Der Ansatz kombiniert ChroP ChIP und Massenspektrometrie zu sezieren Locus-spezifische Proteomik Landschaften des Chromatin
Summary
Durch die Kombination von nativen und Vernetzungs Chromatinimmunpräzipitation mit hochauflösender Massenspektrometrie ermöglicht ChroP Ansatz, um die Verbund Proteom-Architektur der Histon-Modifikationen, Varianten und Nicht-Histon-Proteine synergizing bei funktionell unterschiedlichen Chromatindomänen sezieren.
Abstract
Chromatin ist ein hochdynamisches Nukleoprotein-Komplex von DNA und Proteinen, die verschiedene DNA-abhängige Prozesse kontrolliert werden. Chromatin-Struktur und Funktion in bestimmten Bereichen durch die lokale Anreicherung von Histon post-translationale Modifikationen (hPTMs) und Varianten, Chromatin-bindende Proteine, einschließlich Transkriptionsfaktoren und DNA-Methylierung reguliert. Die Proteom-Charakterisierung von Chromatin Zusammensetzung an unterschiedlichen Funktionsbereiche wurde bisher durch das Fehlen effizienter Protokolle, um solche Domänen an der entsprechenden Reinheit und Menge für die anschließende eingehende Analyse durch Massenspektrometrie (MS) bereichern behindert. Wir beschreiben hier eine neu gestaltete Chromatin Proteomik Strategie, genannt ChroP (Chro matin roteomics P), wobei ein Präparat Chromatinimmunpräzipitation wird verwendet, um verschiedene Chromatin-Regionen, deren Merkmale in Bezug auf hPTMs, Varianten und Co-assoziierte Nicht-Histon-Proteine zu isolieren, sind MS analysiert. Wir veranschaulichen, erre die Einrichtung von ChroP zur Anreicherung und Analyse von transkriptionell stillen heterochromatischen Regionen, durch die Anwesenheit von Tri-Methylierung von Lysin 9 am Histon H3 markiert. Die erzielten Ergebnisse zeigen das Potenzial der ChroP gründlich Charakterisierung des Proteoms Heterochromatin und beweisen Sie es als ein leistungsfähiges Analyse-Strategie zu verstehen, wie die unterschiedlichen Protein Determinanten von Chromatin interagieren und Synergie zu Locus-spezifischen strukturellen und funktionalen Konfigurationen zu etablieren.
Introduction
Chromatin ist eine hoch dynamische Nukleoproteinkomplex, die als Vorlage für alle primären DNA-vermittelten Prozessen beteiligt ist. Das Nukleosom ist die Grundwiederholungseinheit des Chromatins und besteht aus einem proteinhaltigen oktameren Kern zwei Moleküle jeder kanonischen Histon H2A, H2B, H3 und H4, um die 147 bp DNA gewickelt 1,2 enthält. Alle Core-Histone sind als globuläre Domäne und eine flexible N-terminalen "Schwanz", die außerhalb der Nukleosomen ragt strukturiert. Einer der Hauptmechanismen zur Regulierung Chromatin-Struktur und Dynamik auf kovalente post-translationale Modifikationen (PTM), die hauptsächlich auf den N-Termini von Histonen 3,4 auftreten basiert. Histon-Modifikationen kann entweder durch Änderung der Chromatinstruktur höherer Ordnung, indem die Kontakte zwischen Histon-DNA oder zwischen Nukleosomen, und steuert somit die Zugänglichkeit der DNA-bindenden Proteinen (cis-Mechanismen) funktionieren, oder als DockIn wirkendeng Stellen für regulatorische Proteine, entweder als Einzelgeräte oder in multimere Komplexe eingebettet. Wie regulierende Proteine ihre Funktion in verschiedener Weise ausüben: durch Modulation direkt Genexpression (dh Proteine TAF) oder durch Änderung der Nukleosomen Positionierung (dh Chromatin-Remodeling-Komplexe) oder durch Änderung anderer Histon-Reste (dh Proteine, die mit Methyl-oder Acetyl-Transferase Transferase-Aktivität) (trans-Mechanismen) 5. Die Beobachtung, dass unterschiedliche Muster PTM-Cluster zu bestimmten Chromatin Loci führte zur Ausarbeitung der Hypothese, dass verschiedene Modifikationen an bestimmten Stellen können Synergie, um einen molekularen Code der Vermittlung der Funktionszustand des zugrunde liegenden DNA zu erzeugen. Die "Histon-Code-Hypothese" hat großen Konsens in den Jahren gewonnen, aber seine experimentelle Überprüfung ist wieder durch technische Beschränkungen 6,7 statt.
