Dieses Protokoll konzentriert sich auf die Chromatinpräparation aus tiefgefrorenem Gewebe und eignet sich für die Vernetzung der Chromatin-Immunpräzipitation (X-ChIP), gefolgt von einer quantitativen PCR-Analyse (X-ChIP-qPCR) oder einem Next-Generation-Sequencing-Ansatz (X-ChIP-seq).
Die Crosslinking Chromatin Immunpräzipitation (X-ChIP) ist eine weit verbreitete Technik zur Beurteilung des Niveaus von Histonmarkierungen und der Belegung von Transkriptionsfaktoren auf dem Wirts- und/oder Pathogenchromatin. Die Chromatinpräparation aus Geweben stellt zusätzliche Herausforderungen dar, die überwunden werden müssen, um reproduzierbare und zuverlässige Protokolle zu erhalten, die mit denen für die Zellkultur vergleichbar sind. Gewebeauflösung und Fixierung sind entscheidende Schritte, um eine effiziente Scherung des Chromatins zu erreichen. Die Koexistenz verschiedener Zelltypen und Cluster kann auch unterschiedliche Scherzeiten erfordern, um eine optimale Fragmentgröße zu erreichen, und behindert die Reproduzierbarkeit der Scherung. Ziel dieser Methode ist es, zuverlässige und reproduzierbare Wirtschromatinpräparationen aus gefrorenem Gewebe (Leber) zu erhalten, die sowohl für ChIP-qPCR- als auch für Next Generation Sequencing (NGS)-Anwendungen geeignet sind. Wir beobachteten, dass die Kombination von Flüssigstickstoff-Gewebepulverisierung mit anschließender Homogenisierung zu einer erhöhten Reproduzierbarkeit im Vergleich zur reinen Homogenisierung führt, da sie eine Suspension liefert, die hauptsächlich aus dissoziierten Einzelzellen besteht, die effizient geschert werden können. Darüber hinaus sollte der Fixierungsschritt unter leichter Rotation durchgeführt werden, um eine homogene Vernetzung zu gewährleisten. Das fixierte Material eignet sich dann für die Isolierung von Kernen auf Pufferbasis, um die Kontamination von zytoplasmatischen Proteinen und pathogenen DNAs und RNAs (falls zutreffend) zu reduzieren und zeitaufwändige Zentrifugationsgradienten zu vermeiden. Die anschließende Beschallung schließt die Kernlyse ab und schert das Chromatin, wodurch ein spezifischer Größenbereich entsprechend den gewählten Scherbedingungen entsteht. Der Größenbereich sollte für NGS-Anwendungen zwischen 100 und 300 nt liegen, während er für die ChIP-qPCR-Analyse höher sein könnte (300-700 nt). Solche Protokollanpassungen können die Chromatinanalyse von gefrorenen Gewebeproben erheblich verbessern.
Seit ihrer Entdeckung hat die epigenetische Regulation in Säugetierzellenzunehmend an Bedeutung gewonnen1, da das Verständnis solcher Mechanismen nicht nur wichtige Erkenntnisse für die Zellbiologie, sondern auch für die Krankheits- und Tumorbiologie liefern würde. Darüber hinaus können Infektionserreger auch epigenetische Veränderungen des Wirts verursachen2, während die Wirtszellmaschinerie auch das Chromatin von Krankheitserregern, wie z. B. persistierenden DNA-Viren, beeinflussen kann 3,4. Dieses Wirt-Pathogen-Wechselspiel scheint eine Rolle bei der Persistenz von Infektionen zu spielen. arabische Ziffer
Durch eine reversible Assoziation mit der DNA bilden Histonproteine einen Komplex, der als Nukleosom bezeichnet wird. Nukleosomen erreichen ihrerseits eine höhere Organisationsebene, die als Chromatin bekannt ist. Es ist bekannt, dass der Chromatin-Umbau die Genexpression stark reguliert und den Zugang zu Transkriptionsfaktoren (TFs) gewährt oder verweigert5. Diese Faktoren können die Rekrutierung der RNA-Polymerase II (PolII) auf Genpromotoren entweder auslösen oder blockieren und so die mRNA-Synthese aus dem DNA-Templatebeeinflussen 6. Histonproteine enthalten Schwänze7, die beide Enden der Histonfaltung flankieren, die posttranslationalen Modifikationen (PTMs) unterliegen können, was eine enge Regulierung der Gentranskription durch strukturelle Chromatinänderungen ermöglicht. Die meisten Histon-PTMs befinden sich am Schwanz-N-Terminus, wobei Acetylierung und Methylierung die am besten untersuchten PTMs sind, obwohl auch Phosphorylierung8, Ubiquitinierung9 und Ribosylierung10 beschrieben wurden. Die Charakterisierung und Untersuchung solcher Proteine ist dann unerlässlich, um einen tiefen Einblick in die Genregulation zu erhalten.
