U myszy, wewnętrzna masa komórkowa (ICM) 3,5-dniowych zarodków zawiera embrionalne pluripotencjalne komórki macierzyste. ICM dalej rozwija się w epiblast w 4,5 dniu, wytwarzając komórki ektodermy, mezodermy i endodermy, trzy główne listki rozrodcze w zarodku. Chociaż komórki pluripotencjalne w ICM istnieją tylko przejściowo in vivo, mogą być wychwycone w hodowli poprzez ustanowienie mysich embrionalnych komórek macierzystych (mESC)1,2,3. MESC pozostają w stanie niezróżnicowanym i namnażają się w nieskończoność, ale pod wpływem bodźców wewnętrznych i zewnętrznych są również zdolne do wyjścia ze stanu pluripotencji i wytworzenia komórek trzech rozwojowych listków rozrodczych2,4. Co ciekawe, podczas hodowli w zawiesinie w małych kropelkach, mESC tworzą trójwymiarowe agregaty (tj. EB), które różnicują się we wszystkie trzy listki zarodkowe5. Test tworzenia EB jest ważnym narzędziem do badania procesu specyfikacji wczesnej linii.
Podczas określania linii, komórki każdej warstwy zarodkowej nabywają specyficzny program ekspresji genów4. Precyzyjna czasoprzestrzenna ekspresja genów jest regulowana przez różne elementy cis-regulatorowe, w tym promotory rdzenia, wzmacniacze, tłumiki i izolatory6,7,8,9. Wzmacniacze, regulacyjne segmenty DNA zwykle obejmujące kilkaset par zasad, koordynują ekspresję genów specyficzną dla tkanki8. Wzmacniacze są aktywowane lub wyciszane przez wiązanie czynników transkrypcyjnych i kofaktorów, które regulują lokalną strukturę chromatyny8,10. Powszechnie stosowanymi technikami identyfikacji przypuszczalnych wzmacniaczy są immunoprecypitacja chromatyny w całym genomie, a następnie sekwencjonowanie (ChIP-seq) oraz test chromatyny dostępnej dla transpozazy przy użyciu technik sekwencjonowania (ATAC-seq). Tak więc aktywne wzmacniacze charakteryzują się specyficznymi aktywnymi znacznikami histonów i zwiększoną lokalną dostępnością DNA11,12,13,14. Ponadto uważa się, że wzmacniacze rozwoju wymagają fizycznej interakcji z pokrewnym promotorem8,9. Rzeczywiście, wykazano, że warianty wzmacniacza i delecje, które zakłócają kontakty wzmacniacz-promotor, mogą prowadzić do wad rozwojowych15. W związku z tym istnieje zapotrzebowanie na nowatorskie techniki, które dostarczą dodatkowych informacji do identyfikacji funkcjonalnych wzmacniaczy kontrolujących ekspresję genów rozwojowych.
Od czasu rozwoju techniki przechwytywania konformacji chromosomów (3C)16, mapowanie kontaktów chromosomowych jest intensywnie wykorzystywane do oceny fizycznej odległości między elementami regulatorowymi. Co ważne, niedawno opracowano wysokoprzepustowe warianty technik 3C, zapewniające różne strategie utrwalania, trawienia, ligacji i odzyskiwania kontaktów między fragmentami chromatyny17. Wśród nich Hi-C in situ stał się popularną techniką pozwalającą na sekwencjonowanie produktów ligacji 3C w całym genomie18. Jednak wysokie koszty sekwencjonowania wymagane do osiągnięcia rozdzielczości odpowiedniej do analizy kontaktów wzmacniacz-promotor sprawiają, że technika ta jest niepraktyczna w badaniu określonych loci. W związku z tym opracowano alternatywne metody analizy docelowych loci w wyższej rozdzielczości19,20,21,22. Jedna z tych metod, a mianowicie 4C, znana jako strategia jeden przeciwko wszystkim, pozwala na wykrycie wszystkich sekwencji, które kontaktują się z miejscem wybranym jako punkt widzenia. Jednak wadą standardowej techniki 4C jest wymagany odwrócony PCR, który amplifikuje fragmenty o różnej wielkości, faworyzując małe produkty i stronniczą kwantyfikację po sekwencjonowaniu o wysokiej przepustowości. Niedawno opracowano UMI-4C, nowy wariant techniki 4C wykorzystujący unikalne identyfikatory molekularne (UMI) do ilościowego i ukierunkowanego profilowania kontaktów chromosomowych, który omija ten problem23. Podejście to wykorzystuje częste obcinacze, sonikację i protokół PCR za pośrednictwem ligacji zagnieżdżonej, co wiąże się z amplifikacją fragmentów DNA o stosunkowo równomiernym rozkładzie długości. Ta jednorodność zmniejsza odchylenia w procesie amplifikacji preferencji PCR dla krótszych sekwencji i umożliwia skuteczne odzyskiwanie i dokładne zliczanie przestrzennie połączonych cząsteczek/fragmentów.
Tutaj opisujemy protokół, który dostosowuje technikę UMI-4C do identyfikacji i ilościowego określenia kontaktów chromatyny między promotorami i wzmacniaczami instruujących o linii czynników transkrypcyjnych podczas różnicowania EB.