Purificação de cromatina de locus gênico de cópia única em Saccharomyces cerevisiae
Summary
Este protocolo apresenta um método de isolamento de cromatina locus-específico baseado em recombinação sítio-específica para purificar um locus gênico de cópia única de interesse em seu contexto de cromatina nativa a partir de levedura brotante, Saccharomyces cerevisiae.
Abstract
A unidade organizacional básica da cromatina eucariótica é a partícula núcleo do nucleossomo (NCP), que compreende DNA envolto ~1,7 vezes em torno de um octâmero de histona. A cromatina é definida como a entidade de NCPs e numerosos outros complexos proteicos, incluindo fatores de transcrição, remodelamento da cromatina e enzimas modificadoras. Ainda não está claro como essas interações proteína-DNA são orquestradas no nível de loci genômicos específicos durante diferentes estágios do ciclo celular. Isso se deve principalmente às limitações técnicas atuais, que tornam difícil obter medidas precisas dessas interações dinâmicas. Aqui, descrevemos um método aprimorado combinando recombinação sítio-específica com um eficiente protocolo de purificação de afinidade em etapa única para isolar um locus gênico de cópia única de interesse em seu estado nativo de cromatina. O método permite o enriquecimento robusto do locus alvo sobre a cromatina genômica, tornando esta técnica uma estratégia eficaz para identificar e quantificar interações proteicas de forma imparcial e sistemática, por exemplo, por espectrometria de massas. Além dessas análises composicionais, a cromatina nativa purificada por este método provavelmente reflete a situação in vivo em relação ao posicionamento do nucleossomo e modificações de histonas e, portanto, é passível de análises estruturais e bioquímicas adicionais da cromatina derivada de praticamente qualquer locus genômico em levedura.
Introduction
A organização dinâmica de genomas eucarióticos em cromatina compacta o DNA para caber dentro dos limites do núcleo, garantindo dinâmica suficiente para a expressão gênica e acessibilidade para fatores regulatórios. Em parte, essa versatilidade é mediada pelo nucleossomo, a unidade básica da cromatina, que compreende uma partícula central com 147 pb de DNA envolto ~1,7 vezes em torno do oitâmero de histona1. O nucleossomo é uma estrutura altamente dinâmica em relação à sua composição, com numerosas variantes de histonas e modificações pós-traducionais (MPTs) nas caudas das histonas N- e C-terminais. Além disso, a cromatina eucariótica interage com uma infinidade de outros componentes essenciais, tais como fatores de transcrição, maquinário de processamento de DNA e RNA, proteínas arquitetônicas, enzimas envolvidas no remodelamento e modificação da cromatina e moléculas de RNA associadas à cromatina. Essas máquinas cruciais envolvidas na transcrição, replicação e reparo requerem acesso à cromatina, que serve como substrato natural para esses processos. Consequentemente, compreender os mecanismos moleculares subjacentes a essas transações de DNA requer uma definição precisa das alterações coletivas na estrutura da cromatina nas regiões genômicas específicas onde essas máquinas convergem e facilitam as reações biológicas.
Apesar da identificação de numerosos fatores da cromatina através de estudos genéticos e de interação proteína-proteína, a realização de análises diretas, imparciais e abrangentes das interações da cromatina em sítios genômicos específicos tem permanecido um obstáculo significativo 2,3. Inicialmente, apenas regiões altamente abundantes do genoma (isto é, loci repetitivos) ou plasmídeos multicópias poderiam ser isolados em quantidade e pureza suficientes para a identificação espectrométrica de massa das proteínas associadas 4,5,6,7. Uma série de novas abordagens baseadas na hibridização direta de sondas de captura para DNA cromatinizado, biotinilação de proximidade usando o sistema CRISPR-dCas9 ou a ligação de proteínas adaptadoras sequenciais específicas ao locus de interesse começaram a desvendar o proteoma de loci de cópia única de genomas de leveduras e mamíferos8,9,10 . No entanto, todos esses métodos requerem reticulação de formaldeído para estabilizar as interações proteína-DNA e sonicação para solubilizar a cromatina para posterior purificação. Juntas, ambas as manipulações excluem a possibilidade de estudos estruturais e funcionais subsequentes da cromatina purificada.
Para superar essas limitações, desenvolvemos previamente uma metodologia que emprega recombinação sítio-específica para extrair domínios cromossômicos direcionados de leveduras11,12. Em essência, a região genômica de interesse é cercada por sítios de reconhecimento (RS) para a R-recombinase sítio-específica de Zygosaccharomyces rouxi, incorporando simultaneamente um grupo de três sítios de ligação ao DNA para a proteína LexA repressora transcricional procariótica (LexA) dentro da mesma região. As células de levedura contêm um de expressão para a expressão simultânea de R-recombinase e uma proteína LexA fundida a uma etiqueta de purificação de afinidade em tandem (TAP). Após a indução da R-recombinase, a enzima excisa eficientemente a região alvo do cromossomo na forma de um domínio circular da cromatina. Este domínio pode ser purificado através da proteína adaptadora LexA-TAP, que se liga aos sítios de ligação do ADN LexA, bem como a um suporte de afinidade. Este método tem sido recentemente utilizado para isolar domínios distintos da cromatina contendo origens de replicação selecionadas do cromossomo III da levedura13.
Uma grande vantagem desta abordagem ex vivo é que ela permite análises funcionais do material isolado. Por exemplo, domínios de origem de replicação purificados com este método podem ser submetidos a ensaios de replicação in vitro para avaliar a eficiência de disparo de origem em um tubo de ensaio a partir de modelos de cromatina montados in vivo nativos. Em última análise, a caracterização bioquímica e funcional do material isolado pode permitir a reconstituição de processos nucleares utilizando proteínas purificadas em conjunto com o molde de cromatina nativa. Em resumo, esta metodologia abre um caminho empolgante na pesquisa da cromatina, pois será possível acompanhar as mudanças composicionais e estruturais coletivas da cromatina de uma região genômica específica submetida a uma determinada transação cromossômica.
Protocol
Representative Results
Discussion
A identificação dos fatores e da paisagem da cromatina de uma região genômica alvo específica continua a representar um grande desafio na pesquisa da cromatina18. Este protocolo descreve um sistema eficiente para especificamente excisar e purificar domínios distintos da cromatina dos cromossomos de leveduras. Até onde sabemos, a pureza e o rendimento desta purificação em etapa única superam muitas das limitações dos métodos de purificação de cromatina locus-específicos, permitindo …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
O trabalho no laboratório de S.H. foi apoiado pela DFG através do SFB1064 (projeto ID 213249687), do Conselho Europeu de Pesquisa (ERC Starting Grant 852798 ConflictResolution) e da 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 |
Referências
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