يصف هذا البروتوكول تداخل الحمض النووي الريبي ومقايسة ChIP لدراسة الوراثة اللاجينية للإسكات الناجم عن الحمض النووي الريبي وتعديلات الكروماتين المرتبطة به في C. elegans.
يسمح الوراثة اللاجينية عبر الأجيال (TEI) بنقل المعلومات عبر الخط الجرثومي دون تغيير تسلسل الجينوم ، من خلال عوامل مثل الحمض النووي الريبي غير المشفر وتعديلات الكروماتين. تعد ظاهرة وراثة تداخل الحمض النووي الريبي (RNAi) في الديدان الخيطية Caenorhabditis elegans نموذجا فعالا للتحقيق في TEI يستفيد من دورة الحياة القصيرة لهذا الكائن النموذجي ، والتكاثر الذاتي ، والشفافية. في وراثة RNAi ، يؤدي تعرض ل RNAi إلى إسكات الجينات وتغيير توقيعات الكروماتين في الموقع المستهدف والتي تستمر لأجيال متعددة في غياب الزناد الأولي. يصف هذا البروتوكول تحليل وراثة الحمض النووي الريبي في C. elegans باستخدام مراسل بروتين الفلورسنت الأخضر النووي المعبر عنه بالخط الجرثومي (GFP). يبدأ إسكات المراسل عن طريق إطعام البكتيريا التي تعبر عن الحمض النووي الريبي المزدوج الذي يستهدف GFP. في كل جيل ، يتم تمرير للحفاظ على التطور المتزامن ، ويتم تحديد إسكات الجينات المراسل عن طريق الفحص المجهري. في أجيال مختارة ، يتم جمع السكان ومعالجتهم من أجل الترسيب المناعي للكروماتين (ChIP) – تفاعل البلمرة المتسلسل الكمي (qPCR) لقياس إثراء تعديل الهستون في موقع مراسل GFP. يمكن تعديل هذا البروتوكول لدراسة وراثة الحمض النووي الريبي بسهولة ودمجه مع تحليلات أخرى لمزيد من التحقيق في عوامل TEI في مسارات الحمض النووي الريبي والكروماتين الصغيرة.
تسمح الوراثة اللاجينية بنقل المعلومات التنظيمية الجينية عبر الأجيال ، وبالتالي يمكن أن تسمح للبيئة أو تجارب الوالدين بالتأثير على ذريتهم. في C. elegans ، يمكن توريث إسكات الجينات الجرثومية الذي بدأه الحمض النووي الريبي الخارجي المزدوج (dsRNA) لأجيال متعددة في ذرية غير معرضة للمحفز الأصلي1،2،3،4. هذه العملية ، التي تسمى وراثة تداخل الحمض النووي الريبي (RNAi) ، هي واحدة من العديد من ظواهر الإسكات اللاجينية ذات الصلة في C. elegans ، بما في ذلك الإسكات متعدد الأجيال الذي بدأه piRNA 2,5 ، والطفرة / RNAe (الإسكات اللاجيني الناجم عن الحمض النووي الريبي)6،7،8 ، والإسكات متعدد النسخ الذي بدأهالصفيف 9 ، والتي لها متطلبات متداخلة ولكنها متميزة لآلات تنظيم الحمض النووي الريبي والكروماتين الصغيرة . في C. elegans RNAi الخارجي ، تتم معالجة dsRNA إلى RNAs صغيرة متداخلة (siRNAs) تعمل في مركب مع بروتينات Argonaute الأولية للتعرف على mRNA المستهدف. يؤدي هذا الاستهداف إلى تضخيم siRNAs الثانوية التي ترتبط ب Argonautes الثانوية لإسكات mRNA المستهدفة من خلال مسارات الإسكات السيتوبلازمية والنووية. بالنسبة لأهداف RNAi المعبر عنها بالخط الجرثومي ، يستهدف Argonaute HRDE-1 الثانوي النووي وعوامل RNAi النووية الإضافية النسخ الوليدة ، مما يؤدي إلى قمع النسخ وتجنيد ميثيل ترانسفيراز هيستون لترسيب علامات الكروماتين القمعية ، بما في ذلك H3K9me310. يعزز Histone H3K9me3 إنشاء إسكات وراثي لجينات التحوير البروتينية الفلورية الخضراء المعبر عنها (GFP) عن طريق وراثة RNAi11,12.
