本文描述了将肽微阵列技术应用于识别组蛋白及其翻译后修饰的抗体特异性分析的方法。
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本文描述了将肽微阵列技术应用于识别组蛋白及其翻译后修饰的抗体特异性分析的方法。
组蛋白蛋白的翻译后修饰(PTMs)因其在调控染色质结构和基因表达中的作用而被广泛研究。针对组蛋白PTMs的抗体的大规模生产和分发极大地推动了这些修饰标记的研究。由于组蛋白PTM抗体是许多染色质生物化学应用中的关键试剂,因此对抗体特异性的严格分析对于准确解读数据以及该领域的持续进展至关重要。本实验方案描述了一套整合的流程,用于设计、制备和使用肽段微阵列,以分析组蛋白抗体的特异性。该流程中的设计与分析部分由ArrayNinja软件辅助完成,ArrayNinja是我们近期开发的一种开源、交互式软件工具包,旨在简化微阵列打印格式的定制化操作。该流程已被用于筛选大量市售且广泛使用的组蛋白PTM抗体,相关实验产生的数据可通过一个在线、持续更新的组蛋白抗体特异性数据库免费获取。除组蛋白外,本文所述的通用方法还可广泛应用于其他翻译后修饰特异性抗体的分析。
基因组DNA在真核细胞核内与组蛋白结合,以一种精巧的方式包装形成染色质。染色质的基本重复单位是核小体,由147个碱基对的DNA缠绕在组蛋白八聚体核心(包括H2A、H2B、H3和H4)上构成1。染色质总体上可分为松散包装的常染色质和紧密包装的异染色质区域。染色质压缩程度决定了蛋白质机器对底层DNA的可及性,从而调控DNA复制、转录和修复等以DNA为模板的基本生物学过程的进行。
染色质背景下基因组可及性的关键调控因子是组蛋白蛋白非结构化尾部和核心结构域上的翻译后修饰2,3组蛋白翻译后修饰通过影响染色质结构而直接发挥作用4 并通过招募具有染色质重塑、酶活性和支架功能的阅读蛋白及其相关大分子复合物间接实现5过去二十年对组蛋白PTM功能的研究 overwhelmingly 表明,这些修饰在调控细胞命运、生物体发育以及疾病发生/进展中发挥关键作用。得益于基于质谱的蛋白质组学技术的进步,目前已发现超过80个不同的组蛋白残基上存在20多种独特的组蛋白PTM6值得注意的是,这些修饰通常以组合形式发生,且与之相符的 "组蛋白密码" 假设,大量研究表明,阅读蛋白通过识别组蛋白PTM的特定组合而被靶向至染色质的特定区域7,8,9未来面临的一个关键挑战将是为组蛋白翻译后修饰(PTMs)不断增长的列表分配功能,并确定特定组蛋白PTMs组合如何协调与染色质相关的动态功能。
抗体是检测组蛋白翻译后修饰(PTM)的关键试剂。因此,已有超过1,000种针对组蛋白PTM的特异性抗体被商业化开发,广泛应用于染色质生物化学研究。随着高通量DNA测序技术的快速发展,这些试剂被个体研究者以及大规模表观基因组学“路线图”计划(e.g.,ENCODE和BLUEPRINT)广泛用于ChIP-seq(染色质免疫沉淀联合下一代测序)流程中,以生成全基因组范围内组蛋白PTM分布的高分辨率空间图谱10,11。然而,近期研究表明,组蛋白PTM抗体的特异性差异较大,这些试剂常表现出不利特性,例如对非靶向表位的识别、邻近PTM的强烈正负干扰,以及难以区分特定残基上修饰的程度(e.g.,单、双或三甲基化赖氨酸)12,13,14,15,16,17,18。因此,对组蛋白PTM特异性抗体试剂进行严格的质控,对于准确解读这些宝贵试剂所产生的数据至关重要。
微阵列技术能够在高通量、可重复且微型化的体系中同时检测数千种大分子间的相互作用。因此,已开发出多种微阵列平台,用于分析蛋白质-DNA19,20、蛋白质-蛋白质21以及蛋白质-肽段相互作用22。其中,组蛋白肽段微阵列已成为染色质生物化学研究中一种具有重要信息价值的发现工具,可用于高通量分析组蛋白翻译后修饰的“书写者”、“擦除者”和“阅读者”15,23,24,也可用于评估组蛋白抗体的特异性17,25。除了在染色质和表观遗传学研究中的应用外,组蛋白肽阵列在系统性红斑狼疮及其他产生抗染色质自身抗体的自身免疫性疾病的诊断和预后检测方面也具有潜在应用价值26,27。
本文介绍了一种我们开发的整合性流程,用于设计、制备和检测组蛋白肽微阵列,以生成识别组蛋白及其翻译后修饰(PTMs)的抗体的特异性谱型。该流程得益于我们近期开发的开源交互式软件工具ArrayNinja,该工具整合了微阵列实验的设计与分析环节28。ArrayNinja在Google Chrome浏览器中运行效果最佳。简而言之,采用机器人接触式微阵列点样仪,将一系列生物素标记的组蛋白肽按预定位置点样于链霉亲和素包被的玻璃载玻片上。随后,这些微阵列可用于竞争性和平行检测模式,以研究抗体与表位之间的相互作用(图1)。该肽库包含数百种独特的合成肽,单独或以相关组合形式携带多种翻译后修饰(包括赖氨酸乙酰化、赖氨酸/精氨酸甲基化以及丝氨酸/苏氨酸磷酸化),其设计主要基于蛋白质组学数据集。肽的合成与验证方法在其他文献中有详细描述23。利用该微阵列平台开展的组蛋白PTM抗体筛选工作所产生的数据,已归档于公共网络资源“组蛋白抗体特异性数据库”(www.histoneantibodies.com)。值得注意的是,采用本方案变体所制备的组蛋白肽微阵列已被广泛用于表征组蛋白PTM识别结构域的活性8,29,30,31,32,33,34,35,36,37,近期还被用于分析组蛋白PTM书写酶和擦除酶的活性24。

