כאן אנו מציגים בפירוט התאמה של טכניקת לכידת קונפורמציית הכרומוזומים (3C) עם דגש על מעורבות ולמידה לתואר ראשון.
לכידת קונפורמציה של כרומוזומים (3C) היא כלי רב עוצמה שהוליד משפחה של טכניקות דומות (למשל, Hi-C, 4C ו-5C, המכונות כאן טכניקות 3C) המספקות מידע מפורט על הארגון התלת-ממדי של כרומטין. טכניקות 3C שימשו במגוון רחב של מחקרים, החל מניטור השינויים בארגון הכרומטין בתאים סרטניים ועד לזיהוי מגעים משפרים שנעשו עם מקדמי גנים. בעוד שרבים מהמחקרים המשתמשים בטכניקות אלה שואלים שאלות גדולות ברחבי הגנום עם סוגי דגימות מורכבים (כלומר, אנליזה של תא יחיד), מה שהולך לאיבוד לעתים קרובות הוא שטכניקות 3C מבוססות על שיטות ביולוגיה מולקולרית בסיסיות הישימות למגוון רחב של מחקרים. על ידי התייחסות לשאלות ממוקדות היטב של ארגון הכרומטין, ניתן להשתמש בטכניקה חדשנית זו כדי לשפר את חוויית המחקר וההוראה לתואר ראשון. מאמר זה מציג פרוטוקול 3C ומספק התאמות ונקודות דגש ליישום במוסדות לתואר ראשון בעיקר בהתנסויות מחקר והוראה לתואר ראשון.
הגנום של אורגניזם מכיל לא רק את כל הגנים הדרושים לתפקוד, אלא גם את כל ההוראות כיצד ומתי להשתמש בהם. זה הופך את ויסות הגישה לגנום לאחד התפקידים החשובים ביותר של התא. ישנם מנגנונים רבים לשליטה בתפקוד הגנים; עם זאת, ברמת הבסיס שלו, בקרת גנים מסתכמת ביכולתם של גורמי שעתוק רגולטוריים (טרנס-פקטורים) להיקשר לרצפי הדנ”א הספציפיים שלהם (רצפי CIS-Regulatory ). זו אינה יכולת מולדת; במקום זאת, הוא נשלט על ידי הארגון/המבנה של הגנום בגרעין, אשר שולט על זמינות/חשיפה של רצפי CIS-regulatory לגורמים טרנס-פקטוריים 1,2,3. אם הגורמים הטרנס-פקטוריים אינם יכולים למצוא את הרצפים הרגולטוריים שלהם, אז הטרנס-פקטורים אינם יכולים לבצע את משימות הרגולציה שלהם. עובדה זו הפכה את הבנת האופן שבו גנומים מאורגנים בגרעין למקור חשוב לחקירה.
מקובל שבמהלך שלב הביניים, כרומוזומים אאוקריוטים בגרעין תופסים תחום משלהם המעוגן ללמינה הגרעינית ולמטריצה הגרעינית (איור 1), מה שהופך את הכרומוזום לדומה יותר לפרוסת פיצה, ולא לאטריות על צלחת ספגטי. הכרומוזומים מעובים חלקית על ידי אינטראקציות חלבון-דנ”א (כרומטין) המסובבות ולולאות חלקים של הכרומוזום. באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים, פלואורסצנטיות DNA תלת-ממדית בהכלאה באתרו (FISH), וטכניקות תיוג DNA (כלומר, מתילציה פלואורסצנטית ומלאכותית של DNA), נמצאו תחומים לא פעילים של כרומטין דחוסים בצפיפות לאורך הפריפריה הגרעינית 4,5,6, בעוד חלקים של כרומטין פעיל ופחות מעובה נמצאים בחלק הפנימי של הגרעין 7,8,9, 10. ניסויים אלה מספקים זווית ראייה רחבה של דינמיקת הכרומוזומים, אך עושים מעט כדי ללכוד את השינויים המתרחשים באופן מקומי סביב מנועי הגן שנצפו במחקרי DNase11,12 ונוקלאוזומים13,14,15.
