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JP7593572B2 - Three-dimensional DNA structure interaction analysis method - Google Patents
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Description

本発明は、DNA配列の三次元構造における相互作用を分析する方法およびこれを実現する分析用キットに関し、特に、目的DNA配列に対して相互作用するDNA配列を迅速かつ的確に分析することのできる三次元DNA構造相互作用分析方法に関する。The present invention relates to a method for analyzing interactions in the three-dimensional structure of DNA sequences and an analytical kit for implementing the method, and in particular to a three-dimensional DNA structure interaction analysis method that can rapidly and accurately analyze DNA sequences that interact with a target DNA sequence.

近年、ヒトゲノムの配列が解読され、ヒトの遺伝情報が明らかとなったが、この情報は単に一次元の直線的な配列情報としてもたらされている。しかし、実際のゲノムDNAは、折り畳まれた複雑な三次元構造を形成して核内に収容されており、配列各部の空間的な配置(遠近)を一次元の直線配列から完全に予測することは困難である。つまり、DNA配列のある領域に着目すると、その領域に対し空間的に近傍に位置しているDNA配列は、一次元直線配列としては遠隔に位置する配列であるといったことが往々に生じている。In recent years, the sequence of the human genome has been deciphered, revealing human genetic information, but this information has been provided simply as one-dimensional linear sequence information. However, actual genomic DNA is housed within the nucleus in a folded, complex three-dimensional structure, and it is difficult to completely predict the spatial arrangement (perspective) of each part of the sequence from the one-dimensional linear sequence. In other words, when focusing on a certain region of a DNA sequence, it is often the case that a DNA sequence located spatially close to that region is actually located far away in terms of the one-dimensional linear sequence.

また、近年、特定の遺伝子の発現は、三次元空間における配列間の相互作用にて制御されることが明らかとなりつつあり、配列の相互作用の解析法として染色体高次構造捕捉法(chromosome conformation capture;3C法)やこれが改良されたHiC法などが提案されている。In recent years, it has become clear that the expression of certain genes is controlled by interactions between sequences in three-dimensional space, and methods for analyzing sequence interactions, such as the chromosome conformation capture (3C) method and its improved version, the HiC method, have been proposed.

3C法は、ゲノムの高次構造を維持したまま固定(架橋)してDNA切断をした後、空間的に近接する末端をライゲーション(近接ライゲーション)によって連結させる手法である。高次構造が固定された状態での近接ライゲーションは、空間的に近傍に位置する配列同士の結合となる。このため、連結によって生じるDNA配列は、ゲノム上の一次元の配列とは異なる配列が確認されることとなる。これまでに提案されているDNA配列の三次元の相互作用の分析方法はこの3C法がベースとなっている。 The 3C method is a technique in which the genome is fixed (cross-linked) while maintaining its higher-order structure, DNA is cut, and then spatially adjacent ends are linked by ligation (proximity ligation). Proximity ligation with the higher-order structure fixed results in the bonding of sequences that are spatially close to each other. For this reason, the DNA sequence resulting from the ligation is confirmed to be different from the one-dimensional sequence on the genome. The methods proposed to analyze the three-dimensional interactions of DNA sequences are based on this 3C method.

しかしながら、3C法では、予め着目した配列間、即ち、既に明らかとなっている配列間の相互作用しか解析ができない。However, the 3C method can only analyze interactions between sequences that have been focused on in advance, i.e., sequences that have already been identified.

HiC法はその欠点を補うものであり、ゲノムワイドにDNA相互作用を解析する手法として提案され、未知の配列間の相互作用を分析できるよう構成されている。HiC法では、DNA切断により生じるDNA断片の末端をビオチン化した後に近接ライゲーションが行われる。ライゲーションされたDNA断片の一群はビオチン標識をマーカーとして回収され、更なる断片化を経て、PCR用のアダプターが付加され、増幅、シーケンスによる塩基配列の同定が実施される手法が基本となっている。The HiC method compensates for this shortcoming and has been proposed as a method for analyzing DNA interactions genome-wide, and is designed to analyze interactions between unknown sequences. In the HiC method, the ends of DNA fragments generated by DNA cleavage are biotinylated and then proximity ligation is performed. A group of ligated DNA fragments is collected using the biotin label as a marker, and after further fragmentation, an adapter for PCR is added, and the base sequence is identified by amplification and sequencing. This is the basic method.

一方で、HiC法では、理論上すべてのDNA三次元構造を検出するため、シーケンスコストが膨大になるうえ、非常に煩雑なコンピューター解析が必要となるため汎用性に問題を残している。そこで、低コスト化を目的に、特定配列とのハイブリダイゼーションを組み合わせた新たな手法が提案されている(特許文献1および非特許文献1参照)。On the other hand, the HiC method theoretically detects all three-dimensional DNA structures, which means that the sequencing costs are enormous and very complicated computer analysis is required, leaving problems in versatility. Therefore, in order to reduce costs, a new method has been proposed that combines hybridization with a specific sequence (see Patent Document 1 and Non-Patent Document 1).

また、DNAはクロマチンを形成しているので、クロマチンを断片化した後、クロマチン免疫沈降(ChIP)を利用して分析対象のクロマチン断片を回収し、クロマチン断片に基づいてDNA配列の相互作用を分析するChIA-PET法(特許文献2参照)が提案されている。In addition, because DNA forms chromatin, a ChIA-PET method (see Patent Document 2) has been proposed in which the chromatin is fragmented, and then the chromatin fragments to be analyzed are recovered using chromatin immunoprecipitation (ChIP), and the interactions of DNA sequences are analyzed based on the chromatin fragments.

特表2016-537029Special table 2016-537029 特開2007-289152JP2007-289152

Stefan Schoenfelder, Biola-Maria Javierre, Mayra Furlan-Magaril, Steven W. Wingett, and Peter Fraser,Promoter Capture Hi-C: High-resolution, Genome-wide Profiling of Promoter Interactions,Journal of Visualized Experiments.(136), e57320,June 2018Stefan Schoenfelder, Biola-Maria Javierre, Mayra Furlan-Magaril, Steven W. Wingett, and Peter Fraser, Promoter Capture Hi-C: High-resolution, Genome-wide Profiling of Promoter Interactions, Journal of Visualized Experiments.(136), e57320 ,June 2018

しかしながら、上述のHiC法は、実際上少なくとも10個以上の細胞が必要なサンプル数とされており、1細胞あたり10種類以上の断片のライゲーションが生じるとされ、作られるDNAペア(空間的に近接するDNA配列がライゲーションによって横並びとなったDNA断片)の自由度は、一説には、1018程度もの桁数に上るものとも推定されている。ここで、DNAペアの塩基配列の決定に先立って行われるPCRによる増幅では、GC%や制限酵素断片の長さの違いなど種々の要因から、増幅によって生成するDNAペアにバイヤスがかかることが知られている。また、得られたDNAペアの集合体(HiCライブラリ)のシーケンスは、通常のシーケンスに比べて得られるデータの複雑性が圧倒的に大きいため、解析結果に対し解釈の入り込む余地が大きく、分析結果の信頼性が、場合によっては低下しかねないという問題点を抱えている。 However, the HiC method requires at least 10 6 cells as a sample number, and 10 6 types of fragments are ligated per cell. The degree of freedom of the DNA pairs (DNA fragments in which spatially adjacent DNA sequences are aligned side by side by ligation) is estimated to be as high as 10 18. Here, it is known that in the PCR amplification performed prior to the determination of the base sequence of the DNA pair, the DNA pair generated by the amplification is biased due to various factors such as GC% and difference in the length of the restriction enzyme fragment. In addition, the sequence of the collection of DNA pairs obtained (HiC library) is overwhelmingly more complex than that of a normal sequence, so there is a large room for interpretation of the analysis results, and the reliability of the analysis results may be reduced in some cases.

特許文献1、非特許文献1に記載される手法は、従来の網羅的なHiC法を改良し、HiCライブラリに対し、DNAマイクロアレイでハイブリダイズを行うことで、注目領域特異的なシーケンスの実施を提案している。これによって、シーケンス負荷の軽減と、データ量の圧縮による解析負担軽減が図られている。しかし、DNAペアを作製するためのクロマチンの切断処理は、従来と同様にゲノムワイドに実施されている。従って、全体として膨大量のDNAペアが生じており、目的物以外に膨大な夾雑物が共存している状態となっている。このため、ミスハイブリダイズを回避できない。加えて、マイクロアレイに用いられるプローブには、配列設計段階で意図せずバイヤスがかかってしまうことが知られており、最終的に得られるデータが、十分に信頼性のあるものとならないという問題点があった。The method described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 proposes to improve the conventional comprehensive HiC method and to perform a sequence specific to a region of interest by hybridizing a HiC library with a DNA microarray. This reduces the load of sequencing and reduces the analysis load by compressing the amount of data. However, the chromatin cutting process for creating DNA pairs is performed genome-wide as in the conventional method. Therefore, a huge number of DNA pairs are generated overall, and a huge amount of impurities coexist in addition to the target substance. For this reason, mishybridization cannot be avoided. In addition, it is known that the probes used in the microarray are unintentionally biased at the sequence design stage, and there is a problem that the data finally obtained is not sufficiently reliable.

更に、クロマチン免疫沈降法は、制限酵素によるDNA切断にてクロマチンを断片化し、ヒストン等のタンパク質をターゲットに抗体を用いて免疫沈降を行うものである。免疫沈降に際しては、超音波処理や制限酵素処理によって断片化したクロマチン断片を液相へ可溶化させ、抗体免疫沈降を行うことで、DNA断片が採取され、分析用のライブラリソースが形成される。ところが、この可溶化工程(核画分の可溶化工程とも称される)において、不溶性画分がしばしば発生する。可溶化されないクロマチン断片は採取不能なため、ライブラリソースに取り込まれず、分析対象から除外されてしまう。結果として得られる解析データは実際とはズレたものになってしまいかねず、得られる結果の信頼性を低下させてしまっているという問題点があった。 Furthermore, in the chromatin immunoprecipitation method, chromatin is fragmented by DNA cleavage using a restriction enzyme, and then immunoprecipitation is performed using an antibody targeting proteins such as histones. In the immunoprecipitation, the fragmented chromatin fragments are solubilized in a liquid phase by ultrasonication or restriction enzyme treatment, and antibody immunoprecipitation is performed to collect DNA fragments and form a library source for analysis. However, in this solubilization process (also called the nuclear fraction solubilization process), insoluble fractions are often generated. Since chromatin fragments that are not solubilized cannot be collected, they are not incorporated into the library source and are excluded from the analysis target. The resulting analysis data may be inaccurate from the actual data, which reduces the reliability of the results obtained.

本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、簡便かつ低コストで、解析データの信頼性に優れ、高精度にDNA配列相互作用を解析する手法およびこれを実現する分析用キットの提供を目的としている。The present invention has been made in consideration of the above-mentioned problems, and aims to provide a method for analyzing DNA sequence interactions that is simple, low-cost, has excellent reliability of analytical data, and is highly accurate, and an analytical kit for achieving this method.

[項目1]
三次元DNA構造におけるDNA配列の相互作用を分析する方法であって、
前記DNA配列中のDNA鎖に接する任意のタンパク質を選択して、前記任意のタンパク質の近傍のDNA鎖を特異的に切断するDNA切断ステップと、
前記DNA切断ステップによる切断で生じたDNA末端をライゲーションするライゲーションステップと、
前記ライゲーションされたDNA断片を選別する選別ステップと、
前記選別ステップにて選別されたDNA断片に対し塩基配列を決定する配列決定ステップと、
前期配列決定ステップの前にDNA断片に対しDNA構造の固定を解消する固定解消ステップとを含み、
前記DNA配列の相互作用を分析することを特徴とする三次元DNA構造相互作用分析方法。
[Item 1]
1. A method for analyzing interactions of DNA sequences in a three-dimensional DNA structure, comprising:
a DNA cleavage step of selecting an arbitrary protein adjacent to a DNA strand in the DNA sequence and specifically cleaving the DNA strand in the vicinity of the arbitrary protein;
a ligation step of ligating the DNA ends generated by the cleavage in the DNA cleavage step;
a selection step of selecting the ligated DNA fragments;
a sequencing step of determining a base sequence of the DNA fragment selected in the selection step;
and a defixation step of defixing the DNA structure of the DNA fragment prior to the sequencing step,
A method for analyzing three-dimensional DNA structure interactions, comprising analyzing the interactions of the DNA sequences.

[項目2]
前記DNA切断ステップによる切断によって生じたDNA末端に標識を付加する標識付加ステップを含んでおり、
前記選別ステップは、ライゲーションされたDNA断片を前記標識に基づいて選別することを特徴とする、項目1記載の三次元DNA構造相互作用分析方法。
[Item 2]
A labeling step of adding a label to the DNA end generated by the cleavage in the DNA cleavage step,
2. The method for three-dimensional DNA structure interaction analysis according to item 1, wherein the selection step selects the ligated DNA fragments based on the label.

[項目3]
前記選別ステップは、前記ライゲーションステップにてライゲーションされたDNA断片を、より短いDNA断片に断片化した後に、選別を行うことを特徴とする、項目1または2に記載の三次元DNA構造相互作用分析方法。
[Item 3]
3. The method for three-dimensional DNA structure interaction analysis according to item 1 or 2, wherein the selection step is performed after fragmenting the DNA fragments ligated in the ligation step into shorter DNA fragments.

[項目4]
前記配列決定ステップは、選別されたDNA断片に対し、増幅を行うと共に増幅産物の塩基配列を決定する配列決定を行うことを特徴とする、項目1から3のいずれかに記載の三次元DNA構造相互作用分析方法。
[Item 4]
The method for three-dimensional DNA structure interaction analysis according to any one of items 1 to 3, characterized in that the sequencing step comprises amplifying the selected DNA fragment and determining the base sequence of the amplified product.

[項目5]
前記選別ステップは、増幅されるDNA断片に対し、所定のアダプター配列を切断末端に付加することを特徴とする、項目4に記載の三次元DNA構造相互作用分析方法。
[Item 5]
5. The method for analyzing three-dimensional DNA structure interaction according to item 4, wherein the selection step comprises adding a predetermined adaptor sequence to the cut end of the amplified DNA fragment.

[項目6]
三次元DNA構造におけるDNA配列の相互作用を分析する方法であって、
前記DNA配列中のDNA鎖に接する任意のタンパク質を選択して、前記任意のタンパク質の近傍のDNA鎖を特異的に切断するDNA切断ステップと、
前記DNA切断ステップによる切断で生じたDNA末端をライゲーションするライゲーションステップと、
前記ライゲーションされたDNA断片を捕捉する捕捉ステップと、
前記捕捉ステップにより捕捉されたDNA断片に対しDNA構造の固定を解消する固定解消ステップと、
固定が解消された後のDNA断片に対し、塩基配列を決定する配列決定ステップとを含み、
前記DNA配列の相互作用を分析することを特徴とする三次元DNA構造相互作用分析方法。
[Item 6]
1. A method for analyzing interactions of DNA sequences in a three-dimensional DNA structure, comprising:
a DNA cleavage step of selecting an arbitrary protein adjacent to a DNA strand in the DNA sequence and specifically cleaving the DNA strand in the vicinity of the arbitrary protein;
a ligation step of ligating the DNA ends generated by the cleavage in the DNA cleavage step;
a capture step of capturing the ligated DNA fragments;
a fixation release step of releasing the fixation of the DNA structure of the DNA fragment captured in the capture step;
and a sequencing step of determining the base sequence of the DNA fragment after the fixation is released,
A method for analyzing three-dimensional DNA structure interactions, comprising analyzing the interactions of the DNA sequences.

