Этот протокол описывает шаги, необходимые для проектирования и выполнения мультиплексированных ориентации усилители с отключение синтез белка SID4X-dCas9-краб, также известный как усилитель вмешательства (Enhancer-i). Этот протокол позволяет идентифицировать усилителей, которые регулируют экспрессию генов и облегчает рассечение отношений между усилители, регулирующие общие цели ген.
Несколько усилителей часто регулируют данного гена, но для большинства генов, остается неясным, какие усилители необходимы для экспрессии генов, и как эти усилители в совокупности производят transcriptional ответ. Как миллионы усилители были определены, высок объём инструменты необходимы для определения усилитель функции генома масштабе. Нынешние методы для изучения усилитель функции включают в себя генетические удалений с использованием Cas9 Нуклеаза владеют, но трудно изучить комбинаторной последствия нескольких усилителей, используя эту технику, как несколько последовательных клоновых клеточных линий должны быть сгенерирован. Здесь мы представляем Enhancer-i, ТРИФОСФАТЫ на основе вмешательства метод, который позволяет для функциональных допроса нескольких усилителей одновременно на их эндогенных локусов. Enhancer-i использует два репрессивных доменов, сливается с нуклеиназы недостаточным Cas9, Сид и краб, для достижения усилитель деактивация через гистона диацетилморфина на целевых локусов. Этот протокол использует переходных трансфекции руководство РНК для включения переходных инактивации целевых регионах и особенно эффективен на блокирование индуцибельной транскрипционный анализ ответов на раздражители в настройках культуры ткани. Enhancer-i весьма специфические, как в его геномной ориентации и его влияние на экспрессию генов глобальной. Результаты, полученные из этого протокола помогают понять ли усилитель способствует экспрессии генов, масштабы вклада, и как вклад зависит от других близлежащих усилители.
Крупномасштабные последовательности проектов, таких как кодирование1, план Epigenomics2и FANTOM3 определили миллионы предполагаемого усилители в геноме человека через сотни типов клеток. Предполагается, что каждый промоутер связывает с в среднем 4,9 усилители и каждый усилитель контакты в среднем 2,4 генов3, предполагая, что экспрессии генов часто является результатом интеграции нескольких распределенных регулирования взаимодействия. Значительное нерешенная проблема заключается в определении не только как отдельные усилители вклад экспрессии генов, но как они объединяются, чтобы повлиять на выражение. Генетический подходы обычно используются для выявления связей между усилители в модельных организмов от дрозофилы4 до5мышей. Однако эти эксперименты, длительным и низкой пропускной способности для изучения нескольких усилителей на нескольких генов.
Один из подходов для изучения функции усилитель в крупных масштабах включает массивно параллельной репортер анализов. Эти анализы позволяют для одновременного скрининга тысяч последовательностей ДНК для их способности управлять выражение гена репортера6. Хотя эти анализы показали, что последовательность ДНК одиночку может быть достаточно передать ген регулирования информации7, они приходят с предостережениями о выполняемой вне контекста родной хроматина и гетерологичных промоутера. Кроме того размер последовательности ДНК, анализируются в массивно параллельной репортер анализов, как правило, менее 200 basepairs, которые могут исключить соответствующие окружающие последовательности. Главное как репортер анализов только измерения активности одной последовательности в то время, они не принимают во внимание сложные отношения, которые могут существовать между усилители. Таким образом хотя массивно параллельной репортер анализов могут быть информативным о внутренней деятельности последовательности ДНК, они не информируют обязательно нас функции этой последовательности ДНК в контексте генома.
Недавно развитых ТРИФОСФАТЫ/Cas9 средства8 облегчили исследование регуляции генов, как они позволяют исключить усилители на эндогенный Локус. Однако удаление нескольких усилителей одновременно может привести к геномной нестабильности, и это занимает много времени для создания последовательных усилитель удалений в одну ячейку строки. Кроме того новой геномной последовательности создан на месте удаления, после ремонта, и эта последовательность может получить функции регулирования. Альтернативная версия Cas9 была разработана специально для модуляции экспрессии генов, полагаясь на сплавливания активации9,10 или подавления доменов12 11,Нуклеаза недостаточным формы Cas9 (dCas9). Эти протеины сплавливания идеально подходят для изучения нескольких локусов одновременно, как они физически не изменять последовательность ДНК и вместо этого модулировать эпигенетики для того, чтобы допросить регулирования региона. Наиболее широко используемый репрессивных fusion-краб, которая вербует комплекс совместно репрессор KAP1, поощрение осаждения репрессий связанные гистонов H3 лизин 9 trimethylation (H3K9me3)13. dCas9-краб, также известный как ТРИФОСФАТЫ вмешательства14, был использован для целевого и экран индивидуальных усилителей за их вклад в выражение гена,1516; Однако он не был оптимизирован для охвата нескольких регионах одновременно. Одна версия мультиплекс ТРИФОСФАТЫ вмешательства для усилителей, мозаика seq17, использует одну ячейку РНК seq как индикация, но эта технология является дорогостоящим и подходит только для изучения весьма выраженным генов из-за низкой чувствительности одну ячейку РНК seq.
