نسخة واحدة من تنقية الكروماتين لموضع الجين في Saccharomyces cerevisiae
Summary
يقدم هذا البروتوكول طريقة عزل الكروماتين الخاصة بالموقع بناء على إعادة التركيب الخاصة بالموقع لتنقية موضع جين أحادي النسخة مهم في سياق الكروماتين الأصلي من الخميرة الناشئة ، Saccharomyces cerevisiae.
Abstract
الوحدة التنظيمية الأساسية للكروماتين حقيقي النواة هي جسيم النواة الأساسي (NCP) ، والذي يشتمل على الحمض النووي ملفوف ~ 1.7 مرة حول أوكتامير هستون. يعرف الكروماتين بأنه كيان NCPs والعديد من مجمعات البروتين الأخرى ، بما في ذلك عوامل النسخ وإعادة تشكيل الكروماتين وتعديل الإنزيمات. لا يزال من غير الواضح كيف يتم تنظيم تفاعلات البروتين والحمض النووي هذه على مستوى مواقع جينومية محددة خلال مراحل مختلفة من دورة الخلية. ويرجع ذلك أساسا إلى القيود التقنية الحالية ، والتي تجعل من الصعب الحصول على قياسات دقيقة لمثل هذه التفاعلات الديناميكية. هنا ، نصف طريقة محسنة تجمع بين إعادة التركيب الخاصة بالموقع وبروتوكول تنقية تقارب فعال أحادي الخطوة لعزل موضع جين أحادي النسخة مهم في حالة الكروماتين الأصلية. تسمح هذه الطريقة بالتخصيب القوي للموضع المستهدف على الكروماتين الجينومي ، مما يجعل هذه التقنية استراتيجية فعالة لتحديد وقياس تفاعلات البروتين بطريقة غير متحيزة ومنهجية ، على سبيل المثال عن طريق قياس الطيف الكتلي. بالإضافة إلى هذه التحليلات التركيبية ، من المحتمل أن يعكس الكروماتين الأصلي المنقى بهذه الطريقة الوضع في الجسم الحي فيما يتعلق بتحديد موضع النيوكليوسوم وتعديلات الهستون ، وبالتالي فهو قابل لمزيد من التحليلات الهيكلية والكيميائية الحيوية للكروماتين المشتق من أي موضع جينومي تقريبا في الخميرة.
Introduction
إن التنظيم الديناميكي للجينومات حقيقية النواة في الكروماتين يضغط الحمض النووي ليتناسب مع حدود النواة مع ضمان ديناميكيات كافية للتعبير الجيني وإمكانية الوصول إلى العوامل التنظيمية. جزئيا ، يتم التوسط في هذا التنوع بواسطة النيوكليوسوم ، الوحدة الأساسية للكروماتين ، والتي تضم جسيما أساسيا يحتوي على 147 نقطة أساس من الحمض النووي ملفوفة ~ 1.7 مرة حول أوكتامير هيستون1. النيوكليوسوم هو هيكل ديناميكي للغاية فيما يتعلق بتكوينه ، مع العديد من متغيرات الهستون وتعديلات ما بعد الترجمة (PTMs) على ذيول هيستون N- و C-terminal. علاوة على ذلك ، يتفاعل الكروماتين حقيقي النواة مع العديد من المكونات الأساسية الأخرى ، مثل عوامل النسخ ، وآلات معالجة الحمض النووي والحمض النووي الريبي ، والبروتينات المعمارية ، والإنزيمات المشاركة في إعادة تشكيل الكروماتين وتعديله ، وجزيئات الحمض النووي الريبي المرتبطة بالكروماتين. تتطلب جميع هذه الأجهزة الحاسمة المشاركة في النسخ والتكرار والإصلاح الوصول إلى الكروماتين ، والذي يعمل كركيزة طبيعية لهذه العمليات. وبالتالي ، فإن فهم الآليات الجزيئية الكامنة وراء معاملات الحمض النووي هذه يتطلب تعريفا دقيقا للتغيرات الجماعية في بنية الكروماتين في المناطق الجينومية المحددة حيث تتلاقى هذه الأجهزة وتسهل التفاعلات البيولوجية.
على الرغم من تحديد العديد من عوامل الكروماتين من خلال دراسات الوراثة والتفاعل بين البروتين والبروتين ، فإن إجراء تحليلات مباشرة وغير متحيزة وشاملة لتفاعلات الكروماتين في مواقع جينومية معينة ظل يمثل عقبة كبيرة 2,3. في البداية ، يمكن فقط عزل المناطق الوفيرة للغاية من الجينوم (أي المواقع المتكررة) أو البلازميدات متعددة النسخ بكميات كافية ونقاء لتحديد مطياف الكتلة للبروتينات المرتبطة4،5،6،7. بدأت سلسلة من الأساليب الجديدة القائمة على التهجين المباشر لمجسات الالتقاط إلى الحمض النووي المصبوغ بالكروماتين ، أو البيوتينيل القريب باستخدام نظام CRISPR-dCas9 ، أو ربط بروتينات المحولات الخاصة بالتسلسل بموضع الاهتمام في كشف بروتين المواقع أحادية النسخة من جينومات الخميرة والثدييات8،9،10. ومع ذلك ، تتطلب كل هذه الطرق تشابك الفورمالديهايد لتحقيق الاستقرار في تفاعلات البروتين والحمض النووي وصوتنة لإذابة الكروماتين للتنقية اللاحقة. معا ، يستبعد كلا التلاعب إمكانية إجراء دراسات هيكلية ووظيفية لاحقة للكروماتين المنقى.
للتغلب على هذه القيود ، ابتكرنا سابقا منهجية تستخدم إعادة التركيب الخاصة بالموقع لاستخراج المجالات الكروموسومية المستهدفة من الخميرة11,12. في جوهرها ، فإن المنطقة الجينومية ذات الأهمية محاطة بمواقع التعرف (RS) ل R-recombinase الخاص بالموقع من Zygosaccharomyces rouxi مع دمج مجموعة من ثلاثة مواقع ربط الحمض النووي في نفس الوقت لبروتين LexA الخامع للنسخ بدائي النواة (LexA) داخل نفس المنطقة. تحتوي خلايا الخميرة على شريط تعبير للتعبير المتزامن ل R-recombinase وبروتين LexA مدمج في علامة تنقية التقارب الترادفي (TAP). بعد تحريض R-recombinase ، يقوم الإنزيم بكفاءة باستئصال المنطقة المستهدفة من الكروموسوم في شكل مجال كروماتين دائري. يمكن تنقية هذا المجال عبر بروتين محول LexA-TAP ، الذي يرتبط بمواقع ربط الحمض النووي LexA ، بالإضافة إلى دعم التقارب. تم استخدام هذه الطريقة مؤخرا لعزل مجالات الكروماتين المتميزة التي تحتوي على أصول تكرار مختارة لكروموسوم الخميرة III13.
تتمثل إحدى المزايا الرئيسية لهذا النهج خارج الجسم الحي في أنه يسمح بإجراء تحليلات وظيفية للمادة المعزولة. على سبيل المثال ، يمكن إخضاع مجالات أصل النسخ المتماثل المنقاة بهذه الطريقة لمقايسات النسخ المتماثل في المختبر لتقييم كفاءة إطلاق الأصل في أنبوب اختبار من قوالب الكروماتين المجمعة الأصلية في الجسم الحي . في نهاية المطاف ، قد يسمح التوصيف الكيميائي الحيوي والوظيفي للمادة المعزولة بإعادة تكوين العمليات النووية باستخدام البروتينات النقية جنبا إلى جنب مع قالب الكروماتين الأصلي. باختصار ، تفتح هذه المنهجية طريقا مثيرا في أبحاث الكروماتين ، حيث سيكون من الممكن متابعة التغيرات التركيبية والهيكلية الجماعية للكروماتين لمنطقة جينومية معينة تخضع لمعاملة كروموسومية معينة.
Protocol
Representative Results
Discussion
لا يزال تحديد العوامل ومشهد الكروماتين لمنطقة جينومية مستهدفة محددة يشكل تحديا كبيرا في أبحاث الكروماتين18. يصف هذا البروتوكول نظاما فعالا لاستئصال وتنقية مجالات الكروماتين المميزة على وجه التحديد من كروموسومات الخميرة. على حد علمنا ، فإن نقاء وإنتاجية هذا التنقية أحادية ال…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم العمل في مختبر S.H. من قبل DFG من خلال SFB1064 (معرف المشروع 213249687) ، ومجلس البحوث الأوروبي (ERC Start Grant 852798 ConflictResolution) ، و Helmholtz Gesellschaft.
