染色质免疫沉淀(ChIP)是研究基因调控分子机制的有力工具。然而,该方法在通过机械剪切获得可重复的染色质片段化方面存在困难。在此,我们提供一种利用酶解消化的ChIP检测的改进方案。
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染色质免疫沉淀(ChIP)是研究基因调控分子机制的有力工具。然而,该方法在通过机械剪切获得可重复的染色质片段化方面存在困难。在此,我们提供一种利用酶解消化的ChIP检测的改进方案。
为了在生物体中表达细胞表型,活细胞会相应地执行基因表达,而转录程序在基因表达中起着核心作用。细胞的转录机制及其染色质修饰蛋白协同调控转录过程。为了在分子水平上分析转录调控,已有多种实验方法可供使用,例如电泳迁移率变动实验、瞬时报告基因实验以及染色质免疫沉淀(ChIP)实验。本文详细描述了一种经过改进的ChIP实验方法,因其在直接展示组蛋白修饰以及细胞内蛋白质与DNA相互作用方面具有优势。成功进行ChIP实验的关键步骤之一是染色质剪切。尽管超声处理常用于染色质剪切,但难以确定可重复的实验条件。我们采用微球菌核酸酶(MNase)进行酶解消化,而非超声剪切,以获得更可重复的结果。本文提供了一种使用MNase的简便ChIP实验方案。
哺乳动物细胞中的基因表达受到严密且动态的调控,其中转录是关键步骤之一。基因转录主要由转录因子和组蛋白进行调控。转录因子是一类能够结合特定DNA序列并控制基因转录的蛋白质,它们通过促进或抑制RNA聚合酶II(PolII)的招募,从而启动以基因组DNA为模板的mRNA合成1。组蛋白尾部残基的乙酰化和甲基化等组蛋白修饰,可通过改变染色质结构对基因转录产生正向或负向影响2。由于基因表达的改变会影响细胞状态,因此研究转录调控的分子机制至关重要。
迄今为止,已有多种方法可用于研究基因转录的调控机制。电泳迁移率变动分析(EMSA),也称为凝胶迁移分析,用于分析蛋白质与DNA之间的相互作用3。将目标细胞的核提取物与放射性同位素(例如32P)标记的DNA探针孵育后,在聚丙烯酰胺凝胶中进行电泳。其自显影图像显示,DNA-蛋白质复合物在凝胶中的迁移速度比游离探针更慢。当存在针对该蛋白质的抗体时,DNA-蛋白质-抗体三元复合物在凝胶中的迁移速度比DNA-蛋白质复合物更慢。这种发生“上移”的条带可揭示DNA与蛋白质之间的特异性结合。然而,EMSA仅能检测无细胞体系中的特定DNA-蛋白质相互作用,因此尚不清楚该相互作用是否在活细胞中调控转录过程。为研究细胞内基因表达的调控,发展了瞬时报告基因检测法,通常称为荧光素酶报告基因检测。通常将目的基因上游的基因组区域插入报告基因质粒中,瞬时转染细胞后检测报告基因的活性。通过构建多种缺失突变体,可鉴定出参与基因调控的关键区域。尽管报告基因检测是识别调控转录的转录因子及其结合DNA序列的有效工具,但该方法存在一个主要缺陷:报告基因质粒不含染色质结构,无法真实反映体内的转录机制。此外,该系统也无法检测组蛋白修饰的变化。
染色质免疫沉淀(ChIP)方法的建立基于Jackson和Chalkley的报道,即使用甲醛进行“全细胞”固定可保持染色质结构4,5。此后,许多相关技术相继被开发并不断改进6。在ChIP实验中,细胞经甲醛固定以交联DNA与蛋白质,随后对染色质进行片段化,并利用特异性抗体进行免疫沉淀。免疫复合物经洗涤后,纯化其中的DNA。通过针对基因组特定区域设计的引物进行PCR扩增,可揭示目标蛋白在基因组中的结合情况。
尽管染色质免疫沉淀(ChIP)是一种用于鉴定蛋白质(如转录因子和修饰组蛋白)与DNA相互作用的强大工具,但在实际操作中该方法存在一些困难,例如染色质片段化步骤。超声处理(Sonication)已被广泛用于染色质剪切;然而,要确定可重复的实验条件较为繁琐。微球菌核酸酶(Micrococcal nuclease, MNase)处理是染色质剪切的另一种替代方法。MNase是一种内切-外切核酸酶,能够消化双链、单链、环状和线性DNA及RNA。相对而言,确定最佳染色质片段化的实验条件较为简便,包括染色质和酶的用量、温度以及孵育时间等参数。我们对现有方案进行了改进和简化,建立了一种直接且可重复的方法。本文提供了在哺乳动物细胞中使用MNase进行ChIP检测的实验方案。
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1. 试剂的准备
2. 确定MNase消化条件
注意:在方案的第2步中,以VCaP人前列腺癌细胞为例进行说明。可使用任何哺乳动物细胞系;详见各步骤中的注释。
3. 染色质免疫沉淀
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染色质消化是ChIP实验中的关键步骤之一。我们使用MNase消化染色质,以获得核小体寡聚体的混合物。在MNase消化过程中,MNase能够穿过核膜并消化染色质,但消化后的染色质无法穿过核膜,仍保留在细胞核内。为了将消化后的染色质从细胞核中释放出来,需要进行短暂的超声处理。图1A展示了VCaP细胞悬液在超声处理前后的显微照片。未进行超声处理时,细胞结构保持完整,表明染色质仍位于细胞核内。短暂的超声处理可破坏细胞结构,通过显微照片观察细胞状态有助于确定合适的短暂超声条件。我们还展示了在293T细胞(图1B)、人B细胞急性淋巴细胞白血病细胞系REH细胞(图1C)以及人前列腺癌细胞系LNCaP(图1D)中进行短暂超声的其他示例。
图2A显示了在VCaP细胞中使用不同量的MNase处理后染色质的片...