الهدف من هذا البروتوكول هو استخدام جين محوري يعبر عن بروتين اندماج GFP-histone في الخط الجرثومي كمراسل لوراثة RNAi وفحص التغييرات في تعديلات الهستون في موضع التحوير الجيني المراسل باستخدام الترسيب المناعي للكروماتين وتفاعل البلمرة المتسلسل الكمي (ChIP-qPCR). يصف هذا البروتوكول نهج تغذية RNAi موحد قائم على الألواح لبدء إسكات المراسلين. كما يوفر جدولا زمنيا مفصلا لتمرير بين الأجيال عن طريق عزل الأجنة في الرحم عن البالغين الجاذبين عن طريق العلاج القلوي بهيبوكلوريت (“التبييض”). كما تم وصف الطرق والبيانات التمثيلية لرصد تواتر إسكات GFP في مجموعة فرعية من السكان بواسطة المجهر الفلوري وللهيستون H3K9me3 ChIP-qPCR. توفر مقايسات وراثة RNAi المستندة إلى المراسلين نظاما قابلا للتتبع للغاية لتشريح أدوار العوامل الوراثية والبيئية وظيفيا في التنظيم اللاجيني 13,14 ، وقد حددت الشاشات الجينية التي تستخدم مثل هؤلاء المراسلين كلا من الجينات المطلوبة ل 2,3,15 والجينات التي تنظمسلبا 16,17 مدة الوراثة اللاجينية عبر الأجيال.
في هذا البروتوكول ، يتم إدخال dsRNA عن طريق التغذية ، والتي أصبحت طريقة قياسية في C. elegans18. بالنسبة لمقايسات وراثة RNAi ، يوفر نهج التغذية طريقة سهلة للحصول على عدد كبير من السكان P02،11،12،22،23،24،25. ومع ذلك ، فإن توقيت ومدة التعرض للحمض النووي الريبي يؤثر على فعالية إسكات الجيناتالمحورة 26 ، ويؤثر تركيز بكتيريا RNAi على استمرار إسكات RNAi الوراثي1. لذلك ، تعد بكتيريا RNAi الموحدة ونمو الديدان مهمة للحصول على مستوى ثابت من إسكات GFP ومدة الميراث. هنا ، يتم طلاء الأجنة على ألواح RNAi بحيث تتعرض P0 لبكتيريا RNAi من الفقس. قامت الأساليب البديلة بطلاء المرحلة L1 24,27 أوL4 25 المتزامنة على ألواح RNAi-NGM. بالإضافة إلى ذلك ، نظرا لأن الجوع والضغوط الأخرى تؤثر على الحفاظ على وراثة RNAi13 ، يجب مراقبة اللوحات لمنع الاكتظاظ واستنفاد الإمدادات الغذائية. كبديل لبدء RNAi عن طريق التغذية ، فإن بعض دراسات وراثة C. elegans RNAi الرائدة تحفز RNAi من خلال حقن الغدد التناسلية ، مما يوفر تحكما أكبر في تركيز dsRNA 1,28.
في هذا البروتوكول ، يتم تمرير كل جيل كمجموعة سكانية مع معالجة هيبوكلوريت قلوية ، كما هو موضح سابقا16،22،23،24. تضمن معالجة هيبوكلوريت عدم تلوث جيل F1 ببكتيريا RNAi من البيئة الأبوية22 ويمنع اختناق الزجاجة غير المرغوب فيه من السكان. ومع ذلك ، قد يكون المرور الجماعي أيضا قيدا ، نظرا لأن الفردية قد يكون لها أنماط وراثة مميزة 1,29. طريقة بديلة لإنشاء كل جيل هي اختيار الفردية1،2،9،11،25. يسمح هذا النهج بتتبع الأنماط الظاهرية داخل الأنساب ودمج التهجينات الجينية. قد يكون تحليل النسب مفيدا أيضا للأنماط الظاهرية منخفضة الاختراق12.
