קביעה מדויקת של מיקומים מחייבי חלבון ברחבי הגנום חשובה להבנת ויסות הגנים. כאן אנו מתארים שיטת מיפוי גנומית המטפלת בדנ”א כרומטין-אימונו-חיסוני עם עיכול exonuclease (ChIP-exo) ואחריו רצף תפוקה גבוהה. שיטה זו מזהה אינטראקציות בין חלבון לדנ”א עם רזולוציית מיפוי קרובה של זוג בסיס ויחס אות לרעש גבוה בנוירונים של יונקים.
זיהוי אינטראקציות ספציפיות בין חלבון לדנ”א על הגנום חשוב להבנת ויסות הגנים. כרומטין immunoprecipitation בשילוב עם רצף תפוקה גבוהה (ChIP-seq) נמצא בשימוש נרחב כדי לזהות מיקומים מחייבים גנום רחב של חלבונים מחייבי DNA. עם זאת, שיטת ChIP-seq מוגבלת על ידי ההטרוגניות שלה באורך של שברי DNA sonicated ו- DNA רקע לא ספציפי, וכתוצאה מכך רזולוציית מיפוי נמוכה וחוסר ודאות באתרים מחייבי DNA. כדי להתגבר על מגבלות אלה, השילוב של ChIP עם עיכול exonuclease (ChIP-exo) מנצל 5 ‘ עד 3 ‘ עיכול exonuclease לקצץ את ה-DNA immunoprecipitated בגודל הטרוגנית לאתר חלבון-DNA crosslinking. טיפול Exonuclease גם מבטל DNA רקע לא ספציפי. ניתן לשלוח את הדנ”א שהוכן על ידי הספרייה ומתעכל מחוץ לתפוקה גבוהה. שיטת ChIP-exo מאפשרת רזולוציית מיפוי קרובה לזוג בסיס עם רגישות גבוהה יותר לזיהוי ואות רקע מופחת. פרוטוקול ChIP-exo ממוטב לתאי יונקים ולרצף הדור הבא מתואר להלן.
מיקומן של אינטראקציות בין חלבונים לדנ”א מספק תובנה לגבי המנגנונים של ויסות הגנים. כרומטין immunoprecipitation בשילוב עם רצף תפוקה גבוהה (ChIP-seq) שימש במשך עשור כדי לבחון גנום רחב חלבון-DNA אינטראקציות בתאיםחיים 1,2. עם זאת, שיטת ChIP-seq מוגבלת על ידי הטרוגניות בפיצול DNA וזיהום DNA לא מאוגד שמובילים לרזולוציית מיפוי נמוכה, תוצאות חיוביות שגויות, שיחות שלא נענו ואות רקע לא ספציפי. השילוב של ChIP עם עיכול exonuclease (ChIP-exo) משפר את שיטת ChIP-seq על ידי זמירת DNA ChIP לנקודות הצלבה חלבון-DNA, מתן רזולוציה קרובה בסיס זוג אות רקע נמוך3,4,5. רזולוציית המיפוי המשופרת מאוד והרקע הנמוך שמספק ChIP-exo מאפשרים לקבוע מיקומי קשירה מדויקים ומקיפים של חלבון-DNA ברחבי הגנום. ChIP-exo הוא מסוגל לחשוף מוטיבים ייחודיים מבחינה תפקודית DNA מחייב, אינטראקציות שיתופיות בין גורמי שעתוק (TF), ואתרים מרובים חלבון-DNA crosslinking במיקום מחייב גנומי מסוים, לא ניתן לגילוי על ידי שיטות מיפוי גנומיות אחרות3,4,6,7.
