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Method Article
R 环构成了一类普遍存在的转录驱动的非 B DNA 结构,它们存在于所有基因组中,具体取决于 DNA 序列和拓扑学有利性。近年来,R 环与各种适应性和适应不良作用有关,并与人类疾病背景下的基因组不稳定性有关。因此,许多研究人员对基因组中这些结构的准确定位非常感兴趣。此处描述了 DRIP-seq(DNA:RNA 免疫沉淀,然后进行高通量测序)。这是一种稳健且可重复的技术,允许对 R 环进行准确和半定量的映射。还描述了该方法的最新迭代,其中使用超声处理 (sDRIP-seq) 完成碎裂,这允许对 R 环进行链特异性和高分辨率映射。因此,sDRIP-seq 解决了 DRIP-seq 方法在分辨率和链性方面的一些常见局限性,使其成为 R 环映射的首选方法。
R 环构成了一类普遍存在的转录驱动的非 B DNA 结构,它们存在于所有基因组中,具体取决于 DNA 序列和拓扑学有利性。近年来,R 环与各种适应性和适应不良作用有关,并与人类疾病背景下的基因组不稳定性有关。因此,许多研究人员对基因组中这些结构的准确定位非常感兴趣。此处描述了 DRIP-seq(DNA:RNA 免疫沉淀,然后进行高通量测序)。这是一种稳健且可重复的技术,允许对 R 环进行准确和半定量的映射。还描述了该方法的最新迭代,其中使用超声处理 (sDRIP-seq) 完成碎裂,这允许对 R 环进行链特异性和高分辨率映射。因此,sDRIP-seq 解决了 DRIP-seq 方法在分辨率和链性方面的一些常见局限性,使其成为 R 环映射的首选方法。
R 环是三链核酸结构,主要在转录过程中形成,新生 RNA 转录本与模板 DNA 链杂交。这导致 RNA:DNA 杂交体的形成,并导致非模板 DNA 链在单链环状状态下发生位移。生化重构 1,2,3,4 和数学建模5 与其他生物物理测量 6,7 相结合,已经确定 R 环更有可能发生在表现出特定有利特性的区域。例如,由于与 DNA 双链体相比,DNA:RNA 杂交体的热力学稳定性更高,因此在鸟嘌呤 (G) 和胞嘧啶 (C) 的分布中表现出链不对称性的区域,使得 RNA 富含 G,这种特性称为正 GC 偏斜,因此在转录时倾向于形成 R 环8。已经进化出正 GC 偏斜的区域,例如许多真核基因 4,9,10,11 的早期部分,在体外和体内容易形成 R 环 3,4,12。负 DNA 超螺旋应力也非常有利于结构形成13,14,因为 R 环可以有效地吸收这种拓扑应力,并使周围的 DNA 纤维恢复到有利的松弛状态 5,15。
从历史上看,R 环结构被认为是 RNA 与 DNA 在转录过程中罕见的自发缠结的结果。然而,DNA:RNA 免疫沉淀 (DRIP) 与高通量 DNA 测序 (DRIP-seq) 相结合的发展允许首次对 R 环进行全基因组定位,并揭示这些结构在人类细胞中比预期的要普遍得多 4,16。R 环出现在哺乳动物基因组中数以万计的保守转录基因热点上,偏爱 GC 偏斜的 CpG 岛与基因的第一个内含子和许多基因的末端区域重叠17。总体而言,R 环在人类细胞中共占据基因组的 3%-5%,与其他生物体(包括酵母、植物、果蝇和小鼠)的测量结果一致 18,19,20,21,22。
对人类细胞中 R 环形成热点的分析表明,这些区域与特定的染色质特征相关23。一般来说,R 环存在于核小体占有率较低和 RNA 聚合酶密度较高的区域。在启动子处,R 环与两种共转录沉积的组蛋白修饰 H3K4me1 和 H3K36me3 的募集增加相关17。在基因末端,R 环与紧密排列的基因相关,这些基因经历有效的转录终止17,与之前的观察结果一致24。R 环还显示参与噬菌体、质粒、线粒体和酵母基因组25、26、27、28、29、30、31 复制起点的 DNA 复制起始。此外,76% 的易 R 环人 CpG 岛启动子作为早期组成型复制起点 32,33,34,35 发挥作用,进一步加强了 R 环和复制起点之间的联系。总的来说,这些研究表明 R 环代表了一种新型的生物信号,它可以以上下文依赖性方式触发特定的生物输出23。
早期,在免疫球蛋白类转换重组过程中,R 环显示在类转换序列上形成 3,36,37。这种编程的 R 环被认为通过引入双链 DNA 断裂来启动类别开关重组38。从那时起,有害的 R 环形成,通常被认为是由过度的 R 环形成引起的,与基因组不稳定性和过程有关,例如超重组、转录-复制碰撞、复制和转录应激(回顾 39,40,41,42,43).因此,改进 R 环结构的映射代表了更好地破译这些结构在健康和疾病中的分布和功能是一项令人兴奋且重要的挑战。
