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Method Article
CUT&RUN及其变体可用于确定染色质上的蛋白质占用率。该协议描述了如何使用单细胞uliCUT&RUN确定染色质上的蛋白质定位。
确定蛋白质在染色质上的结合位置对于了解其功能和潜在的调节靶点至关重要。30多年来,染色质免疫沉淀(ChIP)一直是确定蛋白质定位的黄金标准,其定义是使用抗体从超声处理或酶消化染色质中提取出感兴趣的蛋白质。最近,由于抗体系留技术增加了敏感性,因此在评估染色质上的蛋白质定位方面变得流行起来。靶标下的裂解和核酸酶下的释放(CUT&RUN)是染色质免疫裂解(ChIC)的全基因组衍生物,并利用与微球菌核酸酶(pA-MNase)相连的重组蛋白A来鉴定靶向目标蛋白的抗体的IgG恒定区域,从而实现靶向目标蛋白侧面的DNA的位点特异性裂解。CUT&RUN可用于分析组蛋白修饰,转录因子和其他染色质结合蛋白,如核小体重塑因子。重要的是,CUT&RUN可用于评估真色素或异色相关蛋白质和组蛋白修饰的定位。由于这些原因,CUT&RUN是确定各种蛋白质结合谱的强大方法。最近,CUT&RUN已经针对低细胞群和单细胞的转录因子分析进行了优化,优化的方案被称为超低输入CUT&RUN(uliCUT&RUN)。在这里,以手动96孔格式提出了使用uliCUT&RUN进行单细胞因子分析的详细方案。
许多核蛋白通过与染色质相互作用来促进或阻止DNA模板化活性。为了确定这些染色质相互作用蛋白的功能,重要的是要确定这些蛋白结合的基因组位置。自1985年开发以来,染色质免疫沉淀(ChIP)一直是鉴定蛋白质与染色质1,2结合的黄金标准。传统的ChIP技术具有以下基本工作流程:收获细胞并交联(通常与甲醛),剪切染色质(通常使用苛刻的超声处理方法,需要交联),使用靶向蛋白质(或标记蛋白质)的抗体免疫沉淀,然后使用二抗(与琼脂糖或磁珠偶联),交联被逆转, 蛋白质和RNA被消化以纯化DNA,并且该ChIP富集DNA被用作分析模板(使用放射性标记的探针1,2,qPCR3,微阵列5,6或测序4)。随着微阵列和大规模并行深度测序的出现,ChIP-chip5,6和ChIP-seq4最近被开发出来,并允许全基因组鉴定染色质上的蛋白质定位。交联ChIP自问世以来一直是一种强大而可靠的技术,ChIP-exo7和ChIP-nexus8在分辨率方面取得了重大进展。在开发 ChIP-seq 的同时,已经建立了用于 ChIP (N-ChIP) 的天然(非交联)方案,其利用核酸酶消化(通常使用微球菌核酸酶或 MNase)来片段化染色质,而不是在传统的交联 ChIP 技术中进行的超声处理9.然而,交联ChIP和N-ChIP技术的一个主要缺点是由于实验操作后的DNA产量低,因此对高细胞数量的需求。因此,近年来,许多努力都是为了优化ChIP技术以实现低电池输入。这些努力导致开发了许多强大的基于ChIP的技术,这些技术的适用性和输入要求10,11,12,13,14,15,16,17,18各不相同。然而,基于单细胞ChIP-seq的技术一直缺乏,特别是对于非组蛋白。
2004年,开发了一种替代技术来确定染色质上的蛋白质占用率,称为染色质内源性裂解(ChEC)和染色质免疫裂解(ChIC)19。这些单位点技术利用MNase与目标蛋白(ChEC)或蛋白A(ChIC)的融合,以直接切割与目标蛋白相邻的DNA。近年来,ChEC和ChIC都针对染色质的全基因组蛋白质分析进行了优化(分别为ChEC-seq和CUT&RUN)20,21。虽然ChEC-seq是确定因子定位的强大技术,但它需要为每个靶标开发MNase融合蛋白,而ChIC及其全基因组变异CUT&RUN依赖于针对目标蛋白(如ChIP)和重组蛋白A-MNase的抗体,其中蛋白A可以识别抗体的IgG恒定区域。作为替代方案,已经开发了融合蛋白A /蛋白G-MNase(pA / G-MNase),可以识别更广泛的抗体常数区域22。CUT&RUN已迅速成为ChIP-seq的流行替代品,用于确定染色质全基因组上的蛋白质定位。
