Purificazione della cromatina del locus genico a copia singola in Saccharomyces cerevisiae
Summary
Questo protocollo presenta un metodo di isolamento della cromatina locus-specifico basato sulla ricombinazione sito-specifica per purificare un locus genico a singola copia di interesse nel suo contesto nativo della cromatina dal lievito in gemmazione, Saccharomyces cerevisiae.
Abstract
L’unità organizzativa di base della cromatina eucariotica è la particella del nucleo del nucleosoma (NCP), che comprende il DNA avvolto ~ 1,7 volte attorno a un ottamero istone. La cromatina è definita come l’entità degli NCP e di numerosi altri complessi proteici, compresi i fattori di trascrizione, il rimodellamento della cromatina e gli enzimi modificanti. Non è ancora chiaro come queste interazioni proteina-DNA siano orchestrate a livello di specifici loci genomici durante le diverse fasi del ciclo cellulare. Ciò è dovuto principalmente alle attuali limitazioni tecniche, che rendono difficile ottenere misurazioni precise di tali interazioni dinamiche. Qui, descriviamo un metodo migliorato che combina la ricombinazione sito-specifica con un efficiente protocollo di purificazione di affinità in un’unica fase per isolare un locus genico di interesse a singola copia nel suo stato nativo della cromatina. Il metodo consente l’arricchimento robusto del locus bersaglio sulla cromatina genomica, rendendo questa tecnica una strategia efficace per identificare e quantificare le interazioni proteiche in modo imparziale e sistematico, ad esempio mediante spettrometria di massa. A seguito di tali analisi composizionali, la cromatina nativa purificata con questo metodo riflette probabilmente la situazione in vivo per quanto riguarda il posizionamento dei nucleosomi e le modificazioni degli istoni ed è, quindi, suscettibile di ulteriori analisi strutturali e biochimiche della cromatina derivata praticamente da qualsiasi locus genomico nel lievito.
Introduction
L’organizzazione dinamica dei genomi eucariotici in cromatina compatta il DNA per adattarsi ai confini del nucleo, garantendo al contempo una dinamica sufficiente per l’espressione genica e l’accessibilità per i fattori regolatori. In parte, questa versatilità è mediata dal nucleosoma, l’unità di base della cromatina, che comprende una particella centrale con 147 bp di DNA avvolto ~1,7 volte attorno all’ottameroistonico 1. Il nucleosoma è una struttura altamente dinamica per quanto riguarda la sua composizione, con numerose varianti istoniche e modificazioni post-traduzionali (PTM) sulle code istoniche N- e C-terminali. Inoltre, la cromatina eucariotica interagisce con una moltitudine di altri componenti essenziali, come i fattori di trascrizione, i macchinari per l’elaborazione del DNA e dell’RNA, le proteine architettoniche, gli enzimi coinvolti nel rimodellamento e nella modifica della cromatina e le molecole di RNA associate alla cromatina. Questi macchinari cruciali coinvolti nella trascrizione, nella replicazione e nella riparazione richiedono tutti l’accesso alla cromatina, che funge da substrato naturale per questi processi. Di conseguenza, la comprensione dei meccanismi molecolari alla base di queste transazioni del DNA richiede una definizione precisa delle alterazioni collettive nella struttura della cromatina nelle specifiche regioni genomiche in cui questi meccanismi convergono e facilitano le reazioni biologiche.
Nonostante l’identificazione di numerosi fattori della cromatina attraverso la genetica e gli studi di interazione proteina-proteina, l’esecuzione di analisi dirette, imparziali e complete delle interazioni della cromatina in particolari siti genomici è rimasta un ostacolo significativo 2,3. Inizialmente, solo regioni altamente abbondanti del genoma (cioè loci ripetitivi) o plasmidi multi-copia potevano essere isolati in quantità e purezza sufficienti per l’identificazione spettrometrica di massa delle proteine associate 4,5,6,7. Una serie di nuovi approcci basati sull’ibridazione diretta di sonde di cattura con DNA cromatinizzato, sulla biotinilazione di prossimità utilizzando il sistema CRISPR-dCas9 o sul legame di proteine adattatrici sequenza-specifiche al locus di interesse hanno iniziato a svelare il proteoma di loci a singola copia da genomi di lieviti e mammiferi 8,9,10. Tuttavia, tutti questi metodi richiedono la reticolazione della formaldeide per stabilizzare le interazioni proteina-DNA e la sonicazione per solubilizzare la cromatina per la successiva purificazione. Insieme, entrambe le manipolazioni escludono la possibilità di successivi studi strutturali e funzionali della cromatina purificata.
Per superare queste limitazioni, abbiamo precedentemente ideato una metodologia che impiega la ricombinazione sito-specifica per estrarre domini cromosomici mirati dal lievito11,12. In sostanza, la regione genomica di interesse è circondata da siti di riconoscimento (RS) per la R-ricombinasi sito-specifica di Zygosaccharomyces rouxi, incorporando contemporaneamente un gruppo di tre siti di legame al DNA per la proteina LexA repressore trascrizionale procariotica (LexA) all’interno della stessa regione. Le cellule di lievito contengono una cassetta di espressione per l’espressione simultanea di R-ricombinasi e una proteina LexA fusa a un tag di purificazione di affinità tandem (TAP). Dopo l’induzione della R-ricombinasi, l’enzima asporta in modo efficiente la regione bersaglio dal cromosoma sotto forma di un dominio cromatinico circolare. Questo dominio può essere purificato tramite la proteina adattatore LexA-TAP, che si lega ai siti di legame del DNA LexA, nonché a un supporto di affinità. Questo metodo è stato recentemente utilizzato per isolare domini cromatinici distinti contenenti origini di replicazione selezionate del cromosoma III13 del lievito.
Uno dei principali vantaggi di questo approccio ex vivo è che consente analisi funzionali del materiale isolato. Ad esempio, i domini di origine della replicazione purificati con questo metodo possono essere sottoposti a saggi di replicazione in vitro per valutare l’efficienza della cottura dell’origine in una provetta da modelli di cromatina assemblati nativi in vivo . In definitiva, la caratterizzazione biochimica e funzionale del materiale isolato può consentire la ricostituzione di processi nucleari utilizzando proteine purificate insieme al modello di cromatina nativa. In sintesi, questa metodologia apre una strada entusiasmante nella ricerca sulla cromatina, in quanto sarà possibile seguire i cambiamenti compositivi e strutturali della cromatina collettiva di una specifica regione genomica che subisce una certa transazione cromosomica.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’identificazione dei fattori e del paesaggio cromatinico di una specifica regione genomica bersaglio continua a rappresentare una sfida importante nella ricerca sulla cromatina18. Questo protocollo descrive un sistema efficiente per asportare e purificare in modo specifico domini cromatinici distinti dai cromosomi del lievito. Per quanto ne sappiamo, la purezza e la resa di questa purificazione in un’unica fase superano molti dei limiti dei metodi di purificazione della cromatina locus-specifici,…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Il lavoro nel laboratorio S.H. è stato sostenuto dal DFG attraverso SFB1064 (ID progetto 213249687), il Consiglio europeo della ricerca (ERC Starting Grant 852798 ConflictResolution) e la Helmholtz Gesellschaft.
Materials
| Yeast strains | |||
| Control Strain: MATa; ura3Δ0; leu2Δ0; his3Δ1; met15Δ0; bar1::kanMX4; Chr I 212kb::LEU2 pTEF2-LEXA-TAP pGAL1-10 RecR | Section 1, see references 13 and 14 | ||
| Recombination Strain: MATa; ura3Δ0; leu2Δ0; his3Δ1; met15Δ0; bar1::kanMX4; RS_LEXA_NS-3_ARS316_NS+3_RS; Chr I 212kb::LEU2 pTEF2-LEXA-TAP pGAL1-10 RecR | Section 1, see reference 13 and 14 | ||
| Plasmid | |||
| K238 plasmid | Section 1, see reference 13 Storage: Store at -20 °C |
||
| K071 Spike-in plasmid DNA | Section 7.1, see reference 13 Storage: Store at -20 °C |
||
| Reagents | |||
| Acetone | Carl Roth | 5025.1 | Section 2 Storage: Store at room temperature |
| Ammonium acetate (NH4Ac) | Sigma Aldrich | A7262 | Section 6 and 7.1 Storage: Store at room temperature |
| Ammonium solution (NH4OH) 25% | Merck Millipore | 533003 | Section 6 Storage: Store at room temperature |
| Ammonium sulfate | Santa Cruz | Sc-29085 | Section 2 Storage: Store at room temperature |
| Bacto agar | BD (VWR) | 90000-760 | Section 3 Storage: Store at room temperature |
| Bacto peptone | BD (VWR) | 211820 | Section 3 Storage: Store at room temperature |
| β-Mercaptoethanol | Sigma Aldrich | 07604 | Section 7.2 Storage: Store at 4 °C |
| Chemiluminescent substrate kit | ThermoFisher | 34580 | Section 7.2 Storage: Store at 4 °C |
| Di-Sodium Hydrogen phosphate dodecahydrate | Merck | 1.06579.1000 | Section 2 and 7.1 Storage: Store at room temperature |
| Dithiothreitol (DTT) | ThermoFisher | 15508013 | Section 4 Storage: Store at 4 °C |
| Ethanol | Merck | 100983 | Section 7.1 Storage: Store at room temperature |
| Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Sigma Aldrich | ED | Section 7.1 Storage: Store at room temperature |
| Galactose (20% (w/v) stock) | Sigma Aldrich | G0625-1KG / 5KG | Section 3 Storage: Store at room temperature |
| Gel loading dye (6x) | BioLabs | B7024A | Section 7.1 Storage: Store at -20 °C |
| Glusose | Sigma-Aldrich | G8270 | Section Storage: Store at room temperature |
| Glycine | Carl Roth | .0079.4 | Section 2 Storage: Store at room temperature |
| Glycogen (5 mg/mL) | Invitrogen | AM9510 | Section 7.1 Storage: Store at -20 °C |
| Hydrochloric acid (HCl) | PanReac AppliChem | 182109.1211 | Section 2, 4 and 7.1 Storage: Store at room temperature |
| Magnesium Acetate (MgAc) | Bernd Kraft | 15274.2600/C035 | Section 4 Storage: Store at room temperature |
| Magnesium chloride (MgCl2) | Sigma Aldrich | M8266 | Section 6 Storage: Store at room temperature |
| Nu PAGE LDS sample buffer (4x) | Invitrogen | 2399549 | Section 7.2 Storage: Store at room temperature |
| Phenol/Chloroform/Isoamyl alcohol (25:24:1 v/v) | Invitrogen | 15593-031 | Section 7.1 Storage: Store at 4 °C |
| Potassium chloride (KCl) | Sigma | P9541 | Section 4 Storage: Store at room temperature |
| Radioactively labeled α-32P dATP (3,000 Ci/mmol, 10 mCi/mL) | Hartmann Analytic | SRP-203 | Section 7.1 Storage: Store at 4 °C |
| RadPrime labeling system | ThermoFisher | 18428-011 | Section 7.1 Storage: Store at -20 °C |
| Raffinose (20% (w/v) stock) | SERVA | 34140.03 | Section 3 Storage: Store at room temperature |
| Sodium chloride (NaCl) | Merck | K53710504142 | Section 7.1 Storage: Store at room temperature |
| Sodium citrate (Na3C6H5O7) | Sigma-Aldrich | 71402 | Section 7.1 Storage: Store at room temperature |
| Sodium hydroxide (NaOH) | Sigma Aldrich | S5881 | Section 7.1 Storage: Store at room temperature |
| Sodium n-dodecyl sulfate (SDS) (5% stock (w/v) ) | Alfa Aesar | A11183 | Section 7.1 Storage: Store at room temperature |
| Sodium phosphate monobasic | Sigma-Aldrich | 71496 | Section 2 and 7.1 Storage: Store at room temperature |
| Sodium azide | Santa Cruz Biotechnology | sc-208393 | Section 2 Storage: Store at -20 °C |
| Triethylamine | Sigma Aldrich | 90340 | Section 2 Storage: Store at room temperature |
| Tris base | Chem Cruz | SC-3715B | Section 2 and 4 Storage: Store at room temperature |
| Triton X-100 | Sigma Aldrich | X100 | Section 2 and 4 Storage: Store at room temperature |
| Tween-20 | Bernd Kraft | 18014332 | Section 4 Storage: Store at room temperature |
| Yeast extract | BD (VWR) | 212720 | Section 3 Storage: Store at room temperature |
| Yeast mating factor alpha (1 µg/mL stock ) | Biomol | Y2016.5 | Section 3 Storage: Store at -20 °C |
| Yeast Synthetic Drop-out medium Supplements without LEUCINE | Sigma Aldrich | Y1376 | Section 1, see reference 14 |
| Enzymes | |||
| HpaI restriction enzyme (5,000 U/mL) | NEB | R0105S | Section 7.1 Storage: Store at -20 °C |
| Protease and Phosphatase Inhibitor Cocktail (100x) | ThermoFisher Scientific | 78446 | Section 4 Storage: Store at4 °C |
| Proteinase K (10 mg/mL) | SERVA | 33756 | Section 7.1 Storage: Store at -20 °C |
| RNase A (10 mg/mL) | ThermoFisher | EN0531 | Section 7.1 Storage: Store at -20 °C |
| TEV protease (10000 U/µL) | NEB | P8112S | Section 5 Storage: Store at -20 °C |
| Materials | |||
| BcMag Epoxy-Activated Magnetic Beads | Bioclone Inc. | FC-102 | Section 2 Storage: Store at 4 °C |
| Dry ice | Section 4 | ||
| Low-binding centrifuge tubes 2.0 mL | Eppendorf | 22431102 | Section 4 |
| Microspin G-25 Columns | Cytiva | 27-5325-01 | Section 7.1 Storage: Store at room temperature |
| Parafilm | Merck | P7793 | Section 4 |
| Positive nylon membrane | Biozol | 11MEMP0001 | Section 7.1 Storage: Store at room temperature |
| PVDF transfer membrane | Immobilon-Merck Millipore | IPVH00010 | Section 7.2 Storage: Store at room temperature |
| SDS-PAGE gel 4-12% bis-tris (15 well, 1.5 mm) | Invitrogen | NP0336BOX | Section 7.2 Storage: Store at 4 °C |
| Syringe (25 mL) with luer fitting | Henke Sass Wolf | 4200-000V0 | Section 3 |
| Whatman paper (Grade 3MM CHR Cellulose Western Blotting Paper Sheet) | Cytiva | 3030-917 | Section 7.1 Storage: Store at room temperature |
| Antibodies | |||
| Anti-LexA, rabbit polyclonal IgG, DNA binding region antibody | Merck Millipore | 06-719 | Section 7.2 Storage: Store at -20 °C |
| Goat Anti-Rabbit IgG (H+L), Horseradish peroxidase conjugate | Invitrogen | G21234 | Section 7.2 Storage: Store at -20 °C |
| Peroxidase Anti-Peroxidase (PAP) antibody produced in rabbit for the detection of TAP-tagged proteins | Sigma Aldrich | P1291-500UL | Section 7.2 Storage: Store at -20 °C |
| Rabbit IgG antibodies | Sigma | I5006-100MG | Section 2 Storage: Store at 4 °C |
| Primers (10 µM) | |||
| ARS316: fwd 5'- CGGCATTATCGTACACAACCT, rev 5'- GTTCTTCGTTGCCTACATTTTCT | Section 7.1 | ||
| K071 Spike-in plasmid DNA: fwd: 5'-TTTTCGCTGCTTGTCCTTTT, rev 5'- CATTTTCGTCCTCCCAACAT | Section 7.1 | ||
| PCR fragment from yeast genomic DNA as a template for ARS316 amplification (for southern blot): fwd 5’- AAATTCTGCCCTTGATTCGT rev 5’- TTTGTTTATCTCATCACTAAT | Section 7.1 | ||
| PDC1: fwd 5'- CATGATCAGATGGGGCTTCA, rev 5'-ACCGGTGGTAGCGACTCTGT | Section 7.1 | ||
| Equipment | |||
| Coffee grinder | Gastroback | 42601 | Section 4 |
| Dewar flask | NAL GENE | 4150-2000 | Section 3 |
| DynaMag TM-2 magnetic rack | Invitrogen | 12321D | Section 4, 5 and 6 |
| Hybridization oven | Hybaid Mini10 | Ri418 | Section 2 |
| Microcentrifuge | Eppendorf | 5424R | Section 4 and 7.1 |
| UV-crosslinker | Analytikjena | 95-0174-02 | Section 7.1 |
References
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