Przedstawiono szczegółowe protokoły wprowadzania zmodyfikowanego enzymu rozszczepionego TET2 (CiDER) do komórek ssaków w celu indukowania chemicznie indukowanego DNA hydroksymetylacji i epigenetycznej przebudowy.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Przedstawiono szczegółowe protokoły wprowadzania zmodyfikowanego enzymu rozszczepionego TET2 (CiDER) do komórek ssaków w celu indukowania chemicznie indukowanego DNA hydroksymetylacji i epigenetycznej przebudowy.
Metylacja DNA jest stabilną i dziedziczną modyfikacją epigenetyczną w genomie ssaków i bierze udział w regulacji ekspresji genów w celu kontrolowania funkcji komórkowych. Odwrócenie metylacji DNA lub demetylacji DNA odbywa się za pośrednictwem rodziny dioksygenaz translokacji dziesięciu jedenastu (TET) białek. Chociaż powszechnie donoszono, że nieprawidłowa metylacja i demetylacja DNA są związane z wadami rozwojowymi i rakiem, to, w jaki sposób te zmiany epigenetyczne bezpośrednio przyczyniają się do późniejszej zmiany ekspresji genów lub progresji choroby, pozostaje niejasne, głównie z powodu braku niezawodnych narzędzi do dokładnego dodawania lub usuwania modyfikacji DNA w genomie w określonej rozdzielczości czasowej i przestrzennej. Aby pokonać tę przeszkodę, zaprojektowaliśmy enzym rozszczepiony TET2, aby umożliwić czasową kontrolę utleniania 5-metylocytozyny (5mC), a następnie przebudowę stanów epigenetycznych w komórkach ssaków poprzez proste dodanie substancji chemicznych. W tym miejscu opisujemy metody wprowadzania indukowanego chemicznie narzędzia do przebudowy epigenomu (CiDER), opartego na zmodyfikowanym enzymie rozszczepionym TET2, do komórek ssaków i ilościowego określania chemicznie indukowanej produkcji 5-hydroksymetylocytozyny (5hmC) za pomocą barwienia immunologicznego, cytometrii przepływowej lub testu kropkowego. To indukowane chemicznie narzędzie do przebudowy epigenomu znajdzie szerokie zastosowanie w badaniu systemów komórkowych bez zmiany kodu genetycznego, a także w badaniu relacji epigenotyp – fenotyp w różnych systemach biologicznych.
Metylacja DNA, głównie odnosi się do dodawania grupy metylowej do pozycji węgla 5 cytozyny w celu utworzenia 5-metylocytozyny (5mC), jest katalizowana przez metylotransferazy DNA (DNMT). 5mC działa jako główny znacznik epigenetyczny w genomie ssaków, który często sygnalizuje represję transkrypcji, inaktywację chromosomu X i wyciszenie transpozonów1. W odwróceniu metylacji DNA pośredniczy rodzina białek translokacji dziesięciu elfów (TET). Enzymy TET należą do dioksygenaz zależnych od żelaza (II) i 2-oksoglutaranów, które katalizują sukcesywne utlenianie 5mC do 5-hydroksymetylocytozyny (5hmC), 5-formylocytozyny (5fC) i 5-karboksycytozyny (5caC). Utlenianie 5mC za pośrednictwem TET nakłada dodatkową warstwę kontroli epigenetycznej nad genomem ssaków. Odkrycie TET wywołało intensywne zainteresowanie w dziedzinie epigenetyki w celu odkrycia biologicznych funkcji białek TET i ich głównego produktu katalitycznego 5hmC. 5hmC jest nie tylko produktem pośrednim podczas aktywnej demetylacji DNA za pośrednictwem TET2,3,4, ale działa również jako stabilny znacznik epigenetyczny5,6,7,8. Chociaż hydroksymetylacja DNA jest silnie skorelowana z ekspresją genów, a nieprawidłowe zmiany w hydroksymetylacji DNA są związane z niektórymi zaburzeniami u ludzi9,10,11, związki przyczynowe między epigenetycznymi modyfikacjami DNA a fenotypami często pozostają trudne do ustalenia, co można częściowo przypisać brakowi niezawodnego narzędzia do dokładnego dodawania lub usuwania modyfikacji DNA w genom w określonej rozdzielczości czasowej i przestrzennej.
