增强子RNA(eRNA)是由活性增强子转录产生的非编码RNA。研究eRNA功能的最佳方法是在其天然染色质区域中调控其表达水平。本文介绍了一种利用CRISPR-dCas9融合转录激活因子诱导特定eRNA表达的可靠研究系统。
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增强子RNA(eRNA)是由活性增强子转录产生的非编码RNA。研究eRNA功能的最佳方法是在其天然染色质区域中调控其表达水平。本文介绍了一种利用CRISPR-dCas9融合转录激活因子诱导特定eRNA表达的可靠研究系统。
增强子是散布于哺乳动物基因组中的关键基因组元件,可调控组织特异性基因表达程序。越来越多的证据表明,增强子不仅为转录因子(TFs)提供DNA结合基序,还能产生一类被称为增强子RNA(eRNA)的非编码RNA。研究表明,eRNA转录本在生理和疾病状态下均可发挥重要的基因调控作用。目前研究eRNA功能的常用方法主要局限于通过敲低eRNA或化学抑制增强子转录来实现“功能缺失”研究。然而,尚缺乏一种可靠的方法来开展“功能获得”研究,以模拟某些eRNA常呈过表达状态的特定疾病情况,例如人类癌症。本文介绍一种利用dCas9介导的协同激活介质(SAM)系统精确且高效激活eRNA的方法,以实现对其功能的深入探究。我们展示了eRNA激活的完整工作流程,包括eRNA的筛选、gRNA的设计,以及通过RT-qPCR验证eRNA的激活效果。该方法为研究特定eRNA在基因调控和疾病发展中的作用提供了独特手段。此外,该系统还可用于无偏倚的CRISPR筛选,以鉴定在特定疾病背景下驱动表型的eRNA靶点。
人类基因组包含一系列调控元件1,2,3。其中,增强子被认为是最重要的类别之一4,5,6。增强子在调控发育过程中发挥关键作用,并负责生成时空特异性的基因表达程序,从而决定细胞身份5,6,7。传统上,增强子仅被视为提供转录因子(TFs)结合位点的DNA元件,进而调控靶基因的表达6,8。然而,一系列研究发现,许多活跃的增强子还会转录产生非编码的增强子RNA(即eRNAs)4,9,10。
eRNA转录水平被发现与增强子的活性相关4,10。活跃的增强子产生更多的eRNA转录本,并表现出更高水平的与活跃转录相关的表观基因组标志物,例如H3K27ac和H3K4me19,11,12。一些研究表明,eRNA转录本可在靶基因的转录激活中发挥重要作用10,12。大量eRNA被发现在中国台湾人类癌症中出现失调13,14,15,16,其中许多表现出高度的癌症类型特异性和临床相关性。这些发现带来了新的机遇:阐明能够驱动或促进肿瘤发生的eRNA可能为治疗干预提供新的靶点13,15。
目前研究eRNA功能的方法几乎完全依赖于敲低策略,这些方法使用小干扰RNA(siRNA)、短发夹RNA(shRNA)或反义寡核苷酸(ASO,其中锁核酸(LNA)是研究中常用的主要类型)10,12,17。然而,人类疾病(如癌症)通常表现出eRNA相较于邻近正常组织的显著过表达15,因此需要能够“过表达”eRNA的工具,以模拟其在疾病相关状态下的表达模式,从而开展功能研究。为实现这一目标,基于质粒的异位过表达系统并非理想选择,因为eRNA的精确转录起始位点和终止位点在很大程度上仍不明确。此外,质粒表达系统可能改变eRNA的定位,从而导致其功能出现潜在的人工假象18。本文提供了一套详细的操作方案,通过在eRNA生成的天然基因组位点(即原位)强制“过表达”eRNA,以促进其功能表征,该方法基于CRISPR/dCas9-协同激活介质系统(SAM)。
SAM 系统最初是为激活与黑色素瘤细胞中 BRAF 抑制剂耐药性相关的编码基因和长链基因间非编码 RNA(lincRNA)而开发的19。与其他 CRISPR 激活(CRISPRa)技术不同,SAM 系统由多种转录激活因子组合而成,可实现对靶区域强有力的转录激活。这些激活因子包括:与 VP64 融合的无酶活性 Cas9(dCas9,即 dCas9-VP64);含有两个 MS2 RNA 适配体的向导 RNA(gRNA);以及 MS2-p65-HSF1 融合激活蛋白。gRNA 中的 MS2 适配体可招募 MS2-p65-HSF1 融合蛋白至 dCas9/gRNA 结合位点附近。