Иммунопреципитация хроматина
Иммунопреципитация хроматина ( ChIP ) — это тип экспериментального метода иммунопреципитации, используемый для исследования взаимодействия между белками и ДНК в клетке. Целью исследования является определение того, связаны ли определенные белки с определенными областями генома, такими как факторы транскрипции на промоторах или других участках связывания ДНК , и, возможно, определение цистром . ChIP также направлен на определение конкретного места в геноме, с которым связаны различные модификации гистонов , указывая цель модификаторов гистонов. [1] ChIP имеет решающее значение для достижений в области эпигеномики и изучения эпигенетических явлений. [2]
Вкратце, традиционный метод заключается в следующем:
- ДНК и связанные белки хроматина в живых клетках или тканях сшиваются (этот этап опущен в Native ChIP).
- Комплексы ДНК-белок (хроматин-белок) затем разрезаются на фрагменты ДНК размером ~ 500 п.н. путем обработки ультразвуком или расщепления нуклеазой.
- Сшитые фрагменты ДНК, связанные с представляющим интерес белком(ами), селективно иммунопреципитируют из клеточного дебриса с использованием подходящего белок-специфического антитела.
- Связанные фрагменты ДНК очищают и определяют их последовательность. Обогащение специфических последовательностей ДНК представляет собой области генома, с которыми интересующий белок связан in vivo .
Типичный чип
[ редактировать ]Различают в основном два типа ЧИП, отличающиеся, прежде всего, исходным препаратом хроматина. В первом используется обратимо сшитый хроматин, расщепленный ультразвуком, который называется сшитым ChIP (XChIP). Нативный ChIP (NChIP) использует нативный хроматин, расщепленный микрококковой нуклеазой . [ нужна ссылка ]
Сшитый чип (XChIP)
[ редактировать ]Сшитый ChIP в основном подходит для картирования ДНК-мишени факторов транскрипции или других белков, связанных с хроматином, и использует обратимо сшитый в качестве исходного материала хроматин. Агентом обратимой сшивки может быть формальдегид. [3] или УФ-свет . [4] 300–1000 пар оснований Затем сшитый хроматин обычно разрезается ультразвуком, образуя фрагменты длиной (п.н.). Для разрезания хроматина использовалось мягкое сшивание формальдегидом с последующим расщеплением нуклеазой. [5] Фрагменты хроматина размером 400-500 п.о. оказались пригодными для ChIP-анализа, поскольку они охватывают две-три нуклеосомы .
Клеточный мусор в расщепленном лизате затем очищается путем седиментации, а комплексы белок-ДНК селективно иммунопреципитируются с использованием специфических антител к интересующему белку(ам). Антитела обычно связывают с агарозой , сефарозой или магнитными шариками. Альтернативно, комплексы хроматин-антитело можно избирательно удерживать и элюировать с помощью инертных полимерных дисков. [6] [7] мишени) затем собирают и промывают для удаления неспецифически связанного хроматина, перекрестная связь белок-ДНК обращается вспять и белки удаляются расщеплением протеиназой К. Иммунопреципитированные комплексы (т.е. комплекс гранулы-антитело-белок-мишень-последовательность ДНК - , эпитопом Версия интересующего белка, меченная in vivo. или биотинилирование [8] могут быть использованы вместо антител к интересующему нативному белку.
ДНК, связанная с комплексом, затем очищается и идентифицируется с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР), микрочипов ( ChIP-on-chip ), молекулярного клонирования и секвенирования или прямого высокопроизводительного секвенирования ( ChIP-Seq ). [ нужна ссылка ]
Родной Чип (НЧИП)
[ редактировать ]Нативный ChIP в основном подходит для картирования ДНК-мишени модификаторов гистонов . Обычно в качестве исходного хроматина используют нативный хроматин. Поскольку гистоны обволакивают ДНК, образуя нуклеосомы, они естественным образом связаны. Затем хроматин разрезается микрококковой нуклеазой, которая разрезает ДНК по длине линкера, оставляя нуклеосомы неповрежденными и обеспечивая фрагменты ДНК длиной от одной нуклеосомы (200 п.н.) до пяти нуклеосом (1000 п.н.). После этого методы, аналогичные XChIP, используются для очистки клеточного мусора, иммунопреципитации интересующего белка, удаления белка из иммунопреципитированного комплекса, а также очистки и анализа ДНК, связанной с комплексом. [ нужна ссылка ]
Сравнение ХЧИП и НЧИП
[ редактировать ]Основным преимуществом NChIP является специфичность антител . Большинство антител к модифицированным гистонам вырабатываются против нефиксированных синтетических пептидных антигенов. Эпитопы , которые им необходимо распознать в XChIP, могут быть разрушены или уничтожены сшивкой формальдегидом , особенно потому, что сшивки, вероятно, будут включать е-аминогруппы лизина на N-концах, разрушая эпитопы. Вероятно, этим объясняется неизменно низкая эффективность протоколов XChIP по сравнению с NChIP.