Massenspektrometrie (MS)-basierte Proteomik als ein hervorleistungsfähiges Werkzeug zur Histon-Modifikation Muster abzubilden und Chromatin-bindende Proteine 8 zu charakterisieren. MS detektiert eine Änderung als eine spezifische Δmass zwischen der experimentellen und theoretischen Masse eines Peptids. Auf der Ebene der einzelnen Histone, bietet MS eine unvoreingenommene und umfassende Methode zur Karte PTMs, so dass die Erkennung von neuen Modifikationen und aufschlussreiche Wechselspiel zwischen ihnen 9-14.
In den letzten Jahren wurde eine Reihe von Strategien entwickelt, um die proteomische Zusammensetzung von Chromatin zu sezieren, einschließlich der Charakterisierung von intakten mitotischen Chromosomen 15, die Identifizierung von löslichen HPTM-bindenden Proteinen 16-18 und die Isolierung und Analyse von spezifischen Chromatin-Bereiche (dh Telomere) 19,20. Allerdings ist die Ermittlung der Ortsspezifische Synergien zwischen Histon PTMs, Varianten und Chromatin-assoziierte Proteine noch unvollständig. Hier beschreiben wir einen neuen Ansatz, mit dem Namen ChroP (Chro matin roteomics P) 21, die wir entwickelt haben, um effizient zu charakterisieren funktionell unterschiedlichen Chromatin-Domänen. Dieser Ansatz passt Chromatinimmunpräzipitation (Chip), eine gut etablierte Protokoll in der epigenetischen Forschung, für die effiziente MS-basierten Proteomanalyse der angereicherten Probe. Wir haben zwei verschiedene Protokolle entwickelt, abhängig von der Art des Chromatins als Eingabe und die Frage gerichtet MS verwendet wird; insbesondere: 1) ChIP von nicht fixierten nativen Chromatin mit MNase verdaut wird eingesetzt, um Mono-Nukleosomen zu reinigen und die Co-Zuordnung hPTMs (N-ChroP) sezieren; 2)-Chips aus vernetzten Chromatin durch Ultraschall fragmentiert wird in Kombination mit einem SILAC Basis Interactomics Strategie, um alle Co-Anreicherung Chromatin-Bindungsproteine (X-ChroP) charakterisieren. Wir veranschaulichen hier die Kombination von N-und X-ChroP zur Anreicherung und Studieren Heterochromatin mit H3K9me3 als Köder für die Immunpräzipitation Schritte. Die Verwendung von ChroP verlängert werdenentweder verschiedene Regionen auf Chromatin, oder Änderungen in der Zusammensetzung des Chromatins innerhalb der gleichen Region während der Übergang zu einem anderen Funktionszustand zu untersuchen, um so den Weg für verschiedene Anwendungen in der Epigenetik.
Protocol
Representative Results
Discussion
Wir haben kürzlich ChroP, eine quantitative Strategie für die großtechnische Charakterisierung der Proteinkomponenten von Chromatin. ChroP vereint zwei komplementäre Ansätze in der epigenetischen Bereich verwendet, Chip-und MS, profitieren von ihren Stärken und Überwindung ihrer jeweiligen Beschränkungen. ChIP tief Sequenzierung (ChIP-Seq) gekoppelt ermöglicht die genomweite Kartierung der Histon-Modifikationen bei der Auflösung von wenigen 35 Nukleosomen. Obwohl ihre Empfindlichkeit von Vorteil, si…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde ursprünglich in Mol Cell Proteomics veröffentlicht. Soldi M. und T. Bonaldi Die Proteomik Untersuchung der Chromatin Funktions Domains enthüllt Novel Synergismen zwischen Distinct Heterochromatin-Komponenten MCP. 2013; 12: 64-80. © die amerikanische Gesellschaft für Biochemie und Molekularbiologie. Wir danken Roberta Noberini (Italian Institute of Technology und IEO, Italien) für das kritische Lesen des Manuskripts. TB Arbeit wird durch Zuschüsse aus dem Giovanni Armenise Harvard-Stiftung Career Development Program, der italienischen Vereinigung für Krebsforschung und dem italienischen Gesundheitsministerium unterstützt. MS Arbeit wurde durch ein Stipendium FIRC unterstützt.
