Analyse de la spécificité d'anticorps d'histone avec des microarrays de peptides
Summary
Ce manuscrit décrit des méthodes pour l'application de la technologie des micro-aigres peptidiques au profilage spécifique des anticorps qui reconnaissent les histones et leurs modifications post-traductionnelles.
Abstract
Les modifications post-traductionnelles (PTM) sur les protéines d'histones sont largement étudiées pour leur rôle dans la régulation de la structure de la chromatine et de l'expression des gènes. La production en masse et la distribution d'anticorps spécifiques aux PTM des histones ont considérablement facilité la recherche sur ces marques. Comme les anticorps PTM des histones sont des réactifs clés pour de nombreuses applications de biochimie de la chromatine, une analyse rigoureuse de la spécificité des anticorps est nécessaire pour une interprétation précise des données et des progrès continus sur le terrain. Ce protocole décrit une pipeline intégrée pour la conception, la fabrication et l'utilisation de microarrays de peptides pour le profilage de la spécificité des anticorps histoniques. Les aspects de conception et d'analyse de cette procédure sont facilités par ArrayNinja, un logiciel logiciel ouvert et interactif que nous avons développé récemment pour rationaliser la personnalisation des formats d'impression microarray. Ce pipeline a été utilisé pour dépister un grand nombre d'antibodie d'histone PTM commercialement disponibles et largement utiliséesS, et les données générées à partir de ces expériences sont disponibles gratuitement via une base de données de spécificité d'anticorps Histone en ligne et en expansion. Au-delà des histones, la méthodologie générale décrite ici peut être largement appliquée à l'analyse des anticorps spécifiques de PTM.
Introduction
L'ADN génomique est emballé élégamment à l'intérieur du noyau de cellules eucaryotes avec des protéines d'histone pour former la chromatine. La sous-unité récurrente de la chromatine est le nucléosome, qui comprend 147 paires de bases d'ADN enroulées autour d'un noyau octamerique de protéines d'histones – H2A, H2B, H3 et H4 1 . La chromatine est globalement organisée en euchromatine lâchement emballée et dans les domaines de l'hétérochromatine étroitement emballés. Le degré de compactage de la chromatine régule la mesure dans laquelle les machines à protéines peuvent accéder à l'ADN sous-jacent pour mener à bien des processus fondés sur l'ADN fondamentaux comme la réplication, la transcription et la réparation.
Les principaux régulateurs de l'accessibilité du génome dans le contexte de la chromatine sont les PTM sur la queue non structurée et les domaines de base des protéines histoniques 2 , 3 . Les PTM d'histone fonctionnent directement en influençant la structure de la chromatine 4 et indirectement à traversH le recrutement de protéines lecteur et leurs complexes macromoléculaires associés qui ont des activités de remodelage de la chromatine, enzymatiques et échafaudages 5 . Les études de la fonction PTM des histones au cours des deux dernières décennies suggèrent largement que ces marques jouent un rôle clé dans la régulation du devenir cellulaire, du développement organique et de l'initiation / progression de la maladie. Alimenté par des progrès dans la technologie protéomique à base de spectrométrie de masse, plus de 20 PTM d'histones uniques sur plus de 80 résidus d'histones distinctes ont été découverts 6 . Notamment, ces modifications se produisent souvent dans des combinaisons et, conformément à l'hypothèse du "code histone", de nombreuses études suggèrent que les protéines de lecteur sont ciblées sur des régions discrètes de la chromatine en reconnaissant des combinaisons spécifiques d'histones PTM 7 , 8 , 9 . Un défi majeur pour aller de l'avant sera d'assigner des fonctions à la grEn raison de la liste des PTM des histones et pour déterminer comment des combinaisons spécifiques de PTM d'histones orchestrent les fonctions dynamiques associées à la chromatine.