ChIP-exo שימש בתחילה ניצנים שמרים כדי לבחון את כריכת DNA ספציפית לרצף של TFs, כדי ללמוד את הארגון המדויק של קומפלקס טרום ייזום שעתוק, ומבנה תת-נוקלאוזומי של היסטונים בודדים על פני הגנום4,8,9. מאז השקתו בשנת 20114, ChIP-exo נוצל בהצלחה באורגניזמים רבים אחרים כולל חיידקים, עכברים ותאים אנושיים7,10,11,12,13,14,15,16,17. בשנת 2016, Rhee et al.14 השתמשו ב- ChIP-exo בנוירונים של יונקים בפעם הראשונה כדי להבין כיצד ביטוי גנים עצביים נשמר לאחר הסרת הפיקוח של תכנות TF Lhx3, המהווה קומפלקס הטרודימר עם תכנות אחר TF Isl1. מחקר זה הראה כי בהיעדר Lhx3, Isl1 מגויס משפרי עצבים חדשים כבול על ידי Onecut1 TF כדי לשמור על ביטוי גנים של גנים משפיע עצבי. במחקר זה, ChIP-exo חשף כיצד TFs מרובים מזהים באופן דינמי סוג תא ואלמנטים רגולטוריים ספציפיים לדנ”א בשלב התא באופן קומבינטורי ברזולוציית מיפוי כמעט נוקלאוטידים. מחקרים אחרים השתמשו גם בשיטת ChIP-exo כדי להבין את יחסי הגומלין בין חלבונים לדנ”א בקווי תאים אחרים של יונקים. האן ואח ‘7 השתמשו ChIP-exo לבחון ארגון גנום רחב של GATA1 ו TAL1 TFs בתאי אריתרואיד העכבר באמצעות ChIP-exo. מחקר זה מצא כי TAL1 מגויס ישירות לדנ”א ולא בעקיפין באמצעות אינטראקציות חלבון-חלבון עם GATA1 לאורך כל הבידול אריתרואיד. מחקרים שנעשו לאחרונה השתמשו גם ChIP-exo כדי פרופיל מיקומי מחייב הגנום כולו של CTCF, RNA פולימראז II, וסימני היסטון ללמוד מנגנונים אפיגנומיים שעתוק בשורות תאים אנושיים18,19.
ישנן מספר גרסאות של פרוטוקול ChIP-exo זמין3,5,20. עם זאת, קשה לעקוב אחר פרוטוקולי ChIP-exo אלה עבור מחקרים שאינם מכירים את הכנת ספריית הרצף של הדור הבא. גרסה מצוינת של פרוטוקול ChIP-exo פורסמה עם הוראות קלות למעקב ווידאו21, אבל הכיל צעדים אנזימטיים רבים הדורשים כמות משמעותית של זמן כדי להשלים. כאן אנו מדווחים על גרסה חדשה של פרוטוקול ChIP-exo המכיל צעדים אנזימטיים מופחתים וזימני דגירה, והסברים לכל שלב אנזימטי21. תיקון סיום ותגובות dA-tailing משולבים בשלב אחד באמצעות אנזים הכנה סוף. זמני הדגירה עבור אינדקס ושלבי קשירה מתאם אוניברסלי מופחתים מ 2 שעות ל 15 דקות באמצעות משפר קשירה. תגובת הקינז לאחר שלב החיבור של מתאם האינדקס המתואר בפרוטוקול ChIP-exo הקודם מוסרת. במקום זאת, קבוצת פוספט מתווספת במהלך סינתזת DNA אוליגו לאחד הקצוות 5 ‘ של מתאם האינדקס (טבלה 1), אשר ישמש לשלב עיכול exonuclease למדה. בעוד פרוטוקול ChIP-exo הקודם השתמש RecJf exonuclease עיכול כדי לחסל מזהמים DNA חד גדילי, שלב העיכול הזה מוסר כאן כי זה לא קריטי עבור האיכות של ספריית ChIP-exo. בנוסף, כדי לטהר DNA מקושר הפוך לאחר elution ChIP, שיטת טיהור חרוזים מגנטיים משמש במקום פנול:כלורופורם:אלכוהול isoamyl (PCIA) שיטת החילוץ. זה מקטין את זמן הדגירה של מיצוי DNA. חשוב לציין, זה מסיר את רוב dimers מתאם נוצר במהלך קשירת מתאם אינדקס, אשר עשוי להשפיע על היעילות של PCR בתיווך קשירה.
