Die Herstellung von Chromatin-Immunpräzipitationsproben aus bakteriellem Biofilm umfasst mehrere Schritte, wie in Abbildung 1dargestellt. Dazu gehören das Anbauen von Biofilm in der Kolbenkultur, das Sammeln konditionierter Medien, das Sammeln einer ausreichenden Menge an Biofilm und planktonischen Zellen als Kontrolle, das Waschen von Zellen in PBS, die Homogenisierung, die Vernetzung von Proteinen zur DNA, die Fragmentierung von DNA durch Beschallung, das Immunpräzipieren der DNA mit den entsprechenden Antikörpern und Protein-G-Perlen, das Waschen und Eluieren immunozipisierter DNA und die Reinigung der DNA.
S. Typhimuriumzellen, die in flüssiger Kultur unter biofilminduzierenden Bedingungen angebaut werden, durchlaufen einen Phänotypwechsel zu multizellulären Biofilmaggregaten und planktonischen Zellen. Diese Population wird etwa 40% Biofilmaggregate enthalten, die höhere Konzentrationen von Digulylatcyclasen (DGCs) und Biofilmregulatoren ausdrücken, und 60% planktonische Zellen, die höhere Konzentrationen von Virulenz-assoziierten Genen ausdrücken2,4 (Abbildung 2A). In diesem Protokoll beschreiben wir eine Methode zum Ernten beider Zelltypen, um Transkriptionsstellen über ChIP-seq zu vergleichen; Dieses Protokoll kann jedoch für andere Arten von Biofilmen angepasst werden, die von anderen Bakterienarten gebildet werden. Biofilmaggregate und planktonische Zellen werden durch langsame Geschwindigkeitszentrifugation getrennt, die Biofilm pellets und planktonische Zellen im Überstand2 (Abbildung 2B) hinterlässt. Die Zelltypen werden dann für nachfolgende Schritte im Protokoll separat behandelt.
Die empfohlene Menge an DNA-Eingang für ChIP-seq beträgt 10-25 g20. In S. Typhimuriumkolbenkultur, 30 mg Biofilm ergibt etwa 25 g DNA. Da Biofilmaggregate eine Fülle von proteinhaltigem extrazellulärem Material haben, gehen wir davon aus, dass dies die Effizienz der Vernetzung beeinträchtigen würde. Wenn wir die verschiedenen Zelltypen einfach nach Zellzahl normalisieren würden, kann die Behandlung von planktonischen Zellen zu einer ungleichen Menge an vernetzten Produkten führen, die für die Immunpräzipitation vorgelegt werden. Ein Proteintest wurde durchgeführt, um die entsprechende Menge an planktonischem Zellmaterial zu bestimmen, die 30 mg Biofilm entspricht (Abbildung 3). 6.0 OD600 planktonische Zellen wurden geerntet, um 30 mg Biofilm zu entsprechen.
Biofilmaggregate müssen zuerst auseinandergebrochen werden, um einen gleichberechtigten Zugang des Verkreuzers zu allen Zellen zu ermöglichen. Wir fanden heraus, dass die gleichmäßigste und hochdurchsatzweiseste Möglichkeit, die Zellen zu homogenisieren, die Verwendung einer Mischermühle und einer 5 mm Edelstahlperle war (Abbildung 4A). Planktonische Zellen werden auf die gleiche Weise behandelt, um Variablen im ChIP-seq-Experiment zu reduzieren (Abbildung 4B).
Sobald die DNA durch Beschallung fragmentiert, vernetzt und mit RNase und Proteinase K behandelt wurde, kann sie auf einem 2% Agarose-Gel visualisiert werden. Beschallte DNA wird in eine Sammlung von Fragmenten zerlegt, die als Abstrich auf dem Agarose-Gel erscheinen. Die durchschnittliche Fragmentgröße nimmt mit einer zunehmenden Anzahl von Beschallungsausbrüchen ab (Abbildung 5). Die Energieübertragung variiert für verschiedene Beschallungseinheiten, daher wird ein Beschallungstest empfohlen, um die Anzahl der Beschallungsbursts zu bestimmen, die erforderlich sind, um DNA auf durchschnittlich weniger als 1 kb zu fragmentieren. Für unser ChIP-seq-Experiment haben wir 5 Bursts ausgewählt.
ENCODE-Richtlinien empfehlen eine Bestätigung der Antikörper-Zielbindungsaktivität mit einem Immunoblot21. In diesem Fall haben wir die Spezifität und Bindungsfestigkeit unseres Antikörpers durch Immunoblot an ganzen zellspezifischen Lysaten gemessen, die für ChIP vorbereitet wurden (Abbildung 6). Wir haben bestätigt, dass der Antikörper an CsgD-3xFLAG bindet; Anti-FLAG- und Anti-CsgD-Signale kolokalisieren sich mit dem erwarteten Molekulargewicht (28 kDa)22.
ChIP-Verfahren führen oft zu geringen DNA-Konzentrationen. Daher wurde ein Reinigungsverfahren gewählt, das Verunreinigungen entfernt und einen hohen Anteil der DNA beibehält. Die magnetische Perlenreinigung wurde über die säulenbasierte Reinigung gewählt, da sie niedrige Konzentrationen der Eingangs-ChIP-DNA besser beibehielt (Abbildung 7) und Verunreinigungen entfernte (Daten nicht dargestellt).
Aufgrund reduzierter Ausgangsmengen an DNA kann die Bibliotheksvorbereitung von ChIP-DNA verdünnte Adapter und PCR-Anreicherung erfordern. Vor der Sequenzierung können Bibliotheken durch Bioanalyzer-Ablaufvisualierung visualisiert werden, um die korrekte Größenverteilung vor und nach der PCR-Anreicherung zu bestätigen (Abbildung 8). Darüber hinaus sollte qPCR verwendet werden, um die Anreicherung von Bindungsregionen zu bestätigen, wenn ein bekanntes regulatorisches Ziel des Transkriptionsfaktors vorhanden ist, indem die Faltenveränderung (Ct) zwischen bekannter Ziel- und Referenzgensequenzhäufigkeit in immunoprezipierter und beschallter Input-DNA verglichen wird.
ChIP-Sequenzierungsdaten sollten analysiert werden, indem Qualitätsbewertungen zugewiesen, Basen niedriger Qualität gestutzt, Vorwärts- und Rückwärtslesevorgänge ausgerichtet werden (in gepaarter Endsequenzierung), zu einem hochwertigen Referenzgenom zusammengemontelt, Spitzen über dem Hintergrund gefunden und nachgelagerte Analysen durchgeführt werden (Abbildung 9A). Die nachgeschaltete Analyse sollte die Visualisierung und Anmerkung von Spitzen, die Konsistenz mit biologischen Replikationsproben und die Motivanalyse umfassen und könnte eine Differenzbindungsanalyse zwischen Bedingungen oder Zelltypen sowie die Datenintegration mit der Genexpression aus bekannten Pfaden umfassen. Bei ChIP-seq-Daten wie unserer sollten Spitzen als deutlich über dem Hintergrund liegend(Abbildung 9B,C, rote Balken) mit einer p-Wertbestimmung identifiziert werden, nicht nur durch Faltenwechsel. Letztendlich werden die zugeordneten Lesevorgänge anhand der Anmerkung des Referenzgenoms visualisiert (Abbildung 9D). Ein schlechtes ChIP-Seq-Ergebnis würde wie Input-Seq ohne signifikante Spitzen über dem Hintergrund erscheinen.

Abbildung 1: Abbildung der Schritte in ChIP-seq mit bakteriellen Biofilmen. Im beschriebenen Verfahren hat S. Typhimurium-Zellen werden in 1% Tryptonkolbenkultur bei 28 °C mit Schütteln (1) angebaut, zellfreie konditionierte Medien werden für den Umgang mit Biofilmzelltypen (2) gesammelt, die verwendet werden, um eine ausreichende Menge an Biofilm und planktonischen Zellen zu sammeln (3). Diese Zellen werden mit PBS gewaschen und homogenisiert, um Biofilm (4) auseinanderzubrechen. Proteine sind mit einem Formaldehyd-Verlinker mit der DNA vernetzt, danach werden die Zellen lysiert, um Zellinhalte freizusetzen (5). Die DNA im Zelllysat wird durch Beschallung fragmentiert (6). Die mit dem Zielprotein vernetzte DNA wird durch Immunpräzipitation mit einem Antikörper ausgewählt, der an das Zielprotein und die Protein G-Magnetperlen bindet (7). Ausgewählte DNA wird aus Protein G-Magnetperlen (8) gewaschen und eluiert und zur Bibliotheksvorbereitung und -sequenzierung gereinigt (9). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 2: In-vitro-Kolbenmodell zum Studium von S. Typhimurium Biofilm Entwicklung. (A) S. Typhimuratzellen, die in 1% Trypton für 13 h bei 28 °C angebaut werden, durchlaufen phänotypumwechselzu den Biofilmaggregaten und planktonischen Zellen in der flüssigen Phase der Kolbenkultur. (B) Biofilmaggregate und planktonische Zellen aus der Kolbenkultur in (A) wurden 2 min durch Zentrifugation bei 210 x g getrennt. Der Überstand wurde für planktonische Zellpräparate geerntet und das Pellet für Biofilmzellpräparate geerntet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: Gesamtproteinkonzentrationen für planktonische Zellen und Biofilmzellproben, die von S geerntet wurden. TyphimuriumKolben Kultur. Es wurden farbmetrische Protein-Assays durchgeführt und Proteinmengen relativ zu einer BSA-Standardkurve bei 750 nm gemessen. Der Proteingehalt von lysierten planktonischen Zellproben bei 4,0, 6,0 und 8,0 OD600 wurde mit 30 mg Biofilmaggregaten verglichen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 4: Homogenisierung von Zellproben aus S. Typhimurium Biofilmkolbenkulturen. (A) Biofilmaggregate aus der in PBS (links) resuspendierten Kolbenkultur wurden mit einer Mischmühle bei 30 Hz für 5 min (rechts) homogenisiert. (B) Planktonzellen aus kolbenkultur, die in PBS resuspendiert wurden, wurden von der Mischermühle bei 30 Hz für 5 min verarbeitet, um die Konsistenz zwischen Zelltypproben zu gewährleisten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 5: Beschallungstest mit Vor-ChIP-Zelllysaten. Biofilm-Aggregat und planktonische Zellproben wurden getrennt, homogenisiert, vernetzt und lysiert. DNA-Protein-Komplexe wurden bis zu 8 Mal bei 30 s und 2 min auf Eis beschallt, um DNA in kleinere Fragmente zu brechen. Ein Teil des beschallten Lysats wurde auf einem 2% Agarose-Gel abgetrennt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 6: Zielbindende Spezifität von Anti-FLAG-Antikörpern, die in ChIP-seq verwendet werden. Die Antikörperspezifität wurde durch Immunoblotting gegen ganze Zelllysate beurteilt, die aus Kolbenkulturen des S hergestellt wurden. Typhimurium-Stämme wie gezeigt. Die Proben der DehnungcsgD + p3xFLAG/csgD und der WT-Biofilm stellen Biofilmaggregate dar, die aus Kolben geerntet werden, während Die Stamm-CsgD-p3xFLAG- und WT-Planktonzellen planktonische Zellen planktonische Zellen darstellen. Gereinigte CsgD mit T-Tags wurde als Steuerung geladen. Ganze Zelllysate wurden normalisiert, so dass in jeder Spur 30 g Gesamtprotein analysiert wurden. Zahlen auf der linken Seite beziehen sich auf die Größe (in kDa) der vorgefärbten Molekulargewichtsmarker. Primärer Antikörper für den oberen Fleck war ein polyklonaler Kaninchen-Anti-FLAG-Antikörper (Sigma-Aldrich #F7425), während der untere Fleck zusammen mit einem CsgD-spezifischen monoklonalen Antikörper2mit Kaninchen-Anti-FLAG inkubiert wurde. Goat Anti-Rabbit IgG (LiCor IRDye 680RD, 925-68071) und Goat Anti-Maus IgG (LiCor IRDye 800CW, 925-32210) wurden als sekundäre Antikörper verwendet. Fluoreszierende Signale wurden mit dem Odyssey CLx Bildgebungssystem und dem Softwarepaket Image Studio 4.0 (Li-Cor Biosciences) visualisiert. Repräsentative Bilder werden angezeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 7: Säulen- oder magnetische Perlen-basierte Reinigungsstrategien für kleine Mengen an DNA, die aus ChIP-seq-Experimenten resultieren. Proben bekannter DNA-Mengen wurden mit säulenbasierten Kits oder magnetischen Perlen gereinigt und die Konzentration des Eluats nach der Reinigung gemessen. Magnetische Perlen zeigten eine bessere Erholung bei niedrigen DNA-Spiegeln, ähnlich den geringen MENGEN an DNA, die typischerweise am Ende des ChIP-seq-Protokolls, aber vor der Vorbereitung der NGS-Bibliothek auftreten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 8: ChIP-DNA-Präparate und nachfolgende Bibliotheken, die von Bioanalyzer visualisiert werden. (A) Die durchschnittliche Fragmentgröße der genomischen DNA nach Zelllyse und Beschallung betrug <1000 bp, wobei die Mehrheit der Fragmente im Bereich von 200–500 bp lag. (B) Das Ausgangsmaterial für die Bibliotheksvorbereitung war unten entdeckt. (C) Adapterligation und PCR-Anreicherung ermöglichen die Verstärkung von Bibliotheksfragmenten. (D) Eine schlechte Bibliotheksvorbereitung hat niedrige DNA-Peaks, ungerade oder hochmolekulare Spitzen oder reichlich Adapterspitzen bei ca. 100 bp. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 9: ChIP-seq-Daten werden mit bioinformatischen Werkzeugen analysiert und in einem Genombrowser visualisiert. Ein. Flussdiagramm zur typischen bioinformatischen Analyse von ChIP-seq-Daten. Rohlesevorgänge für Biofilm(csgD-Stamm + p3xFLAG/csgD) und planktonische Zellen (csgD + p3xFLAG) wurden für minderwertige Lese- und Adapter gereinigt und Szugeordnet. Typhimurium 14028s Genome (NC_016856.1 für das Chromosom und NC_016855.1 für das Plasmid) von Bowtie2 (v2.3.3.1) mit den Standardparametern23. MACS2 (v2.1.2) wurde verwendet, um die Peaks mit Denparametern von '-q 0.01 -- nomodel' aufzurufen und Biofilmreplikationen als Testdatensätze und planktonische als Steuerung24zu verwenden. Das MACS2 bdgcmp Modul wurde weiter verwendet, um Faltanreicherungsspur mit Parametern von '-m FE' zu erzeugen. Die signifikante Peak-Datei mit Falten-Anreicherungsspur wurde mit bedtools/bedClip/bedGraphToBigWig25 in eine Perückendatei umgewandelt und mit DemIntegrative Genomics Viewer v2.5.126auf dem Referenzgenom visualisiert. Repräsentative Spitzen werden angezeigt (rote Balken). (B) Ein großer Bereich von 40 kbp, der mehrere Spitzen enthält, ist ein atypisches Ergebnis, aber immer noch potenziell wertvoll. (C) Dies ist ein typischeres Ergebnis, das zwei signifikante Spitzenregionen zeigt. (D) Zoomen Sie auf den linken Peak in C, zeigt Lesekarten zuordnung zum Bereich des S. Typhimurium 14028s Genom mit divergierenden Promotoren für uspA und uspB. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
| Zelllysepuffer |
| Lysis-Puffer |
| 50 mM Tris-HCl pH 8,1 |
| 10 mM EDTA |
| 1% SDS |
| Protease-Inhibitoren |
| IP-Verdünnungspuffer |
| 20 mM Tris-HCl pH 8,1 |
| 2 mM EDTA |
| 150 mM NaCl |
| 1% Triton X-100 |
| 0,01% SDS |
| Immunpräzipitationspuffer |
| IP-Waschpuffer 1 |
| 20 mM Tris-HCl pH 8,1 |
| 2 mM EDTA |
| 50 mM NaCl |
| 1% Triton X-100 |
| 0,1% SDS |
| IP-Waschpuffer 2 |
| 10 mM Tris-HCl pH 8,1 |
| 250 mM LiCl |
| 1 mM EDTA |
| 1% NP-40 |
| 1% Desoxycholsäure |
| TE (T10E1) pH 8,0 |
| 10 mM Tris-HCl |
| 1 mM EDTA |
| Elutionspuffer |
| 1% SDS |
| 100 mM NaHCO3 |
Tabelle 1. Pufferrezepte.