超低输入CUT&RUN(uliCUT&RUN)是CUT&RUN的一种变体,可以使用低和单单元输入,在2019年进行了描述23。这里,描述了手动96孔格式单细胞应用的方法。值得注意的是,自uliCUT&RUN开发以来,已经开发了组蛋白分析的两种替代方案,CUT&Tag和iACT-seq,为组蛋白24,25提供了稳健且高度平行的分析。此外,scCUT&Tag已经过优化,可以分析单个细胞中的多种因子(multiCUT&Tag)并应用于非组蛋白26。总之,CUT&RUN为低输入ChIP-seq提供了一种有吸引力的替代方案,其中uliCUT&RUN可以在任何可以使用细胞分选机和标准设备的分子生物学实验室中进行。
伦理声明:所有研究均获得匹兹堡大学研究保护机构生物安全办公室的批准。
1. 准备磁珠
注意:在细胞分选前进行,并保持在冰上直到使用。
2. 收获细胞
注意:此步骤是为粘附细胞编写的,并针对小鼠E14胚胎干细胞进行了优化。细胞的培养和收获取决于细胞类型。
3. 细胞分选和裂解
4. 预封闭样品,防止MNase早期消化
5. 添加一抗
6. 添加 pA-MNase 或 pA/G-MNase
注意:蛋白A对来自某些物种(如兔子)的IgG分子具有高亲和力,但不适用于来自其他物种(如小鼠或大鼠)的IgG。或者,可以使用蛋白A / G-MNase。这种杂交结合兔,小鼠和大鼠IgG,避免了使用小鼠或大鼠一抗时对二抗的需求。
7. 定向DNA消化
8. 样品分馏
9. DNA提取
10.末端修复,磷酸化,腺苷化
注:试剂的来源见 材料表中。以下方案遵循与商业试剂盒类似的方法,例如NEBNext Ultra DNA II试剂盒。
11. 适配器结扎
注意:在设置以下反应时将样品保持在冰上。在移液前让连接酶缓冲液达到室温。将适配器(见 材料表)稀释在含有10mM NaCl(pH 7.5)的10mM Tris-HCl溶液中。由于产量低,不要预先量化富含CUT&RUN的DNA。相反,使用0.6μM的最终工作适配器浓度产生25倍稀释的适配器。
12. 用户消化
13. 结扎反应后聚苯乙烯-磁铁矿珠的清理
注意:让聚苯乙烯磁铁矿珠在室温(约30分钟)下平衡。涡旋以在使用前使珠子溶液均质化。在室温下执行以下步骤。
14. 库丰富
注意:引物用与适配器相同的溶液稀释。对于此文库构建,请使用0.6μM的最终工作引物浓度。
15. 聚苯乙烯磁铁矿珠清理
在这里,提出了一个详细的方案,用于使用96孔手动格式uliCUT&RUN对染色质进行单细胞蛋白质分析。虽然结果会根据所分析的蛋白质(由于蛋白质丰度和抗体质量),细胞类型和其他影响因素而有所不同,但本文将讨论该技术的预期结果。细胞质量(细胞外观和活细胞百分比)和单细胞分选应在活细胞分选到NE缓冲液之前或期间进行评估。ES细胞集落和细胞分选的示例如图2A
CUT&RUN是确定染色质上蛋白质定位的有效方案。与其他协议相比,它具有许多优点,包括:1)高信噪比,2)快速协议,以及3)所需的低排序读取覆盖率,从而节省了成本。使用蛋白A-或蛋白A / G-MNase使CUT&RUN能够与任何可用的抗体一起使用;因此,它有可能快速,轻松地分析许多蛋白质。然而,对于染色质上的任何蛋白质分析,适应单细胞是困难的,特别是与单细胞转录组学(即scRNA-seq)相比,由于DN...
