Геномный анализ распределения модификаций гистонов с использованием метода секвенирования иммунопреципитации хроматина в Magnaporthe oryzae
Summary
Здесь мы представляем протокол анализа общегеномного распространения модификаций гистонов, который может идентифицировать новые гены-мишени в патогенезе M. oryzae и других нитевидных грибов.
Abstract
Секвенирование иммунопреципитации хроматина (ChIP-seq) является мощным и широко используемым молекулярным методом для картирования местоположения всего генома факторов транскрипции (TF), регуляторов хроматина и модификаций гистонов, а также обнаружения целых геномов для выявления паттернов связывания TF и посттрансляционных модификаций гистонов. Хроматин-модифицирующие действия, такие как метилирование гистонов, часто набираются в специфические регуляторные последовательности генов, вызывая локализованные изменения в структурах хроматина и приводя к специфическим транскрипционным эффектам. Рисовый взрыв является разрушительным грибковым заболеванием на рисе во всем мире и является модельной системой для изучения взаимодействия грибка и растений. Тем не менее, молекулярные механизмы в том, как модификации гистонов регулируют свои гены вирулентности в Magnaporthe oryzae, остаются неуловимыми. Больше исследователей должны использовать ChIP-seq для изучения того, как эпигенетическая модификация гистонов регулирует их гены-мишени. ChIP-seq также широко используется для изучения взаимодействия белка и ДНК у животных и растений, но он менее используется в области патологии растений и не был хорошо развит. В этой статье мы описываем экспериментальный процесс и метод работы ChIP-seq для идентификации общегеномного распределения гистонового метилирования (такого как H3K4me3), которое связывается с функциональными генами-мишенями у M. oryzae. Здесь мы представляем протокол анализа общегеномного распространения модификаций гистонов, который может идентифицировать новые гены-мишени в патогенезе M. oryzae и других нитевидных грибов.
Introduction
Эпигенетика — это отрасль генетических исследований, которая относится к наследственным изменениям экспрессии генов без изменения нуклеотидной последовательности генов. Все большее число исследований показало, что эпигенетическая регуляция играет важную роль в росте и развитии эукариотических клеток, включая хроматин, который регулирует и влияет на экспрессию генов посредством динамического процесса складывания и сборки в структуры более высокого порядка1,2. Ремоделирование хроматина и ковалентная модификация гистонов влияют и регулируют функцию и структуру хроматина посредством вариации полимеров хроматина, тем самым достигая функции регуляции экспрессии генов3,4,5,6. Посттрансляционные модификации гистонов включают ацетилирование, фосфорилирование, метилирование, моноубиквитинирование, сумоилирование и АДФ рибозилирование7,8,9. Метилирование гистонов H3K4, особенно триметилирование, было нанесено на карту с местами начала транскрипции, где оно связано с репликацией транскрипции, рекомбинацией, репарацией и обработкой РНК у эукариот10,11.
Технология ChIP-seq была внедрена в 2007 году и стала экспериментальным стандартом для общегеномного анализа транскрипционной регуляции и эпигенетических механизмов12,13. Этот метод подходит в масштабе всего генома и для получения информации о взаимодействии гистонов или транскрипционных факторов, включая сегменты ДНК ДНК-связывающих белков. Любые последовательности ДНК, сшитые с белками, представляющими интерес, будут сопреципитировать как часть комплекса хроматина. Методы секвенирования нового поколения также используются для секвенирования 36-100 bp ДНК, которые затем сопоставляются с соответствующим геномом-мишенью.
В фитопатогенных грибах недавно начались исследования по изучению того, как модификации метилирования гистонов регулируют их целевые гены в процессе патогенности. Некоторые предыдущие исследования доказали, что регуляция генов, связанных с гистонметилазой, в основном отражается на глушении генов и катализе производства вторичных метаболитов (СМ). MoSet1 представляет метилазу H3K4 в M. oryzae. Нокаут этого гена приводит к полной делеции H3K4me3 модификации14. По сравнению со штаммом дикого типа экспрессия гена MoCEL7C у мутанта ингибируется в CMC-индуцированном состоянии и в неиндуцированном состоянии (глюкоза или целлобиоза), экспрессия MoCEL7C увеличилась на15. В Fusarium graminearumKMT6 может катализировать модификацию метилирования H3K27me3, регулировать нормальное развитие грибов и помогать регулировать «загадочный геном», содержащий кластер генов SM16,17,18,19. В 2013 году Коннолли сообщил, что метилирование H3K9 и H3K27 регулирует патогенный процесс грибов через вторичные метаболиты и эффекторные факторы, которые регулируют ингибированиегенов-мишеней 20. У Aspergillusмодификация гистонов H3K4me2 и H3K4me3 связана с активацией генов и играет важную роль в контроле регуляции уровня хроматина кластеров генов SM21. У M. oryzaeTig1 (гомологичная Tig1 у дрожжей и млекопитающих) представляет собой HADC (гистон-деацетилаза)22. Нокаут гена Tig1 приводит к полной потере патогенности и способности к производству спор у нулевого мутанта. Он более чувствителен к пероксигенной среде, которая не может продуцировать инфекционные гифы22.
