מיצוי נוגדני של כרומטין

מיצוי נוגדני של כרומטין (באנגלית: Chromatin Immunoprecipitation‏; בראשי תיבות: ChIP) הוא שיטה הבוחנת אינטראקציות בין חלבונים לחומצות גרעין בתאים, באמצעות הליך הנקרא מיצוי נוגדני. מטרת השיטה היא לזהות חלבונים מסוימים הבאים במגע עם אתרים מסוימים בגנום של התא, כגון פקטורי שעתוק הבאים במגע עם פרומוטורים או אתרי קישור DNA אחרים, והגדרה של ציסטרומים (cistromes)‏ . כמו כן מיצוי נוגדני של כרומטין משמש לזיהוי אתרים ספציפיים בגנום שבהם בוצעו עריכות היסטונים (histone remodeling), ולזיהוי אתרי המטרה של חלבונים עורכי היסטונים. בקצרה, השיטה מתבצעת כדלהלן: חלבונים וכרומטין נמצאים בקישור זמני במיצוי תאים, גדילי הDNA נחתכים ותלכיד החלבון – DNA הקשורים לחלבונים ספציפיים מושקעים על ידי שימוש בנוגדנים ספציפיים להם, גדילי DNA אלו מנוקים ונבדקים ולעיתים מרוצפים. ניתן להסיק שרצפי DNA אלו באים במגע עם החלבון הנבדק בתוך התא (in vivo). ישנן שתי שיטות עיקריות של מיצוי נוגדני של כרומטין, והשלב השונה ביניהן הוא הכנת מיצוי התאים וצורת חיתוך גדילי ה-DNA. הראשונה משתמשת בטכניקת הצלבה הפיכה וחיתוך גדילי ה-DNA באמצעות סוניקציה ונקראת מיצוי נוגדני של כרומטין בקיבוע צולב (XChIP), בעוד השיטה השנייה אינה מבצעת הצלבה ובה חיתוך ה-DNA מבוצע באמצעות אנזימים המעכלים DNA המופקים מחיידקי המיקרוקוקוס. מיצוי נוגדני של כרומטין בקיבוע צולב היא שיטה למפות אתרי קישור של פקטורי שעתוק, וחלבונים קושרי כרומטין אחרים על גבי ה-DNA. חומרי המוצא שלו הוא מיצוי תאים שעבר קיבוע הצלבה הפיך. קיבוע זה נעשה באמצעות פורמלדהיד או קרינה אולטרה סגולית (UV). מצוי תאים עובר תהליך של קיבוע הצלבה הפיכה באחת השיטות המוזכרות לעיל. לאחר קיבוע ההצלבה גדילי ה-DNA מפורקים בדרך כלל על ידי סוניקציה, תהליך המותיר מקטעים באורך של בין 300–1000 בסיסים חנקניים. מקטעים באורכים של בין 400–500 בסיסים מתאימים ביותר לזיהוי מוטיבים של קישור מאחר שהם באורך קורלטיבי למספר נוקלאוזומים בודד ומאפשרים הסקה של קישור על פי מבנה מרחבי. שאר מיצוי התא מופרד מהתמיסה בהשקעה, ותלכידי חלבון-DNA מושקעים בהשקעה באמצעות נוגדנים ספציפיים לחלבון הנבדק. נוגדנים אלו בדרך כלל מחוברים לחומר המאפשר הפרדה פשוטה, כגון : אגרוז, ספרוז או חלקיקים מגנטיים. התלכידים הנוגדניים המושקעים (כלומר, החלקיק-הנוגדן-חלבון המטרה-ה-DNA) נאספים ונשטפים על מנת להפריד כרומטין שנקשר בצורה לא ספציפית. תלכידים אלו מעוכלים בפרוטאז K, על מנת לשחרר את ה-DNA להמשך אבחון. גרסאות מתויגות של החלבון הנבדק או ביוטינילציה של החלבון יכולים לשמש במקום נוגדנים ספציפיים לחלבון ולאפשר להפרידו ביעילות גבוהה ובעלות נמוכה משעולה לייצר נוגדן חד שבטי. ניתן לזהות את גדיל ה-DNA שהופרד מהתלכיד במספר שיטות, כגון: ריאקציית PCR, שבב, ריצוף מולקולרי, ריצוף מהיר-עיבוד. שיטה זו בעיקר משמשת למיפוי אתרי מטרה של חלבונים עורכי היסטונים. חומר המוצא הוא מיצוי תאים טבעי ללא טיפולים. ה-DNA במצבו הטבעי מלופף סביב ההיסטונים ליצירת הנוקלאוזומים. חותכים את ה-DNA באמצעות אנזימים המעכלים