作者声明与本项目无关的竞争利益。
我们感谢海纳实验室的成员阅读和评论本手稿的早期版本。该项目使用匹兹堡 UPMC 儿童医院匹兹堡大学健康科学测序核心提供的 NextSeq500 进行测序,特别感谢其主任 William MacDonald。这项研究得到了匹兹堡大学研究计算中心通过提供的计算机资源提供的部分支持。这项工作得到了美国国立卫生研究院拨款号R35GM133732(S.J.H.)的支持。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1.5 mL clear microfuge tubes | ThermoFisher Scientific | 90410 | |
1.5 mL tube magnetic rack | ThermoFisher Scientific | 12321D | |
1.5 mL tube-compatible cold centrifuge | Eppendorf | 5404000537 | |
10 cm sterile tissue culture plates | ThermoFisher Scientific | 150464 | |
10X T4 DNA Ligase buffer | New England Biolabs | B0202S | |
15 mL conical tubes | VWR | 89039-656 | |
1X TE buffer | ThermoFisher Scientific | 12090015 | |
200 µL PCR tubes | Eppendorf | 951010022 | |
2X quick ligase buffer | New England Biolabs | M2200 | Ligase Buffer |
5X KAPA HiFi buffer | Roche | 7958889001 | 5X high fidelity PCR buffer |
7-Amino-Actinomycin D (7-AAD) | Fisher Scientific | BDB559925 | |
96-well magnetic rack | ThermoFisher Scientific | 12027 or 12331D | |
96-well plate | VWR | 82006-636 | |
AMPure XP beads | Beckman Coulter | A63881 | polystyrene-magnetite beads; Due to potential variability between AMPure XP bead lots, it is recommended that your AMPure bead solution be calibrated. See manufacturer’s instructions |
Antibody to protein of interest | varies | ||
ATP | ThermoFisher Scientific | R0441 | |
BioMag Plus Concanavalin A beads | Polysciences | 86057-10 | ConA-conjugated paramagnetic microspheres |
BSA | |||
Calcium Chloride (CaCl2) | Fisher Scientific | AAJ62905AP | |
Cell sorter | BD FACSAria II cell sorter | Requires training | |
Cell-specific media for cell culture | Varies | ||
Chloroform | ThermoFisher Scientific | C298-500 | Chloroform is a skin irritant and harmful if swallowed; handle in a chemical fume hood using gloves, a lab coat, and goggles |
Computer with 64-bit processer and access to a super computing cluster | For computational analyses of resulting sequencing datasets | ||
DNA spin columns | Epoch Life Sciences | 1920-250 | |
dNTP set | New England Biolabs | N0446S | |
EGTA | Sigma Aldrich | E3889 | |
Electrophoresis equipment | varies | ||
Ethanol | Fisher Scientific | 22032601 | 100% vol/vol ethanol is highly flammable; handle in a chemical fume hood using gloves, a lab coat, and goggles |
Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Fisher Scientific | BP2482100 | |
FBS | Sigma Aldrich | F2442 | |
Glycerol | Fisher Scientific | BP229-1 | |
Glycogen | VWR | 97063-256 | |
HEPES | Fisher Scientific | BP310-500 | |
Heterologous S. cerevisiae DNA spike-in | homemade | Prepared from crosslinked, MNase-digested, and agarose gel extracted genomic DNA purified of protein/RNA and diluted to 10 ng/mL. We recommend yeast genomic DNA, but other organisms can be used if needed. | |
Hydrochloric Acid (HCl) | Fisher Scientific | A144-212 | Hydrochloric Acid is very corrosive; handle in a chemical fume hood using gloves, a lab coat, and goggles |
Ice Bucket | varies | ||
Illumina Sequencing platform (e.g., NextSeq500) | Illumina | ||
Incubator with temperature and atmosphere control | ThermoFisher Scientific | 51030284 | |
KAPA HotStart HiFi DNA Polymerase with 5X KAPA HiFi buffer | Roche | 7958889001 | hotstart high fidelity polymerase |