Мы стремились разработать метод, основанный на вмешательство ТРИФОСФАТЫ для рассечения комбинаторной усилитель функции в контексте транскрипционный анализ ответа в эстроген. Около половины из эстроген отзывчивым гены содержат 2 или более усилителей, обязательность эстрогеновых рецепторов альфа (ER) поблизости18, предполагая, что несколько усилителей может участвовать в ответ эстрогена и понимая логику регулирования потребует одновременно на нескольких усилителей. Как первоначальные исследования с использованием ТРИФОСФАТЫ вмешательства на промоутеров предложил, что не все промоутеров одинаково реагировать на репрессии, краб опосредованной19, мы рассудил, что добавление различных репрессивных домена dCas9 может облегчить деактивации различные усилители. Мы выбрали Sin3a взаимодействия домена из Mad1 (SID)20 как это приводит к набору гистона комплексы21, которые удаляют ацетильной группы на гистонов, которые связаны с транскрипционный анализ активности. Важно отметить, что SID домена было эффективным средством снижения экспрессии генов, когда сливается с dCas922 и23сказки, и Sin3a было показано, быть мощным фактором репрессивных совместно в различных усилитель последовательности контекстов24. Мы использовали SID4x-dCas9-KRAB (Enhancer-i) для 10 различных усилителей, обязательность ER и определения сайтов связывания ER (ERBS), которые необходимы для эстрогена транскрипционный анализ ответов 4 генов18. Мы также нацелены комбинации усилители для выявления сайтов, которые сотрудничают в производстве эстроген транскрипционный анализ ответа. Мы обнаружили, что до 50 сайтов могут потенциально быть направлены одновременно с изменения выражения гена обнаружению. С помощью чип seq и РНК seq, мы продемонстрировали, что Enhancer-i является весьма специфический метод для изучения нескольких усилителей одновременно.
В этом протоколе мы описывают шаги, необходимые для выполнения Enhancer-i, гибкий метод, который позволяет функциональные исследования нескольких усилителей одновременно в условиях культуры ткани. Enhancer-i тесно связано с генетическим удаления, но обеспечивает временной деактивации, который зависит гистона комплексы (ГДА). Обеспечивая руководство РНК через переходные трансфекции отличие от стабильной интеграции через вирусных векторов, этот протокол позволяет избежать осаждения и потенциального распространения H3K9me3. Этот дизайн руководство РНК детали протокола и клонирование через Гибсон Ассамблеи, transfection из руководство РНК с помощью липофекция, и анализ экспрессии генов в результате изменений, ПЦР. Мы также включают в себя методы для оценки специфика Enhancer-i таргетинг на уровне генома и транскриптом. Хотя этот метод был разработан для изучения гена регулирование ER связаны расширители в человеческих раковых клеток линии, это применимо к рассечение любой млекопитающих усилитель.
Этот протокол описывает простой и гибкий метод для рассечения функция усилитель на эндогенный Локус геномной без физически изменения последовательности ДНК. Хотя схожая по концепции с ранее опубликованные протоколы вмешательства ТРИФОСФАТЫ, используя dCas9-KRAB27, Enhancer-i отличается от этих протоколов в 3 основных направлениях. Во-первых Enhancer-i использует взаимодействующих домен SIN3A MAD120 для достижения усилитель деактивации. Деактивация усилитель могут быть спасены с помощью ингибиторы ГДАЦ, о том, что основным механизмом деактивации HDAC зависимых. В отличие от ТРИФОСФАТЫ вмешательства с dCas9-краб Enhancer-i не приводить к осаждения H3K9me3. Это, вероятно, связано с тем, что Enhancer-i опирается на переходных внедрения руководства должность РНК, с клетками, собирают на 3 дня transfection. В ТРИФОСФАТЫ вмешательства наблюдается рост в H3K9me3 в 7 дней поста трансдукции12. Наконец протокол Enhancer-i обеспечивает стратегию несколько сайтов одновременно и контролировать эффективность таргетинга. Мозаика seq17dCas9-KRAB используется для нескольких усилителей одновременно, но этот метод опирается на одну ячейку РНК последовательности для определения изменения выражения, в многих генов (например, эстроген отзывчивым генов) незамеченными из-за низкой чувствительность одноклеточных РНК след Enhancer-i обеспечивает надежный метод для изучения усилители, индивидуально или в комбинации для любого гена.