Derzeit gibt es eine Handvoll etablierter Methoden und Werkzeuge, um direkte DNA-Protein-Interaktionen zu untersuchen: Electrophoretic Mobility Shift Assay (EMSA), Yeast One-Hybrid Assay (Y1H) und DNA Footprinting11. Diese Methoden konzentrieren sich jedoch per se auf einzelne DNA-Protein-Interaktionen und sind nicht für genomweite Studien anwendbar. Eine weitere Einschränkung dieser Techniken ist die fehlende Histon-Assoziation mit den untersuchten DNA-Abschnitten. Daher sind solche Ansätze nicht dazu gedacht, die Komplexität der Transkriptionsmaschinerie in vivo widerzuspiegeln, und sie berücksichtigen keine wichtigen strukturellen Veränderungen12 oder andere erforderliche Enzyme/Cofaktoren13 , die die Proteinbindung an die DNA beeinflussen (entweder fördern oder hemmen) könnten.
Die Idee, dass die Fixierung von Zellen mit Wirkstoffen wie Formaldehyd (FA) eine In-vivo-Momentaufnahme von Protein-DNA-Interaktionen liefern könnte, schuf die Grundlage für die Entwicklung von Chromatin-Immunpräzipitations-Assays (ChIP)14. Zusammen mit der Verfügbarkeit der quantitativen PCR-Technologie (qPCR) und hochspezifischer Antikörper ermöglichte dies die Entwicklung von ChIP-qPCR-Assays. In der Folge ermöglichte das Aufkommen von Next-Generation-Sequencing-Techniken (NGS), deren Kosten erschwinglicher werden, die Kopplung von ChIP-Experimenten mit NGS-Ansätzen (ChIP-seq), wodurch den Forschern neue leistungsfähige Werkzeuge zur Verfügung gestellt wurden, mit denen die Chromatinregulation untersucht werden kann. In diesen Assays werden isolierte oder kultivierte Zellen mit Disuccinimidylglutarat (DSG) und/oder FA fixiert, Zellkerne werden isoliert, das Chromatin wird dann fragmentiert und durch den zu untersuchenden Antikörper ausgefällt. Anschließend wird die DNA gereinigt und mittels PCR- oder NGS-Ansätzen analysiert. Im Gegensatz zu EMSA, Y1H und DNA-Footprinting sind ChIP-Assays in der Lage, eine globale Momentaufnahme der Protein-DNA-Interaktion innerhalb der Zelle zu liefern. Dies bietet Flexibilität und ermöglicht die Analyse mehrerer Loci innerhalb derselben Probe. Aufgrund der Art des Assays kann ChIP jedoch letztendlich nicht nur direkte, sondern auch indirekte Wechselwirkungen erkennen, die nicht die Präzision der oben genannten Methoden bieten, wenn es um direkte Protein-DNA-Interaktionen geht.