Les anticorps sont les réactifs lynchpin pour la détection des PTM des histones. En tant que tel, plus de 1 000 anticorps spécifiques des PTM d'histone ont été commercialement développés pour être utilisés dans la recherche sur la biochimie de la chromatine. Avec le développement rapide de la technologie de séquençage d'ADN à haut débit, ces réactifs sont largement utilisés par des chercheurs individuels et des initiatives de "feuille de route" d'épigénomènes à grande échelle ( p . Ex . ENCODE et BLUEPRINT) dans ChIP-seq (immunoprécipitation de la chromatine couplée au séquençage de la prochaine génération ) Pipelines pour générer des cartes spatiales à haute résolution de la distribution de PTM d'histones dans l'ensemble du génome 10 , 11 . Cependant, des études récentes ont montré que la spécificité des anticorps anti-histone PTM peut être très variable et que ces réactifs ne présentent pas Des propriétés avorables telles que la reconnaissance de l'epitope hors cible, une forte influence positive et négative par les PTM voisins et une difficulté à discriminer l'ordre de modification sur un résidu particulier ( par exemple , mono-, di- ou tri-méthyllysine) 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 . Par conséquent, un contrôle rigoureux de la qualité des réactifs d'anticorps spécifiques des PTM d'histones est nécessaire pour interpréter avec précision les données générées avec ces réactifs précieux.
La technologie Microarray permet l'interrogation simultanée de milliers d'interactions macromoléculaires dans un format à haut débit, reproductible et miniaturisé. Pour cette raison, une variété de plates-formes de microarray ont été créées pour analyser l'ADN protéique 19 ,"> 20, protéine-protéine 21 et interactions protéine-peptide 22. En effet, les microarrays de peptides histoniques sont apparus comme une plate-forme de découverte informative pour la recherche sur la biochimie de la chromatine, permettant le profilage à haut débit des écrivains, des effaces et des lecteurs d'histones PTM 15 , 23 , 24 , et aussi pour l'analyse de la spécificité des anticorps d'histone 17 , 25. Au-delà de leur application dans la recherche de la chromatine et de l'épigénétique, les tableaux de peptides histoniques ont une utilité potentielle comme test diagnostique / pronostique pour le lupus érythémateux systémique et d'autres maladies auto-immunes, Les autoanticorps de chromatine sont générés 26 , 27 .
Nous décrivons ici un pipeline intégré que nous avons développé pour concevoir, fabriquer et quitter.Des microarrays de peptides d'histone qui agissent pour générer des profils de spécificité pour les anticorps qui reconnaissent les histones et leurs PTM. Le pipeline est facilité par ArrayNinja, une application logicielle interactive ouverte, que nous avons développée récemment, qui intègre les étapes de conception et d'analyse des expériences microarray 28 . ArrayNinja fonctionne mieux dans Google Chrome. En bref, une imprimante à microarray de contact robotique est utilisée pour déposer une bibliothèque de peptides d'histones conjugués à la biotine à des positions définies sur des lames de microscope en verre revêtues de streptavidine. Les tableaux peuvent ensuite être utilisés dans un format de dosage compétitif et parallèle pour interroger les interactions anticorps-épitope ( Figure 1 ). La bibliothèque de peptides se compose de centaines de peptides synthétiques uniques hébergeant des PTM (acétylation de lysine, méthylation de lysine / arginine et phosphorylation de serine / thréonine) et en combinaisons pertinentes dérivées en grande partie de jeux de données protéiques. Méthodes de synthèse et de validation des peptides Sont détaillés ailleurs 23 . Les données générées à partir de nos efforts actuels de dépistage d'anticorps PTM d'histone utilisant cette plate-forme de réseau sont archivées sur une ressource Web publique, la base de données de spécificité d'anticorps Histone (www.histoneantibodies.com). Notamment, les microarrays de peptides d'histones fabriqués avec des variations de ce protocole ont également été largement utilisés pour caractériser l'activité des domaines de lecteur de PTM d'histone 8 , 29 , 30 , 31 , 32 , 33 , 34 , 35 , 36 , 37 et plus récemment à l'histone de profil Activités d'écrivain et de gomme à effet PTM 24 .
