A questão de como os reguladores e os estados de cromatina cromatina afetar o genoma in vivo é essencial para a nossa compreensão de como o diagnóstico precoce decisões destino celular são feitas no embrião em desenvolvimento. Abordagem mais popular para investigar características de cromatina em um nível-se global definida aqui para embriões de Xenopus o chip-Seq-.
The recruitment of chromatin regulators and the assignment of chromatin states to specific genomic loci are pivotal to cell fate decisions and tissue and organ formation during development. Determining the locations and levels of such chromatin features in vivo will provide valuable information about the spatio-temporal regulation of genomic elements, and will support aspirations to mimic embryonic tissue development in vitro. The most commonly used method for genome-wide and high-resolution profiling is chromatin immunoprecipitation followed by next-generation sequencing (ChIP-Seq). This protocol outlines how yolk-rich embryos such as those of the frog Xenopus can be processed for ChIP-Seq experiments, and it offers simple command lines for post-sequencing analysis. Because of the high efficiency with which the protocol extracts nuclei from formaldehyde-fixed tissue, the method allows easy upscaling to obtain enough ChIP material for genome-wide profiling. Our protocol has been used successfully to map various DNA-binding proteins such as transcription factors, signaling mediators, components of the transcription machinery, chromatin modifiers and post-translational histone modifications, and for this to be done at various stages of embryogenesis. Lastly, this protocol should be widely applicable to other model and non-model organisms as more and more genome assemblies become available.
The first attempts to characterize protein-DNA interactions in vivo were reported about 30 years ago in an effort to understand RNA polymerase-mediated gene transcription in bacteria and in the fruit fly1,2. Since then, the use of immunoprecipitation to enrich distinct chromatin features (ChIP) has been widely adopted to capture binding events and chromatin states with high efficiency3. Subsequently, with the emergence of powerful microarray technologies, this method led to the characterization of genome-wide chromatin landscapes4. More recently, chromatin profiling has become even more comprehensive and high-resolution, because millions of co-immunoprecipitated DNA templates can now be sequenced in parallel and mapped to the genome (ChIP-Seq)5. As increasing numbers of genome assemblies are available, ChIP-Seq is an attractive approach to learn more about the genome regulation that underlies biological processes.
Here we provide a protocol to perform ChIP-Seq on yolk-rich embryos such as those of the frog Xenopus. Drafts of the genomes of both widely used Xenopus species—X. tropicalis and X. laevis—have now been released by the International Xenopus Genome Consortium6. The embryos of Xenopus species share many desirable features that facilitate and allow the interpretation of genome-wide chromatin studies, including the production of large numbers of high-quality embryos, the large size of the embryos themselves, and their external development. In addition, the embryos are amenable to classic and novel manipulations like cell lineage tracing, whole-mount in situ hybridisation, RNA overexpression, and TALEN/CRISPR-mediated knockout technology.
The following protocol builds on the work of Lee et al., Blythe et al. and Gentsch et al.7-9. Briefly, Xenopus embryos are formaldehyde-fixed at the developmental stage of interest to covalently bind (cross-link) proteins to their associated genomic DNA. After nuclear extraction, cross-linked chromatin is fragmented to focus subsequent sequencing on specific genomic binding or modification sites, and to minimize the contributions of flanking DNA sequences. Subsequently, the chromatin fragments are immunoprecipitated with a ChIP-grade antibody to enrich those containing the protein of interest. The co-immunoprecipitated DNA is stripped from the protein and purified before creating an indexed (paired-end) library for next-generation sequencing (NGS). At the end, simple command lines are offered for the post-sequencing analysis of ChIP-Seq data.
