Name: 该芯片外型方法:确定蛋白质-DNA相互作用与近基部精密配对 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-12-23T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 27 s
Description: 学习ChIP-exo技术用于基因调控和表观遗传学研究，该技术结合染色质免疫沉淀、核酸外切酶处理和高通量测序，可实现近碱基对分辨率的蛋白质-DNA相互作用精确定位，具有低背景噪音优势。

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感谢Venters实验室以及分子生理学与生物物理学系成员提供的有益讨论。特别感谢Frank Pugh在我作为博士后研究员期间给予的指导、 mentorship 以及关于ChIP-exo技术细节的许多富有洞见的讨论。

<ol><li>Venters, B. J., Pugh, B. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((How+eukaryotic+genes+are+transcribed%5BTitle%5D)+AND+%22Crit+Rev+Biochem+Mol+Biol%22%5BJournal%5D)">How eukaryotic genes are transcribed.</a> Crit Rev Biochem Mol Biol. 44, 117-141 (2009).</li>
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<li>Cho, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+architecture+of+ArgR-DNA+complexes+at+the+genome-scale+in+Escherichia+coli%5BTitle%5D)+AND+%22Nucleic+Acids+Res%22%5BJournal%5D)">The architecture of ArgR-DNA complexes at the genome-scale in Escherichia coli.</a> Nucleic Acids Res. 43, 3079-3088 (2015).</li>
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<li>Pugh, B. F., Venters, B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Genomic+Organization+of+Human+Transcription+Initiation+Complexes%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+One%22%5BJournal%5D)">Genomic Organization of Human Transcription Initiation Complexes.</a> PLoS One. 11, e0149339(2016).</li>
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<li>Bentley, D. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Accurate+whole+human+genome+sequencing+using+reversible+terminator+chemistry%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Accurate whole human genome sequencing using reversible terminator chemistry.</a> Nature. 456, 53-59 (2008).</li>
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<li>Landt, S. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((ChIP-seq+guidelines+and+practices+of+the+ENCODE+and+modENCODE+consortia%5BTitle%5D)+AND+%22Genome+Res%22%5BJournal%5D)">ChIP-seq guidelines and practices of the ENCODE and modENCODE consortia.</a> Genome Res. 22, 1813-1831 (2012).</li>
<li>Serandour, A. A., Brown, G. D., Cohen, J. D., Carroll, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+of+an+Illumina-based+ChIP-exonuclease+method+provides+insight+into+FoxA1-DNA+binding+properties%5BTitle%5D)+AND+%22Genome+Biol%22%5BJournal%5D)">Development of an Illumina-based ChIP-exonuclease method provides insight into FoxA1-DNA binding properties.</a> Genome Biol. 14, R147(2013).</li>
<li>He, Q., Johnston, J., Zeitlinger, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((ChIP-nexus+enables+improved+detection+of+in+vivo+transcription+factor+binding+footprints%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Biotechnol%22%5BJournal%5D)">ChIP-nexus enables improved detection of in vivo transcription factor binding footprints.</a> Nat Biotechnol. 33, 395-401 (2015).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

我们提出一种功能基因组学方案，可无偏倚地以接近碱基对分辨率在全基因组范围内精确确定染色质相互作用蛋白的结合位置。实现接近碱基对分辨率定位的最关键步骤是在免疫沉淀物仍结合于磁性树脂时，对ChIP富集的DNA进行外切核酸酶处理。理论上，蛋白质复合物可能阻碍 体内 任意亚基的足迹分析（footprinting）例如， 染色质重塑复合物或核小体核心颗粒）。然而，如先前所报道的那样 10由于甲醛是一种效率较低的交联剂，因此在同一细胞的同一基因位点处，复合物的多个亚基同时与DNA以及彼此之间发生交联的可能性会逐渐降低。因此， 体内 利用ChIP-exo技术，可以对蛋白质复合物中的各个亚基（例如核小体中的单个组蛋白亚基）进行足迹分析。
ChIP-exo 最显著的优势是其接近碱基对水平的分辨率和低背景信号。这种超高分辨率使得在全基因组范围内获得详细的结构和空间信息成为可能，而这是目前其他任何方法都无法实现的。另一方面，ChIP-exo 的主要局限性在于它是一种技术上较难掌握的分子生物学方法。此外，ChIP 步骤的一般性局限...

