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  • 發布時間:2021-06-29 16:51 原文鏈接: 免疫共沉淀技術

    免疫沉淀可用于定位甲基化或轉錄因子結合的位置等DNA變化,但可能需要與假抗體進行斗爭。

    盡管ChIP-seq、DIP-seq和相關技術可以提供全基因組測定的相關信息,但它們并非總是有效。

    染色質免疫沉淀(chromatin immunoprecipitation, ChIP)或DNA免疫沉淀(DNA immunoprecipitation, DIP)結果有誤,并不是偶發事件。ChIP是間接表征基因功能的一種試驗技術。為了找到轉錄因子(transcription factor, TF)或組蛋白標記與待研究基因組的結合位點,實驗室可能會選擇ChIP-seq方法,使蛋白質和DNA發生交聯,然后剪切染色質,用識別待研究的轉錄因子或組蛋白標記的抗體進行免疫沉淀,然后對與轉錄因子或組蛋白結合的序列進行測序。DIP-seq可用于定位DNA變化,例如甲基化。林雪平大學(Link?ping University)的研究員Colm Nestor表示,ChIP-seq和DIP-seq一直是“表觀遺傳學研究的基石”,該領域基于這兩種方法從基因特異性表觀遺傳學轉向了全基因組的表觀基因組學。他表示,這兩種技術都很便宜,相對容易實施,并且“在正確實施的情況下,結果非常穩定”,因此被廣泛使用。

    ChIP-seq實驗中使用的抗體很多時候并不像實驗室設想的那樣具有特異性。一些基因組位點可能非常“粘”,粘住了其它蛋白,或在某些條件下,失去“粘性”,沒有粘住特定蛋白。正如丹娜法伯癌癥研究院(Dana Farber Cancer Institute)的研究人員Xiaole Shirley Liu和Clifford Meyer指出的那樣,ChIP-seq潛在的一些偏差在于抗體特異性缺失問題、染色質剪切問題、交聯問題或測序問題。為了對抗ChIP-seq和DIP-seq偽跡,排除實驗性故障是不可避免的。 盡管一些故障并不是抗體的鍋,但是當實驗室進行故障排除時,一定要優先考慮抗體的特異性。以下是兩個免疫沉淀(immunoprecipitation, IP)故障案例,兩家抗體公司的研究人員對此評論了ChIP-seq和DIP-seq技術面臨的挑戰。


    ChIP-seq數據可靠性受質疑

    ChIP-seq使科學家能對整個全基因組進行分析,因為利用該技術,正如慕尼黑大學(Ludwig Maximilians University)的研究員Peter Becker所指出的,能夠“在整個基因組的背景下,展示成千上萬的結合位點。例如,通過比較多次實驗的ChiP-seq數據,研究者可以產生關于不同結合的生理功能的假說。他的前博士生、現在在哈佛大學(Harvard University)Peter Park實驗室做博士后的Dhawal Jain表示,ChIP-seq實驗在功能基因組學中是必不可少的,因為其能提供轉錄因子的生理功能的重要信息。他在表征任何新型DNA結合因子時,都會選ChIP-seq作為首選實驗,并且獲取“高度可信”的數據至關重要。他和Becker都對他們的數據的可靠性感到不安。

    當Jain還在Becker實驗室讀博時,他們正在研究核小體重塑。核小體是DNA及纏繞著DNA的組蛋白組成的復合物,核小體重塑復合物在某些DNA位置打開轉錄“窗口”。重塑復合物與DNA的相互作用往往在瞬間完成,因此很難捕獲和表征。Jain表示,通過使用針對這些重塑因子的抗體開展ChIP-seq實驗,該團隊希望找到較寬的信號峰。他們非常驚訝地發現,在不存在核小體的染色區域,居然也有很窄的信號峰。Jain還指出,這些信號對他們來說是驚人的。

