يصف هذا البروتوكول طريقة تجريبية وسير عمل تحليل البيانات للانقسام تحت الأهداف والإطلاق باستخدام nuclease (CUT & RUN) في مسببات الأمراض الفطرية البشرية المبيضات البيضاء.
تتحكم عوامل النسخ التنظيمية في العديد من العمليات البيولوجية المهمة ، بما في ذلك التمايز الخلوي ، والاستجابات للاضطرابات والضغوط البيئية ، والتفاعلات بين المضيف والممرض. يعد تحديد الارتباط على نطاق الجينوم لعوامل النسخ التنظيمية بالحمض النووي أمرا ضروريا لفهم وظيفة عوامل النسخ في هذه العمليات البيولوجية المعقدة في كثير من الأحيان. الانقسام تحت الأهداف والإطلاق باستخدام النوكليز (CUT & RUN) هو طريقة حديثة لرسم الخرائط على نطاق الجينوم للتفاعلات المرتبطة بالبروتين والحمض النووي في الجسم الحي والتي تعد بديلا جذابا لترسيب المناعة التقليدي والمستخدم على نطاق واسع للكروماتين متبوعا بطريقة التسلسل (ChIP-seq). CUT & RUN قابل للإعداد التجريبي عالي الإنتاجية ولديه نطاق ديناميكي أعلى بكثير مع تكاليف تسلسل أقل لكل عينة من ChIP-seq. هنا ، يتم وصف بروتوكول CUT & RUN الشامل وسير عمل تحليل البيانات المصاحب المصمم خصيصا للتحليل على مستوى الجينوم لتفاعلات ربط عامل النسخ والحمض النووي في مسببات الأمراض الفطرية البشرية المبيضات البيضاء . ويشمل هذا البروتوكول المفصل جميع الإجراءات التجريبية اللازمة، بدءا من وضع علامات على جينات ترميز عامل النسخ إلى إعداد المكتبة للتسلسل؛ بالإضافة إلى ذلك ، فإنه يتضمن سير عمل حسابي مخصص لتحليل بيانات CUT & RUN.
المبيضات البيضاء هي مسببات أمراض فطرية بشرية متعددة الأشكال ذات صلة سريريا موجودة في مجموعة متنوعة من أنماط النمو المختلفة ، مثل وضع نمو العوالق (العائمة الحرة) وكمجتمعات من الخلايا الملتصقة بإحكام محمية بمصفوفة خارج الخلية ، والمعروفة باسم وضع الأغشية الحيوية للنمو1،2،3. على غرار العمليات التنموية والخلوية الأخرى ، يعد تطوير الأغشية الحيوية سمة ضراوة C. albicans المهمة التي من المعروف أنه يتم التحكم فيها على مستوى النسخ بواسطة عوامل النسخ التنظيمية (TFs) التي ترتبط بالحمض النووي بطريقة محددة التسلسل4. في الآونة الأخيرة ، ظهرت منظمات الكروماتين ومعدلات الهيستون أيضا كمنظمين مهمين لتشكيل الأغشية الحيوية C. albicans 5 و morphogenesis6 عن طريق التوسط في الوصول إلى الحمض النووي. لفهم البيولوجيا المعقدة لهذا العامل الممرض الفطري المهم ، فإن الطرق الفعالة لتحديد التوطين على نطاق الجينوم ل TFs محددة خلال العمليات التنموية والخلوية المتميزة أمر قيم.
