פרוטוקול זה מתאר התאבכות RNA ובדיקת ChIP כדי לחקור את התורשה האפיגנטית של השתקה הנגרמת על ידי RNAi ושינויים כרומטינים הקשורים ב- C. elegans.
תורשה אפיגנטית בין-דורית (TEI) מאפשרת העברת מידע דרך קו הנבט מבלי לשנות את רצף הגנום, באמצעות גורמים כגון RNA לא מקודד ושינויים בכרומטין. תופעת תורשה של הפרעות RNA (RNAi) בנמטודה Caenorhabditis elegans היא מודל יעיל לחקר TEI המנצל את מחזור החיים הקצר של אורגניזם מודל זה, התפשטות עצמית ושקיפות. בתורשה של RNAi, חשיפה של בעלי חיים ל-RNAi מובילה להשתקת גנים ולשינויים בחתימות הכרומטין במיקום המטרה שנמשכים מספר דורות בהיעדר הטריגר הראשוני. פרוטוקול זה מתאר את ניתוח תורשה RNAi ב- C. elegans באמצעות כתב חלבון פלואורסצנטי ירוק גרעיני (GFP) המבוטא על ידי נבט. השתקת הכתבים מתבצעת על ידי האכלת בעלי החיים בחיידקים המבטאים RNA דו-גדילי המכוון ל-GFP. בכל דור עוברים בעלי חיים כדי לשמור על התפתחות מסונכרנת, והשתקת גנים נקבעת במיקרוסקופיה. בדורות נבחרים, אוכלוסיות נאספות ומעובדות עבור תגובת שרשרת פולימראז כמותית של כרומטין (ChIP) (qPCR) כדי למדוד את העשרת שינוי ההיסטון במוקד כתב GFP. פרוטוקול זה לחקר תורשה RNAi ניתן לשינוי בקלות ומשולב עם ניתוחים אחרים כדי להמשיך לחקור גורמי TEI במסלולי RNA וכרומטין קטנים.
תורשה אפיגנטית מאפשרת העברת מידע על בקרת גנים בין דורות ולכן יכולה לאפשר לסביבה או לחוויות של ההורים להשפיע על צאצאיהם. ב- C. elegans, השתקת גנים של קו הנבט המופעלת על ידי RNA דו-גדילי אקסוגני (dsRNA) יכולה לעבור בתורשה במשך דורות רבים בצאצאים שלא נחשפו לטריגר המקורי 1,2,3,4. תהליך זה, המכונה RNA interference (RNAi) inheritance, הוא אחת ממספר תופעות השתקה אפיגנטיות קשורות ב- C. elegans, כולל השתקה רב-דורית ביוזמת piRNA 2,5, paramutation/RNAe (השתקה אפיגנטית הנגרמת על ידי RNA) 6,7,8, והשתקה ביוזמת מערך multicopy9, שיש להם דרישות חופפות אך נפרדות למכונות ויסות RNA וכרומטין קטנות . ב-C. elegans exogenous RNAi, dsRNA מעובד ל-RNA מפריע קטן (siRNAs) הפועל בקומפלקס עם חלבוני ארגונאוט ראשוניים כדי לזהות את mRNA המטרה שלהם. מיקוד זה מוביל להגברה של siRNA משני המשויך לארגונאוטים משניים כדי להשתיק mRNA מטרה דרך מסלולי השתקה ציטופלזמיים וגרעיניים כאחד. עבור מטרות RNAi המבוטאות בתאי נבט, המשנה הגרעינית Argonaute HRDE-1 וגורמי RNAi גרעיניים נוספים מכוונים לתעתיקים מתהווים, וכתוצאה מכך דיכוי שעתוק וגיוס של מתילטרנספראזות היסטון להפקדת סימני כרומטין מדכאים, כולל H3K9me310. Histone H3K9me3 מקדם הקמת השתקה תורשתית של טרנסגנים של חלבון פלואורסצנטי ירוק (GFP) המתבטא בנבט על ידי ירושת RNAi11,12.