DNA המופקים מחיידקי המיקרוקוקוס, אשר חותכים DNA בין הנוקלאוזומים ומשאירים את הנוקלוזומים שלמים, מקטעי ה-DNA נעים באורכם בין 200 בסיסים (נוקלאוזום בודד), עד לכ-1000 בסיסים (חמישה נוקלאוזומים). שאר הטכניקה זהה לזו המתוארת במיצוי הכרומטין בקיבוע הצולב (XChIP), בנוגע לניקוי, מיצוי, הפקה ואנליזה של DNA מופרד. היתרון העיקרי בתנאים טבעיים הוא ספציפיות הנוגדנים. הנוגדנים החד שבטיים בהם נעשה שימוש מתוכננים לזהות רצפים חלבוניים סינתטיים קצרים, ולאחר קיבוע צולב בפורמלין תיתכן פגיעה במבנה החלבון ואתרי המטרה של נוגדנים אלו. אתרי המטרה פגיעים במיוחד לשינויים בחומצת האמינו ליזין בקצה החנקני. עובדה זו מסבירה את היעילות הנמוכה של מיצוי נוגדנים בקיבוע צולב לעומת בתנאים טבעיים. אך המטרות של שתי השיטות הן שונות כך שהיתרונות של שיטה אחת על האחרת הם יחסיים. קיבוע צולב משמש לזיהוי אתרי פעילות של פקטורי שעתוק וחלבונים קושרי כרומטין אחרים, בעוד מיצוי בתנאים טבעיים בוחן עריכות להיסטונים. בשנת 1984 ג'ון ליס (John T. Lis) וחוקר במעבדתו דוד גילמור (David Gilmour), השתמשו בקרינה אולטרה סגולית על מנת לעשות קיבוע צולב של חלבונים ל-DNA בתאי חיידקים חיים. לאחר מיצוי תכולת התאים הם השקיעו באמצעות נוגדנים כנגד RNA פולימראז חיידקי, את ה-DNA שהושקע הם בדקו עם גלאים לאזורים שונים בגנום החיידק כדי לזהות פיזור וצפיפות של RNA פולימראז באזורי הגנים השונים. ב-1985 הם השתמשו באותה השיטה רק הפעם לבדיקת RNA פולימראז 2 באוקריוים בתאי זבוב הפירות, ובדיקה של גלאים של גני עקת חום. עבודות אלו מוגדרות כפריצות הדרך של עבודה עם מיצוי נוגדני של כרומטין. מיצוי נוגדני של כרומטין בקיבוע צולב שופר ופותח על ידי אלכסנדר ורשבסקי (Alexander Varshavsky) ושותפים, שבדקו את הנוכחות של היסטון H4 על גני עקת חום, במקום להשתמש בקרינה אולטרה סגולית הם השתמשו בפורמלדהיד על מנת לקבע. טכניקות אלו שופרו ופותחו מאוד מאז. מיצוי נוגדני של כרומטין בתנאים טבעיים (NChIP) תואר לראשונה על ידי מעבדתו של הביס (Hebbes) ב-1988, וגם שיטה זו פותח ושופרה רבות לשימוש נפוץ. שיטת המיצוי המקורית לוקחת כ 4–5 ימים ודורשת כ106- 107 תאים. שיטות חדשות מאפשרות לבצע את התהליך תוך יום אחד ודורשות הרבה פחות תאים כ-100–1000. שיטה זו יכולה להיות יעילה גם בשימוש של רק כ-100 תאים, על ידי הוספה של תאי זבוב פירות (Drosophila) ככרומטין נשא, ובכך להפחית את אובדן הכרומטין הנבדק בהשקעה, על ידי הטיית שיווי המשקל של ההשקעה. אך כמובן הוא דורש גלאים ספציפיים שיוכלו לזהות את הDNA הנבדק על גבי הרקע של הכרומטין הנשא, שיטה זו לוקחת כיומיים שלושה. שיטה זו מאיצה את התהליך על ידי האצה של שני שלבים במהלך המיצוי : 1. אמבט אולטראסוני מאיץ את תהליך הקשירה של הנוגדנים לחלבוני המטרה ובכך מאיץ את תהליך ההשקעה. 