在此,我们介绍一种改进的酵母单杂交筛选方案,用于鉴定可结合人源特定DNA区域的转录因子(TFs)。该方法采用高通量筛选流程,可系统检测转录因子与目标DNA序列的结合能力。 >单次实验中检测 1,000 个转录因子。
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在此,我们介绍一种改进的酵母单杂交筛选方案,用于鉴定可结合人源特定DNA区域的转录因子(TFs)。该方法采用高通量筛选流程,可系统检测转录因子与目标DNA序列的结合能力。 >单次实验中检测 1,000 个转录因子。
确定调控每个人类基因的转录因子(TFs)组合是一项艰巨的任务,需要整合多种实验和计算方法。其中一种方法是酵母单杂交(Y1H)检测,该方法利用报告基因在酵母细胞核环境中检测转录因子与DNA区域之间的相互作用。Y1H检测包含两个组分:一种“DNA诱饵”(例如.,启动子、增强子、沉默子等)和一种“转录因子猎物”(TF-prey),可用于筛选报告基因的激活。目前大多数已发表的Y1H筛选实验方案均基于将转录因子猎物文库或阵列转化至DNA诱饵酵母菌株中。本文描述了一种称为增强型Y1H(eY1H)检测的流程,该方法通过使用高密度阵列(HDA)机器人平台,将DNA诱饵菌株与阵列化的转录因子猎物菌株进行交配,从而检测转录因子与DNA之间的相互作用,实现1,536菌落格式的高通量筛选。该方法显著提高了通量(可同时检测60个DNA诱饵序列与 >每位研究人员筛选1,000个转录因子需耗时两周)以及可重复性。我们通过将人类启动子序列与包含1,086个人类转录因子的阵列进行测试,展示预期结果的不同类型,同时列举筛选过程中可能出现的问题及相应的解决方案。
生物医学领域的一个核心问题是确定调控每个人类基因的机制。转录是控制基因表达水平的第一步,由每种基因特异的一组转录因子(TFs)进行调控。鉴于人类基因组编码了>1,500 种转录因子1,2,要鉴定出调控每个基因表达的完整转录因子集合,仍然是一个尚未解决的挑战。
研究转录因子与DNA相互作用的方法可分为两类:以转录因子为中心的方法和以DNA为中心的方法3(图1A)。在以转录因子为中心的方法中,针对特定的转录因子检测其与基因组DNA区域的结合能力,或确定其DNA结合特异性。这类方法包括染色质免疫沉淀联合高通量测序(ChIP-seq)、蛋白质结合微阵列以及SELEX技术4,5,6。在以DNA为中心的方法中,通过检测特定DNA序列来确定能够与其结合的一组转录因子。其中应用最广泛的是酵母单杂交(Y1H)实验,该方法利用报告基因在酵母细胞核环境中检测转录因子与DNA区域之间的相互作用7,8,9。
Y1H 实验包含两个组分:一种“DNA 钓饵”(例如启动子、增强子、沉默子等)和一种“转录因子(TF)猎物”,可用于筛选报告基因的激活情况9,10(图 1B)。DNA 钓饵被克隆至两个报告基因(LacZ 和 HIS3)的上游,且两种 DNA 钓饵::报告基因构建体均整合到酵母基因组中,以生成染色质化的“DNA 钓饵菌株”。编码 TF 猎物的序列位于一个质粒上,该质粒表达一个与酵母 Gal4 转录因子的激活结构域(AD)融合的 TF,将其转入 DNA 钓饵菌株中,以捕获 TF-DNA 相互作用。如果 TF 猎物结合到 DNA 钓饵序列上,则 TF 猎物中存在的 AD 将导致两个报告基因的激活。因此,具有阳性相互作用的细胞可在缺乏组氨酸的培养基上生长,并能耐受竞争性抑制剂 3-氨基-1,2,4-三唑(3-AT),同时在 X-gal 存在下呈现蓝色菌落。由于使用了强效的酵母 Gal4 AD,Y1H 实验能够检测涉及转录激活因子和转录抑制因子的相互作用。此外,由于 TF 猎物由强酵母启动子(ADH1)驱动表达,即使对于内源表达水平较低、通过 ChIP 难以检测的 TF,其相互作用仍可被检测到11,12。