图1:组蛋白肽微阵列上抗体筛选逐步操作的示意图。 带有特定翻译后修饰(红色和蓝色圆圈)的生物素化组蛋白肽与生物素-荧光素共同点样于链霉亲和素包被的玻片上。阳性相互作用以红色荧光显示。 请点击此处查看该图的放大版本。
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1. 安装和运行 ArrayNinja
2. 设计芯片载片和源板布局

图2:ArrayNinja 设计模块。 虚线框内显示的是 ArrayNinja 设计模块的截图。控制面板(顶部)展示了可在微阵列打印机上调整的所有参数。随着这些参数的调整,载玻片布局的示意图(左下)会实时更新。布局设定完成后,用户可将鼠标悬停在各个点位上,以输入唯一的特征标识符。ArrayNinja 根据用户的输入,生成所需源板(右下)中每个特征位置的对应图谱,用于制备指定的微阵列载玻片布局。请点击此处查看该图的放大版本。
3. 制备微阵列

4. 芯片分区分隔

图3:微阵列制备。 (A) 在链霉亲和素包被的显微镜载玻片上使用接触式微阵列打印机制造组蛋白肽微阵列 (B) 采用包含3个亚阵列的48 × 48肽段特征网格制备的微阵列。分离 (C) 用疏水性蜡笔划出3个微阵列区域, (D) 2个子阵列,使用硅胶粘合剂;(E) 48个子阵列,采用石蜡压印。所示所有微阵列均使用25 × 75 mm显微镜载玻片制备。 请点击此处以查看此图的放大版本。
5. 组蛋白PTM抗体与肽微阵列的杂交
使用 ArrayNinja 分析微阵列数据

