本文介绍了一种从芽殖酵母Saccharomyces cerevisiae中进行染色质免疫沉淀以富集修饰组蛋白的实验方案。免疫沉淀所得的DNA随后用于定量PCR,以检测组蛋白翻译后修饰在整个基因组中的丰度和定位情况。
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本文介绍了一种从芽殖酵母Saccharomyces cerevisiae中进行染色质免疫沉淀以富集修饰组蛋白的实验方案。免疫沉淀所得的DNA随后用于定量PCR,以检测组蛋白翻译后修饰在整个基因组中的丰度和定位情况。
组蛋白翻译后修饰(PTMs),如乙酰化、甲基化和磷酸化,由一系列酶动态调控,这些酶根据细胞接收到的信号添加或去除这些修饰标记。这些PTMs在基因表达调控和DNA修复等过程的调控中起着关键作用。染色质免疫沉淀(chIP)已成为解析在不同细胞扰动条件下全基因组范围内多种组蛋白PTMs丰度与定位的重要手段。本文介绍一种适用于酿酒酵母中翻译后修饰组蛋白的染色质免疫沉淀的通用方法。 酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae) 该方法描述如下:利用甲醛处理酵母培养物,实现蛋白质与DNA的交联;通过珠击法裂解酵母细胞制备裂解液;使用微球菌核酸酶消化使染色质片段溶解;随后对组蛋白-DNA复合物进行免疫沉淀。与目标组蛋白修饰相关的DNA被纯化后,通过定量PCR分析,评估其在基因组多个位点的富集程度。文中讨论了在野生型和突变型酵母中检测组蛋白修饰H3K4me2和H4K16ac定位的代表性实验,以展示数据分析与解释方法。该方法适用于多种组蛋白翻译后修饰(PTMs),可应用于不同突变菌株,或在多种环境胁迫条件下进行,是研究不同条件下染色质动态变化的有力工具。
组蛋白的动态翻译后修饰(PTM)是调控多种以DNA为模板的生命过程的关键机制,包括转录、复制和DNA修复1,2因此,确定这些过程中修饰组蛋白的丰度及其精确定位的能力,对于理解细胞在不同条件下对这些过程的调控机制至关重要。染色质免疫沉淀(chIP)技术的发展在很大程度上源于蛋白质与DNA相互作用的生化研究,特别是 体外 使用化学交联剂的方法,结合评估蛋白质-DNA 相互作用动态特性的需求 体内 以及基因组的特定区域3,4,5定量PCR(qPCR)和测序技术的进步也增强了开展染色质免疫沉淀(chIP)实验的能力,可实现定量比较并覆盖整个基因组,使其成为在多个层面解析DNA-蛋白质相互作用的有力工具。
目前,对于任何关注染色质介导的基因组调控的研究团队而言,染色质免疫沉淀(chIP)是一种必需的方法,因为在体内直接探究组蛋白修饰与特定基因组位点之间物理联系的方法中,尚无其他可与之相比的技术。in vivo。尽管已有采用下一代测序技术来全基因组范围内绘制组蛋白修饰图谱的chIP方法变体6,7,但这些方法可能适用于不同的科学问题,且其规模、成本和技术资源需求可能限制部分研究团队的应用。此外,靶向chIP-qPCR对于补充上述方法至关重要,它既可用于测序前优化chIP实验流程,也可用于验证表观基因组数据集的结果。基于质谱的技术也已发展用于鉴定与基因组区域相关的完整组蛋白修饰谱8,9,10,11,然而这些技术在可检测的基因组区域范围方面存在一定局限性,且需要特定的技术专长和仪器设备,并非所有研究团队均具备。因此,在不同实验条件下分析组蛋白修饰的丰度与分布,chIP仍是所有关注表观遗传学、染色质及基因组功能调控的研究团队所依赖的基础性方法。
