Eine Methode zur Untersuchung der de novo Bildung von Chromatin-Domänen
Summary
Diese Methode wurde entwickelt, um der Bildung von PRC2-vermittelten Chromatindomänen in Zelllinien zu folgen, und die Methode kann an viele andere Systeme angepasst werden.
Abstract
Die Organisation und Struktur von Chromatindomänen ist für einzelne Zelllinien einzigartig. Ihre Fehlregulation könnte zu einem Verlust der zellulären Identität und/oder Krankheit führen. Trotz enormer Anstrengungen ist unser Verständnis der Bildung und Verbreitung von Chromatin-Domänen immer noch begrenzt. Chromatin-Domänen wurden unter stationären Bedingungen untersucht, die nicht förderlich für die Verfolgung der ersten Ereignisse während ihrer Einrichtung sind. Hier stellen wir eine Methode vor, um Chromatin-Domänen induduziert und deren Neubildung als Funktion der Zeit zu verfolgen. Obwohl, zuerst auf den Fall der PRC2-vermittelten repressiven Chromatin-Domänenbildung angewendet, könnte es leicht an andere Chromatin-Domänen angepasst werden. Die Modifikation und/oder Kombination dieser Methode mit Genomik- und Bildgebungstechnologien wird unschätzbare Werkzeuge liefern, um die Etablierung von Chromatin-Domänen im Detail zu untersuchen. Wir glauben, dass diese Methode unser Verständnis davon revolutionieren wird, wie Chromatin-Domänen sich bilden und miteinander interagieren.
Introduction
Eukaryotische Genome sind hoch gradig organisiert und Veränderungen in der Chromatin-Zugänglichkeit steuern direkt die Gentranskription1. Das Genom enthält verschiedene Arten von Chromatin-Domänen, die mit transkriptionaler Aktivität und Replikationtiming2,3korrelieren. Diese Chromatin-Domänen reichen von wenigen Kilobasen (kb) bis zu mehr als 100 kb und zeichnen sich durch eine Bereicherung in unterschiedlichen Histonmodifikationenaus 4. Die zentralen Fragen sind: Wie werden diese Domänen gebildet und wie werden sie propagiert?
Eine der am besten charakterisierten Chromatin-Domänen wird durch die Aktivität des Polycomb-Repressionskomplexes 2 (PRC2) gefördert. PRC2 ist ein Komplex mit mehreren Untereinheiten, der aus einer Teilmenge der Polycomb-Gruppe (PcG) der Proteine5,6besteht und die Mono-, Di- und Trimethylierung von Lysin 27 des Histons H3 (H3K27me1/me2/me3)7,8, 9,10. H3K27me2/me3 sind mit einem repressiven Chromatinzustand verbunden, aber die Funktion von H3K27me1 ist unklar6,11. Eine der Kernkomponenten der PRC2, die embryonale Ektodermentwicklung (EED), bindet durch ihren aromatischen Käfig an das Endprodukt der PRC2-Katalyse, H3K27me3, und diese Funktion führt zur allosterischen Stimulation von PRC212,13. Die enzymatische Aktivität der VR China ist entscheidend für die Erhaltung der zellulären Identität während der Entwicklung, da die unangemessene Expression bestimmter Entwicklungsgene, die für eine bestimmte Abstammung kontraindiziert sind, schädlich wäre5,6 . Daher ist die Auflösung der Mechanismen, mit denen PRC2 die Bildung repressiver Chromatindomänen bei Säugetieren fördert, von grundlegender Bedeutung für das Verständnis der zellulären Identität.
