Summary

Genanvendelig enkeltcelle til iterative epigenomiske analyser

Published: February 11, 2022
doi:

Summary

Denne protokol beskriver en enkeltcellemetode til iterative epigenomiske analyser ved hjælp af en genanvendelig enkeltcelle. Den genanvendelige enkeltcelle muliggør analyser af flere epigenetiske mærker i samme enkeltcelle og statistisk validering af resultaterne.

Abstract

Nuværende enkeltcelle epigenomanalyser er designet til engangsbrug. Cellen kasseres efter en enkelt brug, hvilket forhindrer analyse af flere epigenetiske mærker i en enkelt celle og kræver data fra andre celler for at skelne signal fra eksperimentel baggrundsstøj i en enkelt celle. Dette papir beskriver en metode til at genbruge den samme enkelte celle til iterative epigenomiske analyser.

I denne eksperimentelle metode er cellulære proteiner først forankret til en polyacrylamidpolymer i stedet for at krydsbinde dem til protein og DNA, hvilket lindrer strukturel bias. Dette kritiske trin tillader gentagne eksperimenter med den samme enkeltcelle. Derefter udglødes en tilfældig primer med en stilladssekvens til nærhedsligering til det genomiske DNA, og den genomiske sekvens tilsættes primeren i forlængelse heraf under anvendelse af en DNA-polymerase. Derefter er et antistof mod en epigenetisk markør og kontrol IgG, hver mærket med forskellige DNA-sonder, bundet til de respektive mål i den samme enkeltcelle.

Nærhedsligering induceres mellem den tilfældige primer og antistoffet ved at tilføje et forbindelses-DNA med komplementære sekvenser til stilladssekvensen af den tilfældige primer og antistof-DNA-sonden. Denne tilgang integrerer antistofinformation og nærliggende genomsekvenser i et enkelt DNA-produkt af nærhedsligering. Ved at muliggøre gentagne eksperimenter med den samme enkeltcelle tillader denne metode en stigning i datatæthed fra en sjælden celle og statistisk analyse ved kun at bruge IgG- og antistofdata fra den samme celle. De genanvendelige enkeltceller fremstillet ved denne metode kan opbevares i mindst et par måneder og genbruges senere for at udvide epigenetisk karakterisering og øge datatætheden. Denne metode giver fleksibilitet til forskere og deres projekter.

Introduction

Enkeltcelleteknologi går ind i æraen med enkeltcelle multiomics, som integrerer individuelle enkeltcelle omics-teknologier1. For nylig er enkeltcelletranskriptomik blevet kombineret med metoder til påvisning af kromatintilgængelighed (scNMT-seq2 og SHARE-seq3) eller histonmodifikationer (Paired-seq4 og Paired-Tag5). For nylig blev enkeltcelletranskriptomik og proteomik integreret med kromatintilgængelighed (DOGMA-seq6). Disse metoder bruger transposasebaseret tagging til påvisning af kromatintilgængelighed eller histonmodifikationer.

Transposasebaserede tilgange spalter genomisk DNA og tilføjer en DNA-stregkode i slutningen af det genomiske DNA-fragment. Hvert spaltet genomisk fragment kan kun acceptere op til to DNA-stregkoder (= et epigenetisk mærke pr. spaltningssted), og det genomiske DNA på spaltningsstedet går tabt. Derfor har spaltningsbaserede tilgange en afvejning mellem antallet af testede epigenetiske mærker og signaltætheden. Dette hæmmer analysen af flere epigenetiske mærker i samme enkeltcelle. En enkeltcelle epigenomisk metode, der ikke spalter det genomiske DNA, blev udviklet for at overvinde dette problem 7,8.

Ud over det spaltningsafledte problem, der er nævnt ovenfor, har transposasebaserede tilgange andre begrænsninger. I enkeltcelle epigenomanalyse er det afgørende at kende placeringen af histoner og DNA-associerede proteiner på genomet. I nuværende tilgange opnås dette ved at bruge ikke-fikserede enkeltceller og tilbageholdelse af protein-DNA og protein-proteininteraktioner. Dette genererer imidlertid stærk bias til tilgængelige kromatinregioner, selv i analysen af histonmodifikationer 9. Placeringen af histoner og genomassocierede proteiner på genomet kan bevares uden tværbinding af protein-DNA og proteinprotein ved hjælp af et polyacrylamidstillads 7,8. Denne tilgang reducerer den strukturelle bias, der observeres i nuværende tilgange, der afhænger af protein-DNA og protein-proteininteraktioner.