تعبير البروتين الفلوري هو قراءة قوية ومريحة للإسكات الناجم عن الحمض النووي الريبي2،3،4،12،14،15،16،25،30. كما هو موضح في هذا البروتوكول ، يمكن تسجيل تعبير GFP يدويا ك ON أو OFF 11،12،15،16،25. يمكن تحسين التسجيل اليدوي بشكل أكبر من خلال تعيين مستويات الكثافة النوعية3،4،14. بدلا من ذلك ، يمكن أن يوفر تسجيل الكثافة الآلي للصور المجهرية11،12،14،25،27 أو قياس مضان التدفق الخلوي للحيوانات الحية2 قراءة كمية وعالية الإنتاجية. ومع ذلك ، نظرا لأن تعبير المراسل يقتصر على الخط الجرثومي ، فإن التحذير من الأساليب الآلية هو أنه يجب عليهم أيضا التمييز بين ذات التعبير الصامت ل GFP مقابل التي ليس لها خط جرثومي ، خاصة إذا كانت الدراسة تتضمن طفرات ذات تطور غير طبيعي للخط الجرثومي. كبديل لفلورة GFP ، يمكن استخدام النسخ العكسي (RT) -qPCR لتحديد مستويات RNAi المستهدفة قبل mRNA و mRNA2،16،23،24. يوفر هذا النهج قراءة أكثر مباشرة للإسكات ، والتي تستهدف الحمض النووي الريبي ، وهي مفيدة بشكل خاص لأهداف RNAi الأخرى حيث لا ينتج عن الإسكات نمط ظاهري مرئي. يتمثل أحد قيود استخدام مراسلي GFP المصطنعين في أن التسلسلات الخارجية والداخلية يتم تنظيمها بشكل تفاضلي في RNAi11 عبر الأجيال. لذلك ينبغي اعتبار الدراسات ذات الأهداف الداخلية ، مثل الأليل الجنيني المميت الحساس للحرارة oma-1 (zu405) 1،11،16،25 ، نهجا تكميليا لمراسلي الجينات المحورة الفلورية.
يتطلب تحليل ChIP في سياق مقايسات وراثة RNAi مقارنة بين العلاجات والتكرارات. أولا ، لحساب الاختلافات في المواد الأولية بين العينات ، يتم تطبيع إشارة ChIP إلى إشارة الإدخال في نفس موضع “النسبة المئوية للإدخال”. ستساعد معالجة هيستون H3 ChIP بالتوازي على تحديد ما إذا كانت أي تغييرات في تعديل هيستون تتوافق مع التغيرات في كثافة النيوكليوسوم. بالإضافة إلى ذلك ، نظرا لأن ChIP عملية متعددة الخطوات ، فقد تختلف الكفاءة بين العينات. يعد اختيار مواقع التحكم الإيجابية والسلبية المناسبة مفيدا لتقييم ومقارنة نسبة الإشارة إلى الضوضاء بين العينات والتجارب. بالإضافة إلى ذلك ، لتسهيل المقارنات بين العينات ، غالبا ما يتم تسوية قيم دورة عتبة ChIP DNA qPCR عند هدف RNAi إلى موضع التحكم3،11،15،23،30،31. لتقييم آثار علاج RNAi ، تتم أيضا مقارنة نسبة إشارة ChIP في علاج RNAi مقابل التحكم أو عدم وجود شروط RNAi. يتمثل أحد قيود النهج الحالي في أن ChIP يتم إجراؤه مع كاملة ، في حين أن الاستجابة لعلاج RNAi قد تكون فريدة من نوعها بالنسبة للخط الجرثومي. تتمثل إحدى طرق التغلب على هذا التحذير في إجراء ChIP باستخدام نوى الخط الجرثومي المعزولة. كما تمت مناقشة اعتبارات فنية إضافية لتحسين ChIP على نطاق واسع في مكان آخر32,33.