Alle bisherigen experimentellen Systeme zur Untersuchung der Chromatin-Domänenbildung einschließlich PRC2-vermittelter Chromatin-Domänen wurden unter stationären Bedingungen durchgeführt, die nicht in der Lage sind, die sich entfaltenden Ereignisse der Chromatin-Domänenbildung in Zellen. Hier stellen wir ein detailliertes Protokoll zur Erzeugung eines induzierbaren Zellsystems vor, das die anfängliche Rekrutierung und Verbreitung von Chromatin-Domains überwacht. Insbesondere konzentrieren wir uns auf die Verfolgung der Bildung von PRC2-vermittelten repressiven Chromatin-Domänen, die H3K27me2/3 umfassen. Dieses System, das die mechanistischen Details der Chromatin-Domänenbildung erfassen kann, könnte angepasst werden, um andere Chromatin-Domänen zu integrieren, wie die weithin untersuchten Domänen, die entweder H2AK119ub oder H3K9me umfassen. In Kombination mit Genomik- und Bildgebungstechnologien hat dieser Ansatz das Potenzial, verschiedene, zentrale Fragen der Chromatinbiologie erfolgreich anzugehen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ein kraftvoller Ansatz, um die mechanistischen Details während der Bildung einer bestimmten Chromatin-Domäne zu verstehen, besteht darin, zuerst die Domäne zu stören und dann ihre Rekonstruktion in den Zellen zu verfolgen. Der Prozess kann jederzeit während der Rekonstruktion angehalten werden, um die laufenden Ereignisse im Detail zu analysieren. Frühere Studien an Chromatin-Domänen waren nicht in der Lage, solche Ereignisse zu lösen, wie sie unter stationären Bedingungen durchgeführt wurden (z. B. Vergleich v…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir danken Drs. L. Vales, D. Ozata und H. Mou für die Überarbeitung des Manuskripts. Das D.R. Lab wird vom Howard Hughes Medical Institute und den National Institutes of Health (R01CA199652 und R01NS100897) unterstützt.
Materials
| (Z)-4-Hydroxytamoxifen (5 mg) | Sigma | H7904-5MG | For induction of EED expression |
| 16% Paraformaldehyde aqueous solution (10×10 ml) | Electron Microscopy Sciences | 15710 | For immunofluorescence |
| 2-mercaptoethanol | LifeTechnologies | 21985-023 | For mESCs culture |
| 2% Gelatin Solution | Sigma | G1393-100ml | For mESCs culture |
| Accutase 500 ML | Innovative Cell Tech/FISHER | AT 104-500 | For mESCs culture |
| Alexa Fluor 594 AffiniPure Donkey Anti-Rabbit IgG (H+L) | Jackson immunoresaerch | 711-585-152 | For immunofluorescence |
| Aqua-Mount Mounting Medium | FISHER/VWR | 41799-008 | For immunofluorescence |
| CHAMBER SLD TC PRMA 8-CHM 16 PK | Fisher Sci | 177445PK | For immunofluorescence |
| DAPI (4',6-Diamidino-2-Phenylindole, Dihydrochloride) – 10 mg | Life Tech | D1306 | For immunofluorescence |
| ERK inhibitor, PD0325901 | Stemgent | 04-0006 | For mESCs culture |
| ESGRO Recombinant Mouse LIF Protein | Millipore/Fisher | ESG1107 | For mESCs culture |
| FBS Stem Cell Qualified | Atlanta | S10250 | For mESCs culture |
| Gibson Assembly Master Mix | NEB | E2611L | For Donor template cloning |
| GSK3 inhibitor, CHIR99021 | Stemgent | 04-0004 | For mESCs culture |
| H3K27me2 (D18C8) rabbit mAB | Cell Signaling | 9728S | Antibody for ChIP-seq |
| H3K27me3 | Cell Signaling | 9733S | Antibody for ChIP-seq |
| Histone H2Av antibody (pAb) | Active motif | 39715 | Spike-in control for ChIP-seq |
| Knockout DMEM | Invitrogen | 10829-018 | For mESCs culture |
| L-glutamine | Sigma | G7513 | For mESCs culture |