Transposasebaserede tilgange kan kun erhverve signaler én gang fra en enkelt celle. Derfor er det vanskeligt at afgrænse det komplette epigenom af en enkelt celle på grund af signalernes drop-off. Genanvendelige enkeltceller er udviklet til at overvinde de nuværende begrænsninger ved at tillade iterativ epigenomisk analyse i den samme enkeltcelle.

Protocol

BEMÆRK: En skematisk gengivelse af metoden er vist i figur 1. Figur 1: Skematisk repræsentation af protokolarbejdsprocessen. Trin 7.2-13 forklares gennem skematiske repræsentationer. Hver række angiver et trin i protokollen. Et cellulært protein farvet i grønt er et humant nukleosom, der genere…

Representative Results

K562-enkeltceller blev genereret ved hjælp af protokollen beskrevet i trin 8 (se figur 5). Enkeltceller blev indlejret i det ydre lag af polyacrylamidperlen. Celle-DNA blev farvet og visualiseret ved hjælp af et interkalatorfarvestof til DNA-farvning. Figur 5: Genererede genanvendelige enkeltceller. …

Discussion

Denne artikel beskriver den trinvise protokol for den nyligt rapporterede enkeltcellede multiepigenomiske analyse ved hjælp af genanvendelige enkeltceller7. I de efterfølgende afsnit diskuterer vi kritiske punkter og understreger potentielle begrænsninger i protokollen.

Et af de kritiske punkter i hele protokollen (fra trin 7.2-13) er at undgå DNase-kontaminering. En enkelt celle har kun to kopier af genomisk DNA. Derfor reducerer skadeligt genomisk DNA signalantal…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vi takker Dr. David Sanchez-Martin og Christopher B. Buck for kommentarer i projektets konceptualiseringsfase. Vi takker også Genomics Core, Center for Cancer Research, National Cancer Institute, National Institutes of Health for hjælp i indledende eksperimenter og Collaborative Bioinformatics Resource, CCR, NCI, NIH for rådgivning i beregningsanalyse. Vi takker Anna Word for at hjælpe med optimeringen af DNA-polymeraser, der anvendes i metoden. Dette arbejde udnyttede beregningsressourcerne i NIHHPC Biowulf-klyngen (http://hpc.nih.gov). Dette projekt støttes af det intramurale program fra Center for Kræftforskning, National Cancer Institute, National Institutes of Health, NCI Director’s Innovation Award (# 397172) og føderale midler fra National Cancer Institute under kontrakt nr. HHSN261200800001E. Vi takker Dr. Tom Misteli, Carol Thiele, Douglas R. Lowy og alle medlemmer af Laboratory of Cellular Oncology for produktive kommentarer.

