차세대 시퀀싱의 원형 염색체 구조를 사용 하 여 유전자 규제 시퀀스의 높은 처리량 Id (4 C-seq)를 캡처
Summary
유전자와 규제 요소 간의 물리적 상호 작용의 식별 도전 이지만 염색체 구조 캡처 방법에 의해 촉진 되었습니다. 4 C-seq 프로토콜이 수정이 PCR 템플릿-증폭을 최소화 하 여 PCR 바이어스를 완화 하 고 또한 금지 효소 다이제스트 단계를 통합 하 여 읽기의 mappability을 극대화.
Abstract
주어진된 대상 유전자에 대 한 규제 요소 식별 규제 요소 대상 유전자의 위치 및 효과 크기 가변성 때문는 상당한 기술에 도전 포즈. 존재의 bioinformatic 예측 및 보존된 전사 인자 바인딩 사이트를 사용 하 여 활성화 된 유전자 발현과 관련 된 근 후 성적인 수정의 기능 일부 진행이 했다. Chromatin 구조 캡처 연구 실제 chromatin 연락처 시퀀스 사이 고 심지어는 전체 게놈 안에서 발견 하는 우리의 능력을 혁명 있다. 원형 chromatin 구조 캡처 다음-세대 시퀀싱 (4 C-seq)과 함께 특히, 설계 관심 (관점)의 특정된 시퀀스에 대 한 가능한 모든 물리적 chromatin 상호 작용 발견 대상 유전자 또는 규제 등 증강입니다. 현재 4 C-seq 전략 직접 관점 내에서 시퀀스 하지만 수많은 요구와 동시에 유니폼의 기술 문제를 피하기 위해 시퀀스 수를 다양 한 관점 다음 세대 시퀀싱 플랫폼 호출 (영상) 기지. 실험의이 볼륨 많은 실험실에 대 한 실용적 되지 않을 수 있습니다. 여기, 우리는 추가 금지 효소 다이제스트 및 가능성을 완화 하 고 다양 한 시퀀스 읽기의 큰 캡처를 용이 하 게 설계 된 정량 기반 증폭 단계 통합 4 C-seq 프로토콜 수정된 접근 보고 PCR 편견, 각각. 우리의 수정 4 C 방법은 의무가 chromatin 아키텍처를 평가 하기 위한 표준 분자 생물학 실험실입니다.
Introduction
유전자 발현에 대 한 규제 요소의 id 인간 게놈1,2의 80% 기능 활동을 포괄적으로 주석 백과 사전의 DNA 요소 (인코딩) 프로젝트에 의해 촉진 되었습니다. 녹음 방송 요인 바인딩 vivo에서 , DNaseI 과민성 및 epigenetic 히스톤 DNA 메 틸 화 수정 개별 셀에 대 한 사이트의 식별 후보 규제의 기능 분석에 대 한 방법을 포장 대상 유전자 발현에 대 한 요소입니다. 이러한 결과와 무장, 우리 규제 요소와 유전자 간의 기능 상호 결정의 도전으로 직면 된다. 특히, 주어진된 대상 유전자와 그것의 enhancer(s) 사이 관계는 무엇 인가? 염색 질 구조 캡처 (3 C) 메서드는 직접 식별 물리적, 그리고 가능성이 기능, 상호 작용을 통해 관심 영역 및 시퀀스 고정된 chromatin3에에서 캡처된 이벤트를 통해 상호 작용 하는 후보 사이이 질문을 해결 . 그러나 Chromatin의 상호 작용에 대 한 우리의 이해 증가로, 그것은 분명 미리 후보 loci의 조사 유전자 증강 상호 작용의 완전 한 이해를 제공 하는 부족 한 것입니다. 예를 들어 인코딩 높은 처리량 염색체 구조 캡처 탄소 복사 (5 C) 방법을 사용 하는 인간 게놈 (1%, 파일럿 44 loci의 설정)의 작은 부분을 검사 하 고 보고는 loci의 복잡 한 상호. 유전자와 확인 된 상호 강화 평균 2-4 다른 상호 작용 파트너는 많은 수백 kilobases 선형 공간4에서 멀리 했다. 또한, 리튬은 외. 전체 게놈 발기인 상호 작용을 분석 하 여 RNA 중 합 효소 II 바인딩 사이트의 65 %chromatin 상호 작용에 참여 했다 발견 Chromatin 상호 작용 분석 쌍 끝 태그 시퀀싱 (ChIA 애완 동물)를 사용. 이러한 상호 작용 중 일부 결과 kilobases 게놈 거리 및 포함 하는, 평균,의 수백에 걸쳐 큰, 다중 유전자 복합물에 8-9 유전자 각5. 함께,이 발견 심문 chromatin 상호 작용에 대 한 편견된 전체 게놈 방법에 대 한 필요성을 강조 표시 합니다. 슈미트 외에 이러한 방법 중 일부를 검토 한다. 6.
