여기서는 30 μL 벌레 펠릿만을 사용하여 L4 단계 Caenorhabditis elegans 전체충에 구현할 수 있는 빠르고 간단한 ATAC-seq 프로토콜을 제시합니다.
방법 논문
여기서는 30 μL 벌레 펠릿만을 사용하여 L4 단계 Caenorhabditis elegans 전체충에 구현할 수 있는 빠르고 간단한 ATAC-seq 프로토콜을 제시합니다.
염색질 접근성은 전사, DNA 수리, 염색체 분리에 중요한 역할을 합니다. 과접근 영역은 보통 활성 프로모터 및 증강자와 상관관계를 맺어 전사 인자 결합과 조절 활동을 촉진합니다. 시퀀싱을 이용한 전이분해효소 접근 가능한 염색질 분석법(ATAC-seq)은 매우 적은 세포로 염색질 접근성을 전장적으로 프로파일링할 수 있게 합니다. 그러나 Caenorhabditis elegans 에서의 적용은 선충의 풍부한 콜라겐 큐티클 때문에 세포 해리가 복잡해집니다. 여기서는 L4 단계에서 전체 벌레에서 ATAC-seq를 수행하기 위한 최적화된 프로토콜을 제시합니다. 시술은 동기화된 배양에서 시작하여 큐티클 파괴, 효소 해리, 세포 현탁 준비를 포함합니다. 투과화된 핵은 이후 Tn5 전치를 거쳐 중합효소 연쇄반응(PCR) 증폭 및 차세대 시퀀싱(NGS) 준비 라이브러리의 정제를 거칩니다. 이 프로토콜은 30 μL의 웜 펠릿을 필요로 하며, 하루 만에 완료할 수 있고, 브리스톨 N2 기준 균주에서 5,000–9,000개의 접근성 피크를 생성합니다. 이 간소화된 워크플로우는 다른 발달 단계나 FACS로 정제된 세포 집단에도 적용할 수 있습니다. C. elegans에서 ATAC-seq에 대한 기술적 장벽을 줄임으로써, 이 방법은 유전적 및 환경적 교란에 반응하는 전체 유전체 염색질 접근성을 전체 생물체 맥락에서 연구할 기회를 확장합니다.
진핵생물 게놈은 세포 핵 안에 밀집되어 있습니다. 공간적 제약을 극복하기 위해 DNA는 뉴클레오좀을 단단히 감싸는데, 이는 8개의 히스톤으로 구성된 다단백질 복합체로, 서로 다른1문에 걸쳐 매우 보존되어 있습니다. 염색질 접근성 패턴은 조직 내 세포 상태와 유전자 특이적 패턴에 따라 달라집니다 2,3,4. 뉴클레오좀 접근성은 특히 전사 인자에 접근할 수 있는 프로모터 및 원위 조절 영역(예: 증강체)에서 활성 전사와 강한 상관관계를 보인다. 개방 염색질 영역은 DNA 수리, 복제, 염색체 분리에서도 중요한 역할을 합니다. 반면, 접근성 감소는 보통 침묵된 이색질과 반복 서열과 상관관계가있습니다.
크로마틴 접근성 지도화는 유전자 조절을 이해하는 데 강력한 접근법이었습니다. 염색질 접근성을 조사하기 위해 다양한 기법이 사용되어 왔습니다. 초기 방법 중 하나는 미세코칼 뉴클레아제(MNase)와 DNase I 소화를 사용하여 특정 유전자 8,9에서 뉴클레오좀 위치와 접근성을 지도화하는 데 사용되었습니다. 이 기법들은 이후 차세대 시퀀싱(NGS)10,11과 결합되어 유전체 연구에 적용되었습니다. 그러나 이러한 기법들은 성공적인 구현을 위해 효소 농도와 반응 시간, 그리고 상당한 수의 세포를 신중하게 보정해야 합니다.
2013년 그린리프 연구실은 적은수의 세포를 사용해 유전체 수준에서 염색질 접근성을 매끄럽게 매핑하는 ATAC-seq(ATAC-seq)를 이용한 전이체 접근 가능 염색질 분석 방법을 확립했습니다. ATAC-seq는 상업적으로 이용 가능한 Tn5 전위효소를 활용하여 짧은 DNA 서열(즉, 바코드)을 일반적으로 뉴클레오좀이 없는 개방 염색질 영역에 우선적으로 삽입하며, 활성 프로모터 및 증강자와 상관관계를 맺습니다. 프로토콜은 세포 투과와 핵 분리를 요구하며, 이후 Tn5를 이용한 제한적 소화를 통해 과접근 염색질 표지화를 진행합니다. 이후 PCR 과정에서 상보적 인덱스가 삽입되어 NGS13 이전에 샘플 다중화를 용이하게 합니다. ATAC-seq는 실리코 전사 인자 발자도 가능하게 하는 견고한 프로토콜임이 입증되었으며, 단일 세포 해상도 14,15,16,17에 구현되었습니다. 쥐와 인간 샘플 외에도 ATAC-seq는 제브라피시와 초파리, 선충 Caenorhabditis elegans18, 19, 20과 같은 무척추동물 등 다양한 시스템에 적용되었습니다.
수십 년간 C. elegans는 발달, 세포생물학, 신경과학 등 분야에서 강력한 모델 시스템으로 자리 잡았으며, 미세 RNA와 RNA 간섭(RNAi) 등 획기적인 발견을 이끌어냈다21,22. 이 유전자는 100MB의 컴팩트한 유전체와 ~20,000개의 단백질 암호화 유전자를 가지고 있습니다23. 유전자 조절은 프로모터 활동과 원위 증강자를 통해 이루어지며, 이는 ATAC-seq를 통해 다양한 조직, 발달 단계, 노화 시점에 걸쳐 지도화되었습니다24,18. 따라서 염색질 접근성 프로파일링은 C. elegans에서 유전자 조절을 이해하는 데 귀중한 도구가 되었습니다. 따라서 ATAC-seq는 다양한 환경 조건이나 야생 분리주에서 후생유전학적 경관을 연구하여 다양한 전사 반응을 밝혀내는 데 특별한 가능성을 지니고 있습니다. 또한, 다른 병원성 및 비병원성 선충의 염색질 구조에 대한 통찰도 제공할 수 있습니다.
C. elegans의 주요 방법론적 도전 중 하나는 콜라겐이 풍부한 큐티클의 존재로, 전체 기생충에서 균질한 세포 현탁물을 얻기 위해 해리되어야 한다는 점입니다25. 이 문제를 해결하기 위해 선충을 분해한 후 C. elegans18,26에서 ATAC-seq를 수행하는 다양한 프로토콜을 편집하고 최적화했습니다. L4 유충 단계를 사용하는 것이 선호되는데, 이 발달 시점의 동물들은 전사 활성 생식계를 가지고 있어 개방 염색질로 변환되어 체세포에서 염색질의 접근성을 일관되고 유익하게 제공합니다. 여기서는 C. elegans에서 ATAC-seq를 가능하게 하는 기생충 해리 및 세포 현탁 생성을 위한 빠르고 효율적인 프로토콜을 제시합니다. 저희 방법은 L4 단계 벌충에 최적화되어 있으며, 최대 30 μL의 벌레 펠릿만 필요하고, 다른 발달 단계나 FACS 정제 세포와 같은 소규모 샘플에도 적용할 수 있습니다. 이 프로토콜은 다양한 C. elegans 균주와 조건에서 수행할 수 있어, Bristol-N2 참조 균주에서 5,000–9,000개의 염색질 접근성 피크를 식별할 수 있게 하여 이후 염색질 접근성 분석의 기초를 마련합니다.
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항상 장갑을 착용하는 것이 권장됩니다.
참고: 1일차: 동기화된 벌레 개체군 준비 중. 모든 벌레는 대 장균 OP50을 씨앗 채운 NGM 플레이트에서 배양되었습니다. 시작하기 전에 필요한 것들: (샘플 또는 균주별로 기준), 90mm 또는 60mm 성충 판 2개, 사료가 포함된 90mm 또는 60mm 판 2개, M9 멸균 완충제27 (3g KH2PO4, 6g Na2HPO4, 5g NaCl, 1ml 1 M MgSO4, H2O 대 1L. 오토클레이빙으로 멸균)
1. 지렁이 수집
2. 표백
3. M9(액체) 밤사이에 알이 부화하는 모습
4. 2일차: 구충 성장: 회복 중인 L1 구충.
