クロマチン解析
エピゲノム解析導入
ヒストン修飾
1. ChIP-Seq
説明
- Chromatin immunoprecipitation (ChIP) coupled with high-throughput sequencingの略
- 各ヒストン修飾やヒストンバリアント特異的抗体を使用。
- ヒストンコード仮説:「ヒストンは4種類のタンパク質(H2A, H2B, H3, H4)が2つずつ組み合わさって、八量体を形成している。個々のタンパク質ではさまざまな修飾（メチル化、アセチル化など）や変異体置換（H2AZ, H3.3など）を起こることが知られており、これらの修飾反応が遺伝子発現や複製などの細胞内プロセスの制御をしている」というD. Allisらが提唱した仮説
- 近年は再生医学（幹細胞）や免疫（T細胞など）の分野で特に盛んに行われている。
応用
- 細胞分化前後のヒストン修飾比較 (Wei et al. 2009
)
- ヒストン修飾酵素mutantとwild typeの比較 (Satoh et al. 2010)
- 転写因子結合との関連 (He et al. 2010)
Dry解析例
- ユニークにマップされたリードを使ったピーク同定。- ピーク同定はヒストン修飾の種類によって注意が必要。(H3K4me3などはsharpなピークを示すことが多いが、H3K36me3などはピークがboradで、通常デフォルト値でピーク同定プログラムを走らせると十分なピークが得られない場合が多い。)
- ヒストン修飾用ピーク同定プログラムもある。
関連論文(ヒストンコード報告例)
1. ヒストンバリアント
| 種類 | テロメア・セントロメア | エンハンサー・リプレッサー | プロモーター・転写開始点 | 遺伝子領域 |
| H2A.Z | R | A,A-R | A,A-R | |
| H3.2 | R
| |||
| H3.1 | R | |||
| H3.3 | A | A, A-R | A
|
2. ヒストンメチル化
| 種類 | テロメア・セントロメア | エンハンサー・リプレッサー | プロモーター・転写開始点 | 遺伝子領域 |
| H2BK5me1 | A | A
| ||
| H3K27me1 | A | A
| ||
| H3K27me2 | R
| |||
| H3K27me3 | R | R | R
| |
| H3K36me3 | A (in exon)
| |||
| H3K4me1 | A | A(TSSからme3->me2->me1) | A(TSSからme3->me2->me1)
| |
| H3K4me2 | A | A(TSSからme3->me2->me1) | A(TSSからme3->me2->me1)
| |
| H3K4me3 | A | A(TSSからme3->me2->me1) | A(TSSからme3->me2->me1)
| |
| H3K79me1 | A | A
| ||
| H3K79me2 | R | A | ||
| H3K79me3 | A-R | |||
| H3K9me1 | A | A
| ||
| H3K9me2 | R(DNA methyl) | |||
| H3K9me3 | R(Repeat) | R(DNA methyl)
| ||
| H3R2me1 | ||||
| H3R2me2 | R(3'-side) | |||
| H4K20me1 | A | A
| ||
| H4K20me3 | R(Repeat) | |||
| H4R3me2 | A |
3. ヒストンアセチル化
| 種類 | テロメア・セントロメア | エンハンサー・リプレッサー | プロモーター・転写開始点 | 遺伝子領域 |
| H2BK5ac | A | |||
| H3K27ac | A | A | ||
☆記述の意味
- A: Active genes
- R: Repressive genes
- A-R: Both (active and repressive)
参考
クロマチン構造
| 方法 | 長所 | 短所 | ||
| MNase-Seq | 個々のヌクレオソームの位置を見ることができる | 他の方法に比べ、多くの配列数が必要。また酵素の配列依存性（AT-richを切りやすい）の影響を受ける(Albert et al. 2007)。
| ||
| FAIRE-Seq | 酵素の配列依存性の影響を受けにくい | 個々のヌクレオソーム位置は解析できない。 | ||
| DNase-Seq | MNaseに比べ酵素の配列依存性は低い(Crawford et al. 2006) | 個々のヌクレオソーム位置は解析できない。 | ||
1. MNase-Seq
説明
- Micrococcal nuclease digestion coupled with high-throughput sequencingの略
- MAINE-Seq(MNase-assisted isolation of nucleosomes)とも呼ばれる (Ponts et al. 2010)。
- カルシウム依存性エンドヌクレアーゼMicrococcal nuclease(MNase)を使用。
- 本酵素はリンカー領域において二本鎖切断を起こすが、ヌクレオソーム領域では一本鎖ニックしか起こさない。つまりヌクレオソーム結合DNAはMNaseによる切断を受けない。
- 本酵素により切断した真核生物ゲノムDNAをagaroseゲル電気泳動にかけるとモノヌクレオソームサイズ(約147bp)とその倍数のサイズに相当するバンドが得られる。
- 本性質を使って得られたモノヌクレオソームDNAを次世代シーケンサにてシーケンシング。
応用
- ヌクレオソーム結合領域の同定。
- ヒストン-DNA相互作用（ヌクレオソームポジショニングの配列依存性解析）。
- 外部または内部環境変化によるヌクレオソーム構造変化（ヌクレオソームリモデリング）の解析。
Dry解析例(Albert et al. 2007)