Рисовый взрыв, вызванный M. oryzae., является одним из самых серьезных заболеваний риса в большинстве рисоводных районов в мире19. Благодаря своему репрезентативному инфекционному процессу, M. oryzae похож на процесс заражения многих важных патогенных грибов. Поскольку гриб легко может выполнять молекулярно-генетические операции, он стал модельным организмом для изучения грибо-растительных взаимодействий23. Блокирование каждого этапа инфекционного процесса M. oryzae может привести к неудачному заражению. Морфологические изменения в процессе заражения строго регулируются всей функцией генома и транскрипцией гена. Среди них эпигенетические модификации, такие как метилирование гистонов, играют существенную роль в транскрипционной регуляции функциональных генов24,25. Однако до сих пор было проведено мало исследований молекулярного механизма эпигенетических модификаций, таких как метилирование гистонов и ацетилирование гистонов в транскрипции генов патогенеза у M. oryzae. Таким образом, дальнейшее развитие механизма эпигенетической регуляции гриба рисового бласта при одновременном исследовании регуляторной сети этих патогенных генов поможет разработать стратегии профилактики и контроля рисового взрыва.
С развитием функциональной геномики, такой как ChIP-seq, особенно в эпигенетике, этот высокопроизводительный метод сбора данных ускорил исследования хромосом. Используя экспериментальную технологию ChIP-seq, можно идентифицировать общегеномное распределение гистонового метилирования (например, H3K4me3, H3K27me3, H3K9me3) в M. oryzae и других нитевидных грибах. Таким образом, этот метод может помочь прояснить молекулярные механизмы, лежащие в основе того, как эпигенетические модификации регулируют свои гены-мишени во время грибкового патогенеза при патологии растений.
Protocol
Representative Results
Discussion
В последнее время ChIP-seq стал широко используемым методом геномного анализа для определения сайтов связывания ТФ или сайтов обогащения, модифицированных специфическими гистонами. По сравнению с предыдущей технологией ChIP-seq, новая технология ChIP-seq является высокочувствительной и гибкой…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (грант No 31871638), Специальным научно-исследовательским проектом Пекинского сельскохозяйственного университета (YQ201603), Научным проектом Пекинского комитета по образованию (KM201610020005), проектом научно-исследовательской культивации высокого уровня BUA (GJB2021005).
Materials
| acidic casein hydrolysate | WAKO | 65072-00-6 | Medium configuration |
| agar powder | scientan | 9002-18-0 | Medium configuration |
| deoxycholic acid | MedChemExpress | 83-44-3 | protein and dissolution |
| DNA End-Repair kit | NovoBiotec | ER81050 | Repair DNA or cDNA damaged by enzymatic or mechanical shearing |
| Dynabeads | Invitrogen | no.100.02D | Binding target |
| EB buffer | JIMEI | JC2174 | Membrane and liquid |
| EDTA | ThermoFisher | AM9912 | protease inhibitor |
| enzymatic casein hydrolysate | Sigma | 91079-40-2 | Medium configuration |
| glucose | Sigma | 50-99-7 | Medium configuration |
| glycogen | ThermoFisher | AM9510 | Precipitant action |
| H3K4me3 antibodies | Abcam | ab8580 | Immune response to H3K4me3 protein |
| illumina Genome Analyzer | illumina | illumina Hiseq 2000 | Large configuration |
| Illumina PCR primers | illumina | CleanPlex | Random universal primer |
| isoamyl alcohol | chemical book | 30899-19-5 | Purified DNA |
| LiCl | ThermoFisher | AM9480 | specific removal RNA |
| lysing enzymes | Sigma | L1412-10G | cell lysis buffer |
| Mouse IgG | Yeasen | 36111ES10 | Animal normal immunoglobulin |
| NaCl solution | ThermoFisher | 7647-14-5 | Medium configuration |
| NaHCO3 | Seebio | SH30173.08* | preparation of protein complex eluent |
| NP-40 | ThermoFisher | 85124 | cell lysate to promote cell lysis |
| PCR Purification kit | Qiagen | 28004 | The purification procedure removes primers from DNA samples |
| protease inhibitors | ThermoFisher | A32965 | A protein inhibitor that decreases protein activity |
| Proteinase K | ThermoFisher | AM2546 | DNA Extraction Reagent |
| Qubit 4.0 | ThermoFisher | Q33226 | Medium configuration |
| RIPA buffer | ThermoFisher | 9806S | cell lysis buffer |
| RNase A | ThermoFisher | AM2271 | Purified DNA |
| SDS | ThermoFisher | AM9820 | cover up the charge differences |
| sodium acetate solution | ThermoFisher | R1181 | Acetic acid buffer |
| sodium deoxycholate | ThermoFisher | 89904 | inhibition of protease degradation |
| T4 DNA ligase | ThermoFisher | EL0011 | Under the condition of ATP as coenzyme, DNA ligase |
| T4 DNA ligase buffer | ThermoFisher | B69 | DNA ligase buffer |
| Tris-HCl | ThermoFisher | 1185-53-1 | buffer action |
| Triton X-100 | ThermoFisher | HFH10 | keep the membrane protein stable |
| yeast extract | OXOID | LP0021 | Medium configuration |
References
- Kornberg, R. D. Chromatin structure: are repeating unit of histones and DNA. Science. 184 (4139), 868-871 (1974).
