基因表达受到基因启动子与远端调控元件相互作用的调控。本文介绍了低起始量的捕获染色体构象捕获技术(liCHi-C)如何实现对稀有细胞类型中这些相互作用的鉴定,而这些细胞类型在此前是无法测量的。
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基因表达受到基因启动子与远端调控元件相互作用的调控。本文介绍了低起始量的捕获染色体构象捕获技术(liCHi-C)如何实现对稀有细胞类型中这些相互作用的鉴定,而这些细胞类型在此前是无法测量的。
时空特异性的基因转录受到远端调控元件(如增强子和沉默子)的严格调控,这些元件依赖于与靶基因启动子的物理邻近来控制转录。尽管这些调控元件易于识别,但其靶基因却难以预测,因为大多数调控元件具有细胞类型特异性,并且在线性基因组序列中可能与靶基因相距数十万碱基对,中间跨越了多个非靶基因。多年来,启动子捕获高通量染色体构象捕获技术(Promoter Capture Hi-C, PCHi-C)一直是将远端调控元件与其靶基因关联的金标准。然而,PCHi-C 需要数百万个细胞,限制了其在稀有细胞群体(例如常从原代组织中获得的细胞)研究中的应用。为了克服这一限制,已开发出一种低成本且可定制的低起始量捕获 Hi-C 技术(low input Capture Hi-C, liCHi-C),用于鉴定调控基因组中每个基因的远端调控元件谱。liCHi-C 采用与 PCHi-C 相似的实验和计算框架,但通过尽量减少管转移步骤、调整 试剂浓度和体积,以及替换或省略某些步骤,最大限度地减少了文库构建过程中的样本损失。 总体而言,liCHi-C 使得在发育生物学和细胞功能背景下研究基因调控及基因组的时空组织成为可能。
基因的时间特异性表达驱动细胞分化,并最终影响生物体的发育,其表达模式的改变与多种疾病密切相关1,2,3,4,5。基因转录受到调控元件的精细调控,这些元件可分为近端调控元件(如基因启动子)和远端调控元件(如增强子或沉默子),后者通常位于其靶基因较远的位置,并通过染色质成环结构与靶基因发生物理相互作用,从而调控基因表达6,7,8。
基因组中远端调控区域的鉴定是一个广受认可的研究方向,因为这些区域含有特定的组蛋白修饰9,10,11,并包含特定的转录因子识别基序,可作为转录因子的招募平台12,13,14。此外,对于增强子和超级增强子15,16而言,它们还表现出核小体占据率较低17,18,并可转录生成非编码的eRNA19,20。
然而,每个远端调控元件的靶基因更难以预测。远端调控元件与其靶基因之间的相互作用通常具有细胞类型和刺激特异性21,22,跨度可达数百千碱基,可跨越任意方向上的其他基因23,24,25,甚至可能位于其靶基因或其他非邻近基因的内含子区域内部26,27。此外,远端调控元件也可同时调控多个基因,反之亦然28,29。这种位置上的复杂性阻碍了它们之间调控关系的精确定位,因此,在每种细胞类型中,大多数调控元件的靶基因仍不明确。
近年来,染色体构象捕获(3C)技术在研究染色质相互作用方面得到了显著发展。其中应用最广泛的是Hi-C技术,它能够生成细胞基因组各个片段之间所有相互作用的图谱30。然而,要在限制性酶切片段水平上检测到显著的相互作用,Hi-C依赖于超深度测序,这使其难以常规用于研究单个基因的调控图景。为了克服这一经济上的限制,多种基于富集的3C技术应运而生,例如ChIA-PET31、HiChIP32及其低起始量版本HiCuT33。这些技术依赖抗体来富集由特定蛋白介导的全基因组范围内的相互作用。然而,这些3C技术的独特优势也正是其应用中的主要局限:用户必须依赖于针对目标蛋白的高质量抗体,并且无法比较蛋白结合状态动态变化的实验条件。
启动子捕获高通量染色体构象捕获技术(Promoter Capture Hi-C, PCHi-C)是另一种基于富集的3C技术,可克服上述局限性34,35。通过采用生物素化RNA探针富集系统,PCHi-C能够生成与28,650个人源或27,595个鼠源注释基因启动子相互作用的全基因组高分辨率文库,这些文库也被称为启动子互作组。该方法能够在限制性酶切片段水平上检测活性与非活性启动子的显著长距离相互作用,并且无需依赖组蛋白修饰或蛋白质结合的动态变化,即可在不同条件下稳健地比较启动子互作组。近年来,PCHi-C已被广泛用于研究细胞分化过程中启动子互作组的重排36,37,揭示转录因子的作用机制38,39,以及通过非编码变异发现疾病中异常调控的潜在新基因和通路40,41,42,43,44,45,46,47,48,同时发现新的驱动性非编码突变49,50。此外,仅需调整捕获系统,该技术即可根据具体生物学问题进行定制,用于研究任意类型的互作组(例如增强子互作组51,或一组非编码变异的互作组41,52)。
然而,PCHi-C 技术至少需要 2000 万个细胞才能实施,这限制了对稀有细胞群体的研究,而这类细胞群体在发育生物学和临床应用中常常被使用。为此,我们开发了低起始量捕获 Hi-C(liCHi-C),这是一种基于 PCHi-C 实验框架的新方法,具有成本低、可定制的特点,可用于以少量细胞输入生成高分辨率的启动子互作组。通过尽量减少实验过程中的管转移、替换或省略原始 PCHi-C 方案中的步骤、大幅降低反应体积以及调整试剂浓度,最大限度地提高了文库复杂度,仅需低至 50,000 个细胞即可构建高质量文库53。
低输入量捕获Hi-C(liCHi-C)已与PCHi-C进行过性能比较,并被用于阐明人类造血细胞分化过程中启动子相互作用组的重连、发现由非编码变异导致失调的潜在新疾病相关基因和通路,以及检测染色体异常53。本文详细描述了该技术的逐步操作流程以及各个环节的质量控制,直至最终文库的构建及其计算分析。
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为尽量减少材料损失,(1)使用低吸附DNA的离心管和吸头(参见材料表);(2)将试剂加至管壁,避免将吸头插入样品内部;(3)如有可能,通过倒置混匀样品而非反复吹打,随后离心收集样品。
1. 细胞固定
2. 裂解与消化
3. 连接与解交联
4. DNA 纯化
5. 可选的质量控制
6. 超声处理
7. 末端修复
8. 生物素拉下实验
9. dATP加尾、接头连接和PCR扩增
10. 文库捕获
11. 生物素拉下实验与PCR扩增
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liCHi-C 仅需 50,000 个细胞即可构建高质量、高分辨率的全基因组启动子互作图谱文库53。这得益于在实验流程中大幅减少反应体积、全程使用低吸附DNA塑料耗材,并从原始方案中去除了多个导致样本显著损失的非必要步骤。这些步骤包括解交联后的苯酚纯化、生物素去除,以及后续的苯酚-氯仿纯化和乙醇沉淀。此外,通过重新组织 Hi-C 文库构建步骤(包括生物素富集、A尾加接、接头连接、PCR 扩增和双端磁珠筛选,以及PCR产物纯化),我们进一步省去了一步不必要的DNA纯化操作。实验流程概览见图1A。
为评估文库质量,需在整个实验流程中设置多个对照,其中第一个是计算基因组消化效率;通常认为消化效率超过80%即为合格(表3)。建议在单独的实验中检测该细胞类型的消化效率,以避免在单次liCHi-C实验中损失大量样本材料。第二,在超声打断和末端修复之前,建议通过常规PCR扩增细胞类型不变的染色质相互作用,以检测相互作用检测的灵敏度(
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liCHi-C 能够利用与 PCHi-C 相似的实验框架,但所需细胞数量显著减少,从而生成高分辨率的启动子互作组图谱文库。这一优势主要通过省略不必要的步骤实现,例如苯酚纯化和生物素去除。在经典的细胞核内连接 Hi-C 协议57 及其衍生技术 PCHi-C 中,需将未连接的限制性酶切片段上的生物素去除,以避免富集后续无信息价值的 DNA 片段。跳过该步骤及其后续的 DNA 纯化过程,并不会显著降低有效读段的比例(图 3A),同时避免了可能造成 DNA 损失的纯化步骤。在超声破碎后的 Hi-C 文库构建过程中重新设计流程,可通过双端筛选直接作为纯化步骤,从而省去另一次不必要的纯化。所有这些改进通过最大限度减少离心管转移操作,结合反应体系体积的缩小、试剂浓度的优化以及低吸附 DNA 塑料耗材的使用,使得仅用 50,000 个细胞即可构建高质量文库成为可能。需要谨记的是,起始细胞数量在一定程度上决定了文库复杂性,从而影响显著互作的数量。尽管使用 50,000 个细胞构建的文库仍保留了细胞类型特异性和稳定的拓扑结构特征