/files/ftp_upload/55912/55912fig1.jpg "/>
Figure 1: Traçage de la Procédure Stepwise pour le dépistage d'anticorps sur un microarray de peptide histone. Les peptides d'histone biotinylés abritant des modifications post-traductionnelles définies (cercles rouges et bleus) sont co-imprimés avec de la biotine-fluorescéine sur du verre revêtu de streptavidine. Les interactions positives sont visualisées sous forme de fluorescence rouge. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Protocol
Representative Results
Discussion
La fiabilité des anticorps dans les applications de recherche biomédicale est primordiale 46 , 47 . Ceci est particulièrement vrai dans la biochimie de la chromatine étant donné la position des anticorps comme outils clés pour la majorité des techniques développées pour caractériser l'abondance et la distribution des PTM des histones. Le protocole présenté ici détaille un pipeline optimisé pour la conception, la fabrication et l'utilisation…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu en partie par l'Institut de recherche Van Andel et une subvention de recherche des Instituts nationaux de santé (CA181343) à SBR
Materials
| Printing Buffer | ArrayIt | PPB | |
| BSA | Omnipure | 2390 | |
| Streptavidin-coated glass microscope slides | Greiner Bio-one | 439003-25 | |
| polypropylene 384 well plate | Greiner Bio-one | 784201 | |
| Biotin-fluorescein | Sigma | 53608 | |
| contact microarray printer | Aushon | 2470 | Aushon 2470 Microarray Printer |
| contact microarray printer | Gene Machines | OmniGrid 100 | OmniGrid Microarray Printer |
| PBS | Invitrogen | 14190 | |
| Blocking Buffer | ArrayIt | SBB | |
| Hydrophobic wax pen | Vector Labs | H-4000 | ImmEdge Hydrophobic Barrier PAP Pen |
| Silicon Gasket | Grace Bio-labs | 622511 | |
| Hybridization Vessel | Thermo Scientific | 267061 | or similar vessel |
| Fluorescent-dye conjugated secondary antibody | Life Technologies | A-21244 | Alexa Fluor 647 (anti-rabbit) |
| Fluorescent-dye conjugated secondary antibody | Life Technologies | A-21235 | Alexa Fluor 647 (anti-mouse) |
| Wax Imprinter | ArrayIt | MSI48 | |
| Tween-20 | Omnipure | 9490 | |
| Microarray Scanner | Innopsys | InnoScan 1100AL | or equivalent microarray scanner |
| EipTitan Histone Peptide Microarray | Epicypher | 112001 | |
| AbSurance Pro Histone Peptide Microarray | Millipore | 16668 | |
| MODified Histone Peptide Array | Active Motif | 13001 | |
| Histone Code Peptide Microarrays | JPT | His_MA_01 | |
| Wax | Royal Oak | GulfWax | for wax imprinter |
| Humidified Microarray Slide Hybridization Chamber | VWR | 97000-284 | |
| High throughput microscope slide washing chamber | ArrayIt | HTW | |
| Microscope slide centrifuge | VWR | 93000-204 | |
| Antibody 1 | Abcam | 8898 | |
| Antibody 2 | Millipore | 07-473 | |
| Biotinylated histone peptide | EpiCypher | 12-0001 | Example peptide. Similar peptides with various modifications are available from several commercial sources. |
| ImageMagick | https://www.imagemagick.org/script/index.php | ||
| ArrayNinja | https://rothbartlab.vai.org/tools/ |
References
- van Steensel, B. Chromatin: constructing the big picture. EMBO J. 30 (10), 1885-1895 (2011).
- Kouzarides, T. Chromatin modifications and their function. Cell. 128 (4), 693-705 (2007).
- Rothbart, S. B., Strahl, B. D. Interpreting the language of histone and DNA modifications. Biochim Biophys Acta. 1839 (8), 627-643 (2014).
- Shogren-Knaak, M., Ishii, H., Sun, J. -. M., Pazin, M. J., Davie, J. R., Peterson, C. L. Histone H4-K16 acetylation controls chromatin structure and protein interactions. Science. 311 (5762), 844-847 (2006).
- Musselman, C. A., Lalonde, M. -. E., Côté, J., Kutateladze, T. G. Perceiving the epigenetic landscape through histone readers. Nat Struct Mol Biol. 19 (12), 1218-1227 (2012).
- Huang, H., Sabari, B. R., Garcia, B. A., Allis, C. D., Zhao, Y. SnapShot: Histone Modifications. Cell. 159 (2), 458 (2014).
- Strahl, B. D., Allis, C. D. The language of covalent histone modifications. Nature. 403 (6765), 41-45 (2000).
- Rothbart, S. B., Krajewski, K., et al. Association of UHRF1 with methylated H3K9 directs the maintenance of DNA methylation. Nat Struct Mol Biol. 19 (11), 1155-1160 (2012).
- Wang, Z., Zang, C., et al. Combinatorial patterns of histone acetylations and methylations in the human genome. Nat Genet. 40 (7), 897-903 (2008).