图4:ArrayNinja 分析模块。 图中显示了 ArrayNinja 分析模块的界面截图。控制面板(左上)展示了所有可调节的参数,用于可视化芯片图像、识别点阵以及在芯片图像上对齐网格。将鼠标悬停在某个特征点上时,会显示该点的放大视图(右上),并弹出包含该特征点相关信息的提示框(底部)。用于背景校正的参考点以橙色标示。在后续分析中需排除的特征点以白色显示。ArrayNinja 包含基于文本的搜索功能,可将匹配的特征点以黄色高亮显示,图中以 H4K16 为例进行了展示。请点击此处查看该图的放大版本。
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本方案已用于设计和构建肽段微阵列平台,以分析组蛋白PTM抗体的特异性。该阵列检测包含300多种独特肽段特征(长度为20至40个残基)的文库,代表了核心组蛋白和变异组蛋白上已知的多种PTM组合38。该流程已成为筛选多种广泛使用且 commercially available 的组蛋白PTM抗体的主要工具,完整数据集可在组蛋白抗体特异性数据库(www.histoneantibodies.com)中获取17。
本流程的核心是ArrayNinja,这是我们近期开发的一款开源软件应用程序,用于整合微阵列实验的实验设计与数据分析环节28。ArrayNinja的分析模块允许用户以交互方式处理原始阵列图像文件。打印的特征标识会自动与图像对齐,通过将鼠标悬停在某个点位上即可显示其标识信息。该集成功能还支持按名称快速搜索目标特征,...
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抗体在生物医学研究应用中的可靠性至关重要46,47。这一点在染色质生物化学研究中尤为突出,因为抗体是目前大多数用于表征组蛋白翻译后修饰(PTM)丰度与分布技术中的关键工具。本文所述方案详细介绍了一种经过优化的肽段微阵列设计、制备和应用流程,用于分析组蛋白PTM抗体的特异性。该流程已被用于筛选大量 commercially available 且广泛使用的组蛋白PTM抗体,相关实验产生的数据可通过在线开放且持续更新的组蛋白抗体特异性数据库(www.histoneantibodies.com)免费获取17。
我们的研究以及他人的工作均表明,组蛋白PTM抗体的行为经常存在不利情况,这可能会使利用这些试剂产生的数据解释变得复杂12,15,17...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本工作部分由范安德尔研究所及美国国立卫生研究院(CA181343)向 S.B.R. 提供的研究资助支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 打印缓冲液 | ArrayIt | PPB | |
| 牛血清白蛋白(BSA) | Omnipure | 2390 | |
| 链霉亲和素包被的玻璃显微镜载片 | Greiner Bio-one | 439003-25 | |
| 聚丙烯 384 孔板 | Greiner Bio-one | 784201 | |
| 生物素-荧光素 | Sigma | 53608 | |
| 接触式微阵列打印机 | Aushon | 2470 | Aushon 2470 微阵列打印机 |
| 接触式微阵列打印机 | Gene Machines | OmniGrid 100 | OmniGrid 微阵列打印机 |
| 磷酸盐缓冲液(PBS) | Invitrogen | 14190 | |
| 封闭缓冲液 | ArrayIt | SBB | |
| 疏水性蜡笔 | Vector Labs | H-4000 | ImmEdge 疏水屏障 PAP 笔 |
| 硅胶垫片 | Grace Bio-labs | 622511 | |
| 杂交容器 | Thermo Scientific | 267061 | 或类似容器 |
| 荧光染料标记的二抗 | Life Technologies | A-21244 | Alexa Fluor 647(抗兔) |
| 荧光染料标记的二抗 | Life Technologies | A-21235 | Alexa Fluor 647(抗小鼠) |
| 蜡印仪 | ArrayIt | MSI48 | |
| 吐温-20(Tween-20) | Omnipure | 9490 | |
| 微阵列扫描仪 | Innopsys | InnoScan 1100AL | 或同等性能的微阵列扫描仪 |
| EpiTitan 组蛋白肽微阵列 | Epicypher | 112001 | |
| AbSurance Pro 组蛋白肽微阵列 | Millipore | 16668 | |
| MODified 组蛋白肽阵列 | Active Motif | 13001 | |
| 组蛋白密码肽微阵列 | JPT | His_MA_01 | |
| 蜡 | Royal Oak | GulfWax | 用于蜡印仪 |
| 加湿型微阵列载片杂交室 | VWR | 97000-284 | |
| 高通量显微镜载片洗涤槽 | ArrayIt | HTW | |
| 显微镜载片离心机 | VWR | 93000-204 | |
| 抗体 1 | Abcam | 8898 | |
| 抗体 2 | Millipore | 07-473 | |
| 生物素化组蛋白肽 | EpiCypher | 12-0001 | 示例肽。多种不同修饰的类似肽可从多个商业来源获得。 |
| ImageMagick | https://www.imagemagick.org/script/index.php | ||
| ArrayNinja | https://rothbartlab.vai.org/tools/ |
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