| Lipofectamine 2000 | LifeTech | 11668019 | For transfection |
| MangoTaq DNA Polymerase | Bioline | BIO-21079 | For Genotyping PCR |
| Normal donkey serum (10 mL) | Jackson ImmunoResearch | 017-000-121 | For immunofluorescence |
| Penicillin-Streptomycin | Sigma/Roche | P0781 | For mESCs culture |
| pSpCas9(BB)-2A-GFP (PX458) | Addgene | 48138 | For gRNA cloning |
| QuickExtract DNA Extraction Solution | Lucigen | QE0905T | For Genotyping PCR |
| Triton X-100 | Sigma | T8787-250ML | |
| Zero Blunt PCR Cloning Kit | Thermo Fisher | K270020 | For Donor template cloning |
| Primers/gBlocks | |||
| EED-KO-gRNA-1 | Sequence: ctctggctactgtcaactag. gRNAs pairs to knockout EED in C57BL/6 ESCs for i-WT-r and i-MT-r systems. | ||
| EED-KO-gRNA-2 | Sequence: TAGGCTATGACGCAGCTCAG. gRNAs pairs to knockout EED in C57BL/6 ESCs for i-WT-r and i-MT-r systems. | ||
| EED-gRNA-inducible | Sequence: atggcaccccgaaattagaa. gRNA and Donor to generate i-WT-r system in the EED-KO background. | ||
| i-WT-r Donor | https://benchling.com/s/seq-l2LLlWNEnLrfGXcbdCxI. gRNA and Donor to generate i-WT-r system in the EED-KO background. | ||
| EED-gRNA-inducible | Sequence: atggcaccccgaaattagaa. gRNA and Donor to generate i-WT-r system in the EED-KO background. | ||
| i-MT-r Donor | https://benchling.com/s/seq-n8eiZCB2XAkOuzzpv6qM. gRNA and Donor to generate i-MT-r system in the EED-KO background. | ||
| Genotyping Primers | |||
| Gnt-EED-KO-FW-1 | Sequence: ctgtaggctgccatctgtga. Wild type allele will produce a product of 1.9 kb. Knockout allele will produce a product of 200 bp. | ||
| Gnt-EED-KO-REV-1 | Sequence: agccagggctacacagagaa. Wild type allele will produce a product of 1.9 kb. Knockout allele will produce a product of 200 bp. | ||
| Inducible_Genotype-FW-1 | Sequence: tgcagtgaaacaaatttggaa. When the casette is inserted, the primers will produce 1863 bp. The wild type allele will produce a product of ~200 bp. | ||
| Inducible_Genotype-REV-1 | Sequence: gagaggggtggcactgtaaa. When the casette is inserted, the primers will produce 1863 bp. The wild type allele will produce a product of ~200 bp. | ||
| Inducible_Genotype-FW-2 | Sequence: ccccctctttctccttttct. When the casette is inserted, the primers will produce 3200 bp. The wild type allele will produce a product of 1560 bp. | ||
| Inducible_Genotype-REV-2 | Sequence: atgcctgggtgaatgaaaaa. When the casette is inserted, the primers will produce 3200 bp. The wild type allele will produce a product of 1560 bp. |
References
- Bonev, B., Cavalli, G. Organization and function of the 3D genome. Nature Reviews Genetics. 17 (11), 661-678 (2016).
- Dixon, J. R., et al. Topological domains in mammalian genomes identified by analysis of chromatin interactions. Nature. 485 (7398), 376-380 (2012).
- Pope, B. D., et al. Topologically associating domains are stable units of replication-timing regulation. Nature. 515 (7527), 402-405 (2014).
- Carelli, F. N., Sharma, G., Broad Ahringer, J. Chromatin Domains: An Important Facet of Genome Regulation. Bioessays. 39 (12), (2017).
- Margueron, R., Reinberg, D. The Polycomb complex PRC2 and its mark in life. Nature. 469 (7330), 343-349 (2011).
- Holoch, D., Margueron, R. Mechanisms Regulating PRC2 Recruitment and Enzymatic Activity. Trends in Biochemical Sciences. 42 (7), 531-542 (2017).
- Cao, R., et al. Role of histone H3 lysine 27 methylation in polycomb-group silencing. Science. 298 (5595), 1039-1043 (2002).