الترسيب المناعي للكروماتين متبوعا بالتسلسل (ChIP-seq) هو طريقة تستخدم على نطاق واسع للتحقيق في تفاعلات البروتين والحمض النووي في C. albicans 5,6 وقد حلت إلى حد كبير محل الترسيب المناعي الأكثر كلاسيكية للكروماتين متبوعا بطريقة microarray (ChIP-chip)9. ومع ذلك ، تتطلب كل من طرق ChIP-seq و ChIP-chip عددا كبيرا من خلايا الإدخال10 ، والتي يمكن أن تكون عاملا معقدا عند التحقيق في TFs في سياق عينات وطرق نمو محددة ، مثل الأغشية الحيوية التي تم جمعها من المرضى أو النماذج الحيوانية للعدوى. بالإضافة إلى ذلك ، غالبا ما ينتج عن اختبار الترسيب المناعي للكروماتين (ChIP) كمية كبيرة من إشارة الخلفية في جميع أنحاء الجينوم ، مما يتطلب مستوى عاليا من التخصيب للهدف محل الاهتمام لفصل الإشارة بشكل كاف عن الضوضاء. في حين أن فحص رقاقة ChIP-chip قديم إلى حد كبير اليوم ، فإن أعماق التسلسل اللازمة ل ChIP-seq تجعل هذا الفحص مكلفا للغاية بالنسبة للعديد من الباحثين ، وخاصة أولئك الذين يدرسون العديد من TFs و / أو البروتينات المرتبطة بالكروماتين.
الانقسام تحت الأهداف والإطلاق باستخدام النوكليز (CUT & RUN) هو بديل جذاب ل ChIP-seq. تم تطويره من قبل مختبر Henikoff في عام 2017 للتحايل على قيود الانقسام الداخلي ChIP-seq والكروماتين متبوعا بتسلسل ChEC-seq11,12 ، وهي طريقة أخرى لتحديد تفاعلات البروتين والحمض النووي على مستوى الجينوم ، مع توفير خرائط عالية الدقة على مستوى الجينوم ل TFs والبروتينات المرتبطة بالكروماتين13 . يعتمد CUT & RUN على الهضم المستهدف للكروماتين داخل النوى المتخلل باستخدام نوكلياز المكورات الدقيقة المربوطة ، يليه تسلسل شظايا الحمض النووي المهضومة 9,10. نظرا لأن شظايا الحمض النووي يتم إنشاؤها على وجه التحديد في المواقع المرتبطة ببروتين ذي أهمية ، بدلا من توليدها في جميع أنحاء الجينوم عن طريق التجزئة العشوائية كما هو الحال في اختبارات ChIP ، فإن نهج CUT & RUN يؤدي إلى انخفاض كبير في إشارات الخلفية ، وبالتالي ، يتطلب 1/10عشر من عمق التسلسل مقارنة ب ChIP-seq11,13 ، 14. وتؤدي هذه التحسينات في نهاية المطاف إلى تخفيضات كبيرة في تكاليف التسلسل وتخفيضات في العدد الإجمالي لخلايا المدخلات اللازمة كمواد أولية لكل عينة.
هنا ، يتم وصف بروتوكول CUT & RUN قوي تم تكييفه وتحسينه لتحديد توطين TFs على مستوى الجينوم في خلايا C. albicans المعزولة عن الأغشية الحيوية وثقافات العوالق. كما يتم تقديم خط أنابيب شامل لتحليل البيانات ، والذي يمكن من معالجة وتحليل بيانات التسلسل الناتجة ويتطلب من المستخدمين أن يكون لديهم الحد الأدنى من الخبرة في الترميز أو المعلوماتية الحيوية. باختصار ، يصف هذا البروتوكول وضع علامات على جينات ترميز TF ، وحصاد الخلايا البيوفيلمية والعوالق ، وعزل النوى المتخلل السليمة ، والحضانة بالأجسام المضادة الأولية ضد البروتين المحدد أو البروتين الموسوم بالظهارة ذات الأهمية ، وربط بروتينات الاندماج الخيمرية A / G-micrococcal nuclease (pAG-MNase) بالأجسام المضادة الأولية ، واستعادة الحمض النووي الجينومي بعد هضم الكروماتين ، وإعداد مكتبات الحمض النووي الجينومية للتسلسل.
