CUT&RUNの概要
クロマチンにおけるタンパク質-DNA相互作用を少ない細胞数で解析可能な、ChIP-qPCRやChIP-seqに代わるCUT&RUNを紹介します。
CUT&RUNとは
クロマチン免疫沈降 (ChIP) やChIP-seqといったタンパク質-DNA相互作用をマッピングする技術が開発されたことで、エピジェネティックな制御の異常が様々な疾患の原因となることが分かってきました。CUT&RUN (Cleavage Under Target & Release Using Nuclease) は、クロマチンのプロファイリングに利用できる新技術です。
原理
CUT&RUNは、in vivoで標的に特異的な一次抗体とProtein A-Protein G-Micrococcal Nuclease (pAG-MNase) を用いて特定のタンパク質-DNA複合体を分離します1,2,3。この手法により、細胞から目的のDNAをわずか1-2日で回収でき、自動化によりスループットと再現性を最大限に高めることも可能です4。
Drosophila Spike-inを用いた正規化戦略を含むCUT&RUNワークフロー
目的のタンパク質とDNAの複合体を得るために、はじめに細胞をコンカナバリンAでコーティングした磁気ビーズに結合させます。これによって細胞の取り扱いを簡便化し、後の洗浄操作での脱落を最小限に抑えます。細胞膜をジギトニンで透過化処理して一次抗体の核への進入を促進し、目的のヒストン、転写因子あるいはコファクターに結合させます。次に、pAG-MNase融合タンパク質のpAGドメインが一次抗体の重鎖に結合し、目的のクロマチン領域に酵素を配置します。Ca2+を加えることでpAG-MNaseが活性化され、DNAの消化が起こります。これによって切り出されたクロマチン複合体はゲノムクロマチンから解離して核外に拡散します。こうしてサンプルの上清に拡散したDNAをスピンカラム、あるいはフェノール/クロロホルム抽出とエタノール沈殿で回収します。
精製、濃縮されたDNAはqPCRによる同定や定量、あるいはライブラリーを構築して次世代シーケンサー (NGS) による全ゲノム解析に用いることができます。
CUT&RUNにおける正規化
反応中に得られるシグナルを正規化するには、CUT&RUNアッセイの定量性を高める2つのSpike-in戦略のいずれかを選択してください。両方を採用する必要はありません。
- 下流ステップの正規化を行う場合は、MNaseによる消化ステップの後にYeast Spike-in DNAを加えてください。<br/>
- ワークフロー全体の正規化 (上図) を行う場合は、実験開始時にDrosophila核Spike-inを加え、その後、一次抗体インキュベーションステップで対応するH2Av抗体を加えてください。
どちらのSpike-in法も、同一のタンパク質を標的としたサンプル間のシグナルを比較する (例えば、複数のサンプル間でH3K27me3のレベルを比較する) ように設計されていることに注意してください。これらは、Ezh2サンプルのシグナルをH3K27me3サンプルのシグナルと比較するなど、異なる標的間の定量的な比較を行うためのものではありません。これらのSpike-in戦略の詳細については、関連ブログをご覧ください。
実験に適したCUT&RUN正規化コントロールの選び方
CSTは、お客様の正規化要件に対応できるように、2種類のCUT&RUNキットを提供しています。
キット | ||
コントロールの組成 | Drosophila核Spike-inおよび抗体 | Yeast Spike-in DNA |
カバーするワークフロー | 細胞処理 (透過化、抗体結合、クロマチン断片化)、DNA精製、ライブラリー調製、シーケンシング | DNA精製、ライブラリー調製、シーケンシング |
正規化の目的 | ライブラリー調製およびシーケンシングにおけるバイアス | アッセイ全体にわたる技術的なばらつき |
使用例 | 薬剤による撹乱試験、ゲノム全体にわたる微細なクロマチン変化、複数バッチ間の比較、実験開始時のサンプル量が異なる実験だけでなく、ライブラリー調製やシーケンシングにおけるばらつき | 主にライブラリー調製およびシーケンシングにおけるバイアスやばらつきに着目した、部分的な比較評価および実験 |
Drosophila Spike-inを用いた正規化により薬物反応データの信頼性が向上<br/>
以下の実験結果は、Drosophila Spike-inを用いた正規化戦略により、得られたヒストン修飾の全体的な変化が技術的なばらつきではなく、真の生物学的反応の違いを表しているという信頼性が高まることを示しています。正規化されたデータでは、Tazemetostat処理サンプルはEZH2阻害と一致してH3K27me3シグナルが低下している一方で、H3K4me3シグナルは同等のレベルを維持しています。
Drosophila Spike-inコントロールを用いた段階希釈した細胞サンプルにおけるシグナルの正確な正規化<br/>
Drosophila Spike‑inを用いた正規化により、CUT&RUNシグナル強度は開始細胞数に適切に比例します。以下の細胞の段階希釈実験では、正規化によりHOXA遺伝子座全体にわたるH3K27me3濃縮の正確な比較が可能になり、得られたシグナル強度の違いが技術的なばらつきではなくインプット量依存的な真の変化を反映しているという信頼性が高まることを示しています。
断片化Yeast DNAを用いたqPCRデータの正規化
Yeast Spike-in DNAを用いて正規化することにより、特定の実験内のサンプル間、または同じタンパク質を解析する異なる実験間での実験的再現性が得られます。
CUT&RUNの利点
いずれのCST CUT&RUNキットにも以下の利点があります。
短時間でデータ取得が可能 | わずか1-2日で細胞から目的のDNAが取得可能 |
改良プロトコール | プロトコールを最適化することにより、存在量の少ない、あるいは結合の弱い転写因子やコファクターの濃縮も可能 |
