يمكن استخدام CUT & RUN ومتغيراته لتحديد إشغال البروتين على الكروماتين. يصف هذا البروتوكول كيفية تحديد توطين البروتين على الكروماتين باستخدام uliCUT & RUN أحادي الخلية.
يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية
مقالة منهجية
يمكن استخدام CUT & RUN ومتغيراته لتحديد إشغال البروتين على الكروماتين. يصف هذا البروتوكول كيفية تحديد توطين البروتين على الكروماتين باستخدام uliCUT & RUN أحادي الخلية.
يعد تحديد مواقع ربط البروتين على الكروماتين أمرا ضروريا لفهم وظيفته وأهدافه التنظيمية المحتملة. كان الترسيب المناعي للكروماتين (ChIP) هو المعيار الذهبي لتحديد توطين البروتين لأكثر من 30 عاما ويتم تعريفه من خلال استخدام جسم مضاد لسحب البروتين محل الاهتمام من الكروماتين الصوتي أو المهضوم إنزيميا. في الآونة الأخيرة ، أصبحت تقنيات ربط الأجسام المضادة شائعة لتقييم توطين البروتين على الكروماتين بسبب حساسيتها المتزايدة. الانقسام تحت الأهداف والإطلاق تحت النوكليز (CUT & RUN) هو مشتق على مستوى الجينوم من الانقسام المناعي للكروماتين (ChIC) ويستخدم البروتين المؤتلف A المربوط بالمكورات الدقيقة nuclease (pA-MNase) لتحديد منطقة ثابتة IgG من الجسم المضاد الذي يستهدف بروتينا ذا أهمية ، وبالتالي تمكين الانقسام الخاص بالموقع للحمض النووي المحيط بالبروتين محل الاهتمام. يمكن استخدام CUT & RUN لتحديد ملامح تعديلات الهيستون وعوامل النسخ وغيرها من البروتينات المرتبطة بالكروماتين مثل عوامل إعادة تشكيل النيوكليوسومات. الأهم من ذلك ، يمكن استخدام CUT & RUN لتقييم توطين البروتينات المرتبطة ب euchromatic أو heterochromatic وتعديلات الهيستون. لهذه الأسباب ، يعد CUT & RUN طريقة قوية لتحديد ملفات تعريف الارتباط لمجموعة واسعة من البروتينات. في الآونة الأخيرة ، تم تحسين CUT & RUN لتنميط عامل النسخ في مجموعات منخفضة من الخلايا والخلايا المفردة ، وقد أطلق على البروتوكول الأمثل اسم CUT & RUN منخفض للغاية (uliCUT & RUN). هنا ، يتم تقديم بروتوكول مفصل لتنميط عامل الخلية الواحدة باستخدام uliCUT & RUN بتنسيق يدوي 96-well.
تعمل العديد من البروتينات النووية من خلال التفاعل مع الكروماتين لتعزيز أو منع الأنشطة التي يتم تشكيلها بواسطة الحمض النووي. لتحديد وظيفة هذه البروتينات المتفاعلة مع الكروماتين ، من المهم تحديد المواقع الجينومية التي ترتبط بها هذه البروتينات. منذ تطويره في عام 1985 ، كان الترسيب المناعي للكروماتين (ChIP) هو المعيار الذهبي لتحديد المكان الذي يرتبط فيه البروتين بالكروماتين 1,2. تحتوي تقنية ChIP التقليدية على سير العمل الأساسي التالي: يتم حصاد الخلايا وترابطها (عادة مع الفورمالديهايد) ، ويتم قص الكروماتين (عادة بطرق صوتنة قاسية ، مما يستلزم الربط المتبادل) ، ويتم ترسيب البروتين محل الاهتمام باستخدام جسم