2. פרוטוקול מבוסס שרף (Chelex-100) להפרדת DNA מקצר את הפקת הDNA והיפוך הקיבוע הצולב. הניצולת של תהליך זה אינה גבוהה ולכן צריך תמצית תאים המופקת מכמות תאים רבה (כ106~ 107). ניתן לייצר באמצעות שיטה זו עד 24 מקטעי DNA מוכנים לPCR בתוך 5 שעות, שיטה זו מאפשרת בדיקה של פעילות מספר פקטורי שעתוק בו זמנית ולהסתכל על שינויים באוכלוסיות תאים לאורך זמן. שיטה זו משתמשת בחומר מוצא מיצוי של 105 תאים, ומאפשרת בדיקה של 1000 היסטונים או 100 פקטורי שעתוק. בשיטה זו דוגמאות כרומטין רבות יכולות להיות מוכנות במקביל ולהיבדק במקביל. אורך הבדיקה הוא כיום . שיטה זו בדרך כלל משתמשת במיצוי מכ-1000 תאים, ומאפשרת לבצע 8 תהליכי מיצוי ללא שימוש בנשא. שיטה זה יכולה להיעשות גם ממיצוי 100 תאים בלבד אך תהליך מיצוי בודד. כמו כן ניתן להשתמש ברקמת ביופסיה של 1 ממ3 . שיטה זו מבוצעת תוך יום אחד. שיטה זו מאפשרת רמה גבוהה יותר של עיבוד ומפשטת את התהליך, כל תהליך מבוצע במיקרו-פלטה ומאפשר את הפוטנציאל של אוטומציה. בתהליך זה ניתן לעשות 96 מיצויים במקביל, וכל התהליך לוקח יום בודד. מיצוי נוגדני של כרומטין נעשה גם על גנום שלם באמצעות טכנולוגיית "מיצוי נוגדני של כרומטין על שבב" (ChIP-on-chip) או טכנולוגיית ריצוף DNA חדשניות (Chip-Sequencing). כמו כן ניתן לשלב שיטה זו עם טכניקת "ריצוף קצוות מזווגים מתויגים" (paired end tags sequencing) בשיטה הנקראת "בחינת אינטראקציות כרומטין באמצעות ריצוף קצוות מזווגים" Chromatin Interaction Analysis using Paired End Tag sequencing (ChIA-PET), שיטה שנועדה לבחינה של אינטראקציות של כרומטין במבנה מרחבי של יצורים אוקריוטים. בדיקה רחבת טווח באמצעות מיצוי נוגדני של כרומטין היא מאתגרת. מאחר שצריך ליצור נוגדן ספציפי לכל פקטור שעתוק, או אורגניזם מהונדס המכיל פקטורי שעתוק מתויגים. חקר דוגמאות ביטוי בשיטה זו מהווה בעיה מאחר שישנם שינויים בביטוי בתאים מסוימים בתנאים שונים לחלונות זמן מאוד קטנים. שיטות אלו מתקשות בהבדלה בין איזופומים שונים של פקטורי שעתוק. RIP-Chip שיטה דומה המנתחת אינטראקציות בין חלבונים ל-RNA DamID שיטה חלופית שאינה דורשת ייצור של נוגדנים ספציפיים ChIP-exo שיטה המוסיפה נוקלאזות לתהליך ומקטינה את תוצרי ההפקה למקטעים הקושרים. ChIP-on-chip שילוב של שיטת המיצוי עם טכנולוגיית המעבדה על שבב. ChIP-seq FISH - עוד שיטה לצביעת RNA מדיה וקבצים בנושא מיצוי נוגדני של כרומטין בוויקישיתוף ציסטרומים מוגדרים כקבוצת אתרי המטרה על אותו רצף ה-DNA (אתרים הנמצאים ב-cis) של פקטורים הנקשרים ל-DNA. Liu, Tao.; Ortiz, Jorge A. (2011). "Cistrome: an integrative platform for transcriptional regulation studies". Genome Biology. 12 (8): R83. PMID 21859476. Collas, Philippe. (בינואר 2010). "The Current State of Chromatin Immunoprecipitation". Molecular Biotechnology. 45 (1): 87–100. doi:10.1007/s12033-009-9239-8. PMID 20077036. {{cite journal}}: (עזרה) Jackson, Vaughn (בנובמבר 1978). "Studies on histone organization in the nucleosome using formaldehyde as a reversible cross-linking agent". Cell. 15 (3): 945–54. doi:10.1016/0092-8674(78)90278-7. PMID 569554. נבדק ב-2010-03-13. {{cite journal}}: (עזרה) Gilmour DS, Lis JT (באוגוסט 1985). "In vivo interactions of RNA polymerase II with genes of Drosophila melanogaster". Molecular and Cellular Biology. 