Chromatinpräparationsprotokolle aus Zellkulturmaterial sind gut etabliert15 und hochgradig reproduzierbar, so dass der Benutzer in 1-2 Arbeitstagen Chromatin erhalten kann, das sowohl für qPCR- als auch für NGS-Ansätze geeignet ist. Die Gewinnung von qualitativ hochwertigem Chromatin aus ganzen Geweben stellt jedoch immer noch eine Herausforderung dar, da die Zellen innerhalb des Gewebes dissoziiert werden müssen und gleichzeitig eine optimale Fixierung und Scherung des Chromatins erreicht werden muss. Darüber hinaus variieren die Zusammensetzung und Morphologie der verschiedenen Gewebetypen, so dass eine Anpassung bestehender Protokolle erforderlich ist16,17. Die Verwendung von kryokonserviertem Gewebe bietet im Vergleich zu frischen Proben zusätzliche Herausforderungen. Dies liegt an der Schwierigkeit, eine Einzelzellensuspension ohne großen Materialverlust zu erhalten. Dies führt zu unsachgemäßem Scheren und behindert nachgelagerte Anwendungen. Nichtsdestotrotz erhöht der Zugriff auf gefrorene Gewebeproben anstelle des frischen Gegenstücks nicht nur die Arbeitsflexibilität, sondern kann auch die einzige Option für Forscher darstellen, die mit Proben arbeiten, die aus Längsschnitt- oder Vergleichsstudien stammen. Eine Handvoll Protokolle zur Chromatinpräparation für gefrorenes Gewebe wurden veröffentlicht. Diese basieren meist auf dem Auftauen der Probe mit anschließendem Zerkleinern, manueller/maschineller Dissoziation oder Pulverisierung mit flüssigem Stickstoff18,19,20.
In dieser Arbeit beschreiben wir eine optimierte Chromatinpräparationsmethode15 für gefrorene, nicht fixierte Leberproben, die die Gewebepulverisierung in flüssigem Stickstoff mit der Homogenisierung des Stößels kombiniert, um eine reproduzierbare Chromatinscherung zu erreichen, die für X-ChIP-Ansätze geeignet ist, die darauf abzielen, sowohl virale als auch Wirtsgenome zu analysieren.
Die Chromatinpräparation aus schnappgefrorenem Gewebe bleibt eine Herausforderung, da die Anzahl der Schritte optimiert werden muss, um reproduzierbare und zuverlässige Ergebnisse zu erzielen. Die meisten der bereits veröffentlichten Protokolle 16,23 erfordern eine Gewebezerkleinerung vor der manuellen Dissoziation (Douncing). Wir haben versucht, Schritte, die einen Proteinabbau provozieren könnten, vor der Fixierung der Probe so weit wie möglich zu vermeiden. Der Pulverisierungsschritt wird bereits in gefrorenen Leberpräparaten24 verwendet und macht die manuelle Dissoziation einfacher und reproduzierbarer (siehe Figur 2a). Durch die Verwendung eines Mörtels, der speziell für 1,5-ml-Röhrchen entwickelt wurde (siehe Protokolle), wird der Probenverlust während des Pulverisierungsprozesses reduziert, so dass kleine Gewebemengen wie Leberbiopsieproben verarbeitet werden können. Prinzipiell ist eine direkte Gewebehomogenisierung ohne Mahlschritte möglich; Allerdings hat die Gewebehomogenisierung ohne vorherige Pulverisierung unserer Erfahrung nach eine schlechtere Reproduzierbarkeit und das Auftreten von Problemen für nachgelagerte Anwendungen war höher (Daten nicht gezeigt).
Die meisten Probleme, die bei der Herstellung von Chromatin aus Geweben auftreten, ergeben sich aus der Beschaffenheit dieser Proben und der Unfähigkeit, richtig zu überprüfen, ob die Zellhaufen klein genug sind, um ohne Qualitätsverlust fixiert zu werden. Darüber hinaus wäre die Überprüfung jedes Aliquots bei jedem Schritt zeitaufwändig und würde die Wahrscheinlichkeit eines Proteinabbaus erhöhen.