Materials

10x CutSmart buffer New England BioLabs B6004 10x Digestion buffer
200 proof ethanol Warner-Graham Company 200 proof Ethanol
5-Hydroxymethylcytosine (5-hmC) Monoclonal Antibody [HMC/4D9] Epigentek A-1018-100 Anti-5hmC
Acridine Orange/Propidium Iodide Stain Logos Biosystems F23001 Cell counter
Acrylamide solution, 40% in H2O, for molecular biology MilliporeSigma 01697-500ML 40% acrylamide solution
All-in-One Fluorescence Microscope BZ-X710 Keyence BZ-X710 Scanning microscope
Amicon Ultra-0.5 Centrifugal Filter Unit MilliporeSigma UFC510024 Ultrafiltration cassette
Ammonium persulfate for molecular biology MilliporeSigma A3678-100G Ammonium persulfate powder
Anhydrous DMF Vector laboratories S-4001-005 Anhydrous N,N-dimethylformamide (DMF)
Anti-RNA polymerase II CTD repeat YSPTSPS (phospho S5) antibody [4H8] Abcam ab5408 Anti-Pol II
Anti-TRAP220/MED1 (phospho T1457) antibody Abcam ab60950 Anti-Med1
BciVI New England BioLabs R0596L BciVI
Bovine Serum Albumin solution, 20 mg/mL in H2O, low bioburden, protease-free, for molecular biology MilliporeSigma B8667-5ML 20% BSA (Table 7)
Bst DNA Polymerase, Large Fragment New England BioLabs M0275L Bst DNA polymerase
BT10 Series 10 µl Barrier Tip NEPTUNE BT10 P10 low-retention tip
CellCelector Automated Lab Solutions N/A Automated single cell picking robot
CellCelector 4 nl nanowell plates for single cell cloning, Plate S200-100 100K, 24 well,ULA Automated Lab Solutions CC0079 4 nL nanowell plate
Chloroform MilliporeSigma Chloroform
Corning Costar 96-Well, Cell Culture-Treated, Flat-Bottom Microplate Corning 3596 Flat-bottom 96-well plates
Deep Vent (exo-) DNA Polymerase New England BioLabs M0259L Exo DNA polymerase
DNA LoBind Tubes, 0.5 mL Eppendorf 30108035 0.5 mL DNA low-binding tube
DNA Oligo, 1st random primer Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 1st random primer
DNA Oligo, 2nd random primer Cell#01 Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 2nd random primer
DNA Oligo, 2nd random primer Cell#02 Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 2nd random primer
DNA Oligo, 2nd random primer Cell#03 Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 2nd random primer
DNA Oligo, 2nd random primer Cell#04 Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 2nd random primer
DNA Oligo, 2nd random primer Cell#05 Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 2nd random primer
DNA Oligo, 2nd random primer Cell#06 Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 2nd random primer
DNA Oligo, 2nd random primer Cell#07 Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 2nd random primer
DNA Oligo, 2nd random primer Cell#08 Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 2nd random primer
DNA Oligo, 2nd random primer Cell#09 Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 2nd random primer
DNA Oligo, 2nd random primer Cell#10 Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 2nd random primer
DNA Oligo, 2nd random primer Cell#11 Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 2nd random primer
DNA Oligo, 2nd random primer Cell#12 Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 2nd random primer
DNA Oligo, 2nd synthesis primer Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 2nd synthesis primer
DNA Oligo, Ligation Adaptor Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 Ligation Adaptor
DNA Oligo, Reverse Transcription primer Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 Reverse Transcription primer
DNase I (RNase-free) New England BioLabs M0303L DNase I (RNase-free, 4 U).
DNase I Reaction Buffer New England BioLabs B0303S 10x DNase I buffer (NEB)
dNTP Mix (10 mM each) Thermo Fisher R0192 10 mM dNTPs
Fetal Bovine Serum, USA origin, Heat-inactivated MilliporeSigma F4135-500ML Fetal bovine serum
HiScribe T7 High Yield RNA Synthesis Kit New England BioLabs E2040S In-vitro-transcription master mix
Histone H3K27ac antibody Active motif 39133 Anti-H3K27ac
Histone H3K27me3 antibody Active motif 39155 Anti-H3K27me3
IgG from rabbit serum Millipore Sigma I5006-10MG Control IgG
Iron oxide(II,III) magnetic nanopowder, 30 nm avg. part. size (TEM), NHS ester functionalized MilliporeSigma 747467-1G NHS ester functionalized 30 nm iron oxide powder
K-562 American Type Culture Collection (ATCC) CCL-243 cells
Linear Acrylamide (5 mg/mL) Thermo Fisher AM9520 Linear Acrylamide
LUNA-FL Dual Fluorescence Cell Counter Logos Biosystems L20001 Cell counter
LUNA Cell Counting Slides, 50 Slides Logos Biosystems L12001 Cell counter
Mineral oil, BioReagent, for molecular biology, light oil MilliporeSigma M5904-500ML Mineral oil
N,N,N′,N′-Tetramethylethylenediamine for molecular biology MilliporeSigma T7024-100ML N,N,N′,N′-Tetramethylethylenediamine
NaCl (5 M), RNase-free Thermo Fisher AM9760G 5M NaCl
NanoDrop Lite Thermo Fisher 2516  Microvolume spectrophotometer
NEST 2 mL 96-Well Deep Well Plate, V Bottom Opentrons N/A 2 mL deep well 96-well plate
Non-skirted 96-well PCR plate Genesee Scientific 27-405 96-well PCR plate
NuSive GTG Agarose Lonza 50081 Agarose
OmniPur Acrylamide: Bis-acrylamide 19:1, 40% Solution MilliporeSigma 1300-500ML 40%Acrylamide/Bis-acrylamide
OT-2 lab robot Opentrons OT2 Automated liquid handling robot
Paraformaldehyde, EM Grade, Purified, 20% Aqueous Solution Electron Microscopy Sciences 15713 20% Pararmaldehyde
PBS (10x), pH 7.4 Thermo Fisher 70011044 10x PBS
PIPETMAN Classic P1000 GILSON F123602 A P1000 pipette
Protein LoBind Tubes, 1.5 mL Eppendorf 925000090 1.5 mL Protein low-binding tube
QIAgen Gel Extraction kit Qiagen 28706 A P1000 pipette
Quant-iT PicoGreen dsDNA Assay Thermo Fisher P11495  dsDNA specific intercalator dye
Quick Ligation kit New England BioLabs M2200L T4 DNA ligase (NEB)
RNaseOUT Recombinant Ribonuclease Inhibitor Thermo Fisher 10777019 RNAse inhibitor
S-4FB Crosslinker (DMF-soluble) Vector laboratories S-1004-105 Succinimidyl 4-formylbenzoate (S-4FB)
S-HyNic Vector laboratories S-1002-105 Succinimidyl 6-hydrazinonicotinate acetone hydrazone (S-HyNic)
Sodium Acetate, 3 M, pH 5.2, Molecular Biology Grade MilliporeSigma 567422-100ML 3M Sodium acetate (pH 5.2)
Sodium bicarbonate, 1M buffer soln., pH 8.5 Alfa Aesar J60408 1M sodium bicarbonate buffer, pH 8.5
Sodium phosphate dibasic for molecular biology MilliporeSigma S3264-250G Na2HPO4
Sodium phosphate monobasic for molecular biology MilliporeSigma S3139-250G NaH2PO4
SuperScript IV reverse transcriptase Thermo Fisher 18090050 Reverse transcriptase
SYBR Gold Nucleic Acid Gel Stain (10,000x Concentrate in DMSO) Thermo Fisher S11494 An intercalator dye for DNA
T4 DNA Ligase Reaction Buffer New England BioLabs B0202S 10x T4 DNA ligase reaction buffer
ThermoPol Reaction Buffer Pack New England BioLabs B9004S 10x TPM-T buffer (Tris-HCl/Pottasium chloride/Magnesium sulfate/Triton X-100)
TRIzol LS reagent Thermo Fisher 10296-028 Guanidinium thiocyanate-phenol-chloroform extraction
TruSeq Nano DNA library prep kit Illumina 20015965 A DNA library preparation kit (see also the manufacturer's instruction)
Ultramer DNA Oligo, Anti-5hmC_Ab#005 Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 An amine-modified DNA probe for antibody
Ultramer DNA Oligo, Anti-H3K27ac_Ab#002 Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 An amine-modified DNA probe for antibody
Ultramer DNA Oligo, Anti-H3K27me3_Ab#003 Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 An amine-modified DNA probe for antibody
Ultramer DNA Oligo, Anti-Med1_Ab#004 Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 An amine-modified DNA probe for antibody
Ultramer DNA Oligo, Anti-Pol II_Ab#006 Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 An amine-modified DNA probe for antibody
Ultramer DNA Oligo, Control IgG_Ab#001 Integrated DNA Technologies N/A, see Table 3 An amine-modified DNA probe for control IgG
UltraPure 0.5 M EDTA, pH 8.0 Thermo Fisher 15575020 0.5M EDTA, pH 8.0
UltraPure DNase/RNase-Free Distilled Water Thermo Fisher 10977023 Ultrapure water
Zeba Splin Desalting Columns, 7K MWCO, 0.5 mL Thermo Fisher 89882 Desalting column