5 (8): 2009–18. PMC 366919. PMID 3018544. נבדק ב-2010-03-13. {{cite journal}}: (עזרה) Viens A et al. "Use of protein biotinylation in vivo for chromatin immunoprecipitation" (2004) Analytical Biochemistry 325(1):68-76 [1] Detecting protein-DNA interactions ... [Proc Natl Acad Sci U S A. 1984] - PubMed - NCBI In vivo interactions of RNA polymerase II with... [Mol Cell Biol. 1985] - PubMed - NCBI Varshavsky A (בדצמבר 2008). "Discovery of cellular regulation by protein degradation". Journal of Biological Chemistry. 283 (50): 34469–89. doi:10.1074/jbc.X800009200. PMID 18708349. אורכב מ-המקור ב-2020-06-09. נבדק ב-2010-03-06. {{cite journal}}: (עזרה) Solomon, Mark J; Larsen Pamela L; Varshavsky, Alexander. (ביוני 1988). "Mapping protein-DNA interactions in vivo with formaldehyde: evidence that histone H4 is retained on a highly transcribed gene". Cell. 53 (6): 937–47. doi:10.1016/S0092-8674(88)90469-2. PMID 2454748. נבדק ב-2010-03-06. {{cite journal}}: (עזרה)תחזוקה - ציטוט: multiple names: authors list (link) Orlando V (במרץ 2000). "Mapping chromosomal proteins in vivo by formaldehyde-crosslinked-chromatin immunoprecipitation". Trends in Biochemical Sciences. 25 (3): 99–104. doi:10.1016/S0968-0004(99)01535-2. PMID 10694875. נבדק ב-2010-03-14. {{cite journal}}: (עזרה) Hebbes, Tim R; Thorne, Alan W; Crane-Robinson C. (במאי 1988). "A direct link between core histone acetylation and transcriptionally active chromatin". The EMBO Journal. 7 (5): 1395–402. PMC 458389. PMID 3409869. {{cite journal}}: (עזרה)תחזוקה - ציטוט: multiple names: authors list (link) O'Neill, Laura P; Turner, Bryan M (בספטמבר 2003). "Immunoprecipitation of native chromatin: NChIP". Methods (San Diego, Calif.). 31 (1): 76–82. doi:10.1016/S1046-2023(03)00090-2. PMID 12893176. נבדק ב-2010-03-14. {{cite journal}}: (עזרה)תחזוקה - ציטוט: multiple names: authors list (link) O'Neill, Laura P; VerMilyea, Matthew D; Turner, Bryan M (ביולי 2006). "Epigenetic characterization of the early embryo with a chromatin immunoprecipitation protocol applicable to small cell populations". Nature Genetics. 38 (7): 835–41. doi:10.1038/ng1820. PMID 16767102. {{cite journal}}: (עזרה)תחזוקה - ציטוט: multiple names: authors list (link) Nelson, Joel D; Denisenko, Oleg; Sova, Pavel; Bomsztyk, Karol (2006). "Fast chromatin immunoprecipitation assay". Nucleic Acids Research. 34 (1): e2. doi:10.1093/nar/gnj004. PMC 1325209. PMID 16397291.{{cite journal}}: תחזוקה - ציטוט: multiple names: authors list (link) Nelson, Joel D; Denisenko, Oleg; Bomsztyk, Karol (2006). "Protocol for the fast chromatin immunoprecipitation (ChIP) method". Nature Protocols. 1 (1): 179–85. doi:10.1038/nprot.2006.27. PMID 17406230.