Но ХЧИП и НЧИП имеют разные цели и преимущества по отношению друг к другу. XChIP предназначен для картирования целевых сайтов факторов транскрипции и других белков, связанных с хроматином; NChIP предназначен для картирования целевых сайтов модификаторов гистонов (см. Таблицу 1).
Сравнение ChIP-seq и ChIP-чипа
[ редактировать ]Секвенирование иммунопреципитации хроматина, также известное как ChIP-seq , представляет собой экспериментальный метод, используемый для идентификации событий связывания факторов транскрипции по всему геному . Знание того, как белки в организме человека взаимодействуют с ДНК, регулируя экспрессию генов, является ключевым компонентом наших знаний о болезнях человека и биологических процессах. ChIP-seq является основным методом решения этой задачи, поскольку он оказался чрезвычайно эффективным в определении того, как белки и факторы транскрипции влияют на фенотипические механизмы. В целом ChIP-seq стал очень эффективным методом определения этих факторов, но существует конкурирующий метод, известный как ChIP-on-chip.
ChIP-on-chip , также известный как ChIP-чип, представляет собой экспериментальный метод, используемый для выделения и идентификации геномных участков, занятых специфическими ДНК-связывающими белками в живых клетках. Чип-на-чипе — относительно новый метод, поскольку он был представлен в 2001 году Пегги Фарнхэм и Майклом Чжаном. «ЧИП-на-чипе» получил свое название в результате объединения методов иммунопреципитации хроматина и микрочипа ДНК , в результате чего был создан «ЧИП-на-чипе».
Оба метода добиваются схожих результатов, поскольку оба стремятся найти сайты связывания белков, которые могут помочь идентифицировать элементы в геноме человека. Эти элементы человеческого генома важны для развития знаний о болезнях человека и биологических процессах. Разница между ChIP-seq и ChIP-чипом определяется определением конкретного сайта связывания белка. Основное различие заключается в эффективности двух методов: ChIP-seq дает результаты с более высокой чувствительностью и пространственным разрешением из-за широкого диапазона геномного покрытия. Несмотря на то, что ChIP-seq оказался более эффективным, чем ChIP-чип, ChIP-seq не всегда является первым выбором для ученых. Стоимость и доступность ChIP-seq являются основным недостатком, который привел к более широкому использованию ChIP-чипов в лабораториях по всему миру. [2]
Таблица 1. Преимущества и недостатки НЧИП и ХЧИП
ХЧИП | НЧИП | |
---|---|---|
Преимущества | Подходит для транскрипционных факторов или любых других слабосвязывающих белков, ассоциированных с хроматином. Применимо к любым организмам, у которых трудно получить нативный белок. | Тестируемая специфичность антител Лучшая специфичность антител, поскольку целевой белок естественным образом интактен. Лучшая эффективность восстановления хроматина и белка благодаря лучшей специфичности антител |
Недостатки | Неэффективное восстановление хроматина из-за разрушения эпитопа белка-мишени антитела Может вызвать ложноположительный результат из-за фиксации временных белков на хроматине. Широкий диапазон размеров сдвига хроматина благодаря случайному разрезанию ультразвуком. | Обычно не подходит для негистоновых белков. Нуклеосомы могут перестраиваться в процессе пищеварения. |
История и новые методы ЧИП
[ редактировать ]В 1984 году Джон Т. Лис и Дэвид Гилмор, в то время аспирант лаборатории Лиса, использовали УФ-облучение, агент сшивки белка и нуклеиновой кислоты нулевой длины, для ковалентного сшивания белков, связанных с ДНК в живых бактериальных клетках. После лизиса сшитых клеток и иммунопреципитации бактериальной РНК-полимеразы ДНК, связанная с обогащенной РНК-полимеразой, гибридизовали с зондами, соответствующими различным областям известных генов, для определения in vivo распределения и плотности РНК-полимеразы в этих генах. Год спустя они использовали ту же методологию для изучения распределения эукариотической РНК-полимеразы II в генах теплового шока плодовых мух. Эти отчеты считаются новаторскими исследованиями в области иммунопреципитации хроматина. [9] [10] XChIP был дополнительно модифицирован и развит Александром Варшавским и его коллегами, которые исследовали распределение гистона H4 в генах теплового шока с использованием формальдегидной сшивки. [11] [12] В дальнейшем эта техника получила широкое развитие и усовершенствование. [13] Подход NChIP был впервые описан Hebbes et al ., 1988, [14] а также был быстро разработан и усовершенствован. [15] Типичный анализ ChIP обычно занимает 4–5 дней и требует 10 6 ~ 10 7 клетки хотя бы. Теперь новые методы ЧИП могут быть реализованы всего на 100–1000 клеток и завершены в течение одного дня.
- ChIP без шариков : в этом новом методе ChIP используются диски из инертного пористого полимера, функционализированного белком A или G, на спин-колонках или микропланшетах. Комплекс хроматин-антитело избирательно удерживается диском и элюируется для получения обогащенной ДНК для последующих применений, таких как количественная ПЦР и секвенирование. Пористая среда специально разработана для максимизации эффективности захвата и уменьшения неспецифического связывания. Благодаря меньшему количеству ручной обработки и оптимизированным протоколам, ЧИП можно выполнить за 5 часов. [7]
- Carrier ChIP (CChIP): в этом подходе можно использовать всего 100 клеток путем добавления клеток дрозофилы в качестве хроматина-носителя, чтобы уменьшить потерю и облегчить осаждение целевого хроматина. Однако для обнаружения хроматина клетки-мишени на фоне чужеродного хроматина-носителя требуются высокоспецифичные праймеры, и это занимает два-три дня. [16]
- Быстрый ChIP (qChIP): быстрый анализ ChIP сократил время за счет сокращения двух этапов типичного анализа ChIP: (i) ультразвуковая ванна ускоряет скорость связывания антител с целевыми белками и тем самым сокращает время иммунопреципитации (ii) смола- Процедура выделения ДНК на основе Chelex-100 сокращает время обращения перекрестных связей и выделения ДНК. Однако быстрый протокол подходит только для больших образцов клеток (в диапазоне 10 6 ~10 7 ). [17] [18] Можно обработать до 24 образцов расщепленного хроматина, чтобы получить ДНК, готовую к ПЦР, за 5 часов, что позволяет одновременно исследовать несколько факторов хроматина и/или просматривать геномные события в течение нескольких моментов времени. [19]
- Быстрый и количественный ЧИП (Q 2 ChIP): В анализе в качестве исходного материала используются 100 000 клеток, и он подходит для до 1000 ChIP гистонов или 100 ChIP факторов транскрипции. Таким образом, можно одновременно приготовить и хранить множество образцов хроматина, а Q 2 ЧИП можно провести за один день. [20]
- МикроЧИП (μChIP): хроматин обычно готовят из 1000 клеток, и до 8 ЧИП можно делать параллельно без носителей. Анализ также можно начать со 100 клеток, но подходит только для одного чипа. Также можно использовать небольшие (1 мм) 3 тканей ) биопсию и микрочип можно сделать в течение одного дня. [21] [22]
- Matrix ChIP : это анализ ChIP на микропланшете с повышенной производительностью и упрощенной процедурой. Все этапы выполняются в лунках микропланшета без переноса проб, что дает возможность автоматизации. Он позволяет проводить 96 анализов ChIP на гистоны и различные ДНК-связанные белки за один день. [23]
- Патологический ChIP (PAT-ChIP): этот метод позволяет использовать ChIP из патологических тканей, фиксированных формалином и залитых в парафин, и, таким образом, использовать архивы патологий (даже те, которым несколько лет) для эпигенетического анализа и идентификации потенциальных эпигенетических биомаркеров или цели. [24]
ChIP также применяется для полногеномного анализа в сочетании с технологией микрочипов ( ChIP-на-чипе ) или технологией секвенирования ДНК второго поколения ( Chip-Sequencing ). ChIP также можно комбинировать с секвенированием парных концевых меток в анализе взаимодействия хроматина с использованием секвенирования парных концевых меток (ChIA-PET), метода, разработанного для крупномасштабного анализа de novo структур хроматина более высокого порядка. [25] [26] [27]
Ограничения
[ редактировать ]- Крупномасштабные анализы с использованием ChIP представляют собой сложную задачу с использованием интактных модельных организмов. Это связано с тем, что для каждого ТФ необходимо генерировать антитела или, альтернативно, необходимо создавать трансгенные модельные организмы, экспрессирующие ТФ, меченные эпитопом.