מטרת פרוטוקול זה היא להשתמש בטרנסגן המבטא חלבון היתוך GFP-היסטון בקו הנבט ככתב לתורשה RNAi ולהעריך שינויים בשינויים בהיסטון במוקד הטרנסגן של הכתב באמצעות משקעים חיסוניים של כרומטין ותגובת שרשרת פולימראז כמותית (ChIP-qPCR). פרוטוקול זה מתאר גישת הזנת RNAi סטנדרטית מבוססת צלחת ליזום השתקת כתבים. הוא גם מספק ציר זמן מפורט להעברת בעלי חיים בין דורות על ידי בידוד עוברי רחם ממבוגרים גרבידיים על ידי טיפול בהיפוכלוריט אלקליין (‘הלבנה’). כמו כן מתוארות שיטות ונתונים מייצגים לניטור תדירות השתקת GFP בתת-קבוצה של האוכלוסייה באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי ועבור היסטון H3K9me3 ChIP-qPCR. מבחני תורשה מבוססי כתב RNAi מספקים מערכת יעילה ביותר לנתח באופן פונקציונלי את תפקידם של גורמים גנטיים וסביבתיים בוויסות אפיגנטי 13,14, ובדיקות גנטיות באמצעות כתבים כאלה זיהו הן גנים הדרושים עבור 2,3,15 והן גנים המווסתים באופן שלילי 16,17 את משך התורשה האפיגנטית הבין-דורית.
בפרוטוקול זה, dsRNA מוצג על ידי האכלה, אשר הפך לשיטה סטנדרטית ב– C. elegans18. עבור מבחני תורשה RNAi, גישת ההזנה מספקת שיטה קלה להשגת אוכלוסיית P0 גדולה 2,11,12,22,23,24,25. עם זאת, העיתוי ומשך החשיפה ל-RNAi משפיע על יעילות השתקת הטרנסגנים26, וריכוז חיידקי ה-RNAi משפיע על ההתמדה של השתקת RNAi תורשתית1. לכן, חיידקי RNAi מתוקננים וצמיחת תולעים חשובים להשגת רמה עקבית של השתקת GFP ומשך הירושה. כאן, עוברים מצופים על לוחות RNAi כך שחיות P0 נחשפות לחיידקי RNAi מהבקיעה. גישות חלופיות ציפו חיות שלב מסונכרנות L1 24,27 אוL4 25 על לוחות RNAi-NGM. בנוסף, מכיוון שרעב ולחצים אחרים משפיעים על תחזוקת תורשה RNAi13, יש לפקח על הצלחות כדי למנוע צפיפות ותשישות של אספקת המזון. כחלופה להתחלת RNAi על ידי הזנה, חלק ממחקרי התורשה החלוציים של C. elegans RNAi גרמו ל-RNAi באמצעות הזרקת גונאד, המספקת שליטה גדולה יותר בריכוז dsRNA 1,28.
בפרוטוקול זה, כל דור עובר כאוכלוסייה עם טיפול בהיפוכלוריט אלקליין, כפי שתואר קודם לכן 16,22,23,24. טיפול בהיפוכלוריט מבטיח שדור ה-F1 לא יזוהם בחיידקי RNAi מהסביבה ההורית22 ומונע צוואר בקבוק פוטנציאלי בלתי רצוי באוכלוסייה. עם זאת, מעבר בתפזורת עשוי להיות גם מגבלה, שכן לבעלי חיים בודדים עשויים להיות דפוסי ירושה שונים 1,29. שיטה חלופית להקים כל דור היא לבחור בעלי חיים בודדים 1,2,9,11,25. גישה זו מאפשרת מעקב אחר פנוטיפים בתוך שושלות ושילוב של צלבים גנטיים. ניתוח שושלת עשוי להיות יתרון גם עבור פנוטיפים של חדירה נמוכה12.