يتبع بروتوكول CUT & RUN التجريبي خط أنابيب لتحليل البيانات مصمم لهذا الغرض ، والذي يأخذ قراءات تسلسل الحمض النووي الخام بتنسيق FASTQ وينفذ جميع خطوات المعالجة المطلوبة لتوفير قائمة كاملة بالمواقع المخصبة بشكل كبير المرتبطة ب TF ذات الأهمية (التي يستهدفها الجسم المضاد الأساسي). لاحظ أن خطوات متعددة من بروتوكول إعداد المكتبة الموصوف قد تم تكييفها وتحسينها خصيصا لتحليل CUT & RUN ل TFs (على عكس النيوكليوسومات). في حين تم إنشاء البيانات المقدمة في هذه المخطوطة باستخدام تعديلات خاصة ب TF لمجموعة CUT & RUN تجارية ، فقد تم التحقق من صحة هذه البروتوكولات أيضا باستخدام مكونات من مصادر فردية (أي إنزيم pAG-MNase وخرز تنقية الحمض النووي المغناطيسي) والمخازن المؤقتة المعدة داخليا ، والتي يمكن أن تقلل بشكل كبير من التكلفة التجريبية. يتم وصف بروتوكولات التجارب الشاملة وتحليل البيانات بالتفصيل أدناه في شكل خطوة بخطوة. يتم سرد جميع الكواشف والمعدات الحيوية ، وكذلك وصفات التخزين المؤقت والوسائط ، في جدول المواد والملف التكميلي 1 ، على التوالي.
يقدم هذا البروتوكول خط أنابيب تجريبي وحسابي شامل لتوطين TFs التنظيمية على نطاق الجينوم في C. albicans. وهي مصممة لتكون في متناول أي شخص لديه تدريب قياسي في علم الأحياء الدقيقة والبيولوجيا الجزيئية. من خلال الاستفادة من النطاق الديناميكي العالي ومتطلبات إدخال العينات المنخفضة لفحص CUT & RUN وت?…
The authors have nothing to disclose.
نشكر جميع الأعضاء السابقين والحاليين في مختبري نوبيل وهيرنداي على تعليقاتهم على المخطوطة. تم دعم هذا العمل من قبل المعهد الوطني للعلوم الطبية العامة (NIGMS) التابع للمعاهد الوطنية للصحة (NIGMS) رقم R35GM124594 ومن قبل عائلة Kamangar في شكل كرسي موهوب ل C.J.N. تم دعم هذا العمل أيضا من قبل المعهد الوطني للحساسية والأمراض المعدية (NIAID) رقم الجائزة R15AI137975 إلى A.D.H.C.L.E. بدعم من المعهد الوطني لبحوث الأسنان والوجه والمعاهد الوطنية للصحة (NIDCR) رقم الزمالة F31DE028488. المحتوى هو مسؤولية المؤلفين وحدهم ولا يمثل وجهات نظر الممولين. ولم يكن للممولين أي دور في تصميم الدراسة؛ في جمع البيانات أو تحليلها أو تفسيرها؛ في كتابة المخطوطة ؛ أو في قرار نشر النتائج.
0.22 μm filter | Millipore Sigma | SLGPM33RS | |
0.65 mL low-adhesion tubes | VWR | 490003-190 | |
1 M CaCl2 | Fisher Scientific | 50-152-341 | |
1 M PIPES | Fisher Scientific | AAJ61224AK | |
12-well untreated cell culture plates | Corning | 351143 | |
2-mercaptoethanol | Sigma-Aldrich | 60-24-2 | |
2% Digitonin | Fisher Scientific | CHR103MI | |
50 mL conical tubes | VWR | 89039-658 | |
5x phusion HF buffer | Fisher Scientific | F530S | Item part of the Phusion high fidelity DNA polymerase; referred to in text as "DNA polymerase buffer" |
Agar | Criterion | C5001 | |
Agencourt AMPure XP magnetic beads | Beckman Coulter | A63880 | |
Agilent Bioanalyzer | Agilent | G2939BA | Referred to in the text as "capillary electrophoresis instrument"; user-dependepent |
Amplitube PCR reaction strips with attached caps, Simport Scientific | VWR | 89133-910 | |
Bacto peptone | BD Biosciences | 211677 | |
Benchling primer design tool | Benchling | https://www.benchling.com/molecular-biology/; Referred to in the text as "the primer design tool" | |
Betaine | Fisher Scientific | AAJ77507AB | |
Calcofluor white stain | Sigma-Aldrich | 18909-100ML-F | |
Candida Genome Database | http://www.candidagenome.org/ | ||
Concanavalin A (ConA) conjugated paramagnetic beads | Polysciences | 86057-3 | |