- Исследователи, изучающие паттерны дифференциальной экспрессии генов в небольших организмах, также сталкиваются с проблемами, поскольку гены экспрессируются на низких уровнях, в небольшом количестве клеток и в узком временном окне.
- Эксперименты с ChIP не могут различать разные изоформы TF ( изоформы белка ).
См. также
[ редактировать ]- ChIP-exo , метод, который добавляет обработку экзонуклеазой к процессу ChIP для получения разрешения сайтов связывания до одной пары оснований.
- Чип-на-чипе , сочетает в себе чип с технологией микрочипов.
- DamID , альтернативный метод картирования местоположения, не требующий специфических антител.
- RIP-Chip , аналогичный метод анализа взаимодействий РНК-белок.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Коллас, Филипп. (январь 2010 г.). «Современное состояние иммунопреципитации хроматина». Молекулярная биотехнология . 45 (1): 87–100. дои : 10.1007/s12033-009-9239-8 . ПМИД 20077036 . S2CID 24225210 .
- ^ Перейти обратно: а б Розенфельд, Джон М; Кук, Трейси; Ли, Цзыронг; Сайто, Кан; Таганов Константин; Тьягараджан, Бхаскар; Солаш, Алехандра (март 2013 г.). «Систематическая оптимизация параметров, участвующих в процессе подготовки хроматина и иммунопреципитации хроматина (ChIP)» . Эпигенетика и хроматин . 6 (С1): П122, 1756–8935–6-С1-П122. дои : 10.1186/1756-8935-6-S1-P122 . ISSN 1756-8935 . ПМК 3620580 .
- ^ Джексон, Вон (ноябрь 1978 г.). «Исследования организации гистонов в нуклеосоме с использованием формальдегида в качестве обратимого сшивающего агента». Клетка . 15 (3): 945–54. дои : 10.1016/0092-8674(78)90278-7 . ПМИД 569554 . S2CID 25169609 .
- ^ Гилмор Д.С., Лис Дж.Т. (август 1985 г.). «Взаимодействие РНК-полимеразы II in vivo с генами Drosophila melanogaster » . Молекулярная и клеточная биология . 5 (8): 2009–18. дои : 10.1128/mcb.5.8.2009 . ПМК 366919 . ПМИД 3018544 .
- ^ Бауэр У.М., Даужат С., Нильсен С.Дж., Найтингейл К., Кузаридес Т. (январь 2002 г.). «Метилирование аргинина 17 гистона H3 связано с активацией гена» . Отчеты ЭМБО . 3 (1): 39–44. дои : 10.1093/embo-reports/kvf013 . ПМЦ 1083932 . ПМИД 11751582 .
- ^ Бейнон, Эми Л.; Паркс, Линдси Дж.; Тернер, Мэтью Л.; Найт, Стив; Конлан, Стив; Фрэнсис, Льюис; Стокс, Бен (сентябрь 2014 г.). «Chromatrap 96: новая твердотельная платформа для высокопроизводительного чипа» . Природные методы . 11 (9): i – ii. дои : 10.1038/nmeth.f.372 . ISSN 1548-7091 .
- ^ Перейти обратно: а б «Хроматрапушка» . Революционная твердотельная платформа для иммунопреципитации хроматина.