少量のサンプルで解析可能 | 推奨必要細胞数は100,000個ですが、ヒストン修飾の解析では5,000-10,000個、転写因子およびコファクターの解析では10,000-20,000個の細胞数での実験も検証済み |
固定細胞に適合 | 細胞を無傷のまま軽く固定することにより、細胞シグナル伝達の保存と巨大複合体の構成因子の濃縮の促進が可能 |
固定組織または新鮮組織を使用可能 | 検証済みの最適化された組織用プロトコールを用いることで、ChIPの約1/20以下のサンプルから信頼性の高いデータを取得可能 |
初代細胞を用いたタンパク質-DNA相互作用の研究が可能 | CUT&RUNは、微量サンプルの解析が可能であり、初代細胞の解析にも適合 |
低深度のシーケンシング = シーケンシングコストを低減可能) | アッセイ時のバックグラウンドが低いため、1サンプルあたりに必要な高品質リードはわすか300万-500万リード |
In vivo法 | 未変性クロマチンを用いたアッセイのため、クロスリンクによるアーチファクトを排除可能 |
多様な抗体に対応 | ラビット抗体およびマウス抗体が利用可能 |
多様な標的に対応 | ヒストンやヒストン修飾、転写因子、コファクターのqPCRデータやシーケンシングデータが取得可能 |
改良プロトコールでより良いデータを取得可能<br/>
CST® CUT&RUNプロトコールにはデータの質を高める改良が加えられており、いずれのCUT&RUNアッセイキットもより幅広いサンプルタイプでの使用が検証されています。例えば、バックグラウンドを大幅に高めることなく目的のクロマチン断片を回収するために、DNA消化を0°Cではなく4°Cで行うことを推奨しています。これにより、特に転写因子やコファクターを対象としたqPCRやNG-seqデータの質が向上します。
1/5-1/20量のサンプルで実験時間を短縮
可能であれば、各CUT&RUNアッセイ1回につき100,000個の細胞を使用することを推奨します。しかし、CSTはこれが常に可能とは限らないことを認識しており、標的の種類によっては、いずれのCUT&RUNキットもわずか5,000-20,000個の細胞で実施可能であることが検証済みです。
ヒストン (標的の多様性)
100,000個、10,000個または5,000個の細胞に対してCUT&RUN Assay Kit# 86652を用いてヒストンの解析を行った場合に、いずれの細胞数においても同様の結合パターンがみられました。
転写因子 (標的の多様性)
100,000個、20,000個または10,000個の細胞に対してCUT&RUN Assay Kit #86652を用いて転写因子の解析を行った場合に、いずれの細胞数においても同様の結合パターンがみられました。
コファクター (標的の多様性)
100,000個、20,000個または10,000個の細胞に対してCUT&RUN Assay Kit#86652を用いてコファクターの解析を行った場合に、いずれの細胞数においても同様の結合パターンがみられました。
組織サンプルにおけるタンパク質-DNA相互作用の確実な解析
組織のように限られたサンプルでクロマチンのプロファイリングを行う場合、多くのサンプルを必要とするChIP実験の実施は困難です。CUT&RUNでは、培養細胞だけでなく組織サンプルも節約できます。組織にもよりますが、ChIPアッセイには25-50 mgの組織サンプルが必要です。しかし、CSTのCUT&RUNキットに必要な組織サンプルはわずか1-2.5 mgです。
検証済みのプロトコールであれば、CSTのCUT&RUNキットを用いたタンパク質-DNA相互作用解析で、サンプル量が約1/20以下であっても信頼性の高いデータが得られます。
心臓組織 - ヒストンと転写因子<br/>
弊社のCUT&RUNキットを用いたH3K4me3とMITFのタンパク質-DNA相互作用解析に必要な心臓組織は、わずか1 mgでした。
脳組織 - ヒストンと転写因子<br/>
弊社のCUT&RUNキットを用いたH3K4me3とBrn2/POU3F2のタンパク質-DNA相互作用解析に必要な脳組織は、わずか1 mgでした。
肝臓組織 - ヒストンと転写因子<br/>
弊社のCUT&RUNキットを用いたH3K4me3とグルココルチコイド受容体のタンパク質-DNA相互作用解析に必要な肝臓組織は、わずか1 mgでした。
肝臓組織 - コファクター<br/>
弊社のCUT&RUNキットを用いたSUZ12とRING1Bのタンパク質-DNA相互作用解析に必要な肝臓組織は、わずか2.5 mgでした。
初代培養細胞におけるクロマチンのプロファイリング<br/>
CSTのCUT&RUNキットは、必要細胞数を大幅に削減し、初代細胞でのタンパク質-DNA相互作用研究を可能にします。細胞数の問題で、希望するサンプルタイプの解析を諦める必要はありません。
シーケンシングコストの低減<br/>
バックグラウンドが低いため、低深度のシーケンシングでもゲノムのバックグラウンドノイズとシグナルを区別できます。また、シーケンシングデータを得るのに必要な高品質リードの数はわずか300万-500万で、シーケンシングコストを大幅に低減できます。さらに、バックグラウンドが低いため、シグナルの弱いゲノム特性のプロファイルも作成できます。
「クロスリンクアーチファクト」の回避<br/>
CUT&RUNは、未変性クロマチンで機能するため、「クロスリンクアーティファクト」を引き起こすクロスリンクや免疫沈降を必要としません。
多様な抗体に対応<br/>
pAG-MNaseはマウス抗体とラビット抗体の両方に結合するため、非常に多くの抗体をCUT&RUNアッセイに用いることができます。
ラビット抗体
マウス抗体
CUT&RUN関連製品
