Schnell Fluorescent<em> In-situ-</em> Hybridisierung Protokoll für Xist-RNA in Kombination mit Immunfluoreszenz von Histonmodifikationen in X-Chromosom-Inaktivierung
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
Kombinieren RNA Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH) mit Immunfluoreszenz (Immuno-FISH) schafft eine Technik, die auf der Ebene einzelner Zellen verwendet werden können, um die räumliche Dynamik RNA Lokalisierung mit gleichzeitige Einblick in die Lokalisierung von Proteinen, epigenetische Modifikationen und andere Details zu detektieren die durch Immunfluoreszenz markiert werden kann. X-Chromosom-Inaktivierung ist ein Paradigma für lange nicht-kodierende RNA (lncRNA) vermittelte Gen-Silencing. X-inaktiven spezifischen Transkripts (Xist) lncRNA Ansammlung (genannt Xist Wolke) an einem der beiden X-Chromosomen in weiblichen Säugern ist ein kritischer Schritt, um X-Chromosom Inaktivierung initiieren. Xist-RNA direkt oder indirekt in Wechselwirkung mit verschiedenen Chromatin-modifizierende Enzyme und stellt verschiedene epigenetischen Landschaften in den inaktiven X-Chromosom (Xi). Eine bekannte epigenetischen Kennzeichen der Xi ist der Histone H3 trimethyl-Lysin-27 (H3K27me3) Änderung. Hier haben wir eine einfache und schnelle Immun FISH beschreibenProtokoll zum Nachweis von Xist-RNA mit RNA-FISH mit mehreren Oligonukleotid-Sonden in Verbindung mit Immunfluoreszenz von H3K27me3, um die Lokalisierung von Xist-RNA und die damit verbundenen epigenetische Veränderungen zu untersuchen. Verwendung von Oligonucleotidsonden zu einer kürzeren Inkubationszeit und empfindlicher Nachweis von Xist RNA im Vergleich zu in vitro transkribierte RNA-Sonden (Ribosonden). Dieses Protokoll stellt ein leistungsfähiges Werkzeug für das Verständnis der Dynamik von lncRNAs und die damit verbundenen epigenetische Modifikation der Chromatinstruktur, Kern Organisation und Transkriptionsregulation.
Introduction
Säugetier X-Chromosom Inaktivierung (XCI) ist eine Strategie, um die Unwucht in X-verknüpften Gens Dosis zwischen XX und XY, wobei eines der beiden X-Chromosomen in Weibchen transkriptionell inaktivierten 1 kompensieren. X-Chromosom-Inaktivierung ist eine große Modellsystem für lange nicht-kodierende RNA (lncRNA) Forschung. X-Chromosom-Inaktivierung von mehreren lncRNAs geregelt und wurde ausgiebig in den letzten Jahrzehnten untersucht, um die Übersprechmechanismen zwischen lncRNAs, Transkription, Chromatinstruktur und Kernorganisation 2, 3 aufzudecken.
Die X-Inaktivierung Zentrum (XIC) auf dem X-Chromosom lokalisiert ist eine komplexe genetische Locus einer Reihe von Genen, die Herstellung nicht-kodierenden RNAs 4 besteht. X-inaktiv spezifische Transkript (Xist) lncRNA in eutherian Säugetieren ist eine solche lncRNA, die eine entscheidende Rolle bei der X-Chromosom-Inaktivierung 5,6 spielt. Xist Transkripte umgeben den Ort der futur Xi bis X-Chromosom-Inaktivierung zu initiieren, und erscheinen wie eine Wolke, wenn visualisiert mittels RNA FISH; Diese Formation wird als "Xist Cloud" 7 bezeichnet. Seit Xist-RNA interagiert mit verschiedenen Chromatin-modifizierende Enzyme, wird Co-Lokalisation der Xist Wolken mit verschiedenen epigenetische Modifikationen für stille Chromatin und repressive Transkription während X-Chromosom Inaktivierung 8 beobachtet. Beispielsweise interagiert Xist-RNA mit polycomb repressive komplexen 2 (PRC2), die für H3K27me3 verantwortlich ist und induziert eine repressive Chromatin Zustand 9. Das Auftreten der Xist Wolke am Xi und seine Co-Lokalisierung mit der intensiven H3K27me3 Änderung stellt eine fakultative Heterochromatin Landschaft des Xi 10,11.