Materials
| Yeast strains | |||
| Control Strain: MATa; ura3Δ0; leu2Δ0; his3Δ1; met15Δ0; bar1::kanMX4; Chr I 212kb::LEU2 pTEF2-LEXA-TAP pGAL1-10 RecR | Section 1, see references 13 and 14 | ||
| Recombination Strain: MATa; ura3Δ0; leu2Δ0; his3Δ1; met15Δ0; bar1::kanMX4; RS_LEXA_NS-3_ARS316_NS+3_RS; Chr I 212kb::LEU2 pTEF2-LEXA-TAP pGAL1-10 RecR | Section 1, see reference 13 and 14 | ||
| Plasmid | |||
| K238 plasmid | Section 1, see reference 13 Storage: Store at -20 °C |
||
| K071 Spike-in plasmid DNA | Section 7.1, see reference 13 Storage: Store at -20 °C |
||
| Reagents | |||
| Acetone | Carl Roth | 5025.1 | Section 2 Storage: Store at room temperature |
| Ammonium acetate (NH4Ac) | Sigma Aldrich | A7262 | Section 6 and 7.1 Storage: Store at room temperature |
| Ammonium solution (NH4OH) 25% | Merck Millipore | 533003 | Section 6 Storage: Store at room temperature |
| Ammonium sulfate | Santa Cruz | Sc-29085 | Section 2 Storage: Store at room temperature |
| Bacto agar | BD (VWR) | 90000-760 | Section 3 Storage: Store at room temperature |
| Bacto peptone | BD (VWR) | 211820 | Section 3 Storage: Store at room temperature |
| β-Mercaptoethanol | Sigma Aldrich | 07604 | Section 7.2 Storage: Store at 4 °C |
| Chemiluminescent substrate kit | ThermoFisher | 34580 | Section 7.2 Storage: Store at 4 °C |
| Di-Sodium Hydrogen phosphate dodecahydrate | Merck | 1.06579.1000 | Section 2 and 7.1 Storage: Store at room temperature |
| Dithiothreitol (DTT) | ThermoFisher | 15508013 | Section 4 Storage: Store at 4 °C |
| Ethanol | Merck | 100983 | Section 7.1 Storage: Store at room temperature |
| Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Sigma Aldrich | ED | Section 7.1 Storage: Store at room temperature |
| Galactose (20% (w/v) stock) | Sigma Aldrich | G0625-1KG / 5KG | Section 3 Storage: Store at room temperature |
| Gel loading dye (6x) | BioLabs | B7024A | Section 7.1 Storage: Store at -20 °C |
| Glusose | Sigma-Aldrich | G8270 | Section Storage: Store at room temperature |
| Glycine | Carl Roth | .0079.4 | Section 2 Storage: Store at room temperature |
| Glycogen (5 mg/mL) | Invitrogen | AM9510 | Section 7.1 Storage: Store at -20 °C |
| Hydrochloric acid (HCl) | PanReac AppliChem | 182109.1211 | Section 2, 4 and 7.1 Storage: Store at room temperature |
| Magnesium Acetate (MgAc) | Bernd Kraft | 15274.2600/C035 | Section 4 Storage: Store at room temperature |
| Magnesium chloride (MgCl2) | Sigma Aldrich | M8266 | Section 6 Storage: Store at room temperature |
| Nu PAGE LDS sample buffer (4x) | Invitrogen | 2399549 | Section 7.2 Storage: Store at room temperature |
| Phenol/Chloroform/Isoamyl alcohol (25:24:1 v/v) | Invitrogen | 15593-031 | Section 7.1 Storage: Store at 4 °C |
| Potassium chloride (KCl) | Sigma | P9541 | Section 4 Storage: Store at room temperature |
| Radioactively labeled α-32P dATP (3,000 Ci/mmol, 10 mCi/mL) | Hartmann Analytic | SRP-203 | Section 7.1 Storage: Store at 4 °C |
| RadPrime labeling system | ThermoFisher | 18428-011 | Section 7.1 Storage: Store at -20 °C |
| Raffinose (20% (w/v) stock) | SERVA | 34140.03 | Section 3 Storage: Store at room temperature |
| Sodium chloride (NaCl) | Merck | K53710504142 | Section 7.1 Storage: Store at room temperature |
| Sodium citrate (Na3C6H5O7) | Sigma-Aldrich | 71402 | Section 7.1 Storage: Store at room temperature |
| Sodium hydroxide (NaOH) | Sigma Aldrich | S5881 | Section 7.1 Storage: Store at room temperature |
| Sodium n-dodecyl sulfate (SDS) (5% stock (w/v) ) | Alfa Aesar | A11183 | Section 7.1 Storage: Store at room temperature |
| Sodium phosphate monobasic | Sigma-Aldrich | 71496 | Section 2 and 7.1 Storage: Store at room temperature |