Laminar flow hood | Bakery Company | SG404 | |
Manganese Chloride (MnCl2) | Sigma Aldrich | 244589 | |
Micropipette set | Rainin | 30386597 | |
Minifuge | Benchmark Scientific | C1012 | |
NEB Adaptor | New England Biolabs | E6612AVIAL | Adaptor |
NEB Universal primer | New England Biolabs | E6611AVIAL | Universal Primer |
NEBNext Multiplex Oligos for Illumina kit | New England Biolabs | E7335S/L, E7500S/L, E7710S/L, E7730S/L | Indexed Primers |
Negative control antibody | Antibodies-Online | ABIN101961 | |
Nuclease Free water | New England Biolabs | B1500S | |
PCR thermocycler | Eppendorf | 2231000666 | |
Phase lock tubes | Qiagen | 129046 | |
Phenol/Chloroform/Isoamyl Alcohol (PCI) | ThermoFisher Scientific | 15593049 | Phenol is harmful if swallowed or upon skin contact; handle in a chemical fume hood using gloves, a lab coat, and goggles |
Phsophate buffered saline (PBS) | ThermoFisher Scientific | 10814010 | |
Pipette aid | Drummond Scientific | # 4-000-100 | |
Polyethylene glycol (PEG) 4000 | VWR | A16151 | |
Potassium Chloride (KCl) | Sigma Aldrich | P3911 | |
Potassium Hydroxide (KOH) | Fisher Scientific | P250-1 | CAUTION KOH is an eye/skin irritant as a solid and corrosive in solution. Handle in a chemical fume hood using gloves, a lab coat, and goggles |
Protease Inhibitors | ThermoFisher Scientific | 78430 | |
ProteinA/G-MNase | Epicypher | 15-1016 | pA/G-MNase |
ProteinA-MNase, purified from pK19pA-MN | Addgene | 86973 | |
Proteinase K | New England Biolabs | P8107S | |
Qubit 1X dsDNA HS Assay Kit | ThermoFisher Scientific | Q33230 | |
Qubit Assay tubes | ThermoFisher Scientific | Q32856 | |
Qubit Fluorometer | ThermoFisher Scientific | Q33238 | |
Quick Ligase with 2X Quick Ligase buffer | New England Biolabs | M2200S | |
RNase A | New England Biolabs | T3010 | |
Sodium Acetate (NaOAc) | ThermoFisher Scientific | BP333-500 | |
Sodium Chloride (NaCl) | Sigma Aldrich | S5150-1L | |
Sodium dodecyl sulfate (SDS) | ThermoFisher Scientific | BP166-500 | SDS is poisonous if inhaled; handle with care in well ventilated spaces using gloves, eye protection, and an N95-grade respirator when handling |
Sodium Hydroxide (NaOH) | Fisher Scientific | S318-1 | NaOH is an eye/skin irritant as a solid and corrosive in solution. Handle in a chemical fume hood using gloves, a lab coat, and goggles |
Spermidine | Sigma Aldrich | S2626 | |
Standard Inverted Light Microscope | Leica | 11526213 | |
Standard lab agarose gel materials | Varies | ||
Standard lab materials such as serological pipettes and pipette tips | Varies | ||
T4 DNA Ligase | New England Biolabs | M0202S | |
T4 DNA Polymerase | New England Biolabs | M0203S | |
T4 PNK | New England Biolabs | M0201S | |
Tabletop vortexer | Fisher Scientific | 2215414 | |
Taq DNA Polymerase | New England Biolabs | M0273S | |
Thermomixer | Eppendorf | 5384000020 | Alternatively, can use a waterbath |
Tris base | Fisher Scientific | BP152-5 | |
Triton X-100 | Sigma Aldrich | 9002-93-1 | Triton X-100 is hazardous; use a lab coat, gloves, and goggles when handling |
Trypsin | Fisher Scientific | MT25052 | |
Tube rotator | VWR | 10136084 | |
USER enzyme | New England Biolabs | M5505S |
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