مضاد يستهدف البروتين (أو البروتين الموسوم) متبوعا بجسم مضاد ثانوي (مقترن بالأغاروز أو الخرز المغناطيسي) ، ويتم عكس الربط المتبادل ، يتم هضم البروتين والحمض النووي الريبي لتنقية الحمض النووي ، ويتم استخدام هذا الحمض النووي المخصب ChIP كقالب للتحليل (باستخدام المجسات المشعة1,2 أو qPCR3 أو المصفوفات الدقيقة 5,6 أو التسلسل4). مع ظهور المصفوفات الدقيقة والتسلسل العميق المتوازي على نطاق واسع ، تم تطوير ChIP-chip 5,6 و ChIP-seq4 مؤخرا والسماح بتحديد توطين البروتين على الكروماتين على نطاق الجينوم. لقد كان الربط المتقاطع ChIP تقنية قوية وموثوقة منذ ظهوره مع تقدم كبير في الدقة بواسطة ChIP-exo7 و ChIP-nexus8. بالتوازي مع تطوير ChIP-seq ، تم إنشاء بروتوكولات أصلية (غير متقاطعة) ل ChIP (N-ChIP) ، والتي تستخدم هضم النوكليز (غالبا باستخدام nuclease المكورات الدقيقة أو MNase) لتفتيت الكروماتين ، بدلا من الصوتنة التي يتم إجراؤها في تقنيات ChIP التقليدية المتشابكة9. ومع ذلك ، فإن أحد العيوب الرئيسية لكل من تقنيات ChIP و N-ChIP المتقاطعة هو الحاجة إلى أعداد عالية من الخلايا بسبب انخفاض إنتاجية الحمض النووي بعد التلاعب التجريبي. لذلك ، في السنوات الأخيرة ، كانت العديد من الجهود المبذولة نحو تحسين تقنيات ChIP لمدخلات الخلايا المنخفضة. وقد أسفرت هذه الجهود عن تطوير العديد من التقنيات القوية القائمة على ChIP والتي تختلف في قابلية تطبيقها ومتطلبات المدخلات 10،11،12،13،14،15،16،17،18. ومع ذلك ، كانت التقنيات القائمة على ChIP-seq أحادية الخلية غير موجودة ، خاصة بالنسبة للبروتينات غير الهيستونية.
في عام 2004 ، تم تطوير تقنية بديلة لتحديد إشغال البروتين على الكروماتين يسمى الانقسام الداخلي للكروماتين (ChEC) والانقسام المناعي للكروماتين (ChIC)19. تستخدم تقنيات الموضع الواحد هذه اندماج MNase إما مع البروتين محل الاهتمام (ChEC) أو البروتين A (ChIC) للقطع المباشر للحمض النووي المجاور للبروتين محل الاهتمام. في السنوات الأخيرة ، تم تحسين كل من ChEC و ChIC لتنميط البروتين على مستوى الجينوم على الكروماتين (ChEC-seq و CUT & RUN ، على التوالي) 20،21. في حين أن ChEC-seq هي تقنية قوية لتحديد توطين العوامل ، إلا أنها تتطلب تطوير بروتينات MNase-fusion لكل هدف ، في حين أن ChIC واختلافه على نطاق الجينوم ، CUT & RUN ، يعتمدان على جسم مضاد موجه نحو البروتين محل الاهتمام (كما هو الحال مع ChIP) والبروتين المؤتلف A-MNase ، حيث يمكن للبروتين A التعرف على المنطقة الثابتة IgG من الجسم المضاد. كبديل ، تم تطوير بروتين الانصهار A / Protein G-MNase (pA / G-MNase) الذي يمكنه التعرف على مجموعة أوسع من المناطق الثابتة للأجسام المضادة22. سرعان ما أصبح CUT & RUN بديلا شائعا ل ChIP-seq لتحديد توطين البروتين على مستوى جينوم الكروماتين.
