단백질 관련 신생 DNA의 풍부화 및 시퀀싱(eSPAN)은 두 개의 복제 DNA 가닥에서 염색질 관련 단백질의 상대적 풍부도를 검출하기 위해 개발되었으며, 이를 통해 염색질 복제와 그 결합 과정에 대한 분자적 통찰을 밝혀냈습니다. 이 프로토콜은 효모 및 마우스 배아 줄기(ES) 세포에서의 eSPAN 절차를 설명합니다.
방법 논문
단백질 관련 신생 DNA의 풍부화 및 시퀀싱(eSPAN)은 두 개의 복제 DNA 가닥에서 염색질 관련 단백질의 상대적 풍부도를 검출하기 위해 개발되었으며, 이를 통해 염색질 복제와 그 결합 과정에 대한 분자적 통찰을 밝혀냈습니다. 이 프로토콜은 효모 및 마우스 배아 줄기(ES) 세포에서의 eSPAN 절차를 설명합니다.
게놈 중복은 헬리케이스를 포함한 플리솜 단백질에 의해 조율되며, 이들은 이중 가닥 DNA를 개별 반평행 단일 가닥으로 풀어내며, 각 복제는 연속(선도)과 비연속(지연) 복제 방식을 요구합니다. 생 체 내에서 크로마틴 연관 단백질과 복제 DNA 가닥의 상호작용을 이해하는 것은 DNA 복제와 연관된 크로마틴 조립 및 DNA 복구 메커니즘을 밝히는 데 매우 중요합니다. 이 프로토콜은 복제 포크에서 초기 선행 및 지연 DNA 가닥의 상대적 단백질 수준을 정량하기 위해 고안된 단백질 관련 신생 DNA 농축 및 시퀀싱(eSPAN) 방법을 제시합니다. eSPAN 절차는 염색질 면역침전(효모 내 ChIP) 또는 포유류 세포에서 표적 및 태그먼트 하에서 절단(CUT&Tag; 포유류 세포에서)으로 시작되며, 이어서 단백질 관련 초기 DNA를 브로모데옥시우리딘(BrdU) 면역침전으로 풍부하게 만듭니다. 가닥 특이적 차세대 시퀀싱은 분리된 ssDNA에 적용됩니다. 이 기술은 단백질이 선행 복제 포크에서 농축되어 있는지 또는 지연 복제 포크에서 농축되어 있는지 판단하는 데 사용될 수 있습니다. eSPAN은 복제 포크에서 히스톤을 포함한 염색마틴 관련 단백질의 유전체 가닥 선호도를 제공합니다.
진핵생물에서는 복제 기원이라 불리는 여러 부위에서 게놈 중복이 시작되며, 여기서 기원 인식 복합체(ORC)가 결합하여 CMG 헬리케이스를 포함한 모집 단백질 기구를 활성화하여 DNA 복제를시작합니다. 각 복제 원점의 리플리솜 기계는 양방향으로 움직이는 두 개의 복제 포크를 형성한다 2,3. 쌍복제 포크는 선행 가닥의 연속 합성과 지연 가닥의 불연속 합성을 통해 DNA의 두 모 가닥을 복제합니다. 각 복제 포크의 비대칭성 때문에, 선행 및 뒤진 가닥에 있는 DNA 중합효소를 포함한 복제 구성 요소는 다릅니다. 돌연변이 DNA 중합효소를 기반으로 한 이전 유전적 분석에 따르면, DNA Pol ε와 DNA Pol δ가 각각 주도가닥 복제와 지연 가닥 복제를 담당하는 주요 중합효소임이 입증되었습니다. DNA 중합효소의 가닥 선호도를 감지하기 위해 Pu-seq 6,7, HydEn-seq8, emRiboSeq 또는 RiboSeq 9,10 등 여러 방법이 개발되었습니다. 이러한 가닥 특이성 해부법은 DNA 중합효소에 한정되며, 각 단백질 4,5,11,12에 돌연변이를 도입해야 합니다. 표적 단백질과 선행 및 지연 가닥의 DNA 복제 포크 연관성을 추적하는 것은 DNA 복제에 대한 귀중한 통찰을 제공할 것입니다. 이 과정에서 우리는 먼저 효모 세포에서 eSPAN 기법(단백질 관련 신생 DNA의 농축 및 시퀀싱, 그림 1)을 개발했습니다. 원리 증명 연구로서 우리는 먼저 폴 δ와 폴 δ가 각각 선행 가닥과 뒤진 가닥에서 풍부함을 보였다. 또한 복제 DNA 헬리케이스, 단일 가닥 DNA 결합 단백질(복제 단백질 A), 증식 세포 핵항원(PCNA) 램프 및 그 로더 복제 인자 C(RFC)를 포함한 주요 DNA 복제 구성 요소들의 가닥 선호도를 밝혀냈다13. 중요하게도, 저희와 다른 연구자들은 이 방법을 통해 40년 넘게 해결하기 어려운 부모 히스톤 전달 메커니즘을 밝혀냈습니다.
eSPAN 방법은 두 단계로 구성되어 있습니다: ChIP18 또는 CUT&Tag19에 의한 표적 단백질의 농축과 BrdU 면역침전으로 단백질과 관련된 초기 DNA의 농축입니다. 표준 효모 균주(W303 또는 S288C)에서는 세포외 BrdU 또는 EdU가 세포에 들어가 염색체에 통합될 수 없습니다. 이 균주들은 티미딘 흡수를 위한 적절한 뉴클레오사이드 수송체와 티미딘을 TMP로 인산화하는 데 필요한 티미딘 키나아제가 부족하며, 이는 BrdU(또는 EdU)를 BrdUMP(EdUMP)로 전환시킵니다. 인간 평형 뉴클레오사이드 수송체 1(hENT1)과 단순포진 바이러스 티미딘 키나제(HSV-TK)의 발현은 티미딘 흡수와 BrdU(또는 EdU)의 BrdUMP(EdUMP)로 전환을 촉진합니다20. 따라서 효모에서 eSPAN 실험을 수행하기 위해서는 균주를 BrdU-Incorporating (BrdU-Inc) 구조(HSV-TK 및 hENT1)13,21로 삽입해야 했다.
이전에는 효모22의 DNA 복제 단백질을 위한 eSPAN 프로토콜을 제공했습니다. 최근에는 CUT&Tag 방법을 포유류 세포의 eSPAN 프로토콜에 통합하여 가교 결합, 염색질 전단, 시작 세포 수17,23 최소화 등 최적화가 필요한 기술적으로 어려운 단계를 해결했습니다. 여기서는 효모 세포를 이용한 시각화를 위한 히스톤 eSPAN(그림 2)을 제공했습니다. 이 방법은 주로 복제 DNA 가닥에서 변형된 형태의 히스톤 분포를 분석하는 데 사용됩니다. 여러 히스톤 표식을 시험하는 동안, 부모 히스톤 H3에 있는 H3K4me3를 예로 들었습니다. 복제 포크에서 DNA 수리에 관여하는 플리플리오스 구성 요소와 인자를 분석하기 위해, 저희는 첫 번째 논문22에서 설명한 대로 초음파 검사를 이용해 크로마틴을 작은 조각으로 전단할 것을 권장합니다. 포유류 세포의 경우, 효모23에서 설명한 ChIP 단계를 대체하기 위해 수정된 Cut&Tag 절차를 채택했습니다. 이 변형은 출발물질(세포)의 양을 줄이고, 무엇보다도 단일 가닥 DNA 준비 키트를 사용하지 않고도 시퀀싱을 위한 eSPAN 라이브러리 생성이 가능해집니다. 효모 프로토콜에서는 시작 물질의 양이 충분했기 때문에 Cut&Tag 방법을 사용하지 않았습니다. 더 중요한 것은, Cut&Tag 절차가 우리 손의 효모세포에 대해 일관되게 효과적이지 않다는 사실을 발견했다는 것입니다.
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참고: 버퍼 및 시약 준비 지침은 버퍼 및 시약 준비 지침(보충 파일 1)을 참조하십시오.
1. 출아 효모에서의 히스톤 eSPAN
참고: 대부분의 효모 균주는 티미딘 흡수를 위한 기능적 뉴클레오사이드 수송체가 없습니다. eSPAN에 대해 BrdU 또는 EdU로 DNA를 효율적으로 표지하기 위해서는 티미딘 키나아제(TK+) 균주21 이 필요합니다. 또한, 알파 인자를 이용한 교배형 'A' 효모 균주만이 세포 주기 정지에 사용할 수 있습니다.
2. 마우스 ES 셀을 사용하는 히스톤 eSPAN
참고: 마우스 ES 세포를 이용한 히스톤 eSPAN은 본질적으로 이전에 발표된 프로토콜23과 동일합니다.
3. 효모 세포 데이터 분석 (1일)
참고: 이 데이터 분석 과정은 효모 데이터에만 적용됩니다; ES 셀에 대한 eSPAN 데이터 분석은 최근 논문23에서 설명한 대로 따라갈 수 있습니다.
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eSPAN은 히스톤 및 히스톤 변형과 같은 표적 단백질에 관한 가닥 특이적 정보를 얻는 데 활용될 수 있습니다. 이 대표적인 결과에서는 표본 채취와 eSPAN 공정이 그림 2에 제시된 도식에 따라 출아 효모 시스템을 사용하여 수행되었습니다. 샘플 처리 및 채취는 하이드록시우레아 처리 초기 S상 조건을 따릅니다. 두 가지 효모 균주인 WT(야생형)와 mcm2-3A 돌연변이체가 사용되었다. DNA 헬리케이스 소단위체 MCM2는 부모 히스톤 H3-H4 샤페론 역할을 하는 반면, 3개의 아미노산 돌연변이를 포함하는 mcm2-3A 돌연변이는 부모 히스톤 H3-H414,27에 결합하는 능력이 없습니다. 그림 3A는 일정한 길이의 배수를 가진 DNA 조각을 보여주며, 준비된 시퀀싱 라이브러리를 위해 ...
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선행 및 지연 복제 가닥과 관련된 단백질 검출은 염색질 복제 메커니즘과 관련 과정을 이해하는 데 중요하며, 이는 인간 암 연구와 약물 내성 메커니즘에 직접적으로 관련이 있습니다. 2D 겔, 천연 크로마틴 면역침전(nChIP), iPOND, 신생 염색질 캡처 29,30,31과 같은 여러 방법이 DNA 복제와 DNA 수리와 같은 관련 과정을 연구하는 데 사용되었습니다. 또한, 신생 염색질의 생체 내 지도화를 위한 방법들, 예를 들어 MINCE-Seq(EdU 및 시퀀싱을 이용한 생체 신생 염색질 매핑)32, CHOR-seq(복제 후 염색질 점유)33와 같은 방법들이 DNA 복제 과정에서 히스톤 및 기타 염색질 결합 단백질의 역학을 연구하기 위해 개발되었...
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저자들은 공개할 것이 없습니다.
이 연구는 국립보건원(NIH)의 R35GM118015(Z.Z.), R01GM130588(C.Y.), 그리고 Hormel Startup Fund(C.Y.)의 지원을 받았습니다.
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