Name: screening for functional non-coding genetic variants using electrophoretic mobility shift assay (emsa) and dna-affinity precipitation assay (dapa)
Uploaded: 2016-08-21T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Screening for Functional Non-coding Genetic Variants Using Electrophoretic Mobility Shift Assay EMSA and DNA-affinity Precipitation Assay DAPA at JoVE.com

We thank Erin Zoller, Jessica Bene, and Lindsey Hays for input and direction in protocol development. MTW was supported in part by NIH R21 HG008186 and a Trustee Award grant from the Cincinnati Children's Hospital Research Foundation. ZHP was supported in part by T32 GM063483-13.

ソリューションおよび試薬の調製<ol><li> EMSAとDAPAで使用するためのカスタムDNAオリゴヌクレオチドプローブを注文してください。 <ol><li> 、非特異的タンパク質結合を減少させる（長さ35から45塩基対（bp）の間の）短いオリゴ30を設計し、その17 bpの内在性ゲノム配列によって挟ま中心部に関心の変形を配置します。 EMSAオリゴについては、5 &#39;蛍光団を追加します。 DAPAオリゴについ...

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	<li>Hindorff, L. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Potential+etiologic+and+functional+implications+of+genome-wide+association+loci+for+human+diseases+and+traits.">Potential etiologic and functional implications of genome-wide association loci for human diseases and traits.</a> Proc Natl Acad Sci U S A. 106 (23), 9362-9367 (2009).</li><li>Maurano, M. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Systematic+localization+of+common+disease-associated+variation+in+regulatory+DNA.">Systematic localization of common disease-associated variation in regulatory DNA.</a> Science. 337 (6099), 1190-1195 (2012).</li><li>Ward, L. 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<html>シーケンシングおよびジェノタイピング技術の進歩は著しく、疾患に関連する遺伝子変異体を同定するために我々の能力を強化しているが、これらの変異体によって影響を受ける機能のメカニズムを理解するために我々の能力が遅れています。問題の主な原因は、多くの疾患関連変異体は、上のコード可能性が高い遺伝子発現を制御困難ツー予測メカニズムに影響を与えるゲノムの領域?...