[項目7]
三次元DNA構造におけるDNA配列の相互作用を分析する方法であって、
前記DNA配列中のDNA鎖に接する任意のタンパク質を選択して、前記任意のタンパク質の近傍のDNA鎖を特異的に切断するDNA切断ステップと、
前記DNA切断ステップによる切断で生じたDNA断片を捕捉する捕捉ステップと、
前記捕捉ステップにより捕捉されたDNA断片の末端をライゲーションするライゲーションステップと、
前記ライゲーションされたDNA断片に対しDNA構造の固定を解消する固定解消ステップと、
固定が解消された後のDNA断片に対し塩基配列を決定する配列決定ステップとを含み、
前記DNA配列の相互作用を分析することを特徴とする三次元DNA構造相互作用分析方法。
[Item 7]
1. A method for analyzing interactions of DNA sequences in a three-dimensional DNA structure, comprising:
a DNA cleavage step of selecting an arbitrary protein adjacent to a DNA strand in the DNA sequence and specifically cleaving the DNA strand in the vicinity of the arbitrary protein;
a capture step of capturing DNA fragments generated by cleavage in the DNA cleavage step;
a ligation step of ligating the ends of the DNA fragments captured in the capture step;
a defixation step of defixing the DNA structure of the ligated DNA fragments;
and a sequencing step of determining the base sequence of the DNA fragment after the fixation is released,
A method for analyzing three-dimensional DNA structure interactions, comprising analyzing the interactions of the DNA sequences.

[項目8]
前記配列決定ステップは、固定が解消された後のDNA断片に対し、増幅を行うと共に増幅産物の塩基配列を決定する配列決定を行うことを特徴とする、項目6または7に記載の三次元DNA構造相互作用分析方法。
[Item 8]
8. The three-dimensional DNA structure interaction analysis method according to item 6 or 7, wherein the sequencing step comprises amplifying the DNA fragments after the immobilization is released and determining the base sequence of the amplified product.

[項目9]
前記DNA切断ステップは、前記任意のタンパク質に一次抗体を結合させる一次抗体結合ステップと、前記一次抗体を介して前記任意のタンパク質にDNAを切断する酵素を結合させる酵素結合ステップとを含んでおり、
前記DNAを切断する酵素によって、前記任意のタンパク質の近傍のDNA鎖を特異的に切断することを特徴とする、項目1から8のいずれかに記載の三次元DNA構造相互作用分析方法。
[Item 9]
the DNA cleavage step includes a primary antibody binding step of binding a primary antibody to the arbitrary protein, and an enzyme binding step of binding an enzyme that cleaves DNA to the arbitrary protein via the primary antibody,
9. The method for three-dimensional DNA structure interaction analysis according to any one of items 1 to 8, characterized in that a DNA strand in the vicinity of the arbitrary protein is specifically cleaved by an enzyme that cleaves the DNA.

[項目10]
前記DNA切断ステップの前に、DNA構造を架橋によって固定化する架橋ステップを含む、項目1から9のいずれかに記載の三次元DNA構造相互作用分析方法。
[Item 10]
10. The three-dimensional DNA structure interaction analysis method according to any one of items 1 to 9, further comprising a cross-linking step of immobilizing the DNA structure by cross-linking prior to the DNA cleavage step.

[項目11]
三次元DNA構造におけるDNA配列の相互作用を分析するために用いられる分析用キットであって、
任意のタンパク質に結合する一次抗体と、
前記一次抗体に結合するDNA切断酵素と、
前記DNA切断酵素による切断によって生じるDNA末端を識別するための標識と、
標識されるDNA末端をライゲーションする酵素とを含むことを特徴とする、三次元DNA構造相互作用分析キット。
[Item 11]
1. An analytical kit for use in analyzing interactions of DNA sequences in a three-dimensional DNA structure, comprising:
A primary antibody that binds to a protein of interest;
A DNA cleaving enzyme that binds to the primary antibody;
a label for identifying a DNA end generated by cleavage with the DNA cleavage enzyme; and
and an enzyme for ligating labeled DNA ends.

本発明の方法によれば、解析対象のDNA領域に対し選択的で局所的なDNA切断(DNA断片化)を行って解析サンプルが作製されるので、解析対象となるDNA領域にフォーカスされ夾雑物の少ない高品質な解析サンプルが得られる。ゆえに、準備するサンプル量を低減することができ、場合によっては圧倒的に少なくすることができる。
また、ゲノムワイドな解析に基づいて相互作用を特定するHiC法と比べた場合には、本発明の方法では、目的のDNA領域に絞って配列間の相互作用の解析が可能となるので、必要な解析結果を得るまでの時間を大幅に短縮し得、迅速かつ低コストでの解析が可能となる。
また、増幅を行う場合であっても、従来法のように多量の夾雑物が混在するサンプルでは、PCR増幅工程において、大量に存在する他の断片も増幅されるため、解析対象のいずれの断片についてもシーケンスデータを得るには、仕込みサンプル量を大量に準備せねばならないが、本発明では、夾雑物が少ないことから、PCR増幅を行ってもノイズの増大が抑制できるため、信頼性の高い解析結果を得ることができる。
According to the method of the present invention, an analysis sample is prepared by selectively and locally cutting (fragmenting) the DNA region to be analyzed, so that a high-quality analysis sample with few contaminants can be obtained by focusing on the DNA region to be analyzed. Therefore, the amount of sample to be prepared can be reduced, and in some cases, can be reduced drastically.
Furthermore, compared with the HiC method, which identifies interactions based on genome-wide analysis, the method of the present invention makes it possible to analyze interactions between sequences by focusing on a target DNA region, thereby significantly shortening the time required to obtain the required analysis results and enabling rapid and low-cost analysis.
Furthermore, even when amplification is performed, in samples containing a large amount of impurities as in conventional methods, other fragments present in large quantities are also amplified in the PCR amplification process, and a large amount of sample must be prepared in order to obtain sequence data for any of the fragments to be analyzed. However, in the present invention, since the amount of impurities is small, an increase in noise can be suppressed even when PCR amplification is performed, and highly reliable analysis results can be obtained.

一実施形態において、本発明の方法を、DNA切断ステップが切断によって生じたDNA末端を選別するため標識を付加する標識付加ステップを含み、選別ステップにより、標識に基づいてライゲーションされたDNA断片を選別するようにした場合には、タンパク質に対する免疫沈降(クロマチン免疫沈降)によらず、DNA断片回収を成し得るので、クロマチン免疫沈降法で必要となる核画分の可溶化工程を不要とでき、不溶性画分の影響を排除できる。すなわち、全ゲノムが解析対象とされるHiChIP法等は従来のクロマチン免疫沈降を利用する解析手法であるが、核分画の可溶化工程において生じる不溶性画分の影響から、解析不能となる領域の発生を完全に回避することが困難である。このため、得られたシーケンス結果から相互作用を解析すると、場合によっては解析結果の信頼性が低下してしまう。しかし、本発明を、標識付加ステップを設けて構成した場合には、クロマチン免疫沈降法におけるような不溶性画分の影響を排除できるため、より、一層信頼性の高い解析結果を得ることができる。In one embodiment, when the method of the present invention includes a labeling step in which the DNA cleavage step adds a label to select the DNA end generated by cleavage, and the selection step selects the ligated DNA fragment based on the label, the DNA fragment can be recovered without immunoprecipitation (chromatin immunoprecipitation) for proteins, making it possible to eliminate the need for the nuclear fraction solubilization step required in the chromatin immunoprecipitation method and eliminating the influence of the insoluble fraction. That is, the HiChIP method, in which the whole genome is analyzed, is a conventional analytical method that uses chromatin immunoprecipitation, but it is difficult to completely avoid the occurrence of regions that cannot be analyzed due to the influence of the insoluble fraction generated in the nuclear fraction solubilization step. For this reason, when analyzing interactions from the obtained sequence results, the reliability of the analytical results may decrease in some cases. However, when the present invention is configured with a labeling step, the influence of the insoluble fraction as in the chromatin immunoprecipitation method can be eliminated, and more reliable analytical results can be obtained.

図1は、一例として、本発明の方法のフローチャートを示す。FIG. 1 shows, by way of example, a flow chart of the method of the invention. 図2は、H3K4me3が存在するクロマチン領域の相互作用のヒートマップを示す。縦・横軸はそれぞれ第1染色体から第23染色体を示し、遺伝子領域が並行している。図2中においては縦横の直線によって各染色体に対応する領域を区分しており、同染色体の同遺伝子領域は対角線で示す。検出された異なる遺伝子領域の相互作用は、点で表され、クロマチン領域の相互作用の度合いは、ヒートマップ上の点の密度に基づくグレースケールの濃淡で示されている。Figure 2 shows a heat map of interactions of chromatin regions containing H3K4me3. The vertical and horizontal axes show chromosomes 1 to 23, respectively, with gene regions arranged in parallel. In Figure 2, the regions corresponding to each chromosome are divided by vertical and horizontal lines, and the same gene region of the same chromosome is shown by a diagonal line. The interactions of different gene regions detected are represented by dots, and the degree of interaction of chromatin regions is shown by grayscale shading based on the density of the dots on the heat map. 図3は、一例として解析された、ゲノム上におけるH3K4me3の局在およびH3K4me3が存在するクロマチン領域間の相互作用を示す。最上部にはゲノム上の位置が数字で示されており、上列は、既知のCUT&RUN法(Skene et al., 2018)を実施して得た結果において解析されたH3K4me3の局在を示した分布図である。中列および下列は、本願実施例1により得られた結果であって、中列はH3K4me3の局在を示した分布図であり、下列にはH3K4me3が存在するクロマチン領域間の相互作用をループ状で示す。下列の下方には、第7染色体中の遺伝子(FBXL18、MIR589、ACTB)の位置が表示されており、遺伝子名称の右側にマーキングされた範囲が対応する遺伝子の存在位置を示している。FIG. 3 shows the localization of H3K4me3 on the genome and the interaction between chromatin regions where H3K4me3 is present, analyzed as an example. At the top, the position on the genome is indicated by numbers, and the top row is a distribution map showing the localization of H3K4me3 analyzed in the results obtained by carrying out the known CUT&RUN method (Skene et al., 2018). The middle and bottom rows are the results obtained by Example 1 of the present application, and the middle row is a distribution map showing the localization of H3K4me3, and the bottom row shows the interaction between chromatin regions where H3K4me3 is present in a loop shape. Below the bottom row, the positions of genes (FBXL18, MIR589, ACTB) in chromosome 7 are displayed, and the range marked to the right of the gene name indicates the location of the corresponding gene. 図4は、図3の部分的な拡大図である。FIG. 4 is a partially enlarged view of FIG. 図5は、図3の部分的な拡大図である。FIG. 5 is a partially enlarged view of FIG. 図6は、CTCFが存在するクロマチン領域の相互作用のヒートマップを示す。縦・横軸はそれぞれ第1染色体から第23染色体を示し、遺伝子領域が並行している。図6中においては縦横の直線によって各染色体に対応する領域を区分しており、同染色体の同遺伝子領域は対角線で示す。検出された異なる遺伝子領域の相互作用は、点で表され、クロマチン領域の相互作用の度合いは、ヒートマップ上のグレースケールの濃淡で示されている。Figure 6 shows a heat map of interactions of chromatin regions containing CTCF. The vertical and horizontal axes show chromosomes 1 to 23, respectively, with gene regions arranged in parallel. In Figure 6, the regions corresponding to each chromosome are divided by vertical and horizontal lines, and the same gene region on the same chromosome is shown by a diagonal line. The interactions of different gene regions detected are represented by dots, and the degree of interaction of chromatin regions is shown by the grayscale shading on the heat map. 図7は、一例として解析された、ゲノム上におけるCTCFの局在およびCTCFが存在するクロマチン領域間の相互作用を示す。最上部にはゲノム上の位置が数字で示されており、上列は、本願実施例2により得られたCTCFの局在を示した分布図である。中列は、Jaspar Transcription Factor Databaseにより特定されたゲノム上に存在するCTCF結合サイトを示しており、ゲノム上の配列の方向性に応じ、一方の方向のものに下線を付して示している。下列は、本願実施例2により得られたCTCFが存在するクロマチン領域間の相互作用をループ状で示す。下列の下方には、第7染色体中の遺伝子(FBXL18、MIR589、ACTB)の位置が表示されており、遺伝子名称の右側にマーキングされた範囲が対応する遺伝子の存在位置を示している。FIG. 7 shows the localization of CTCF on the genome and the interaction between chromatin regions where CTCF is present, analyzed as an example. The top part shows the position on the genome with numbers, and the top row is a distribution map showing the localization of CTCF obtained in Example 2 of the present application. The middle row shows the CTCF binding sites present on the genome identified by the Jaspar Transcription Factor Database, and those in one direction are underlined according to the direction of the sequence on the genome. The bottom row shows the interaction between chromatin regions where CTCF is present, obtained in Example 2 of the present application, in the form of a loop. Below the bottom row, the positions of genes (FBXL18, MIR589, ACTB) in chromosome 7 are displayed, and the range marked to the right of the gene name indicates the position of the corresponding gene. 図8は、図7の部分的な拡大図である。FIG. 8 is a partially enlarged view of FIG. 図9は、図7の部分的な拡大図である。FIG. 9 is a partially enlarged view of FIG. 図10は、一例として解析された、ゲノム上におけるCTCFの局在およびCTCFが存在するクロマチン領域間の相互作用を示す。最上部にはゲノム上の位置が数字で示されており、上列は、既知のCUT&RUN法(Skene et al., 2018)を実施して得た結果において解析されたCTCFの局在を示した分布図である。中列は、Jaspar Transcription Factor Databaseにより特定されたゲノム上に存在するCTCF結合サイトを示しており、ゲノム上の配列の方向性に応じ、一方の方向のものに下線を付して示している。下列は、本願実施例3により得られたCTCFの局在を示した分布図と共に、CTCFの局在箇所の下に、本願実施例3により得られたCTCFが存在するクロマチン領域間の相互作用をループ状で示す。下列の更に下方には、第7染色体中の遺伝子(FBXL18、MIR589、ACTB)の位置が表示されており、遺伝子名称の右側にマーキングされた範囲が対応する遺伝子の存在位置を示している。FIG. 10 shows the localization of CTCF on the genome and the interaction between chromatin regions in which CTCF is present, analyzed as an example. At the top, the position on the genome is indicated by numbers, and the top row is a distribution map showing the localization of CTCF analyzed in the results obtained by carrying out the known CUT&RUN method (Skene et al., 2018). The middle row shows the CTCF binding sites present on the genome identified by the Jaspar Transcription Factor Database, and those in one direction are underlined according to the direction of the sequence on the genome. The bottom row shows the interaction between chromatin regions in which CTCF is present obtained by Example 3 of the present application in a loop shape below the localization of CTCF, together with a distribution map showing the localization of CTCF obtained by Example 3 of the present application. Further below the bottom row, the positions of genes (FBXL18, MIR589, ACTB) in chromosome 7 are displayed, and the range marked to the right of the gene name indicates the position of the corresponding gene. 図11は、図10の部分的な拡大図である。FIG. 11 is a partially enlarged view of FIG. 図12は、図10の部分的な拡大図である。FIG. 12 is a partially enlarged view of FIG.

本発明は、DNAの三次元構造に基づくDNA配列の相互作用を分析する方法およびこれを実現する分析用キットである。The present invention is a method for analyzing interactions of DNA sequences based on the three-dimensional structure of DNA and an analytical kit for achieving this method.

本発明において、DNAの三次元構造とは、DNA二重らせんが形成する高次構造、例えばループ及び折り畳みを有する構造を意味する。これらの構造体は、DNAのみから成ってもよく、又はタンパク質などの他の分子を含んでもよい。DNAとタンパク質複合体のクロマチンも含まれる概念である。クロマチンの主要な機能は、細胞内に収まるように、DNAを小さな体積にパッケージすることに加え、遺伝子発現、DNA複製及び修復を制御することといわれている。クロマチンの最も豊富なタンパク質成分は、DNAを凝縮させるヒストンである。In the present invention, the three-dimensional structure of DNA refers to the higher-order structures formed by the DNA double helix, such as structures with loops and folds. These structures may consist of DNA alone or may contain other molecules such as proteins. The concept also includes the DNA-protein complex chromatin. The main function of chromatin is said to be to package DNA into a small volume that fits inside the cell, as well as to control gene expression, DNA replication and repair. The most abundant protein components of chromatin are histones, which condense DNA.

近年、トポロジカルドメイン(以下、適宜「TD」と称す)と称される、大きなメガベースサイズの局所的クロマチン相互作用ドメインが同定されている。これらのドメインは、ヘテロクロマチンの広がりを制限するゲノムの領域と相関する。このドメインは、異なる細胞型にわたって安定であり、種を超えて高度に保存されている。トポロジカルドメインはまた、互いに相互作用する。本発明においては、このトポロジカルドメイン内のみならず、トポロジカルドメイン間のDNA配列相互作用についても分析対象としている。Recently, large megabase-sized local chromatin interaction domains, called topological domains (hereinafter referred to as "TDs"), have been identified. These domains correlate with regions of the genome that limit the spread of heterochromatin. These domains are stable across different cell types and are highly conserved across species. Topological domains also interact with each other. In the present invention, we analyze DNA sequence interactions not only within topological domains but also between topological domains.

このような三次元構造に起因して、ゲノムDNAの配列各部の空間的な配置(遠近)を一次元の直線配列から完全に予測することは困難となっている。つまり、DNA配列のある領域に着目すると、その領域に対し空間的に近傍に位置しているDNA配列は、一次元直線配列としては遠隔に位置する配列であるといったことが往々に生じている。遺伝子発現などは、DNA配列の相互作用によって調整されると推定されており、DNA配列の空間的な遠近は重要な情報になっている。DNA配列の相互作用または三次元DNA構造相互作用は、例えば、三次元構造におけるDNA配列間の空間的な配置(例えば遠近)を表す。Due to such a three-dimensional structure, it is difficult to completely predict the spatial arrangement (perspective) of each part of a genomic DNA sequence from a one-dimensional linear sequence. In other words, when focusing on a certain region of a DNA sequence, it is often the case that a DNA sequence located spatially close to that region is a sequence located far away in a one-dimensional linear sequence. It is presumed that gene expression is regulated by the interaction of DNA sequences, and the spatial perspective of DNA sequences is important information. DNA sequence interaction or three-dimensional DNA structure interaction represents, for example, the spatial arrangement (e.g., perspective) between DNA sequences in a three-dimensional structure.

本発明の方法は、DNA鎖に結合、複合化または付着する各種タンパク質のうち、予め選択した任意のタンパク質の近傍のDNA鎖(目的のDNA領域)を特異的に切断する切断ステップと、その切断で生じたDNA末端をライゲーションすることで、(ゲノム上の座位は離れているが)空間的に近接するDNA配列が横並びとなった配列(DNAペア)を作製するライゲーションステップと、作製されたDNAペアを選別する選別ステップまたはライゲーションされたDNA断片もしくはDNA切断ステップによる切断で生じたDNA断片を(結合するタンパク質分子に基づいて)捕捉する捕捉ステップの少なくともいずれか一方と、固定解消ステップと、DNAペアを所望により増幅し、塩基配列を決定する配列決定ステップとを、任意の順序で、含むことができる。尚、目的のDNA領域とは、任意のタンパク質の近傍のDNA鎖の部分であって、解析対象となるDNA領域である。以下、各ステップについて説明する。The method of the present invention can include, in any order, a cleavage step for specifically cleaving a DNA strand (a target DNA region) near a preselected arbitrary protein among various proteins that bind, complex, or attach to a DNA strand, a ligation step for ligating the DNA ends resulting from the cleavage to create a sequence (DNA pair) in which spatially adjacent DNA sequences (although their loci on the genome are separated) are arranged side by side, a selection step for selecting the created DNA pair or a capture step for capturing (based on the protein molecules that bind) the ligated DNA fragments or the DNA fragments produced by the cleavage in the DNA cleavage step, a fixation release step, and a sequencing step for amplifying the DNA pair as desired and determining the base sequence. The target DNA region is a portion of the DNA strand near the arbitrary protein, and is the DNA region to be analyzed. Each step will be described below.

なお、本発明は、切断ステップの前に、細胞内の高次構造を人為的操作によって固定する架橋ステップを設けて構成してもよい。 The present invention may also be configured to include a crosslinking step prior to the cleavage step, in which the higher-order structure within the cell is fixed by artificial manipulation.

(架橋ステップ)
架橋ステップは、細胞核内におけるDNA配列の空間配置を固定するための処置である。例えば、ホルムアルデヒドは、タンパク質と核酸、あるいは1のタンパク質と他の近隣のタンパク質とを架橋するために使用し得る。プロモータとエンハンサーとの関係等、相互作用する塩基配列は、多くの場合、特定のタンパク質と接しており、タンパク質を介して近接している。言い換えれば、DNAの高次構造は、多くの場合、タンパク質が関わって形成されている。このため、ホルムアルデヒドを用いてDNAとこれに接するタンパク質とを固定すること(架橋)でDNA配列の空間構造が固定される。
(Cross-linking step)
The crosslinking step is a treatment for fixing the spatial arrangement of DNA sequences in the cell nucleus. For example, formaldehyde can be used to crosslink proteins and nucleic acids, or one protein and another nearby protein. Interacting base sequences, such as promoters and enhancers, are often in contact with specific proteins and are in close proximity through the proteins. In other words, the higher-order structure of DNA is often formed with the involvement of proteins. For this reason, the spatial structure of the DNA sequence is fixed by fixing (crosslinking) the DNA and the proteins in contact with it using formaldehyde.

本発明において使用し得るDNAを架橋する薬剤の例としては、ホルムアルデヒドに加え、例えば、EGS(ethylene glycol bis(succinimidyl succinate))、DSG(disuccinimidyl glutarate)が挙げられる。 Examples of agents that cross-link DNA and can be used in the present invention include, in addition to formaldehyde, EGS (ethylene glycol bis(succinimidyl succinate)) and DSG (disuccinimidyl glutarate).

ホルムアルデヒドを用いれば、比較的短い距離、例えば約2Åを橋渡しする架橋を形成し、それによって、DNA配列間の密接な相互作用について解析するためのDNAペアを形成することができることとなる。Formaldehyde can be used to form cross-links that span relatively short distances, e.g., about 2 Å, thereby allowing the formation of DNA pairs that can be used to analyze close interactions between DNA sequences.

ホルムアルデヒド架橋は、直接相互作用し合う二つの配列の検出に好適な手法であるが、ホルムアルデヒドはゼロレングス架橋剤と称されるものであり、極めて近い距離でコンタクトする配列しかDNAペアを作製することができない。このため、ホルムアルデヒドに代えて、EGS(16.1Å)又はDSG(7.7Å)など比較的長い架橋剤を用いれば、より複雑な高次構造を有する大型タンパク質複合体を捕捉でき、ホルムアルデヒドで架橋可能な距離よりも離れて座するDNA配列間の相互作用を検出するためのDNAペアを作製することができる。Formaldehyde cross-linking is a suitable method for detecting two sequences that directly interact with each other, but formaldehyde is a so-called zero-length cross-linking agent, and it can only create DNA pairs with sequences that are in very close contact. Therefore, by using a relatively long cross-linking agent such as EGS (16.1 Å) or DSG (7.7 Å) instead of formaldehyde, it is possible to capture large protein complexes with more complex higher-order structures and create DNA pairs for detecting interactions between DNA sequences located farther apart than can be cross-linked with formaldehyde.

この架橋ステップは、例えば、氷上冷却から37℃の範囲の環境において、0.05vol%~4vol%のホルムアルデヒド溶液中で細胞をインキュベートすることによって行ってもよく、より好適には、0.5vol%~2.5vol%、更に好適には1vol%~2vol%のホルムアルデヒド溶液中でインキュベートすることによって行っても良い。インキュベート時間は30秒~16時間であり、好適には、5分~30分であり、より好適には10分~15分である。なお、このような架橋ステップを設けた場合は、高次構造を十分に固定してDNA配列の位置関係を的確に固定し、この後のステップにて得られるDNAペアの精度を向上させることができる。This cross-linking step may be performed, for example, by incubating the cells in a 0.05% to 4% formaldehyde solution, more preferably in a 0.5% to 2.5% formaldehyde solution, and even more preferably in a 1% to 2% formaldehyde solution, in an environment ranging from ice cooling to 37°C. The incubation time is 30 seconds to 16 hours, preferably 5 minutes to 30 minutes, and more preferably 10 minutes to 15 minutes. When such a cross-linking step is performed, the higher-order structure is sufficiently fixed to accurately fix the positional relationship of the DNA sequence, thereby improving the accuracy of the DNA pair obtained in the subsequent steps.

(切断ステップ)
切断ステップは、主に、予め選択したタンパク質(標的タンパク質)が接するDNA配列において当該タンパク質近傍のDNA鎖を、酵素を用いて切断するステップである。この切断ステップに際しては、酵素の透過性を高め、細胞核内に存在するDNAの切断を良好に行うべく、核膜の透過処理を実施しても良い。
(Cutting Step)
The cleavage step is a step of mainly cleaving a DNA strand near a preselected protein (target protein) in a DNA sequence to which the protein is in contact, using an enzyme. During this cleavage step, permeabilization of the nuclear membrane may be performed to increase the permeability of the enzyme and to facilitate cleavage of DNA present in the cell nucleus.

透過処理には、界面活性剤が用いられる。好適には、非イオン性または両イオン性の界面活性剤が用いられる。かかる界面活性剤の例としては、例えば、ジギトニン、オクチルフェノールエトキシレート類(商品名:トリトンX100、トリトンX114、ノニデットP40等)、n-ドデシル-β-D-マルトシド(DDM)、ポリオキシエチレンソルビタンモノラウレート(ツイン20)、ポリオキシエチレンソルビタンモノオレエート(ツイン80)、3-[(3-コールアミドプロピル)ジメチルアンモニオ]-1-プロパンスルホナート(商品名CHAPS)等が挙げられるがこれらに限られるものではない。界面活性剤を用いた透過処理の前または後において、液体窒素を用いて細胞を処理してもよい。A surfactant is used for the permeabilization treatment. Preferably, a nonionic or zwitterionic surfactant is used. Examples of such surfactants include, but are not limited to, digitonin, octylphenol ethoxylates (trade names: Triton X100, Triton X114, Nonidet P40, etc.), n-dodecyl-β-D-maltoside (DDM), polyoxyethylene sorbitan monolaurate (Tween 20), polyoxyethylene sorbitan monooleate (Tween 80), 3-[(3-cholamidopropyl)dimethylammonio]-1-propanesulfonate (trade name CHAPS), etc. Cells may be treated with liquid nitrogen before or after permeabilization using a surfactant.

この切断ステップにおいては、相互作用するDNA配列に接するタンパク質、例えば、相互作用する一方または双方のDNA配列に会合し、または複合体を形成し、あるいは付着して、これらのDNA配列に対し空間的に近傍に位置するタンパク質を標的とする。In this cleavage step, proteins adjacent to the interacting DNA sequences are targeted, e.g., proteins that associate with, form complexes with, or are attached to one or both of the interacting DNA sequences and are spatially proximate to these DNA sequences.

かかるタンパク質としては、クロマチン(DNA鎖)に接する各種のタンパク質を対象とすることができるものであり、分析対象に応じて適宜選定されるものである。その一例としては、例えば、DNAの三次元構造形成に密接に関与していることが知られているタンパク質として、CTCFが例示され、RNAの転写に関与するタンパク質としてRNAポリメラーゼII、ヌクレオソーム構造に必須であるヒストンH3,ヒストンH4、ヒストンH2A、ヒストンH2Bが挙げられるがこれらに限られるものでない。Such proteins can be any of various proteins that come into contact with chromatin (DNA chains) and are appropriately selected depending on the subject of analysis. Examples of such proteins include CTCF, a protein known to be closely involved in the formation of the three-dimensional structure of DNA, and RNA polymerase II, which is involved in the transcription of RNA, and histone H3, histone H4, histone H2A, and histone H2B, which are essential for the nucleosome structure, but are not limited to these.

そして、選定されたタンパク質(標的タンパク質)に直接結合する一次抗体が準備される。かかる一次抗体としては、標的タンパク質に対応するモノクローナル抗体やポリクローナル抗体であるが、例えば、上記に例示したタンパク質に対応するものとして、CTCF、RNAポリメラーゼII、ヒストンH3,ヒストンH4、ヒストンH2A、ヒストンH2Bなどに対するモノクローナル抗体が用いられる。また、当該抗体は、必ずしも、完全な抗体である必要はなく、同様の機能を有する抗体の機能的断片、例えば標的タンパク質に結合する機能を有する断片であってもよい。Then, a primary antibody that directly binds to the selected protein (target protein) is prepared. Such a primary antibody may be a monoclonal or polyclonal antibody that corresponds to the target protein. For example, monoclonal antibodies against CTCF, RNA polymerase II, histone H3, histone H4, histone H2A, histone H2B, etc., that correspond to the proteins exemplified above are used. Furthermore, the antibody does not necessarily have to be a complete antibody, and may be a functional fragment of an antibody that has a similar function, for example, a fragment that has the function of binding to the target protein.

切断ステップでは、上記標的タンパク質を捕捉した一次抗体を介して標的タンパク質に結合する酵素、換言すれば、一次抗体を介してDNA鎖に結合する酵素によって、DNA切断が行われる。なお、酵素が一次抗体を介してDNA鎖に結合するとは、DNA鎖に付着、結合する標的タンパク質に直接結合する一次抗体に、直接的または間接的に酵素が結合することを意味している。かかる酵素は、標的タンパク質の近傍位置のDNA鎖を切断する能力を有するものであれば、公知のものを適宜選択して使用する事ができ、例えば、ミクロコッカルヌクレアーゼ(MNase)、ディーエヌアーゼI(DNaseI)、トランスポザーゼ(transposase)などの各種エンドヌクレアーゼや、ヒンディースリー(HindIII)、MboI、DpnIIなどの各種制限酵素が例示できるがこれらに限られるものではない。好適には、配列非特異的に切断を行うエンドヌクレアーゼが用いられ、より好適には、MNaseが用いられる。なお、近傍とは標的タンパク質の位置から1000bp以内、例えば、900bp以内、800bp以内、700bp以内、600bp以内、500bp以内、400bp以内、300bp以内、200bp以内、好ましくは200bp以内を意味し、例えば、トランスポザーゼ、MNase、DNaseI、HindIII、MboI、DpnIIを用いれば、標的タンパク質の位置から1000bp以内を切断でき、また、MNase、DNaseI、HindIII、MboI、DpnIIを用いれば、標的タンパク質の位置から200bp以内を切断することができる。In the cleavage step, DNA cleavage is performed by an enzyme that binds to the target protein via the primary antibody that has captured the target protein, in other words, an enzyme that binds to the DNA strand via the primary antibody. The enzyme binds to the DNA strand via the primary antibody means that the enzyme binds directly or indirectly to the primary antibody that directly binds to the target protein that is attached to and bound to the DNA strand. Any known enzyme can be appropriately selected and used as long as it has the ability to cleave the DNA strand in the vicinity of the target protein. Examples of such enzymes include, but are not limited to, various endonucleases such as micrococcal nuclease (MNase), DNAse I (DNaseI), and transposase, and various restriction enzymes such as HindIII, MboI, and DpnII. Preferably, an endonuclease that performs non-specific cleavage is used, and more preferably, MNase is used. Here, "vicinity" means within 1000 bp from the position of the target protein, for example, within 900 bp, 800 bp, 700 bp, 600 bp, 500 bp, 400 bp, 300 bp, or 200 bp, preferably within 200 bp. For example, transposase, MNase, DNase I, HindIII, MboI, or DpnII can be used to cleave within 1000 bp from the position of the target protein, and MNase, DNase I, HindIII, MboI, or DpnII can be used to cleave within 200 bp from the position of the target protein.

この切断ステップによって、切断酵素の特性に応じた塩基長のDNA断片を取得でき、例えばMNaseを用いた場合には、200bp程度(モノヌクレオソームサイズ程度)のDNA断片を取得できる。なお、得られるDNA断片長は、切断ステップの実施条件に応じて変化し、モノヌクレオソームサイズのものに、その倍数のものが含まれたものとなり得る。This cleavage step allows the acquisition of DNA fragments with base lengths according to the characteristics of the cleavage enzyme; for example, when MNase is used, DNA fragments of about 200 bp (approximately mononucleosome size) can be obtained. The length of the DNA fragments obtained varies depending on the conditions under which the cleavage step is performed, and may include mononucleosome-sized fragments as well as multiples of mononucleosome-sized fragments.