大多数已发表的Y1H实验方案均基于将转录因子(TF)猎物通过转化混合的TF猎物文库引入酵母DNA诱饵菌株,随后进行筛选、菌落挑选和测序以鉴定相互作用的TF,或者通过分别转化单个克隆8,9。这些方法耗时较长,限制了每位研究人员可检测的DNA序列数量。一种近期改进的Y1H实验方法,称为增强型Y1H(eY1H),通过使用高密度阵列(HDA)机器人平台,将酵母DNA诱饵菌株与一系列各自表达不同TF猎物的酵母菌株进行交配,显著提高了筛选通量10,13(图1C)。该筛选采用1,536菌落格式,仅需三块平板即可对大多数人类转录因子进行四次重复检测。此外,由于TF-DNA相互作用以成对方式检测,该方法可实现不同DNA诱饵(例如两个非编码区单核苷酸变异)之间以及不同转录因子或转录因子变体之间的相互作用比较11,12,14。
利用eY1H实验,我们迄今已描绘出最大规模的人类和Caenorhabditis elegans以DNA为中心的转录因子- DNA相互作用网络。具体而言,我们鉴定了246个人类发育增强子与283个转录因子之间的2,230个相互作用12。此外,我们应用eY1H实验揭示了转录因子对109个与遗传疾病(如发育畸形、癌症和神经系统疾病)相关的单核苷酸非编码变异的结合改变。最近,我们利用eY1H描绘了一个包含2,576个C. elegans基因启动子与366个转录因子之间21,714个相互作用的网络11。该网络对于揭示数十个C. elegans转录因子的功能作用至关重要。
生成DNA诱饵菌株并评估背景报告基因活性水平的实验方案已在其他文献中报道15,16,17。本文中,我们描述了一种eY1H流程,可用于将任意人类基因组DNA区域与包含1,086种人类转录因子(TF)的阵列进行筛选。一旦构建出酵母DNA诱饵菌株并将转录因子-猎物阵列点样至相应平板后,整个实验可在两周内完成(表1)。更重要的是,该流程可实现并行操作,单个研究人员可同时筛选多达60个DNA诱饵序列。为演示该实验流程,我们对两种细胞因子基因CCL15和IL17F的启动子区域进行了筛选。此外,我们还展示了若干失败实验的结果,以说明在进行eY1H检测时可能出现的问题类型及其相应的解决方法。
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1. 准备工作
2. 点样转录因子阵列
3. eY1H 筛选
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分析 eY1H 实验结果时应考虑三个主要因素:DNA 钓饵菌株的报告基因本底活性、对应转录因子- DNA 相互作用的报告基因活性强度,以及阳性克隆的数量。DNA 钓饵菌株的报告基因本底活性(即自激活活性)是指读出平板中酵母菌落的整体生长情况和颜色,即使在不存在转录因子猎物(TF-prey)的情况下也会出现。理想情况下,非自激活菌株表现为本底呈白色或浅棕色,而阳性相互作用的菌落则更大且呈蓝色。自激活的 DNA 钓饵菌株则在缺乏组氨酸的培养基中表现出酵母生长,并在 X-gal 存在下所有菌落均呈现蓝色,这可能与酵母转录激活因子结合到 DNA 钓饵上有关8。所检测到的 TF-DNA 相互作用对应的报告基因活性强度(即菌落大小和蓝色深浅)取决于多个参数,包括结合亲和力、转录因子在酵母中的表达水平、结合位点数量及其与报告基因上游酵母最小启动子之间的距离,以及 DNA 钓饵菌株的报告基因本底活性。例如,弱相互作用在本底较低的钓饵中可能容易被检测到,但在自激活或本底不均一的钓饵中可能难以识别。还需注意的是,酵母中的报告基因活性水平并不一定与人类细胞中的调控活性相关,因为酵母与人类在染色质结构、核小体定位...