- ^ Вьенс А; и др. (2004). «Использование биотинилирования белков in vivo для иммунопреципитации хроматина». Аналитическая биохимия . 325 (1): 68–76. дои : 10.1016/j.ab.2003.10.015 . ПМИД 14715286 .
- ^ Гилмор Д.С., Лис Дж.Т. (1984). «Обнаружение взаимодействий белок-ДНК in vivo: распределение РНК-полимеразы на специфических бактериальных генах» . Proc Natl Acad Sci США . 81 (14): 4275–9. Бибкод : 1984PNAS...81.4275G . дои : 10.1073/pnas.81.14.4275 . ПМК 345570 . ПМИД 6379641 .
- ^ Гилмор Д.С., Лис Дж.Т. (август 1985 г.). «Взаимодействие РНК-полимеразы II in vivo с генами Drosophila melanogaster» . Мол. Клетка. Биол . 5 (8): 2009–18. дои : 10.1128/mcb.5.8.2009 . ПМК 366919 . ПМИД 3018544 .
- ^ Варшавский А (декабрь 2008 г.). «Открытие клеточной регуляции путем деградации белка» . Журнал биологической химии . 283 (50): 34469–89. дои : 10.1074/jbc.X800009200 . ПМЦ 3259866 . ПМИД 18708349 .
- ^ Соломон, Марк Дж; Ларсен Памела Л; Варшавский, Александр. (июнь 1988 г.). «Картирование взаимодействий белок-ДНК in vivo с формальдегидом: свидетельства того, что гистон H4 сохраняется в хорошо транскрибируемом гене». Клетка . 53 (6): 937–47. дои : 10.1016/S0092-8674(88)90469-2 . ПМИД 2454748 . S2CID 11169130 .
- ^ Орландо V (март 2000 г.). «Картирование хромосомных белков in vivo путем иммунопреципитации хроматина, сшитого формальдегидом». Тенденции биохимических наук . 25 (3): 99–104. дои : 10.1016/S0968-0004(99)01535-2 . ПМИД 10694875 .
- ^ Хеббес, Тим Р.; Торн, Алан В.; Крейн-Робинсон С (май 1988 г.). «Прямая связь между ацетилированием основных гистонов и транскрипционно активным хроматином» . Журнал ЭМБО . 7 (5): 1395–402. дои : 10.1002/j.1460-2075.1988.tb02956.x . ПМК 458389 . ПМИД 3409869 .
- ^ О'Нил, Лаура П; Тернер, Брайан М. (сентябрь 2003 г.). «Иммунопреципитация нативного хроматина: НЧИП». Методы . 31 (1): 76–82. дои : 10.1016/S1046-2023(03)00090-2 . ПМИД 12893176 .
- ^ О'Нил, Лаура П; ВерМильеа, Мэтью Д.; Тернер, Брайан М. (июль 2006 г.). «Эпигенетическая характеристика раннего эмбриона с помощью протокола иммунопреципитации хроматина, применимого к небольшим популяциям клеток». Природная генетика . 38 (7): 835–41. дои : 10.1038/ng1820 . ПМИД 16767102 . S2CID 28311996 .
- ^ Нельсон, Джоэл Д; Денисенко Олег; Сова, Павел; Бомштык, Кароль (2006). «Анализ быстрой иммунопреципитации хроматина» . Исследования нуклеиновых кислот . 34 (1): e2. дои : 10.1093/нар/gnj004 . ПМЦ 1325209 . ПМИД 16397291 .
- ^ Нельсон, Джоэл Д; Денисенко Олег; Бомштык, Кароль (2006). «Протокол метода быстрой иммунопреципитации хроматина (ЧИП)». Протоколы природы . 1 (1): 179–85. дои : 10.1038/nprot.2006.27 . ПМИД 17406230 . S2CID 20577722 .
- ^ Нельсон Дж., Денисенко О., Бомштык К. (2009). «Метод быстрой иммунопреципитации хроматина». Анализы иммунопреципитации хроматина . Методы молекулярной биологии . Том. 567. стр. 45–57. дои : 10.1007/978-1-60327-414-2_3 . ISBN 978-1-60327-413-5 . ПМИД 19588084 .