DNA:RNA 免疫沉淀 (DRIP) 依赖于 S9.6 单克隆抗体对 DNA:RNA 杂交体的高亲和力44。DRIP-seq 允许对 R 环形成进行稳健的全基因组分析 4,45。虽然有用,但由于使用限制性内切酶来实现温和的 DNA 片段化,该技术的分辨率有限。此外,DRIP-seq 不提供有关 R 环形成方向性的信息。在这里,我们报道了 DRIP-seq 的一种变体,它允许以链特异性方式以高分辨率映射 R 环。该方法依赖于在免疫沉淀之前进行超声处理对基因组进行片段化,因此该方法称为 sDRIP-seq(超声处理 DNA:RNA 免疫沉淀与高通量测序耦合)(图 1)。超声处理的使用可以提高分辨率并限制在 DRIP-seq 方法中观察到的限制性酶联碎裂偏差46。sDRIP-seq 产生的 R 环图与 DRIP-seq 和先前描述的高分辨率 DRIPc-seq 方法的结果非常一致,其中测序文库由免疫沉淀的 R 环结构的 RNA 链构建45。
面对众多可供选择的方法,用户可能想知道哪种基于 DRIP 的特定方法更适合他们的需求。我们提供以下建议。DRIP-seq 尽管存在局限性,但在技术上是最简单的,并且是此处讨论的所有三种方法中最稳健(产率最高)的;因此,它仍然具有广泛的用途。已经发布了大量 DRIP-seq 数据集,为新数据集提供了有用的比较点。最后,生物信息学分析管道更简单,因为数据不会滞留。建议新用户开始使用 DRIP 磨练他们的 R 环映射技能,然后进行定量聚合酶链反应 (qPCR) 和 DRIP-seq。sDRIP-seq 的技术难度略高:由于超声处理(如下所述),产量略有降低,并且测序文库过程略复杂。然而,搁浅和更高分辨率的增益是无价的。值得注意的是,sDRIP-seq 将捕获双链 RNA:DNA 杂交体和三链 R 环。由于文库构建步骤,DRIP-seq 不会捕获双链 RNA:DNA 杂交体。DRIPc-seq 对技术的要求最高,需要更多的起始材料。作为回报,它提供最高的分辨率和搁浅度。由于测序文库是由 R 环或杂交体的 RNA 部分构建的,因此 DRIPc-seq 可能会受到可能的 RNA 污染,特别是因为 S9.6 对 dsRNA 19,47,48 具有残余亲和力。sDRIP-seq 允许进行链特异性、高分辨率的映射,而无需担心 RNA 污染,因为测序文库来源于 DNA 链。总的来说,这三种方法仍然有用,并且存在不同程度的复杂性和略有不同的注意事项。然而,这三者都产生高度一致的数据集48,并且对 RNase H 预处理高度敏感,这是确保信号特异性的重要控制45,49。值得注意的是,鉴于对测序文库施加的大小选择,小杂交种(估计 <75 bp),例如在滞后链 DNA 复制启动位点(冈崎引物)周围瞬时形成的杂交体将被排除在外。同样,由于所有 DRIP 方法都涉及 DNA 片段化,因此需要负 DNA 超螺旋才能保持稳定性的不稳定 R 环将丢失5。因此,DRIP 方法可能会低估 R 环负载,尤其是对于短的、不稳定的 R 环,最好使用体内方法捕获45,48。值得注意的是,在亚硫酸氢钠处理后,R-loop 也可以以 S9.6 非依赖性方式在单个 DNA 分子上以深度覆盖、高分辨率和链特异性方式进行分析12。此外,使用催化失活的 RNase H1 酶的策略已被用于在体内绘制天然 R 环,突出了主要在暂停的启动子处形成的短而不稳定的 R 环 50,51,52。
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以下方案针对在培养物中生长的人 Ntera-2 细胞系进行了优化,但它已经成功地适应了一系列其他人类细胞系(HEK293、K562、HeLa、U2OS)、原代细胞(成纤维细胞、B 细胞)以及其他经过小修饰的生物体(小鼠、果蝇)。
1. 细胞收获和裂解
2. DNA 提取
3. DNA 片段化
注:对于基于限制性内切酶的 DRIP-seq,请遵循步骤 3.1。对于基于超声处理的 DRIP-seq,请跳至步骤 3.2。
4. S9.6 免疫沉淀
注:无论 DNA 是通过 RE 还是超声处理进行片段化,免疫沉淀步骤都是相似的。
5. 仅对超声处理的 DNA 进行文库前步骤
注:超声处理导致 R 环的置换 ssDNA 链断裂。因此,三链 R 环结构在超声处理后转化为双链 DNA:RNA 杂交体。因此,在文库构建之前,这些 DNA:RNA 杂交体必须转化回双链 DNA。这里采用了第二链合成步骤。已成功使用的另一种方法是进行单链 DNA 连接,然后进行第二链合成53。