تم وصف الإدخال المنخفض للغاية CUT & RUN (uliCUT & RUN) ، وهو شكل مختلف من CUT & RUN يتيح استخدام مدخلات منخفضة وأحادية الخلية ، في 201923. هنا ، يتم وصف منهجية تطبيق يدوي أحادي الخلية بتنسيق 96 بئرا. من المهم ملاحظة أنه منذ تطوير uliCUT & RUN ، تم تطوير بديلين لتنميط الهيستون ، CUT & Tag و iACT-seq ، مما يوفر تنميطا قويا ومتوازيا للغاية لبروتينات الهيستون24,25. علاوة على ذلك ، تم تحسين scCUT & Tag لتنميط عوامل متعددة في خلية واحدة (multiCUT & Tag) وللتطبيق على بروتينات غير هيستون26. معا ، يوفر CUT & RUN بديلا جذابا ل ChIP-seq منخفض الإدخال حيث يمكن إجراء uliCUT & RUN في أي مختبر للبيولوجيا الجزيئية يمكنه الوصول إلى فارز الخلايا والمعدات القياسية.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
بيان الأخلاقيات: تمت الموافقة على جميع الدراسات من قبل المكتب المؤسسي لحماية البحوث في السلامة الأحيائية في جامعة بيتسبرغ.
1. إعداد الخرز المغناطيسي
ملاحظة: قم بإجراء عملية الفرز قبل فرز الخلايا واستمر في وضع الثلج حتى الاستخدام.
2. خلايا الحصاد
ملاحظة: تمت كتابة هذه الخطوة للخلايا الملتصقة ومحسنة للخلايا الجذعية الجنينية الفئران E14. تعتمد زراعة الخلايا وحصادها على نوع الخلية.
3. فرز الخلايا وتحللها
4. عينات ما قبل الكتلة لمنع الهضم المبكر بواسطة MNase
5. إضافة الأجسام المضادة الأولية
6. إضافة pA-MNase أو pA / G-MNase
ملاحظة: البروتين A لديه تقارب كبير مع جزيئات IgG من أنواع معينة مثل الأرانب ولكنه غير مناسب ل IgGs من الأنواع الأخرى مثل الفئران أو الجرذان. بدلا من ذلك ، يمكن استخدام البروتين A / G-MNase. يربط هذا الهجين الأرانب والفئران والفئران IgGs ، ويتجنب الحاجة إلى الأجسام المضادة الثانوية عند استخدام الأجسام المضادة الأولية للفئران أو الفئران.
7. هضم الحمض النووي الموجه
8. تجزئة العينة
9. استخراج الحمض النووي
10. نهاية الإصلاح ، الفسفرة ، الأدينيل
ملاحظة: يتم الحصول على الكواشف كما هو مشار إليه في جدول المواد. يتبع البروتوكول أدناه طريقة مماثلة للمجموعة التجارية مثل مجموعة NEBNext Ultra DNA II.
11. ربط محول
ملاحظة: احتفظ بالعينات على الجليد أثناء إعداد التفاعل التالي. اسمح للمخزن المؤقت لليغاز بالوصول إلى درجة حرارة الغرفة قبل السحب. قم بتخفيف المحول (انظر جدول المواد) في محلول من 10 mM Tris-HCl يحتوي على 10 mM NaCl (الرقم الهيدروجيني 7.5). نظرا لانخفاض العائد ، لا تقم مسبقا بتحديد كمية الحمض النووي المخصب ب CUT & RUN. بدلا من ذلك ، قم بإنشاء تخفيفات 25 ضعفا للمحول ، باستخدام تركيز محول عمل نهائي يبلغ 0.6 ميكرومتر.
12. هضم المستخدم
13. البوليسترين المغنطيسية خرزة تنظيف بعد تفاعل الربط
ملاحظة: اسمح لخرز البوليسترين المغنطيسية بالتوازن في درجة حرارة الغرفة (~ 30 دقيقة). دوامة لتجانس حل الخرز قبل الاستخدام. نفذ الخطوات التالية في درجة حرارة الغرفة.
14. إثراء المكتبة
ملاحظة: يتم تخفيف الاشعال بنفس الحل مثل المحول. لبناء هذه المكتبة ، استخدم تركيز تمهيدي نهائي للعمل يبلغ 0.6 ميكرومتر.
15. البوليسترين المغنطيسية خرزة تنظيف
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
هنا ، يتم تقديم بروتوكول مفصل لتنميط البروتين أحادي الخلية على الكروماتين باستخدام تنسيق يدوي 96-well uliCUT & RUN. في حين أن النتائج ستختلف بناء على البروتين الذي يتم تعريفه (بسبب وفرة البروتين وجودة الأجسام المضادة) ، ونوع الخلية ، والعوامل المساهمة الأخرى ، تتم مناقشة النتائج المتوقعة لهذه التقنية هنا. يجب تقييم جودة الخلية (مظهر الخلية والنسبة المئوية للخلايا القابلة للحياة) والفرز أحادي الخلية قبل أو في وقت فرز الخلايا الحية في المخزن المؤقت NE. ويرد مثال على مستعمرات الخلايا الجذعية الجنينية وفرز الخلايا في
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
CUT & RUN هو بروتوكول فعال لتحديد توطين البروتين على الكروماتين. لديها العديد من المزايا بالنسبة للبروتوكولات الأخرى ، بما في ذلك: 1) نسبة الإشارة إلى الضوضاء العالية ، 2) البروتوكول السريع ، و 3) تغطية قراءة التسلسل المنخفض المطلوبة مما يؤدي إلى توفير التكاليف. يتيح استخدام البروتين A أو البروتين A / G-MNase تطبيق CUT & RUN مع أي جسم مضاد متاح. لذلك ، لديها القدرة على تحديد ملامح العديد من البروتينات بسرعة وسهولة. ومع ذلك ، كان التكيف مع خلية واحدة لأي تنميط بروتين على الكروماتين أمرا صعبا ، خاصة عند مقارنته بالنسخ أحاد...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
يعلن المؤلفون عدم وجود مصالح متنافسة تتعلق بهذا المشروع.
نشكر أعضاء مختبر هاينر على قراءتهم وتعليقاتهم على نسخة سابقة من هذه المخطوطة. استخدم هذا المشروع NextSeq500 المتوفر في مركز تسلسل العلوم الصحية بجامعة بيتسبرغ في مستشفى UPMC للأطفال في بيتسبرغ للتسلسل مع شكر خاص لمديره ويليام ماكدونالد. تم دعم هذا البحث جزئيا من قبل مركز جامعة بيتسبرغ للحوسبة البحثية من خلال موارد الكمبيوتر المقدمة. تم دعم هذا العمل من قبل المعاهد الوطنية للصحة رقم المنحة R35GM133732 (إلى S.J.H).
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| 1.5 مل أنابيب ميكروفوج واضحة | ThermoFisher Scientific | 90410 | |
| 1.5 مل أنبوب الرف المغناطيسي | ThermoFisher Scientific | 12321D | |
| 1.5 مل جهاز طرد مركزي بارد متوافق | الأنبوب Eppendorf | 5404000537 | |
| 10 سم لوحات زراعة الأنسجة | المعقمة ThermoFisher Scientific | ||
| 10X T4 DNA Ligase Buffer | جديد إنجلترا Biolabs | B0202S | |
| 15 مل أنابيب مخروطية | VWR | 89039-656 | |
| 1X TE عازلة | ThermoFisher Scientific | 12090015 | |
| 200 & micro ؛ أنابيب البوليميراز المتسلسل | L Eppendorf | 951010022 | |
| 2X عازلة ليغاز سريعة | نيو إنجلاند Biolabs | M2200 | Ligase Buffer |
| 5X KAPA HiFi buffer | Roche | 7958889001 | 5X عازلة PCR عالية الدقة |
| 7-Amino-Actinomycin D (7-AAD) | Fisher Scientific | BDB559925 | |
| رف مغناطيسي 96 بئر | ThermoFisher Scientific | 12027 أو 12331D | |
| 96 بئر لوحة | VWR | 82006-636 | |
| أمبير XP الخرز | بيكمان كولتر | A63881 | حبات البوليسترين المغنتيت ؛ نظرا للتباين المحتمل بين الكثير من حبات AMPure XP ، يوصى بمعايرة محلول حبة AMPure الخاص بك. انظر الشركة المصنعة تعليمات s |
| الجسم المضاد للبروتين ذي الأهمية | يختلف | ||
| ATP | ThermoFisher Scientific | R0441 | |
| BioMag Plus Concanavalin A حبات | Polysciences | 86057-10 | الكريات المجهرية المغناطيسية المترافقة ConA |
| BSA | |||
| كلوريد الكالسيوم (CaCl2) فيشر | AAJ62905AP | العلمي | |
| فارز الخلايا | BD FACSAria II | يتطلب | |
| تدريبا وسائط خاصة بالخلية لزراعة الخلايا | يختلف | ||
| الكلوروفورم | ThermoFisher Scientific | C298-500 | الكلوروفورم مهيج للجلد وضار إذا تم ابتلاعه ؛ التعامل مع غطاء الدخان الكيميائي باستخدام القفازات ومعطف المختبر والنظارات الواقية |
| الكمبيوتر مع معالج 64 بت والوصول إلى مجموعة | للتحليلات الحسابية لمجموعات بيانات التسلسل الناتجة | ||
| أعمدة تدور الحمض النووي | Epoch Life Sciences | 1920-250 | |
| dNTP مجموعة | New England Biolabs | N0446S | |
| EGTA | Sigma Aldrich | E3889 | |
| تختلف | معدات الرحلان الكهربائي | ||
| الإيثانول | فيشر العلمي | 22032601 | 100٪ vol / vol الإيثانول شديد الاشتعال ؛ مقبض في غطاء الدخان الكيميائي باستخدام القفازات ، معطف المختبر ، ونظارات |
| واقية حمض الإيثيلين ديامين تترا أسيتيك ؛ (EDTA) | فيشر BP2482100 | ||
| FBS | سيجما ألدريتش | F2442 | |
| الجلسرين | فيشر العلمي | BP229-1 | |
| الجليكوجين | VWR | 97063-256 | |
| هيبس | فيشر Scientific | BP310-500 | |
| متجانسة S. cerevisiae الحمض النووي سبايك في | محلي الصنع | محضر من الحمض النووي الجيني المتشابك ، المهضوم ب MNase ، وهلام الاغاروز المستخرج من البروتين / الحمض النووي الريبي المخفف إلى 10 نانوغرام / مل. نوصي باستخدام الحمض النووي الجيني للخميرة ، ولكن يمكن استخدام الكائنات الحية الأخرى إذا لزم الأمر. | |
| حمض الهيدروكلوريك (حمض الهيدروكلوراي) | من فيشر Scientific | A144-212 | شديد التآكل ؛ مقبض في غطاء دخان كيميائي باستخدام قفازات ومعطف مختبر ونظارات |
| واقية يختلف دلو | |||
| Illumina (على سبيل المثال ، NextSeq500) | Illumina | ||
| مع التحكم في درجة الحرارة والغلاف الجوي | ThermoFisher Scientific | 51030284 | |
| KAPA HotStart HiFi DNA Polymerase مع 5X KAPA HiFi buffer | Roche | 7958889001 | hotstart عالية الدقة البوليميراز |
| غطاء التدفق الصفحي | شركة المخابز | SG404 | |
| كلوريد المنغنيز (MnCl2) | الماصات الدقيقة Sigma Aldrich | 244589 | |
| Rainin | 30386597 | ||
| Minifuge | Benchmark Scientific | C1012 | |
| محول NEB | New England Biolabs | E6612AVIAL | Adapter |
| NEB Universal Primer | New England Biolabs | E6611AVIAL | Universal Primer |
| NEBNext Multiplex Oligos for Illumina kit | New England Biolabs | E7335S / L ، E7500S / L ، E7710S / L ، E7730S / L | بادئات مفهرسة |
| الأجسام المضادة للأجسام المضادة للتحكم | السلبي عبر الإنترنت | ABIN101961 | |
| مياه خالية من النوكليز | نيو إنجلاند بيولابس | B1500S | |
| PCR thermocycler | Eppendorf | 2231000666 | |
| أنابيب قفل الطور | Qiagen | 129046 | |