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作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢Javierre实验室其他成员对本手稿提供的反馈意见。感谢CERCA项目、加泰罗尼亚自治区政府以及Josep Carreras基金会提供的机构支持。本研究由欧洲区域发展基金/西班牙科学与创新部(RTI2018-094788-A-I00)、欧洲血液学协会(4823998)以及西班牙抗癌协会(AECC)(项目编号LABAE21981JAVI)提供资金支持。BMJ由La Caixa银行基金会Junior Leader项目(LCF/BQ/PI19/11690001)资助,LR由AGAUR FI博士后奖学金(2019FI-B00017)资助,LT-D由FPI博士后奖学金(PRE2019-088005)资助。我们感谢巴塞罗那自治大学生物化学与分子生物学博士项目提供的支持。 所有资助方均未参与实验设计或手稿撰写的任何环节。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.4 mM 生物素-14-dATP | Invitrogen | 19524-016 | |
| 0.5 M EDTA pH 8.0 | Invitrogen | AM9260G | |
| 1 M Tris pH 8.0 | Invitrogen | AM9855G | |
| 10x NEBuffer 2 | New England Biolabs | B7002S | 在文稿中称为限制性酶切缓冲液2 |
| 10x PBS | Fisher Scientific | BP3994 | |
| 10x T4 DNA连接酶反应缓冲液 | New England Biolabs | B0202S | |
| 16% 甲醛溶液(w/v),无甲醇 | Thermo Scientific | 28908 | |
| 20 mg/mL 牛血清白蛋白 | New England Biolabs | B9000S | |
| 5 M NaCl | Invitrogen | AM9760G | |
| 5PRIME Phase Lock Gel Light 管 | Qiuantabio | 2302820 | 用于第4节中的酚-氯仿纯化(DNA纯化)。Phase Lock Gel管是一种商业化的专用离心管,设计用于在酚-氯仿纯化后最大化DNA回收率,同时通过含有中等密度的树脂将有机相与水相分隔开来,防止有机相中的污染物残留。使用前应以12,000 × g离心30秒,确保树脂充分沉降至管底 |
| 文库扩增用接头和PCR引物 | Integrated DNA Technologies | - | 作为单个引物购买,经PAGE纯化用于NGS |
| 细胞刮刀 | Nunc | 179693 | 或任何其他品牌 |
| 离心机(适用于1.5 mL离心管的固定角转子) | 任何品牌 | ||
| CHiCAGO R软件包 | 1.14.0 | ||
| CleanNGS磁珠 | CleanNA | CNGS-0050 | |
| dATP、dCTP、dGTP、dTTP | Promega | U120A, U121A, U122A, U123A | 或任何其他品牌 |
| DNA LoBind管,1.5 mL | Eppendorf | 30108051 | |
| DNA LoBind管,2 mL | Eppendorf | 30108078 | |
| DNA聚合酶I大片段(Klenow)5000单位/mL | New England Biolabs | M0210L | |
| Dynabeads MyOne 链霉亲和素C1磁珠 | Invitrogen | 65002 | 用于第8节中预捕获文库的生物素富集(生物素富集) |
| Dynabeads MyOne 链霉亲和素T1磁珠 | Invitrogen | 65602 | 用于第11节中后捕获文库的生物素富集(生物素富集和PCR扩增) |
| DynaMag-2 | Invitrogen | 12321D | 或任何适用于1.5 mL离心管的磁力架 |
| 无水乙醇 | VWR | 20821.321 | |
| 经认证的胎牛血清(FBS) | Gibco | 10270-106 | 或任何其他品牌 |
| 甘氨酸 | Fisher BioReagents | BP381-1 | |
| GlycoBlue共沉淀剂 | Invitrogen | AM9515 | 用于第4节中的DNA共沉淀(DNA纯化) |
| HiCUP | 0.8.2 | ||
| HindIII,100 U/µL | New England Biolabs | R0104T | |
| IGEPAL CA-630 | Sigma-Aldrich | I8896-50ML | |
| Klenow EXO- 5000单位/mL | New England Biolabs | M0212L | |