بشكل عام ، يوفر وراثة RNAi وبروتوكول ChIP أساسا مفصلا وسهل التكيف يمكن دمجه مع تقنيات أخرى لمواصلة استكشاف التنظيم اللاجيني عبر الأجيال. على سبيل المثال ، يمكن إنشاء مكتبات تسلسل عالية الإنتاجية من ChIP DNA (ChIP-seq) للحصول على عرض أكثر تفصيلا لمشهد الكروماتين القريب من هدف RNAi وعلى نطاق واسع للجينوم.
The authors have nothing to disclose.
نود أن نعرب عن تقديرنا للمختبرات في مجتمع C. elegans التي طورت الأدوات وشاركتها والتي تم الاستشهاد بعملها في هذه المخطوطة. تم توفير بعض السلالات من قبل CGC ، الذي يموله مكتب المعاهد الوطنية للصحة لبرامج البنية التحتية للبحوث (P40 OD010440). تم دعم هذا العمل من خلال منحة مشروع المعاهد الكندية للبحوث الصحية (CIHR) إلى A.L.S. (PJT-175245). يتم دعم CL من قبل منحة الدراسات العليا لمجلس أبحاث العلوم الطبيعية والهندسة في كندا (NSERC) (PGS-D).
Agarose | Bioshop | AGA002 | |
Ampicillin | Bioshop | AMP201 | Make a 100 mg/mL solution in ultrapure water. Filter-sterilize and store at -20 °C. |
Anti-H3K9me3 Rabbit Polyclonal Antibody | Abcam | ab8898 | Concentration is batch-dependent (0.9 – 1 mg/mL). |
Anti-Histone H3 Rabbit Polyclonal Antibody | Abcam | ab1791 | Concentration is batch-dependent (0.7 – 1 mg/mL). |
Bleach (6% Sodium hypochlorite) | Lavo | 02358107 | |
C. elegans strain with GFP RNAi Reporter | NA | SX1263 | Sapetschnig et al. 2015 (ref. 7). A gift from E. Miska lab, University of Cambridge. |
Carbenicillin | BioShop | CAR544 | Make a 25 mg/mL solution in ultrapure water. Filter-sterilize and store at -20 °C. |
Dynabeads Protein G Magnetic Beads | Invitrogen | 10003D | |
E. coli strain HT115(DE3) | Caenorhabditis Genetics Center (CGC) | HT115(DE3) | |
E. coli strain OP50-1 | Caenorhabditis Genetics Center (CGC) | OP50-1 | |
EDTA (0.5 M, pH 8.0) | Invitrogen | 15575020 | |
Fluorescence Stereoscope | Zeiss | Axio Zoom.V16 | |
Formaldehyde (37%) | Sigma | F8775 | |
Glycine | Sigma | 50046 | Make a 1.25 M solution and store at 4 °C. |
HEPES-KOH (1 M, pH 7.5) | Teknova | H1035 | |
Hydrophobic Printed Slides, 10 wells | VWR | 100488-904 | |
IGEPAL CA-630 (Octylphenol ethoxylate) | BioShop | NON999 | Make a 10% (v/v) solution in ultrapure water and store at room temperature. |
IPTG (Isopropyl-β-D-thiogalactoside) | BioShop | IPT001 | Make a 0.2 g/mL solution in ultrapure water. Filter-sterilize and store at -20 °C. |
iTaq Universal SYBR Green Supermix | Bio-Rad | 1725122 | |
LB Agar Plates supplemented with 100 µg/mL Ampicillin | NA | NA | Standard lab recipe. |
Levamisole (Tetramisole hydrochloride) | Sigma | L9756 | Make a 200 mM solution in ultrapure water. Store at -20 °C. |
LiCl (8 M) | Sigma | L7026 | |
M9 Buffer | NA | NA | 22 mM KH2PO4, 42 mM Na2HPO4, 86 mM NaCl, 1 mM MgSO4. |
Magnetic Separator (1.5 mL tubes) | Applied Biosystems | A13346 | |
Magnetic Separator (0.2 mL tubes) | Permagen | MSR812 | |
Microscope Cover Glass | Fisher Scientific | 12541B | |
Microscope Slide | Technologist Choice | LAB-037 | |