- Kuzmichev, A., Nishioka, K., Erdjument-Bromage, H., Tempst, P., Reinberg, D. Histone methyltransferase activity associated with a human multiprotein complex containing the enhancer of zeste protein. Genes and Development. 16 (22), 2893-2905 (2002).
- Czermin, B., Melfi, R., McCabe, D., Seitz, V., Imhof, A., Pirrotta, V. Drosophila enhancer of Zeste/ESC complexes have a histone H3 methyltransferase activity that marks chromosomal Polycomb sites. Cell. 111 (2), 185-196 (2002).
- Müller, J., et al. Histone methyltransferase activity of a Drosophila Polycomb group repressor complex. Cell. 111 (2), 197-208 (2002).
- Ferrari, K. J., et al. Polycomb-Dependent H3K27me1 and H3K27me2 Regulate Active Transcription and Enhancer Fidelity. Molecular Cell. 53 (1), 49-62 (2014).
- Margueron, R., et al. Role of the polycomb protein EED in the propagation of repressive histone marks. Nature. 461 (7265), 762-767 (2009).
- Oksuz, O., et al. Capturing the Onset of PRC2-Mediated Repressive Domain Formation. Molecular cell. 70 (6), 1149-1162 (2018).
- Tee, W. W., Shen, S. S., Oksuz, O., Narendra, V., Reinberg, D. Erk1/2 activity promotes chromatin features and RNAPII phosphorylation at developmental promoters in mouse ESCs. Cell. 156 (4), 678-690 (2014).
- Oksuz, O., Tee, W. W. Probing chromatin modifications in response to ERK signaling. Methods in Molecular Biology. 1487, 289-301 (2017).
- Benchling for Academics. Benchling Available from: https://benchling.com (2018)
- Ran, F. A., Hsu, P. D., Wright, J., Agarwala, V., Scott, D. A., Zhang, F. Genome engineering using the CRISPR-Cas9 system. Nature Protocols. 8 (11), 2281-2308 (2013).
- Zhang, Z., Lutz, B. Cre recombinase-mediated inversion using lox66 and lox71: method to introduce conditional point mutations into the CREB-binding protein. Nucleic acids research. 30 (17), 90 (2002).
- Orlando, D. A., et al. Quantitative ChIP-Seq normalization reveals global modulation of the epigenome. Cell reports. 9 (3), 1163-1170 (2014).
- Langmead, B., Salzberg, S. L. Fast gapped-read alignment with Bowtie 2. Nature Methods. 9 (4), 357-359 (2012).
- Descostes, N. ChIPSeqSpike: ChIP-Seq data scaling according to spike-in control. R package version 1.2.1. , (2019).
- Quinlan, A. R., Hall, I. M. BEDTools: a flexible suite of utilities for comparing genomic features. Bioinformatics. 26 (6), 841-842 (2010).
- Kent, W. J., Zweig, A. S., Barber, G., Hinrichs, A. S., Karolchik, D. BigWig and BigBed: enabling browsing of large distributed datasets. Bioinformatics. 26 (17), 2204-2207 (2010).
- . UCSC Genome Browser Home Available from: https://genome.ucsc.edu (2019)
- Schindelin, J., et al. Fiji: an open-source platform for biological-image analysis. Nature Methods. 9 (7), 676-682 (2012).
- Nishimura, K., Fukagawa, T., Takisawa, H., Kakimoto, T., Kanemaki, M. An auxin-based degron system for the rapid depletion of proteins in nonplant cells. Nature Methods. 6 (12), 917-922 (2009).
- Banaszynski, L. A., Chen, L., Maynard-Smith, L. A., Ooi, A. G. L., Wandless, T. J. A Rapid, Reversible, and Tunable Method to Regulate Protein Function in Living Cells Using Synthetic Small Molecules. Cell. 126 (5), 995-1004 (2006).
- Højfeldt, J. W., et al. Accurate H3K27 methylation can be established de novo by SUZ12-directed PRC2. Nature Structural & Molecular Biology. 25 (3), 225-232 (2018).