其中,VP64 是单纯疱疹病毒 VP16 转录激活结构域的工程化四聚体,已被证明可通过招募通用转录因子强烈激活基因转录20,21,22。MS2-p65-HSF1 融合蛋白由三部分组成:第一部分 MS2-N55K 是 MS2 结合蛋白的一种突变体形式,具有更强的亲和力23;该融合蛋白的另外两个部分是 p65 和热休克因子 1(HSF1)的转录激活结构域,二者均为具有强转录激活能力的转录因子,能够诱导强烈的转录程序24,25。因此,SAM 系统本质上构建了一个高效能的激活复合物,用于激活特定编码基因和 lincRNA 的转录19。
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本方案的完整工作流程如图1所示。
1. 增强子RNA(eRNA)的选择
2. gRNA 设计
3. 将gRNA克隆至慢病毒载体
4. gRNA 效率检测
注意:尽管并非每条 gRNA 都必须进行检测,但建议研究人员通过 Surveyor 检测(即错配切割检测)来评估 gRNA 质量,以检测插入缺失(indels)或突变,这些变异仅能由高质量的 gRNA 有效产生33,34。其他方法如通过分解追踪插入缺失(Tracking of Indels by Decomposition, TIDE)也可用于测定 gRNA 的效率30,35。Surveyor 核酸酶是一类特异性识别错配的内切酶家族成员,能够切割含有错配的双链 DNA(图 3A)。gRNA 的质量可通过其产生较小 DNA 片段的效率来反映。实际上,Surveyor 的切割效率也可能受到 gRNA 与 Cas9 转染效率的影响。
5. 慢病毒的制备
6. 细胞培养
7. 细胞感染与筛选
8. 提取RNA并进行定量RT-PCR以检测eRNA水平
9. dCas9 ChIP 与 qPCR
注意:此步骤为可选实验,用于通过特异性gRNA验证dCas9/SAM-gRNA复合物与靶增强子的结合。建议用户进行此步骤,但无需对每一个gRNA都进行测试。参见图5B所示示例。引物列表见补充表1。
10. eRNA过激活的细胞生长实验及其他功能检测
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图1 展示了本方案的整体工作流程。我们的研究重点是一种具有代表性的eRNA, NET1e15,其在乳腺癌中过表达,利用SAM系统对其进行激活并研究其在调控基因表达、细胞增殖及癌症药物反应中的生物学功能。为此 NET1 增强子,多个p300 ChIP-Seq峰,两侧为转录的eRNA转录本(图2A,B) 被标记。根据强烈的GRO-Seq信号,选择其中一个p300 ChIP-Seq峰作为增强子核心(即双向eRNA转录起始的位置, 图2B). NET1 增强子区域也显示出密集的H3K4me1和H3K27ac ChIP-Seq峰。在该增强子核心p300峰内设计了多个gRNA,其中两个gRNA在插图中以箭头标示图2B
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根据我们的数据,我们得出结论:SAM 系统适用于研究 eRNA 在调控细胞表型(例如细胞生长或药物耐受性)中的作用。然而,由于以下原因,在使用 SAM 系统时需要谨慎设计 gRNA,以实现稳定的 eRNA 激活。首先,特定细胞系或细胞类型中 eRNA 的转录起始位点(TSS)尚未被清晰注释。因此,需要利用表观基因组信息(例如 H3K27ac、转录因子或 p300 的 ChIP-Seq 数据),以及 GRO-Seq 所揭示的转录活性(若有,还可结合 CAGE4 或 GRO-cap26 数据集),来推断转录起始位点,从而合理设计 gRNA,避免 dCas9/SAM 复合物干扰增强子区域正常的转录过程。其次,当前设计工具提供的 gRNA 在 SAM 系统中可能表现出差异化的 eRNA 激活能力,其背后的机制尚不明确。这可能与不同 gRNA 序列的结合动力学差异30有关,也可能与 gRNA/dCas9 结合位点相对于增强子核心区域附近其他关键调控 DNA 元件的相对位置有关。为确保 eRNA 的有效激活...