Materials
| DMEM | Lonza | BE12-614F | |
| FBS | Invitrogen | 10270-106 | |
| SILAC DMEM | M-Medical | FA30E15086 | |
| Dialyzed FBS | Invitrogen | 26400-044 | |
| Lysine 0 (12C6 14N2 L-lysine) | Sigma Aldrich | L8662 | |
| Arginine 0 (12C6 14N4 L-arginine) | Sigma Aldrich | A6969 | |
| Lysine 8 (13C6 15N2 L-lysine) | Sigma Aldrich | 68041 | |
| Arginine 10 (13C6 15N4 L-arginine) | Sigma Aldrich | 608033 | |
| Micrococcal Nuclease | Roche | 10 107 921 001 | |
| Complete, EDTA-free Protease Inhibitor Cocktail Tablets | Roche | 04 693 132 001 | |
| Spectra/Por 3 dialysis tubing, 3.5K MWCO, 18mm flat width, 50 foot length | Spectrumlabs | 132720 | |
| QIAquick PCR purification kit | QIAGEN | 28104 | |
| Anti-Histone H3 tri-methylated K9-ChIP grade | Abcam | ab8898 | |
| Histone H3 peptide tri-methyl K9 | Abcam | ab1773 | |
| Dynabeads Protein G | Invitrogen | 100.04D | |
| NuPAGE Novex 4-12% Bis-Tris Gel | Invitrogen | NP0335BOX | |
| Colloidal Blue Staining Kit | Invitrogen | LC6025 | |
| LDS Sample Buffer | Invitrogen | NP0007 | |
| Formaldheyde | Sigma Aldrich | F8775 | |
| Aceti anhydride-d6 | Sigma Aldrich | 175641-1G | |
| Formic Acid | Sigma Aldrich | 94318-50ML-F | |
| Iodoacetamide ≥99% (HPLC), crystalline | Sigma Aldrich | I6125 | |
| DL-Dithiothreitol | Sigma Aldrich | 43815 | |
| Sequencing Grade Modified Trypsin, Frozen 100ug (5 × 20μg) | Promega | V5113 | |
| Nanospray OD 360μm x ID 75μm, tips ID 8μm uncoated Pk 5 | Microcolumn Srl | FS360-75-8-N-5-C15 | |
| ReproSil-Pur 120 C18-AQ, 3 µm 15 % C | Dr. Maisch GmbH | r13.aq. | |
| C18 extraction disk, 47 mm | Agilent Technologies | 12145004 | |
| Carbon extraction disk, 47 mm | Agilent Technologies | 12145040 | |
| Cation extraction disk | Agilent Technologies | 66889-U |
Referências
- Kornberg, R. D. Chromatin structure: a repeating unit of histones and DNA. Science. 184, 868-871 (1974).
- Luger, K., Mader, A. W., Richmond, R. K., Sargent, D. F., Richmond, T. J. Crystal structure of the nucleosome core particle at 2.8 A resolution. Nature. 389, 251-260 (1997).
- Kouzarides, T. Chromatin modifications and their function. Cell. 128, 693-705 (2007).
- Bannister, A. J., Kouzarides, T. Regulation of chromatin by histone modifications. Cell Res. 21, 381-395 (2011).
- Taverna, S. D., Li, H., Ruthenburg, A. J., Allis, C. D., Patel, D. J. How chromatin-binding modules interpret histone modifications: lessons from professional pocket pickers. Nat Struct Mol Biol. 14, 1025-1040 (2007).
- Jenuwein, T., Allis, C. D. Translating the histone code. Science. 293, 1074-1080 (2001).
- Spotswood, H. T., Turner, B. M. An increasingly complex code. J Clin Invest. 110, 577-582 (2002).
- Soldi, M., Cuomo, A., Bremang, M., Bonaldi, T. Mass spectrometry-based proteomics for the analysis of chromatin structure and dynamics. Int J Mol Sci. 14, 5402-5431 (2013).
- Sidoli, S., Cheng, L., Jensen, O. N. Proteomics in chromatin biology and epigenetics: Elucidation of post-translational modifications of histone proteins by mass spectrometry. J Proteomics. 75, 3419-3433 (2012).
- Britton, L. M., Gonzales-Cope, M., Zee, B. M., Garcia, B. A. Breaking the histone code with quantitative mass spectrometry. Expert Rev Proteomics. 8, 631-643 (2011).
- Taverna, S. D., et al. Long-distance combinatorial linkage between methylation and acetylation on histone H3 N termini. Proc Natl Acad Sci U S A. 104, 2086-2091 (2007).
- Garcia, B. A., Shabanowitz, J., Hunt, D. F. Characterization of histones and their post-translational modifications by mass spectrometry. Curr Opin Chem Biol. 11, 66-73 (2007).
- Villar-Garea, A., Imhof, A. The analysis of histone modifications. Biochim Biophys Acta. 1764, 1932-1939 (2006).
- Plazas-Mayorca, M. D., et al. One-pot shotgun quantitative mass spectrometry characterization of histones. J Proteome Res. 8, 5367-5374 (2009).
- Ohta, S., et al. The protein composition of mitotic chromosomes determined using multiclassifier combinatorial proteomics. Cell. 142, 810-821 (2010).