Conda software | https://docs.conda.io/en/latest/miniconda.html | ||
curl tool | http://www.candidagenome.org/download/sequence/C_albicans_SC5314/Assembly21/current/C_albicans_SC5314_A21_current_ chromosomes.fasta.gz |
||
CUTANA ChIC/CUT&RUN kit | Epicypher | 14-1048 | Referred to in the text as "the CUT&RUN kit" |
Deoxynucleotide (dNTP) solution mix (10 mM) | New England Biolabs | N0447S | |
Dextrose (D-glucose) | Fisher Scientific | D163 | |
Difco D-mannitol | BD Biosciences | 217020 | |
Disposable cuvettes | Fisher Scientific | 14-955-127 | |
Disposable transfer pipets | Fisher Scientific | 13-711-20 | |
DNA Gel Loading Dye (6x) | Fisher Scientific | R0611 | |
DreamTaq green DNA polymerase | Fisher Scientific | EP0713 | Referred to in the text as "cPCR DNA polymerase" |
DreamTaq green DNA polymerase buffer | Fisher Scientific | EP0713 | Item part of the DreamTaq green DNA polymerase; referred to in the text as "cPCR DNA polymerase buffer" |
E. coli spike-in DNA | Epicypher | 18-1401 | |
ELMI Microplate incubator | ELMI | TRMS-04 | Referred to in the text as "microplate incubator" |
End Prep Enzyme Mix | Item part of the NEBNext Ultra II DNA Library Prep kit | ||
End Prep Reaction Buffer | Item part of the NEBNext Ultra II DNA Library Prep kit | ||
Ethanol 200 proof | VWR | 89125-170 | |
FastDigest MssI | Fisher Scientific | FD1344 | Referred to in the text as "restriction enzyme" |
FastDigest MssI Buffer | Fisher Scientific | FD1344 | Item part of the FastDigest MssI kit; referred to in the text as "restriction enzyme buffer" |
Ficoll 400 | Fisher BioReagents | BP525-25 | |
Fluorescence microscope | User-dependent | ||
Gel electrophoresis apparatus | User-dependent | ||
GeneRuler low range DNA ladder | Fisher Scientific | FERSM1192 | |
GitBash workflow | https://gitforwindows.org/ | ||
GitHub source code | https://github.com/akshayparopkari/cut_run_analysis | ||
HEPES-KOH pH 7.5 | Boston BioProducts | BBH-75-K | |
High-speed centrifuge | User-dependent | ||
Isopropanol | Sigma-Aldrich | PX1830-4 | |
Lens paper | VWR | 52846-001 | |
Ligation Enhancer | Item part of the NEBNext Ultra II DNA Library Prep kit | ||
Lithium acetate dihydrate | MP Biomedicals | 215525683 | |
Living Colors Full-Length GFP polyclonal antibody | Takara | 632592 | User-dependent |
MACS2 | https://pypi.org/project/MACS2/ | ||
Magnetic separation rack, 0.2 mL tubes | Epicypher | 10-0008 | |
Magnetic separation rack, 1.5 mL tubes | Fisher Scientific | MR02 | |
MgCl2 | Sigma-Aldrich | M8266 | |
Microcentrifuge tubes 1.5 mL | Fisher Scientific | 05-408-129 | |
Microplate and cuvette spectrophotometer | BioTek | EPOCH2TC | Referred to in the text as "spectrophotometer"; user-dependent |
MochiView | http://www.johnsonlab.ucsf.edu/mochiview-downloads | ||
MOPS | Sigma-Aldrich | M3183 | |
NaCl | VWR | 470302-522 | |
NaOH | Fisher Scientific | S318-500 | |
NCBI GEO | https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/ | ||
NEBNext Adaptor for Illumina | Item part of the NEBNext Multiplex Oligos for Illumina (Index Primers Set 1); referred to in the text as "Adapter" | ||
NEBNext Index X Primer for Illumina | Item part of the NEBNext Multiplex Oligos for Illumina (Index Primers Set 1); referred to in the text as "Reverse Uniquely Indexed Library Amplification Primer" | ||
