CHIP-seq

CHIP-seq

ChIP-seq,指的是結合位點分析法,作用為研究體內蛋白質與DNA相互作用。染色質免疫共沉澱技術(Chromatin Immunoprecipitation,ChIP)也稱結合位點分析法,是研究體內蛋白質與DNA相互作用的有力工具,通常用於轉錄因子結合位點或組蛋白特異性修飾位點的研究。 將ChIP與第二代測序技術相結合的ChIP-Seq技術,能夠高效地在全基因組範圍內檢測與組蛋白、轉錄因子等互作的DNA區段。ChIP-Seq的原理是:首先通過染色質免疫共沉澱技術(ChIP)特異性地富集目的蛋白結合的DNA片段,並對其進行純化與文庫構建;然後對富集得到的DNA片段進行高通量測序。研究人員通過將獲得的數百萬條序列標籤精確定位到基因組上,從而獲得全基因組範圍內與組蛋白、轉錄因子等互作的DNA區段信息。

技術路線

實驗流程

(1)甲醛交聯整個細胞系(組織),即將目標蛋白與染色質連結起來;

(2)分離基因組DNA,並用超音波將其打斷成一定長度的小片段;

(3)添加與目標蛋白質特異的抗體,該抗體與目標蛋白形成免疫沉澱免疫結合複合體;

(4)去交聯,純化DNA即得到染色質免疫沉澱的DNA樣本,準備測序;

(5)將準備好的樣本進行深度測序。

實驗流程示意圖 實驗流程示意圖

生物信息分析流程

(1)將測序得到的短序列片段匹配到參考基因組序列上。

(2)有一部分短序列不能匹配到參考基因組上,有可能是未知的基因組序列;另一部分是能夠匹配到基因組上的短序列,通常要對這些短序列進行覆蓋度計算。

(3)從匹配到基因組上的短序列中進行富集區域的掃描。通常掃描到的富集區即被認為是蛋白質與DNA相互結合的區域(也有假陽性位點等的影響)。

(4)對掃描到的富集區做深度分析,包括基因,GO注釋,利用基因瀏覽器進行可視化瀏覽,研究與基因結構的關係等。

生物信息分析流程示意圖 生物信息分析流程示意圖

研究內容

測序

對客戶提供的ChIP樣品(如果有陰陽參啟動子區域或DNA序列的)進行定量檢測,檢測合格後進行測序文庫構建、DNA成簇(Cluster generation)擴增、高通量測序。

基本數據分析

數據產出統計:對測序結果進行圖像識別(Base calling),去除污染及接頭序列;統計結果包括:測定的序列(Reads)長度、Reads數量、數據產量。

高級數據分析

標準高級數據分析內容包括:

(1)ChIP-Seq序列與參考序列比對;

(2)Peak calling:統計樣品Peak信息(峰檢測及計數、平均峰長度、峰長中位數);

(3)統計樣品Uniquely mapped reads在基因上、基因間區的分布情況及覆蓋深度;

(4)給出每個樣品Peak關聯基因列表及GO功能注釋;

(5)在多個樣品間,對與Peak關聯基因做差異分析。

技術特點

技術特點 技術特點

套用領域

由於ChIP-Seq的數據是DNA測序的結果,為研究者提供了進一步深度挖掘生物信息的資源,研究者可以在以下幾方面展開研究:

(1)判斷DNA鏈的某一特定位置會出現何種組蛋白修飾;

(2)檢測RNA polymerase II及其它反式因子在基因組上結合位點的精確定位;

(3)研究組蛋白共價修飾與基因表達的關係;

(4)CTCF轉錄因子研究。

案例分析

ChIP-Seq案例研究

Ellen Markljung等利用ChIP-Seq技術,發現:家豬IGF2基因(編碼Insulin-like growth factor 2)第三內含子單鹼基G→A的替換,導致抑制因子ZBED6在該基因上結合位點的喪失,從而使IGF2在骨骼肌中上調錶達(表達量是正常情況的3倍),這一突變主要影響肌肉生長(提高了骨骼肌的數量,因此豬肉產量提高了3~4%)、心臟增大和脂肪沉積。

ZBED6基因與ZBED6蛋白

ZBED6基因:是失去轉座功能的轉座子,在所有哺乳動物中位於ZC3H11A基因第一內含子中;該基因在小鼠、大鼠、人、猩猩、狗、馬、家豬中高度保守。Real-time-PCR分析顯示,小鼠Zbed6 mRNA在腦、心臟、腎臟、肝臟、肺、肌肉、卵巢、脾、尾和睪丸組織有不同程度地表達。

ZBED6蛋白是首次報導。ZBED6蛋白含有2個BED結構域和1個hATC二聚結構域;第61~80位和第231~248位胺基酸殘基是2個細胞核定位信號(富Lys-Arg區段,KKKRKKGLRIKGKRRRKKLI)。該蛋白在哺乳動物中高度保守,尤其是DNA結合BED結構域,在26個物種中(包括家豬)顯示出~100%相似性。

ZBED6蛋白作為抑制因子調控基因表達的方式

用siRNA將小鼠C2C12成肌細胞中的Zbed6基因沉默後的相關實驗結果,證實了ZBED6蛋白作為抑制因子是通過與位於Igf2基因第三內含子中的QTN(Quantitative trait nucleotide)位點結合來抑制Igf2基因的表達。當Zbed6基因沉默後,Igf2基因的表達量升高、細胞增殖(肌管形成)加快、創傷癒合加快。

為了研究ZBED6蛋白作用靶點(Igf2基因及其下游基因),作者採用ChIP-Seq技術對小鼠C2C12成肌細胞進行分析。AB SOLiD測序得到:

①24million reads(比對到小鼠基因組上),2,499 Peaks;大多數峰(Peaks)集中在Igf2基因內含子中的QTN位點,即,QTN位點是ZBED6蛋白在基因組上的主要結合位點(圖1)。

②GO注釋分析發現,ZBED6蛋白的1200個作用靶點起著發育、轉錄調控、細胞分化等作用(圖2)。其中,262個靶基因編碼轉錄因子,36個含有Homeobox結構域,26個屬於bHLH(basic helix-loop-helix)家族,10個屬於FOX家族,8個細胞核受體,7個屬於SOX家族(圖3)。

綜上所述,IGF2基因突變的家豬和Zbed6基因沉默的小鼠C2C12成肌細胞的表型效應、高度的序列保守、核定位、廣泛的組織分布、許多靶基因有重要的生物學功能,這一系列現象說明:在哺乳動物中,ZBED6是一個重要的轉錄因子,影響著發育、細胞增殖和生長。

圖1 圖1

圖1 小鼠C2C12細胞ChIP-Seq結果(A)Igf2基因內含子QTN位點ChIP-Seq Peak分布

圖2 圖2

圖2 小鼠C2C12細胞ChIP-Seq結果(E)Gene Ontology分類

圖3 圖3

圖3 小鼠C2C12細胞ChIP-Seq結果(F)ZBED6蛋白結合的轉錄因子家族

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