- Stunnenberg, H. G., Hirst, M. The International Human Epigenome Consortium: A Blueprint for Scientific Collaboration and Discovery. Cell. 167 (5), 1145-1149 (2016).
- ENCODE Project Consortium. An integrated encyclopedia of DNA elements in the human genome. Nature. 489 (7414), 57-74 (2012).
- Egelhofer, T. A., Minoda, A., et al. An assessment of histone-modification antibody quality. Nat Struct Mol Biol. 18 (1), 91-93 (2011).
- Bock, I., Dhayalan, A., Kudithipudi, S., Brandt, O., Rathert, P., Jeltsch, A. Detailed specificity analysis of antibodies binding to modified histone tails with peptide arrays. Epigenetics. 6 (2), 256-263 (2011).
- Busby, M., Xue, C., et al. Systematic comparison of monoclonal versus polyclonal antibodies for mapping histone modifications by ChIP-seq. Epigenetics Chromatin. 9, 49 (2016).
- Fuchs, S. M., Krajewski, K., Baker, R. W., Miller, V. L., Strahl, B. D. Influence of combinatorial histone modifications on antibody and effector protein recognition. Curr Biol. 21 (1), 53-58 (2011).
- Kungulovski, G., Jeltsch, A. Quality of histone modification antibodies undermines chromatin biology research. F1000Research. 4, 1160 (2015).
- Rothbart, S. B., Dickson, B. M., et al. An Interactive Database for the Assessment of Histone Antibody Specificity. Mol Cell. 59 (3), 502-511 (2015).
- Rothbart, S. B., Lin, S., et al. Poly-acetylated chromatin signatures are preferred epitopes for site-specific histone H4 acetyl antibodies. Sci Rep. 2, 489 (2012).
- Berger, M. F., Bulyk, M. L. Universal protein-binding microarrays for the comprehensive characterization of the DNA-binding specificities of transcription factors. Nat Protoc. 4 (3), 393-411 (2009).
- Hu, S., Wan, J., et al. DNA methylation presents distinct binding sites for human transcription factors. eLife. 2, e00726 (2013).
- Moore, C. D., Ajala, O. Z., Zhu, H. Applications in high-content functional protein microarrays. Curr Opin Chem Biol. 30, 21-27 (2016).
- MacBeath, G., Schreiber, S. L. Printing proteins as microarrays for high-throughput function determination. Science. 289 (5485), 1760-1763 (2000).
- Rothbart, S. B., Krajewski, K., Strahl, B. D., Fuchs, S. M. Peptide microarrays to interrogate the “histone code” . Methods Enzymol. 512, 107-135 (2012).
- Cornett, E. M., Dickson, B. M., et al. Substrate Specificity Profiling of Histone-Modifying Enzymes by Peptide Microarray. Methods Enzymol. 574, 31-52 (2016).
- Nady, N., Min, J., Kareta, M. S., Chédin, F., Arrowsmith, C. H. A SPOT on the chromatin landscape? Histone peptide arrays as a tool for epigenetic research. Trends Biochem Sci. 33 (7), 305-313 (2008).
- Dieker, J., Berden, J. H., et al. Autoantibodies against Modified Histone Peptides in SLE Patients Are Associated with Disease Activity and Lupus Nephritis. PLoS ONE. 11 (10), (2016).
- Price, J. V., Tangsombatvisit, S., et al. “On silico” peptide microarrays for high-resolution mapping of antibody epitopes and diverse protein-protein interactions. Nat Med. 18 (9), 1434-1440 (2012).
- Dickson, B. M., Cornett, E. M., Ramjan, Z., Rothbart, S. B. ArrayNinja: An Open Source Platform for Unified Planning and Analysis of Microarray Experiments. Methods Enzymol. 574, 53-77 (2016).
- Gatchalian, J., Fütterer, A., et al. Dido3 PHD modulates cell differentiation and division. Cell Rep. 4 (1), 148-158 (2013).
- Cai, L., Rothbart, S. B., et al. An H3K36 methylation-engaging Tudor motif of polycomb-like proteins mediates PRC2 complex targeting. Mol Cell. 49 (3), 571-582 (2013).
- Rothbart, S. B., Dickson, B. M., et al. Multivalent histone engagement by the linked tandem Tudor and PHD domains of UHRF1 is required for the epigenetic inheritance of DNA methylation. Genes Dev. 27 (11), 1288-1298 (2013).
