In dit werk bieden we een experimentele workflow van hoe actieve enhancers kunnen worden geïdentificeerd en experimenteel gevalideerd.
Method Article
* These authors contributed equally
In dit werk bieden we een experimentele workflow van hoe actieve enhancers kunnen worden geïdentificeerd en experimenteel gevalideerd.
Embryonale ontwikkeling is een meerstaps proces waarbij activering en onderdrukking van vele genen. Enhancer elementen in het genoom is gekend dat ze weefsel en celtype-specifieke regulatie van genexpressie tijdens de celdifferentiatie. Dus, de identificatie en verder onderzoek is belangrijk om te begrijpen hoe lot van de cel wordt bepaald. Integratie van genexpressie data (bijvoorbeeld microarray of RNA-volgende) en de resultaten van chromatine immunoprecipitatie (ChIP) gebaseerde genoomwijde studies (ChIP-seq) maakt het mogelijk op grote schaal identificatie van deze regulerende gebieden. Functionele validatie van celtype enhancers vereist verdere in vitro en in vivo experimentele procedures. Hier beschrijven we hoe actief enhancers kunnen worden geïdentificeerd en experimenteel gevalideerd. Dit protocol voorziet in een stap-voor-stap workflow die bestaat uit: 1) de identificatie van regulerende gebieden van Chip-seq data-analyse, 2) het klonen en experimental validatie van putatieve regulerende potentieel van de geïdentificeerde genomische sequenties in een reporter assay, en 3) bepaling van enhancer activiteit in vivo door het meten enhancer RNA transcript niveau. De gepresenteerde protocol is gedetailleerd genoeg om iedereen te helpen bij het opzetten van deze workflow in het lab. Belangrijk, kan het protocol eenvoudig aangepast worden aan en gebruikt in een cellulair modelsysteem.
De ontwikkeling van een meercellig organisme vereist een nauwkeurig gereguleerde expressie van duizenden genen in ontwikkelende weefsels. Regulatie van genexpressie wordt grotendeels bereikt door enhancers. Enhancers zijn korte niet-coderende DNA-elementen die kunnen worden gebonden met transcriptiefactoren (TF's) en op afstand kunnen werken om de transcriptie van een doelgen te activeren1. Enhancers zijn over het algemeen cis-werkend en worden het meest frequent gevonden net stroomopwaarts van de transcriptiestartplaats (TSS), maar recente studies beschreven ook voorbeelden waarbij enhancers veel verder stroomopwaarts werden gevonden, op de 3' van het gen of zelfs binnen de introns en exons2.
Er zijn honderdduizenden potentiële enhancers in de genomen van gewervelde dieren1. Recente methoden gebaseerd op chromatine-immunoprecipitatie (ChIP) leveren high-throughput data van het hele genoom die kunnen worden gebruikt voor enhanceranalyse3-9. Hoewel gegevens verkregen door ChIP-seq-experimenten de kans om cel- en weefselspecifieke enhancers te identificeren aanzienlijk verhogen, is het belangrijk om in gedachten te houden dat gedetecteerde bindingsplaatsen niet noodzakelijk directe DNA-binding en/of functionele enhancers identificeren. Daarom is verdere functionele analyse van nieuw geïdentificeerde enhancers onmisbaar. In dit werk presenteren we een eenvoudig drie-stappen proces voor identificatie en validatie van putatieve actieve enhancers. Dit omvat: 1) selectie van putatieve transcriptiefactor-bindingsplaatsen door bioinformatica-analyse van ChIP-seq-gegevens, 2) klonen en validatie van deze regulatorische sequenties in reporter-constructen, en 3) meting van enhancer RNA (eRNA).
Blootstelling van embryonale stamcellen (ES) aan retinoïnezuur (RA) wordt vaak gebruikt om neurale differentiatie van de pluripotente cellen te bevorderen 10. RA oefent zijn effecten uit door te binden aan RA-receptoren (RARα, β, γ) en retinoïde X-receptoren (RXRα, β, γ). RAR's en RXR's in de vorm van een heterodimeer binden aan DNA-motieven die RA-responselementen worden genoemd, die doorgaans zijn gerangschikt als directe herhalingen van de AGGTCA-sequentie (genoemd als halfsite) en reguleren transcriptie. Ligand-behandelingsexperimenten maakten de identificatie mogelijk van verschillende door retinoïnezuur gereguleerde genen in ES-cellen 11,12. Echter, enhancer-elementen voor veel van deze genen zijn nog niet beschreven. Om te demonstreren hoe het hier beschreven workflow kan worden gebruikt voor enhancer-identificatie en -validatie, laten we stap-voor-stap de selectie en karakterisering zien van twee retinoïnezuur-afhankelijke enhancers in embryonale stamcellen.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
1. Enhancer selectie op basis van Chip-seq Analyse
2. Reporter Assay
LET OP: De luciferine / luciferase systeem wordt gebruiktals een zeer gevoelig reporter assay voor transcriptionele regulering. Afhankelijk van de transcriptieverhogeractiviteit luciferase enzym geproduceerd dat de oxidatie van luciferine zal katalyseren oxyluciferine gevolg bioluminescense die gedetecteerd kan. Als eerste stap moet geïdentificeerde vermoedelijke enhancer sequenties gesubkloneerd in een reporter vector (bv TK-Luciferase 22, of pGL3 NanoLuc).
