המהיר פלורסנט<em> באתר</em> הכלאת פרוטוקול לXist RNA משולב עם Immunofluorescence של היסטון שינוי באיון כרומוזום X
Summary
We developed an easily customized strand-specific fluorescent in situ hybridization (FISH) protocol combined with immunofluorescence. This allows for a detailed examination of RNA dynamics with simultaneous insight into the chromatin structure, nuclear organization, and transcriptional regulation at the single cell level.
Abstract
שילוב ניאון RNA הכלאה באתר (דגים) עם immunofluorescence (חיסוני דגים) יוצר בטכניקה שיכולה להיות מועסק ברמת התא הבודד כדי לזהות את הדינמיקה המרחבית של לוקליזציה RNA עם תובנה סימולטני ללוקליזציה של חלבונים, שינויים אפיגנטיים ופרטים נוספים אשר יכול להיות מודגש על ידי immunofluorescence. איון כרומוזום X הוא פרדיגמה להשתקת גנים ארוכה RNA קידוד שאינו (lncRNA) בתיווך. הצטברות X-פעיל תמליל ספציפי (Xist) lncRNA (נקראת Xist ענן) באחת משני כרומוזומים X-בנקבות יונקים היא שלב קריטי ליזום איון כרומוזום X. RNA Xist במישרין או בעקיפין אינטראקציה עם אנזימי שינוי הכרומטין שונים ומציג נופים אפיגנטיים ברורים לכרומוזום X פעיל (Xi). סימן היכר ידוע אפיגנטיים אחד Xi הוא trimethyl ליזין היסטון H3 27 שינוי (H3K27me3). כאן אנו מתארים חיסוני FISH פשוט ומהירפרוטוקול לאיתור Xist RNA באמצעות RNA FISH עם בדיקות oligonucleotide מרובות בשילוב עם immunofluorescence של H3K27me3 לבחון את הלוקליזציה של Xist RNA ושינויים אפיגנטיים הקשורים. שימוש בתוצאות בדיקות oligonucleotide בזמן דגירה קצר יותר וגילוי רגיש יותר של Xist RNA בהשוואה לבדיקות RNA במבחנה עיבד (riboprobes). פרוטוקול זה מספק כלי רב עוצמה להבנת הדינמיקה של lncRNAs והשינוי אפיגנטיים הקשורים אליו, מבנה הכרומטין, ארגון גרעיני ורגולצית תעתיק.
Introduction
איון כרומוזום X יונקים (xci) הוא אסטרטגיה כדי לפצות על חוסר האיזון במינון גן צמוד X בין XX וXY, שבו אחד משני כרומוזומי X-בנקבות הוא תעתיק 1 מומת. איון כרומוזום X הוא מערכת מודל נהדרת עבור RNA קידוד שאינו ארוך מחקר (lncRNA). איון כרומוזום X מוסדר על ידי lncRNAs מרובה, ונחקר בהרחבה בעשרות השנים האחרונות לחשוף את מנגנוני crosstalk בין lncRNAs, שעתוק, מבנה הכרומטין וארגון גרעיני 2, 3.
מרכז איון X (XIC) הממוקם על כרומוזום X הוא מוקד גנטי מורכב מורכב ממספר גני ייצור RNAs ללא קידוד 4. X-פעיל תמליל ספציפי (Xist) lncRNA ביונקי eutherian הוא lncRNA אחד כזה אשר ממלא תפקיד מכריע באיון כרומוזום X 5,6. תמלילי Xist מקיפים את מיקומו של פוture Xi ליזום איון כרומוזום X, ומופיע כענן כאשר דמיינו באמצעות RNA FISH; מערך זה נקרא "Xist הענן" 7. מאז Xist RNA אינטראקציה עם אנזימי שינוי הכרומטין שונים, שיתוף לוקליזציה של ענני Xist עם שינויים אפיגנטיים שונים להכרומטין השקט ושעתוק דיכוי הוא ציין במהלך איון כרומוזום X 8. לדוגמא, Xist RNA אינטראקציה עם מורכב Polycomb מדכא 2 (PRC2) האחראית על H3K27me3 וגורם למצב הכרומטין דיכוי 9. המופע של ענן Xist על Xi ושיתוף הלוקליזציה שלה עם שינוי H3K27me3 האינטנסיבי מייצג נוף heterochromatin פקולטטיביים של Xi 10,11.
טכניקות ציטוגנטית, כגון DNA / RNA FISH יש כברת דרך מהשיטה המסורתית באמצעות בדיקות radiolabelled 12 לטכניקות האחרונות ומתקדמות ברגישות ובמשופרותהדמיה ניאון באמצעות בדיקות oligonucleotide מרובות 13,14. FISH DNA / RNA בשילוב עם immunofluorescence נעשה שימוש באופן שגרתי ככלי ציטולוגית להבין ארגון spatiotemporal גרעיני, לוקליזציה RNA, מבנה הכרומטין ושינויים. הכנת הבדיקה סטנדרטית ביותר עבור RNA FISH כרוך בשימוש בפלסמיד או כרומוזום מלאכותי שיבוטים חיידקים (BAC) והתיוג הבא שלהם או עם תרגום לכינוי או לתחולו אקראי 15. עם זאת, כמעט 70% מהגנים בעכברים ו -40% מהגנים בבני האדם להראות חפיפה של תמלילי תחושה וantisense 16, ומכאן צורך בשיטת FISH גדיל הספציפי כדי להבדיל תמלילי תחושה וantisense. במבחנה בדיקות RNA עיבד (riboprobe ) משמש לעתים קרובות לFISH גדיל RNA ספציפי 17,18; עם זאת, מדובר בהכנת שיבוט פלסמיד או מוצר PCR עם T7, SP6, או אמרגן T3 וriboprobes סינתזה. יתר על כן, Riboprobes נגזר מgenomic DNA או cDNA לעתים קרובות מכיל אזורים שאינם ספציפיים ואלמנטים חוזרים, אשר יביאו לרעש רקע גבוה. בעיה נוספת היא שriboprobes, שהם כמה מאה נוקלאוטידים באורך ומכיל fluorophores מרובה, לא יכולה לחדור ביעילות לתוך הגרעין. כדי לעקוף את זה, בדיקות oligonucleotide קצרות מרובות שכותרתו עם fluorophore אחד בסוף פותחו שיש לי רגישות טובה, עוצמת אות אחידה, וקלות לניקוי וטיפול 14. בנוסף, oligonucleotides DNA הוא בדרך כלל יציב יותר מRNA. אנחנו מוחלים אסטרטגיה דומה של שימוש בoligonucleotides Xist RNA FISH 19 עם immunofluorescence להבין את הדינמיקה אפיגנטיים של Xi הנגרמת על ידי Xist lncRNA במהלך התהליך של איון כרומוזום X. פרוטוקול זה מתאר את הקמתה של בדיקות oligonucleotide והכנה נכונה של תאים, כמו גם ניצול של immunofluorescence וRNA FISH. Xist RNA FISH באמצעות oligonucle מרובהotides היא גישה יעילה עלות בטווח הארוך אם Xist RNA FISH מבוצע באופן שוטף במעבדתו של אחד. טכניקה זו יכולה לשמש כדי לזהות lncRNAs בתאים תוך מיפוי שיתוף הלוקליזציה שלה עם שינויים או גורמים אפיגנטיים בו-זמנית. אחד יתרונות עיקריים של הפרוטוקול הוא היכולת לשנות אותו בקלות כדי להתאים תחומי המחקר של אחד.
Protocol
Representative Results
Discussion
במאמר זה, שהצגנו פרוטוקול חיסוני FISH מהיר שלוקח פחות מ 5 שעות כדי להשלים הכנת שקופיות, Xist RNA FISH, וimmunofluorescence לH3K27me3. בהשוואה לגישה חיסונית FISH הכללי לXist RNA זיהוי, אשר בדרך כלל צריך דגירה הלילה לRNA FISH, פרוטוקול זה לא רק מפחית באופן משמעותי את משך זמן, אלא גם משפר את הרגישות של ח?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We thank Hongjae Sunwoo for helpful advice for oligonucleotide design in RNA FISH. We also thank Serenity Curtis for editing the manuscript. N.Y. was supported by a Postdoctoral Fellowship for Research Abroad of the Japan Society for the Promotion of Science (JSPS). This work was supported by the NIH (RO1-GM102184), the March of Dimes Research Foundation (#6-FY12-337), and the Developmental Fund and Trustee Grant at Cincinnati Children’s Hospital Medical Center to Y.O.
Materials
| oligonucleotides with 5’-amine modification | IDT | |
| Alexa Fluor 488 Reactive Dye | Life Technologies | A32750 |
| MicroSpin G-25 columns | GE Healthcare | 27-5325-01 |
| Cytospin 2 | Shandon | 59900102 |
| Bovine Serum Albumin, Molecular Biology Grade (for hybridization buffer) | Roche | 10715859103 |
| Histone H3K27me3 antibody | Active Motif | 61017 |
| Accutase | Innovative Cell Technologies | AT104 |
| Alexa Fluor 555 Goat Anti-Mouse, highly cross-adsorbed | Life Technologies | A21424 |
| ProLong Gold antifade reagent | Life Technologies | P36931 |
References
- Payer, B., Lee, J. T. X chromosome dosage compensation: how mammals keep the balance. Annu Rev Genet. 42, 733-772 (2008).
- Lee, J. T. Gracefully ageing at 50, X-chromosome inactivation becomes a paradigm for RNA and chromatin control. Nat Rev Mol Cell Biol. 12, 815-826 (2011).
- Gendrel, A. V., Heard, E. Fifty years of X-inactivation research. Development. 138, 5049-5055 (2011).
- Froberg, J. E., Yang, L., Lee, J. T. Guided by RNAs: X-inactivation as a model for lncRNA function. J Mol Biol. 425, 3698-3706 (2013).
- Penny, G. D., Kay, G. F., Sheardown, S. A., Rastan, S., Brockdorff, N. Requirement for Xist in X chromosome inactivation. Nature. 379, 131-137 (1996).
- Marahrens, Y., Panning, B., Dausman, J., Strauss, W., Jaenisch, R. Xist-deficient mice are defective in dosage compensation but not spermatogenesis. Genes Dev. 11, 156-166 (1997).
- Clemson, C. M., McNeil, J. A., Willard, H. F., Lawrence, J. B. XIST RNA paints the inactive X chromosome at interphase: evidence for a novel RNA involved in nuclear/chromosome structure. J Cell Biol. 132, 259-275 (1996).
- Sado, T., Brockdorff, N. Advances in understanding chromosome silencing by the long non-coding RNA. Xist. Phil Trans R Soc B. 368, 20110325-20 (2013).
- Zhao, J., Sun, B. K., Erwin, J. A., Song, J. J., Lee, J. T. Polycomb proteins targeted by a short repeat RNA to the mouse X chromosome. Science. 322, 750-756 (2008).
- Plath, K., et al. Role of histone H3 lysine 27 methylation in X inactivation. Science. 300, 131-135 (2003).
- Silva, J., et al. Establishment of histone h3 methylation on the inactive X chromosome requires transient recruitment of Eed-Enx1 polycomb group complexes. Dev Cell. 4, 481-495 (2003).
- Gall, J. G. Differential synthesis of the genes for ribosomal RNA during amphibian oogenesis. Proc Natl Acad Sci U S A. 60, 553-560 (1968).
- Femino, A. M., Fay, F. S., Fogarty, K., Singer, R. H. Visualization of single RNA transcripts in situ. Science. 280, 585-590 (1998).
- Raj, A., van den Bogaard, P., Rifkin, S. A., van Oudenaarden, A., Tyagi, S. Imaging individual mRNA molecules using multiple singly labeled probes. Nat Methods. 5, 877-879 (2008).
- Chaumeil, J., Augui, S., Chow, J. C., Heard, E. Combined immunofluorescence, RNA fluorescent in situ hybridization, and DNA fluorescent in situ hybridization to study chromatin changes, transcriptional activity, nuclear organization, and X-chromosome inactivation. Methods Mol Biol. 463, 297-308 (2008).
- Katayama, S., et al. Antisense transcription in the mammalian transcriptome. Science. 309, 1564-1566 (2005).
- Ogawa, Y., Xite Lee, J. T. X-inactivation intergenic transcription elements that regulate the probability of choice. Mol Cell. 11, 731-743 (2003).
- Panning, B. X inactivation in mouse ES cells: histone modifications and FISH. Methods Enzymol. 376, 419-428 (2004).
- Khalil, A. M., et al. Many human large intergenic noncoding RNAs associate with chromatin-modifying complexes and affect gene expression. Proc Natl Acad Sci U S A. 106, 11667-11672 (2009).
- Martin, G. R., Evans, M. J. Differentiation of clonal lines of teratocarcinoma cells: formation of embryoid bodies in vitro. Proc Natl Acad Sci U S A. 72, 1441-1445 (1975).
- Lee, J. T., Lu, N. Targeted mutagenesis of Tsix leads to nonrandom X inactivation. Cell. 99, 47-57 (1999).
- Zhang, L. F., et al. Telomeric RNAs mark sex chromosomes in stem cells. 유전학. 182, 685-698 (2009).
- Raj, A., Tyagi, S. Detection of individual endogenous RNA transcripts in situ using multiple singly labeled probes. Methods Enzymol. 472, 365-386 (2010).
- Kimura, H., Hayashi-Takanaka, Y., Goto, Y., Takizawa, N., Nozaki, N. The organization of histone H3 modifications as revealed by a panel of specific monoclonal antibodies. Cell Struct Funct. 33, 61-73 (2008).
- Ogawa, Y., Sun, B. K., Lee, J. T. Intersection of the RNA interference and X-inactivation pathways. Science. 320, 1336-1341 (2008).
- Kohlmaier, A., et al. A chromosomal memory triggered by Xist regulates histone methylation in X inactivation. PLoS Biol. 2, 171 (2004).
- Wang, K. C., Chang, H. Y. Molecular mechanisms of long noncoding RNAs. Mol Cell. 43, 904-914 (2011).