CSTは、研究の一環として、遺伝子発現制御やクロマチンリモデリングの解明に取り組み始めたばかりの方からエピジェネティクスの専門家まで、あらゆるお客様にご利用いただけるCUT&RUNアッセイ製品を提供しています。お客様ご自身で別途ご用意いただく必要があるのは、標的タンパク質に対する一次抗体のみです。CSTは、ご希望のSpike-inコントロールを簡単に注文できるように2種類のCUT&RUNキットを提供しています。各キットには、必要なバッファーと試薬がすべて入っており、詳細なプロトコールも同梱されています。または、必要な試薬のみを個別にご注文いただくことも可能です。これらの製品は、すべてCST社内で検証されており、お客様の期待通りの高品質な試薬とデータを提供します。
カタログ番号 | 製品 |
|---|---|
CUT&RUN Assay Kit (with Drosophila Spike-In Control) | |
| 86652 | CUT&RUN Assay Kit |
| 40366 | CUT&RUN pAG-MNase and Yeast Spike-in DNA |
| 14209 | DNA Purification Buffers and Spin Columns (ChIP, CUT&RUN, CUT&Tag) |
| 88989 | SimpleChIP® Universal qPCR Master Mix |
| 56795 | DNA Library Prep Kit for Illumina Systems (ChIP-seq, CUT&RUN) |
| 47538 | Multiplex Oligos for Illumina Systems (Dual Index Primers) (ChIP-seq, CUT&RUN) |
| 29580 | Multiplex Oligos for Illumina Systems (Single Index Primers) (ChIP-seq, CUT&RUN) |
| 66362 | Rabbit (DA1E) Monoclonal Antibody IgG Isotype Control (CUT&RUN) |
| 93569 | Concanavalin A Magnetic Beads and Activation Buffer |
| 16359 | Digitonin Solution |
| 27287 | 100X Spermidine |
| 7012 | Protease Inhibitor Cocktail (200X) |
| 7013 | RNAse A (10 mg/mL) |
| 10012 | Proteinase K (20 mg/mL) |
| 31415 | CUT&RUN 10X Wash Buffer (CUT&RUN, CUT&Tag) |
| 15338 | Antibody Binding Buffer (CUT&RUN, CUT&Tag) |
| 48105 | CUT&RUN 4X Stop Buffer |
| 42015 | CUT&RUN DNA Extraction Buffer |
| 20533 | 10% SDS Solution |
| 7005 | Glycine Solution (10X) |
| 12606 | 16% Formaldehyde, Methanol-Free |
| 9872 | Phosphate Buffered Saline (PBS-1X) pH7.2 (Sterile) |
参考文献
- Skene PJ, et al. Targeted in situ genome-wide profiling with high efficiency for low cell numbers. (2018) Nat. Protoc 13(5), 1006-1019. Pubmed 29651053
- Meers MP, et al. Improved CUT&RUN chromatin profiling and analysis tools. (2019) BioRxiv 1, 569129. bioRxiv 569129
- Skene PJ, and Henikoff S. An efficient targeted nuclease strategy for high-resolution mapping of DNA binding sites. (2017) Elife 6, e21865. Pubmed 28079019
- Janssens DH, et al. Automated in situ chromatin profiling efficiently resolves cell types and gene regulatory programs. (2018) Epigenetics Chromatin 22(1), 74. Pubmed 30577869
- Egan, B. et al. An Alternative Approach to ChIP-Seq Normalization Enables Detection of Genome-Wide Changes in Histone H3 Lysine 27 Trimethylation upon EZH2 Inhibition. (2016) PLoS ONE 11, e0166438
- Taruttis, F. et al. External calibration with Drosophila whole-cell spike-ins delivers absolute mRNA fold changes from human RNA-Seq and qPCR data. (2017) Biotechniques 62, 53-61 Pubmed 28193148
米国特許番号11,733,248、その外国特許、およびそれらから派生する子特許の対象です。
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米国特許番号7,429,487、その外国特許、およびそれらから派生する子特許の対象です。
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