NaCl (5 M) | Promega | V4221 | For ChIP buffers. |
NaOH | Sigma | S5881 | Make a 10 M solution and store at room temperature. |
NGM Plates | NA | NA | 1.7% (w/v) agar, 0.3% (w/v) NaCl, 0.25% (w/v) peptone, 1 mM CaCl2, 5 μg/mL cholesterol, 25 mM Potassium phosphate pH 6.0, 1 mM MgSO4, 50 µg/mL streptomycin. |
Normal Rabbit IgG (1 mg/mL) | Cell Signaling Technology | 2729 | |
Petri Dishes (35 mm x 10 mm) | Sarstedt | 82.1135.500 | |
Phosphate Buffered Saline (10X) | Fisher BioReagents | BP3991 | |
Plasmid – Control RNAi | Addgene | L4440 (Plasmid #1654) | |
Plasmid – GFP-targetting RNAi | Addgene | L4417 (Plasmid #1649) | Note, alternative L4440-derived plasmids targeting GFP can be used. |
Primer pair [-3.3 kb upstream of gfp] | Integrated DNA Technologies | NA | F: AAACCAAAGGACGAGAGATTCA, R: GGCTCGATCAAGTAAAATTTCG |
Primer pair [+1.3 kb downstream of gfp] | Integrated DNA Technologies | NA | F: TCGACCAGTTCTAAAGTCACCG, R: ACGTGCGGGATCATTTCTTACT |
Primer pair [clec-18] | Integrated DNA Technologies | NA | F: TGCTCCATGACCTCAACAACA, R: AGTACAGTTCACCGATCCAGA |
Primer pair [gfp exon 1] | Integrated DNA Technologies | NA | F: CTGGAGTTGTCCCAATTCTTGT, R: GGGTAAGTTTTCCGTATGTTGC |
Primer pair [gfp exon 4] | Integrated DNA Technologies | NA | F: GATGGCCCTGTCCTTTTACCA, R: ATGCCATGTGTAATCCCAGCA |
Primer pair [hrp-2] | Integrated DNA Technologies | NA | F: CGTCAACAGGGAGCAGCTG, R: CCTCCGAACTTTCTCTGTCCA |
Protease Inhibitor Cocktail Tablet | Roche | 11836170001 | |
Proteinase K | Bioline | BIO-37084 | |
QIAquick PCR Purification Kit | Qiagen | 28104 | |
Real-Time PCR Detection System | Bio-Rad | CFX96 | |
RNAi-NGM plates | NA | NA | 1.7% (w/v) agar, 0.3% (w/v) NaCl, 0.25% (w/v) peptone, 1 mM CaCl2, 5 µg/mL cholesterol, 25 mM Potassium phosphate buffer pH 6.0, 1 mM MgSO4, 25 µg/mL carbenicillin and 5 mM IPTG. |
RNase A | Sigma | R4642 | |
Sarkosyl (N-Lauroylsarcosine sodium salt) | Sigma | L5777 | Make a 10% (w/v) solution and store at room temperature protected from light for a maximum of 1 month. |
SDS | Sigma | 74255 | Make a 10% (w/v) solution and store at room temperature. |
Sodium deoxycholate | Sigma | 30970 | Make a 5% (w/v) solution and store at room temperature protected from light for a maximum of 1 month. |
Sonication Tube | Evergreen | 214-3721-010 | |
Sonication Tube Cap | Evergreen | 300-2911-020 | |
Sonicator | Qsonica | Q800R3-110 | |
Streptomycin sulfate | Bioshop | STP101 | Make a 50 mg/mL solution in ultrapure water. Filter-sterilize and store at -20 °C. |
TAE buffer (1X) | NA | NA | 40 mM Tris, 20 mM acetate, 1 mM EDTA |
Tally counter clicker | Uline | H-7350 | |
Tetracycline | Bioshop | TET701 | Make a 5 mg/mL solution in ethanol and store at -20 °C. |
Thermomixer | Eppendorf | 05-400-205 | |
Tris-HCl (1 M, pH 8.0) | Invitrogen | 15568025 | |
Triton X-100 | Sigma | T8787 | Make a 10% (v/v) solution in ultrapure water and store at room temperature. |