Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
Method Article
Протокол был разработан для эффективного извлечения нетронутыми гистонами из материалов листьев сорго для профилирования гистон пост-переводных модификаций, которые могут служить потенциальными эпигенетическими маркерами для оказания помощи инженерных засухоустойчивых культур.
Гистоны принадлежат к семейство высокосхраняемых белков в эукариотах. Они упаковывают ДНК в нуклеосомы как функциональные единицы хроматина. Пост-трансляционные модификации (ПТМ) гистонов, которые являются высокодинамических и могут быть добавлены или удалены ферментами, играют важную роль в регулировании экспрессии генов. В растениях эпигенетические факторы, в том числе гистон ПТМ, связаны с их адаптивной реакцией на окружающую среду. Понимание молекулярных механизмов эпигенетического контроля может принести беспрецедентные возможности для инновационных биоинженерных решений. В этом случае мы описываем протокол изоляции ядер и очистки гистонов от тканей листьев сорго. Извлеченные гистоны могут быть проанализированы в их неповрежденных формах с помощью масс-спектрометрии сверху вниз (MS) в сочетании с онлайн обратной фазой (RP) жидкой хроматографией (LC). Комбинации и стоихиометрия нескольких ПТМ на одной и той же протеоформе гистона могут быть легко идентифицированы. Кроме того, отрезание хвоста гистона может быть обнаружено с помощью рабочего процесса LC-MS сверху вниз, что дает глобальный профиль PTM основных гистонов (H4, H2A, H2B, H3). Ранее мы применяли этот протокол для определения гистоновых ПТМ из тканей листьев сорго, собранных в ходе крупномасштабного полевого исследования, направленного на выявление эпигенетических маркеров засухоустойчивости. Протокол потенциально может быть адаптирован и оптимизирован для хроматина иммунопреципиентации секвенирования (ChIP-seq), или для изучения гистон PTMs в аналогичных растений.
Увеличение тяжести и частоты засухи, как ожидается, повлияет на производительность зерновыхкультур 1,2. Сорго является зерновых продуктов питания и энергии культур известен своей исключительной способностью выдерживать ограничения водыусловиях 3,4. Мы преследуем механистическое понимание взаимодействия между засухой, развитием растений и эпигенетикой растений соргои двухцветного сорго (L.) Moench. Наша предыдущая работа продемонстрировала сильную связь между микробиомом растений и корневища при акклиматизации засухи иреакциями на молекулярном уровне 5,6,7. Это исследование проложит путь для использования эпигенетической инженерии в адаптации сельскохозяйственных культур к будущим климатическим сценариям. В рамках усилий по пониманию эпигенетики мы стремимся изучить белковые маркеры, которые влияют на экспрессию генов в организме растения.
Гистоны принадлежат к высоко сохраниваемому семейство белков в эукариотах, которые упаковывают ДНК в нуклеосомы в качестве основных единиц хроматина. Пост-трансляционные модификации (ПТМ) гистонов динамически регулируются для контроля структуры хроматина и влияния на экспрессию генов. Как и другие эпигенетические факторы, в том числе метилирование ДНК, гистон PTMs играют важную роль во многихбиологических процессах 8,9. Анализы на основе антител, такие как западные помарки, широко используются для выявления и количественной оценки гистоновых ПТМ. Кроме того, взаимодействие гистона ПТМ и ДНК может быть эффективно исследовано иммунопреципиентацией хроматина – секвенированием (ChIP-seq)10. В ChIP-seq хроматин с специфическим целевым гистоном PTM обогащается антителами против этого конкретного PTM. Затем фрагменты ДНК могут быть освобождены от обогащенного хроматина и секвенированы. Выявлены области генов, взаимодействующих с целевым гистоном PTM. Однако все эти эксперименты в значительной степени опираются на высококачественные антитела. Для некоторых вариантов гистон / омологов или комбинаций ПТМ, разработка надежных антител может быть чрезвычайно сложной задачей (особенно для нескольких ПТМ). Кроме того, антитела могут быть разработаны только в том случае, если целевой гистон PTM известен. 11 Поэтому необходимы альтернативные методы нецелесохозяемого глобального профилирования Гистоновых ПТМ.