- ユニークにマップされたリードの5'端から73bpシフトさせた位置をヌクレオソームのpotential centerとする。
- Potential centerは重み平均（重みは標準偏差20のガウス分布）でスムージング
関連論文(2011.01.13)
| 生物種 | 学名 | 条件 | プラットフォーム | 参考 |
| ヒト | Homo Sapiens | CD4+T細胞（Resting, Activated） | Illumina | Schones et al. 2008
|
| ヒト | Homo Sapiens | DLD1細胞 | Illumina | Sathria et al. 2010
|
| ヒト | Homo Sapiens | HeLa細胞 | Illumina | Auerbatch et al. 2009
|
| ヒト | Homo Sapiens | Sperm | Illumina | Hammoud et al. 2009
|
| マウス | Mus musculus | Liver | Illumina | Changolkar et al. 2009
|
| マウス | Mus musculus | PUER細胞(タモキシフィン処理) | Illumina | Heinz et al. 2010
|
| メダカ | Oryzias latipes | Hd-rR胞胚 | Illumina | Sasaki et al. 2009
|
| ショウジョウバエ | Drosophila melanogaster | S2細胞(Untreated, Mock-treated and NELF-depleted) | Illumina | Gilchrist et al. 2010
|
| 線虫 | Caenorhabditis elegans | WT(N2) and zim-2 mutant | Illumina | Gu et al. 2010
|
| 線虫 | Caenorhabditis elegans | WT(N2) | SOLiD | Valouev et al. 2008
|
| アスペルギルス－フミガーツフ | Aspergillus fumigatus | Af293 strain | Illumina | Nishida et al. 2009
|
| 熱帯熱マラリア原虫 | Plasmodium falciparum | 3D7 strain (sorbitol treatment) | Illumina | Ponts et al. 2010
|
| 出芽酵母 | Saccharomyces cerevisiae | BY4741 strain (10uL and 15uL MNase) | Illumina | Weiner et al. 2010
|
| 出芽酵母 | Saccharomyces cerevisiae | S288C strain (normal and heat-shocked cells) | Illumina | Shivaswamy et al. 2008
|
| 出芽酵母 | Saccharomyces cerevisiae | BY4741 strain | 454 | Mavrich et al. 2008
|
| 出芽酵母 | Saccharomyces cerevisiae | Sigma1278b L5366 strain | Illumina | Tsankov et al. 2010
|
| 出芽酵母 | Saccharomyces cerevisiae | BY4743 strain | Illumina | Tirosh et al. 2010
|
| 出芽酵母 | Saccharomyces cerevisiae | WT(W303) and mutant (MdVy200, orc1-161) | Illumina | Eaton et al. 2010
|
| 出芽酵母 | Saccharomyces cerevisiae | BY4741 (YPD, Ethanol-rich, Galactose-rich, in vitro reconstitute) | Illumina | Kaplan et al. 2009
|
| 酵母 | Saccharomyces mikatae | IFO1815 strain | Illumina | Tsankov et al. 2010
|
| ビール酵母 | Saccharomyces bayanus | NRRL Y-11845 strain | Illumina | Tsankov et al. 2010
|
| 酵母 | Saccharomyces castellii | NRRL Y-12630 strain | Illumina | Tsankov et al. 2010
|
| 酵母 | Saccharomyces paradoxus | NRRL Y-17217 strain | Illumina | Tsankov et al. 2010
|
| 酵母 | Saccharomyces paradoxus | CBS 432 honat MATα strain | Illumina | Tirosh et al. 2010
|
| ハイブリッド酵母 | Saccharomyces cerevisiae x Saccharomyces paradoxus | BY4741 X CBS432 honat MATα strain | Illumina | Tirosh et al. 2010
|
| 酵母 | Saccharomyces kluyveryii | NRRL 12651 strain | Illumina | Tsankov et al. 2010
|
| 酵母 | Kluyveromyces waltii | NCYC 2644 strain | Illumina | Tsankov et al. 2010
|
| キラー酵母 | Kluyveromyces lactis | CLIB 209 strain | Illumina | Tsankov et al. 2010
|
| 酵母 | Candida glabrata | CLIB 138 strain | Illumina | Tsankov et al. 2010
|
| カンジダ菌 | Candida albicans | SC 5314 strain | Illumina | Tsankov et al. 2010
|
| カンジダ菌 | Candida albicans | SC 5314 strain (in vivo and in vitro reconstitute) | Illumina | Field et al. 2009
|
| 酵母 | Debaryomyces hansenii | NCYC 2572 strain | Illumina | Tsankov et al. 2010
|
| アルカン資化酵母 | Yarrowia lipolytica | CLIB 89 strain | Illumina | Tsankov et al. 2010
|
| シロイヌナズナ | Arabidopsis thaliana | Columbia-0 strain (shoots) | Illumina | Chodavarapu et al. 2010
|
参考
2. FAIRE-Seq
説明
- Formaldehyde-Assisted Isolation of Regulatory Elements coupled with high-throughput sequencingの略
- ホルムアルデヒドによりヒストン-DNA間に架橋を形成。フェノール・クロロフォルムにより架橋を形成していないDNAを抽出。
- 本サンプルを次世代シーケンサでシーケンシングすることでヒストンタンパク質と結合していないゲノムＤＮＡ配列が得られる。
応用
- オープンクロマチン領域の同定
- 活性化転写制御エレメントの同定
Dry解析例(Gaulton et al. 2010)
- ユニークにマップされたリードの5'端からDNAフラグメントの長さ分伸ばす（例：200bp）。配列全体がオープンクロマチン領域という認識?
- ゲノム上の各位置ごとにRead density（リード数のカウント）を計算。
- ピーク同定プログラムでオープンクロマチン領域の同定。ピーク幅は1000bpくらい。
関連論文(2011.01.13)
| 生物種 | 学名 | 条件 | プラットフォーム | 参考 |
| ヒト | Homo sapiens | MCF7細胞(E2-treated and -untreated) | Illumina | Joseph et al. 2010
|
| ヒト | Homo sapiens | H9 ESC細胞 | Illumina | Rada-Iglesias et al. 2010
|
| ヒト | Homo sapiens | 膵臓ランゲルハンス島 | Illumina | Gaulton et al. 2010
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| 熱帯熱マラリア原虫 | Plasmodium falciparum | 3D7 strain (sorbitol treatment) | Illumina | Ponts et al. 2010
|
参考
3. DNase-Seq
説明
- Deoxyribonuclease I digestion coupled with high-throughput sequencingの略
- エンドヌクレアーゼDeoxyribonuclease I(DNase I)のクロマチンの緩い領域を切断しやすい性質を利用。
応用
- オープンクロマチン領域の同定。DNaseI hypersensitive site (DNase HS)と呼ばれている。
- 活性化転写制御エレメントの同定。
Dry解析例Crawford et al. 2006
- ユニークにマップされたリードの5'端の位置を利用。5'端(DNaseIにより切断された位置)がオープンクロマチン領域という認識
- ウィンドウをスライドさせてリード数の多い領域をDNase HSとして同定。
関連論文(2011.01.13)
| 生物種 | 学名 | 条件 | プラットフォーム | 参考 |
| ヒト | Homo sapiens | リンパ芽球様細胞 | Illumina | McDaniell et al. 2010
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| ヒト | Homo sapiens | 膵臓ランゲルハンス島 | Illumina | Stitzel et al. 2010
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| ヒト | Homo sapiens | CD4+ T細胞 | Illumina, 454 | Boyle et al. 2008
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| マウス | Mus musculus | liver(成長ホルモン処理・非処理） | Illumina | Ling et al. 2010
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| 出芽酵母 | Saccharomyces cerevisiae | R276 strain | Illumina | Hesselberth et al. 2009
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参考
Duke DNase protocol質問やアドバイスなど
- このページに直接かきこむ
- ライフサイエンスQA上で引用しつつ質問する
などしてもらえるとありがたいです。