Tutaj informujemy o użyciu chemicznie indukowanego narzędzia do przebudowy epigenomu (CiDER) w celu pokonania przeszkód napotykanych w badaniach nad związkiami przyczynowymi między hydroksymetylacją DNA a transkrypcją genów. Projekt opiera się na założeniu, że domena katalityczna TET2 (TET2CD) może zostać podzielona na dwa nieaktywne fragmenty, gdy ulega ekspresji w komórkach ssaków, a jej funkcja enzymatyczna może zostać przywrócona poprzez przyjęcie chemicznie indukowanego podejścia do dimeryzacji (Rysunek 1A). Aby ustalić system split-TET2CD, wybraliśmy sześć miejsc w TET2CD, składających się z regionu bogatego w Cys i dwuniciowego fałdu β-helisy (DSBH), na podstawie zgłoszonej struktury krystalicznej kompleksu TET2-DNA, który nie ma regionu o niskiej złożoności12. Syntetyczny gen kodujący induplikowany rapamycyną moduł dimeryzacji FK506 wiążący białko 12 (FKBP12) i domenę wiążącą rapamycynę FKBP (FRB) ssaczego celu rapamycyny14,15, wraz z sekwencją polipeptydową samorozszczepiającego peptydu T2A16,17, został indywidualnie wstawiony do wybranych podzielonych miejsc w TET2CD. Wybór TET2 jako naszego celu inżynieryjnego opiera się na następujących względach. Po pierwsze, mutacje somatyczne w TET2 z jednoczesnym zmniejszeniem hydroksymetylacji DNA są często obserwowane w zaburzeniach u ludzi, w tym w zaburzeniach szpikowych i raku10, co dostarcza przydatnych informacji na temat wrażliwych miejsc, których należy unikać przy wprowadzaniu. Po drugie, duża część domeny katalitycznej TET2, szczególnie obszar o niskiej złożoności, jest zbędna dla funkcji enzymatycznej12, co umożliwia nam stworzenie zminimalizowanego podziału TET2 dla indukowalnych modyfikacji epigenetycznych. Po przebadaniu ponad 15 konstruktów, wybrano konstrukt, który wykazywał najwyższe indukowane rapamycyną przywrócenie swojej aktywności enzymatycznej w systemie ssaków i oznaczono go jako CiDER18. Opisujemy tutaj zastosowanie CiDER znakowanego mCherry w celu uzyskania indukowalnej hydroksymetylacji DNA i epigenetycznej przebudowy za pomocą rapamycyny oraz przedstawiamy trzy metody walidacji produkcji 5hmC za pośrednictwem CiDER w modelowym systemie komórkowym HEK293T.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Hodowla komórkowa, transfekcja plazmidu i indukcja chemiczna
2. Kwantyfikacja produkcji 5hmC indukowanej przez rapamycynę za pomocą barwienia immunologicznego
3. Test punktowy do ilościowego oznaczania ilości 5hmC i 5-metylocytozyny (5mC)
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Chemicznie indukowalna konwersja 5mC do 5hmC może zostać zwalidowana za pomocą immunobarwienia na poziomie pojedynczych komórek, analizy cytometrii przepływowej populacji komórek przetransfekowanych (mCherry-dodatnich) lub bardziej ilościowego testu dot-blot, jak przedstawiono na Rysunku 1. Domena katalityczna TET2, lub TET2CD, była stosowana w całym badaniu jako kontrola pozytywna. Szczegóły dotyczące mapowania zmian w 5hmC i dostępności chromatyny indukowan...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Tutaj zilustrowaliśmy zastosowanie zmodyfikowanego enzymu rozszczepionego TET2 w celu osiągnięcia czasowej kontroli hydroksymetylacji DNA. Po odkryciu rodziny TET dioksygenazy 5-metylocytozyny przeprowadzono wiele badań w celu rozszyfrowania funkcji biologicznych białek TET i ich głównego produktu katalitycznego 5hmC 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy deklarują brak sprzecznych interesów finansowych.
Dziękujemy za wsparcie finansowe od grantu National Institutes of Health (R01GM112003 dla YZ), Fundacji Welch (BE-1913 dla YZ), American Cancer Society (RSG-16-215-01 TBE dla YZ), Cancer Prevention and Research Institute of Texas (RR140053 dla YH, RP170660 dla YZ), American Heart Association (16IRG27250155 dla YH) oraz John S. Dunn Foundation Collaborative Research Award Program.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Lipofectamine 2000 Odczynnik do transfekcji | Thermo Fisher Scientific | 11668027 | |
| Rapamycin | Sigma-Aldrich | 37094 | |
| Paraformaldehyd, 16% roztwór | VWR | 100503-916 | |
| Triton X-100 | Amresco | 0694-1L | |
| Kwas solny | Amresco | 0369-500ML | |
| Albumina, Bydło | Amresco | 0332-100G | |
| Tween 20 | Amresco | 0777-1L | |
| Przeciwciało 5-hydroksymetylocytozyny (5-hmC) (pAb) | Motyw aktywny | 39769 | |
| Kozie przeciwciało anty-królicze IgG (H + L) adsorbowane krzyżowo, Alexa Fluor 488 | Thermo Fisher Scientific | A-11008 | |
| 4,6-diamidino-2-fenylolindolde (DAPI) | Biotium | 40043 | |
| SVAC1E SHEL LAB Ekonomiczny piekarnik próżniowy, 0,6 stopy sześciennej (17 l) | SHEL LAB | SVAC1E | |
| UltraPure SSC, 20X | Thermo Fisher Scientific | 15557036 | |
| Bio-Dot Apparatus | BIO-RAD | 1706545 | |
| Przeciwciało anty-5-metylocytozyny (5mC), klon 33D3 | Millipore | MABE146 | |
| Anti-mysie IgG, technologia sygnalizacji komórkowej przeciwciała sprzężonego z HRP | 7076S | ||
| IgG przeciw królikowi, | Technologia sygnalizacji komórek | 7074S | |
| West-Q Pico Dura ECL Solution | Gendepot | W3653-100 |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.