- Ali, M., Rincón-Arano, H., et al. Molecular basis for chromatin binding and regulation of MLL5. Proc Natl Acad Sci U S A. 110 (28), 11296-11301 (2013).
- Kinkelin, K., Wozniak, G. G., Rothbart, S. B., Lidschreiber, M., Strahl, B. D., Cramer, P. Structures of RNA polymerase II complexes with Bye1, a chromatin-binding PHF3/DIDO homologue. Proc Natl Acad Sci U S A. 110 (38), 15277-15282 (2013).
- Klein, B. J., Piao, L., et al. The histone-H3K4-specific demethylase KDM5B binds to its substrate and product through distinct PHD fingers. Cell Rep. 6 (2), 325-335 (2014).
- Kim, H. -. S., Mukhopadhyay, R., et al. Identification of a BET family bromodomain/casein kinase II/TAF-containing complex as a regulator of mitotic condensin function. Cell Rep. 6 (5), 892-905 (2014).
- Greer, E. L., Beese-Sims, S. E., et al. A histone methylation network regulates transgenerational epigenetic memory in C. elegans. Cell Rep. 7 (1), 113-126 (2014).
- Andrews, F. H., Tong, Q., et al. Multivalent Chromatin Engagement and Inter-domain Crosstalk Regulate MORC3 ATPase. Cell Rep. 16 (12), 3195-3207 (2016).
- Sidoli, S., Lin, S., Karch, K. R., Garcia, B. A. Bottom-Up and Middle-Down Proteomics Have Comparable Accuracies in Defining Histone Post-Translational Modification Relative Abundance and Stoichiometry. Anal Chem. 87 (6), 3129-3133 (2015).
- Tsukada, Y., Ishitani, T., Nakayama, K. I. KDM7 is a dual demethylase for histone H3 Lys 9 and Lys 27 and functions in brain development. Genes Dev. 24 (5), 432-437 (2010).
- Tachibana, M., Sugimoto, K., Fukushima, T., Shinkai, Y. Set domain-containing protein, G9a, is a novel lysine-preferring mammalian histone methyltransferase with hyperactivity and specific selectivity to lysines 9 and 27 of histone H3. J Biol Chem. 276 (27), 25309-25317 (2001).
- Wu, H., Chen, X., et al. Histone methyltransferase G9a contributes to H3K27 methylation in vivo. Cell Res. 21 (2), 365-367 (2011).
- Koch, C. M., Andrews, R. M., et al. The landscape of histone modifications across 1% of the human genome in five human cell lines. Genome Res. 17 (6), 691-707 (2007).
- Okitsu, C. Y., Hsieh, J. C. F., Hsieh, C. -. L. Transcriptional Activity Affects the H3K4me3 Level and Distribution in the Coding Region. Mol Cell Biol. 30 (12), 2933-2946 (2010).
- Zentner, G. E., Tesar, P. J., Scacheri, P. C. Epigenetic signatures distinguish multiple classes of enhancers with distinct cellular functions. Genome Res. 21 (8), 1273-1283 (2011).
- Garske, A. L., Oliver, S. S., et al. Combinatorial profiling of chromatin binding modules reveals multisite discrimination. Nat Chem Biol. 6 (4), 283-290 (2010).
- Baker, M. Reproducibility crisis: Blame it on the antibodies. Nature. 521 (7552), 274-276 (2015).
- Bradbury, A., Plückthun, A. Reproducibility: Standardize antibodies used in research. Nature. 518 (7537), 27-29 (2015).
- Nguyen, U. T. T., Bittova, L., et al. Accelerated chromatin biochemistry using DNA-barcoded nucleosome libraries. Nat Methods. 11 (8), 834-840 (2014).
- Frank, R. Spot-synthesis: an easy technique for the positionally addressable, parallel chemical synthesis on a membrane support. Tetrahedron. 48 (42), 9217-9232 (1992).
- Hilpert, K., Winkler, D. F. H., Hancock, R. E. W. Peptide arrays on cellulose support: SPOT synthesis, a time and cost efficient method for synthesis of large numbers of peptides in a parallel and addressable fashion. Nat Protoc. 2 (6), 1333-1349 (2007).
- Kudithipudi, S., Kusevic, D., Weirich, S., Jeltsch, A. Specificity analysis of protein lysine methyltransferases using SPOT peptide arrays. J Vis Exp. (93), e52203 (2014).