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内容仅由作者负责,不一定代表德克萨斯州癌症预防与研究所的官方观点。
本工作获得了对 W.L. 的资助(德克萨斯州癌症预防研究所 CPRIT RR160083 和 RP180734;美国国家癌症研究所 K22CA204468;美国国家普通医学科学研究所 R21GM132778;德克萨斯大学 UT Stars 奖项;以及 Welch 基金会 AU-2000-20190330)以及对 J.L. 的博士后奖学金资助(UTHealth 癌症预防研究培训项目博士后奖学金,CPRIT RP160015)。我们感谢原始出版物15,本文部分图示引自该文献(经修改),该文献遵循知识共享许可协议(https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 杀稻瘟菌素 | Goldbio | B-800-100 | |
| BsmBI 限制性内切酶 | New England BioLabs Inc. | R0580S | |
| Cas9 单克隆抗体 | Active Motif | 61757 | 批号: 10216001 |
| 脱氧核苷酸(dNTP)溶液混合物 | New England BioLabs Inc. | N0447S | |
| Dulbecco’s 改良 Eagle 培养基 | Corning | 10-013-CM | |
| Dynabeads Protein G | Thermo Fisher Scientific | 65002 | |
| EDTA | Thermo Fisher Scientific | BP118-500 | |
| EGTA | Sigma | E3889 | |
| 胎牛血清 | GenDEPOT | F0900-050 | |
| 糖原 | Thermo Fisher Scientific | 10814010 | |
| Hepes-KOH | Thermo Fisher Scientific | BP310-100 | |
| 六亚甲基溴化铵 | Sigma | H9268 | |
| 潮霉素 B | Goldbio | H-270-25 | |
| IGEPAL CA630 | Sigma | D6750 | |
| IncuCyte 活细胞成像仪 | Essen BioScience | IncuCyte S3 活细胞分析系统 | |
| lenti_dCAS-VP64_Blast | Addgene | 61425 | |
| lenti_gRNA(MS2)_zeo 骨架 | Addgene | 61427 | |
| lenti_MS2-p65-HSF1_Hygro | Addgene | 61426 | |
| LiCL | Sigma | L9650 | |
| Lipofectamine 2000 | Thermo Fisher Scientific | 11668-500 | |
| NaCl | Sigma | S3014 | |
| Na-脱氧胆酸钠 | Sigma | D6750 | |
| NaHCO3 | Thermo Fisher Scientific | BP328-500 | |
| N-月桂酰肌氨酸 | Sigma | 97-78-9 | |
| Opti-MEM 低血清培养基 | Thermo Fisher Scientific | 31985070 | |
| PES 注射器滤器 | BASIX | 13-1001-07 | |
| 蛋白酶抑制剂混合片剂 | Roche Diagnostic | 11836145001 | |
| pSpCas9(BB)-2A-Puro | Addgene | 62988 | |
| Q5 高保真 DNA 聚合酶 | New England BioLabs Inc. | M0491S | |
| Q5 反应缓冲液 | New England BioLabs Inc. | B9027S | |
| Quick-DNA 小量提取试剂盒 | ZYMO Research | D3025 | |
| Quick-RNA 小量提取试剂盒 | ZYMO Research | R1054 | |
| 限制性内切酶缓冲液 | New England BioLabs Inc. | B7203S | |
| RT-qPCR 检测系统 | Thermo Fisher Scientific | Quant Studio3 | |
| SDS | Thermo Fisher Scientific | BP359-500 | |
| 超声破碎仪 | Qsonica | Q800R2 | |
| Sso Advanced Universal SYBR Green Supermix | Bio-Rad Laboratories | 1725274 | |
| Stbl3 感受态细胞 | Thermo Fisher Scientific | C7373-03 | |
| Superscript IV 逆转录酶 | Thermo Fisher Scientific | 719000 | |
| Surveyor 突变检测试剂盒 | Integrated DNA Technologies | 706020 | |
| T4 DNA 连接酶 | New England BioLabs Inc. | M0202S | |
| T4 DNA 连接酶反应缓冲液 | New England BioLabs Inc. | B0202S | |
| TE 缓冲液 | Thermo Fisher Scientific | 46009CM | |
| PCR 仪 | Bio-Rad Laboratories | T100 | |
| 恒温混匀仪 | Sigma | 5384000020 | |
| Zeocin | Thermo Fisher Scientific | ant-zn-1p |
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