- Vermeulen, M., et al. Selective anchoring of TFIID to nucleosomes by trimethylation of histone H3 lysine 4. Cell. 131, 58-69 (2007).
- Vermeulen, M., et al. Quantitative interaction proteomics and genome-wide profiling of epigenetic histone marks and their readers. Cell. 142, 967-980 (2010).
- Bartke, T., et al. Nucleosome-interacting proteins regulated by DNA and histone methylation. Cell. 143, 470-484 (2010).
- Dejardin, J., Kingston, R. E. Purification of proteins associated with specific genomic Loci. Cell. 136, 175-186 (2009).
- Lambert, J. P., Mitchell, L., Rudner, A., Baetz, K., Figeys, D. A novel proteomics approach for the discovery of chromatin-associated protein networks. Mol Cell Proteomics. 8, 870-882 (2009).
- Soldi, M., Bonaldi, T. The proteomic investigation of chromatin functional domains reveals novel synergisms among distinct heterochromatin components. Mol Cell Proteomics. 12, 764-780 (2013).
- Shevchenko, A., Tomas, H., Havlis, J., Olsen, J. V., Mann, M. In-gel digestion for mass spectrometric characterization of proteins and proteomes. Nat Protoc. 1, 2856-2860 (2006).
- Shevchenko, A., Wilm, M., Vorm, O., Mann, M. Mass spectrometric sequencing of proteins silver-stained polyacrylamide gels. Anal Chem. 68, 850-858 (1996).
- Bonaldi, T., Regula, J. T., Imhof, A. The use of mass spectrometry for the analysis of histone modifications. Methods Enzymol. 377, 111-130 (2004).
- Cuomo, A., Moretti, S., Minucci, S., Bonaldi, T. SILAC-based proteomic analysis to dissect the "histone modification signature" of human breast cancer cells. Amino Acids. 41, 387-399 (2011).
- Rappsilber, J., Mann, M., Ishihama, Y. Protocol for micro-purification, enrichment, pre-fractionation and storage of peptides for proteomics using StageTips. Nat Protoc. 2, 1896-1906 (2007).
- Rappsilber, J., Ishihama, Y., Mann, M. Stop and go extraction tips for matrix-assisted laser desorption/ionization, nanoelectrospray, and LC/MS sample pretreatment in proteomics. Anal Chem. 75, 663-670 (2003).
- Olsen, J. V., Ong, S. E., Mann, M. Trypsin cleaves exclusively C-terminal to arginine and lysine residues. Mol Cell Proteomics. 3, 608-614 (2004).
- Jung, H. R., Pasini, D., Helin, K., Jensen, O. N. Quantitative mass spectrometry of histones H3.2 and H3.3 in Suz12-deficient mouse embryonic stem cells reveals distinct, dynamic post-translational modifications at Lys-27 and Lys-36. Mol Cell Proteomics. 9, 838-850 (2010).
- Cox, J., Mann, M. MaxQuant enables high peptide identification rates, individualized p.p.b.-range mass accuracies and proteome-wide protein quantification. Nat Biotechnol. 26, 1367-1372 (2008).
- Cox, J., et al. Andromeda: a peptide search engine integrated into the MaxQuant environment. J Proteome Res. 10, 1794-1805 (2011).
- Lachner, M., O’Carroll, D., Rea, S., Mechtler, K., Jenuwein, T. Methylation of histone H3 lysine 9 creates a binding site for HP1 proteins. Nature. 410, 116-120 (2001).
- Bannister, A. J., et al. Selective recognition of methylated lysine 9 on histone H3 by the HP1 chromo domain. Nature. 410, 120-124 (2001).
- Ram, O., et al. Combinatorial patterning of chromatin regulators uncovered by genome-wide location analysis in human cells. Cell. 147, 1628-1639 (2011).
- Barski, A., et al. High-resolution profiling of histone methylations in the human genome. Cell. 129, 823-837 (2007).
- Beck, H. C. Mass spectrometry in epigenetic research. Methods Mol Biol. 593, 263-282 (2010).
- Ernst, J., Kellis, M. Discovery and characterization of chromatin states for systematic annotation of the human genome. Nat Biotechnol. 28, 817-825 (2010).
- Tipton, J. D., et al. Analysis of intact protein isoforms by mass spectrometry. J Biol Chem. 286, 25451-25458 (2011).
- Young, N. L., et al. High throughput characterization of combinatorial histone codes. Mol Cell Proteomics. 8, 2266-2284 (2009).
- Boyne, M. T., Pesavento, J. J., Mizzen, C. A., Kelleher, N. L. Precise characterization of human histones in the H2A gene family by top down mass spectrometry. J Proteome Res. 5, 248-253 (2006).