Die Fixierung (Schritt 3.9) ist ein grundlegender und entscheidender Teil der Chromatinpräparation. Aufgrund der Beschaffenheit des Gewebes wurde der Fixierungsschritt verzögert, bis das Gewebe homogenisiert war. Ein solcher aufgeschobener Fixierungsschritt hat den Vorteil, eine homogenere Zellsuspension zu erzeugen. Wir sind uns jedoch bewusst, dass es bei besonders manipulationsempfindlichen Zielen notwendig sein kann, die Fixierung erst kurz vor Schritt 3.6 durchzuführen. Dies würde dazu beitragen, extrem empfindliche Proteine oder PTMs zu schützen, obwohl es die Größe der Zellhaufen vergrößern kann, die, wenn sie fixiert werden, zu inhomogener Scherung führen können. Die Konzentration der im Protokoll verwendeten FA-Lösung ist Standard, kann jedoch modifiziert werden, um die Gesamtfixierung zu verbessern. Die hier gewählte Fixierzeit entspricht auch den im Feld üblichen Standardbedingungen. Bei einer höheren Konzentration der Fixierlösung kann die Fixierzeit verkürzt werden, während sie bei einer geringeren Menge erhöht werden sollte. Der Bediener sollte bedenken, dass eine Änderung der Fixierungszeit entweder zu einer Überfixierung der Probe führen oder Raum für den Proteinabbau schaffen kann. Im Falle der Ausfällung großer Komplexe (oder eines Teils davon) und TFs wäre es vorteilhaft, eine zweistufige Fixierung mit einer DSG-Lösung gefolgt von einer FA-Lösung durchzuführen25,26. DSG würde in diesem Fall Protein-Protein-Interaktionen stabilisieren, während Formaldehyd hauptsächlich auf direkte DNA-Protein-Interaktionen wirkt27.
Der Betreiber sollte die Möglichkeit in Betracht ziehen, ab Schritt 6.7 ein säulenbasiertes Kit für die DNA-Aufreinigung zu implementieren, das schneller ist und keine toxischen Verbindungen verwendet. Es wird jedoch immer eine gewisse Menge an ungebundener DNA geben, die verloren geht. Aus diesem Grund empfehlen wir die klassische Phenol-Chloroform-Extraktion mit anschließender EtOH-Fällung. Darüber hinaus kann es vor dem Ausführen des Agarosegels (Schritt 7.2) von Vorteil sein, die DNA-Konzentration zu messen und für jede Vertiefung die gleiche Menge zu laden, um ein klareres Bild zu erhalten.
Eine Einschränkung dieses Protokolls ergibt sich aus der Tatsache, dass wir dieses Protokoll nur mit Leberproben von chimären Mäusen der menschlichen Leber erforscht und angewendet haben28. Die Leber besteht per se aus Epithel- und Bindegewebe29. Im Falle einer Erkrankung kann fibrotisches Gewebe und Fettgewebe vorhanden sein30,31, was zu zusätzlichen Herausforderungen bei der Gewebezerstörung führt. Wir sind uns jedoch bewusst, dass unser Protokoll nicht auf Knochen, Muskeln und Fettgewebe angewendet werden darf, ohne die Dissoziations- und Beschallungsschritte zu optimieren. Zu beachten ist, dass jedes Gewebe in irgendeiner Weise optimiert werden muss, da es kein Protokoll gibt, das für alle geeignet ist, wie z. B. für Zellkulturproben15. Wir glauben jedoch, dass dieses Protokoll mit wenig oder gar keiner Optimierung erfolgreich auf andere Gewebe angewendet werden könnte, die in ihrer Zusammensetzung Ähnlichkeiten mit der Leber aufweisen, wie z. B. Lungen-, Darm-, Magen-, Bauchspeicheldrüsen- oder Nierengewebe.