ביטוי חלבון פלואורסצנטי הוא קריאה עוצמתית ונוחה של השתקה הנגרמת על ידי RNAi 2,3,4,12,14,15,16,25,30. כמתואר בפרוטוקול זה, ניתן להבקיע ביטוי GFP באופן ידני כ- ON או OFF 11,12,15,16,25. ניתן לשפר עוד יותר את הניקוד הידני על ידי הקצאת רמות עצימות איכותיות 3,4,14. לחלופין, ניקוד עוצמה אוטומטי של תמונות מיקרוסקופיה 11,12,14,25,27 או מדידת פלואורסצנטיות של ציטומטריית זרימה של בעלי חיים2 יכולים לספק קריאה כמותית ובעלת תפוקה גבוהה. עם זאת, מכיוון שהביטוי של הכתב מוגבל לקו הנבט, אזהרה של גישות אוטומטיות היא שהן חייבות גם להבדיל בין בעלי חיים עם ביטוי GFP מושתק לעומת בעלי חיים ללא קו נבט, במיוחד אם המחקר משלב מוטנטים עם התפתחות לא תקינה של קו הנבט. כחלופה לפלואורסנציה של GFP, ניתן להשתמש בשעתוק לאחור (RT)-qPCR כדי לכמת את רמות המטרה של RNAi pre-mRNA ו-mRNA 2,16,23,24. גישה זו מספקת קריאה ישירה יותר של השתקה, המכוונת לרנ”א, והיא שימושית במיוחד עבור מטרות RNAi אחרות שבהן השתקה אינה מייצרת פנוטיפ נראה לעין. מגבלה בשימוש בכתבי GFP מלאכותיים היא שרצפים אקסוגניים ואנדוגניים מווסתים באופן דיפרנציאלי ב-RNAi11 בין-דורי. לפיכך, יש לשקול מחקרים עם מטרות אנדוגניות, כגון האלל הקטלני העוברי הרגיש לטמפרטורה oma-1(zu405)1,11,16,25, כגישה משלימה למדווחי טרנסגנים פלואורסצנטיים.
ניתוח ChIP בהקשר של מבחני תורשה RNAi דורש השוואה בין טיפולים ושכפולים. ראשית, כדי להסביר את ההבדלים בחומר המוצא בין הדגימות, אות ChIP מנורמל לאות קלט באותו מוקד כמו ‘אחוז הקלט’. עיבוד של Histone H3 ChIP במקביל יעזור לקבוע אם שינויים כלשהם בשינוי ההיסטון תואמים לשינויים בצפיפות הנוקלאוזומים. בנוסף, מכיוון ש- ChIP הוא תהליך רב-שלבי, היעילות עשויה להשתנות בין דגימות. הבחירה של מוקדי בקרה חיוביים ושליליים מתאימים שימושית כדי להעריך ולהשוות את יחס האות לרעש בין דגימות וניסויים. בנוסף, כדי להקל על השוואות בין דגימות, ערכי מחזור הסף של ChIP DNA qPCR ביעד RNAi מנורמלים לעתים קרובות למוקד בקרה 3,11,15,23,30,31. כדי להעריך את ההשפעות של הטיפול ב-RNAi, משווים גם את היחס בין אות ה-ChIP בטיפול ב-RNAi לעומת תנאי RNAi של בקרה או ללא תנאי RNAi. מגבלה של הגישה הנוכחית היא כי ChIP מבוצע עם בעלי חיים שלמים, בעוד התגובה לטיפול RNAi עשוי להיות ייחודי לקו הנבט. גישה להתגבר על אזהרה זו היא לבצע ChIP באמצעות גרעיני נבט מבודדים. שיקולים טכניים נוספים לאופטימיזציה של ChIP נדונו בהרחבה גם במקומות אחרים32,33.
בסך הכל, פרוטוקול תורשה ו-ChIP זה של RNAi מספק בסיס מפורט וקל להסתגלות שניתן לשלב עם טכניקות אחרות כדי להמשיך לחקור רגולציה אפיגנטית בין-דורית. לדוגמה, ספריות ריצוף בתפוקה גבוהה יכולות להיבנות מהדנ”א ChIP (ChIP-seq) לקבלת תצוגה מפורטת יותר של נוף הכרומטין הן קרוב למטרה RNAi והן בקנה מידה גנומי רחב.
The authors have nothing to disclose.
ברצוננו להודות למעבדות בקהילת C. elegans שפיתחו ושיתפו את הכלים ושעבודתם מצוטטת בכתב יד זה. חלק מהזנים סופקו על ידי CGC, הממומן על ידי המשרד לתוכניות תשתית מחקר של NIH (P40 OD010440). עבודה זו נתמכה על ידי מענק של פרויקט המכונים הקנדיים לחקר הבריאות (CIHR) ל- A.L.S. (PJT-175245). C.L. נתמכת על ידי מלגת מחקר לתארים מתקדמים של מועצת מדעי הטבע וההנדסה של קנדה (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. |