Наиболее важным этапом Enhancer-i является трансфекции, которые должны быть оптимизированы для линии клетки интереса. Этот протокол основывается на puromycin лечение, чтобы обогатить transfected клеток, но вполне возможно, что совместно transfecting руководство РНК с флуоресцентный белок и сортировка для флуоресцентных клеток с помощью проточной цитометрии может оказаться лучше метод обогащения для некоторых клеток типы. Мы рекомендуем, мониторинг уровня экспрессии руководство РНК и SID4x-dCas9-KRAB путем ПЦР для подтверждения transfection и устранения неполадок. Если руководство РНК уровни являются низкими (цикл порог > 30), пользователи могут также рассмотреть альтернативные руководство стратегии производства РНК как в vitro транскрипция28. Это также возможно, что несмотря на высокий gRNA, руководство РНК ориентации белка SID4x-dCas9-краб является неэффективным, в этом случае выбор различных руководство РНК последовательности могут быть необходимы. Выполняя чип seq на синтез белка с хроматина от Enhancer-i рассматриваются клеток, можно контролировать эффективность таргетинга. Если есть высокий сигнал SID4x-dCas9-KRAB в регионе интереса, и обнаруживаются изменения не выражение в его предполагаемых целевых генов, то скорее всего региона не способствуют выражение этого гена в условиях учился.
Одним из потенциальных ограничений Enhancer-i является что мимо эффекты могут накапливаться, если слишком много сайтов ориентированы одновременно. Тем не менее ТРИФОСФАТЫ стратегии вмешательства на нокдаун имеют меньше с цели эффекты, чем RNAi29, особенно когда используется поликлональных клеточная линия, выражая dCas9-краб. Хотя мы видели пробить геномной привязки SID4X-dCas9-краб, при таргетинге 10 сайтов одновременно, мы не выявили изменения выражения гена в результате этих событий привязки. Как некоторые усилители могут связаться несколько промоутеров и/или другие усилители, вполне возможно, что многие гены могут изменить выражение после нападения на один усилитель, хотя неясно, если эта форма регуляции генов является общим. Чтобы убедиться, что изменения выражения наблюдается из-за ориентации конкретных усилитель и не пробить эффекты, пользователи могут выполнять Enhancer-i с двух отдельных наборов non перекроя руководство РНК, ориентации того же региона. Кроме того генетические удаление в регионе с использованием нуклеиназы компетентных Cas9 далее может подтвердить его влияние на экспрессию генов.
Как функции Enhancer-i через диацетилморфина гистонов вполне возможно, что его деактивации возможности ограничены для усилителей, которые имеют ощутимый уровень ацетилирование гистонов. Существует целый ряд альтернативных репрессивных слияния, которые могут быть более эффективными в плане ориентации на конкретные усилители. ДНК метилтрансфераза сплавливания до dCas9 может использоваться для уменьшения экспрессии генов, когда направлены на дистальном усилители30, но репрессии часто не является временным. Еще один репрессивный фьюжн использует домен друг GATA1 (FOG1), что приводит к гистонов H3 лизин 27 trimethylation и подавляет экспрессии генов на уровнях, аналогичных dCas9-краб в различных клеток линии и промоутеров31. Интересно, что добавление больше копий FOG1 dCas9 сократить репрессивных потенциал на промоутеров, предполагая, что одна копия SID домена может обеспечить более усилитель деактивации чем 4 копии, в настоящее время используется в Enhancer-i. Вполне возможно, что некоторые локусов могут пользоваться двойной ориентации различные комбинации выше dCas9 сплавливания. К примеру стабильные долгосрочные репрессий достигается за счет одновременного трансдукции dCas9-DNMT3a и dCas9-KRAB32. Большинство этих репрессивных сплавливаний только мишенью в одном локусе одновременно, и остается неясным, какой является наиболее эффективным в манипуляции нескольких усилителей одновременно.
Enhancer-i, при этом соответствующий метод для изучения комбинации усилители для горстки генов, еще несколько ограничены в пропускной способности, если пользователь желает изучить предполагаемый расширители для сотен генов. Будущего применения этой техники будет включать технологии на основе изображений для количественного определения нескольких генов в нескольких образцов одновременно. Важно отметить, что эти технологии совместимы с прямым детектированием молекул РНК от lysate, устраняя необходимость в длительной изоляции РНК. Эти приспособления будут способствовать допроса больших наборов усилители.
The authors have nothing to disclose.
Эта работа была поддержана NIH/NHGRI R00 HG006922 и NIH/NHGRI R01 HG008974 для ю.г. и охотник институт рака. J.B.C. была поддержана NIH учебной программы в генетике 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 |