本文介绍了一种利用芽殖酵母模型Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae)进行染色质免疫沉淀(chIP)的方法,用于研究组蛋白翻译后修饰(PTMs)在染色质上的分布。该方法基于在酵母中建立并已广泛应用于多种模式系统的chIP核心技术12,13。通过甲醛交联固定细胞内修饰组蛋白与DNA之间的相互作用。在制备裂解液后,利用微球菌核酸酶(micrococcal nuclease)将染色质片段化为大小均一的片段。使用商业化或实验室自制的抗体对修饰组蛋白进行免疫沉淀,随后分离与其结合的DNA,并通过qPCR检测特定基因组区域的富集情况(图1)。对于多数组蛋白修饰,本方案所获得的DNA量足以通过qPCR检测超过25个不同的基因组位点。
该ChIP方法具有高度的通用性,可用于监测单一组蛋白修饰在多个突变菌株或不同环境条件下的分布情况,也可用于检测野生型细胞中多个基因组位点上的多种组蛋白修饰。此外,该实验方案的多个组分均可灵活调整,以优化对高丰度或低丰度组蛋白标记的检测效果。最后,在酿酒酵母中进行修饰组蛋白的ChIP实验,可利用一些关键的对照来验证抗体的特异性,而这些对照在其他系统中大多无法实现。具体而言,可构建在特定修饰位点发生氨基酸残基定点突变的酵母菌株;在某些情况下,某一特定组蛋白残基的修饰仅由单一酶催化完成。例如组蛋白赖氨酸甲基转移酶)。因此,可在组蛋白突变株或酶缺失菌株中进行染色质免疫沉淀(ChIP)实验,以检测抗体非特异性结合的程度,并评估其是否导致假阳性结果。该对照对于新开发的抗体尤为重要,甚至可用于在其他系统中应用前,验证抗体对保守组蛋白修饰的特异性。该方法可与其他检测抗体特异性的方法相互补充,后者包括使用不同修饰状态(如单甲基化、二甲基化和三甲基化)的修饰肽芯片进行检测,以及对具有明确修饰的组蛋白或核小体进行蛋白质印迹(Western blot)分析。总体而言,在酿酒酵母中进行ChIP是一种强大的方法,可用于评估组蛋白PTM在全基因组范围内的动态变化,并解析调控这些修饰的分子机制。
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1. 将抗体预结合至磁珠
2. 培养酵母细胞
3. 体内 蛋白质与DNA的交联
4. 制备酵母裂解液
5. 免疫沉淀(IP)修饰组蛋白
6. 洗涤免疫沉淀物并洗脱组蛋白-DNA复合物
7. 反向蛋白质-DNA 交联
8. 纯化并浓缩 DNA
9. 定量 PCR(qPCR)检测富集的基因组区域
10. 确定MNase消化条件(建议在首次完整的chIP实验前进行)
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该实验方案的一个关键步骤是优化微球菌核酸酶(MNase)的浓度,以将染色质消化成可溶性片段,如步骤10所述。这对于获得组蛋白修饰在基因组特定区域分布的高分辨率数据至关重要。应进行MNase梯度实验,以确定最适浓度,使可溶性染色质组分中主要为单核小体,并含有少量二核小体。可通过提取经MNase消化后的染色质沉淀中的DNA,并进行琼脂糖凝胶电泳来观察结果(图2)。在本实验所用MNase的制备条件下,2.5 µL酶液(20单位/µL)可主要产生单核小体,因此该用量被用于后续的染色质免疫沉淀(chIP)实验。
本研究展示了该染色质免疫沉淀(chIP)实验的两组代表性结果(图3)。在第一个示例中,检测了野生型细胞与缺失催化该甲基化修饰的甲基转移酶的细胞中组蛋白甲基化标记的情况。具体而言,在野生型和set1Δ细胞中,分别使用针对...
