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猫大客串:EMSA、ChIP和CRISPR的原理、流程及常见问题

 



本期课程主要聚焦可验证转录因子和靶基因启动子之间存在直接调控关系的两个经典实验——染色质免疫共沉淀ChIP实验和EMSA(凝胶迁移实验)。通常会在这两个实验中选择其一作为荧光素酶报告基因实验的补充验证。同时,科研界的网红“CRISPR”系统也在本次课程隆重登场了。


EMSA


EMSA实验可对各类转录因子的 DNA 结合活性进行定性和半定量分析,是一项研究细胞信号转导通路的关键实验技术。该技术最初用于研究DNA结合蛋白,目前已用于研究RNA结合蛋白和特定的RNA序列的相互作用。


实验中可将设计好的带有标记的核酸探针与样本蛋白混合孵育,形成蛋白-探针复合物。复合物分子量大,会在聚丙烯酰胺凝胶电泳时迁移较慢,而没有结合蛋白的探针则较快。


转膜后,蛋白-探针复合物会在膜靠前的位置上形成一条带,就说明有蛋白与目标探针有互作。



通常为了证明转录因子蛋白与靶基因序列结合是特异的,需要设置以下几种对照组(见下图)。



随后,课程对EMSA的实验流程、数据分析以及可能遇到3类常见问题进行了详细的讲解。



ChIP


ChIP不仅可以检测体内多种转录因子与DNA的动态作用,还可用来研究组蛋白的各种共价修饰(如磷酸化、乙酰化、甲基化、泛素化等)与不同状态下基因表达的关系,是真核生物基因表达机制研究中不可或缺的核心技术之一。


而ChIP与多种高通量检测方法的结合,也扩大了其应用范围和测定效率:ChIP-seq方法已广泛用于特定转录因子靶基因的高通量分析和鉴定;ChIP与体内足迹法相结合,可用于寻找转录因子的体内结合位点;RNA-ChIP则用于研究RNA与蛋白的相互作用以及RNA在基因表达调控中的作用。


其原理是在活细胞状态下固定蛋白质-DNA(染色质)复合物,并将其切断为一定长度范围内的染色质小片段,然后通过免疫学方法(抗体亲和)沉淀此复合体,特异性地富集目的蛋白结合的DNA片段,通过对目的片段的纯化与后期检测,从而获得蛋白质与DNA相互作用的信息。



同样,课程中也对ChIP实验流程、数据分析以及常见问题进行详细的解析。



CRISPR系统(上)


目前,CRISPR系统已经走下神坛,飞入寻常实验室里,成为一种常用的基因编辑工具。该系统由CRISPR序列元件与Cas基因家族组成,一般Cas蛋白在识别外源DNA的原间隔序列临近基序(PAM:三碱基NGG,N为任意碱基)后,可将该序列剪切并插入到CRISPR序列前导区的下游。


随后CRISPR序列元件转录并加工成熟的tracrRNA和crRNA,并与Cas9蛋白组装成一个复合体。该复合物会识别含有与PAM和protospacer互补序列的dsDNA底物,并对其进行剪切以沉默外源基因的表达。



而要将CRISPR/Cas9系统应用到研究实验工作中,就需要将Cas9和gRNA质粒共转染进入细胞中。一般gRNA质粒用U6启动子表达,包含PAM、crRNA和tracrRNA序列;而Cas9质粒序列较大,通常大于9kb。



接下来,依旧是对CRISPR-Cas9的试验流程、数据分析以及常见问题进行详细的解释。



CRISPR系统(下)


而范例文献中所进行CRISPR实验则是针对靶基因的上、下游分别设计了gRNA1和gRNA2,并将这两个gRNA与Cas9过表达载体共同转染细胞中。


如此可删除基因的靶序列,再由DNA断裂修复机制将DNA断裂两端强行连接起来;或者在此基础之上,引入一个修复的模板质粒,DNA断裂修复机制就可按照模板在修复的过程中引入片段插入或定点突变,实现基因的突变或者替换。



而这套系统的实验流程、数据分析以及常见问题与之前所提的CRISPR系统相比,可能会有些许变化。


 

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