Nosso protocolo descreve como fazer e analisar os perfis de cromatina do genoma a partir de embriões de Xenopus. Ele abrange todas as etapas a partir de proteínas de ligação cruzada para loci endógena in vivo para o processamento de milhões de lê representando locais genômicas enriquecidas em silico. Desde um número crescente de projectos de genoma estão disponíveis, este protocolo deve ser aplicável a outros modelos e não-modelo organismos. A seção experimental mais importante, o que diferencia este protocolo para além de trabalhos anteriores 8,31,33,34, é o procedimento pós-fixação para extrair núcleos cruzada. Ele facilita a solubilização cromatina eficiente e de corte e fácil upscaling. Juntamente com as eficiências melhoradas de preparação da biblioteca este protocolo permite a construção de bibliotecas de ChIP-SEQ de alta complexidade da metade a dois milhões de células que expressam o epítopo associado cromatina de interesse. Para as experiências de ChIP-qPCR, alguns dez mil destas células são normalmente suficientepara verificar se há enriquecimento DNA em talvez seis loci genômicos distintas. Estes números são estimativas conservadoras, mas podem variar dependendo do nível de expressão da proteína, a qualidade do anticorpo, eficiência, e acessibilidade epitopo de ligação cruzada. Como um guia, um único embrião de Xenopus contém cerca de 4000 células na fase mid-blástula (8.5, depois de Nieuwkoop e Faber 29), 40.000 células na fase de gástrula tardia (12) e 100.000 células na fase tailbud precoce (20).
O tempo de fixação exata para immunoprecipitation eficiente precisa ser determinada empiricamente por Chip-qPCR (seção 10). Em geral, os tempos de fixação mais longos são necessários se o experimento envolve X. laevis embriões, primeiros estágios de desenvolvimento, e fracos (ou indiretas) propriedades de ligação de DNA. No entanto, não é recomendável que fixa embriões Xenopus mais de 40 min, ou o processamento de mais embriões do que o indicado (seção 3), com cromatina de corte torna-se menos eficiente. É importante nãopara usar qualquer glicina após a fixação como essa etapa comum para matar formaldeído pode fazer extração nuclear a partir de embriões de gema-rico muito difíceis. Actualmente, a razão para isto não é conhecido. É concebível que o aducto de formaldeído-glicina reage ainda com N-terminal de amino ou grupos de resíduos de arginina 35.
O anticorpo é a chave para qualquer experimento chip e controles suficientes precisam ser realizados para mostrar sua especificidade para o epitopo de interesse (ver orientações por Landt et al. 36). Se nenhum anticorpo ChIP grau está disponível, a introdução das proteínas de fusão marcadas com epítopo correspondente pode ser uma alternativa legítima como estas proteínas endógenas podem ocupar locais de ligação 37. Neste caso, os embriões não injectados são melhores para utilizar como controlo negativo, em vez de um chip com soro não-específico. Esta estratégia pode também ser aplicado se a proteína de interesse é expressa em níveis baixos, resultando em fraca recuperação de enriDNA Ched.
Como para fazer bibliotecas ChIP-Seq, devido à baixa quantidade de ADN a ser utilizado, é recomendável optar por procedimentos que reduzam o número de etapas de limpeza e de combinar reacções de manter qualquer perda de ADN a um mínimo. Os adaptadores e os iniciadores têm de ser compatíveis com a sequenciação múltipla e a plataforma NGS (ver Tabela específico de Materiais / Equipamento). Se utilizando Y-adaptadores (contendo braços longos de cadeia simples), é crítico para pré-amplificar a biblioteca de três a cinco rondas de PCR antes das inserções de ADN-seleccionando tamanho (ex., De 100 a 300 pb) por electroforese em gel. Extremidades de cadeia simples causar fragmentos de DNA para migrar de forma heterogênea. Ensaio executado com diversas quantidades de ADN de entrada (por exemplo, 0,1, 0,5, 1, 2, 5, 10 e 20 ng) são recomendados para determinar o número total de ciclos de PCR (inferior ou igual a 18 ciclos) necessária para fazer um tamanho -Selecionadas biblioteca de 100 a 200 ng. A redução do número de ciclos de PCR torna a sequenciação de redundant lê menos provável. Fase sólida contas de imobilização reversíveis são bons limpeza reagentes para se recuperar de forma eficiente o DNA de interesse e de forma confiável remova todas as placas livres e dímeros de ligação e reações de PCR.