פרוטוקול ChIP-exo המוצג כאן מותאם במיוחד לגילוי אינטראקציות דנ”א מדויקות של חלבונים בנוירונים של יונקים המובחנים מתאי גזע עובריים (ES) של העכבר. בקצרה, תאים עצביים שנקטפו והצטלבים הם lysed, כדי לאפשר כרומטין להיחשף sonication, ולאחר מכן sonicated כך שברי DNA בגודל מתאים מתקבלים (איור 1). חרוזים מצופים בנוגדנים משמשים לאחר מכן כדי לדכא באופן סלקטיבי כרומטין מקוטע ומסיס לחלבון המעניין. בעוד DNA immunoprecipitated הוא עדיין על החרוזים, סוף תיקון, קשירה של מתאמי רצף, תגובת מילוי ו 5 ‘ עד 3 ‘ צעדי עיכול exonuclease למדה מבוצעים. שלב העיכול exonuclease הוא מה שנותן ChIP-exo שלה ברזולוציה גבוהה במיוחד ויחס אות לרעש גבוה. Lambda exonuclease חותך את ה-DNA immunoprecipitated כמה זוגות בסיס (bp) מאתר crosslinking, ובכך גורם DNA מזהם להיות מושפל. הדנ”א ChIP שטופל על ידי exonuclease הוא התרומם מן החרוזים מצופה הנוגדנים, חלבון-DNA crosslinks הפוכים, וחלבונים מושפלים. הדנ”א מופק ומנוכה לדנ”א ChIP חד-גדילי, ואחריו חישול פריימר והרחבה להכנת דנ”א דו-גדילי (dsDNA). לאחר מכן, מתבצעת קשירה של מתאם אוניברסלי לקצוות המטופלים ב exonuclease. הדנ”א שנוצר מטוהר, ואז PCR מוגבר, ג’ל מטוהר, ונתון לריצוף הדור הבא.
פרוטוקול ChIP-exo ארוך יותר מפרוטוקול ChIP-seq, אך אינו מאתגר מבחינה טכנית. כל DNA ChIP immunoprecipitated בהצלחה יכול להיות נתון ChIP-exo, עם מספר צעדים אנזימטיים נוספים. היתרונות הבולטים של ChIP-exo, כגון רזולוציית מיפוי גבוהה במיוחד, אות רקע מופחת, וירידה חיובית ותשלילית כוזבת, לגבי אתרי קשירה גנומיים, עולים על עלות הזמן.
בפרוטוקול זה, ChIP ואחריו עיכול exonuclease משמש להשגת ספריות DNA לזיהוי של אינטראקציות חלבון-DNA בתאי יונקים ברזולוציית מיפוי גבוהה במיוחד. משתנים רבים תורמים לאיכות הניסוי ChIP-exo. פרמטרים ניסיוניים קריטיים כוללים את איכות הנוגדנים, אופטימיזציה של sonication, ומספר מחזורי LM-PCR. פרמטרים ניסיוניים קריטיים …
The authors have nothing to disclose.
אנו מודים לחבר במעבדת Rhee על שיתוף נתונים שלא פורסמו ודיונים חשובים. עבודה זו נתמכה על ידי המועצה לחקר מדעי הטבע וההנדסה של קנדה (NSERC) מענק RGPIN-2018-06404 (משאבי אנוש).