| Sodium azide | Santa Cruz Biotechnology | sc-208393 | Section 2 Storage: Store at -20 °C |
| Triethylamine | Sigma Aldrich | 90340 | Section 2 Storage: Store at room temperature |
| Tris base | Chem Cruz | SC-3715B | Section 2 and 4 Storage: Store at room temperature |
| Triton X-100 | Sigma Aldrich | X100 | Section 2 and 4 Storage: Store at room temperature |
| Tween-20 | Bernd Kraft | 18014332 | Section 4 Storage: Store at room temperature |
| Yeast extract | BD (VWR) | 212720 | Section 3 Storage: Store at room temperature |
| Yeast mating factor alpha (1 µg/mL stock ) | Biomol | Y2016.5 | Section 3 Storage: Store at -20 °C |
| Yeast Synthetic Drop-out medium Supplements without LEUCINE | Sigma Aldrich | Y1376 | Section 1, see reference 14 |
| Enzymes | |||
| HpaI restriction enzyme (5,000 U/mL) | NEB | R0105S | Section 7.1 Storage: Store at -20 °C |
| Protease and Phosphatase Inhibitor Cocktail (100x) | ThermoFisher Scientific | 78446 | Section 4 Storage: Store at4 °C |
| Proteinase K (10 mg/mL) | SERVA | 33756 | Section 7.1 Storage: Store at -20 °C |
| RNase A (10 mg/mL) | ThermoFisher | EN0531 | Section 7.1 Storage: Store at -20 °C |
| TEV protease (10000 U/µL) | NEB | P8112S | Section 5 Storage: Store at -20 °C |
| Materials | |||
| BcMag Epoxy-Activated Magnetic Beads | Bioclone Inc. | FC-102 | Section 2 Storage: Store at 4 °C |
| Dry ice | Section 4 | ||
| Low-binding centrifuge tubes 2.0 mL | Eppendorf | 22431102 | Section 4 |
| Microspin G-25 Columns | Cytiva | 27-5325-01 | Section 7.1 Storage: Store at room temperature |
| Parafilm | Merck | P7793 | Section 4 |
| Positive nylon membrane | Biozol | 11MEMP0001 | Section 7.1 Storage: Store at room temperature |
| PVDF transfer membrane | Immobilon-Merck Millipore | IPVH00010 | Section 7.2 Storage: Store at room temperature |
| SDS-PAGE gel 4-12% bis-tris (15 well, 1.5 mm) | Invitrogen | NP0336BOX | Section 7.2 Storage: Store at 4 °C |
| Syringe (25 mL) with luer fitting | Henke Sass Wolf | 4200-000V0 | Section 3 |
| Whatman paper (Grade 3MM CHR Cellulose Western Blotting Paper Sheet) | Cytiva | 3030-917 | Section 7.1 Storage: Store at room temperature |
| Antibodies | |||
| Anti-LexA, rabbit polyclonal IgG, DNA binding region antibody | Merck Millipore | 06-719 | Section 7.2 Storage: Store at -20 °C |
| Goat Anti-Rabbit IgG (H+L), Horseradish peroxidase conjugate | Invitrogen | G21234 | Section 7.2 Storage: Store at -20 °C |
| Peroxidase Anti-Peroxidase (PAP) antibody produced in rabbit for the detection of TAP-tagged proteins | Sigma Aldrich | P1291-500UL | Section 7.2 Storage: Store at -20 °C |
| Rabbit IgG antibodies | Sigma | I5006-100MG | Section 2 Storage: Store at 4 °C |
| Primers (10 µM) | |||
| ARS316: fwd 5'- CGGCATTATCGTACACAACCT, rev 5'- GTTCTTCGTTGCCTACATTTTCT | Section 7.1 | ||
| K071 Spike-in plasmid DNA: fwd: 5'-TTTTCGCTGCTTGTCCTTTT, rev 5'- CATTTTCGTCCTCCCAACAT | Section 7.1 | ||
| PCR fragment from yeast genomic DNA as a template for ARS316 amplification (for southern blot): fwd 5’- AAATTCTGCCCTTGATTCGT rev 5’- TTTGTTTATCTCATCACTAAT | Section 7.1 | ||
| PDC1: fwd 5'- CATGATCAGATGGGGCTTCA, rev 5'-ACCGGTGGTAGCGACTCTGT | Section 7.1 | ||
| Equipment | |||
| Coffee grinder | Gastroback | 42601 | Section 4 |
| Dewar flask | NAL GENE | 4150-2000 | Section 3 |
| DynaMag TM-2 magnetic rack | Invitrogen | 12321D | Section 4, 5 and 6 |
| Hybridization oven | Hybaid Mini10 | Ri418 | Section 2 |
| Microcentrifuge | Eppendorf | 5424R | Section 4 and 7.1 |
| UV-crosslinker | Analytikjena | 95-0174-02 | Section 7.1 |
References
- Kornberg, R. D., Lorch, Y. Twenty-five years of the nucleosome, fundamental particle of the eukaryote chromosome. Cell. 98 (3), 285-294 (1999).