המפתח לשחרור דינמיקת כרומטין ברזולוציה גבוהה יותר היה ניסוח טכניקת מיפוי הכרומוזומים התלת-ממדית, 3C. טכניקת 3C עצמה כוללת ארבעה שלבים עיקריים: קישור צולב של כרומטין, עיכול כרומטין על-ידי אנזימי הגבלה, קשירת כרומטין וטיהור דנ”א (איור 2). לאחר מכן ניתן לאפיין את מקטעי הדנ”א המלאכותיים החדשים שנוצרו בתהליך זה כדי לחשוף את הקשר הפיזיקלי ההדוק בין פיסות דנ”א מרוחקות ליניארית16. טכניקת 3C הפכה לבסיס ליצירת טכניקות ספין-אוף מרובות המשתמשות בשלבים הראשונים של 3C כדי לשאול שאלות רחבות יותר ברחבי הגנום (למשל, Hi-C, 4C, ChIP-C). משפחה זו של טכניקות 3C זיהתה כי כרומוזומים מאורגנים במספר יחידות בדידות הנקראות תחומים הקשורים טופולוגית (TADs). TADs מקודדים בגנום ומוגדרים על ידי לולאות כרומטין שמשני צדיהן גבולות לא לולאתיים 16,17,18,19. גבולות TAD נשמרים על ידי שני גורמים שמורים אבולוציונית הנמצאים בכל מקום, כולל גורם קשירת CCCT (CTCF) ולכידות, המונעים מלולאות בתוך TADs נפרדים מאינטראקציה16,20. הלולאות מתווכות על ידי אינטראקציה של טרנס-פקטורים עם הרצפים הרגולטוריים שלהם, כמו גם CTCF ולכידות21.
למרות שמחקרים רבים המשתמשים בטכנולוגיות 3C שואלים שאלות רחבות היקף בגנום ומשתמשים בטכניקות איסוף דגימות מסובכות, ניסוח טכניקת 3C מבוסס על טכניקות בסיסיות של ביולוגיה מולקולרית. זה הופך את 3C למסקרן לפריסה הן במעבדות מחקר לתואר ראשון והן במעבדות הוראה. ניתן להשתמש בטכניקת 3C עבור שאלות ממוקדות קטנות יותר והיא גמישה מטבעה להרחבה או למטה (גנים בודדים22, כרומוזומים16 ו / או גנומים18) בהתאם למיקוד ולכיוון של השאלות שנשאלו. טכניקה זו יושמה גם על מגוון רחב של מערכות מודל 7,16,19,23 והוכחה להיות תכליתי בשימוש בו. זה עושה 3C טכניקה מצוינת עבור סטודנטים לתואר ראשון כי התלמידים יכולים לצבור ניסיון בטכניקות ביולוגיה מולקולרית משותפת תוך גם צובר ניסיון רב ערך לענות על שאלות מכוונות.
מוצג כאן פרוטוקול מותאם להכנת ספריית 3C המבוסס על פרוטוקולים 24,25,26,27 שפורסמו בעבר. פרוטוקול זה עבר אופטימיזציה לכ- 1 × 107 תאים, אם כי הוא יצר ספריות 3C עם מעט כמו 1 × 105 תאים. פרוטוקול זה הוכח כרב-תכליתי ושימש ליצירת ספריות 3C מעוברים של דגי זברה, קווי תאים של דגי זברה ותולעת עגולה (Caenorhabditis elegans) של מבוגרים צעירים (YA). הפרוטוקול צריך להתאים גם לשורות תאים של יונקים, ועם הסתגלות נוספת, שמרים.
מטרת התאמות אלה היא להפוך את 3C לנגיש יותר עבור סטודנטים לתואר ראשון. הקפיד להשתמש בטכניקות דומות לאלה שניתן להשיג במעבדת הוראה לתואר ראשון. טכניקת 3C מספקת הזדמנויות למידה רבות לסטודנטים לתואר ראשון ללמוד טכניקות ביולוגיה מולקולרית בסיסיות שיועילו להתפתחותם על הספסל, בכיתה ובמאמציהם לאחר סיום הלימודים.
3C היא טכניקה רבת עוצמה המושרשת בטכניקות מולקולריות בסיסיות. זהו הבסיס הזה של כלים בסיסיים שהופך את 3C לטכניקה מסקרנת כל כך לשימוש עם סטודנטים לתואר ראשון. עם כל כך הרבה מחקרים עדכניים המתבוננים בדינמיקה של כרומטין בקנה מידה רחב כל כך, שימוש בתוצאות אלה כדי לתכנן ניסוי ממוקד צר על גן יחיד או אזור גנומי יש פוטנציאל ליצור ניסוי ייחודי ומשפיע במחקר לתואר ראשון. לעתים קרובות, ניסויים כאלה נחשבים מתקדמים מדי עבור סטודנטים לתואר ראשון, אבל עם תכנון זהיר, הם ניתנים להשגה בקלות. חשוב לציין כי הבדיקות שנועדו לחקור את קשרי הכרומטין שנלכדו על ידי ספריית 3C יכולות להשתנות מ- PCR כמותי למחצה לריצוף גנום שלם. למעשה, נתונים מנייר 3C הראשון16 נוצרו מ- qPCR. ניתן להשתמש במגוון רחב זה של בדיקות מכיוון שכל טכנולוגיות ה-3C מייצרות את אותו מוצר – ספרייה של מקטעי דנ”א המייצגים קשרים תלת-ממדיים בגרעין.
מוצג כאן התאמה של פרוטוקול גמיש יותר ומתאים יותר שמתאים יותר לחוקרים לתואר ראשון. תקופות ההשהיה המפורטות לעיל מרמזות על עיכובים של לילה; עם זאת, הפסקות אלה יכולות להימשך על פני סופי שבוע, ובמקרה של התאים והגרעינים, במשך שבועות. השיקול החשוב ביותר הוא מתי העבודה תתבצע. לעתים קרובות בפרוטוקולים, ישנם שלבים תלויי זמן כאשר השהיה אינה אופציה. מלבד כמה נקודות (יום 1 ויום 2), ישנם מקומות רבים לעצור ולהקפיא את הדגימה. אלה קריטיים כאשר עובדים עם סטודנטים לתואר ראשון, שבו לוחות הזמנים והתזמונים של עבודת המעבדה צריכים להיות גמישים. בנוסף להנדסת תחנות אלה לתוך הפרוטוקול, סטודנטים לתואר ראשון מעודדים לעבוד בזוגות או אפילו בקבוצות קטנות של שלושה או ארבעה. קבוצות עובדות היטב עבור פרוטוקול זה, מכיוון שהתלמידים יכולים לתמוך זה בזה וליצור מערכת חברים כך שכולם עובדים בבטחה. עבודת מעבדה היא גם מהנה יותר עם אחרים המעורבים. עם קבוצות, התלמידים יכולים גם לעבוד על מגוון רחב של שאלות המתמקדות בארגון הכרומטין תוך ביצוע אותו פרוטוקול. לכן, גם בזמן שהתלמידים עובדים על פרויקטים נפרדים, הפרוטוקול מקשר בין מאמציהם, ובגלל זה, הם יכולים לתמוך זה בזה.
התאמות אחרות נועדו לעקוף את העובדה שכלים וציוד מיוחדים מסוימים אינם נמצאים בהכרח בכל המוסדות לתואר ראשון. פריטי ציוד אלה כוללים אך אינם מוגבלים לתרמוסייקלרים qPCR, מערכות תיעוד ג’ל וספקטרומטרים של ננו נפח. ואכן, חלקים אלה של ציוד הם נוחים אבל הם לא דרישה. כאן, השיטה הקלאסית של 3C מתוארת גם בחלק עיצוב פריימר; זה כרוך בזיהוי מוקד עניין גנומי, ומתוך כך, הערכת מוקדים גנומיים אחרים עבור נקודות מגע כרומטין רחוקות יותר. טכניקה זו פועלת היטב גם אם נעשה שימוש במערך נתונים שפורסם, כגון מערך נתונים המשתמש ב- Hi-C, שבו מזוהים אתרים חיוביים (מתחברים) ושליליים ידועים (שאינם מתחברים). תכנון ניסויים באמצעות מערכי נתונים אלה שפורסמו הוא התאמה נהדרת נוספת עבור מעבדות הוראה, שכן הסיכוי לזיהוי מוצלח של קשרי כרומטין הוא בדרך כלל גדול יותר. בנוסף, ניתן לדון במאמר המחקר בכיתה ולשמש כאסמכתא.