    他們調查并鑒定了大約3000個具有非特異性ChIP富集的基因位點。為了驗證實驗結果,他們敲除了重塑復合物的2個因子,并得到了類似的ChIP-seq結果。他們發現了假陽性信號:虛幻峰(Phantom Peak)。這些虛幻峰影響了他們的數據質量,并可能影響了許多實驗室和數據庫中的數據。Becker表示,大多數虛幻峰位點都處于啟動子位置,其中許多蛋白質與無序結構域結合,非特異性抗體結合可能是罪魁禍首。Becker還提醒,虛幻峰峰值比較低,通常在具有強烈特異性特征的實驗中被忽視。但是一旦你的ChIP反應由于各種原因效率低下,并且你的特定峰值很低,那么虛幻峰就會出現。該團隊建議謹慎地解讀ChIP-seq峰值。Becker等人在自己的論文中列出了虛幻峰列表,為他人提供參考。為了排除虛幻峰,他們建議進行敲除或敲減實驗。Jain認為,如果目標分子過于重要,敲除或敲減可能不可行。Becker則指出,輸入控制可能會有所幫助。

    即使實驗室通過蛋白質印跡(western blots, WB)和免疫熒光(immunofluorescence, IF)確定了抗體特異性,非特異性結合也可能成為問題。該團隊也遇到了這樣的問題。Jain表示,非常棘手的一個問題是,在一種驗證試驗中起作用的抗體在另一種驗證試驗中可能不起作用。然后,實驗室嘗試使用WB或IF驗證抗體的特異性,并嘗試使用正交抗體重現ChIP-seq譜。但正交生成的ChIP-seq數據不一定能消除虛幻峰。他們還發現,使用完全不相干的抗體,如抗GFP,也能得到ChIP-seq富集信號。Jain指出,總的來說,人們越來越意識到基因組的某些區域無法通過ChIP實驗檢測,只會得到假陽性數據。Becker表示,研究重塑因子,尤其是ACF1和RCF1時遇到的一個問題是,由于它們與DNA的相互作用是瞬時的,因此無法很好地與染色質發生交聯。從根本上說,他們實驗中用的抗體質量很好,但還是存在非特異性結合。從最開始,他們就給ACF1添加了一個DNA結合域,使其連接到DNA,最好可以對其進行ChIP分析。從本質上來講,該問題還是與抗體的非特異性結合有關。


    ChIP-seq數據可能會出現“虛幻峰”,這些“虛幻峰”與待研究蛋白并不對應。使用兩種正交抗體進行驗證可以排除這種假信號。但這并不總能奏效。例如,抗體可能非特異性地結合與開放染色質互動的蛋白質。


    DIP-seq的致命BUG

    林雪平大學(Link?ping University)的Nestor表示,基于抗體的技術可用于研究新發現的表觀遺傳變化,如N6-甲基腺嘌呤,因為生產靶向這些表觀遺傳變化的抗體并不困難。因此,研究人員不必每次在檢測到新的表觀遺傳標記時都必須開發特異性檢測該修飾的方法。Nestor有十多年的DIP-seq經驗,先免疫沉淀富集高甲基化的DNA片段,然后對其進行測序。Nestor、他的博士生Antonio Lentini和團隊中的其他人并沒有預想到DIP-seq技術也存在漏洞,但事情就是這樣不湊巧。據該團隊稱,DIP-seq數據中50%至99%的富集區域可能是誤報。他們發現了一個基因組區域的非特異性富集,該區域被稱為短串聯重復序列(short tandem repeat, STR)。其它已知的偽信號來源包括:實驗室主要使用的5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine, 5mC)抗體優先富集低CG含量的基因組區域,最常用的5-羥甲基胞嘧啶(5-hydroxymethylcytosine, 5hmC)抗體在基因組的高度修飾區域也是如此。

    在對已發表的DIP-seq研究的分析中,他們發現低豐度基因組修飾,如5-甲酰基胞嘧啶和5-羧基胞嘧啶具有最高的假陽性率。他們一直在研究這些修飾以探索DNA甲基化在人類T細胞中的作用。他們在免疫球蛋白G(IgG)對照組中注意到“特殊的”結合模式。他們發現,多達95%的已發表作品不包括IgG對照組。Nestor指出,他一直使用DIP-seq技術,而沒有適當設置IgG對照組,因此他也沒有立場指責其他人。