3. Karakterisering van Enhancer RNA
LET OP: Een meer directe indicator van de versterker activiteit is ontstaan uit de recente genoom-wide studies die veel korte niet-coderende RNA's geïdentificeerd, variërend in grootte van 50 tot 2000 nt, die worden getranscribeerd vanaf versterkers en zogenaamde enhancer RNAs (Ernas) 16,25,26 (figuur 4). Erna inductie sterk correleert met de inductie van aangrenzende exon coderende genen. Aldus kan signaalafhankelijke enhancer-activiteit in vivo worden gekwantificeerd door vergelijking Erna productie tussen verschillende omstandigheden door RT-qPCR.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
We gebruikten een pan-specifieke RXR antilichaam om na te gaan genoombrede waarin RA-gereguleerde genen receptor verrijking in hun nabijheid. Bioinformatica analyse van RXR ChIP-seq gegevens van ES-cellen behandeld met retinoïnezuur onthulde verrijking van de nucleaire receptor halve plaats (AGGTCA) onder de RXR bezette plaatsen (Figuur 1). Met behulp van een bio algoritme brachten we weer het motief zoekresultaten helft site om de RXR ChIP-seq data (figuur 2).
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
In de afgelopen jaren hebben vorderingen in de sequencingtechnologie het mogelijk gemaakt om grootschalige voorspellingen van enhancers in vele celtypen en weefsels te doen 7-9. De hierboven beschreven workflow stelt iemand in staat om een primaire karakterisering uit te voeren van kandidaat-enhancers die zijn gekozen op basis van ChIP-seq-gegevens. De gedetailleerde stappen en opmerkingen zullen iedereen helpen om een routinematige enhancervalidatie in het laboratorium op te zetten.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
De auteurs hebben niets te onthullen.
De auteurs willen Dr. Bence Daniel, Matt Peloquin, Dr. Endre Barta, Dr. Balint L Balint en leden van het Nagy laboratorium bedanken voor discussies en opmerkingen over het manuscript. L.N wordt ondersteund door subsidies van de Hongaarse Wetenschappelijke Onderzoeksfonds (OTKA K100196 en K111941) en medefinancierd door het Europees Sociaal Fonds en het Europees Fonds voor Regionale Ontwikkeling en Hongaars Hersenonderzoeksprogramma - Subsidienummer KTIA_13_NAP-A-I/9.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| KOD DNA polymerase | Merck Millipore | 71085-3 | voor PCR-amplificatie van enhancer uit gDNA |
| DNeasy Blood & Tissue kit | Qiagen | 69504 | voor isolatie van genomisch DNA |
| QIAquick PCR Purification kit | Qiagen | 28106 | voor zuivering van PCR-product |
| Gel extraction kit | Qiagen | 28706 | voor gelextractie als er meer PCR-producten zijn |
| HindIII | NEB | R3104L | restrictie-enzym |
| BamHI | NEB | R3136L | restrictie-enzym |
| FastAP | Thermo Scientific | EF0651 | vrijlating van 5'- en 3'-fosfaatgroepen van DNA |
| T4 DNA ligase | NEB | M0202 | voor ligatie |
| QIAprep Spin Miniprep kit | Qiagen | 27106 | voor plasmide-isolatie |
| DMEM | Gibco | 31966-021 | ES-medium |
| FBS | Hyclone | SH30070.03 | ES-medium |
| MEM Non-Essential Amino Acid | Sigma | M7145 | ES-medium |
| Penicillin-Streptomycin | Sigma | P4333 | ES-medium |
| Beta Mercaptoethanol | Sigma | M6250 | ES-medium |
| FuGENE HD | Promega | E2311 | transfectie reagens |
| Opti-MEM® I Reduced Serum Medium | Life Technologies | 31985-062 | voor transfectie |
| All-trans retinoic acid | Sigma | R2625 | ligand, voor activering van RAR/RXR |
| 96-well clear plate | Greiner | 655101 | voor Beta galactosidase assay |
| 96-well white plate | Greiner | 655075 | voor Luciferase assay |
| D-luciferin, potassium salt | Goldbio.com | 115144-35-9 | voor Luciferase assay |
| ATP salt | Sigma | A7699-1G | voor Luciferase assay |
| MgSO4•7H2O | Sigma | 230391-25G | voor Luciferase assay |
| HEPES | Sigma | H3375-25G | voor Luciferase assay |
| Na2HPO4 •7H2O | Sigma | 431478-50G | voor Beta galactosidase assay |
| NaH2PO4 •H2O | Sigma | S9638-25G | voor Beta galactosidase assay |
| MgSO4•7H2O | Sigma | 230391-25G | voor Beta galactosidase assay |
| KCl | Sigma | P9541-500G | voor Beta galactosidase assay |
| ONPG (o-nitrophenyl-β-D-galactosidase) | Sigma | N1127-1G | voor Beta galactosidase assay |
| TRIzol® | Life Technologies | 15596-026 | RNA-isolatie |
| High-Capacity cDNA Reverse Transcription Kit | Life Technologies | 4368814 | omkering van eRNA |
| Rnase-free Dnase | Promega | M6101 | Dnase-behandeling |
| SsoFast Eva Green | BioRad | 750000105 | RT-qPCR mastermix |
| CFX384 Touch™ Real-Time PCR Detection System | BioRad | qPCR-machine | |
| BioTek Synergy 4 microplate reader | BioTek | luminescentieteller |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission