需要鉴定与感兴趣的特定基因组区域相关的分子,以了解这些区域功能的调节机制。该协议描述了执行工程 DNA 结合分子介导的染色质 imunoprecipitation (enChIP) 以鉴定与特定基因组区域相关的蛋白质和 RNA 的程序。
方法文章
需要鉴定与感兴趣的特定基因组区域相关的分子,以了解这些区域功能的调节机制。该协议描述了执行工程 DNA 结合分子介导的染色质 imunoprecipitation (enChIP) 以鉴定与特定基因组区域相关的蛋白质和 RNA 的程序。
需要鉴定与感兴趣的特定基因组区域相关的分子,以了解这些区域功能的调节机制。为了能够无偏倚地识别与特定感兴趣的基因组区域相互作用的分子,我们最近开发了工程化 DNA 结合分子介导的染色质免疫沉淀 (enChIP) 技术。在这里,我们描述了如何使用 enChIP 分离特定的基因组区域并鉴定相关的蛋白质和 RNA。首先,用转录激活因子样 (TAL) 蛋白或由催化失活形式的 Cas9 和向导 RNA 组成的成簇规则间隔短回文重复序列 (CRISPR) 复合物标记感兴趣的基因组区域。随后,染色质通过超声处理交联并碎裂。然后对标记的基因座进行免疫沉淀并逆转交联。最后,分别对与分离的染色质相关的蛋白质或 RNA 进行质谱或 RNA 测序分析。这种方法可以成功鉴定与感兴趣的基因组区域相关的蛋白质和 RNA。
与感兴趣的特定基因组区域相关联的分子的识别,需要理解的基因组功能,例如转录和表观遗传调控调节的机制。虽然几种技术已经开发了用于特定的基因组区域1-7中的生化分析,它们没有被广泛使用,因为其固有的问题,如有限的应用程序(例如,只对于高拷贝数或基因座基因座与重复),并在此阶段太多的时间和努力需要。
为了容易地执行特定的基因组区域的生化分析,我们已经开发了两种基因座特异性染色质免疫沉淀技术,即插入的ChIP(Internet控制器)8-13和工程化DNA结合分子介导的ChIP(enChIP)14-17 。在Internet控制器,感兴趣的基因座是由标记的外源DNA结合蛋白如莱克斯插入识别序列答轨迹然后通过使用标记的DNA结合蛋白的亲和纯化分离。在enChIP,工程化DNA结合分子,如锌指蛋白,转录激活物状(TAL)的蛋白质,和群集定期相互间隔短回文重复序列(CRISPR)配合物,用于标记的感兴趣位点( 图1)。随后,将基因组区域被标记的DNA结合分子的亲和纯化分离。
之一的enChIP过Internet控制器的一个优点是,插入的外源DNA结合蛋白的识别序列是没有必要的。靶向使用CRISPR络合物选自Cas9(dCas9)的无催化活性的形式的和导向的RNA(gRNA)位点比这些区域通过Internet控制器或enChIP使用TAL和锌指蛋白靶向容易得多。这里,我们描述了一步一步的协议enChIP与质谱联用和RNA测序(RNA片段)识别位点Associa大泰德蛋白质和RNA的分别。
工程DNA结合分子认识到目标轨迹的1.设计
2.建立细胞的enChIP分析
3.交联细胞与甲醛
4.制备染色质(每2×107细胞 )
5.超声处理的染色质(每2×10 7细胞)
6.评估染色质碎片的
7.制备磁珠共轭与抗体(每2×10 7细胞)
8.染色质免疫沉淀(每2×10 7细胞)
9. SDS-PAGE,染色,质谱分析
10.纯化RNA和RNA测序分析
总体而言,靶基因组区域的1-30%可使用enChIP纯化。 图3包括代表数据表示enChIP的产率分析靶向端粒和干扰素(IFN)调节因子1(IRF-1)基因的启动子。作为典型的结果,表1列出实施例与在IRF-1启动子中鉴定由enChIP-SILAC, 表一的IFNγ特异性方式相关的蛋白2列出确定enChIP与质谱联用端粒结合蛋白(enChIP-MS) ,和表3列出用确定enChIP-RNA测序端粒相关联的的RNA。

图 enChIP 1.概述 。 enChIP使用CRISPR(A,B)和 TAL(C,D,E 请点击此处查看该图的放大版本。

图2.序列gBlock的。U6启动子(黑色),对G核苷酸b安伏的导向序列(蓝色),引导序列(gRNA间隔物)(红色),所述支架序列(绿色),及终止子序列(橙色)被示出。

图3.产量的代表enChIP分析 。 (A)中的百分比的输入为目标的IRF-1基因座和非靶Sox2的基因座。 (B)的百分比的输入为目标端 粒和非目标γ-卫星。该数字已调整,并从以前的出版物15,16修改。
| 分类 | 蛋白质 |
| 转录 | DDX1,PARP1,CKAP4,Pescadillo同源,PURβ, 活化的RNA聚合酶II转录激活p15基因, BTF3,Myb的结合蛋白1A |
| 组蛋白脱乙酰化, 辅阻遏物成分 | RBBP4,PA2G4,TBL3 |
| 乙酰转移酶 | 蛋白质精氨酸N-甲基转移酶1 |
| DNA拓扑异构酶 | DNA拓扑异构酶2α |
| 组蛋白 | 组蛋白H2A.Z,组蛋白H3.2 |
表1:用 在确定enChIP-SILAC一个IFNγ特异性方式的人IRF-1的启动子区相关的蛋白质的例子的表已被改编从先前的出版物16。