| الفينول / الكلوروفورم / كحول الأيزواميل (PCI) | ThermoFisher Scientific | 15593049 | الفينول ضار إذا ابتلع أو عند ملامسة الجلد ؛ مقبض في غطاء الدخان الكيميائي باستخدام القفازات ومعطف المختبر والنظارات الواقية |
| محلول ملحي مخزن في الفسوفات (PBS) ThermoFisher | Scientific | 10814010 | |
| Pipette | aid Drummond Scientific | # 4-000-100 | |
| بولي إيثيلين جلايكول (PEG) 4000 | VWR | A16151 | |
| كلوريد البوتاسيوم (KCl) | سيجما ألدريتش | P3911 | |
| هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) | فيشر Scientific | P250-1 | تنبيه KOH هو مادة مهيجة للعين / الجلد كمحلول صلب ومسبب للتآكل. تعامل مع غطاء الدخان الكيميائي باستخدام القفازات ومعطف المختبر والنظارات الواقية |
| مثبطات الإنزيم البروتيني | ThermoFisher Scientific | 78430 | |
| ProteinA / G-MNase | Epicypher | 15-1016 | pA / G-MNase |
| ProteinA-MNase ، منقى من pK19pA-MN | Addgene | 86973 | |
| Proteinase K | New England Biolabs | P8107S | |
| Qubit 1X dsDNA HS Assay Kit | ThermoFisher Scientific | Q33230 | |
| أنابيب فحص كيوبيت | ThermoFisher Scientific | Q32856 | |
| كيوبيت مقياس الفلور | ThermoFisher Scientific | Q33238 | |
| Ligase السريع مع 2X Quick Ligase buffer | New England Biolabs | M2200S | |
| RNase A | New England Biolabs | T3010 | |
| أسيتات الصوديوم (NaOAc) | ThermoFisher Scientific | BP333-500 | |
| كلوريد الصوديوم (NaCl) | Sigma Aldrich | S5150-1L | |
| كبريتات دوديسيل الصوديوم (SDS) ThermoFisher | Scientific | BP166-500 | SDS سام إذا تم استنشاقه ؛ تعامل بحذر في الأماكن جيدة التهوية باستخدام القفازات وحماية العين وجهاز التنفس الصناعي من الدرجة N95 عند التعامل |
| مع هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) | Fisher Scientific | S318-1 | هيدروكسيد الصوديوم هو مادة مهيجة للعين / الجلد كمحلول صلب ومسبب للتآكل. مقبض في غطاء الدخان الكيميائي باستخدام القفازات ومعطف المختبر والنظارات الواقية |
| Spermidine | Sigma Aldrich | S2626 | |
| مجهر ضوئي مقلوب | قياسي Leica | 11526213 | |
| مواد هلام الاغاروز المختبرية القياسية | يختلف | ||
| مواد المختبر القياسية مثل الماصات المصلية وأطراف الماصة | يختلف | ||
| T4 DNA Ligase | جديد إنجلترا بيولابز | M0202S | |
| T4 DNA Polymerase | نيو إنجلاند بيولابز | M0203S | |
| T4 PNK | نيو إنجلاند بيولابز | M0201S | |
| دوامة منضدية | فيشر ساينتفيك | 2215414 | |
| تاك DNA بوليميراز | نيو إنجلاند بيولابز | M0273S | |
| خلاط حراري | إيبندورف | 5384000020 | بدلا من ذلك، يمكن استخدام حمام مائي |
| قاعدة تريس | فيشر Scientific | BP152-5 | |
| Triton X-100 | Sigma Aldrich | 9002-93-1 | Triton X-100 خطير ؛ استخدم معطف المختبر والقفازات والنظارات الواقية عند التعامل مع |
| Trypsin | Fisher Scientific | MT25052 | |
| Tube Rotator | VWR | 10136084 | |
| USER إنزيم | New England Biolabs | M5505S |
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.