Agarose, UltraPure | Invitrogen | 16500 | Checking Sonication (Section 4.3.6) and Gel Purification of LM-PCR Amplified DNA (Section 19.1) |
Albumin, Bovine Serum (BSA), Protease Free, Heat Shock Isolation, Min. 98% | BioShop | ALB003 | Blocking Solution |
Antibody against Isl1 | DSHB | 39.3F7 | Antibody incuation with beads (Section 5.6) |
Bioruptor Pico | Diagenode | B01060010 | Sonicating Chromatin (Section 3.3) |
Bovine serum albumin (BSA), Molecular Biology Grade | New England BioLabs | B9000S | Fill-in Reaction on Beads (Section 10.2) and Denaturing, Primer Annealing and Primer Extension (Section 14.2) |
Centrifuge 5424 R | Eppendorf | 5404000138 | Sonicating Chromatin (Section 3.5), Checking Sonication (Section 4.3.1, 4.3.3 and 4.3.4) |
Centrifuge 5804 R | Eppendorf | 22623508 | Harvest, cross-linking and freezing cells (Section 1.3), Cell lysis (Section 2.2 and 2.3), Sonicating Chromatin (Section 3.1) |
cOmplete, Mini, EDTA-free Protease Inhibitor Cocktail | Roche | 4693159001 | Added to all buffers, except Proteinase K buffer and ChIP Elution buffer |
dATP Solution | New England BioLabs | N0440S | dA-Tailing Reaction (Section 15.1) |
Deoxycholic Acid Sodium Salt | fisher scientific | BP349 | Lysis Buffer 3, High Salt Wash Buffer and LiCl Wash Buffer |
dNTP Mix, Molecular Biology Grade | Thermo Scientific | R0192 | Fill-in Reaction on Beads (Section 10.2) and Denaturing, Primer Annealing and Primer Extension (Section 14.2) |
DreamTaq Green PCR Master Mix, 2x | Thermo Scientific | K1081 | Ligation-Mediated PCR (Section 18.1) |
EDTA, 0.5 M, Sterile Solution, pH 8.0 | BioShop | EDT111 | Lysis Buffer 1-3, Checking Sonication (Section 4.1), High Salt Wash Buffer, LiCl Wash Buffer and ChIP Elution Buffer |
Ethyl Alcohol Anhydrous, 100% | Commercial alcohols | P006EAAN | Checking Sonication (Section 4.3.3) |
Formaldehyde, 36.5-38%, contains 10-15% methanol | Sigma | F8775 | Harvest, cross-linking and freezing cells (Section 1.1) |
Glycerol, Reagent Grade, min 99.5% | BioShop | GLY002 | Lysis Buffer 1 |
Glycine, Biotechnology Grade, min. 99% | BioShop | GLN001 | Harvest, cross-linking and freezing cells (Section 1.2) |
Glycogen, RNA Grade | Thermo Scientific | R0551 | Checking Sonication (Section 4.3.3) |
HEPES, 1 M Sterile-filtered Solution, pH 7.3 | BioShop | HEP003 | Lysis Buffer 1, High Salt Wash Buffer |
Klenow Fragment (3->5 exo-) | New England BioLabs | M0212S | dA-Tailing Reaction (Section 15.1) |
Lambda exonuclease | New England BioLabs | M0262S | Lambda Exonuclease Digestion on Beads (Section 11.2) |
Ligase Enhancer | New England BioLabs | E7645S | NEBNext Ultra II DNA Library Kit. Index Adapter Ligation on Beads (Section 9.1) and Universal Adapter Ligation (Section 16.1) |
Ligase Master Mix | New England BioLabs | E7645S | NEBNext Ultra II DNA Library Kit. Index Adapter Ligation on Beads (Section 9.1) and Universal Adapter Ligation (Section 16.1) |
Lithium Chloride (LiCl), Reagent grade | Bioshop | LIT704 | LiCl Wash Buffer |
Magnetic beads for ChIP (Dynabeads Protein G) | Dynabeads Protein G (magnetic beads for ChIP) | Dynabeads Protein G (magnetic beads for ChIP) | Antibody incubation with beads (Section 5) |
