甲醛辅助分离调控元件技术
(FAIRE-Seq)
我们诚邀您加入聚生物词条修善计划,帮助我们完善该技术介绍内容
技术待认领

技术概述

FAIRE(Formaldehyde Assisted Isolation of Regulatory Elements,甲醛辅助分离调控元件)是近年来才建立的新技术,最初应用于酵母细胞,后被用于多种细胞,可以和DNase-Seq技术相结合,揭示开放型染色质的特征,是研究DNA水平调控的优选方法。分子生物学研究表明,在个体发育过程中,用来合成RNA的DNA模板会发生规律性变化,从而调控基因表达和生物体的发育。

DNA水平的基因表达调控最重要的途径就是通过“开放”型活性染色质(activechromation)结构。真核生物的活跃转录是在常染色质上进行的。转录发生之前,染色质常常会在特定区域被解螺旋,变为松弛状态,形成自由DNA。生物体通过核小体结构的解体或改变,DNA本身局部结构的变化,从右旋型变为左旋型(Z-DNA)等,使得结构基因暴露,促进转录因子与启动子DNA的结合,从而诱发基因转录。

研究表明,使用DNaseI处理各种组织细胞的染色质时,发现处于活跃状态的基因比非活跃状态的DNA更容易被DNaseI所降解。鸡成红细胞染色质中,β-血红蛋白基因比卵清蛋白基因更容易被DNaseI切割降解。与此相反,鸡输卵管细胞的染色质中被DNaseI优先降解的是卵清蛋白基因,而不是β-血红蛋白基因,研究发现,活跃表达基因所在染色质上一般含有一个或者数个DNaseI超敏感位点,它们大多位于基因5’端启动子区域,少数在其他位置。有人用专一切割单链DNA的SI核酸酶处理该基因活跃表达的染色质DNA,证实有DNA被水解,说明该基因活跃表达时启动区部分庁列可能解开成单链,从而不能继续缠绕在核小体上,使启动区DNA裸露于组蛋白表面,形成了对DNaseI的超敏感现象。上述事实充分说明,超敏感位点的存在可能是染色质结构规律性变化的结果。正是由于这种变化,使DNA容易与RNA聚合酶和其他转录调控因子相结合,从而启动基因表达,同时也更易于被核酸酶所降解。

(杨振平撰写)

技术详情

FAIRE的发现十分偶然,是在用ChIP-chip技术构建酵母Set1甲基化转移酶复合物的组蛋白甲基化分布图谱的实验中发现的。ChIP实验中需要对照DNA(INPUT DNA),制备INPUT DNA时,无需对细胞进行甲醛处理和染色质的免疫沉淀,只需将细胞全基因组DNA用酚氯仿抽提制备即可。而在制备INPUT DNA的实验中,研究人员因误操作,将制备INPUT DNA的细胞进行了甲醛交联,但在制备DNA时未进行反交联,而直接用酚氯仿抽提法制备基因组DNA,结果发现所制备的基因组DNA中,相对于非编码区DNA(non-coding region DNA)而官,编码区DNA(coding region DNA)得到明显富集。这种结果最初被解释为该酵母细胞编码区DNA含有大量的甲基化核小体,后来在缺少H3K4甲基化的突变体酵母细胞系中也观察到这种现象(42。对这一现象的进一步研究,使得Nagy和Lieb在2003年首次报道了该实验方法,该课题组主要关注染色质组装,尤其侧重于研究核小体的动态变化。2007年,他们将这种实验方法正式命名为FAIRE。

(杨振平撰写)

FAIRE实验过程包括:细胞或组织培养、甲醛交联、细胞裂解、超声波打断染色质,然后进行酚氯仿抽提制备水相DNA、检测水相DNA。在FAIRE酚氯仿抽提过程中,蛋白未交联的DNA溶于水相,而蛋白结合型DNA留在两相界面,从而把全基因组DNA分为两部分(即水相和有机相DNA)然后对水相DNA进行检测,常用的检测方法有荧光定量PCR、DNA微阵列芯片、第二代测序技术等。FAIRE样品制备及检测过程如下图所示:

Fig FAIRE Procedure

(A) The FAIRE procedure described in the text is shown on the left, while preparation of the reference or input sample is shown on the right. The DNA recovered from he aqueous phase of each extraction can then be used to identify sites of open chromatin using qPCR, tiling microarrays, or high-throughput sequencing applications. (B) For qPCR, a series of primers, depicted as convergent arrows, are designed to span a genomic region of interest. Sites of open chromatin are highlighted in blue, with qPCR results depicted above. Amplicons that span or are near the boundaries of open chromatin often result in lower relative enrichment due to shearing of DNA fragments, as shown by asterisks. (C) Microarrays. Typically we use highresolution microarrays that tile either regions of interest or the entire genome of an organism with 50 to 70 bp oligonucleotides. (D) High-throughput sequencing technologies can be used to map the DNA fragments back to the reference genome.【图片来源:Giresi P G, Lieb J D. Isolation of active regulatory elements from eukaryotic chromatin using FAIRE (Formaldehyde Assisted Isolation of Regulatory Elements)[J]. Methods, 2009, 48(3):233-239.】

近年来,FAIRE与高通量技术结合产生的FAIRE-Seq技术,得到了广泛应用。将ChIP-Seq,DNase-Seq和FAIRE-Seq三种实验技术联用,可用于揭示转录因子结合位点、核小体分布位置、染色质开放区域,以及三者之间的关系。三种实验技术的原理如下图所示。

Fig Comparison of experimental protocols.Experiments to detect different aspects of DNA-binding proteins share many of the same steps; simplified schematics of the main steps are shown.

a | Chromatin immunoprecipitation followed by sequencing (ChIP–seq) for DNA-binding proteins such as transcription factors. Recent variations on the standard protocol include using endonuclease digestion instead of sonication (ChIP–exo) to increase the resolution of binding-site detection and to eliminate contaminating DNA, and DNA amplification after ChIP for samples with limited cells. b | ChIP–seq for histone modifications uses micrococcal nuclease (MNase) digestion to fragment DNA and can also now be run on low-quantity samples when combined with the additional post-ChIP amplification. c | DNase–seq relies on digestion by the DNaseI nuclease to identify regions of nucleosome-depleted open chromatin where there are binding sites for all types of factors, but it cannot identify what specific factors are bound. d | Formaldehyde-assisted identification of regulatory elements (FAIRE–seq) similarly identifies nucleosome-depleted regions by extracting fragmented DNA that is not crosslinked to nucleosomes. LinDA, single-tube linear DNA amplification; T7, T7 phage RNA polymerase.【图片来源:Furey, Terrence S . ChIP–seq and beyond: new and improved methodologies to detect and characterize protein–DNA interactions[J]. Nature Reviews Genetics, 2012, 13(12):840-852.】

(杨振平编辑;转导生物完善)

聚生物技术词条修善计划

对现在的词条不满意?或者您有关于该技术的独特见解,最新发展资讯?都可以投稿给聚生物。一经采用,您对该词条的贡献将被聚生物所有用户所看到。

投稿参加技术词条修善计划

我们诚邀对该技术有深入理解的技术人员帮助我们完善该技术介绍内容

评论:

1 条评论,访客:1 条,官方:0 条
  1. ght
    ght发布于: 

    基因表达调控研究中主要实验技术有哪些

发表评论