- ^ Даль, Джон Арн; Коллас, Филипп (апрель 2007 г.). "Кью 2 ChIP, быстрый и количественный анализ иммунопреципитации хроматина, раскрывает эпигенетическую динамику генов, регулируемых развитием, в клетках карциномы человека» . Stem Cells . 25 (4): 1037–46. doi : 10.1634/stemcells.2006-0430 . PMID 17272500 .
- ^ Даль, Джон Арн; Коллас, Филипп (2008). «Быстрый анализ иммунопреципитации микрохроматина (микроЧИП)». Протоколы природы . 3 (6): 1032–45. дои : 10.1038/nprot.2008.68 . ПМИД 18536650 . S2CID 29529307 .
- ^ Даль, Джон Арн; Коллас, Филипп (2009). «μChIP: Иммунопреципитация хроматина для небольшого количества клеток». Анализы иммунопреципитации хроматина . Методы молекулярной биологии . Том. 567. стр. 59–74. дои : 10.1007/978-1-60327-414-2_4 . ISBN 978-1-60327-413-5 . ПМИД 19588085 .
- ^ Фланагин, Стив; Нельсон, Джоэл Д; Кастнер, Дэвид Дж; Денисенко Олег; Бомштык, Кароль (февраль 2008 г.). «Метод иммунопреципитации хроматина на микропланшетах, Matrix ChIP: платформа для изучения передачи сигналов сложных геномных событий» . Исследования нуклеиновых кислот . 36 (3): е17. дои : 10.1093/нар/gkn001 . ПМК 2241906 . ПМИД 18203739 .
- ^ Фанелли, Мирко; Аматори, Стефано; Бароцци, Ирос; Сончини, Матиас; Суффо, Роберто Даль; Буччи, Габриэле; Капра, Мария; Куарто, Микаэла; Деллино, Гаэтано Иван (14 декабря 2010 г.). «Иммунопреципитация патологической ткани – хроматина в сочетании с высокопроизводительным секвенированием позволяет составить эпигенетический профиль образцов пациентов» . Труды Национальной академии наук . 107 (50): 21535–21540. Бибкод : 2010PNAS..10721535F . дои : 10.1073/pnas.1007647107 . ISSN 0027-8424 . ПМК 3003125 . ПМИД 21106756 .
- ^ Фуллвуд, Мелисса Дж; Хан, Ююань; Вэй, Цзя-Линь; Жуань, Сяоань; Жуан, Иджун (январь 2010 г.). Анализ взаимодействия хроматина с использованием секвенирования парных меток . Том. Глава 21. С. Раздел 21.15.1–25. дои : 10.1002/0471142727.mb2115s89 . ISBN 978-0471142720 . ПМК 6924956 . ПМИД 20069536 .
{{cite book}}
:|journal=
игнорируется ( помогите ) - ^ Ли, Голян; Фуллвуд, Мелисса Дж; Сюй, Хань; Мулавади, Фабиан Хендриян; Велков, Стоян; Вега, Винсенсиус; Арияратне, Прамила Нуванта; Мохамед, Юсофф Бин; Оой, Хонг-Сайн; Теннакун, Чандана; Вэй, Цзя-Линь; Жуань, Ицзюнь; Сун, Вин-Кин (февраль 2010 г.). «Инструмент ChIA-PET для комплексного анализа взаимодействия хроматина с секвенированием парных концевых меток» . Геномная биология . 11 (2): Р22. дои : 10.1186/gb-2010-11-2-r22 . ПМЦ 2872882 . ПМИД 20181287 .
- ^ «ChIA-PET: новый метод исследования трехмерного картирования всего генома» . ScienceDaily . Агентство по науке, технологиям и исследованиям (A*STAR), Сингапур. 08.11.2009 . Проверено 14 марта 2010 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Хроматин + иммунопреципитация Национальной медицинской библиотеки США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)
- EpigenomeNOE.com
- Иммунопреципитация хроматина (ChIP) на нефиксированном хроматине клеток и тканей для анализа модификаций гистонов
- Хроматиновая иммунопреципитация (ChIP) белковых комплексов: картирование геномных мишеней ядерных белков в культивируемых клетках