Zytogenetischen Techniken, wie DNA / RNA-FISH haben einen langen Weg von der traditionellen Methode mit radioaktiv markierten Sonden 12 auf die jüngsten und modernsten Techniken mit verbesserter Empfindlichkeit und kommenFluoreszenz-Bildgebung mit mehreren Oligonukleotidsonden 13,14. DNA / RNA-FISH in Verbindung mit Immunfluoreszenz wurde routinemäßig als zytologische Werkzeug benutzt, um Raum-Zeit-Atom-Organisation, RNA-Lokalisierung, Chromatinstruktur und Modifikationen zu verstehen. Die Standardsonde Vorbereitung RNA FISH beinhaltet die Verwendung von Plasmid oder bakteriellen künstlichen Chromosoms (BAC) Klonen und deren anschließende Markierung entweder mit Nick-Translation oder Random-Priming-15. Fast 70% der Gene in Mäusen und 40% der Gene in Menschen zeigen jedoch eine Überlappung von Sense- und Antisense-Transkripte 16, daher um Sense- und Antisense-Transkripte unterscheidet die eine strangspezifische FISH-Verfahren. In vitro transkribierte RNA-Sonden (Ribosonde ) werden oft für strangspezifischen RNA-FISH 17,18 verwendet; Dies ist jedoch mit Herstellung eines Plasmid-Klon oder PCR-Produkt mit T7, SP6 oder T3-Promotor und Synthetisieren Ribosonden. Außerdem Ribosonden von genom abgeleitetic DNA oder cDNA enthalten oft unspezifische Regionen und repetitiven Elementen, was zu hohen Hintergrundgeräuschen führen. Ein weiteres Problem ist, dass Ribosonden, die einige hundert Nukleotide lang sind, und enthalten mehrere Fluorophore, nicht effizient in den Zellkern einzudringen. Um dies zu umgehen, wurden mehrere kürzere Oligonukleotidsonden mit einem einzigen Fluorophor am Ende markierten entwickelt worden, die eine gute Empfindlichkeit, einheitliche Signalstärke und der Leichtigkeit der Reinigung und Handhabung von 14 haben. Darüber hinaus sind DNA-Oligonukleotide in der Regel stabiler als RNA. Wir verwendeten eine ähnliche Strategie unter Verwendung von Oligonukleotiden in Xist RNA FISH 19 mit Immunfluoreszenz die epigenetische Dynamik des Xi durch Xist lncRNA während des Prozesses der X-Chromosom Inaktivierung induziert verstehen. Dieses Protokoll beschreibt die Erstellung von Oligonukleotid-Sonden und die richtige Vorbereitung der Zellen, sowie die Verwertung von Immunfluoreszenz und RNA-FISH. Xist-RNA-FISH mit mehreren oligonucleotides ist kostensparenden Lösung in den langfristigen, wenn Xist RNA FISH wird routinemäßig in einem Labor durchgeführt wird. Diese Technik kann verwendet werden, um lncRNAs in Zellen zu identifizieren und gleichzeitig die Abbildung ihrer Co-Lokalisierung mit epigenetische Modifikationen oder Faktoren werden. Ein großer Vorteil des Protokolls ist die Fähigkeit, leicht zu modifizieren, seine Forschungsinteressen gerecht zu werden.
Protocol
Representative Results
Discussion
In diesem Papier haben wir eine schnelle Immun FISH-Protokoll, das weniger als 5 Stunden dauert, Präparat, Xist-RNA FISH und Immunfluoreszenz für H3K27me3 abzuschließen präsentiert. Im Vergleich mit der allgemeinen Immun FISH Ansatz für Xist-RNA-Erkennung, die in der Regel braucht Inkubation über Nacht für die RNA-FISH, dieses Protokoll nicht nur deutlich reduziert Zeitaufwand, sondern verbessert auch die Empfindlichkeit der Immun-FISH mit Oligonukleotid-Sonden.
Seit Xist ist hoch wä…
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. Genetics. 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).
