貓大客串:EMSA、ChIP和CRISPR的原理、流程及常見問題

2021-01-19 酸談


本期課程主要聚焦可驗證轉錄因子和靶基因啟動子之間存在直接調控關係的兩個經典實驗——染色質免疫共沉澱ChIP實驗和EMSA(凝膠遷移實驗)。通常會在這兩個實驗中選擇其一作為螢光素酶報告基因實驗的補充驗證。同時,科研界的網紅「CRISPR」系統也在本次課程隆重登場了。



EMSA實驗可對各類轉錄因子的 DNA 結合活性進行定性和半定量分析,是一項研究細胞信號轉導通路的關鍵實驗技術。該技術最初用於研究DNA結合蛋白,目前已用於研究RNA結合蛋白和特定的RNA序列的相互作用。


實驗中可將設計好的帶有標記的核酸探針與樣本蛋白混合孵育,形成蛋白-探針複合物。因複合物分子量大,會在聚丙烯醯胺凝膠電泳時遷移較慢,而沒有結合蛋白的探針則較快。


轉膜後,蛋白-探針複合物會在膜靠前的位置上形成一條帶,就說明有蛋白與目標探針有互作。



通常為了證明轉錄因子蛋白與靶基因序列結合是特異的,需要設置以下幾種對照組(見下圖)。



隨後,課程也對EMSA的實驗流程、數據分析以及可能遇到3類常見問題進行了詳細的講解。




ChIP不僅可以檢測體內多種轉錄因子與DNA的動態作用,還可用來研究組蛋白的各種共價修飾(如磷酸化、乙醯化、甲基化、泛素化等)與不同狀態下基因表達的關係,是真核生物基因表達機制研究中不可或缺的核心技術之一。


而ChIP與多種高通量檢測方法的結合,也擴大了其應用範圍和測定效率:ChIP-seq方法已廣泛用於特定轉錄因子靶基因的高通量分析和鑑定;ChIP與體內足跡法相結合,可用於尋找轉錄因子的體內結合位點;RNA-ChIP則用於研究RNA與蛋白的相互作用以及RNA在基因表達調控中的作用。


其原理是在活細胞狀態下固定蛋白質-DNA(染色質)複合物,並將其切斷為一定長度範圍內的染色質小片段,然後通過免疫學方法(抗體親和)沉澱此複合體,特異性地富集目的蛋白結合的DNA片段,通過對目的片段的純化與後期檢測,從而獲得蛋白質與DNA相互作用的信息。



同樣,課程中也對ChIP實驗流程、數據分析以及常見問題進行詳細的解析。




目前,CRISPR系統已經走下神壇,飛入尋常實驗室裡,成為一種常用的基因編輯工具。該系統由CRISPR序列元件與Cas基因家族組成,一般Cas蛋白在識別外源DNA的原間隔序列臨近基序(PAM:三鹼基NGG,N為任意鹼基)後,可將該序列剪切並插入到CRISPR序列前導區的下遊。


隨後CRISPR序列元件轉錄並加工成熟的tracrRNA和crRNA,並與Cas9蛋白組裝成一個複合體。該複合物會識別含有與PAM和protospacer互補序列的dsDNA底物,並對其進行剪切以沉默外源基因的表達。



而要將CRISPR/Cas9系統應用到研究實驗工作中,就需要將Cas9和gRNA質粒共轉染進入細胞中。一般gRNA質粒用U6啟動子表達,包含PAM、crRNA和tracrRNA序列;而Cas9質粒序列較大,通常大於9kb。



接下來,依舊是對CRISPR-Cas9的試驗流程、數據分析以及常見問題進行詳細的解釋。




而範例文獻中所進行CRISPR實驗則是針對靶基因的上、下遊分別設計了gRNA1和gRNA2,並將這兩個gRNA與Cas9過表達載體共同轉染細胞中。


如此可刪除基因的靶序列,再由DNA斷裂修復機制將DNA斷裂兩端強行連接起來;或者在此基礎之上,引入一個修復的模板質粒,DNA斷裂修復機制就可按照模板在修復的過程中引入片段插入或定點突變,實現基因的突變或者替換。



而這套系統的實驗流程、數據分析以及常見問題與之前所提的CRISPR系統相比,可能會有些許變化。



套路課系列之《轉錄因子研究套路課》:


套路課系列之《lncRNA套路課》:


套路課系列之《功能基因套路課》:


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