6. 仅针对 RE DNA 的文库前超声处理步骤
注意:DRIP 导致回收长度通常为千碱基的 RE 片段,因此不适合立即构建文库。
7. 文库构建
8. 质量控制
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DRIP 和 sDRIP 可以通过 qPCR(图 2A)和/或测序(图 2B)进行分析。免疫沉淀步骤后,必须首先通过对阳性和阴性对照基因座以及 RNase H 处理的对照进行 qPCR 来确认实验质量。 表 2 提供了与多种人类细胞系中常用基因座相对应的引物。qPCR 的结果应显示为输入百分比,这对应于给定基因座裂解时携带 R 环的细胞百分比?...
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这里描述的是两种方案,用于使用 S9.6 抗体在潜在的任何生物体中绘制 R 环结构。DRIP-seq 代表了第一个开发的全基因组 R 环映射技术。这是一种简单、稳健且可重复的技术,允许绘制 R 环沿任何基因组的分布。第二种技术称为 sDRIP-seq,也是稳健且可重复的,但由于包含超声处理步骤和链式测序文库构建方案,因此实现了更高的分辨率和链特异性。这两种技术在免疫沉淀?...
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作者声明没有利益冲突。
Chedin 实验室的工作得到了美国国立卫生研究院 (R01 GM120607) 的资助。
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
15 mL tube High density Maxtract phase lock gel | Qiagen | 129065 | |
2 mL tube phase lock gel light | VWR | 10847-800 | |
Agarose A/G beads | ThermoFisher Scientific | 20421 | |
Agencourt AMPure XP beads | Beckman Coulter | A63881 | |
AmpErase Uracil N-glycosylase | ThermoFisher Scientific | N8080096 | |
Index adapters | Illumina | Corresponds to the TrueSeq Single indexes | |
Klenow fragment (3’ to 5’ exo-) | New England BioLabs | M0212S | |
NEBNext End repair module | New England BioLabs | E6050 | |
PCR primers for library amplification | primer 1.0 P5 (5’ AATGATACGGCGACCACCGAGA TCTACACTCTTTCCCTACACGA 3’) | ||
PCR primers for library amplification | PCR primer 2.0 P7 (5’ CAAGCAGAAGACGGCATACG AGAT 3’) | ||
Phenol/Chloroform Isoamyl alcohol 25:24:1 | Affymetrix | 75831-400ML | |
Phusion Flash High-Fidelity PCR master mix | ThermoFisher Scientific | F548S | |
Quick Ligation Kit | New England BioLabs | M2200S | |
Ribonuclease H | New England BioLabs | M0297S | |
S9.6 Antibody | Kerafast | ENH001 | These three sources are equivalent |
S9.6 Antibody | Millipore/Sigma | MABE1095 | |
S9.6 Antibody | Abcam | ab234957 |
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