| 分类 | 蛋白质 |
| 哺乳动物端粒结合蛋白 | PML,RPA,CDK1,PARP1,PCBP1 |
| 端粒碧在酵母nding蛋白质 或其他生物 | IMP4 |
| 与蛋白质相互作用的端粒结合 蛋白质[相关端粒结合蛋白] | DNA聚合酶α(POLA1)Cdc13p] ARMC6 [TRF2],CTBP1 [FOXP2-POT1] exportin-5 [叔],GNL3L [TRF1] exportin-1 [叔],14-3-3 [叔] |
| 蛋白定位于异 | BEND3 |
| 蛋白质调控的表观遗传标记 | KDM5C |
| 蛋白质的突变影响端粒功能 | DNA聚合酶α(POLA1),HAT1,Nup133, CDK7,DPOE1,PRDX1,TYSY, 谷氨酸半胱氨酸连接酶,谷,SMRC1 |
表2:用 确定enChIP-MS鼠标端粒相关蛋白的例子表已adapted从以前的出版物15。
| 分类 | RNA的 |
| 端粒酶组件 | TERC,RMRP |
| 端粒的RNA | TERRAS |
| scaRNAs | Scarna6,Scarna10,Scarna13,Scarna2 |
| H / ACA 52]形成 | Snora23,Snora74a,Snora73b,Snora73a |
| C / D 52]形成 | Snord17,Snord15a,Snord118 |
| lncRNA | Neat1 |
表3: 具有确定enChIP-RNA的序列表已被改编自先前公布17 鼠标端粒相关的RNA的例子 。
在这里,我们描述了使用工程化DNA结合分子(如CRISPR系统和TAL蛋白)纯化特定基因组区域,以及鉴定与这些基因组区域结合的蛋白质和RNA。工程化 DNA 结合分子与基因组的结合可能会影响染色质结构,包括核小体定位,并可能废除基因组功能,如 CRISPR 干扰实验21 中所述。为了避免这些潜在的异常影响,我们提出了选择目标基因组区域的具体指南。首先,为避免潜在抑制RNA聚合酶和转录因子的募集,以及破坏转录起始位点周围的核小体定位,启动子区域分析的目标区域应为转录起始位点上游(5')的数百个碱基对。相比之下,在分析具有不同边界的基因组区域(例如增强子和沉默器)时,可以针对与这些区域直接并列的基因组区域,因为工程 DNA 结合分子的结合不太可能影响其功能。此外,最好避免使用不同物种之间保守的靶区,因为重要的DNA结合分子经常与进化保守的区结合,抑制它们的结合可能会破坏靶基因组区的功能。在这方面,始终有必要检查目标基因组区域的功能是否在用于 enChIP 分析的已建立细胞中得到维持。由于可以轻松测试多个 gRNA,并且生成识别不同靶基因组区域的多个版本的 TAL 或锌指蛋白既繁琐又昂贵,因此使用 CRISPR 的 enChIP 比使用其他蛋白质的 enChIP 更具优势。
已经表明,dCas9 与脱靶位点结合,尽管对这些位点的亲和力可能弱于对靶位点的亲和力22-25。有几种方法可以管理与这些脱靶位点结合的分子的污染。首先,建议使用几种(至少两种)不同的 gRNA。在使用不同 gRNA 的 enChIP 中常见的那些分子将是真阳性。其次,比较 enChIP 的不同条件将有效消除对非特异性分子和与脱靶位点结合的分子的污染。这些比较集的示例是 (i) 刺激 (-) 和 (+),或 (ii) 不同的细胞类型,例如 T 细胞与 B 细胞。最后,应对候选分子的结合进行定量分析,以确认它们与靶位点的特异性结合。优选制备仅表达dCas9而不表达gRNA的细胞作为阴性对照。
使用enChIP分析,我们能够成功鉴定出许多与特定基因组区域相互作用的已知和新型分子(表1-3)14-17。然而,该技术未能检测到与这些区域相互作用的其他一些已知蛋白质。例如,据报道,STAT1在IFNγ刺激8时与 IRF-1 启动子结合,但我们的enChIP-SILAC分析没有检测到STAT1作为诱导与该基因组区域相互作用的蛋白质16。此外,在端粒的 enChIP-MS 分析中,我们没有检测到由 TRF-1 和 TRF-215 组成的庇护蛋白蛋白,这些蛋白已被证明与端粒相互作用26。造成这些差异有几个潜在原因。首先,Stat1 与 IRF-1 启动子结合的化学计量可能非常低。enChIP-MS(包括 enChIP-SILAC)可以检测与靶基因组区域更丰富相关的蛋白质是合理的;因此,可能需要分析更多细胞来检测这些蛋白质。MS仪器灵敏度的提高也有助于有效检测具有低化学计量结合的蛋白质。其次,一些蛋白质,可能包括 Stat1 和庇护所,可能是 MS 分析的困难靶标。第三,在我们对端粒结合蛋白15 的分析中,识别端粒的 3×FLAG-TAL 蛋白 (3×FN-Tel-TAL) 可能以竞争性方式阻断了庇护所与端粒的结合。