染色质免疫沉淀（ChIP）是一种强大的方法，可通过选择性富集与活细胞中特定蛋白质相互作用的DNA片段来研究基因调控机制。随着技术的进步，对ChIP富集DNA片段的检测方法不断发展，从单个基因座的检测（标准ChIP-qPCR），到寡核苷酸微阵列杂交（ChIP-chip），再到高通量测序（ChIP-seq）1。尽管ChIP-seq已得到广泛应用，但染色质的异质性以及非特异性DNA相互作用影响了数据质量，导致假阳性结果和定位不精确。为克服这些局限性，Frank Pugh博士开发了ChIP-exo方法2。ChIP-exo的显著特征在于引入了5'至3'外切核酸酶，从而有效实现转录因子结合位点的“足迹”定位。因此，ChIP-exo方法具有更高的分辨率、更宽的检测动态范围以及更低的背景噪声。
尽管ChIP-exo在技术上比ChIP-seq更难掌握，但由于研究希望利用多种生物系统获得独特的超高分辨率信息，该技术正被广泛采用3-8。事实上，ChIP-exo已成功应用于细菌、酵母、小鼠、大鼠和人类细胞系统。作为原理验证，ChIP-exo最初被用于鉴定少数酵母转录因子的精确结合基序2。该技术还曾在酵母中用于研究转录起始前复合物的组织结构，以及解析多种组蛋白的亚核小体结构9,10。最近，我们利用ChIP-exo解析了人类启动子上相邻的TFIIB和Pol II结合事件，并证明广泛的双向转录来源于不同的起始复合物11。
本文所示工作流程针对哺乳动物ChIP-exo进行了优化和简化图1）。首先，用甲醛处理活体原代细胞或组织培养细胞以固定 体内 通过共价交联固定蛋白质-DNA相互作用。细胞裂解后，染色质被剪切为约100-500个碱基对大小的片段。染色质免疫沉淀（ChIP）随后选择性富集与目标蛋白交联的DNA片段。此时通常构建ChIP-seq文库，该方法固有地将检测分辨率限制在数百个碱基对的平均片段大小范围内。然而，ChIP-exo利用λ外切酶修剪蛋白质-DNA交联位点左右两侧的5'端DNA边界，从而克服了这一限制。随后，从外切酶消化后的DNA构建测序文库，具体步骤如下所述。所获得的嵌套式5'端边界代表一个 在体 蛋白质-DNA 相互作用的足迹图1，步骤14），并通过高通量测序进行检测。尽管ChIP-exo技术比ChIP-seq更为复杂，但大多数步骤之间的转换仅需简单的磁珠洗涤，从而最大限度地减少了样品损失和实验变异性。重要的是，由于ChIP-exo是ChIP-seq的优化版本，任何在ChIP-seq中成功的样品在ChIP-exo中也应能够成功。
该 体内 ChIP-exo 在蛋白质-DNA 相互作用的足迹分析中产生的数据结构与 ChIP-seq 有本质区别。尽管常见的 ChIP-seq 峰识别工具也可应用于 ChIP-exo 数据，但为了获得最精确的峰识别结果，我们推荐使用专门针对 ChIP-exo 数据独特结构设计的生物信息学工具。这些工具包括 Genetrack、GEM、MACE、Peakzilla 和 ExoProfiler 12-15.

<table><tbody><tr><td>37% 甲醛，无甲醇，10 x 10 ml 安瓿瓶</td><td>ThermoFisher Scientific</td><td>28908</td><td>第 3 节</td></tr><tr><td>完全蛋白酶抑制剂混合物（CPI）</td><td>Roche Life Science</td><td>11873580001</td><td>第 4、8 节</td></tr><tr><td>Bioruptor 超声破碎仪</td><td>Diagenode</td><td>UCD200</td><td>第 5 节</td></tr><tr><td>15 ml 聚苯乙烯管</td><td>BD Falcon</td><td>352095</td><td>第 5 节</td></tr><tr><td>MagSepharose Protein G Xtra 磁珠</td><td>GE Healthcare</td><td>28-9670-66</td><td>第 6 节</td></tr><tr><td>DynaMag-1.5 ml 侧置磁力架</td><td>Invitrogen</td><td>12321D</td><td>第 6–17、22 节</td></tr><tr><td>微型管旋转仪</td><td>Fisher Scientific</td><td>05-450-127</td><td>第 7、22 节</td></tr><tr><td>T4 DNA 聚合酶</td><td>New England BioLabs</td><td>M0203</td><td>第 9 节</td></tr><tr><td>DNA 聚合酶 I，Klenow</td><td>New England BioLabs</td><td>M0210</td><td>第 9 节</td></tr><tr><td>10x NEBuffer 2（10x 反应缓冲液 2）</td><td>New England BioLabs</td><td>B7002</td><td>第 9–11、13、15、20 节</td></tr><tr><td>Thermomixer C</td><td>Eppendorf</td><td>5382</td><td>第 9–16 节</td></tr><tr><td>ATP</td><td>Roche Life Science</td><td>010419979001</td><td>第 9、11、13 节</td></tr><tr><td>dNTPs</td><td>New England BioLabs</td><td>N0447</td><td>第 9、12、19、23 节</td></tr><tr><td>T4 多核苷酸激酶</td><td>New England BioLabs</td><td>M0201</td><td>第 9、13 节</td></tr><tr><td>dATP</td><td>New England BioLabs</td><td>N0440</td><td>第 10、20 节</td></tr><tr><td>Klenow 3'-5' 外切酶缺陷型</td><td>New England BioLabs</td><td>M0212</td><td>第 10、20 节</td></tr><tr><td>T4 DNA 连接酶&amp;nbsp;</td><td>New England BioLabs</td><td>M0202</td><td>第 11、21 节</td></tr><tr><td>&amp;Phi;-29 DNA 聚合酶</td><td>New England BioLabs</td><td>M0269</td><td>第 12、19 节</td></tr><tr><td>10x &amp;Phi;-29 缓冲液</td><td>New England BioLabs</td><td>B0269</td><td>第 12、19 节</td></tr><tr><td>λ 外切核酸酶</td><td>New England BioLabs</td><td>M0262</td><td>第 14 节</td></tr><tr><td>10x λ 缓冲液</td><td>New England BioLabs</td><td>B0262</td><td>第 14 节</td></tr><tr><td>RecJ&lt;sub&gt;f&lt;/sub&gt; 外切核酸酶</td><td>New England BioLabs</td><td>M0264</td><td>第 15 节</td></tr><tr><td>蛋白酶 K</td><td>Roche Life Science</td><td>03115828001</td><td>第 16 节</td></tr><tr><td>糖原</td><td>Roche Life Science</td><td>010901393001</td><td>第 18 节</td></tr><tr><td>10x T4 连接酶缓冲液</td><td>New England BioLabs</td><td>B0202</td><td>第 21 节</td></tr><tr><td>AMPure XP（纯化）磁珠&amp;nbsp;</td><td>Beckman Coulter</td><td>A63881</td><td>第 22 节</td></tr><tr><td>Q5 Hot Start DNA 聚合酶&amp;nbsp;</td><td>New England BioLabs</td><td>M0493</td><td>第 23 节</td></tr><tr><td>5x Q5 缓冲液（5x PCR 缓冲液）</td><td>New England BioLabs</td><td>B9027</td><td>第 23 节</td></tr><tr><td>QIAquick 凝胶回收试剂盒</td><td>Qiagen</td><td>28704</td><td>第 25 节</td></tr><tr><td>Qubit 荧光计</td><td>Invitrogen</td><td>Q33216</td><td>第 26 节</td></tr><tr><td>光学透明 Qubit 管&amp;nbsp;</td><td>Invitrogen</td><td>Q32856</td><td>第 26 节</td></tr><tr><td>Qubit dsDNA 高灵敏度检测试剂盒</td><td>Invitrogen</td><td>Q32851</td><td>第 26 节</td></tr></tbody></table>

chip-exo 方法：以接近碱基对精度鉴定蛋白质-dna 相互作用

The ChIP-exo Method: Identifying Protein-DNA Interactions with Near Base Pair Precision

染色质免疫沉淀（ChIP）是表观遗传学和基因调控领域中用于分离特定蛋白质-DNA 相互作用的不可或缺的工具。将 ChIP 与高通量测序（ChIP-seq）相结合，常用于确定与染色质相互作用的蛋白质在基因组中的定位。然而，ChIP-seq 受限于相对较低的定位分辨率（数百个碱基对）以及较高的背景信号。ChIP-exo 方法是对 ChIP-seq 的一种改进，显著提升了分辨率并降低了噪声。ChIP-exo 方法的关键特征是在文库构建流程中引入λ外切核酸酶消化，从而有效标记蛋白质-DNA 交联位点左右两侧的 5' DNA 边界。随后对 ChIP-exo 文库进行高通量测序。所得数据可用于深入揭示基因组功能结构的独有信息，并提供超高的分辨率。本文中，我们描述了已针对哺乳动物系统和新一代合成测序平台优化并简化的 ChIP-exo 方法。

以下图示展示了本实验方案中 ChIP-exo 协议的代表性结果。与传统 ChIP-seq 方法相比（其酶促步骤较少），ChIP-exo 需要进行十一个依次依赖的酶促反应（图 1）。因此，每一步操作都必须谨慎进行，以确保各反应组分被准确加入相应的反应主混合液中。我们建议根据反应表格建立一个公式化的电子表格，以自动完成反应主混合液的计算，打印生成的表格，并在将各组分加入主混合液后逐一核对确认。
在整个实验流程中，我们采用多种质量控制措施，以确保获得高质量的测序结果（图2）。每个染色质免疫沉淀（ChIP）反应包含三个基本组分：1）来自目标细胞的超声破碎染色质提取物，2）针对目标蛋白的特异性抗体，以及3）用于固定沉淀免疫复合物的Protein G（或Protein A）树脂。获得高质量的超声破碎染色质提取物（图2A）可能具有较大挑战性，因为不同细胞类型和超声设...

本文介绍了一种实现接近碱基对分辨率的蛋白质-DNA 相互作用研究的实验方案。该方法通过染色质免疫沉淀（ChIP-exo）选择性富集 DNA 片段，并对其进行外切酶处理，随后进行高通量测序。

ChIP-exo 方法：以接近碱基对精度鉴定蛋白质-DNA 相互作用

染色质免疫沉淀（ChIP）是表观遗传学和基因调控领域不可或缺的工具，用于分离特定的蛋白质-DNA……

该功能基因组学技术的总体目标是鉴定特定蛋白质在活细胞中占据的精确基因组位置。该方法有助于回答基因调控和表观遗传学领域的一些关键问题，例如转录机制如何在染色质环境中组装并发挥作用。该技术的主要优势在于，它能够以接近单碱基分辨率的精度揭示蛋白质与DNA相互作用的精确基因组位置，且背景信号极低。通常，初次接触该方法的研究人员会遇到困难，因为该实验步骤较为复杂，且全程需要细致操作。进行核裂解物超声处理时，首先将树脂适配器放入含有核提取物的15毫升聚苯乙烯管中。将裂解物置于冰水浴中，以中等功率超声处理，每次开启30秒，关闭30秒，共进行两次，每次15分钟。为检测超声处理结果，从每个离心管中转移两份10微升样品至1.5毫升离心管中。然后，将第一份10微升样品与10微升TE-RNase A溶液及0.2微升蛋白酶K混合，以逆转交联。将离心管在37摄氏度孵育30分钟。随后加入4微升6X二甲苯DNA染料。向第二个10微升样品中加入2微升6X二甲苯DNA染料，以保持交联状态。将两个样品在1.5%琼脂糖凝胶中以140伏电压电泳约30至45分钟，直至后者的溴酚蓝染料迁移至凝胶约四分之三处。若超声处理成功，将超声处理后的裂解液转移至含有150微升10% Triton X-100的2毫升离心管中，并涡旋混匀。将超声处理后的裂解液在4°C条件下以20,000 × g离心10分钟，使不溶性染色质和碎片沉淀。然后将上清液转移至新的2毫升离心管中。样本可无限期保存于-80°C。每次染色质免疫沉淀（ChIP）反应中，将1.5毫升超声处理后的提取物与抗体-磁珠偶联物加入1.5毫升离心管中混合。将离心管置于迷你旋转仪上，4°C、转速9条件下过夜孵育。数分钟后检查，确保样品无泄漏且充分混匀。次日，短暂离心收集管盖中的液体，将各管置于磁力架上静置一分钟，随后吸除提取液。向每管中加入 0.75 毫升 RIPA 裂解缓冲液。然后将离心管从磁力架上取下，倒置数次以混匀。短暂离心后，将离心管放回磁力架，吸除上清液。最后一次洗涤后，向每根离心管中加入 0.75 毫升 10 毫摩尔 Tris HCl。从磁力架上取下离心管，反复倒置样品数次以混匀。短暂离心后，将离心管放回磁力架，吸走上清液。根据文本方案完成末端修复和接头连接反应后，填写连接反应主混合液的计算表。然后在冰上将连接反应体系加入一个1.5毫升离心管中，并用移液器吹打混匀。将样品管置于磁力架上后，向每个样品树脂中加入48微升P7连接主混合液和2微升不同的接头索引（adapter index）。将样品在ThermoMixer中于25摄氏度、3 × g 条件下孵育2小时。根据文本方案洗涤样品并完成 Phy 29 切刻修复和激酶反应后，在冰上用 1.5 毫升离心管配制 λ 核酸外切酶预混液，并填写相应的计算表格。将 50 微升 λ 核酸外切酶预混液加入仍置于磁力架上的每个样品树脂中。然后将样品在 ThermoMixer 中于 37 摄氏度、3 × g 条件下孵育 30 分钟。按照文本方案中所述吸去最后一次洗涤液后，通过填写RecJf核酸酶主混合物的计算并冰上配制RecJf混合液，进行RecJf核酸酶反应。将50 µL的RecJf混合液加入磁力架上的每份样品树脂中。然后将样品置于ThermoMixer中，在37 °C、3 × g条件下孵育30分钟。吸尽最后一次洗涤液后，配制ChIP洗脱缓冲液和蛋白酶K主混合液，向每个样品树脂中加入200 µL该溶液。将样品置于ThermoMixer中，65 °C、3 ×g 条件下孵育过夜，并使用加热盖防止冷凝。次日，短暂离心样品，然后将离心管置于磁力架上静置1分钟。 然后将200 µL上清液转移至一个新的含有200 µL TE缓冲液的1.5 mL离心管中。在完成DNA提取、P7初始延伸和ATL反应后，填写P5接头连接反应的主混合液计算表格，并在冰上配制连接主混合液。向每个样品中加入20 µL连接混合液，并用移液器吹打混匀。然后将样品在25摄氏度的PCR仪中孵育2小时。按照文本方案进行DNA纯化和定量。如图所示，值得投入时间优化超声处理条件，以获得高质量的染色质提取物，从而得到长度在100至500个碱基对之间的DNA片段。电泳迁移率偏移实验用于验证超声处理后的提取物中含有完整的蛋白质-DNA交联，表现为DNA片段的上移。为评估背景信号，通常会在反应中不加抗体进行模拟ChIP实验。高质量的ChIP-exo文库与ChIP-seq文库制备相比，模拟样本中的背景信号会极低。图中显示的是对一个 ChIP-exo 文库进行的生物分析仪检测结果。该分析可准确评估文库片段大小分布，并检测在 125 个碱基对处出现的污染性接头二聚体。该图展示了在增殖的 K562 细胞中，RNA 聚合酶 II、TFIIB 和 TBP 在人类 RPS12 基因位点的 ChIP-exo 标签 5' 端 N 碱基经链分离后的平滑分布情况。本图显示了相对于蛋白质编码基因转录起始位点的平均 ChIP-exo 模式。综合图中 TBP、TFIIB 和聚合酶 II 的主要峰位置反映了人类转录起始复合物的基因组组织结构。一旦掌握，该技术若操作得当，可在四天内完成。该技术建立后，为基因调控领域的研究人员探索酵母中核内结构不对称性的分子细节提供了途径。在此方法基础上，还可开展其他实验，如RNase封阻表达谱分析，以回答特定因子是否影响邻近基因表达等问题。在进行该实验时，务必仔细填写所有酶促反应步骤的主混合液配制表格。请务必注意，操作致癌物及其他腐蚀性试剂时可能存在极高危险性，因此在进行本实验步骤时，必须采取佩戴个人防护装备等安全预防措施。观看本视频后，您应能够充分掌握高质量ChIP-exo文库的制备方法。