פרוטוקול זה משתמש בגישת qPCR שונה כדי להמחיש את היווצרות המוצר 3C. בקרות חיוניות להצלחת טכניקת 3C. כל ניסוי משתמש הן בפקדי דגימה והן בבקרות פריימר כדי לקבוע את השלמת הליך 3C. בקרות הדגימה כוללות בקרה לא מעוכלת (DNA גנומי) ובקרה מעוכלת. הבקרה הלא מעוכלת קובעת את האות הבסיסי עבור ערכות הפריימר ומשמשת עם בקרת העיכול הצולבת כדי לקבוע את יעילות העיכול צפוי שתהיה ירידה במוצר עבור כל פריימר המופנה דרך אתר הגבלה. השוואת ערך זה לבקרה הלא מעוכלת מספקת אינדיקציה לכמה טוב הדגימה עוכלה.
הפריימרים ל-PCR כוללים פריימר בקרה ופריימרים לבדיקה. פריימר הבקרה הוא ערכת פריימר הקרובה לאזור הגנומי הנבדק ואינה מכילה אתר הגבלה. זה מספק את הבסיס לקביעת השפע של מוצרי PCR פריימר בדיקה. פריימרים לבדיקה הם פריימרים קדימה ואחורה שמאגפים אתר הגבלה עבור מוקד עניין גנומי מסוים (איור 3). תגובות באמצעות ערכות פריימר אלה מושוות כדי לקבוע את יעילות העיכול, כמו שפע המוצר צריך לרדת אם אתר ההגבלה נחתך. בקביעת ארגון הכרומטין, פריימר בדיקה אחד מלוקוס אחד מזווג עם פריימר בדיקה אחר ממוקד גנומי אחר כדי לקבוע אם שני מוקדים אלה קרובים זה לזה במרחב תלת-ממדי. במקרה כזה, הציפייה היא שמוצר PCR יימצא רק באמצעות דגימת 3C כתבנית.
חשוב לציין שגם לפריימרים מתוקפים יש נטייה להיכשל (איור 4: סט פריימר r14). בנוסף, תוצרי PCR מזוהים לעיתים קרובות בתגובות בקרה ובתגובות בהן לא צפוי קשר כרומטין (כגון הבקרה המעוכלת, שכן היא אינה קשורה). מופעים אלה רצפים ונכשלים ב-Sanger QC או חוזרים ללא רצף מוגדר (איור 5). בנוסף, ניסויי 3C מסורתיים יוצרים “תבנית בקרה”, דגימת דנ”א לא מוצלבת, מעוכלת וקשורה, המייצגת את כל המקטעים הקשורים האפשריים שניתן לייצר עם כמות נתונה של דנ”א. “תבנית הבקרה” ממלאת תפקיד חשוב בהשוואת העוצמות של אותות qPCR בין שני אתרים גנומיים כדי לקבוע אם האות מייצג אינטראקציה אמיתית או רק אסוציאציה אקראית. יצירת “תבנית בקרה” יכולה להיות בעייתית, מכיוון שחלק גדול מהכרומטין הנבדק חייב להילכד בצורה של כרומוזום מלאכותי ולעבד יחד עם דגימות 3C. אבטחת מבנה כזה עשויה להיות בלתי ישימה, ויצירתו יכולה להיות מחוץ לתחום של פרויקט סמסטריאלי. בשל קשיים אלה, אנו ממליצים להשתמש בפריימר בקרה. פריימר הבקרה אינו מחליף את כל הפונקציונליות של “תבנית הבקרה”, אך עדיין מספק את ההזדמנות לנתח את הנתונים כדי לקבל החלטות “נוכחות” או “היעדרות”.