{{cite journal}}: תחזוקה - ציטוט: multiple names: authors list (link) Nelson J, Denisenko O, Bomsztyk K (2009). "The fast chromatin immunoprecipitation method". Methods in Molecular Biology. 567: 45–57. doi:10.1007/978-1-60327-414-2_3. PMID 19588084.{{cite journal}}: תחזוקה - ציטוט: multiple names: authors list (link) Dahl, John Arne; Collas, Philippe (באפריל 2007). "Q2ChIP, a quick and quantitative chromatin immunoprecipitation assay, unravels epigenetic dynamics of developmentally regulated genes in human carcinoma cells". Stem Cells. 25 (4): 1037–46. doi:10.1634/stemcells.2006-0430. PMID 17272500. {{cite journal}}: (עזרה)תחזוקה - ציטוט: multiple names: authors list (link) Dahl, John Arne; Collas, Philippe (2008). "A rapid micro chromatin immunoprecipitation assay (microChIP)". Nature Protocols. 3 (6): 1032–45. doi:10.1038/nprot.2008.68. PMID 18536650.{{cite journal}}: תחזוקה - ציטוט: multiple names: authors list (link) Dahl, John Arne; Collas, Philippe (2009). "MicroChIP: chromatin immunoprecipitation for small cell numbers". Methods in Molecular Biology. 567: 59–74. doi:10.1007/978-1-60327-414-2_4. PMID 19588085.{{cite journal}}: תחזוקה - ציטוט: multiple names: authors list (link) Flanagin, Steve ; Nelson, Joel D; Castner, David G; Denisenko, Oleg; Bomsztyk, Karol (בפברואר 2008). "Microplate-based chromatin immunoprecipitation method, Matrix ChIP: a platform to study signaling of complex genomic events". Nucleic Acids Research. 36 (3): e17. doi:10.1093/nar/gkn001. PMC 2241906. PMID 18203739. {{cite journal}}: (עזרה)תחזוקה - ציטוט: multiple names: authors list (link) Fullwood, Melissa J; Han, Yuyuan; Wei, Chia-Lin; Ruan, Xiaoan; Ruan, Yijun (בינואר 2010). "Chromatin interaction analysis using paired-end tag sequencing". Current Protocols in Molecular Biology. Chapter 21: Unit 21.15.1–25. doi:10.1002/0471142727.mb2115s89. PMID 20069536. {{cite journal}}: (עזרה)תחזוקה - ציטוט: multiple names: authors list (link) Li, Guoliang; Fullwood, Melissa J; Xu, Han; Mulawadi, Fabianus Hendriyan; Velkov, Stoyan; Vega, Vinsensius; Ariyaratne, Pramila Nuwantha; Mohamed, Yusoff Bin; Ooi, Hong-Sain; Tennakoon, Chandana; Wei, Chia-Lin; Ruan, Yijun; Sung, Wing-Kin (בפברואר 2010). "ChIA-PET tool for comprehensive chromatin interaction analysis with paired-end tag sequencing". Genome Biology. 11 (2): R22. doi:10.1186/gb-2010-11-2-r22. PMC 2872882. PMID 20181287. {{cite journal}}: (עזרה)תחזוקה - ציטוט: multiple names: authors list (link) "ChIA-PET: Novel Method For 3-D Whole Genome Mapping Research". ScienceDaily. Agency for Science, Technology and Research (A*STAR), Singapore. 2009-11-08. נבדק ב-14 במרץ 2010. {{cite web}}: (עזרה)