável não contribui para a expressão de que gene nas condições estudadas.
Uma limitação potencial de Enhancer-i é que efeitos fora do alvo podem acumular-se se há muitos sites são direcionados simultaneamente. No entanto, estratégias de interferência CRISPR por nocaute tem menos fora alvo dos efeitos do RNAi29, especialmente quando é usada uma linha de celular policlonal expressando dCas9-CASCUDO. Enquanto nós vimos o alvo genômica vinculação de SID4X-dCas9-CASCUDO ao direcionamento 10 sites simultaneamente, não identificamos as mudanças de expressão de gene como resultado desses eventos de vinculação. Como alguns intensificadores podem contatar vários promotores e/ou outros potenciadores, é possível que muitos genes podem mudar a expressão sobre o direcionamento de um único potenciador, embora não está claro se esta forma de regulação genética é comum. Para confirmar que as mudanças de expressão observaram são devido ao direcionamento de um específico potenciador e não fora do alvo os efeitos, os usuários podem executar Enhancer-i com dois conjuntos distintos de disjunto guia RNAs direcionamento da mesma região. Além disso, a exclusão genética da região usando Cas9 nuclease-competente pode confirmar ainda mais seus efeitos na expressão gênica.
Como funções de Enhancer-i através da deacetilação de histona, é possível que suas habilidades de desativação são limitadas para potenciadores que têm níveis apreciáveis de acetilação da histona. Há uma variedade de fusões de repressivos alternativos que pode ser mais eficaz no direcionamento específicos potenciadores. Fusões de DNA metiltransferase para dCas9 podem ser usados para reduzir a expressão de gene quando direcionados para distal potenciadores de30, mas essa repressão muitas vezes não é transitória. Outra fusão repressiva usa o domínio de amigo de GATA1 (FOG1), que leva a histona H3 lisina 27 trimethylation e reprime a expressão gênica em níveis semelhantes para dCas9-CASCUDO através de uma variedade de células linhas e promotores31. Curiosamente, adicionar mais cópias de FOG1 para dCas9 reduziu o potencial repressivo em promotores, sugerindo que uma única cópia do domínio SID pode fornecer mais desativação potenciador do que as 4 cópias atualmente utilizados nas Enhancer-i. É possível que alguns loci pode beneficiar de dupla definião de combinações diferentes das fusões de dCas9 acima. Por exemplo, repressão de longo prazo estável pode ser conseguida simultânea transdução de dCas9-DNMT3a e dCas9-CASCUDO32. Maior parte destas fusões repressivas têm sido alvo de um único locus cada vez, e ele ainda não está claro que é mais eficaz na manipulação potenciadores de múltiplos simultaneamente.
Potenciador-i, enquanto um método adequado para estudar combinações de potenciadores de por um punhado de genes, é ainda um pouco limitada na taxa de transferência se o usuário deseja estudar putativos potenciadores para centenas de genes. Futuras aplicações desta técnica irão incorporar tecnologias baseadas em imagem para quantificar vários genes em amostras múltiplas simultaneamente. Importante, essas tecnologias são compatíveis com detecção direta de moléculas de RNA de lisado, eliminando a necessidade de isolamento de RNA demorada. Estas adaptações facilitam o interrogatório de conjuntos maiores de realçadores.
The authors have nothing to disclose.
Este trabalho foi financiado pelo NIH/tempo R00 HG006922 e HG008974 de R01 NIH/tempo de J.G. e o Instituto de câncer Huntsman. J.B.C. foi apoiada pelo programa de treinamento de NIH em genética 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 |