NEBNext Multiplex Oligos for Illumina (Index Primers Set 1) | New England Biolabs | E7335S | |
NEBNext Ultra II DNA Library Prep kit | New England Biolabs | E7645S | Referred to in the text as "library prep kit" |
NEBNext Universal PCR Primer for Illumina | Item part of the NEBNext Multiplex Oligos for Illumina (Index Primers Set 1); referred to in the text as "Universal Forward Library Amplification Primer" | ||
Nourseothricin sulfate (NAT) | Goldbio | N-500-2 | |
Novex TBE Gels, 10%, 15 well | Fisher Scientific | EC62755BOX | |
Nutating mixer | VWR | 82007-202 | |
Nutrient broth | Criterion | C6471 | |
pADH110 | Addgene | 90982 | Referred to in the text as "plasmid repository ID# 90982" |
pADH119 | Addgene | 90985 | Referred to in the text as "plasmid repository ID# 90985" |
pADH137 | Addgene | 90986 | Referred to in the text as "plasmid repository ID# 90986" |
pADH139 | Addgene | 90987 | Referred to in the text as "plasmid repository ID# 90987" |
pADH140 | Addgene | 90988 | Referred to in the text as "plasmid repository ID# 90988" |
pAG-MNase | Epicypher | 15-1016 or 15-1116 | 50 rxn or 250 rxn |
pCE1 | Addgene | 174434 | Referred to in the text as "plasmid repository ID# 174434" |
Petri dishes with clear lid | Fisher Scientific | FB0875712 | |
Phusion high fidelity DNA polymerase | Fisher Scientific | F530S | Referred to in the text as "DNA polymerase" |
Polyethylene glycol (PEG) 3350 | VWR | 10791-816 | |
Potassium phosphate monobasic | Fisher Scientific | P285-500 | |
Qubit 1x dsDNA HS assay kit | Invitrogen | Q33230 | |
Qubit fluorometer | Life Technologies | Q33216 | Referred to in the text as "fluorometer"; user-dependent |
Rabbit IgG negative control antibody | Epicypher | 13-0042 | |
RNase A | Sigma-Aldrich | 10109169001 | |
Roche Complete protease inhibitor (EDTA-free) tablets | Sigma-Aldrich | 5056489001 | |
RPMI-1640 | Sigma-Aldrich | R6504 | |
Shaking incubator | Eppendorf | M12820004 | User-dependent |
Sorbitol | Sigma-Aldrich | S1876-500G | |
Spin-X centrifuge tube filters | Fisher Scientific | 07-200-385 | |
Sterile inoculating loops | VWR | 30002-094 | |
SYBR Gold nucleic acid gel stain | Fisher Scientific | S11494 | |
SYTO 13 nucleic acid stain | Fisher Scientific | S7575 | Referred to in the text as "nucleic acid gel stain" |
Thermocycler | User-dependent | ||
ThermoMixer C | Eppendorf | 5382000023 | |
Tris (hydroxymethyl) aminomethane | Sigma-Aldrich | 252859-100G | |
Ultra II Ligation Master Mix | Item part of the NEBNext Ultra II DNA Library Prep kit; referred to in the text as "Ligation Master Mix" | ||
Ultra II Q5 Master Mix | Item part of the NEBNext Ultra II DNA Library Prep kit; referred to in the text as "High Fidelity DNA Polymerase Master Mix " | ||
UltraPure salmon sperm DNA solution | Invitrogen | 15632011 | |
USER Enzyme | Item part of the NEBNext Ultra II DNA Library Prep kit; referred to in the text as "Uracil Excision Enzyme" | ||
Vortex mixer | VWR | 10153-834 | |
wget tool | http://www.candidagenome.org/download/sequence/C_albicans_SC5314/Assembly21/current/C_albicans_SC5314_A21_current_ chromosomes.fasta.gz |
||
Yeast extract | Criterion | C7341 | |
Zymolyase 100T (lyticase, yeast lytic enzyme) | Fisher Scientific | NC0439194 |