Масс-спектрометрия (MS) является дополнительным методом для характеристики гистон PTMs, в том числе неизвестных ПТМ, длякоторых антитела не доступны 11,12. Устоявшийся "снизу вверх" MS рабочий процесс использует протеасы для переваривания белков в небольших пептидов до жидкой хроматографии (LC) разделения и обнаружения MS. Поскольку гистоны имеют большое количество основных остатков (лизин и аргинин), пищеварение трипсина (протеаза, специфичная для лизина и аргинина) в стандартном рабочем процессе снизу вверх разрезает белки на очень короткие пептиды. Короткие пептиды технически трудно анализировать стандартными LC-MS, и не сохраняют информацию о подключении и стоихиометрии нескольких ПТМ. Использование других ферментов или химической маркировки для блокирования лизинов генерирует более длинные пептиды, которые больше подходят для характеристики гистон PTMs13,14.
Кроме того, шаг пищеварения может быть полностью опущен. В этом "сверху вниз" подход, нетронутыми ионов белка вводятся в MS электроспрей ионизации (ESI) после онлайн разделения LC, что дает ионы нетронутыми протеоформов гистона. Кроме того, ионы (т.е. протеоформы), представляющие интерес, могут быть изолированы и фрагментированы в масс-спектрометре для получения последовательности ионов для идентификации и локализации PTM. Таким образом, сверху вниз MS имеет преимущество, чтобы сохранить информацию на уровне протеоформ и захватить подключение нескольких PTMs и терминальных усечений на той жепротеоформы 15,16. Эксперименты сверху вниз могут также предоставить количественную информацию и предложить понимание биомаркеров на нетронутом уровне белка17. В этом случае мы описываем протокол для извлечения гистона из листьев сорго и анализа неповрежденных гистонов сверху вниз LC-MS.
Примерные данные, показанные на рисунке 1 и рисунке 2, являются данными из листьев сорго, собранных на второй неделе после посадки. Хотя ожидается изменение урожайности, этот протокол, как правило, агностик к конкретным условиям выборки. Тот же протокол был успешно использован для тканей листьев растений сорго, собранных из 2, 3, 5, 8, 9 и 10 недель после посадки.
1. Подготовка материала из листьев сорго
ПРИМЕЧАНИЕ: Сорго растения были выращены в почве в поле в Parlier, Калифорния.
2. Подготовка буферов и материалов (3-4 ч)
ПРИМЕЧАНИЕ: Решения с высокой концентрацией запасов могут быть сделаны заранее и храниться до использования. Но все рабочие буферы должны быть свежими в день добычи (путем разбавления из бульона и смешивания с другим содержимым) и быть помещены на лед во время процесса. Весь эксперимент должен быть выполнен при 4 градусов по Цельсию, если не рекомендуется иное.
Реагентов | Концентрация запасов | EB1 | EB2A | EB2B |
Объем (mL) | Объем (mL) | Объем (mL) | ||
Сахароза | 2.5M | 4.4 | 1.25 | 0.5 |
Трис HCl рН8 | 1М | 0.25 | 0.125 | 0.05 |
Dtt | 1М | 0.125 | 0.0625 | 0.025 |
H2O | 20.225 | 9.6875 | 4.375 | |
ингибитор протеазы (PI) таблетка | 0,5 таблетки | 0,5 таблетки | 0,5 таблетки | |
Дополнительные ингибиторы (необязательно) | 33mM | 0.25 | 0.125 | 0.05 |
MgCl2 | 1М | 0.125 | 0.05 | |
Тритон X100 | 10% | 1.25 | ||
Общий объем | 25 мл | 12,5 мл | 5 мл |
Таблица 1: Композиция для буферов извлечения (EB).
Nlb | Концентрация запасов | Объем (mL) |
Nacl | 5М | 0.4 |
Трис HCl рН8 | 1М | 0.05 |
Тритон X100 | 10% | 0.5 |
Эдта | 0,5 М | 0.2 |
H2O | 3.85 | |
Pi таблетки | 0,5 таблетки | |
Дополнительные ингибиторы (необязательно) | 33mM | 0.05 |
Общий объем | 5 мл |
Таблица 2: Композиция для буфера лиза ядер (NLB).