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尽管超声处理常用于获得片段化的染色质,但确定可重复的实验条件往往耗时且繁琐。在本实验方案中,我们采用MNase消化法,因为酶消化更易于实现条件的可重复性。MNase消化后需进行短暂的超声处理(见步骤2.2),以破坏细胞膜并释放已消化的染色质。因此,本方案中的超声功率应尽可能低。我们对所使用的所有细胞均采用相同的超声条件(见图1和Table 1),以实现细胞膜的完全破裂。
使用MNase消化染色质是本实验方案中的关键步骤,因此我们投入了大量精力优化细胞内染色质消化的条件。消化活性取决于酶量、底物(染色质)量以及孵育时间。此外,由于不同细胞的倍性存在差异,必须针对每种细胞类型确定MNase消化的最佳条件。一旦确定,无论细胞接受何种处理,均可采用相同的消化条件。在每次实验中,我们都会检测染色质的消化模式,以确保其适用于ChIP实验,如图2A第5泳道所示。
某些因素会影响染色质免疫沉...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本研究由基因泰克公司向希望之城支付的专利使用费支持。本工作未获得美国国立卫生研究院全部或部分支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.5 M EDTA (pH 8.0) | Thermo Scientific | AM9010 | |
| 2 M KCl | Thermo Scientific | AM9010 | |
| 2x iQ SYBR Green supermix | Bio-Rad | 1706862 | |
| 5 M NaCl | Thermo Scientific | AM9010 | |
| 50 bp DNA ladder | New England Biolabs | N3236S | |
| 琼脂糖 | Research Product International | A20090 | |
| 支链辛基苯氧基聚乙氧基乙醇 | Millipore Sigma | I8896 | IGEPAL CA-630 |
| ChIP级蛋白G磁珠 | Cell signaling technology | 9006S | |
| 染色质免疫沉淀(ChIP)稀释缓冲液 | Millipore Sigma | 20-153 | 缓冲液成分:0.01% SDS,1.1% Triton X-100,1.2 mM EDTA,16.7 mM Tris-HCl,pH 8.1,167 mM NaCl。 |
| 紫色凝胶上样染料(6x) | New England Biolabs | B7024S | |
| 甘氨酸 | Bio-Rad | 161-0724 | 电泳级 |
| 糖原 | Millipore Sigma | G1767 | 19–22 mg/mL |
| Halt蛋白酶和磷酸酶抑制剂混合液(无EDTA,100x) | Thermo Scientific | 78445 | |
| 高盐免疫复合物洗涤缓冲液 | Millipore Sigma | 20-155 | 缓冲液成分:0.1% SDS,1% Triton X-100,2 mM EDTA,20 mM Tris-HCl,pH 8.1,500 mM NaCl。 |
| H3K4me3组蛋白抗体(pAb) | Active Motif | 39915 | |
| LiCl免疫复合物洗涤缓冲液 | Millipore Sigma | 20-156 | 缓冲液成分:0.25 M LiCl,1% IGEPAL CA630,1%脱氧胆酸钠,1 mM EDTA,10 mM Tris,pH 8.1。 |
| 低盐免疫复合物洗涤缓冲液 | Millipore Sigma | 20-154 | 缓冲液成分:0.1% SDS,1% Triton X-100,2 mM EDTA,20 mM Tris-HCl,pH 8.1,150 mM NaCl。 |
| Magna GrIP磁力架(8孔) | Millipore Sigma | 20-400 | 任何可兼容1.5 mL离心管的磁力分离架均可使用。 |
| 微球菌核酸酶 | New England Biolabs | M0247S | 附带10x缓冲液(500 mM Tris-HCl,50 mM CaCl2,25 °C时pH 7.9)和100x BSA(10 mg/mL) |
| NaHCO3 | JT Baker | 3506-01 | |
| 正常兔IgG | Millipore Sigma | 12-370 | |
| PIPES | Millipore Sigma | P6757 | |
| 蛋白酶K | Millipore Sigma | 3115887001 | |
| 实时PCR系统 | Bio-Rad | CFX96, C1000 | |
| RNA聚合酶II CTD磷酸化Ser5抗体 | Active Motif | 39749 | |
| SDS | Boehringer Mannheim | 100155 | 电泳级 |
| 乙酸钠 | Millipore Sigma | S5636 | |
| 配备微探头的超声破碎仪 | QSONICA | Q700 | 任何可兼容1.5 mL离心管的超声破碎仪均可使用。 |
| UltraPure苯酚:氯仿:异戊醇(25:24:1, v/v) | Thermo Scientific | 15593031 | pH 8.05 |
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