ゲノムワイド関連研究（GWAS）を含むシーケンシングおよびジェノタイピングベースの研究、候補遺伝子座の研究、およびディープシーケンシング研究は、統計学的疾患、形質または表現型と関連している多くの遺伝的変異を同定しました。初期の予測に反して、これらの変異体（85-93％）の大部分は非コード領域に位置しており、タンパク質1,2のアミノ酸配列を変更しません。これらの非コード変異体の機能の解釈と関連する疾患、形質または表現型にそれらを接続する生物学的メカニズムを決定することは3-6に挑戦証明されています。遺伝子発現 - 私たちは、重要な中間表現型にバリアントをリンクする分子メカニズムを識別するための一般的な戦略を開発しました。このパイプラインは、特に遺伝的変異による結合TFの調節を同定するために設計されています。この戦略を予測することを目的とした計算手法および分子生物学技術を組み合わせインシリコ候補変異体の生物学的効果、および（ 図1）、経験的に、これらの予測を検証します。 <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/54093/54093fig1.jpg" /> 図1： 非コード遺伝子変異体の解析のための戦略的アプローチ 、この原稿に関連付けられた詳細なプロトコールに含まれていない手順は灰色で網掛けされている。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54093/54093fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> 多くの場合、それぞれの統計的に関連する変異体と高い連鎖、不平衡（LD）にあるすべてのものを含むように変異体のリストを拡張することによって開始することが重要です。 LDは、R 2統計7によって測定することができる2つの異なる染色体位置における対立遺伝子の非ランダムな関連の尺度です。 r 2は林の尺度でありますR 2の変種間の完全な結合を示す= 1 2を持つ2つの変異体、間の影の不均衡。高LDにおける対立遺伝子は祖先集団全体の染色体上に同時分離することが判明しています。現在のジェノタイピングアレイは、ヒトゲノム中のすべての既知の亜種が含まれていません。その代わりに、彼らは人間のゲノム内のLDを利用し、LD 8の特定の領域内の他の変異体のためのプロキシとして機能する知られている変異体のサブセットを含みます。それは意味のある生物学的効果との因果バリアントバリアントとLDにあるため、このように、任意の生物学的影響のない変異体は、特定の疾患に関連することができます。手続きは、PLINK 10,11、全ゲノム関連解析のためのオープンソースのツールと互換性のあるバイナリファイルに千ゲノムプロジェクト9バリアントコールファイル（VCF）の最新リリースを変換することをお勧めします。続いて、各入力遺伝VAとLDのR 2&gt; 0.8と他のすべての遺伝的変異ほほ笑むは候補として同定することができます。変異体がヨーロッパ系の科目で同定された場合、同様の祖先の被験者からのデータは、LDの拡張のために使用されるべきで、STEP- 例えばこのための適切な参照集団を使用することが重要です。 LDの拡張はしばしば、候補変異体の数十をもたらし、これらのうちのごく一部が、疾患機構に寄与する可能性があります。多くの場合、実験的に個別にこれらの変異体のそれぞれを調べることは実行不可能です。バリアントの優先順位を決定するためのフィルタとして一般に公開機能ゲノムデータセットの数千人を活用することが有効です。例えば、ENCODEコンソーシアム12は 、DNアーゼ-seqの13、ATACなどの技術からクロマチンアクセシビリティデータと共に、文脈の広い範囲でのTFおよび補因子の結合を記述したChIP-seqの実験で何千もの、およびヒストンマークを行いました-seq 14、およびFAIRE-seqの15。 DATABこのようなUCSCゲノムブラウザ16、ロードマップエピゲノミクス17、青写真エピゲノム18、Cistrome 19、及び再マップ20としてのASおよびWebサーバは、細胞型および条件の広い範囲にわたって、これらおよび他の実験技術によって生成されたデータへの無料アクセスを提供します。実験的に調べるためにあまりにも多くの変異体が存在する場合、これらのデータは、関連する細胞および組織型における可能性の調節領域内に位置するものを優先順位付けするために使用することができます。さらに、変異体​​は、特定のタンパク質のためのChIP-seqのピークの範囲内にある場合には、これらのデータは、特定のTF（複数可）またはその影響を与える可能性があります結合補因子に関して潜在的なリードを提供することができます。 次に、優先順位を付け、得られた変異体は、EMSA 21,22を使用して予測結合遺伝子型依存性タンパク質を検証するために実験的にスクリーニングされます。 EMSAは、非還元TBEゲル上でオリゴの移行の変化を測定します。蛍光標識オリゴとともにインキュベートします核溶解液、および核因子の結合は、ゲル上のオリゴの動きを遅らせるます。このように、より多くの核因子を結合した​​オリゴは、スキャン時に強い蛍光シグナルとして提示します。特に、EMSAは、バインディング影響される特定のタンパク質についての予測を必要としません。 変異体は、予測調節領域内に位置し、示差的結合核因子することができるされていることが確認されると、計算方法は、その結合それらが影響する可能性のある特定のTF（複数可）を予測するために使用されます。私たちは、CIS-BP 23,24、RegulomeDB 25、UniProbe 26、およびJASPAR 27を使用することを好みます。候補者のTFが識別されると、これらの予測は、具体的には、これらのTF（EMSA-スーパーシフトとDAPA-西部劇）に対する抗体を用いて試験することができます。 EMSA-スーパーシフトは、核溶解液とオリゴにTF特異的抗体の添加を含みます。 EMSA-スーパーシフトで陽性の結果がのreprですEMSAバンドのさらなるシフト、またはバンドの損失としてesented（参照28に概説されています）。相補DAPAにおいて、変異体および20塩基対の隣接ヌクレオチドを​​含む5 &#39;ビオチン化オリゴ二本鎖を特異的オリゴを結合、核因子を捕捉するために、関連する細胞型（複数可）からの核溶解物と共にインキュベートします。オリゴ二重核因子複合体を磁気カラムにビーズをストレプトアビジンにより固定されています。バインドされた核要因が溶出29,48を介して直接収集されます。結合予測は、その後、タンパク質に特異的な抗体を用いたウェスタンブロットによって評価することができます。明らかな予測、またはあまりにも多くの予測が存在しない場合には、DAPA実験の変異プルダウンからの溶出は、質量分析を使用して候補のTFを同定するためにプロテオミクスコアに送信することができ、続いて前述のこれらを使用して検証することができますメソッド。 articlの残りの部分でE、EMSA及び遺伝的変異のDAPA分析のための詳細なプロトコルが提供されます。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Custom DNA Oligonucleotides</td>
			<td>Integrated DNA Technologies</td>
			<td></td>
			<td>http://www.idtdna.com/site/order/oligoentry</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potassium Chloride</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>BP366-500</td>
			<td>KCl, for CE buffer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HEPES (1M)</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>15630-080</td>
			<td>For CE and NE buffer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EDTA (0.5M), pH 8.0</td>
			<td>Life Technologies</td>
			<td>R1021</td>
			<td>For CE, NE, and annealing buffer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium Chloride</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>BP358-1</td>
			<td>NaCl, for NE buffer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tris-HCl (1M), pH 8.0</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>BP1756-100</td>
			<td>For annealing buffer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Phosphate Buffered Saline (1X)</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>MT21040CM</td>
			<td>PBS, for cell wash</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DL-Dithiothreitol solution (1M)</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>646563</td>
			<td>Reducing agent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PMSF</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>36978</td>
			<td>Protease Inhibitor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Phosphatase Inhibitor Cocktail&#160;</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>78420</td>
			<td>Prevents dephosphorylation of TFs</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nonidet P-40 Substitute</td>
			<td>IBI Scientific</td>
			<td>IB01140</td>
			<td>NP-40, for nuclear extraction</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BCA Protein Assay Kit</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>23225</td>
			<td>For measuring protein concentration</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Odyssey EMSA Buffer Kit</td>
			<td>Licor</td>
			<td>829-07910</td>
			<td>Contains all necessary EMSA buffers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TBE Gels, 6%, 12 Wells</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>EC6265BOX</td>
			<td>For EMSA</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TBE Buffer (10X)</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>B52</td>
			<td>For EMSA</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FactorFinder Starting Kit</td>
			<td>Miltenyi Biotec</td>
			<td>130-092-318</td>
			<td>Contains all necessary DAPA buffers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Licor Odyssey CLx</td>
			<td>Licor</td>
			<td></td>
			<td>Recommended scanner for DAPA/EMSA</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Antibiotic-Antimycotic</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>15240-062</td>
			<td>Contains 10,000 units/mL of penicillin, 10,000 &#181;g/mL of streptomycin, and 25 &#181;g/mL of Fungizone&#174; Antimycotic</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fetal Bovine Serum</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>26140-079</td>
			<td>FBS, for culture media</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>RPMI 1640 Medium</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>22400-071</td>
			<td>Contains L-glutamine and 25mM HEPES</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