3. Процедура изоляции ядер
ПРИМЕЧАНИЕ: Рекомендуется выполнять шаги 3,1-3,3 первого дня (2-3 ч), сохранить ядра в буфере NLB при -80 градусов по Цельсию и возобновить на следующий день (или позже) для очистки белка (4 ч). Шаги изоляции ядер в этом протоколе были адаптированы из протокола сорго ChIP-seq, используемого в Объединенном институте генома. Дополнительные моет и сахарозы градиент разделения может потребоваться для обеспечения чистоты ядер для ChIP-seq приложений.
4. Массовая спектрометрия очищенных гистонов
Следуя протоколу, гистоны могут быть извлечены и идентифицированы с помощью анализа LC-MS. Необработанные данные и обработанные результаты доступны в MassIVE (https://massive.ucsd.edu/) через присоединение: MSV000085770. На основе результатов TopPIC из репрезентативной выборки (доступно также от MassIVE), мы опреде?...
Представленный протокол описывает, как извлечь гистоны из листьев сорго (или, в более общем плане, листьев растений) образцов. Средняя урожайность гистона, как ожидается, будет 2-20 мкг на 4-5 г материала листьев сорго. Материалы достаточно чисты для анализа гистона вниз по течению LC-MS (в осн...
Ни один.
Мы благодарим Рональда Мура и Томаса Филлмора за помощь в экспериментах по масс-спектрометрии, а Также Мэтью Монро за осаждение данных. Это исследование финансировалось за счет грантов Министерства энергетики США (DOE) биологических и экологических исследований в рамках эпигенетического контроля засухи ответ в Сорго (EPICON) проекта под номером премии DE-SC0014081, от Министерства сельского хозяйства США (USDA; CRIS 2030-21430-008-00D), а также через Объединенный институт биоэнергетики (JBEI), объект, спонсируемый DOE (контракт DE-AC02-05CH11231) между Национальной лабораторией Лоуренса Беркли и Министерством здравоохранения. Исследование проводилось с использованием Лаборатории экологических молекулярных наук (EMSL) (grid.436923.9), Управления научных пользователей, спонсируемого Управлением биологических и экологических исследований.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Acetonitrile | Fisher Chemical | A955-4L | |
Dithiothreitol (DTT) | Sigma | 43815-5G | |
EDTA, 500mM Solution, pH 8.0 | EMD Millipore Corp | 324504-500mL | |
Formic Acid | Thermo Scientific | 28905 | |
Guanidine Hydrochloride | Sigma | G3272-100G | |
MgCl2 | Sigma | M8266-100G | |
Potassium phosphate, dibasic | Sigma | P3786-100G | |
Protease Inhibitor Cocktail, cOmplete tablets | Roche | 5892791001 | |
Sodium butyrate | Sigma | 303410-5G | Used for histone deacetylase inhibitor |
Sodium Chloride (NaCl) | Sigma | S1888 | |
Sodium Fluoride | Sigma | S7020-100G | Used for phosphatase inhibitor |
Sodium Orthovanadate | Sigma | 450243-10G | Used for phosphatase inhibitor |
Sucrose | Sigma | S7903-5KG | |
Tris-HCl | Fisher Scientific | BP153-500 g | |
Triton X-100 | Sigma | T9284-100ML | |
Weak cation exchange resin, mesh 100-200 analytical (BioRex70) | Bio-Rad | 142-5842 | |
Disposables | |||
Chromatography column (Bio-Spin) | BIO-RAD | 732-6008 | |
Mesh 100 filter cloth | Millipore Sigma | NY1H09000 | This is part of the Sigma kit (catalog # CELLYTPN1) for plant nuclei extraction. Similar filters with the same mesh size can be used. |
Micropipette tips (P20, P200, P1000) | Sigma | ||
Tube, 50mL/15mL, Centrifuge, Conical | Genesee Scientific | 28-103 | |
Tube, Microcentrifuge, 1.5/2 mL | Sigma | ||
Equipment | |||
Analytical Balance | Fisher Scientific | 01-912-401 | |
Beakers (50mL – 2L) | |||
Microcentrifuge with cooling | Fisher Scientific | 13-690-006 | |
Micropipettes | |||
Swinging-bucket centrifuge with cooling | Fisher Scientific | ||
Vortex | Fisher Scientific | 50-728-002 | |
Water bath Sonicator | Fisher Scientific | 15-336-120 |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены