Gjenbrukbare enkeltceller for iterative epigenomiske analyser
Summary
Den foreliggende protokollen beskriver en enkeltcellemetode for iterative epigenomiske analyser ved bruk av en gjenbrukbar enkeltcelle. Den gjenbrukbare enkeltcellen tillater analyser av flere epigenetiske merker i samme enkeltcelle og statistisk validering av resultatene.
Abstract
Dagens encellede epigenomanalyser er designet for engangsbruk. Cellen kasseres etter en enkelt bruk, noe som forhindrer analyse av flere epigenetiske merker i en enkelt celle og krever data fra andre celler for å skille signal fra eksperimentell bakgrunnsstøy i en enkelt celle. Denne artikkelen beskriver en metode for å gjenbruke den samme enkeltcellen for iterative epigenomiske analyser.
I denne eksperimentelle metoden blir cellulære proteiner først forankret til en polyakrylamidpolymer i stedet for å kryssbinde dem til protein og DNA, og lindre strukturell skjevhet. Dette kritiske trinnet tillater gjentatte eksperimenter med samme enkeltcelle. Deretter annealed en tilfeldig primer med en stillassekvens for nærhetsligering til det genomiske DNA, og den genomiske sekvensen blir tilsatt primeren ved forlengelse ved bruk av en DNA-polymerase. Deretter er et antistoff mot en epigenetisk markør og kontroll-IgG, hver merket med forskjellige DNA-prober, bundet til de respektive målene i samme enkeltcelle.
Nærhetsligering induseres mellom den tilfeldige primeren og antistoffet ved å legge til et kontakt-DNA med komplementære sekvenser til stillassekvensen til den tilfeldige primeren og antistoff-DNA-sonden. Denne tilnærmingen integrerer antistoffinformasjon og nærliggende genomsekvenser i et enkelt DNA-produkt av nærhetsligering. Ved å muliggjøre gjentatte eksperimenter med samme enkeltcelle, tillater denne metoden en økning i datatetthet fra en sjelden celle og statistisk analyse ved bruk av bare IgG og antistoffdata fra samme celle. De gjenbrukbare enkeltcellene fremstilt ved denne metoden kan lagres i minst noen måneder og gjenbrukes senere for å utvide epigenetisk karakterisering og øke datatettheten. Denne metoden gir fleksibilitet til forskere og deres prosjekter.
Introduction
Enkeltcelleteknologi går inn i epoken med enkeltcelle multiomikk, som integrerer individuelle enkeltcelle-omics-teknologier1. Nylig har enkeltcelletranskriptomikk blitt kombinert med metoder for å oppdage kromatintilgjengelighet (scNMT-seq2 og SHARE-seq3) eller histonmodifikasjoner (Paired-seq4 og Paired-Tag5). Mer nylig ble encellet transkriptomikk og proteomikk integrert med kromatintilgjengelighet (DOGMA-seq6). Disse metodene bruker transposasebasert merking for å oppdage kromatintilgjengelighet eller histonmodifikasjoner.
Transposase-baserte tilnærminger spalter genomisk DNA og legger til en DNA-strekkode på slutten av det genomiske DNA-fragmentet. Hvert spaltet genomisk fragment kan bare akseptere opptil to DNA-strekkoder (= ett epigenetisk merke per spaltningssted), og det genomiske DNA på spaltningsstedet går tapt. Derfor har spaltningsbaserte tilnærminger en avveining mellom antall epigenetiske merker som er testet og signaltettheten. Dette hemmer analysen av flere epigenetiske merker i samme enkeltcelle. En encellet epigenomisk metode som ikke spalter det genomiske DNA ble utviklet for å overvinne dette problemet 7,8.
I tillegg til det spaltningsavledede problemet nevnt ovenfor, har transposasebaserte tilnærminger andre begrensninger. I enkeltcelleepigenomanalyse er det viktig å vite plasseringen av histoner og DNA-assosierte proteiner på genomet. I dagens tilnærminger oppnås dette ved å bruke ufikserte enkeltceller og retensjon av protein-DNA og protein-protein-interaksjoner. Dette genererer imidlertid sterk skjevhet mot tilgjengelige kromatinregioner, selv i analysen av histonmodifikasjoner 9. Plasseringen av histoner og genomassosierte proteiner på genomet kan bevares uten kryssbinding av protein-DNA og protein-protein, ved bruk av et polyakrylamidstillas 7,8. Denne tilnærmingen reduserer strukturell skjevhet observert i nåværende tilnærminger som avhenger av protein-DNA og protein-protein-interaksjoner.
Transposase-baserte tilnærminger kan bare skaffe signaler en gang fra en enkelt celle. Derfor er det vanskelig å avgrense hele epigenomet til en enkelt celle på grunn av frafallet av signalene. Gjenbrukbare enkeltceller er utviklet for å overvinne nåværende begrensninger ved å tillate iterativ epigenomisk analyse i samme enkeltcelle.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne artikkelen beskriver trinn-for-trinn-protokollen for den nylig rapporterte enkeltcellede multiepigenomiske analysen ved bruk av gjenbrukbare enkeltceller7. I de påfølgende avsnittene diskuterer vi kritiske punkter, med vekt på potensielle begrensninger i protokollen.
Et av de kritiske punktene i hele protokollen (fra trinn 7.2-13) er å unngå DNase-forurensning. En enkelt celle har bare to kopier av genomisk DNA. Derfor reduserer skadelig genomisk DNA kritisk…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker Dr. David Sanchez-Martin og Christopher B. Buck for kommentarer under konseptualiseringsfasen av prosjektet. Vi takker også Genomics Core, Center for Cancer Research, National Cancer Institute, National Institutes of Health for hjelp i foreløpige eksperimenter, og Collaborative Bioinformatics Resource, CCR, NCI, NIH for råd i beregningsanalyse. Vi takker Anna Word for å hjelpe til med optimalisering av DNA-polymeraser som brukes i metoden. Dette arbeidet utnyttet beregningsressursene til NIHHPC Biowulf-klyngen (http://hpc.nih.gov). Dette prosjektet støttes av Intramural Program av Center for Cancer Research, 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 av 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
- Perkel, J. M. Single-cell analysis enters the multiomics age. Nature. 595 (7868), 614-616 (2021).
- 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).
- Ma, S., et al. Chromatin potential identified by shared single-cell profiling of RNA and Chromatin. Cell. 183 (4), 1103-1116 (2020).
- 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).
- Zhu, C., et al. Joint profiling of histone modifications and transcriptome in single cells from mouse brain. Nature Methods. 18 (3), 283-292 (2021).
- 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).
- Ohnuki, H., Venzon, D. J., Lobanov, A., Tosato, G. Iterative epigenomic analyses in the same single cell. Genome Research. 31 (10), 1819-1830 (2021).
- 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).
- Harada, A., et al. A chromatin integration labelling method enables epigenomic profiling with lower input. Nature Cell Biology. 21 (2), 287-296 (2019).
- Egelhofer, T. A., et al. An assessment of histone-modification antibody quality. Nature Structural & Molecular Biology. 18 (1), 91-93 (2011).
- Marina, R. J., et al. TET-catalyzed oxidation of intragenic 5-methylcytosine regulates CTCF-dependent alternative splicing. EMBO Journal. 35 (3), 335-355 (2016).
- 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).
- 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).
- Gan, S. D., Patel, K. R. Enzyme immunoassay and enzyme-linked immunosorbent assay. Journal of Investigative Dermatology. 133 (9), 12 (2013).
- Porstmann, T., Kiessig, S. T. Enzyme immunoassay techniques. An overview. Journal of Immunological Methods. 150 (1-2), 5-21 (1992).
- Chao, H. P., et al. Systematic evaluation of RNA-Seq preparation protocol performance. BMC Genomics. 20 (1), 571 (2019).
- Song, Y., et al. A comparative analysis of library prep approaches for sequencing low input translatome samples. BMC Genomics. 19 (1), 696 (2018).
- Rotem, A., et al. Single-cell ChIP-seq reveals cell subpopulations defined by chromatin state. Nature Biotechnology. 33 (11), 1165-1172 (2015).
- Ku, W. L., et al. Single-cell chromatin immunocleavage sequencing (scChIC-seq) to profile histone modification. Nature Methods. 16 (4), 323-325 (2019).
- 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).
- Maskell, D. P., et al. Structural basis for retroviral integration into nucleosomes. Nature. 523 (7560), 366-369 (2015).