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与基于转化的传统文库筛选或阵列筛选方法相比,本文所述的机器人化eY1H交配筛选方法显著提高了识别结合特定DNA区域的转录因子(TF)集合的通量。此外,eY1H检测到的转录因子-DNA相互作用具有高度可重复性:90%的相互作用在每个转录因子测试的四个菌落中均为阳性,且90%的相互作用在相同酵母DNA诱饵菌株的独立筛选中可被重复验证10,12,19。更重要的是,eY1H检测到的转录因子-DNA相互作用在人类报告基因检测12,20、原代人类细胞(未发表结果)以及C. elegans基因敲除动物11中验证的成功率为40%–70%。该验证率与ChIP-seq数据的验证率相似21。
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作者声明不存在任何竞争性财务利益。
本工作由美国国立卫生研究院资助 [R35-GM128625 致 J.I.F.B.]。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 3-氨基-1,2,4-三唑(3AT)~95% TLC | Sigma | A8056-100G | HIS3基因产物的竞争性抑制剂 |
| 硫酸腺嘌呤(半硫酸盐),二水合物 | US Biologicals | A0865 | 酵母正常生长所必需 |
| 高凝胶强度琼脂 - 细菌级 | American International Chemical | AGHGUP | 酵母生长的营养培养基 |
| 硫酸铵 | US Biologicals | A1450 | 合成酵母培养基中的氮源 |
| D+葡萄糖无水物 | US Biologicals | G3050 | 酵母生长所必需 |
| 缺组氨酸、亮氨酸、色氨酸和尿嘧啶的酵母氮源缺陷型培养基混合物,富含腺嘌呤,不含酵母氮源基础成分 | US Biologicals | D9540-02 | 酵母生长所需的合成完全培养基 |
| edge 多参数pH计 | Hanna Instruments | HI2020-01 | 用于测定选择性培养基的pH值 |
| 平头牙签,750支装 | Diamond | 用于在培养皿上划线接种酵母 | |
| 玻璃珠 | Walter Stern | 100C | 制作酵母菌苔时用于分散酵母 |
| 甘油 ≥99% | Millipore Sigma | G9012-1L | 制备冷冻酵母保存菌种所需 |
| L-组氨酸 | US Biologicals | H5100 | 用于选择性培养基中酵母生长的筛选 |
| L-亮氨酸 | US Biologicals | L2020-05 | 用于选择性培养基中酵母生长的筛选 |
| L-色氨酸 | Sigma | T-0254 | 用于选择性培养基中酵母生长的筛选 |
| N,N-二甲基甲酰胺 | Sigma | 319937-1L | 用于配制X-gal溶液 |
| Omnipense Elite | Wheaton | W375030-A | 用于向Singer平板中精确分配培养基体积 |
| 蛋白胨,细菌级 | American International Chemical | PEBAUP | 酵母生长所需的蛋白质来源 |
| 培养皿,150 mm × 15 mm | VWR | 10753-950 | 用于培养用于筛选的酵母诱饵 |
| PlusPlates | Singer Instruments | PLU-003 | 用于制作矩形琼脂平板,配合Singer机器人使用 |
| 精密低温BOD冷藏培养箱 | ThermoFisher Scientific | PR205745R | 用于在恒定温度下培养酵母平板 |
| RePads 1,536短型 | Singer Instruments | REP-005 | 用于转移转录因子-猎物阵列、酵母杂交,以及将酵母转移到二倍体筛选和检测平板 |
| RePads 384短型 | Singer Instruments | REP-004 | 用于将转录因子-猎物阵列从384菌落格式转移至1,536菌落格式 |
| RePads 96长型 | Singer Instruments | REP-001 | 用于将转录因子-猎物阵列从甘油保存菌种转移至琼脂平板 |
| RePads 96短型 | Singer Instruments | REP-002 | 用于将转录因子-猎物阵列从96菌落格式转移至384菌落格式 |
| Singer HDA RoToR机器人 | Singer Instruments | 用于高通量转移酵母 | |
| 氢氧化钠(颗粒,ACS认证) | Fisher | S318-1 | 用于调节选择性培养基的pH值 |
| 磷酸氢二钠七水合物 | Santa Cruz Biotechnology | sc-203402C | X-gal检测中β-半乳糖苷酶报告基因活性所必需 |
| 磷酸二氢钠一水合物 | Santa Cruz Biotechnology | sc-202342B | X-gal检测中β-半乳糖苷酶报告基因活性所必需 |
| 尿嘧啶 | Sigma | U0750-100G | 用于选择性培养基中酵母生长的筛选 |
| X-gal(5-溴-4-氯-3-吲哚基-β-D-半乳糖吡喃苷) | Gold Biotechnology | X4281C100 | β-半乳糖苷酶将无色X-gal转化为蓝色,以检测蛋白质-DNA相互作用 |
| 酵母提取物 | US Biologicals | Y2010 | 酵母生长与扩增的营养培养基 |
| 酵母氮源基础(粉末),不含氨基酸、碳水化合物和硫酸铵 | US Biologicals | Y2030 | 酵母旺盛生长所必需 |
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