Em termos de número, tipo e comprimento de leituras, em torno 20-30000000 single-end lê de 36 bp é suficiente para a maioria dos experimentos chip-Seq para cobrir todo o genoma Xenopus com profundidade suficiente. As máquinas NGS mais prevalentes são rotineiramente capaz de atender a esses critérios. No entanto, ela pode ser benéfica para aumentar o número de leituras, se uma ampla distribuição de leituras é esperado, conforme observado com modificações de histonas, em vez de picos agudos. Para muitas experiências ChIP-Seq, 4-5 bibliotecas diferente indexados podem ser combinadas e sequenciadas, um fluxo de pista de células utilizando uma máquina de NGS de alto desempenho. Algumas vezes também é conveniente para aumentar o comprimento e a sequência de leitura ambas as extremidades do molde de ADN (emparelhado-final) para aumentar mappability when análise cromatina dentro de regiões genômicas repetitivas.
Este protocolo foi aplicado com sucesso a uma grande variedade de características de cromatina, tais como factores de transcrição, mediadores de sinalização e histonas modificações pós-traducionais. No entanto, os embriões adquirir um crescente grau de heterogeneidade celular como elas se desenvolvem e perfis de cromatina se tornam mais difíceis de interpretar. Passos promissores têm sido feitos em Arabidopsis e Drosophila a paisagens cromatina tecidos especificamente perfil por meio da extração de tipo específico de células de núcleos 38,39. Nosso protocolo inclui uma etapa de extração nuclear, o que poderia abrir caminho para tecido-específicas ChIP-Seq em outros embriões.
The authors have nothing to disclose.
We thank Chris Benner for implementing the X. tropicalis genome (xenTro2, xenTro2r) into HOMER and the Gilchrist lab for discussions on post-sequencing analysis. I.P. assisted the GO term analysis. G.E.G and J.C.S. were supported by the Wellcome Trust and are now supported by the Medical Research Council (program number U117597140).
1/16 inch tapered microtip | Qsonica | 4417 | This microtip is compatible with Sonicator 3000 from Misonix and Q500/700 from Qsonica. |
8 ml glass sample vial with cap | Wheaton | 224884 | 8 ml clear glass sample vials for aqueous samples with 15-425 size phenolic rubber-lined screw caps. |
Adaptor | IDT or Sigma | NA | TruSeq universal adaptor,
AATGATACGGCGACCACCGAG ATCTACACTCTTTCCCTACAC GACGCTCTTCCGATC*T. TruSeq indexed adaptor, P-GATCGGAAGAGCACACGTC TGAACTCCAGTCAC ‐NNNNNN‐ ATCTCGTATGCCGTCT TCTGCTT*G. *, phosphorothioate bondphosphate group at 5' end. NNNNNN, index (see TruSeq ChIP Sample Preparation Guide for DNA sequence). Order adaptors HPLC purified. Adaptors can be prepared by combining equimolar amounts (each 100 µM) of the universal and the indexed adaptor and cooling them down slowly from 95 °C to room temperature. Use 1.5 pmol per ng of input DNA. Store at -20 °C. |
b2g4pipe (software) | Blast2GO | non-commercial | http://www.blast2go.com/data/blast2go/b2g4pipe_v2.5.zip |
BLAST+ (software) | Camacho et al. | non-commercial | http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi?PAGE_TYPE=BlastDocs&DOC_TYPE=Download |
Bowtie (software) | Langmead et al. | non-commercial | http://bowtie-bio.sourceforge.net/index.shtml |
cisFinder (software) | Sharov et al. | non-commercial | http://lgsun.grc.nia.nih.gov/CisFinder/ |
Chip for capillary electrophoresis | Agilent Technologies | 5067-1504 | Load this chip with 1 µl DNA for library quality control. Store at 4 °C. |
Chip-based capillary electrophoresis system | Agilent Technologies | G2940CA | The Agilent 2100 BioAnalyzer is used to check the quality of ChIP-Seq libraries. Keep reagents at 4 °C. |
ChIP-Seq library preparation kit (KAPA Hyper Prep Kit) | Kapa Biosystems | KK8504 | Kit contains KAPA end repair and A-tailing enzyme mix, end Repair and A-tailing buffer, DNA ligase, ligation buffer, KAPA HiFi HotStart ReadyMix (2X), and KAPA library amplification primer mix (10X) (see also PCR primers). Adaptors are not included. Store at -20 °C. |
ChIP-Seq library preparation kit (alternative, ThruPLEX-FD Prep Kit) | Rubicon Genomics | R40048 | Kit uses their own stem-loop adaptors and primers. This kit eliminates intermediate purification steps and is as sensitive as the KAPA Hyper Prep Kit. Store at -20 °C. |
Cluster3 (software) | de Hoon et al. | non-commercial | http://bonsai.hgc.jp/~mdehoon/software/cluster |
FastQC (software) | Simon Andrews | non-commercial | http://www.bioinformatics.babraham.ac.uk/projects/fastqc |
Fluorometer | life technologies | Q32866 | Qubit 2.0 Fluorometer |
Fluorometer reagents | life technologies | Q32851 | The kit provides concentrated assay reagent, dilution buffer, and pre-diluted DNA standards for the Qubit fluorometer. Store DNA standards at 4 °C, buffer and dye at room temperature. |
Formaldehyde | Sigma | F8775-4X25ML | Formaldehyde solution, for molecular biology, 36.5-38% in H2O, stabilised with 10-15% methanol. Store at room temperature. CAUTION: Formaldehyde is corrosive and highly toxic. |
Gel (E-Gel EX agarose , 2%) | life technologies | G4010 | Pre-cast gel with 11 wells, openable format. Leave one lane between ladder and library empty to avoid cross-contamination. Store gels at room temperature. |
Gel electrophoresis system | life technologies | G6465 | E-Gel iBase and E-Gel Safe Imager combo kit for size-selecting ChIP-Seq libraries. |
Gel extraction kit | Qiagen | 28706 | Store all reagents at room temperature. Use 500 µl of QG buffer per 100 mg of 2% agarose gel slice to extract DNA. Use MinElute columns (from MinElute PCR purification kit) to elute DNA twice. |
HOMER (software) | Chris Benner | non-commercial | http://homer.salk.edu/homer/index.html |
Hybridization oven | Techne | FHB1D | Hybridizer HB-1D |
IGV (software) | Robinson et al. | non-commercial | http://www.broadinstitute.org/igv/home |
Illumina CASAVA-1.8 quality filter (software) | Assaf Gordon | non-commercial | http://cancan.cshl.edu/labmembers/gordon/fastq_illumina_filter |
Java TreeView (software) | Alok Saldanha | non-commercial | http://jtreeview.sourceforge.net |
Laboratory jack | Edu-Lab | CH0642 | This jack is used to elevate sample in sound enclosure for sonication. |
Ladder, 100 bp | New England BioLabs | N3231 | Keep 1x solution at room temperature. Store stock at -20 °C. |
Ladder, 1 kb | New England BioLabs | N3232 | Keep 1x solution at room temperature. Store stock at -20 °C. |
Low-retention 1.5-ml microcentrifuge tubes | life technologies | AM12450 | nonstick, RNase-free microfuge tubes, 1.5 ml |
MACS2 (software) | Tao Liu | non-commercial | https://github.com/taoliu/MACS |
Magnetic beads | life technologies | 11201D | These Dynabeads are superparamagnetic beads with affinity purified polyclonal sheep anti-mouse IgG covalently bound to the bead surface. Store at 4 °C. |
Magnetic beads | life technologies | 11203D | These Dynabeads are superparamagnetic beads with affinity purified polyclonal sheep anti-rabbit IgG covalently bound to the bead surface. Store at 4 °C. |
Magnetic beads | life technologies | 10001D | These Dynabeads are superparamagnetic beads with recombinant protein A covalently bound to the bead surface. Store at 4 °C. |
Magnetic beads | life technologies | 10003D | These Dynabeads are superparamagnetic beads with recombinant protein G covalently bound to the bead surface. Store at 4 °C. |
Magnetic rack | life technologies | 12321D | DynaMag-2 magnet |
MEME | Bailey et al. | non-commercial | http://meme.nbcr.net/meme/ |
Na3VO4 | New England BioLabs | P0758 | Sodium orthovanadate (100 mM) is a commonly used general inhibitor for protein phosphotyrosyl phosphatases. Store at -20 °C. |
NaF | New England BioLabs | P0759 | Sodium fluoride (500 mM) is commonly used as general inhibitor of phosphoseryl and phosphothreonyl phosphatases. Store at -20 °C. |
NGS machine | Illumina | SY-301-1301 | Genome Analyzer IIx |
NGS machine (high performance) | Illumina | SY-401-2501 | HiSeq |
Normal serum (antibody control) | Santa Cruz Biotechnology | sc-2028 | Use as control for goat polyclonal IgG antibodies in ChIP-qPCR experiments. Store at 4 °C. |
Normal serum (antibody control) | Santa Cruz Biotechnology | sc-2025 | Use as control for mouse polyclonal IgG antibodies in ChIP-qPCR experiments. Store at 4 °C. |
Normal serum (antibody control) | Santa Cruz Biotechnology | sc-2027 | Use as control for rabbit polyclonal IgG antibodies in ChIP-qPCR experiments. Store at 4 °C. |
Nucleic acid staining solution | iNtRON | 21141 | Use RedSafe nucleic acid staining solution at 1:50,000. Store at room temperature. |
Orange G | Sigma | O3756-25G | 1-Phenylazo-2-naphthol-6,8-disulfonic acid disodium salt. Store at 4 °C. |
PCR primers | e.g., IDT or Sigma | NA | Primers to enrich adaptor-ligated DNA fragments by PCR: AATGATACGGCGACCACCGA*G and CAAGCAGAAGACGGCATACGA*G, phosphorothioate bond. Primers designed by Ethan Ford. Combine primers at 5 µM each. Use 5 µl in a 50 µl PCR reaction. Store at -20 °C. |
MinElute PCR purification kit | Qiagen | 28006 | for purification of ChIP-qPCR and shearing test samples. Store MinElute spin columns at 4 °C, all other buffers and collection tubes at room temperature. |
Phenol:chloroform:isoamyl alcohol (25:24:1, pH 7.9) | life technologies | AM9730 | Phenol:Chloroform:IAA (25:24:1) is premixed and supplied at pH 6.6. Use provided Tris alkaline buffer to raise pH to 7.9. Store at 4 °C. CAUTION: phenol:chloroform:isoamyl alcohol is corrosive, highly toxic and combustible. |
Primer3 (software) | Steve Rozen & Helen Skaletsky | non-commercial | http://biotools.umassmed.edu/bioapps/primer3_www.cgi |
Protease inhibitor tablets | Roche | 11836170001 | cOmplete, Mini, EDTA-free. Use 1 tablet per 10 ml. Store at 4 °C. |
Protease inhibitor tablets | Roche | 11873580001 | cOmplete, EDTA-free. Use 1 tablet per 50 ml. Store at 4 °C. |
Proteinase K | life technologies | AM2548 | proteinase K solution (20 µg/µl). Store at -20 °C. |
RNase A | life technologies | 12091-039 | RNase A (20 µg/µl). Store at room temperature. |
Rotator | Stuart | SB3 | Rotator SB3 |
SAMtools (software) | Li et al. | non-commercial | http://samtools.sourceforge.neta |
Solid phase reversible immobilisation beads | Beckman Coulter | A63882 | The Agencourt AMPure XP beads are used to minimise adaptor dimer contamination in ChIP-Seq libraries. Store at 4 °C. |
Sonicator 3000 | Misonix/Qsonica | NA | Newer models are now available. Q125, Q500 or Q700 are all suitable for shearing crosslinked chromatin. |
Sound enclosure | Misonix/Qsonica | NA | optional: follow the manufacturer's recommendation to obtain the correct sound enclosure. |
Thermomixer | eppendorf | 22670000 | Thermomixer for 24 x 1.5 mL tubes. Precise temperature control from 4 °C above room temperature to 99 °C. |