$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
In eukaryotische organismen wordt genoomduplicatie geïnitieerd vanuit meerdere locaties, replictie-oorsprong genoemd, waar het origin recognition complex (ORC) bindt en de recrutering van de eiwitmachinerie start, inclusief de CMG-helicase, om DNA-replicatie te initiëren1. De replisoommachinerie bij elke replictie-oorsprong vormt twee replicatiefoorken die bidirectioneel bewegen2,3. De tweeling-replicatiefoorken repliceren de twee ouderlijke DNA-strengen door de continue synthese van de leidende streng en discontinu synthese van de achterblijvende streng. Gezien deze asymmetrische aard van elke replicatiefoork, zijn de replicatiecomponenten, inclusief de DNA-polymerasen op de leidende en achterblijvende strengen, verschillend. Eerdere genetische analyse op basis van mutante DNA-polymerasen toont aan dat DNA Pol ε en DNA Pol δ de belangrijkste polymerasen zijn die verantwoordelijk zijn voor de replicatie van respectievelijk de leidende en achterblijvende streng4,5. Er zijn verschillende methoden ontwikkeld om de strengvoorkeur van DNA-polymerase te detecteren, inclusief Pu-seq6,7, HydEn-seq8, en emRiboSeq of RiboSeq9,10. Deze genetische methoden om de strengspecificiteit te onderscheiden zijn beperkt tot DNA-polymerasen en vereisen het introduceren van mutaties in elk eiwit4,5,11,12. Het volgen van de associatie van een doeleiwit met leidende en achterblijvende strengen van DNA-replicatiefoorken zal waardevolle inzichten in DNA-replicatie opleveren. In dit verband ontwikkelden we eerst de eSPAN-techniek (verrijking en sequencing van eiwit-geassocieerd nasend DNA, Figuur 1) in gistcellen. Als een proof-of-principal studie toonden we eerst aan dat Pol δ en Pol δ verrijkt zijn op respectievelijk de leidende en achterblijvende strengen. We ontdekten ook de strengvoorkeur van belangrijke DNA-replicatiecomponenten, inclusief de replicatieve DNA-helicase, het enkelstrengs DNA-bindende eiwit (replicatie-eiwit A) en de proliferating cell nuclear antigen (PCNA) lamp en zijn loader replicatie factor C (RFC)13. Belangrijk is dat wij en anderen deze methode hebben gebruikt om mechanismen van parentaal histone transfer te onthullen, een proces dat meer dan 4 decennia lang ongrijpbaar was14,15,16,17.
De eSPAN-methode omvat twee opeenvolgende stappen: verrijking van het doeleiwit door ChIP18 of CUT&Tag19 en verrijking van het nasend DNA geassocieerd met het eiwit door BrdU immunoprecipitatie. In een standaard giststam (W303 of S288C) kunnen extracellulair BrdU of EdU niet in cellen binnendringen en zich in chromosomen incorporeren. Deze stammen missen een geschikte nucleoside transporter voor thymidine opname evenals de thymidine kinase die nodig is om thymidine te fosforyleren tot TMP, dat BrdU (of EdU) omzet in BrdUMP (EdUMP). Expressie van humaan equilibratief nucleoside transporter 1 (hENT1) en herpes simplex virus thymidine kinase (HSV-TK) verbetert de thymidine opname en de omzetting van BrdU (of EdU) naar BrdUMP (EdUMP)20. Daarom moesten de stammen voor het uitvoeren van het eSPAN-experiment in gist worden voorzien van een BrdU-Incorporerende (BrdU-Inc) structuur (HSV-TK en hENT1)13,21.
Eerder hebben we het eSPAN-protocol voor DNA-replicatie-eiwitten in gist geleverd22. Onlangs hebben we de CUT&Tag-methode geïntegreerd in het eSPAN-protocol in zoogdiercellen om technisch uitdagende stappen aan te pakken die optimalisatie vereisen, zoals cross-linking, chromatine-shearing, en om het aantal startcellen te minimaliseren17,23. Hier leverden we histone eSPAN voor visualisatie met behulp van gistcellen (Figuur 2). Deze methode wordt voornamelijk gebruikt om de distributie van gemodificeerde vormen van histonen op replicerende DNA-strengen te analyseren. Hoewel we verschillende histon-merken hebben getest, gebruikten we H3K4me3, een markering op de parentaal histone H3, als voorbeeld. Om replisoomcomponenten en factoren betrokken bij DNA-reparatie bij replicatiefoorken te analyseren, raden we aan chromatine in kleine fragmenten te sheren met behulp van sonicatie zoals beschreven in onze eerste publicatie22. Voor zoogdiercellen hebben we de gemodificeerde Cut&Tag-procedures geadopteerd om de ChIP-stap te vervangen zoals beschreven in gist23. Deze aanpassing vermindert de hoeveelheid startmateriaal (cellen) en, belangrijker nog, maakt de generatie van eSPAN-bibliotheken voor sequencing mogelijk zonder het gebruik van single-stranded DNA-voorbereidingskits. Voor het gistprotocol hebben we ervoor gekozen om de Cut&Tag-methode niet te gebruiken omdat de hoeveelheid startmateriaal voldoende was. Wat nog belangrijker is, vonden we dat de Cut&Tag-procedures niet consistent effectief waren voor gistcellen in onze handen.