screening for functional non-coding genetic variants using electrophoretic mobility shift assay (emsa) and dna-affinity precipitation assay (dapa)

Population and family-based genetic studies typically result in the identification of genetic variants that are statistically associated with a clinical disease or phenotype. For many diseases and traits, most variants are non-coding, and are thus likely to act by impacting subtle, comparatively hard to predict mechanisms controlling gene expression. Here, we describe a general strategic approach to prioritize non-coding variants, and screen them for their function. This approach involves computational prioritization using functional genomic databases followed by experimental analysis of differential binding of transcription factors (TFs) to risk and non-risk alleles. For both electrophoretic mobility shift assay (EMSA) and DNA affinity precipitation assay (DAPA) analysis of genetic variants, a synthetic DNA oligonucleotide (oligo) is used to identify factors in the nuclear lysate of disease or phenotype-relevant cells. For EMSA, the oligonucleotides with or without bound nuclear factors (often TFs) are analyzed by non-denaturing electrophoresis on a tris-borate-EDTA (TBE) polyacrylamide gel. For DAPA, the oligonucleotides are bound to a magnetic column and the nuclear factors that specifically bind the DNA sequence are eluted and analyzed through mass spectrometry or with a reducing sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE) followed by Western blot analysis. This general approach can be widely used to study the function of non-coding genetic variants associated with any disease, trait, or phenotype.

このセクションでは、EMSAまたはDAPAを実行するときに何を期待するの代表的な結果が提供され、そして溶解物の品質に関して変動性が特徴です。例えば、複数回の凍結融解のタンパク質試料は変性をもたらし得ることが示唆されています。これらの「凍結融解」サイクルの文脈においてEMSA分析の再現性を調査するために、1遺伝子変異体で異なる2 35 bpのオリゴが指示?...

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Screening for Functional Non-coding Genetic Variants Using Electrophoretic Mobility Shift Assay EMSA and DNA-affinity Precipitation Assay DAPA

We present a strategic plan and protocol for identifying non-coding genetic variants affecting transcription factor (TF) DNA binding. A detailed experimental protocol is provided for electrophoretic mobility shift assay (EMSA) and DNA affinity precipitation assay (DAPA) analysis of genotype-dependent TF DNA binding.

機能電気泳動移動度シフトアッセイ（EMSA）を用いた非コーディング遺伝的変異体およびDNA親和性沈殿アッセイ（DAPA）のスクリーニング

Population and family-based genetic studies typically result in the identification of genetic variants that are statistically associated with a clinical ...

Research

JoVE Journal

Biology

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