References

  1. Perkel, J. M. Single-cell analysis enters the multiomics age. Nature. 595 (7868), 614-616 (2021).
  2. Clark, S. J., et al. scNMT-seq enables joint profiling of chromatin accessibility DNA methylation and transcription in single cells. Nature Communications. 9 (1), 781 (2018).
  3. Ma, S., et al. Chromatin potential identified by shared single-cell profiling of RNA and Chromatin. Cell. 183 (4), 1103-1116 (2020).
  4. Zhu, C., et al. An ultra high-throughput method for single-cell joint analysis of open chromatin and transcriptome. Nature Structural & Molecular Biology. 26 (11), 1063-1070 (2019).
  5. Zhu, C., et al. Joint profiling of histone modifications and transcriptome in single cells from mouse brain. Nature Methods. 18 (3), 283-292 (2021).
  6. Mimitou, E. P., et al. Scalable, multimodal profiling of chromatin accessibility, gene expression and protein levels in single cells. Nature Biotechnology. 39 (10), 1246-1258 (2021).
  7. Ohnuki, H., Venzon, D. J., Lobanov, A., Tosato, G. Iterative epigenomic analyses in the same single cell. Genome Research. 31 (10), 1819-1830 (2021).
  8. Tosato, G., Ohnuki, H. . Methods of preparing a re-usable single cell and methods fro analyzing the epigenome, transcriptome, and genome of a single cell. , (2021).
  9. Harada, A., et al. A chromatin integration labelling method enables epigenomic profiling with lower input. Nature Cell Biology. 21 (2), 287-296 (2019).
  10. Egelhofer, T. A., et al. An assessment of histone-modification antibody quality. Nature Structural & Molecular Biology. 18 (1), 91-93 (2011).
  11. Marina, R. J., et al. TET-catalyzed oxidation of intragenic 5-methylcytosine regulates CTCF-dependent alternative splicing. EMBO Journal. 35 (3), 335-355 (2016).
  12. Weast, R. C., Weast, R. C., Astle, M. J., Beyer, W. H., et al. . Handbook of chemistry and physics: a ready-reference book of chemical and physical data. 56th edn. , (1975).
  13. Aydin, S. A short history, principles, and types of ELISA, and our laboratory experience with peptide/protein analyses using ELISA. Peptides. 72, 4-15 (2015).
  14. Gan, S. D., Patel, K. R. Enzyme immunoassay and enzyme-linked immunosorbent assay. Journal of Investigative Dermatology. 133 (9), 12 (2013).
  15. Porstmann, T., Kiessig, S. T. Enzyme immunoassay techniques. An overview. Journal of Immunological Methods. 150 (1-2), 5-21 (1992).
  16. Chao, H. P., et al. Systematic evaluation of RNA-Seq preparation protocol performance. BMC Genomics. 20 (1), 571 (2019).
  17. Song, Y., et al. A comparative analysis of library prep approaches for sequencing low input translatome samples. BMC Genomics. 19 (1), 696 (2018).
  18. Rotem, A., et al. Single-cell ChIP-seq reveals cell subpopulations defined by chromatin state. Nature Biotechnology. 33 (11), 1165-1172 (2015).
  19. Ku, W. L., et al. Single-cell chromatin immunocleavage sequencing (scChIC-seq) to profile histone modification. Nature Methods. 16 (4), 323-325 (2019).
  20. Carter, B., et al. Mapping histone modifications in low cell number and single cells using antibody-guided chromatin tagmentation (ACT-seq). Nature Communications. 10 (1), 3747 (2019).
  21. Maskell, D. P., et al. Structural basis for retroviral integration into nucleosomes. Nature. 523 (7560), 366-369 (2015).
check_url/63456?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Ohnuki, H., Venzon, D. J., Lobanov, A., Tosato, G. Reusable Single Cell for Iterative Epigenomic Analyses. J. Vis. Exp. (180), e63456, doi:10.3791/63456 (2022).

View Video