    該團隊用缺乏5mC和5hmC修飾的胚胎干細胞驗證了他們的結果。抗體仍與STR位點結合。也許單鏈DNA會與IgG抗體結合。Lentini推測STR結合可能提供功能性線索,并且可以設計出能抑制這種結合的抗體。他指出,在此之前,我們最好的選擇是了解這些問題并控制它們。該團隊表示,避免假陽性,并糾正這種觀察到的脫靶結合,最好的方式是設立IgG對照組,這可以將信噪比提高三倍,實驗室可以因此檢測出更微妙的DNA修飾變化。Nestor表示,“輸入”是DIP試驗的標準對照,一般指的是pre-IP的染色質樣品。作為一名博士后研究員,他記得曾有人建議他避免使用IgG做對照,因為它們會給實驗增加太多噪音。但研究人員表示,輸入是一種高度不一致的對照組,并且DIP-seq極大地高估了哺乳動物基因組中的5-modC修飾。雖然Nestor和其他人使用計算工具來過濾DIP-seq數據,但他擔心數據集中本身就自帶大量錯誤。

    另一個挑戰是細菌污染。通常感染支原體和大腸桿菌的細胞培養物顯示出高水平的N6-甲基腺嘌呤(N6-methyladenine, 6mA)修飾,該修飾在哺乳動物中很少見,但在微生物中很常見。 Nestor指出,6mA仍然是一個謎。它很難被發現,沒有一種技術可以在哺乳動物中可靠地檢測到它,因此它仍然是一個需要探索的難題。他想知道“6mA這個神秘的DNA修飾的功能到底是什么” 。巴斯大學(University of Bath)的Andrew Chalmers建議,當科學家選擇實驗(包括ChIP-seq實驗)用的抗體時,可以看看他人在相關試驗中使用過的試劑。Chalmers共同創立了CiteAb網站——一個在線資源,用于查找有關抗體的已發表文獻和公司信息。他表示,關于抗體驗證的“五大支柱策略”(注:國際抗體驗證工作組為驗證抗體的特異性提出的5個驗證策略,包括基因策略、正交策略、獨立抗體策略、標簽蛋白的表達和免疫捕獲及質譜分析。具體參見https://www.xianjichina.com/news/details_59686.html)并不完美,但它是討論和分析抗體驗證的良好框架。通常情況下,他人的實驗可能與你有很大不同,但可用的數據和來自其他人的、來之不易的經驗教訓可以提供寶貴的參考。


    敲除/敲減

    抗體公司Abcam的研究和開發團隊負責人Velibor Savic表示,抗體實驗既有靶向效應,又有脫靶效應。實驗人員在ChIP中,也需要減少目標信號。ChIP-seq是敏感的,因此ChIP-seq中的脫靶信號比其它技術更明顯。這使得敲除和敲減在ChIP-seq中至關重要。有了這個,從一堆信號中挑出目標并找出正確的峰值會容易很多。

    即使是瞬態相互作用也會產生深遠的影響。Savic指出,但通過ChIP很難捕捉到這種瞬間互動。目標結果可能會混雜到背景中,因為在給定時間只有一些互動位點被占用。探索穩定住這種瞬時互動的方法非常有用。使用靶標的敲減或功能性敲除能排除脫靶結合和非特異性相互作用。在大多數情況下,這可以很好地確定實驗樣本中目標蛋白質的位置,以及敲除該蛋白后的背景模式。他認為,ChIP提供的只是DNA交互譜的平均靜態圖像,而DNA交互是動態的。人們不能從一張靜止的圖像中判斷出一部電影,同樣人們也無法從單一的ChIP實驗中得出動態的結論。ChIP-seq數據只是提供功能性洞見的第一步。



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