Unser Protokoll wurde auch erfolgreich zur Analyse von TFs und Histonmodifikationen auf dem HBV-Episom mit kovalent geschlossener DNA (cccDNA) eingesetzt32. Dies eröffnet die Chance, einen solchen Ansatz auf andere virale Genome anzuwenden, die die Leber betreffen, wie z. B. das humane Cytomegalievirus33 (hCMV) und das humane Adenoviren34 (HAdV). Es ist nicht ausgeschlossen, dass es möglich wäre, andere DNA-Viren zu analysieren, die eine persistierende Infektion in anderen Geweben etablieren, wie z.B. Kaposi-Sarkom-Herpesvirus35 (KHSV), Herpes-simplex-Virus 36 (HSV1/2), Polyomaviren, Epstein-Barr-Virus37 (EBV).
The authors have nothing to disclose.
Die Studie wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) durch eine Förderung von Maura Dandri (SFB 841 A5) und vom Land Hamburg mit dem Forschungsprogramm (LFF-FV44: EPILOG) unterstützt.
Wir danken Dr. Tassilo Volz, Yvonne Ladiges und Annika Volmari für die technische Hilfe und die kritische Lektüre des Manuskripts. Dr. Thomas Günther und Prof. Adam Grundhoff für die sehr hilfreichen Anregungen und die Primer-Sets für die ChIP-qPCR-Analyse.
0.22µm sterile syringe filter | Labsolute | 7699822 | |
1.5 mL Safeseal tubes | Sarstedt | 7,27,06,400 | |
6x orange loading dye | Thermofisher | R0631 | |
Benchtop refrigerated centrifuge | |||
Bioruptor NGS | Diagenode | ||
Blade or Scalpel | |||
Calcium chloride dihydrate | Carl Roth | HN04 | |
Chloroform | Sigma Aldrich (Merck) | C2432 | |
cOmplete Protease Inhibitor Cocktail | Roche | 11697498001 | |
Deacetylase Inhibitor | Active Motif | 37494 | |
Dounce tissue grinder set | Sigma Aldrich (Merck) | DWK885300-0001-1EA | |
EDTA 500 mM solution | PanReac AppliChem | A4892 | |
EGTA | Sigma Aldrich (Merck) | E4378 | |
EtBr | Carl Roth | 2218 | Concentration 10mg/mL |
Ethanol absolute | CHEMSOLUTE | 2273 | |
Glycerol | Sigma Aldrich (Merck) | G9012 | |
Glycin | Carl Roth | 0079 | |
Glycogen | Roche | 10901393001 | Concentration: 20mg/mL |
Heating block | |||
HEPES | Sigma Aldrich (Merck) | H4034 | |
LE Agarose | Biozym | 840000 | |
Liquid nitrogen cooled mini mortar | Bel-Art | H37260-0100 | |
MeOH free Formaldehyde 16% | Thermofisher | 28908 | |
NP-40 | Roche | 11332473001 | |
PBS 1x | Thermofisher | 10010015 | |
Pefabloc SC-Protease-Inhibitor | Sigma Aldrich (Merck) | 11429868001 | |
Phase Lock Gel – Heavy | QuantaBio | 2302830 | |
Phenol:Chloroform:Isoamyl alcohol 25:24:1 | Sigma Aldrich (Merck) | P3803 | |
Potassium chloride | Carl Roth | 6781 | |
Potassium hydroxyde | Merck | 105033 | |
Proteinase K | Lucigen | MPRK092 | Concentration: 50 µg/µL |
RNAse A | Lucigen | MRNA092 | Concentration: 5 mg/mL |
SDS 10% solution | PanReac AppliChem | A3950 | |
Sodium carbonate anhydrous | Carl Roth | A135 | |
Sodium chloride | Sigma Aldrich (Merck) | S7653 | |
Sterile Petri dishes | Sarstedt | 83,39,02,500 | |
Tris-HCl solution | Sigma Aldrich (Merck) | T2694 | |
Triton-X100 | Sigma Aldrich (Merck) | X100 |