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本文所述方法可通过免疫沉淀高效回收酵母细胞中与修饰组蛋白结合的DNA。随后使用可扩增目标区域的引物进行qPCR,以确定特定组蛋白修饰在局部区域的富集或耗竭情况。尽管染色质免疫沉淀(chIP)技术已有近20年的发展历史,它仍然是研究不同基因组区域及多种条件下组蛋白修饰状态的决定性实验方法。虽然将chIP与下一代测序技术联用可实现全基因组范围内的组蛋白修饰分析6,7,但这些方法的成本和所需的数据分析工作量可能限制其在某些实验室环境中的应用。此外,这些表观基因组学实验之后通常还需进行与qPCR联用的chIP实验,以验证某些基因组位点处组蛋白修饰状态的观察结果。目前尚无多少其他方法能够像chIP一样,有效地将组蛋白标记(或其他蛋白质)在物理上与基因组中的特定位置关联起来,并分析该相互作用在不同环境或生物学条件下的动态变化。尽管近期已有成功从定义明确的基因组区域分离染色质,并利用质谱技术鉴定局部组蛋白修饰的报道8,9
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢 Green 实验室成员提供的有益讨论。本工作部分由 NIH 资助项目 R03AG052018 和 R01GM124342 支持,资助对象为 E.M.G。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 酵母提取物 | Research Products International (RPI) | Y20025-1000.0 | |
| 蛋白胨 | Research Products International (RPI) | P20250-1000.0 | |
| 葡萄糖 | ThermoScientific | BP350-1 | |
| 甲醛 | Sigma-Aldrich | F8775 | |
| 甘氨酸 | Fisher Scientific | AC12007-0050 | |
| Tris | Amresco | 0497-5KG | |
| EDTA | Sigma-Aldrich | E6758-500G | |
| NaCl | ThermoScientific | BP358-10 | |
| 4-壬基苯基-聚乙二醇 | Sigma-Aldrich | 74385 | 等同于 NP-40 |
| MgCl | ThermoScientific | S25533 | |
| CaCl2 | Sigma-Aldrich | 20899-25G-F | |
| LiCl | ThermoScientific | AC413271000 | |
| 十二烷基硫酸钠 | Amresco | M107-1KG | |
| 脱氧胆酸钠 | Sigma-Aldrich | 30970-100G | |
| 乙酸钠 | Sigma-Aldrich | S2889 | |
| NaHCO3 | ThermoScientific | S25533 | |
| PMSF | Sigma-Aldrich | P7626-5G | |
| 酵母蛋白酶抑制剂混合物 | VWR | 10190-076 | |
| 25 酚:24 氯仿:1 异戊醇 | VWR Life Science | 97064-824 | |
| 乙醇 | Sigma-Aldrich | E7023 | |
| 无核酸酶水 | VWR | 100720-992 | |
| 微球菌核酸酶 | Worthington Biochemical | LS004797 | |
| 糖原 | ThermoScientific | R0561 | |
| 蛋白酶K | Research Products International (RPI) | P50220-0.1 | |
| RNase A | Sigma-Aldrich | R6513-50MG | |
| Bradford 法检测试剂 | ThermoScientific | 23238 | |
| BSA 标准品 2 mg/mL | ThermoScientific | 23210 | |
| α H4 | EMD Millipore | 04-858 | |
| α H4K16ac | EMD Millipore | ABE532 | |
| α H3 | Abcam | ab1791 | |
| α H3K4me2 | Active Motif | 39142 | |
| 高 Rox qPCR 混合液 | Accuris qMax Green, 低 Rox qPCR 混合液 | ACC-PR2000-L-1000 | |
| Protein A/G 磁珠 | ThermoScientific | 88803 | |
| 适用于 1.5 mL 管的磁力架 | Fisher Scientific | PI-21359 | |
| 酸洗玻璃珠 | Sigma-Aldrich | G8772 | |
| 微型管匀浆器 | Benchmark | D1030 | |
| 带密封圈的 2.0 mL 螺口管 | Sigma-Aldrich | Z763837-1000EA | |
| 加样枪头(凝胶上样用) | Fisher Scientific | 07-200-288 | |
| 比色皿 | Fisher Scientific | 50-476-476 | |
| Parafilm 封口膜 | Fisher Scientific | 13-374-10 | |
| 50 mL 锥形管 | Fisher Scientific | 14-432-22 | |
| 384 孔 PCR 板 | Fisher Scientific | AB-1384W | |
| 旋转式摇床 | New Brunswick Scientific | 型号 G10 | |
| 分光光度计 | ThermoScientific | ND-2000c | |
| 实时荧光定量 PCR 检测系统 | Bio-Rad | 1855485 |
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