5. 3일차: 재고 용액 준비: 다음 용액은 4일차에 신선한 용액을 만들기 위해 준비되어야 합니다
참고: 이 검사는 2일차 또는 3일차에 할 수 있습니다.
6. 용액 준비
표 1: 신선 용액 준비용 재고. 선충 해리 및 세포 현탁 프로토콜을 위한 스톡 준비 레시피(6, 7절). 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭해 주세요.
7. 선충 해리 및 세포 현탁 프로토콜
참고: L4 동기화된 벌레 개체군이 있는 90mm 플레이트 1개 또는 30mm 플레이트 2개가 필요합니다.
8. 핵 분리 및 염색질 표지화
참고: 피펫 필터 팁을 사용하세요. 시작 전에: Tn5 버퍼를 분리하고 해동시키고, 37°C로 열차단을 설정하고, PCR 제품 정제 키트(재료표)를 꺼내고, EB 버퍼를 37°C에 넣고, 컬럼의 원심분리는 RT에서 수행해야 합니다.
9. 라이브러리 증폭
표 2: 첫 라이브러리 증폭 지침. 첫 라이브러리 증폭을 위한 레시피 및 PCR 프로그램(섹션 9). 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭해 주세요.
표 3: ATAC 라이브러리 최종 증폭 지침. 최종 라이브러리 증폭을 위한 레시피 및 PCR 프로그램(섹션 9). 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭해 주세요.
10. 도서관 정화
참고: 시작하기 전에 크기 선택 비즈(AMPure, SPRIselect, 또는 수제 보정 비즈)를 냉장고에서 꺼내 상온에 적응시키세요. 사용 전에 매번 보텍스를 이용해 비즈를 격렬하게 섞으세요.
11. 조각 크기 분포
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표지 부착 후 품질 관리를 통해 정확한 라이브러리 준비가 보장됩니다
프로토콜 중에는 염색질 표지 부착 후 수행되는 qPCR(9절)에 특별한 주의를 기울여야 하며, 이는 DNA 품질과 실험 수행 능력을 평가하는 데 매우 중요한 단계입니다. 그림 1A 는 두 개의 증폭 곡선을 보여줍니다; 왼쪽 영상(15사이클 미만)은 지금까지 모든 것이 성공적이었음을 보여주는 좋은 품질의 자료이므로 계속해도 괜찮습니다. 오른쪽 곡선(그림 1A)은 품질이 낮은 재료를 보여주므로, 이 샘플은 계속해서는 안 됩니다. 다음으로 주목할 점은 라이브러리의 증폭 및 정제 후에 분편 길이 분포를 평가하기 위해 모세관 전기영동을 수행하는 것이 권장된다는 것입니다. 전위된 DNA를 정확히 검증하기 위해서는 핵체체 패턴에 해당하는 조각들을 보여줘야 합니다: ~150 bp(단핵체), ~300 bp(이중염기체) 등(...
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여기서는 전체 L4 단계 Caenorhabditis elegans 벌레에서 ATAC-seq를 이용한 유전체 전체 염색질 접근성 프로파일링을 위한 최적화된 프로토콜을 설명합니다. 염색질 접근성은 유전자 발현, DNA 수리, 복제 및 재조합에 직접적인 영향을 미치며, ATAC-seq는 세포 및 조직 샘플의 표준 접근법이 되었지만, 특히 불투과성 콜라겐이 풍부한 큐티클을 가진 선충에서 온전한 생물체에 적용할 때는 독특한 기술적 도전 과제가 있습니다. 동시에, 전체 생물체 분석은 전 세계적인 후생유전학적 반응을 포착할 수 있는 독특한 기회를 제공합니다. 저희 방법은 소수의 동기화된 L4 단계 벌레에서 벌레 해리, 투과화, 핵 준비, 염색질 표지화 및 라이브러리 준비를 정교하게 처리함으로써 이러한 도전 과제를 해결합니다. 이 프로토콜은 하루 또는 이틀 만에 완전히 수행할 수 있으며 여러 샘플을 병렬로 처리할 수 있습니다.
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저자들은 이해 충돌이 없다고 선언합니다. 이 원고의 집필, 분석 또는 준비에는 생성형 AI가 사용되지 않았습니다.
J Hersch-González는 국립 인문과학기술위원회(Consejo Nacional de Humanidades, Ciencias y Tecnologías, CONAHCYT, 현 Secretaría de Ciencia, Humanidades, Tecnología e Innovación, SECIHTI)에서 박사 장학금을 받았다(#CVU 846476). J 허쉬-곤잘레스는 CONAHCYT(현재 SECIHTI) 장학금(788519)의 지원을 받았습니다. 이 프로젝트는 PAPIIT-UNAM의 보조금 IN217824과 SECIHTI의 보조금 CBF-2025-I-2275의 지원을 받아 VJV에 지원받았습니다. IFC에서는 UBM에 감사드립니다: 로라 옹가이-라리오스, 과달루페 코디스 우에르타, 미네르바 모라 카브레라; UBMI: 아우구스토 세사르 푸트-에르난데스와 카를로스 페랄타 알바레즈; 그리고 콘푸토 우니다드, 이미지놀로지아, 탈레르, 도서관. 이 연구에 사용된 균주를 제공해 주신 카이노르합디티스 유전학 센터(CGC)에 감사드립니다. CGC는 NIH 연구 인프라 프로그램 사무국(P40 OD010440)의 지원을 받고 있습니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 250 mL, 0.22 µm PES | Ultra Curz | sc-200253 | |
| Agar | BD | 214010 | |
| Agencourt AMPURE XP | Nalgene | A63886 | |
| Bovine Serum Albumin | Maplica | 200100 | |
| Calcium Chloride | Sigma | C5670-100G | |
| CellTrics 20 µm | Sysmex | 04-0042-2315 | |
| Cholesterol | Sigma | C8503-25G | |
| Digitonin | Sigma | D141-500 mg | |
| Disposable gloves | Microflex | 94-243 | |
| DL-Dithiothreitol | sigma | D0632-10G | 유해 |
| Ethyl alcohol, pure | Sigma | 1003661421 | |
| Fetal Bovine Serum | biowest | S181S-500 | |
| HEPES | Sigma | H3375-250 G | |
| Illumina Tagment DNA Enzyme and Buffer (large Kit) | Illumina | 20034211 | |
| Kapa Syber 50 mL | Sigma | KK4618 | |
| L-15 Medium (Leivobitz) | sigma | L4386-10L | |
| Magnesium Chloride anhydrous | Sigma | M8266-100G | |
| Magnesium Sulfate Heptahydrate | Sigma | M1880-500G | |
| Magnesium Sulfate Heptahydrate | Sigma | M1880-500G | |
| MinElute PCR Purification Kit (50 preps) | Qiagen | 28004 | |
| NEBNext® High-Fidelity 2X PCR Master Mix | NEB | M0541S | |
| Nonidet P40 Substitute | Sigma | 74835-1L | |
| Pen Strep | Gibco | 15140-122 | |
| Peptone | BD | 211677 | |
| Petri dish 60 mm | Tritech | T3308 | |
| Petri dish 90 mm | Interlux | C9015-2C | |
| Pipet tips 10 µL, filter | Cellpro | 800108 | |
| Pipet tips 20 µL, filter | Cellpro | 800708 | |
| Pipet tips 200 µL, filter | Cellpro | 800608 | |
| Potassium Chloride | Sigma | P9541 -500G | |
| Potassium Phosphate Dibasic Powder | J.T. Baker | 3252-01 | |
| Potassium Phosphate Monobasic, Crystal | J.T. Baker | 3246-01 500G | |
| Sodium Chloride | JT Baker | 3624-01 | |
| Sodium dodecyl sulfate | sigma | L4509-100G | |
| Sodium Hydroxide | Macron | 7708-10 | |
| Sodium Hypochlorite | Cloralex | 544394479 | |
| Sodium Phosphate Dibasic 7-Hydrated Crystal | J.T. Baker | 3824-01 | |
| SPRIselect | Beckman | B23318 | |
| Sucrose | Sigma | S0389-500G | |
| Syringe Filter PVDF 0.22 µm | Ultra Curz | Sc-358812 | |
| Trizma base | Sigma | T1503 1KG | |
| Tween 20 | Sigma | P9416-50ML |
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