- Gauchier, M., van Mierlo, G., Vermeulen, M., Déjardin, J. Purification and enrichment of specific chromatin loci. Nature Methods. 17 (4), 380-389 (2020).
- Korthout, T., et al. Decoding the chromatin proteome of a single genomic locus by DNA sequencing. PLoS Biology. 16 (7), e2005542 (2018).
- Antão, J. M., Mason, J. M., Déjardin, J., Kingston, R. E. Protein landscape at Drosophila melanogaster telomere-associated sequence repeats. Molecular and Cellular Biology. 32 (12), 2170-2182 (2012).
- Déjardin, J., Kingston, R. E. Purification of proteins associated with specific genomic loci. Cell. 136 (1), 175-186 (2009).
- Ide, S., Dejardin, J. End-targeting proteomics of isolated chromatin segments of a mammalian ribosomal RNA gene promoter. Nature Communications. 6, 6674 (2015).
- Unnikrishnan, A., Gafken, P. R., Tsukiyama, T. Dynamic changes in histone acetylation regulate origins of DNA replication. Nature Structural & Molecular Biology. 17 (4), 430 (2010).
- Buxton, K. E., et al. Elucidating protein-DNA interactions in human alphoid chromatin via hybridization capture and mass spectrometry. Journal of Proteome Research. 16 (9), 3433-3442 (2017).
- Kennedy-Darling, J., et al. Discovery of chromatin-associated proteins via sequence-specific capture and mass spectrometric protein identification in Saccharomyces cerevisiae. Journal of Proteome Research. 13 (8), 3810-3825 (2014).
- Liu, S. J., et al. CRISPRi-based genome-scale identification of functional long noncoding RNA loci in human cells. Science. 355, 7111 (2017).
- Hamperl, S., et al. Purification of specific chromatin domains from single-copy gene loci in Saccharomyces cerevisiae. Functional Analysis of DNA and Chromatin. 1094, 329-341 (2014).
- Hamperl, S., et al. Compositional and structural analysis of selected chromosomal domains from Saccharomyces cerevisiae. Nucleic Acids Research. 42 (1), 2 (2014).
- Weiβ, M. Single-copy locus proteomics of early- and late-firing DNA replication origins identifies a role of Ask1/DASH complex in replication timing control. Cell Reports. 42 (2), 112045 (2023).
- Gietz, R. D., Schiestl, R. H. High-efficiency yeast transformation using the LiAc/SS carrier DNA/PEG method. Nature Protocols. 2 (1), 31-34 (2007).
- Laemmli, U. K. Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4. Nature. 227 (5259), 680-685 (1970).
- Towbin, H., Staehelin, T., Gordon, J. Electrophoretic transfer of proteins from polyacrylamide gels to nitrocellulose sheets: procedure and some applications. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 76 (9), 4350-4354 (1979).
- Western blot membrane stripping for restaining protocol. Abcam Available from: https://www.abcam.com/protocols/western-blot-membrane-stripping-for-restaining-protocol (2023)
- Vermeulen, M., Déjardin, J. Locus-specific chromatin isolation. Nature Reviews. Molecular Cell Biology. 21 (5), 249-250 (2020).