与使用 enChIP 检测与特定基因组区域结合的转录因子相对困难相比,我们使用 enChIP 分析成功鉴定了表观遗传调节因子,例如组蛋白修饰酶。这项技术的成功可能是由于表观遗传调节因子与广泛的基因组区域结合;因此,每个基因组区域有更多的蛋白质可用于 MS。由于表观遗传调节因子越来越被认为是治疗癌症等疑难杂症药物的重要靶点,因此enChIP将成为鉴定表观遗传药物靶点的有用工具。
作者已申请了enChIP专利(专利名称:“使用识别内源性DNA序列的DNA结合分子分离特定基因组区域的方法”;专利号:PCT/JP2013/74107)。H.F. 是 Addgene 顾问委员会的成员。
这项工作是由武田科学基金会(TF)的支持;旭硝子基金会;上原纪念基金会(HF);在仓田纪念日立科学技术基金会(TF和HF);格兰特提供的援助青年科学家(B)(#25830131),格兰特 - 在急救科学研究(C)(#15K06895)(TF);和格兰特 - 在急救科学研究的创新领域"转录周期"(#25118512&#15H01354),格兰特 - 在急救科学研究(B)(#15H04329),格兰特提供的援助的探索性研究( #26650059)和"基因组支持"(#221S0002)(HF)由教育部,文化,体育,科学和技术的日本。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| gBlock 合成服务 | Life Technologies | 基因合成 GeneArt | |
| gBlock 合成服务 | IDT (Integrated DNA Technologies) | gBlocks 基因片段 | |
| pSIR-neo | Addgene | 51128 | |
| pSIR-GFP | Addgene | 51134 | |
| pSIR-DsRed-Express2 | Addgene | 51135 | |
| pSIR-hCD2 | Addgene | 51143 | |
| TAL 合成服务 | Life Technologies | GeneArt Precision TAL | |
| 3xFLAG-dCas9/pCMV-7.1 | Addgene | 47948 | |
| 3×FLAG-dCas9/pMXs-puro | Addgene | 51240 | |
| 3&次;FLAG-dCas9/pMXs-IG | Addgene | 51258 | |
| 3&次;FLAG-dCas9/pMXs-I2 | Addgene | 51259 | |
| 3&次;FLAG-dCas9/pMXs-neo | Addgene | 51260 | |
| 抗 FLAG M2 抗体 | Sigma-Aldrich | F1804 | |
| FITC 偶联的抗 FLAG M2 | Sigma-Aldrich | F4049 | |
| 用于 SILAC | Life Technologies | 89985 | 其他培养基可从 Life Technologies 的 |
| 透析 FBS 购买 用于 SILAC | Life Technologies | 89986 | |
| L-赖氨酸-2HCl用于 SILAC | Life Technologies | 89987 | 用于轻质介质 |
| L-精氨酸-HCl 用于 SILAC | Life Technologies | 89989 | 用于轻质介质 |
| L-赖氨酸-2HCl,13C6 用于 SILAC | Life Technologies | 89988 | 用于重介质 |
| L-精氨酸-HCl,13C6,15N4 用于 SILAC | Life Technologies | 89990 | 用于重介质 |
| 完整、迷你、不含 EDTA | 的 Roche Diagnostics | 4693159 | |
| 超声波干扰器 UD-201 | Tomy Seiko | ||
| ChIP DNA Clean &浓缩器 | Zymo Research | D5205 | |
| Dynabeads-Protein G | Life Technologies | DB10004 | |
| RNasin 加 RNase 抑制剂 | Promega | N2611 | |
| Isogen II | Nippon Gene | 311-07361 | |
| Direct-zol RNA 小量制备试剂盒 | Zymo Research | R2050 | |
| LTQ Orbitrap Velos | Thermo Fisher Scientific | 用于 MS 分析的 nanoLC-MS/MS 系统的组件 | |
| nanoLC | Advance,Michrom Bioresources | MS 分析的 nanoLC-MS/MS 系统组件 用于 MS 分析的 | |
| HTC-PAL 自动进样器 | CTC 分析 | MS 分析的 nanoLC-MS/MS 系统的组件 |
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