Magnetic beads for DNA purification (AMPure XP Beads) | Beckman Coulter | A63880 | DNA Extraction (Section 13.3) and DNA Clean-up (Section 17.1) |
Magnetic rack (DynaMag-2 Magnet) | Invitrogen | 12321D | Used in many steps in Sections: 5 – 11, 13 |
MinElute Gel Extraction Kit | Qiagen | 28604 | Gel Purification of PCR Amplified DNA (Section 19.2) |
N-Lauroylsarcosine sodium salt solution, 30% aqueous solution, ≥97.0% (HPLC) | Sigma | 61747 | Lysis Buffer 3 |
Octylphenol Ethoxylate (IGEPAL CA630) | BioShop | NON999 | Lysis Buffer 1 and LiCl Wash Buffer |
Phenol:Chloroform:Isoamyl Alcohol, Biotechnology Grade (25:24:1) | BioShop | PHE512 | Checking Sonication (Section 4.3.1) |
phi29 DNA Polymerase | New England BioLabs | M0269L | Fill-in Reaction on Beads (Section 10.2) and Denaturing, Primer Annealing and Primer Extension (Section 14.3 and 14.4) |
Phosphate-Buffered Saline (PBS), 1x | Corning | 21040CV | Harvest, cross-linking and freezing cells (Section 1.3) and Sonicating Chromatin (Section 3.1), Antibody incuation with beads (Section 5.1) |
PowerPac Basic Power Supply | BioRad | 1645050 | Checking Sonication (Section 4.3.6) and Gel Purification of LM-PCR Amplified DNA (Section 19.1) |
ProFlex PCR System | Applied Biosystems | ProFlex PCR System | Used in Sections: 14.2, 14.4, 15.2, 16.2 and 18.2 |
Protein LoBind Tube, 2.0 mL | Eppendorf | 22431102 | Antibody Incubation with Beads (Section 5.2) and Chromatin Immunoprecipitation (Section 6.3) |
Proteinase K Solution, RNA Grade | Invitrogen | 25530049 | Checking Sonication (Section 4.2) and Elution and Reverse Crosslinking (Section 12.3) |
Qubit 4.0 Fluorometer | Invitrogen | Q33226 | Gel Purification of PCR Amplified DNA (Section 19.3) |
Quibit dsDNA BR assay kit | Invitrogen | Q32853 | Gel Purification of PCR Amplified DNA (Section 19.3) |
Rnase A, Dnase and Protease-free | Thermo Scientific | EN0531 | Checking Sonication (Section 4.3.2) and DNA Extraction (Section 13.2) |
Sodium chloride (NaCl), BioReagent | Sigma | S5886 | Lysis Buffer 1-3, High Salt Wash Buffer |
Sodium Dodecyl Sulfate (SDS), Electrophoresis Grade | BioShop | SDS001 | Checking Sonication (Section 4.1), High Salt Wash Buffer and ChIP Elution Buffer |
Sonication beads and 15 mL Bioruptor Tubes | Diagenode | C01020031 | Sonicating Chromatin (Section 3.1 and 3.2) |
ThermoMixer F1.5 | Eppendorf | 5384000020 | Section 4.2, 4.3.2, 4.3.5, 8.2, 9.2, 10.3, 11.2, 12.2, 12.3, 13.2 and 16.2 |
Trizma hydrochloride solution (Tris-HCl), BioPerformance Certified, 1 M, pH 7.4 | Sigma | T2194 | 10 mM Tris-HCl Buffer |
Trizma hydrochloride solution (Tris-HCl), BioPerformance Certified, 1 M, pH 8.0 | Sigma | T2694 | Lysis Buffer 2, Lysis Buffer 3, Checking Sonication (Section 4.1), LiCl Wash Buffer and ChIP Elution Buffer |
Ultra II End Repair/dA-Tailing Module (24 rxn -> 120 rxn) | New England BioLabs | E7546S | End Prep Reaction mix and End Prep Enzyme mix. End-repair and dA-Tailing Reaction on Beads (Section 8.2) |
VWR Mini Tube Rocker, Variable Speed | VWR | 10159-752 | Used in many steps in sections: 1, 2, 5, 6 and 7 |
2-[4-(2,4,4-trimethylpentan-2-yl)phenoxy]ethanol, Triton X-100, Reagent Grade | BioShop | TRX506 | Lysis Buffer 1, Sonicating Chromatin (Section 3.4) and High Salt Wash Buffer |