- Luger, K., et al. Crystal structure of the nucleosomecore particle at 2.8 a resolution. Nature. 389 (6648), 251-260 (1997).
- Strathl, B. D., Allis, C. D. The language of covalent histone modifications. Nature. 403 (6765), 41-45 (2000).
- Lachner, M., Jenuwein, T. The many faces of histone lysine methylation. Current Opinion in Cell Biology. 14 (3), 286-298 (2002).
- Bhaumik, S. R., et al. Covalent modifications of histones during development and disease pathogenesis. Nature Structural and Molecular Biology. 14 (11), 1008-1016 (2007).
- Shilatifard, A. Molecular implementation and physiological roles for histone H3 lysine 4 (H3K4) methylation. Current Opinion in Cell Biology. 20 (3), 341-348 (2008).
- Berger, S. L. The complex language of chromatin regulation during transcription. Nature. 447 (7143), 407-412 (2007).
- Bernstein, B. E., et al. The mammalian epigenome. Cell. 128 (4), 669-681 (2007).
- Weake, V. M., Workman, J. L. Histone ubiquitination: triggering gene activity. Molecular Cell. 29 (6), 653-663 (2008).
- Workman, J. L., Kingston, R. E. Alteration of nucleosome structure as a mechanism of transcriptional regulation. Annual Review of Biochemistry. 67 (1), 545-579 (2003).
- Kouzarides, T. Chromatin modifications and their function. Cell. 128 (4), 693-705 (2007).
- Akhtar, J., More, P., Albrecht, S. ChIP-Seq from limited starting material of K562 cells and Drosophila neuroblasts using tagmentation assisted fragmentation approach. Bio-protocol. 10 (4), 3520 (2020).
- Steinhauser, S., Kurzawa, N., Eils, R., Herrmann, C. A comprehensive comparison of tools of differential ChIP-seq analysis. Briefings in Bioinformatics. 17 (6), 953-966 (2016).
- Kieu, T., et al. MoSET1 (histone H3K4 methyltransferase in Magnaporthe oryzae) regulates global gene expression during infection-related morphogenesis. Plos Genetics. 11 (7), 11005385 (2015).
- Vu, B. V., Pham, K. T., Nakayashiki, H. Substrate-induced transcriptional activation of the MoCel7C cellulase gene is associated with methylation of histone H3 at lysine 4 in the rice blast fungus Magnaporthe oryzae. Applied and Environmental Microbiology. 79 (21), 6823-6832 (2013).
- Kazan, K., Gardiner, D. M., Manners, J. M. On the trail of a cereal killer: recent advances in Fusarium graminearum pathogenomics and host resistance. Molecular Plant Pathology. 13 (4), 399-413 (2012).
- Wang, G. H., et al. The AMT1 arginine methyltransferase gene is important for plant infection and normal hyphal growth in Fusarium graminearum. PLoS One. 7 (5), 38324 (2012).
- Liu, Y., et al. Histone H3K4 methylation regulates hyphal growth, secondary metabolism and multiple stress responses in Fusarium graminearum. Environmental Microbiology. 17 (11), 4615-4630 (2016).
- Zhang, M. Y., et al. The plant infection test: spray and wound-mediated inoculation with the plant pathogen Magnaporthe grisea. Journal of Visualized Experiments. (138), e57675 (2018).
- Connolly, L. R., Smith, K. M., Freitag, M. The Fusarium graminearum histone H3K27 methyltransferase KMT6 regulates development and expression of secondary metabolite gene clusters. PloS Genetics. 9 (10), 1003916 (2013).
- Palmer, J. M., et al. Loss of CclA, required for histone 3 lysine 4 methylation, decreases growth but increases secondary metabolite production in Aspergillus fumigatus. PeerJ. 1, 4 (2013).
- Ding, S. L., et al. The Tig1 histone deacetylase complex regulates infectious growth in the rice blast fungus Magnaporthe oryzae. The Plant Cell. 22 (7), 2495-2508 (2010).
- Dean, R. A., et al. The genome sequence of the rice blast fungus Magnaporthe grisea. Nature. 434 (7036), 980-986 (2005).
- Allis, C. D., et al. New nomenclature for chromatin-modifying enzymes. Cell. 131 (4), 633-636 (2007).
- Shilatifard, A. The COMPASS family of histone H3K4 methylases: mechanisms of regulation in development and disease pathogenesis. Annual Review of Biochemistry. 81, 65-95 (2012).
- Zhou, S. D., et al. The COMPASS-like complex modulates fungal development and pathogenesis by regulating H3K4me3-mediated targeted gene expression in Magnaporthe oryzae. Molecular Plant Pathology. 22 (4), 422-439 (2021).