Chromatin 구조 캡처 연구에 대 한 더 많은 최근 방법 관심6의 지역 상호 작용 하는 알 수 없는 시퀀스의 발견 다음-세대 시퀀싱 (Hi-C와 4 C-seq) 활성화와 결합. 특히, 다음-세대 시퀀싱 (4 C-seq) 원형 염색체 구조 캡처 loci 캡처된 chromatin에 인접에서 DNA 시퀀싱 하 여 공평한 방식으로7 의 시퀀스와 상호 작용을 식별 하기 위해 개발 되었다 합니다 3D 공간에 대 한 관심의 영역입니다. 간단히, chromatin의 기본 단백질 DNA 상호 작용, 제한 효소로 죽 습 및 상호 작용 loci (그림 1)의 생물학 관련 “엉 킴”을 잡으려고 희석 조건 이후 출혈을 보존 하기 위해 고정 됩니다. 따라서 두 번째 제한 효소로 DNA 분열을 추가 사용할 수 떠나는 단백질을 제거 하는 크로스 링크 반전 한다. 마지막 결 찰 상호 작용 loci의 작은 동그라미를 생성합니다. 관심사의 순서에 뇌관 다음 다운스트림 다음 세대 시퀀싱 다음 circularized 조각에서 알 수 없는 시퀀스의 증폭된 라이브러리를 생성 하는 데 사용 됩니다.
샘플 준비에 초점을 맞추고, 여기, 프로토콜은 기존 4 C-seq 방법8,9,10,,1112에 두 가지 주요 변경 합니다. 첫째, 정량 기반 메서드를 사용 하 여 실험적으로 결정 하 증폭의 최적의 수 4 C-seq 라이브러리 준비 단계 주기 따라서 PCR 바이어스 라이브러리-확대에서 형태소 분석에 대 한 가능성을 줄입니다. 둘째, 그것은 시퀀싱 악기에 의해 정확한 자료 호출을 방해 하 고, 따라서, 각 읽기에 독특한, 유익한 시퀀스를 극대화 하는 알려진된 “미끼” 시퀀스의 균일성을 줄이기 위해 노력에서 한 추가 제한 다이제스트 단계를 사용 합니다. 다른 프로토콜은 다른 미끼 시퀀스 또는 금지 사이트, 다른 실험실에 의해 달성 되지 않을 수 있습니다 실험의 많은 (12-15)8 4 C-seq 라이브러리를 풀링 하 여이 문제를 포위. 여기에 제시 된 수정 실험, 수가 적은 샘플, 또는 색인 풀링된 단일 차선으로 복제를 허용 합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
4 C 결과 공개 이전에 알려지지 않은 규제 요소를 식별할 수 있는 chromatin 상호 작용 및/또는 대상 유전자 특정 생물 학적 컨텍스트24,,2526중요 한 가능성이 있습니다. 그러나, 기술적인 장애물은이 실험에서 얻은 데이터를 제한할 수 있습니다. 4 C 프로토콜에 서식 파일의 이상 증폭에서 형태소 분석 PCR 바이어스가 높습니다. 이 ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 NIAMS (R01AR065523)에 의해 지원 되었다.
Materials
| HindIII | NEB | R0104S | |
| CviQI | NEB | R0639S | |
| DNA oligonucleotide primers | IDT | To be designed by the reader | |
| 50 mL conical centrifuge tubes | Fisher Scientific | 06-443-19 | |
| 1.7 mL microcentrifuge tubes | MidSci | AVSS1700 | |
| Phosphate buffered saline | Thermo Fisher | 14190-136 | |
| Formaldehyde, methanol free | Electron Microscopy Sciences | 15710 | |
| Nutator | VWR | 15172-203 | |
| Glycine | JT Baker | 4059-00 | |
| Benchtop centrifuge | |||
| Refrigerated microcentrifuge | |||
| Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Sigma-Aldrich | ED2SS | |
| 20% SDS solution | Sigma-Aldrich | 05030 | |
| Trypan Blue | Thermo Fisher | 15250061 | |
| Glass slides | Fisher Scientific | 12-550-143 | |
| Cover slips | VWR | 16004-094 | |
| Light microscope | |||
| Triton X-100 | Alfa Aesar | A16046 | |
| Shaking heat block | |||
| 2M Tris-HCl | Quality Biological | 351-048-101 | |
| Proteinase K | NEB | P8107S | |
| Phenol:chloroform:isoamyl alcohol (25:24:1) | Sigma-Aldrich | P2069 | |
| Sodium acetate | Sigma-Aldrich | M5661 | |
| 20 mg/mL glycogen | Thermo Fisher | R0561 | |
| Ethanol | Fisher Scientific | 04-355-223 | |
| Nuclease-free water | Fisher Scientific | MT-46-000-CM | |
| qPCR cycler | Thermo Fisher | 4453536 | |
| qPCR plates | Thermo Fisher | 4309849 | |
| Thermocycler | Thermo Fisher | 4375786 | |
| PCR strip tubes | MidSci | AVSST-FL | |
| 1M Magnesium chloride | Quality Biological | 351-033-721 | |
| Dithiothreotol | Sigma-Aldrich | 43815 | |
| Adenosine triphosphate | Sigma-Aldrich | A2383 | |
| T4 DNA Ligase | NEB | M0202S | |
| Agarose | Sigma-Aldrich | A6013 | |
| RNase A | Thermo Fisher | EN0531 | |
| Qiaquick PCR purification kit | Qiagen | 28104 | |
| MinElute PCR Purification kit | Qiagen | 28004 | |
| Spectrophotometer | |||
| Expand Long Template PCR System | Sigma-Aldrich | 11681834001 | |
| dNTP mix | Thermo Fisher | R0191 | |
| SYBR Green I | Sigma-Aldrich | S9430 | |
| ROX | BioRad | 172-5858 | |
| Sodium chloride | Sigma-Aldrich | S5886 | |
| End-It DNA End-Repair Kit | Lucigen | ER0720 | |
| LigaFast Rapid DNA Ligation System | Promega | M8221 | |
| SYBR Safe | Thermo Fisher | S33102 | |
| Taq Polymerase | NEB | M0267S | |
| UltraSieve Agarose | IBI Scientific | IB70054 | |
| Qiaquick Gel Extraction Kit | Qiagen | 28704 |
References
- Dunham, I., et al. An integrated encyclopedia of DNA elements in the human genome. Nature. 489 (7414), 57-74 (2012).
- Hoffman, M. M., et al. Integrative annotation of chromatin elements from ENCODE data. Nucleic Acids Research. 41 (2), 827-841 (2013).
- Dekker, J., Rippe, K., Dekker, M., Kleckner, N. Capturing Chromosome Conformation. Science. 295 (5558), 1306-1311 (2002).
- Sanyal, A., Lajoie, B. R., Jain, G., Dekker, J. The long-range interaction landscape of gene promoters. Nature. 489 (7414), 109-113 (2012).
- Li, G., et al. Extensive promoter-centered chromatin interactions provide a topological basis for transcription regulation. Cell. 148 (1-2), 84-98 (2012).
- Schmitt, A. D., Hu, M., Ren, B. Genome-wide mapping and analysis of chromosome architecture. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 17 (12), 743-755 (2016).
- Zhao, Z., et al. Circular chromosome conformation capture (4C) uncovers extensive networks of epigenetically regulated intra- and interchromosomal interactions. Nature genetics. 38 (11), 1341-1347 (2006).
- Splinter, E., de Wit, E., van de Werken, H. J. G., Klous, P., de Laat, W. Determining long-range chromatin interactions for selected genomic sites using 4C-seq technology: From fixation to computation. Methods. 58 (3), 221-230 (2012).
- Van De Werken, H. J. G., et al. 4C technology: Protocols and data analysis. Methods in Enzymology. 513, (2012).
- Brouwer, R. W. W., van den Hout, M. C. G. N., van IJcken, W. F. J., Soler, E., Stadhouders, R. Unbiased Interrogation of 3D Genome Topology Using Chromosome Conformation Capture Coupled to High-Throughput Sequencing (4C-Seq). Eukaryotic Transcriptional and Post-Transcriptional Gene Expression Regulation. , 199-220 (2017).
- Matelot, M., Noordermeer, D. Determination of High-Resolution 3D Chromatin Organization Using Circular Chromosome Conformation Capture (4C-seq). Polycomb Group Proteins: Methods and Protocols. , 223-241 (2016).
- Gheldof, N., Leleu, M., Noordermeer, D., Rougemont, J., Reymond, A. Detecting Long-Range Chromatin Interactions Using the Chromosome Conformation Capture Sequencing (4C-seq) Method. Gene Regulatory Networks: Methods and Protocols. , 211-225 (2012).
- Göndör, A., Rougier, C., Ohlsson, R. High-resolution circular chromosome conformation capture assay. Nature. 3 (2), 303-313 (2008).
- Hagège, H., et al. Quantitative analysis of chromosome conformation capture assays (3C-qPCR). Nature. 2 (7), 1722-1733 (2007).
- Anand, R. D., Sertil, O., Lowry, C. V. Restriction digestion monitors facilitate plasmid construction and PCR cloning. BioTechniques. 36 (6), 982-985 (2004).
- Afgan, E., et al. The Galaxy platform for accessible, reproducible and collaborative biomedical analyses: 2016 update. Nucleic acids research. 44 (W1), W3-W10 (2016).
- Li, H., Durbin, R. Fast and accurate long-read alignment with Burrows-Wheeler transform. Bioinformatics. 26 (5), 589-595 (2010).
- Li, H., et al. The Sequence Alignment/Map format and SAMtools. Bioinformatics. 25 (16), 2078-2079 (2009).
- Walter, C., Schuetzmann, D., Rosenbauer, F., Dugas, M. Basic4Cseq: An R/Bioconductor package for analyzing 4C-seq data. Bioinformatics. 30 (22), 3268-3269 (2014).
- Raviram, R., et al. 4C-ker: A Method to Reproducibly Identify Genome-Wide Interactions Captured by 4C-Seq Experiments. PLoS Computational Biology. 12 (3), (2016).
- Klein, F. A., Pakozdi, T., Anders, S., Ghavi-helm, Y., Furlong, E. E. M., Huber, W. FourCSeq: analysis of 4C sequencing data. Bioinformatics. 31 (19), 3085-3091 (2015).
- Williams, R. L., et al. fourSig a method for determining chromosomal interactions in 4C-Seq data. Nucleic Acids Research. 42 (8), (2014).
- McLean, C. Y., et al. GREAT improves functional interpretation of cis-regulatory regions. Nature Biotechnology. 28 (5), 495-501 (2010).
- Stolzenburg, L. R., et al. Regulatory dynamics of 11p13 suggest a role for EHF in modifying CF lung disease severity. Nucleic Acids Research. 45 (15), 8773-8784 (2017).
- Meddens, C. A., et al. Systematic analysis of chromatin interactions at disease associated loci links novel candidate genes to inflammatory bowel disease. Genome Biology. 17 (1), 1-15 (2016).
- Yeung, J., et al. Transcription factor activity rhythms and tissue-specific chromatin interactions explain circadian gene expression across organs. Genome research. , 207787 (2017).