בעת ביצוע qPCR, שימוש בכמויות שוות של המדגם חשוב. יש לקבוע זאת, גם אם משתמשים בננו-ספקטרופוטומטר כגון ננו-טיפה, על ידי יצירת עקומה סטנדרטית מדנ”א גנומי בריכוז ידוע והתאמת דגימות 3C לקו זה. יש לרשום כמויות אלה ולהשתמש בהן בבדיקות PCR עוקבות. איכות תגובת ה-PCR חשובה גם היא. כאשר ה-PCR פועל ב-qPCR, שפע המוצר נמדד באמצעות פלואורסצנטיות ונרשם. הקלטה זו נגישה בחלקת ההגברה. לאחר סיום התוכנית, חשוב לבדוק את תרשים ההגברה ולוודא שלתגובות (למעט פקדי ה- No Template) יש שלושה שלבים: קו בסיס, שלב מעריכי ושלב מישור/רוויה. חשוב לבדוק שלתגובות יש פאזה אקספוננציאלית, בפרט לקביעת הסף (ראו בהמשך). בנוסף, עבור דגימות בדילול סדרתי, צריך להיות שינוי בערכי Ct בהתאם לדילול המדגם (הריכוז הגבוה ביותר יהיה בעל ערכי ה- Ct הנמוכים ביותר, ואילו הריכוז הנמוך ביותר יהיה בעל ערכי ה- Ct הגבוהים ביותר). דגימות שאינן משקפות שינוי זה בתרשים ההגברה דורשות דילול חדש או מצביעות על בעיה גדולה יותר בהיווצרות דגימת 3C. לבסוף, תוך יצירת העקומה הסטנדרטית, תוכנת ה- PCR תחשב את יעילות ה- PCR ואת ערך R2 . יעילות ה- PCR צריכה להיות גדולה מ- 90%, וערך R2 צריך להיות גדול מ- 0.99. אם אחד מהתנאים הללו אינו מתקיים, סביר להניח שמשהו לא בסדר במדגם או בפריימרים של PCR.
לאחר qPCR, אחוז העיכול ואת הנוכחות של אינטראקציות 3C ניתן לחשב באמצעות qPCR Ct עבור כל תגובה. כדי לקבוע זאת, ראשית, יש לקבוע את הסף לתגובת PCR. זה נעשה בדרך כלל באמצעות התוכנה שמגיעה עם מכונת qPCR. קביעת הסף תגדיר את ריכוז מוצר ה-PCR שישמש להשוואת ערכי ה-Ct המדגם. הסף צריך לחצות את עקומות ההגברה של תגובות ה-PCR בשלב המעריכי של ההגברה. ניתן להשוות רק תגובות PCR עם הגברה מעריכית (במקרה זה, פריימר הבקרה ותגובות פריימר הבדיקה), מכיוון שזו הדרך היחידה להבטיח שהתגובות מגבירות DNA באותו קצב וניתן להשוות אותן נאמנה. כאשר מנתחים את הגרפים של 3C, תגובות חיוביות מותנות מזוהות כתגובות עם יותר תוצר על פני דגימות הביקורת, הבקרה הגנומית ובקרת העיכול (איור 4B). עם זאת, דגימות אלה חייבות להיות מאומתות עוד יותר באמצעות ריצוף Sanger לאחר טיהור הג’ל של מוצר ה- PCR.
לאחר ריצוף Sanger, ניתן לנתח דגימות שעוברות את ה- QC באמצעות Blat. מטרת ניתוח זה היא לקבוע אם לדגימה יש את הרצף של שני המוקדים הגנומיים של המטרה הצמודים לאתר ההגבלה (DpnII במקרה של פרוטוקול זה). אם שני הרצפים מזוהים, אז קטע 3C יכול להיחשב מאומת. אם התוצאות של Blat אינן מחזירות את הרצף הצפוי, הדבר עשוי להצביע על כך שפריימר אחד או שניהם אינם אופטימליים, וכתוצאה מכך תוצאת qPCR חיובית שגויה. קבצי המעקב עבור הדגימות החיוביות הכוזבות יהיו בעלי שיאי בסיס לא מוגדרים, ודוחות Seq יכילו בעיקר קריאות בסיס “n”.
אימות Sanger הוא חיוני, מכיוון שתוצאות חיוביות שגויות מהיווצרות מוצר PCR מלאכותי אפשריות. ניתן לזהות את התוצאות החיוביות הכוזבות האלה כאשר לתוצרי הריצוף אין את רצף המטרה הצפוי או אתר DpnII האופייני למקטע 3C תקין (איור 5). ריצוף מקטעי ה-PCR מספק גם נקודת נתונים נוספת לניסוי ומסביר לתלמידים כי טכניקת ה-3C מזהה מוקדים גנומיים מרוחקים המתאחדים במרחב תלת-ממדי בתוך הגרעינים.
טכניקת 3C מספקת שפע של טכניקות מולקולריות בסיסיות לסטודנטים לתואר ראשון בהליך גמיש ופשוט. טכניקת 3C זו היא גם נקודת השקה לטכניקות 3C אחרות המשלבות ריצוף מהדור הבא (NGS). ניסויים מסוג זה יכולים לחשוף סטודנטים לתואר ראשון להיבטים חשובים של ביואינפורמטיקה והם מושרשים בעקרונות הבסיסיים המתוארים כאן. ניסיון ומעורבות לתואר ראשון הם המפתח להצלחתם ולהתפתחותם כמדענים צעירים. על ידי מתן הזדמנויות אלה, סטודנטים לתואר ראשון יכולים לחזק את הבנתם של עקרונות בסיסיים תוך בניית הביטחון שלהם להתמודד עם טכניקות חדשניות ושאלות.
The authors have nothing to disclose.
עבודה זו נתמכה בחלקה על ידי פרס הפיתוח המוסדי של רוד איילנד (IDeA) רשת מצוינות במחקר ביו-רפואי מהמכון הלאומי למדעי הרפואה הכלליים של המכונים הלאומיים לבריאות תחת מענק מספר P20GM103430 ומרכז בריאנט לבריאות ומדעי ההתנהגות.
37% Formaldehyde | Millapore-Sigma | F8775 | |
100% Ethanol | Millapore-Sigma | E7023 | |
CaCl2 | MP Biomedical | 215350280 | |
chloroform | Millapore-Sigma | C0549 | |
cOmplete, EDTA-free Protease Inhibitor Cocktail | Millapore-Sigma | COEDTAF-RO | mixed to 50x in water. Diluted to 1x in Sucrose buffer and GB buffer fresh |
Dithiothreitol (DTT) | Millapore-Sigma | D0632 | 1 M stock diluted to 500 µM in Sucrose buffer and GB buffer fresh |
DpnII | NEB | R0543M | |
Glycerol | Millapore-Sigma | G9012 | |
glycine | Millapore-Sigma | G8898 | |
glycogen | Millapore-Sigma | 10901393001 | |
HEPES | Millapore-Sigma | H3375 | |
KCl | Millapore-Sigma | P3911 | |
KH2PO4 | Millapore-Sigma | P5655 | |
methyl green pyronin | Millapore-Sigma | HT70116 | |
MgAc2 | Thermoscientific | 1222530 | |
Na2HPO4 | Millapore-Sigma | S5136 | |
NaCl | Millapore-Sigma | S9888 | |
phenol-chloroform | Millapore-Sigma | P3803 | |
Pronase | Millapore-Sigma | 11459643001 | |
Proteinase K | IBI Scientific | IB05406 | |
qPCR Ready mix (Phire Taq etc) | Millapore-Sigma | KCQS07 | |
RNase A | Millapore-Sigma | R6148 | |
Sodium Acetate | Millapore-Sigma | S2889 | |
sodium dodecyl sulfate (SDS) | Millapore-Sigma | L3771 | |
Sucrose | Millapore-Sigma | S0389 | |
T4 DNA Ligase | Promega | M1804 | |
Tris-HCl | Millapore-Sigma | 108319 | |
Triton X-100 | Millapore-Sigma | T9284 | |
Trypsin-EDTA | Millapore-Sigma | T4049 |