| 低吸附滤芯吸头 (10 µL, 20 µL, 200 µL 和 1000 µL) | ZeroTip | PMT233010, PMT252020, PMT231200, PMT252000 | |
| M220 聚焦超声破碎仪 | Covaris | 500295 | |
| Micro TUBE AFA Fiber 预切裂口卡扣盖 6 x 16 mm 管 | Covaris | 520045 | 用于第6节中的超声处理(超声处理) |
| NheI-HF,100 U/µL | New England Biolabs | R3131M | |
| 无核酸酶分子生物学级水 | Sigma-Aldrich | W4502 | |
| 用于质量控制的PCR引物 | Integrated DNA Technologies | - | |
| PCR排管 和管盖 | Agilent Technologies | 410022, 401425 | |
| 酚:氯仿:异戊醇 25:24:1,用含10 mM Tris(pH 8.0)、1 mM EDTA的溶液饱和 | Sigma-Aldrich | P3803 | |
| Phusion 高保真PCR预混液(含HF缓冲液) | New England Biolabs | M0531L | 用于第9节中文库扩增(dATP加尾、接头连接和PCR扩增) 和第11节(生物素富集和PCR扩增) |
| 蛋白酶抑制剂混合物(无EDTA) | Roche | 11873580001 | |
| 重组蛋白酶K,PCR级 | Roche | 3115836001 | |
| Qubit 1x dsDNA 高灵敏度检测试剂盒 | Invitrogen | Q33230 | 用于第4节中沉淀后DNA的定量(DNA纯化) |
| Qubit检测管 | Invitrogen | Q32856 | |
| rCutsmart缓冲液 | New England Biolabs | B6004S | |
| RPMI 1640培养基 1x + GlutaMAX | Gibco | 61870-010 | 或任何其他品牌 |
| SDS - 分子生物学用10%溶液 | PanReac AppliChem | A0676 | |
| 乙酸钠 pH 5.2 | Sigma-Aldrich | S7899-100ML | |
| SureSelect 定制3-5.9 Mb文库 | Agilent Technologies | 5190-4831 | 定制的小鼠或人源捕获系统,用于靶向捕获 |
| SureSelect 靶向富集试剂盒Box 1 | Agilent Technologies | 5190-8645 | 用于靶向捕获 |
| SureSelect 靶向富集试剂盒 ILM PE 全接头 | Agilent Technologies | 931107 | 用于靶向捕获 |
| T4 DNA连接酶 1 U/µL | Invitrogen | 15224025 | 用于第3节中的连接反应(连接与去交联) |
| T4 DNA连接酶 2000000/mL | New England Biolabs | M0202T | 用于第9节中的连接反应(dATP加尾、接头连接和PCR扩增) |
| T4 DNA聚合酶 3000单位/mL | New England Biolabs | M0203L | |
| T4 PNK 10000单位/mL | New England Biolabs | M0201L | |
| Tapestation 4200仪器 | Agilent Technologies | 用于第9节中的自动化电泳(dATP加尾、接头连接和PCR扩增)和 第11节(生物素富集和PCR扩增)。任何其他自动化电泳系统均可使用 | |
| Tapestation试剂 | Agilent Technologies | 5067-5582, 5067-5583, 5067-5584, 5067-5585, | 用于第9节中的自动化电泳(dATP加尾、接头连接和PCR扩增)和 第11节(生物素富集和PCR扩增)。任何其他自动化电泳系统均可使用 |
| 分子生物学级Triton X-100 | PanReac AppliChem | A4975 | |
| Tween 20 | Sigma-Aldrich | P9416-50ML |
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