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我们描述了染色质内源性切割联合高通量测序技术（ChEC-seq），这是一种与染色质免疫沉淀（ChIP）正交的方法，利用微球菌核酸酶（MNase）融合蛋白在全基因组范围内定位蛋白质结合位点。...

全基因组范围内利用 ChEC-seq 技术在 Saccharomyces cerevisiae 中绘制蛋白质-DNA 相互作用图谱

精确测定蛋白质在整个基因组上的结合位点对于理解基因调控至关重要。本文描述了一种 基因组定位方法，该方法对染色质免疫沉淀获得的DNA进行外切酶消化处理（ChIP-exo），随后进行高通量测序。该方法可在哺乳类神经元中以接近单碱基对分辨率和高信噪比检测蛋白质-DNA相互作用。...

利用染色质免疫沉淀-外切酶技术（ChIP-Exo）在小鼠干细胞来源的神经元中进行蛋白质-DNA相互作用的高分辨率作图

本文介绍了免疫染色和染色质免疫沉淀的关键步骤。这些实验方案常用于研究与DNA损伤相关的细胞过程，并用于可视化及定量分析参与DNA修复的蛋白质的募集情况。...

可视化与定量内切酶介导的位点特异性DNA损伤

利用圆二色光谱法描述了ATP依赖性染色质重塑因子与DNA配体之间的相互作用。通过产生的峰分析基因启动子上发生的诱导构象变化，可用于理解转录调控的机制。...

利用圆二色光谱研究DNA-蛋白质相互作用

CUT&amp;#38;RUN 及其变体可用于确定蛋白质在染色质上的占据情况。本实验方案描述了如何利用单细胞 uliCUT&amp;#38;RUN...

使用超低输入量靶向切割与核酸酶释放技术进行染色质上单细胞因子定位

一种基于紫外光的 ChIRP 方法用于鉴定长链非编码 RNA...

一种基于紫外光的 ChIRP 方法用于可验证地鉴定与长链非编码 RNA 直接相互作用的蛋白质：从培养细胞到小鼠睾丸

学习ChIP-exo技术用于基因调控和表观遗传学研究，该技术结合染色质免疫沉淀、核酸外切酶处理和高通量测序，可实现近碱基对分辨率的蛋白质-DNA相互作用精确定位，具有低背景噪音优势。

ChIP-exo 方法：以接近碱基对精度鉴定蛋白质-DNA 相互作用

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