Lokalizacje interakcji białko-DNA dostarczają wglądu w mechanizmy regulacji genów. Immunoprecypitacja chromatyny w połączeniu z sekwencjonowaniem wysokoprzepustowym (ChIP-seq) jest stosowana od dekady do badania interakcji białko-DNA w całym genomie w żywych komórkach1,2. Jednak metoda ChIP-seq jest ograniczona przez niejednorodność fragmentacji DNA i zanieczyszczenie niezwiązanego DNA, które prowadzą do niskiej rozdzielczości mapowania, wyników fałszywie dodatnich, nieodebranych połączeń i niespecyficznego sygnału tła. Połączenie ChIP z trawieniem egzonukleazą (ChIP-exo) ulepsza metodę ChIP-seq poprzez przycinanie DNA ChIP do punktów sieciowania białko-DNA, zapewniając rozdzielczość bliską parom zasad i niski sygnał tła3,4,5. Znacznie lepsza rozdzielczość mapowania i niskie tło zapewniane przez ChIP-exo pozwalają na dokładne i kompleksowe określenie lokalizacji wiązania białko-DNA w całym genomie. ChIP-exo jest w stanie ujawnić funkcjonalnie odrębne motywy wiążące DNA, kooperacyjne interakcje między czynnikami transkrypcyjnymi (TF) i wiele miejsc sieciowania białko-DNA w określonym miejscu wiązania genomu, niewykrywalne przez inne metody mapowania genomowego3,4,6,7.
ChIP-exo było początkowo używane w pączkujących drożdżach do zbadania specyficznego dla sekwencji wiązania DNA TF, do zbadania precyzyjnej organizacji kompleksu transkrypcyjnego przed inicjacją i subnukleosomalnej struktury poszczególnych histonów w całym genomie4,8,9. Od czasu wprowadzenia w 2011 roku4, ChIP-exo jest z powodzeniem stosowany w wielu innych organizmach, w tym w bakteriach, myszach i komórkach ludzkich7,10,11,12,13,14,15,16,17. W 2016 roku Rhee et al.14 po raz pierwszy zastosowali ChIP-exo w neuronach ssaków, aby zrozumieć, w jaki sposób ekspresja genów neuronalnych została utrzymana po obniżeniu programowania TF Lhx3, który tworzy kompleks heterodimerowy z innym programującym TF Isl1. Badanie to wykazało, że przy braku Lhx3, Isl1 jest rekrutowany do nowych wzmacniaczy neuronalnych związanych przez Onecut1 TF w celu utrzymania ekspresji genów efektorowych neuronów. W tym badaniu ChIP-exo ujawniło, w jaki sposób wiele TF dynamicznie rozpoznaje typ komórki i elementy regulatorowe DNA specyficzne dla etapu komórki w sposób kombinatoryczny przy rozdzielczości mapowania bliska nukleotydom. W innych badaniach wykorzystano również metodę ChIP-exo, aby zrozumieć wzajemne oddziaływanie między białkami a DNA w innych liniach komórkowych ssaków. Han et al.7 użyli ChIP-exo do zbadania organizacji całego genomu TF GATA1 i TAL1 w mysich komórkach erytroidalnych za pomocą ChIP-exo. Badanie to wykazało, że TAL1 jest rekrutowany bezpośrednio do DNA, a nie pośrednio poprzez interakcje białko-białko z GATA1 podczas różnicowania erytroidalnego. W ostatnich badaniach wykorzystano również ChIP-exo do profilowania lokalizacji wiązania CTCF w całym genomie, polimerazy RNA II i znaczników histonów w celu zbadania mechanizmów epigenomicznych i transkrypcyjnych w ludzkich liniach komórkowych18,19.
Dostępnych jest kilka wersji protokołu ChIP-exo3,5,20. Jednak te protokoły ChIP-exo są trudne do naśladowania dla badaczy, którzy nie są zaznajomieni z przygotowywaniem bibliotek sekwencjonowania nowej generacji. Opublikowano doskonałą wersję protokołu ChIP-exo z łatwymi do wykonania instrukcjami i video21, ale zawierała wiele etapów enzymatycznych, które wymagają znacznej ilości czasu na wykonanie. W tym miejscu przedstawiamy nową wersję protokołu ChIP-exo zawierającą zredukowane etapy enzymatyczne i czasy inkubacji oraz wyjaśnienia dla każdego kroku enzymatycznego21. Reakcje naprawy końcówki i ogonowania dA są łączone w jednym kroku za pomocą enzymu przygotowania końca. Czas inkubacji dla etapów podwiązania indeksowego i uniwersalnego adaptera został skrócony z 2 godzin do 15 minut przy użyciu wzmacniacza ligacji. Reakcja kinazy po etapie ligacji adaptera indeksowego opisanym w poprzednim protokole ChIP-exo jest usuwana. Zamiast tego grupa fosforanowa jest dodawana podczas syntezy oligo DNA do jednego z końców 5' adaptera indeksowego (Tabela 1), który zostanie wykorzystany do etapu trawienia egzonukleazą lambda. Podczas gdy poprzedni protokół ChIP-exo wykorzystywał trawienie egzonukleazą RecJf w celu wyeliminowania jednoniciowych zanieczyszczeń DNA, ten etap trawienia jest tutaj usuwany, ponieważ nie jest krytyczny dla jakości biblioteki ChIP-exo. Ponadto, w celu oczyszczenia usieciowanego DNA po elucji ChIP, zamiast metody ekstrakcji fenol:chloroform:alkohol izoamylowy (PCIA) stosuje się metodę oczyszczania kulek magnetycznych. Skraca to czas inkubacji ekstrakcji DNA. Co ważne, usuwa większość dimerów adapterowych powstających podczas ligacji adaptera indeksowego, co może mieć wpływ na skuteczność PCR za pośrednictwem ligacji.
Przedstawiony tutaj protokół ChIP-exo jest zoptymalizowany do wykrywania precyzyjnych interakcji białko-DNA w neuronach ssaków zróżnicowanych od mysich embrionalnych komórek macierzystych (ES). Krótko mówiąc, zebrane i usieciowane komórki neuronalne są poddawane lizie, aby umożliwić poddanie chromatyny działaniu sonikacji, a następnie sonikowane, aby uzyskać fragmenty DNA o odpowiedniej wielkości (Ryc. 1). Kulki pokryte przeciwciałami są następnie wykorzystywane do selektywnego immunoprecypitacji fragmentarycznej, rozpuszczalnej chromatyny do białka będącego przedmiotem zainteresowania. Podczas gdy immunoprecypitowane DNA nadal znajduje się na kulkach, przeprowadza się naprawę końcową, ligację adapterów sekwencjonowania, reakcję wypełnienia i etapy trawienia egzonukleazą lambda od 5 do 3 stóp. Etap trawienia egzonukleazą jest tym, co nadaje ChIP-exo ultrawysoką rozdzielczość i wysoki stosunek sygnału do szumu. Egzonukleaza lambda przycina immunologicznie wytrącone DNA o kilka par zasad (bp) od miejsca sieciowania, powodując w ten sposób degradację zanieczyszczającego DNA. DNA ChIP poddane działaniu egzonukleazy jest eluowane z kulek pokrytych przeciwciałem, wiązania krzyżowe białko-DNA są odwracane, a białka ulegają degradacji. DNA jest ekstrahowane i denaturowane do jednoniciowego DNA ChIP, a następnie wyżarzanie i wydłużanie starterów w celu wytworzenia dwuniciowego DNA (dsDNA). Następnie wykonuje się podwiązanie uniwersalnego adaptera do końców poddanych działaniu egzonukleazy. Powstałe DNA jest oczyszczane, a następnie amplifikowane metodą PCR, oczyszczane żelem i poddawane sekwencjonowaniu nowej generacji.
Protokół ChIP-exo jest dłuższy niż protokół ChIP-seq, ale nie jest zbyt trudny technicznie. Każde pomyślnie immunoprecypitowane DNA ChIP może zostać poddane działaniu ChIP-exo, z kilkoma dodatkowymi etapami enzymatycznymi. Godne uwagi zalety ChIP-exo, takie jak ultrawysoka rozdzielczość mapowania, zmniejszony sygnał tła oraz zmniejszona liczba wyników fałszywie dodatnich i ujemnych w odniesieniu do miejsc wiązania genomu, przewyższają koszt czasu.