当該酵素が、DNA切断能を保有していても、抗体への結合能を本来的に有していない場合には、抗体結合能が酵素に付与された後に、切断ステップに用いられる。酵素に抗体結合能を付与する方法としては、各種方法を用いる事が可能であり、例えば、抗体のFc領域に高い親和性を示すタンパク質を、使用する酵素に融合した融合タンパク質とすることで抗体結合能を付与する事や、上述した一次抗体に特異的に結合する二次抗体に対し各種の化学反応で酵素を複合化する方法などが例示される。この抗体に親和性を示すタンパク質としては各種の公知のタンパク質を用いる事ができ、例えば、プロテインA、プロテインG、プロテインLが例示できるが、これらに限られるものではない。 If the enzyme has DNA cleavage ability but does not inherently have antibody binding ability, it is used in the cleavage step after being given antibody binding ability. Various methods can be used to give antibody binding ability to the enzyme, such as a fusion protein in which a protein that shows high affinity to the Fc region of an antibody is fused to the enzyme to be used to give antibody binding ability, or a method in which an enzyme is complexed with a secondary antibody that specifically binds to the above-mentioned primary antibody through various chemical reactions. Various known proteins can be used as proteins that show affinity to this antibody, such as protein A, protein G, and protein L, but are not limited to these.

プロテインAなどのタンパク質と酵素との融合反応としては、公知方法を適宜用いる事ができ、例えば、過ヨウ素酸法、グルタルアルデヒド法、マレイミド法、NHS(N-ヒドロキシスクシンイミド)法を用いることができるがこの限りでない。 For the fusion reaction between a protein such as protein A and an enzyme, any known method can be used as appropriate, including, but not limited to, the periodic acid method, glutaraldehyde method, maleimide method, and NHS (N-hydroxysuccinimide) method.

また、生物工学的手法を用いて融合タンパク質を生成することもできる。具体的には、融合タンパク質を産生するベクター(プラスミド)に切断酵素の配列をコードする遺伝子を導入してベクターを構築し、又は、すでに構築されたベクターを、大腸菌に導入し、形質転換された大腸菌を培養すると共に、融合タンパク質の発現を誘導すれば、目的の融合タンパク質を生成することができる。Fusion proteins can also be produced using bioengineering techniques. Specifically, a gene encoding the sequence of a cleavage enzyme can be introduced into a vector (plasmid) that produces a fusion protein to construct a vector, or an already constructed vector can be introduced into E. coli, and the transformed E. coli can be cultured while inducing expression of the fusion protein, to produce the desired fusion protein.

例えば、プロテインAとMNaseとの融合タンパク質(pA-MN)であれば、公知のベクターpK19pA-MN等を用いて調整する事ができる。また、公知のプラスミドpET21a等にプロテインAおよびMNaseをコードするDNAを導入してpA-MNの発現ベクターを構築し、これを用いて調整できる。この場合においては、発現させたpA-MNを可溶性とすることができ、大腸菌を破砕することによってできた懸濁液を、遠心分離すれば、pA-MNは得られる上清中に含まれる。そして、この上清中からpA-MNをIgG-セファロースビーズ等にて吸着、洗浄、溶出の操作を経ることで回収することができる。For example, a fusion protein of Protein A and MNase (pA-MN) can be prepared using a known vector such as pK19pA-MN. Alternatively, DNA encoding Protein A and MNase can be introduced into a known plasmid such as pET21a to construct an expression vector for pA-MN, which can then be used to prepare the protein. In this case, the expressed pA-MN can be made soluble, and when a suspension produced by disrupting E. coli is centrifuged, the pA-MN is contained in the resulting supernatant. The pA-MN can then be recovered from the supernatant by adsorption using IgG-Sepharose beads or the like, followed by washing and elution.

本切断ステップで、DNA鎖に一次抗体を介して酵素を結合させる手順としては、1)DNA断片に一次抗体を加えた後、一次抗体に結合能を有する酵素を逐次的に添加し、一次抗体に酵素を結合させる。2)一次抗体と酵素とを予め結合させたものを加えることにより標的タンパク質の捕捉と共に一次抗体を介したDNA鎖への酵素の結合を行う。3)一次抗体添加後に二次抗体を加え、この二次抗体に対する結合能を有する酵素を加える。4)一次抗体添加後に、二次抗体と酵素とを予め結合させたものを加える等のいずれかの手順で実施されてよい。なお、一次抗体と酵素とを予め結合させたものをDNA断片に加える手法の場合には、項目9に記載の一次抗体結合ステップと酵素結合ステップとは一度に実施されることとなる。In this cleavage step, the procedure for binding the enzyme to the DNA strand via the primary antibody may be as follows: 1) After adding the primary antibody to the DNA fragment, an enzyme capable of binding to the primary antibody is sequentially added, and the enzyme is bound to the primary antibody. 2) A primary antibody and an enzyme that have been previously bound to each other are added to capture the target protein and bind the enzyme to the DNA strand via the primary antibody. 3) After adding the primary antibody, a secondary antibody is added, and an enzyme that has the ability to bind to this secondary antibody is added. 4) After adding the primary antibody, a secondary antibody and an enzyme that have been previously bound to each other are added. In the case of a method in which a primary antibody and an enzyme that have been previously bound to each other are added to the DNA fragment, the primary antibody binding step and the enzyme binding step described in item 9 are performed at the same time.

なお、上記の酵素には、DNA鎖の切断のタイミング(酵素活性)を容易に調整できるものが好適に用いられる。酵素活性の調整方法としては、反応温度、光照射、金属イオン濃度などが例示できる。より、好適には、反応のオンオフの切り替えが容易な金属イオンをエフェクターとするものが選択される。具体的には、例えば、カルシウムイオン依存性のものとしてMNaseやDNaseIが例示でき、マグネシウムイオン依存性のものとしてトランスポザーゼが例示できる。かかる酵素では、対応するイオンが添加されたタイミングでDNA切断が実行される。 The above enzymes are preferably those that can easily adjust the timing of DNA strand cleavage (enzyme activity). Examples of methods for adjusting enzyme activity include reaction temperature, light irradiation, and metal ion concentration. Therefore, it is preferable to select an enzyme that uses a metal ion as an effector, which allows easy on-off switching of the reaction. Specifically, examples of calcium ion-dependent enzymes include MNase and DNase I, and an example of magnesium ion-dependent enzymes includes transposase. With such enzymes, DNA cleavage is performed when the corresponding ion is added.

この切断ステップによって、予め選択した任意の標的タンパク質の近傍のDNA鎖が切断され、この後のライゲーションステップにて近接する切断端を結合させると、ゲノム上の配列とは異なる並びの配列となるDNAペアが作製される。This cleavage step cuts the DNA strand near any preselected target protein, and the adjacent cut ends are then joined in the subsequent ligation step to create a DNA pair with a different sequence than the sequence on the genome.

本発明では、この切断ステップは、ゲノムワイドにランダムな切断を行うのではなく、標的タンパク質特異的に切断が行われる。このため、得られるDNAペアの一群(DNAライブラリ)は、従来のゲノムワイドにランダム切断して得られるDNAライブラリと比べて、高濃度に(原理上は、得られるDNAペア全て)所望の解析対象のDNA配列が存在するものとなる。つまり、ノイズとなる不要なDNA断片(ライゲーション副生成物、夾雑物)が極めて少ない高品質な分析サンプルを供し得ることとなる。In the present invention, this cleavage step does not involve genome-wide random cleavage, but rather involves target protein-specific cleavage. Therefore, the resulting group of DNA pairs (DNA library) contains the desired DNA sequence to be analyzed at a high concentration (in principle, all of the resulting DNA pairs) compared to DNA libraries obtained by conventional genome-wide random cleavage. In other words, it is possible to provide a high-quality analysis sample with extremely little unnecessary DNA fragments (ligation by-products, impurities) that become noise.

従来のHiC法等では、シーケンス後のデータ解析で、意図しないDNAペアの情報を削除し解析データの精度向上を図っており、また、最終データの精度向上のためにシーケンスを膨大なリード数によって実行し、これを実現するために相当量の細胞数が必要となっている。一方、本発明は、シーケンスを行うDNAライブラリそのものの品質を向上させることで、データ信頼性を向上させるのである。このため、分析に必要な細胞数を抑制して、少量サンプルでの解析を可能とできる。また、増幅を行う場合であっても、分析サンプル中に含まれる目的物のDNAペアの割合が極めて高いため、夾雑物によるPCR時の増幅バイヤスの影響を抑制できる。更に、不要なDNA断片のリードを抑制でき、分析にかかる労力、コストを大幅に低減できる。In the conventional HiC method, the data analysis after sequencing removes information on unintended DNA pairs to improve the accuracy of the analysis data. In addition, in order to improve the accuracy of the final data, sequencing is performed with a huge number of reads, and a considerable number of cells is required to achieve this. On the other hand, the present invention improves the quality of the DNA library itself used for sequencing, thereby improving the reliability of the data. Therefore, it is possible to reduce the number of cells required for analysis and perform analysis with a small amount of sample. Even when amplification is performed, the proportion of the target DNA pair contained in the analysis sample is extremely high, so the influence of amplification bias during PCR due to impurities can be suppressed. Furthermore, it is possible to suppress the reading of unnecessary DNA fragments, and the labor and cost required for analysis can be significantly reduced.

なお、DNAペアを効率的に選別し濃縮するため、切断末端に、例えばビオチンを標識として付加する標識付加ステップを設けてもよい。本発明において、より好適には、免疫沈降法を用いずにDNAペアを濃縮するべく、この標識付加ステップを設ける事が望ましい。この標識付加ステップは、後述する選別ステップの前までに設けられればよい。このため、例えば、切断ステップに続けて設けてもよく、ライゲーションステップにおいてライゲーションと共に行われるように設けてもよい。このように、標識付加ステップを設ければ、ビオチン等の標識によって解析対象のDNAペアを濃縮できる。言い換えれば、免疫沈降法によらずに、必要なDNAペアを濃縮できるので、免疫沈降法において必要となる核画分の可溶化を行う必要がなく、形成されるDNAライブラリの品質をより一層向上させることができる。In addition, in order to efficiently select and concentrate DNA pairs, a labeling step may be provided in which, for example, biotin is added as a label to the cut ends. In the present invention, it is more preferable to provide this labeling step in order to concentrate DNA pairs without using immunoprecipitation. This labeling step may be provided before the selection step described below. For this reason, for example, it may be provided following the cleavage step, or may be provided so as to be performed together with ligation in the ligation step. In this way, by providing a labeling step, the DNA pairs to be analyzed can be concentrated by a label such as biotin. In other words, since the necessary DNA pairs can be concentrated without using immunoprecipitation, there is no need to solubilize the nuclear fraction required in immunoprecipitation, and the quality of the formed DNA library can be further improved.

切断されたDNA末端のビオチン付加は、常法に従って行うことができる。例えば、切断されて生じた突出末端は、デオキシヌクレオチド三リン酸(dNTP)を基質に用いて伸張反応を行い平滑末端化することができるが、このdNTPをビオチン化しておけば、切断末端にビオチンを付加できる。ビオチン化には各種の市販のビオチン化試薬を用いる事できる。なお、酵素切断された切断末端が平滑末端であれば、一度突出末端とした後に、ビオチンを付加すればよい。Biotin can be added to the cleaved DNA ends according to standard methods. For example, the protruding ends resulting from cleavage can be blunted by an extension reaction using deoxynucleotide triphosphate (dNTP) as a substrate, and if this dNTP is biotinylated, biotin can be added to the cleaved ends. Various commercially available biotinylation reagents can be used for biotinylation. If the cleaved ends are blunt, biotin can be added after first making them protruding ends.

なお、DNAペアの選別(濃縮)を可能とする物質であれば、切断末端に付加されるものはビオチンに限られるものではないが、DNA構造の固定解消にプロテアーゼ処理を行うことが好適であるところ、他の物質を選択する際においても、プロテアーゼで消化されない(プロテアーゼ耐性を有する)化合物が望ましい。かかる化合物としては、例えば、メチル化されたdATP等が例示される。このメチル化されたdATPを切断末端に付加すれば、抗メチル化dATP抗体でDNAペアを濃縮し得る。また、窒素の三重結合とアルキンとの環状化反応であるclick chemistryに反応する化合物を標識として用いてもよい。かかる化合物の一例として、例えばアルキンを持つ非天然塩基(5-エチニル-2’-デオキシウリジン(EdUなど))が例示できる。切断端に付加されたかかる化合物は、クリック反応によってアジド化合物と結合するため、アジド基を有するアジドビオチンやアジド基修飾フラッグタグなどと結合させることができ、その結果、これらビオチンやフラッグタグに基づいた濃縮を可能とし得る。また、ビオチン化dNTPに代えて、ビオチンが付加された短いDNA(リンカーDNA)を標識として用いてもよく、このリンカーDNAを介してライゲーション反応を行ってもよい。In addition, the substance added to the cut end is not limited to biotin, as long as it allows the selection (concentration) of DNA pairs. However, since protease treatment is preferable for removing the fixation of the DNA structure, it is preferable to select a compound that is not digested by proteases (has protease resistance) even when selecting other substances. An example of such a compound is methylated dATP. If this methylated dATP is added to the cut end, DNA pairs can be concentrated with an anti-methylated dATP antibody. In addition, a compound that reacts with click chemistry, which is a cyclization reaction between a nitrogen triple bond and an alkyne, may be used as a label. An example of such a compound is a non-natural base with an alkyne (5-ethynyl-2'-deoxyuridine (EdU, etc.)). Such a compound added to the cut end can be bound to an azide compound by a click reaction, and can be bound to azidobiotin having an azide group or an azide group-modified flag tag, etc., thereby enabling enrichment based on these biotins or flag tags. Also, instead of biotinylated dNTPs, a short DNA (linker DNA) to which biotin has been added may be used as a label, and a ligation reaction may be performed via this linker DNA.

(ライゲーションステップ)
本ステップは、DNAリガーゼを用いてライゲーション反応を行うステップである。ライゲーションとは、2つのDNA断片をリン酸ジエステル結合により連結することを意味する。DNAリガーゼとしては、T4DNAリガーゼ、大腸菌DNAリガーゼ等の常温性DNAリガーゼを用いることができる。また、耐熱性DNAリガーゼを用いてもよい。このライゲーション反応によって、空間的に近位に位置する切断末端が連結することで、ゲノム上での並びでは遠方に位置する配列部分が横並びとなるDNAペアを構築できるのである。
(Ligation step)
This step is a step of performing a ligation reaction using DNA ligase. Ligation means linking two DNA fragments by a phosphodiester bond. As the DNA ligase, a mesothermal DNA ligase such as T4 DNA ligase or E. coli DNA ligase can be used. A heat-resistant DNA ligase may also be used. This ligation reaction links the cut ends located in close proximity to each other in space, thereby constructing a DNA pair in which the sequence portions located far apart in the genome are arranged side by side.

なお、このライゲーションステップにおいては、ライゲーションされなかったものを除去するため、エキソヌクレアーゼを用いて末端に存在するdNTP(ビオチン化dNTP)を消化しても良い。In this ligation step, the dNTPs (biotinylated dNTPs) present at the ends may be digested using an exonuclease to remove those that were not ligated.

(固定解消ステップ)
本ステップは、ライゲーション反応を終了したサンプルに対し、プロテアーゼを用いることで、サンプル中に含有されるタンパク質を分解する工程である。これにより、DNAに結合するタンパク質、核膜などを含むサンプル中のタンパク質が分解される。相互作用するDNA配列は、標的タンパク質がDNA鎖に付着している結果として、近位に配置されるものとなっているが、ライゲーション反応によってDNAペアが形成された後は、タンパク質分子による固定が不要となるため、本ステップによりタンパク質を消化する。これによって、タンパク質によるDNA構造の固定(DNA配列の空間構造の固定)が解消される。このタンパク質消化に伴い、架橋ステップに基づく架橋による固定も解消される。これにより、相互作用するDNA配列が並びあって連結されたDNAペア(ライゲーション産物)の一群が得られる。なお、標識付加ステップによって付加した標識に基づいて後述する選別ステップを行う場合(クロマチン免疫沈降を行わない場合)には、本ステップによって核膜を消化することで、目的のサンプル(DNAペア)を核内から取り出すことができる。故に、核画分の可溶化工程を不要にできる。
なお、本ステップは、ライゲーションステップに引き続いて行うことが望ましいが、ライゲーションの後、PCRによる増幅操作または配列決定ステップの前までに設けられ、また、本発明において、クロマチン免疫沈降を行うステップが設けられる場合には、免疫沈降前に本ステップは設けられない。また、選別ステップにおいて断片化を行うことに伴いDNA構造の固定が解消される場合には、後述の選別ステップおける断片化処理が固定解消ステップに該当する。なお、かかる場合であっても、架橋ステップに基づく架橋の解消が必要な場合には、本ステップは固定解消ステップの一部を構成する。また、断片化に伴いDNA構造の固定が解消されるため本ステップによるDNA構造の固定解消が不要な場合であっても、核膜等の消化を行うべく本ステップ同様、プロテアーゼにて消化を行うステップを設けてもよい。
(Fixation removal step)
This step is a step of decomposing proteins contained in the sample by using protease for the sample after the ligation reaction. This decomposes proteins in the sample, including proteins that bind to DNA, nuclear membranes, etc. The interacting DNA sequences are located proximally as a result of the target protein being attached to the DNA chain, but after the DNA pair is formed by the ligation reaction, fixation by protein molecules is no longer necessary, so the protein is digested in this step. This eliminates the fixation of the DNA structure by the protein (fixation of the spatial structure of the DNA sequence). Along with this protein digestion, the fixation by crosslinking based on the crosslinking step is also eliminated. This results in a group of DNA pairs (ligation products) in which interacting DNA sequences are lined up and linked. Note that when a selection step (described later) is performed based on the label added in the labeling step (when chromatin immunoprecipitation is not performed), the target sample (DNA pair) can be taken out from inside the nucleus by digesting the nuclear membrane in this step. Therefore, the solubilization step of the nuclear fraction can be eliminated.
It is preferable that this step is performed following the ligation step, but it is performed after ligation and before the PCR amplification operation or the sequencing step. In addition, in the present invention, when a step of performing chromatin immunoprecipitation is performed, this step is not performed before the immunoprecipitation. In addition, when the fixation of the DNA structure is released as a result of fragmentation in the selection step, the fragmentation process in the selection step described below corresponds to the fixation release step. Even in such a case, if it is necessary to release the crosslinking based on the crosslinking step, this step constitutes a part of the fixation release step. In addition, even if it is not necessary to release the fixation of the DNA structure by this step because the fixation of the DNA structure is released by fragmentation, a step of digestion with a protease may be performed in the same manner as this step to digest the nuclear membrane, etc.

(選別ステップ)
DNAペアを選択的に回収するステップである。本ステップにおいては、PCR効率、シーケンス効率を考慮して、ライゲーション産物として得たDNAペアの更なる断片化を行うことが好ましい。また、断片化と共にアダプター配列を断片末端に導入してもよい。
(Sorting step)
This is a step for selectively recovering DNA pairs. In this step, it is preferable to further fragment the DNA pairs obtained as ligation products, taking into consideration PCR efficiency and sequence efficiency. In addition, adapter sequences may be introduced into the ends of the fragments during fragmentation.

一実施形態において、ライゲーションされたDNAペアを選別するステップは、ライゲーションされた当初配列の状態のものを選別することのみならず、ライゲーションの後、加工や処理がされたDNA断片や、その処理によって更に断片化されたDNA断片や、任意のDNA配列が付加されたDNA断片を選別することを含む。例えば、PCRステップを実施する場合には、ここで付加されるDNA配列は短いアダプター配列であってもよい。これにより、その後のPCRステップにおいて、短いアダプター配列の相補配列とインデックス配列とが含まれたプライマーを、DNAペア(DNA断片)に結合した短いアダプター配列にハイブリダイズさせ、増殖反応の実施と共にDNAペアにインデックス配列を付加することができる。また、PCRステップを行わない場合には、インデックス配列と短いアダプター配列との両方を備えたDNA配列をアダプター配列(フルアダプター)としてDNAペアにライゲーションさせ、選別ステップにて選別される配列が付加されたDNAを構築してもよい。例えば、アダプター配列(フルアダプター)やインデックス配列は、一般的な公知のシークエンサーシステムで用いられるフローセルに固定されたDNA断片と相補的なDNA配列を含んでよい。
この選別ステップでは、例えば、上記標識付加ステップにより、各ライゲーション産物の接合部に標識(ビオチン)が付加されていると、標識をターゲットとしてDNAペア(DNA断片)の回収を行う。この回収には、標識に対して親和性を示すタンパク質であれば、特に限定されず、市販の各種タンパク質を使用する事ができる。例えば、標識がビオチンである場合には、好適には、ビオチンに極めて高い親和性を有するアビジン、ストレプトアビジン、脱グリコシル化アビジンといったビオチン結合性タンパク質が挙げられる。また、当該ステップにおいては、これらのタンパク質がビーズなどの担持体に固定化されたものを用いて選別操作を行ってよい。本ステップで解析対象のDNAペアが選択的に回収され、DNAライブラリが構築される。また、例えば、標識に基づき回収したDNAペアで構築されたDNAライブラリに対し、オリゴヌクレオチドによるハイブリダイゼーションを行って、DNAペアの選別をさらに行ってもよい。
一実施形態において、DNAペア(DNA断片)を選別するステップは、ライゲーションの後に、電気泳動によってDNAペアを選別することを含む。例えば、アガロースゲルを用いて電気泳動し、DNA鎖長でライゲーション産物を選別する、標識を用いなくてよい手法が挙げられる。
In one embodiment, the step of selecting the ligated DNA pair includes not only selecting the ligated DNA pair in the initial sequence state, but also selecting DNA fragments that have been processed or treated after ligation, DNA fragments that have been further fragmented by the treatment, and DNA fragments to which any DNA sequence has been added. For example, when a PCR step is performed, the DNA sequence added here may be a short adapter sequence. In this way, in the subsequent PCR step, a primer containing a complementary sequence of the short adapter sequence and an index sequence is hybridized to the short adapter sequence bound to the DNA pair (DNA fragment), and the index sequence can be added to the DNA pair while performing the amplification reaction. In addition, when the PCR step is not performed, a DNA sequence having both the index sequence and the short adapter sequence may be ligated to the DNA pair as an adapter sequence (full adapter), and a DNA to which the sequence selected in the selection step is added may be constructed. For example, the adapter sequence (full adapter) or the index sequence may include a DNA sequence complementary to a DNA fragment fixed to a flow cell used in a general known sequencer system.
In this selection step, for example, if a label (biotin) is added to the junction of each ligation product by the label addition step, the DNA pair (DNA fragment) is collected using the label as a target. For this collection, any protein that shows affinity to the label can be used, and various commercially available proteins can be used. For example, when the label is biotin, biotin-binding proteins such as avidin, streptavidin, and deglycosylated avidin that have extremely high affinity to biotin can be used. In addition, in this step, the selection operation may be performed using a support such as beads in which these proteins are immobilized. In this step, the DNA pair to be analyzed is selectively collected, and a DNA library is constructed. In addition, for example, the DNA library constructed of the DNA pairs collected based on the label may be hybridized with oligonucleotides to further select the DNA pairs.
In one embodiment, the step of selecting the DNA pairs (DNA fragments) includes selecting the DNA pairs by electrophoresis after ligation. For example, a label-free method is available in which the ligation products are electrophoresed using an agarose gel and selected by DNA strand length.

(配列決定ステップ)
上記にて構築されたDNAライブラリに対し、所望により、常法に従ってPCRを行い、各DNAペア(DNA断片)の増幅を行う。そして得られたPCR産物に対して、配列決定を行う。DNA断片に対し増幅を行う場合には、その増幅は、DNA断片の全長を増幅することのみを意味するのではなく、その一部を増幅することも含まれる。上記のPCRによって濃縮されたDNAペア(DNA断片)に対し、あるいは選別ステップで構築されたDNAライブラリ中のDNAペアに対し、前処理を行い、超並列DNA配列解析装置やサンガー法により、DNAペアの両端の塩基配列を解析し配列決定を行う。解析する塩基配列の長さは、1塩基からDNA断片全長でも良い。解析する塩基配列の長さは、任意に設定でき、例えば、数塩基以上、10塩基以上、15塩基以上、20塩基以上、30塩基以上であってよい。好適には、例えば、30-100塩基程度である。
Sequencing Step
If desired, PCR is performed on the DNA library constructed as above according to a conventional method to amplify each DNA pair (DNA fragment). Then, the obtained PCR product is sequenced. When the DNA fragment is amplified, the amplification does not only mean amplifying the entire length of the DNA fragment, but also includes amplifying a part of it. The DNA pair (DNA fragment) concentrated by the PCR or the DNA pair in the DNA library constructed in the selection step is pre-treated, and the base sequence of both ends of the DNA pair is analyzed and sequenced by a massively parallel DNA sequence analyzer or the Sanger method. The length of the base sequence to be analyzed may be from one base to the entire length of the DNA fragment. The length of the base sequence to be analyzed may be set arbitrarily, and may be, for example, several bases or more, 10 bases or more, 15 bases or more, 20 bases or more, or 30 bases or more. Preferably, it is, for example, about 30-100 bases.

(解析方法)
得られたシーケンスデータは、従来のHiC法の解析手法を用いて解析できる。まず、得られた塩基配列に対し、両端の配列をそれぞれ独立に参照用ゲノム配列(マウスの細胞ならマウス、ヒト細胞ならヒト)にマッピングする。本法では、近接したDNAを人為的に結合させてDNA断片(DNAペア)を作製しているために、末端はそれぞれ独立にゲノムにマッピングできるが、DNA断片としてはマッピングできないことがある。例えば1番染色体のDNAと2番染色体のDNAが近接しており、本法によりDNA断片を作製した場合、得られたDNA断片は、一端に1番染色体の配列、他方に2番染色体の配列を有することになる。
(Analysis method)
The obtained sequence data can be analyzed using the conventional HiC method. First, the sequences at both ends of the obtained base sequence are independently mapped to a reference genome sequence (mouse for mouse cells, human for human cells). In this method, adjacent DNA is artificially bonded to create DNA fragments (DNA pairs), so the ends can be independently mapped to the genome, but they may not be able to be mapped as DNA fragments. For example, if the DNA of chromosome 1 and the DNA of chromosome 2 are adjacent and a DNA fragment is created by this method, the obtained DNA fragment will have the sequence of chromosome 1 at one end and the sequence of chromosome 2 at the other end.

本法の解析においては、HiC法一般の実験と同様の解析手法が適用でき、こういった配列(参照ゲノム配列には存在し得ない人工配列)を選択的に抽出し、さらなる高次解析を行うのである。 In this analysis, the same analytical techniques as those used in general HiC experiments can be applied, and such sequences (artificial sequences that cannot exist in the reference genome sequence) can be selectively extracted and further high-level analysis can be performed.

例えば、コンタクトマップ(接触確率行列)をヒートマップとして生成することによって、ゲノム上のある位置に存在するDNA配列と他の位置に存在するDNA配列との相互作用が可視化される。コンタクトマップは対称行列である。X座標とY座標に同じゲノム配列を並べ、シーケンスデータから位置Xiと位置Yjにマップされるペアエンドリードがあると、その(Xi,Yj)のカウントをひとつ増やす。したがって、各座標で値が大きい場合、接触確率が高い領域ペアであることを意味するものとなる。この座標の値は、これに応じた色の濃淡でヒートマップに表示することができる。For example, by generating a contact map (contact probability matrix) as a heat map, the interaction between a DNA sequence at one location on the genome and another at another location can be visualized. A contact map is a symmetric matrix. The same genome sequence is arranged on the X and Y coordinates, and if there is a paired-end read from the sequence data that maps to positions Xi and Yj, the count for (Xi, Yj) is incremented by one. Therefore, a large value at each coordinate indicates a region pair with a high probability of contact. The coordinate values can be displayed on the heat map in a corresponding shade of color.

(サンプル量)
本法は、従来法に比べて夾雑物の極めて低減された解析サンプルを得ることができる結果、解析に必要な細胞数を1~1010個程度とすることができ、好適には1~10個程度、より好適には、1~10個程度とすることができる。なお、細胞数の上限は必ずしも制限されず、1010個以上であっても良い。
(sample amount)
The present method can obtain an analysis sample with extremely reduced impurities compared to conventional methods, and as a result, the number of cells required for analysis can be about 1 to 10 10 , preferably about 1 to 10 7 , and more preferably about 1 to 10 6 . The upper limit of the number of cells is not necessarily limited, and may be 10 10 or more.

(本発明の方法の例示的な形態)
一実施形態において、本発明の方法は、従来のHiC法に代わる手法として用いることができるものである。かかる場合には、上述した、架橋ステップが適宜設けられた後、切断ステップ、標識付加ステップ、ライゲーションステップ、固定解消ステップ、選別ステップ、配列決定ステップを順次設けて構成される。本法によれば、上述したように固定解消ステップにて核膜の消化も行う事ができる。クロマチン免疫沈降法では、核画分の抽出が必要になるために、原理上不溶性画分の発生を避けられない。ゲノムワイドに制限酵素でクロマチンを切断し、DNA断片を生じさせる従来の免疫沈降法では、全DNA断片を可溶化させ核外に取り出すことが重要となる。不溶性画分の核内の残存は、データの誤差となるからである。一方、上記の標識付加ステップによって付加した標識に基づいて解析対象のDNA配列を選別するとすれば、ライゲーション処理の後にプロテアーゼを用いてDNAペアを選別することができ、(核から溶出しない不溶性画分がない)良好な分析サンプルを作製できることとなる。一実施形態においてクロマチン免疫沈降ステップを設け目的のDNA断片を補足する場合、目的のDNA断片のみが上清中に放出されればよいので、解析対象外の部分となる未消化の長鎖のDNA断片は、核内に不溶性画分として残存しても、得られるデータに影響がない。このため、従来の免疫沈降法において生じるような核の可溶化工程での不溶性画分に起因するデータの信頼性低下を抑止し得る。また、従来HiC法とは異なり、特定のタンパク質特異的にDNA切断を行うので、分析に供されるDNAライブラリにおいては、所望の解析対象のDNA配列が濃縮されており、ノイズとなる不要なDNA断片が極めて少ない高品質な分析サンプルを供し得ることとなる。
更には、得られたDNAペアのシーケンス結果からDNA切断部位を独立に解析すると、標的タンパク質の局在を検出することができる。すなわち、標的タンパク特異的にDNA切断を行う切断ステップを備えた本方法によれば、標的タンパク質によって介在される核内のDNA三次元構造と標的タンパク質の核内での局在の両方を一度に解析できるのである。
また、標的タンパク質特異的にDNA切断を行う切断ステップの前に、DNAに結合するタンパク質をビオチン化するタンパク質ビオチン化ステップを設けると共に、切断ステップの後に、核膜透過処理によって切断された断片を可溶化する可溶化ステップ(透析工程)を設けて、核内から、タンパク質DNA複合体を上清中に放出させ、これをストレプトアビジン等の担持ビーズを用いてプルダウンしてから、担持されたビーズ上にてライゲーションを行うようにライゲーションステップを構成し、更に、順次、固定解消ステップ、選別ステップ、配列決定ステップを実施してシーケンスデータを得てもよい。
Exemplary embodiments of the method of the present invention
In one embodiment, the method of the present invention can be used as an alternative to the conventional HiC method. In such a case, the above-mentioned crosslinking step is appropriately provided, followed by the cleavage step, labeling step, ligation step, fixation removal step, selection step, and sequencing step in sequence. According to this method, the nuclear membrane can also be digested in the fixation removal step as described above. In the chromatin immunoprecipitation method, the generation of an insoluble fraction is inevitable in principle because the nuclear fraction needs to be extracted. In the conventional immunoprecipitation method in which chromatin is cut genome-wide with a restriction enzyme to generate DNA fragments, it is important to solubilize all DNA fragments and take them out of the nucleus. This is because the remaining insoluble fraction in the nucleus will cause data errors. On the other hand, if the DNA sequence to be analyzed is selected based on the label added by the above-mentioned labeling step, the DNA pair can be selected using a protease after the ligation process, and a good analysis sample (without insoluble fractions that are not eluted from the nucleus) can be prepared. In one embodiment, when a chromatin immunoprecipitation step is provided to capture the target DNA fragment, only the target DNA fragment needs to be released into the supernatant, so that the undigested long-chain DNA fragments that are not the target of analysis do not affect the data obtained even if they remain in the nucleus as an insoluble fraction. Therefore, it is possible to suppress the decrease in reliability of data caused by the insoluble fraction in the nuclear solubilization step that occurs in the conventional immunoprecipitation method. In addition, unlike the conventional HiC method, DNA cleavage is performed specifically for a specific protein, so that the DNA sequence of the desired target of analysis is concentrated in the DNA library to be analyzed, and a high-quality analysis sample with extremely few unnecessary DNA fragments that become noise can be provided.
Furthermore, by independently analyzing the DNA cleavage site from the sequence results of the obtained DNA pair, the localization of the target protein can be detected. In other words, according to this method having a cleavage step for performing target protein-specific DNA cleavage, both the three-dimensional DNA structure in the nucleus mediated by the target protein and the localization of the target protein in the nucleus can be analyzed at the same time.
Furthermore, a protein biotinylation step for biotinylating a protein that binds to DNA may be provided before the cleavage step for cleaving DNA specifically in a target protein, and a solubilization step (dialysis process) for solubilizing the cleaved fragments by nuclear membrane permeabilization may be provided after the cleavage step to release the protein-DNA complex from within the nucleus into the supernatant, which is then pulled down using beads carrying streptavidin or the like, and then ligated onto the beads. Furthermore, a ligation step may be configured in which a fixation removal step, a selection step, and a sequencing step are sequentially performed to obtain sequence data.

別の実施形態において、本発明の方法は、クロマチン免疫沈降を行うとして、核分画の可溶化ステップとクロマチン免疫沈降ステップとを備えて構成しても良い。なお、核分画の可溶化ステップとクロマチン免疫沈降ステップとは常法にしたがって実施できる。かかる場合には、一例として、上述した、架橋ステップが適宜設けられた後、切断ステップ、標識付加ステップ、ライゲーションステップ、核分画の可溶化ステップ、クロマチン免疫沈降ステップ、固定解消ステップ、選別ステップ、配列決定ステップを順次設けて構成することで、従来のHiChIPに代わるものとして、従来のHiChIPよりも、分析に供するDNAライブラリの作製段階において夾雑物を低減し得る手法を提供できる。この実施形態の方法の一例は、上記項目6に記載の三次元DNA構造相互作用分析方法に該当する。この実施形態の方法に含まれるクロマチン免疫沈降ステップは、上記項目6に記載の捕捉ステップに含まれる。In another embodiment, the method of the present invention may be configured to include a nuclear fraction solubilization step and a chromatin immunoprecipitation step, assuming that chromatin immunoprecipitation is performed. The nuclear fraction solubilization step and the chromatin immunoprecipitation step can be performed according to a conventional method. In such a case, as an example, after the above-mentioned crosslinking step is appropriately provided, a cleavage step, a labeling step, a ligation step, a nuclear fraction solubilization step, a chromatin immunoprecipitation step, a fixation removal step, a selection step, and a sequencing step are sequentially provided, thereby providing a method that can reduce impurities in the preparation stage of a DNA library to be analyzed more than conventional HiChIP as an alternative to conventional HiChIP. An example of the method of this embodiment corresponds to the three-dimensional DNA structure interaction analysis method described in item 6 above. The chromatin immunoprecipitation step included in the method of this embodiment is included in the capture step described in item 6 above.

別の実施形態において、本発明の方法は、上述した、架橋ステップが適宜設けられた後、切断ステップ、核分画の可溶化ステップ、クロマチン免疫沈降ステップ、ライゲーションステップおよび標識付加ステップ、固定解消ステップ、選別ステップ、配列決定ステップを順次設けて本発明を構成することで、ChIA-PETに代わるものとして、ChIA-PETよりも、分析に供するDNAライブラリの作製段階において夾雑物を低減し得る手法を提供できる。なお、本例においてはクロマチン免疫沈降ステップに基づいてDNAペアの濃縮が可能であるため選別ステップを不要としてもよい。また、本実施形態においても適宜追加のステップを設けてもよく、例えば、ライゲーションしたDNA断片に対し、適宜の再断片化や配列の付加を行うステップを設けることができ、かかるステップを経た後のDNA断片に対して増幅を行ってもよい。この実施形態の方法の一例は、上記項目7に記載の三次元DNA構造相互作用分析方法に該当する。この実施形態の方法に含まれるクロマチン免疫沈降ステップは、上記項目7に記載の捕捉ステップに含まれる。In another embodiment, the method of the present invention includes the above-mentioned crosslinking step as appropriate, followed by the cleavage step, the nuclear fraction solubilization step, the chromatin immunoprecipitation step, the ligation step, the labeling step, the fixation removal step, the selection step, and the sequencing step in sequence to configure the present invention, thereby providing a method that can reduce impurities in the preparation stage of a DNA library to be analyzed more than ChIA-PET as an alternative to ChIA-PET. In this example, the selection step may be unnecessary because the DNA pair can be concentrated based on the chromatin immunoprecipitation step. In addition, in this embodiment, additional steps may be appropriately provided, for example, a step of appropriately refragmenting or adding a sequence to the ligated DNA fragments may be provided, and the DNA fragments after such a step may be amplified. An example of the method of this embodiment corresponds to the three-dimensional DNA structure interaction analysis method described in item 7 above. The chromatin immunoprecipitation step included in the method of this embodiment is included in the capture step described in item 7 above.

一実施形態において、本発明の分析用キットは、任意のタンパク質に結合する一次抗体と、一次抗体に結合するDNA切断酵素と、DNA切断酵素による切断によって生じるDNA末端を識別するための標識と、標識されるDNA末端をライゲーションする酵素とを含む。分析用キットに含まれる一次抗体、DNA切断酵素、標識およびDNA末端をライゲーションする酵素は、本発明のDNAの三次元構造に基づくDNA配列の相互作用を分析する方法において使用される材料である。
なお、一次抗体とDNA切断酵素とは、別々に含まれていてもよく、一次抗体とDNA切断酵素とが結合された状態で含まれていてもよい。
In one embodiment, the analytical kit of the present invention comprises a primary antibody that binds to any protein, a DNA cleavage enzyme that binds to the primary antibody, a label for identifying DNA ends generated by cleavage with the DNA cleavage enzyme, and an enzyme that ligates the labeled DNA ends. The primary antibody, DNA cleavage enzyme, label, and DNA end ligation enzyme contained in the analytical kit are materials used in the method of the present invention for analyzing interactions of DNA sequences based on the three-dimensional structure of DNA.
The primary antibody and the DNA cleaving enzyme may be contained separately, or the primary antibody and the DNA cleaving enzyme may be contained in a bound state.

以下、本発明について、更に実施例に基づき詳細に説明するが、以下の実施例は本発明の一例であり、これらに限られるものでない。The present invention will now be described in more detail with reference to examples. However, the following examples are merely examples of the present invention and are not intended to be limiting.

実施例において、以下の試薬が使用された。
(試薬)
PBS(Phosphate Buffered Saline; リン酸緩衝食塩水)
滅菌水(Nacalai Tesque社)
1M CaCl2 (Calcium Chloride)/滅菌水
1M DTT(Dithiothreitol)
1M Glycine/PBS
0.5% BSA/滅菌水(0.5wt.%ウシ血清アルブミン(BSA)水溶液)
75% Ethanol/滅菌水
Tween-20(Chem Cruz社)
DMSO (Dimethyl Sulfoxide)
5 M NaCl
1 M MgCl2
1 M Tris-HCl (pH7.4)(Sigma-Aldrich)
0.5 M EDTA (pH8.0) (Ambion社)
0.5 M EGTA (A.G. Scientific社)
EGTA(Sigma-Aldrich社
Triton(登録商標) X-100 (Nacalai Tesque社)
IGEPAL(登録商標) CA-630 (Sigma-Aldrich社)
Spermidine Trihydrochloride (Sigma-Aldrich社)
Digitonin (Nacalai Tesque社)
cOmpleteTM, EDTA-free Protease Inhibitor Cocktail Tablets (Roche社)
1mol/l-HEPES buffer solution(Nacalai Tesque社)
In the examples, the following reagents were used:
(reagent)
PBS (Phosphate Buffered Saline)
Sterile water (Nacalai Tesque)
1M CaCl 2 (Calcium Chloride)/sterile water
1M DTT (Dithiothreitol)
1M Glycine/PBS
0.5% BSA/sterile water (0.5 wt.% bovine serum albumin (BSA) aqueous solution)
75% Ethanol/Sterile Water
Tween-20 (Chem Cruz)
DMSO (Dimethyl Sulfoxide)
5M NaCl
1M MgCl2
1 M Tris-HCl (pH7.4) (Sigma-Aldrich)
0.5 M EDTA (pH8.0) (Ambion)
0.5 M EGTA (AG Scientific)
EGTA (Sigma-Aldrich)
Triton® X-100 (Nacalai Tesque)
IGEPAL® CA-630 (Sigma-Aldrich)
Spermidine Trihydrochloride (Sigma-Aldrich)
Digitonin (Nacalai Tesque)
cOmplete TM , EDTA-free Protease Inhibitor Cocktail Tablets (Roche)
1mol/l-HEPES buffer solution (Nacalai Tesque)

RSB(Resuspension Buffer; 再懸濁バッファー)
組成:
10mM Tris-HCl(pH7.4)
10mM NaCl
3mM MgCl
0.1% Tween-20
滅菌水
Buenrostro JD, Wu B, Chang HY, Greenleaf WJ: ATAC‐seq: a method for assaying chromatin accessibility genome‐wide. Curr Protoc Mol Biol. 2015;109:21-9およびCorces MR, Trevino AE, Hamilton EG, Greenside PG, Sinnott-Armstrong NA, Vesuna S, Satpathy AT, Rubin AJ, Montine KS, Wu B, et al. An improved ATAC-seq protocol reduces background and enables interrogation of frozen tissues. Nat Methods. 2017;14:959-62を参考にして、RSBを調製した。
RSB (Resuspension Buffer)
composition:
10mM Tris-HCl (pH 7.4)
10 mM NaCl
3 mM MgCl2
0.1% Tween-20
Sterile water
RSB was prepared with reference to Buenrostro JD, Wu B, Chang HY, Greenleaf WJ: ATAC-seq: a method for assaying chromatin accessibility genome-wide. Curr Protoc Mol Biol. 2015;109:21-9 and Corces MR, Trevino AE, Hamilton EG, Greenside PG, Sinnott-Armstrong NA, Vesuna S, Satpathy AT, Rubin AJ, Montine KS, Wu B, et al. An improved ATAC-seq protocol reduces background and enables interrogation of frozen tissues. Nat Methods. 2017;14:959-62.

5% Digitonin
組成:
50mg Digitonin(Nacalai Tesque社)
500μl DMSO
500μl 滅菌水
5% Digitonin
composition:
50mg Digitonin (Nacalai Tesque)
500 μl DMSO
500 μl Sterile water

Lysis Buffer
組成:
0.1% IGEPAL CA-630
0.01% Digitonin
RSB
Buenrostro JD, Wu B, Chang HY, Greenleaf WJ: ATAC‐seq: a method for assaying chromatin accessibility genome‐wide. Curr Protoc Mol Biol. 2015;109:21-9およびCorces MR, Trevino AE, Hamilton EG, Greenside PG, Sinnott-Armstrong NA, Vesuna S, Satpathy AT, Rubin AJ, Montine KS, Wu B, et al. An improved ATAC-seq protocol reduces background and enables interrogation of frozen tissues. Nat Methods. 2017;14:959-62を参考にして、Lysis Bufferを調製した。
Lysis Buffer
composition:
0.1% IGEPAL CA-630
0.01% Digitonin
R.S.B.
Buenrostro JD, Wu B, Chang HY, Greenleaf WJ: ATAC-seq: a method for assaying chromatin accessibility genome-wide. Curr Protoc Mol Biol. 2015;109:21-9 and Corces MR, Trevino AE, Hamilton EG, Greenside PG , Sinnott-Armstrong NA, Vesuna S, Satpathy AT, Rubin AJ, Montine KS, Wu B, et al. An improved ATAC-seq protocol reduces background and enables interrogation of frozen tissues. Nat Methods. 2017;14:959-62 With reference to this, a lysis buffer was prepared.

Wash Buffer
組成:
1M HEPESを1ml、5M NaClを1.5ml、2M Spermidineを12.5μl加え、50mlまで滅菌水を加え、さらにcOmpleteTM, EDTA-free Protease Inhibitor Cocktail Tablets (Roche社)を1 tablet加えることによって、Wash Bufferを調製した。
Skene et al., 2018. Targeted in situ genome-wide profiling with high efficiency for low cell numbers. Nature Protocols. 2018. Vol. 13. No. 5を参考にして、Wash Bufferを調製した。
Wash Buffer
composition:
1 ml of 1 M HEPES, 1.5 ml of 5 M NaCl, and 12.5 μl of 2 M spermidine were added, and sterile water was added up to 50 ml. Furthermore, one tablet of cOmplete , EDTA-free Protease Inhibitor Cocktail Tablets (Roche) was added to perform wash. A buffer was prepared.
Wash Buffer was prepared with reference to Skene et al., 2018. Targeted in situ genome-wide profiling with high efficiency for low cell numbers. Nature Protocols. 2018. Vol. 13. No. 5.

Digitonin Buffer
組成:
0.02% Digitonin(実施例3においては0.0375%)
Wash Buffer
Skene et al., 2018. Targeted in situ genome-wide profiling with high efficiency for low cell numbers. Nature Protocols. 2018. Vol. 13. No. 5を参考にして、Digitonin Bufferを調製した。
Digitonin Buffer
composition:
0.02% Digitonin (0.0375% in Example 3)
Wash Buffer
Digitonin Buffer was prepared with reference to Skene et al., 2018. Targeted in situ genome-wide profiling with high efficiency for low cell numbers. Nature Protocols. 2018. Vol. 13. No. 5.

Antibody Buffer
Digitonin Bufferを2ml、0.5M EDTA(pH8.0)を8μl加えることによって、Antibody Bufferを調製した。
Skene et al., 2018. Targeted in situ genome-wide profiling with high efficiency for low cell numbers. Nature Protocols. 2018. Vol. 13. No. 5を参考にして、Antibody Bufferを調製した。
Antibody Buffer
An antibody buffer was prepared by adding 2 ml of Digitonin Buffer and 8 μl of 0.5 M EDTA (pH 8.0).
Antibody buffer was prepared with reference to Skene et al., 2018. Targeted in situ genome-wide profiling with high efficiency for low cell numbers. Nature Protocols. 2018. Vol. 13. No. 5.

Mbuffer#2
組成:
50mM NaCl
10mM Tris-HCl(pH7.4)
10mM MgCl
滅菌水
Rando et al., 2016. Micro-C XL. Protocol Exchangeを参考にして、Mbuffer#2を調製した。
Mbuffer #2
composition:
50 mM NaCl
10mM Tris-HCl (pH 7.4)
10 mM MgCl2
Sterile water
Mbuffer #2 was prepared with reference to Rando et al., 2016. Micro-C XL. Protocol Exchange.

10x NEBuffer#2
組成:
1M NaCl
200mM Tris-HCl(pH7.4)
200mM MgCl
滅菌水
Rando et al., 2016. Micro-C XL. Protocol Exchangeを参考にして、10x NEBuffer#2を調製した。
10x NEBuffer#2
composition:
1M NaCl
200mM Tris-HCl (pH 7.4)
200mM MgCl2
Sterile water
10x NEBuffer #2 was prepared with reference to Rando et al., 2016. Micro-C XL. Protocol Exchange.

10X T4 DNA ligase buffer(ATPなし)
組成:
500mM NaCl
583mM Tris-HCl (pH7.4)
200mM MgCl2
117mM DTT
Rando et al., 2016. Micro-C XL. Protocol Exchangeを参考にして、10X T4 DNA ligase bufferを調製した。
10X T4 DNA ligase buffer (no ATP)
composition:
500 mM NaCl
583mM Tris-HCl (pH 7.4)
200mM MgCl2
117mM DTT
10X T4 DNA ligase buffer was prepared with reference to Rando et al., 2016. Micro-C XL. Protocol Exchange.

1X Bind and Wash Buffer
組成:
5mM Tris-HCl, pH7.4
0.5mM EDTA
1M NaCl
滅菌水
Gabdank et al. 2016. A streamlined tethered chromosome conformation capture protocol. BMC Genomics. 2016. 17:274を参考にして、1X Bind and Wash Bufferを調製した。
1X Bind and Wash Buffer
composition:
5mM Tris-HCl, pH 7.4
0.5mM EDTA
1M NaCl
Sterile water
1X Bind and Wash Buffer was prepared with reference to Gabdank et al. 2016. A streamlined tethered chromosome conformation capture protocol. BMC Genomics. 2016. 17:274.

2X Bind and Wash Buffer
組成:
10mM Tris-HCl, pH7.4
1mM EDTA
2M NaCl
滅菌水
Gabdank et al. 2016. A streamlined tethered chromosome conformation capture protocol. BMC Genomics. 2016. 17:274を参考にして、2X Bind and Wash Bufferを調製した。
2X Bind and Wash Buffer
composition:
10mM Tris-HCl, pH 7.4
1mM EDTA
2M NaCl
Sterile water
2X Bind and Wash Buffer was prepared with reference to Gabdank et al. 2016. A streamlined tethered chromosome conformation capture protocol. BMC Genomics. 2016. 17:274.

(実施例1)
プロテインAとMNaseとの融合タンパク質(pA-MN)発現および精製
大腸菌株One Shot(登録商標) BL21(DE3)(invitrogen)をプラスミドpET11a-pA-MN(pET11aにpA-MNを発現するDNA配列を導入して構築したベクター)で形質転換し、100mg/Lのカルベニシリン(ナカライテスク社)を含有するLB培地(LB-Medium, Lennox)(フナコシ社)中で37℃で培養した。指数関数的に増殖している細胞に0.1mM イソプロピル-β-チオガラクトピラノシド(IPTG)を加え、培養温度条件を18℃に変更し培養を再開することによって、pA-MNの発現を誘導した。19時間の誘導期間後、500mlの培養物から細菌を回収し、5mM DTTを補った30ml TEN(10mM Tris-HCl[pH8.0]、1mM EDTA、および150mM NaCl)に回収した。1mgチキン卵白リゾチーム(Sigma社)を添加し、氷上で10分間インキュベートした。超音波ホモジナイザー(BIORUPTOR(登録商標)II Type6、ソニック・バイオ社)を用いて超音波処理を繰り返すことによって、細胞を破砕した。抽出物を4℃で遠心機(MX-301、TOMY社)中で15000×Gで20分間、遠心分離によって清澄化した。pA-MNの大部分は可溶性上清(S1)中に回収された。ビーズ(IgG-セファロース6 Fast Flow、GE healthcare社)を使用してS1からpA-MNを精製した。30mlの清澄化されたS1を600μlのIgG-セファロースビーズと共に16時間振とうしながらインキュベートした。エコノパッククロマトグラフィー用カラム(BIO-RAD社)に通して、ビーズを回収し、0.03% 界面活性剤(EMPIGEN(登録商標) BB 界面活性剤, SIGMA社)を補ったTENで2回、0.03% Empigen(登録商標)BBを含有するTEN500(500mM NaClを補ったTEN)で2回、そして5mM 酢酸アンモニウム(pH5.0)で1回洗浄した。pA-MNを0.5M 酢酸/酢酸アンモニウム(pH3.4)で溶出した。溶出液に1 mol/L NaOH水溶液を加え中和した。中和した溶出液と同量のグリセロールを添加し最終濃度50%に調製した。500mlの出発培養物あたり約1mgの高度に精製されたタンパク質を得た。長期間のアリコートは-80℃で、短期間のアリコートは-30℃で保存した。
Example 1
Expression and purification of fusion protein of protein A and MNase (pA-MN) E. coli strain One Shot® BL21(DE3) (Invitrogen) was transformed with plasmid pET11a-pA-MN (a vector constructed by introducing a DNA sequence expressing pA-MN into pET11a) and cultured at 37°C in LB medium (Lennox) (Funakoshi) containing 100 mg/L carbenicillin (Nacalai Tesque). Expression of pA-MN was induced by adding 0.1 mM isopropyl-β-thiogalactopyranoside (IPTG) to exponentially growing cells, changing the culture temperature to 18°C, and restarting the culture. After a 19-h induction period, bacteria were harvested from 500 ml of culture and collected in 30 ml TEN (10 mM Tris-HCl [pH 8.0], 1 mM EDTA, and 150 mM NaCl) supplemented with 5 mM DTT. One mg chicken egg white lysozyme (Sigma) was added and incubated on ice for 10 min. Cells were disrupted by repeated sonication using an ultrasonic homogenizer (BIORUPTOR® II Type 6, Sonic Bio). The extract was clarified by centrifugation at 15,000 × G for 20 min in a centrifuge (MX-301, TOMY) at 4°C. The majority of pA-MN was recovered in the soluble supernatant (S1). pA-MN was purified from S1 using beads (IgG-Sepharose 6 Fast Flow, GE Healthcare). 30 ml of clarified S1 was incubated with 600 μl of IgG-Sepharose beads for 16 h with shaking. The beads were collected by passing through an Econopack chromatography column (BIO-RAD) and washed twice with TEN supplemented with 0.03% detergent (EMPIGEN® BB detergent, SIGMA), twice with TEN500 (TEN supplemented with 500 mM NaCl) containing 0.03% Empigen® BB, and once with 5 mM ammonium acetate (pH 5.0). pA-MN was eluted with 0.5 M acetic acid/ammonium acetate (pH 3.4). The eluate was neutralized by adding 1 mol/L NaOH aqueous solution. The same volume of glycerol was added to the neutralized eluate to adjust the final concentration to 50%. Approximately 1 mg of highly purified protein was obtained per 500 ml of starting culture. Long-term aliquots were stored at -80°C and short-term aliquots at -30°C.

HEK293T細胞を、2vol%ウシ胎児血清(FBS)を含有するPBS(FBS-PBS)に懸濁した後、細胞数が10個となるようにチューブに注入し、室温で5分、遠心力x300gで遠心分離した。分離した細胞に、ホルムアルデヒド(商品名:Formaldehyde solution, 型番F8775, Sigma-Aldrich社)1wt.%を含有するFBS-PBS 1mlを加えて懸濁し、穏やかに攪拌した。その後、終濃度が250mMとなるように1MのグリシンPBS溶液の340μlを加え、室温5分間の混合操作を行い、続いて、氷上にて15分間保持しつつ適宜倒拌にて攪拌を行った。その後、4℃、遠心力×800g、5分間の遠心分離操作と5mlのPBSによる再懸濁とを複数回実施して洗浄を行った。なお、遠心分離操作では、適宜、分離した上清は除去される。最後の洗浄では、遠心分離後の上清(PBS)をできるだけ除去し、次いで、液体窒素にてサンプルを急冷した。 HEK293T cells were suspended in PBS (FBS-PBS) containing 2 vol% fetal bovine serum (FBS), then poured into a tube so that the number of cells was 10 7 , and centrifuged at room temperature for 5 minutes at a centrifugal force of 300 g. The separated cells were suspended in 1 ml of FBS-PBS containing 1 wt.% formaldehyde (trade name: Formaldehyde solution, model number F8775, Sigma-Aldrich), and gently stirred. Then, 340 μl of 1 M glycine PBS solution was added so that the final concentration was 250 mM, and a mixing operation was performed for 5 minutes at room temperature, followed by stirring by inversion as appropriate while holding on ice for 15 minutes. Then, washing was performed by performing a centrifugation operation at 4 °C, a centrifugal force of 800 g, for 5 minutes, and resuspension with 5 ml of PBS multiple times. In addition, during the centrifugation operation, the separated supernatant was appropriately removed. In the final washing, the supernatant (PBS) after centrifugation was removed as much as possible, and then the sample was rapidly cooled in liquid nitrogen.

上記手順で調整した細胞サンプルを溶解し、1mlのLysis Bufferにて再懸濁し、30分間、定期的に倒拌しつつ氷上に保持した。その後、1mlのRSBを加えてから、4℃、5分間、遠心力×800gで遠心分離した後、洗浄用バッファー(Wash Buffer)1.5mlにて洗浄を行った。洗浄用バッファーの添加と遠心分離操作とによる洗浄作業を複数回実施した後、4℃、5分間、遠心力×800gで遠心分離した沈殿物を回収し、抗H3K4me3抗体(型番ab8580、Abcam社)1μgを含むAntibody Buffer溶液500μlに再懸濁し、4℃で一晩、反応させた。抗H3K4me3抗体は、H3K4me3(4番目のリジンがトリメチル化されたヒストンH3)の抗体である。The cell sample prepared by the above procedure was lysed, resuspended in 1 ml of Lysis Buffer, and kept on ice for 30 minutes while periodically stirring. After that, 1 ml of RSB was added, and the sample was centrifuged at 4°C for 5 minutes at 800 g, and then washed with 1.5 ml of Wash Buffer. After washing by adding Wash Buffer and centrifuging several times, the precipitate was collected by centrifugation at 4°C for 5 minutes at 800 g, and resuspended in 500 μl of Antibody Buffer solution containing 1 μg of anti-H3K4me3 antibody (model number ab8580, Abcam), and allowed to react overnight at 4°C. The anti-H3K4me3 antibody is an antibody against H3K4me3 (histone H3 with the fourth lysine trimethylated).

反応後のサンプルに対して、4℃、遠心力×500gで5分間の遠心分離操作と1mlのDigitonin Bufferでの再懸濁とを2回繰り返して行ってから、4℃、遠心力×500gで5分間の遠心分離操作の後、40μlのDigitonin Bufferにて再懸濁し、更に、Digitonin Bufferで1000倍希釈した(適宜に濃度調整した)pA-MNを加えて4℃にて1時間反応させた。その後、4℃、遠心力×500g、5分間の遠心分離操作と、1mlのDigitonin bufferでの再懸濁とを複数回実施した後、4℃、遠心力×500g、5分間で遠心分離した沈殿物を150μlのDigitonin bufferで再懸濁してから、100mM CaCl溶液を3μl添加して、37℃、20分反応させた。続いて、グリコールエーテルジアミン四酢酸(ethylene glycol tetraacetic acid、EGTA)を終濃度2mMになるように添加し、65℃、10分間処理をした。 The sample after the reaction was centrifuged twice at 4° C. at a centrifugal force of 500 g for 5 minutes and resuspended in 1 ml of Digitonin Buffer, then centrifuged at 4° C. at a centrifugal force of 500 g for 5 minutes, and resuspended in 40 μl of Digitonin Buffer. pA-MN diluted 1000-fold with Digitonin Buffer (concentration appropriately adjusted) was added and reacted for 1 hour at 4° C. After that, centrifuged several times at 4° C. at a centrifugal force of 500 g for 5 minutes and resuspended in 1 ml of Digitonin buffer, and the precipitate centrifuged at 4° C. at a centrifugal force of 500 g for 5 minutes was resuspended in 150 μl of Digitonin buffer, and 3 μl of 100 mM CaCl 2 solution was added and reacted at 37° C. for 20 minutes. Subsequently, ethylene glycol tetraacetic acid (EGTA) was added to a final concentration of 2 mM, and the mixture was treated at 65° C. for 10 minutes.

その後、4℃、遠心力×16000g、5分間の遠心分離操作と、これにより分離されたペレットを1mlのMbuffer#2で懸濁する操作と、を繰り返した後、4℃、遠心力×16000g、5分間の条件で遠心分離したペレットに、0.5wt.%ウシ血清アルブミン(BSA)水溶液を加えたMbuffer#2 (29μl Mbuffer#2+1μl 0.5%BSA/滅菌水)を30μl加えて再懸濁した。After that, centrifugation was performed at 4°C at a centrifugal force of 16,000 g for 5 minutes, and the pellet thus separated was suspended in 1 ml of Mbuffer #2. This was then repeated. The pellet was then resuspended in 30 μl of Mbuffer #2 (29 μl Mbuffer #2 + 1 μl 0.5% BSA/sterile water) containing a 0.5 wt.% aqueous solution of bovine serum albumin (BSA).

続いて、上記手順にて調整したサンプル30μlに対し、脱リン酸化酵素(商品名:Shrimp Alkaline Phosphatase (rSAP), New England BioLabs社)を2.5μl加え、37℃45分間の脱リン酸化処理を行った。反応終了時、脱リン酸化反応は、65℃5分間の熱処理にて停止させた。Next, 2.5 μl of a dephosphorylation enzyme (product name: Shrimp Alkaline Phosphatase (rSAP), New England BioLabs) was added to 30 μl of the sample prepared by the above procedure, and dephosphorylation treatment was carried out at 37°C for 45 minutes. At the end of the reaction, the dephosphorylation reaction was stopped by heat treatment at 65°C for 5 minutes.

そして、10倍濃度に調整したNEBuffer#2(10x NEBuffer#2 )3μl、0.5wt.%BSA含有水溶液0.2μl、10mM ATP溶液(商品名 Adenosine 5’-Triphosphate (ATP)、New England BioLabs社)4.5μl、1MのDTT(商品名 UltraPureTM Dithiothreitol (Clelands Reagent)、Invitrogen/Life Technologies社)0.15μl、T4 DNAポリメラーゼ(商品名 T4 DNA Polymerase(5U/μl)、Thermo Scientific社)1.5μl、T4 ポリヌクレオチドキナーゼ(10U/μl)(商品名 T4 Polynucleotide Kinase、New England BioLabs社)3μlを加えて37℃で7分間反応させ、その後、10倍濃度のT4 DNA ligase buffer 6μl、0.5wt.%BSA含有水溶液0.3μl及び、ビオチン化dNTP(ビオチン化dATP(商品名:Biotin-14-dATP,Invitrogen社)、ビオチン化dCTP(商品名:Biotin-14-dCTP,Invitrogen社) がそれぞれ終濃度0.1mM、dGTP(商品名:dGTP,東洋紡)、dTTP(商品名:dTTP, 東洋紡))がそれぞれ終濃度0.05mMとなるよう加えて、溶液量約100μlとしたサンプルを、25℃25分、12℃15分の後、4℃保持とする温度条件で反応させた。そして、エチレンジアミン四酢酸(ethylenediaminetetraacetic acid、EDTA)を終濃度30mMとなるように加えて65℃で熱処理し、酵素活性を失活させた。これら一連の処理によってDNA切断末端にビオチンを付加した。 Then, 3 μl of NEBuffer#2 adjusted to a 10x concentration (10x NEBuffer#2), 0.2 μl of an aqueous solution containing 0.5 wt.% BSA, 4.5 μl of 10 mM ATP solution (trade name Adenosine 5'-Triphosphate (ATP), New England BioLabs), 0.15 μl of 1 M DTT (trade name UltraPure Dithiothreitol (Clelands Reagent), Invitrogen/Life Technologies), 1.5 μl of T4 DNA polymerase (trade name T4 DNA Polymerase (5 U/μl), Thermo Scientific), and 3 μl of T4 polynucleotide kinase (10 U/μl) (trade name T4 Polynucleotide Kinase, New England BioLabs) were added and reacted at 37° C. for 7 minutes. Thereafter, 10x T4 DNA ligase buffer 6 μl, 0.3 μl of 0.5 wt. % BSA-containing aqueous solution, and biotinylated dNTP (biotinylated dATP (trade name: Biotin-14-dATP, Invitrogen), biotinylated dCTP (trade name: Biotin-14-dCTP, Invitrogen) at a final concentration of 0.1 mM, dGTP (trade name: dGTP, Toyobo), and dTTP (trade name: dTTP, Toyobo) at a final concentration of 0.05 mM were added to make a sample with a volume of about 100 μl, and the sample was reacted at 25° C. for 25 minutes, 12° C. for 15 minutes, and then maintained at 4° C. Then, ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) was added to a final concentration of 30 mM, and the sample was heat-treated at 65° C. to inactivate the enzyme activity. Through this series of treatments, biotin was added to the DNA cut ends.

そして、熱処理後のサンプル約110μlに、ATP添加10倍濃度T4 Ligase buffer(商品名:10X Buffer for T4 DNA ligase with 10mM ATP; New England BioLabs社) を250μl、0.5wt.%BSA含有水溶液を12.5μl、1MのMgClを3μl、T4 DNAリガーゼ(400U/μl)(商品名 T4 DNA Ligase、New England BioLabs社)を12.5μl加え、更に滅菌水を加えて全容量を2500μlとし、室温で1時間混合した。その後、4℃、遠心力×16000g、10分間で遠心分離操作を行い、ペレットを得た。 Then, to about 110 μl of the heat-treated sample, 250 μl of ATP-added 10x concentration T4 Ligase buffer (trade name: 10X Buffer for T4 DNA ligase with 10 mM ATP; New England BioLabs), 12.5 μl of 0.5 wt.% BSA-containing aqueous solution, 3 μl of 1M MgCl2 , and 12.5 μl of T4 DNA ligase (400 U/μl) (trade name T4 DNA Ligase, New England BioLabs) were added, and sterilized water was added to make the total volume 2500 μl, and the mixture was mixed at room temperature for 1 hour. Then, the mixture was centrifuged at 4°C, 16000 g for 10 minutes to obtain a pellet.

10倍濃度で調整したNEBuffer#1(商品名 NEBuffer 1, New England BioLabs社)を10μlと、滅菌水89μl、エキソヌクレアーゼIII(Exonuclease III(100U/μl)、New England Biolabs社)1μlを、ペレットに加え、100μlのサンプル溶液とした。これを、37℃で5分間保持し、続いて、溶液の1/200容量のプロテアーゼ(商品名 Proteinase K (Recombinant) Solution、Nacalai Tesque社)を加え、55℃で3時間保持してサンプル溶液中のタンパク質を消化した(脱架橋)。10 μl of NEBuffer#1 (product name NEBuffer 1, New England BioLabs) adjusted to a 10x concentration, 89 μl of sterile water, and 1 μl of Exonuclease III (100 U/μl, New England Biolabs) were added to the pellet to make 100 μl of sample solution. This was kept at 37°C for 5 minutes, and then 1/200 volume of protease (product name Proteinase K (Recombinant) Solution, Nacalai Tesque) was added and kept at 55°C for 3 hours to digest the proteins in the sample solution (decrosslinking).

続いて、サンプル溶液にフェノールクロロホルム溶液(商品名:フェノール:クロロホルム:イソアミルアルコール 25:24:1フェノール含量:約33w/w%、Nacalai Tesque社)100μlを加えて十分に混合してから、室温、遠心力×19800g、10分で遠心分離を行う操作を2回実施し、その後、上清を回収した。回収した上清の1/10容量の3M 酢酸ナトリウム溶液(商品名: 3mol/l Sodium Acetate Buffer Solution (pH 5.2)、Nacalai Tesque社)と、2.5倍容量の100%エタノールを入れて混合し、-80℃で1時間静置した。そのサンプルを4℃、遠心力×19800g、15分間の遠心分離操作を行ってDNAを沈殿させた後、上清を除いてから1mlの75%エタノールで洗浄し、再度4℃、遠心力×19800g、15分間の遠心分離操作を実施して上清を除去した。沈殿物を室温20分間で風乾し、50μlのBuffer EB(10 mM Tris・Cl、pH 8.5)(商品名Buffer EB Elution Buffer、Qiagen社)を加えて、37℃、15分保持してDNA溶液を調整した。そして、調整したDNA溶液を、更に精製した後、超微量分光光度計(商品名Qubit 3.0 Fluorometer、Invitrogen/ Life Technologies社)を用いてDNA量を確認した。 Next, 100 μl of phenol-chloroform solution (trade name: phenol:chloroform:isoamyl alcohol 25:24:1, phenol content: approximately 33 w/w%, Nacalai Tesque) was added to the sample solution and mixed thoroughly, then centrifuged twice at room temperature, centrifugal force x 19,800 g, 10 minutes, and the supernatant was then collected. 1/10 volume of 3M sodium acetate solution (trade name: 3 mol/l Sodium Acetate Buffer Solution (pH 5.2), Nacalai Tesque) and 2.5 volumes of 100% ethanol were added to the collected supernatant, mixed, and left to stand at -80°C for 1 hour. The sample was centrifuged at 4°C, 19800g for 15 minutes to precipitate the DNA, and the supernatant was removed, washed with 1 ml of 75% ethanol, and centrifuged again at 4°C, 19800g for 15 minutes to remove the supernatant. The precipitate was air-dried at room temperature for 20 minutes, and 50 μl of Buffer EB (10 mM Tris·Cl, pH 8.5) (product name Buffer EB Elution Buffer, Qiagen) was added and held at 37°C for 15 minutes to prepare a DNA solution. The prepared DNA solution was further purified, and the amount of DNA was confirmed using an ultramicrospectrophotometer (product name Qubit 3.0 Fluorometer, Invitrogen/Life Technologies).

そして、DNA量が10ngとなるようにDNA溶液をチューブに分注し、2倍濃度のTD buffer25μl(商品名 Tagment DNA Buffer (Nextera(登録商標) DNA Library Prep Kit、Illumina社)とトランスポソーム(Tagment DNA Enzyme 1 (TDE1)、Illumina社)1μlとを加えた後、溶液総量が50μlとなるまで滅菌水を追加した。これを55℃で10分間保持し、タグメンテーションを行った。反応後のサンプルを精製し、50μlのDNA溶液(Buffer EB溶液)とした。The DNA solution was then dispensed into tubes so that the amount of DNA was 10 ng, and 25 μl of 2x concentrated TD buffer (trade name Tagment DNA Buffer (Nextera® DNA Library Prep Kit, Illumina) and 1 μl of transposome (Tagment DNA Enzyme 1 (TDE1), Illumina) were added, after which sterile water was added until the total solution volume reached 50 μl. This was kept at 55°C for 10 minutes to perform tagmentation. The post-reaction sample was purified to make 50 μl of DNA solution (Buffer EB solution).

次に、ストレプトアビジンビーズ分散液(商品名DynabeadsTM(登録商標) M-280 Streptavidin、Invitrogen/ Thermo Fisher Scientific社)10μlを、500μlの1xBind and Wash bufferで2回洗浄した後、50μlの2xBind and Wash Bufferで懸濁した。この50μlのビーズ分散液を、上記で精製したDNA溶液とチューブ内で混合し、30分間、室温で保持した後、磁気スタンド(1.5ml用)に静置して、上清を除去し、ストレプトアビジンビーズを回収した。そして、回収したビーズを、0.1vol%の非イオン性界面活性剤溶液(商品名Triton X-100、Nacalai Tesque社)を含む500μlの1x Bind and wash bufferで1度洗浄してから、500μlのBuffer EBで更に洗浄した後、40μlのBuffer EBで懸濁して分散液とした。 Next, 10 μl of streptavidin bead dispersion (trade name Dynabeads TM (registered trademark) M-280 Streptavidin, Invitrogen/Thermo Fisher Scientific) was washed twice with 500 μl of 1x Bind and Wash buffer, and then suspended in 50 μl of 2x Bind and Wash Buffer. This 50 μl of bead dispersion was mixed with the above-purified DNA solution in a tube, and after keeping it at room temperature for 30 minutes, it was placed on a magnetic stand (for 1.5 ml), the supernatant was removed, and the streptavidin beads were recovered. The recovered beads were washed once with 500 μl of 1x Bind and wash buffer containing 0.1 vol% nonionic surfactant solution (trade name Triton X-100, Nacalai Tesque), and then further washed with 500 μl of Buffer EB, and then suspended in 40 μl of Buffer EB to obtain a dispersion.

この分散液10μlに、滅菌水10μl、10μMのフォワード側プライマー(N707、Nextera(登録商標) XT Index Kit v.2, Illumina社)2.5μl、リバース側プライマー(S511 、商品名:Nextera(登録商標) XT Index Kit v.2, Illumina社)2.5μl、DNAポリメラーゼ(KAPA HiFi HotStart ReadyMix (2X)、Kapa Biosystems社)25μlを加えてから、PCRを行った。PCRの条件は、72℃5分間の予備加熱、98℃で3分間の初期変性後、98℃で10秒間の熱変性、63℃で30秒間のアニーリング反応、72℃で1分間の伸長反応を13サイクル行い、72℃で1分間の最終伸長反応を行った後、増幅産物を4℃に冷却した。 10 μl of this dispersion was mixed with 10 μl of sterile water, 2.5 μl of 10 μM forward primer (N707, Nextera® XT Index Kit v.2, Illumina), 2.5 μl of reverse primer (S511, product name: Nextera® XT Index Kit v.2, Illumina), and 25 μl of DNA polymerase (KAPA HiFi HotStart ReadyMix (2X), Kapa Biosystems), and then PCR was performed. The PCR conditions were preheating at 72°C for 5 minutes, initial denaturation at 98°C for 3 minutes, thermal denaturation at 98°C for 10 seconds, annealing reaction at 63°C for 30 seconds, and extension reaction at 72°C for 1 minute for 13 cycles, and a final extension reaction at 72°C for 1 minute was performed, after which the amplified product was cooled to 4°C.

なお、このPCRに先立って、DNA溶液の一部を用いて、リアルタイムPCRを実施し、そのプラトーから最適サイクル数は決定した。Prior to this PCR, real-time PCR was performed using a portion of the DNA solution, and the optimal number of cycles was determined from the plateau.

得られたPCR産物から、目的のDNAサイズ200-1000bpのDNA断片を回収するため、適宜のサイズセレクションを実施し、最終的に、150bp~1300bpのDNA断片が含まれたDNAライブラリ 10μl(DNA/Buffer EB溶液)を得た。 In order to recover DNA fragments of the desired DNA size of 200-1000 bp from the obtained PCR products, appropriate size selection was performed, and finally, 10 μl of a DNA library (DNA/Buffer EB solution) containing DNA fragments of 150 bp to 1300 bp was obtained.

この得られたDNAライブラリを用い、超並列DNA配列解析装置(装置名 NextSeq 500、Illumina社)を使用して、DNA断片(DNAペア)の両端の塩基配列を解析した。解析する塩基配列の長さは、36塩基とした。得られた塩基配列に対し、両端の配列をそれぞれ独立に参照用ヒトゲノム配列にマッピングすることで、DNA配列の相互作用が解析された。得られた結果を図2、図3に示す。Using the obtained DNA library, the base sequences at both ends of the DNA fragments (DNA pairs) were analyzed using a massively parallel DNA sequence analyzer (device name: NextSeq 500, Illumina). The length of the base sequence to be analyzed was 36 bases. The sequences at both ends of the obtained base sequences were independently mapped to the reference human genome sequence to analyze the interaction of the DNA sequences. The results are shown in Figures 2 and 3.

図2は、H3K4me3が存在するクロマチン領域の相互作用のヒートマップを示す。本発明の手法を確立するために、抗H3K4me3抗体を用いてDNA配列の相互作用解析を行い、H3K4me3が存在するクロマチン領域の相互作用をJuiceboxにより解析した。
図3は、一例として解析された、ゲノム上におけるH3K4me3の局在およびH3K4me3が存在するクロマチン領域の相互作用を示す。ACTB遺伝子領域付近(第7染色体)に局在するH3K4me3とそのヒストン翻訳後修飾が含まれるクロマチン領域間の相互作用をWashU EpiGenome Browserにより解析した。以上の結果より本発明の手法では別で実施したCUT&RUNと同様のH3K4me3の局在が示され、さらにH3K4me3が含まれるクロマチン領域の相互作用が確認された。また、これによって、H3K4me3が結合するDNA配列の相互作用が、同一の遺伝子およびその近傍の領域の間のみならず、離れた遺伝子領域との間においても生じていることが認められた。
図4は、図3の部分的な拡大図である。
図5は、図3の部分的な拡大図である。
2 shows a heat map of interactions of chromatin regions where H3K4me3 exists. In order to establish the method of the present invention, interaction analysis of DNA sequences was performed using an anti-H3K4me3 antibody, and interactions of chromatin regions where H3K4me3 exists were analyzed using Juicebox.
FIG. 3 shows the localization of H3K4me3 on the genome and the interaction of chromatin regions containing H3K4me3, which were analyzed as an example. The interaction between H3K4me3 localized near the ACTB gene region (chromosome 7) and the chromatin region containing histone post-translational modifications was analyzed using WashU EpiGenome Browser. From the above results, the method of the present invention showed the same localization of H3K4me3 as CUT&RUN, which was performed separately, and further confirmed the interaction of chromatin regions containing H3K4me3. In addition, it was confirmed that the interaction of DNA sequences to which H3K4me3 binds occurs not only between the same gene and its neighboring regions, but also between distant gene regions.
FIG. 4 is a partially enlarged view of FIG.
FIG. 5 is a partially enlarged view of FIG.

(実施例2)
ターゲットのタンパク質をCTCFとし、実施例1の抗H3K4me3抗体に代えて5μg抗CTCF抗体(ab70303 Abcam社)を用いたこと、また、リバース側プライマーをS511からS516(商品名:Nextera(登録商標) XT Index Kit v.2, Illumina社)に変更しPCRを13または14サイクルで行ったこと以外は、実施例1と同様にして、DNA配列相互作用の分析を行った。
結果を図6、図7に示す。
Example 2
DNA sequence interaction analysis was performed in the same manner as in Example 1, except that the target protein was CTCF, 5 μg of anti-CTCF antibody (ab70303, Abcam) was used instead of the anti-H3K4me3 antibody in Example 1, the reverse primer was changed from S511 to S516 (product name: Nextera (registered trademark) XT Index Kit v.2, Illumina), and PCR was performed for 13 or 14 cycles.
The results are shown in Figures 6 and 7.

図6は、CTCFが存在するクロマチン領域の相互作用のヒートマップを示す。本発明の手法を確立するために、実施例1と同様に抗CTCF抗体を用いてDNA配列の相互作用解析を行い、CTCFが存在するクロマチン領域の相互作用をJuiceboxにより解析した。
図7は、一例として解析された、ゲノム上におけるCTCFの局在およびCTCFが存在するクロマチン領域の相互作用を示す。ACTB遺伝子領域付近(第7染色体)に局在するCTCFとその転写因子が含まれるクロマチン領域の相互作用をWashU EpiGenome Browserにより解析した。以上の結果、本発明の手法を用いてCTCFが結合するクロマチン領域の相互作用が確認できた。また、これによって、CTCFが結合するDNA配列の相互作用が、同一の遺伝子およびその近傍の領域の間のみならず、離れた遺伝子領域との間においても生じていることが認められた。
図8は、図7の部分的な拡大図である。
図9は、図7の部分的な拡大図である。
6 shows a heat map of interactions of chromatin regions where CTCF exists. In order to establish the method of the present invention, interaction analysis of DNA sequences was performed using an anti-CTCF antibody as in Example 1, and interactions of chromatin regions where CTCF exists were analyzed using Juicebox.
FIG. 7 shows the localization of CTCF on the genome and the interaction of the chromatin region where CTCF is present, analyzed as an example. The interaction of CTCF localized near the ACTB gene region (chromosome 7) with the chromatin region containing the transcription factor was analyzed using WashU EpiGenome Browser. As a result, the interaction of the chromatin region to which CTCF binds could be confirmed using the method of the present invention. It was also confirmed that the interaction of the DNA sequence to which CTCF binds occurs not only between the same gene and its neighboring region, but also between distant gene regions.
FIG. 8 is a partially enlarged view of FIG.
FIG. 9 is a partially enlarged view of FIG.

(実施例3)
分析に使用されるサンプル数を106個の細胞数として、実施例1に基づいて、DNA配列相互作用の分析を行った。具体的には、以下のとおりである。
Example 3
The number of samples used in the analysis was 10 6 cells, and the analysis of DNA sequence interactions was carried out according to Example 1. Specifically, the procedure is as follows.

HEK293T細胞を、2vol%ウシ胎児血清(FBS)を含有するPBS(FBS-PBS)に懸濁した後、細胞数が106個となるようにチューブに注入し、室温で5分、遠心力x300gで遠心分離した。分離した細胞に、ホルムアルデヒド(商品名:Formaldehyde solution, 型番F8775, Sigma-Aldrich社)1wt.%を含有するFBS-PBS 1mlを加えて懸濁し、穏やかに攪拌した。その後、終濃度が250mMとなるように1MのグリシンPBS溶液の340μlを加え、室温5分間の混合操作を行い、続いて、氷上にて15分間保持しつつ適宜倒拌にて攪拌を行った。その後、4℃、遠心力×800g、5分間の遠心分離操作と5mlのPBSによる再懸濁とを複数回実施して洗浄を行った。なお、遠心分離操作では、適宜、分離した上清は除去される。最後の洗浄では、遠心分離後の上清(PBS)をできるだけ除去し、次いで、液体窒素にてサンプルを急冷した。 HEK293T cells were suspended in PBS (FBS-PBS) containing 2 vol% fetal bovine serum (FBS), then poured into a tube so that the number of cells was 10 6 , and centrifuged at room temperature for 5 minutes at a centrifugal force of 300 g. The separated cells were suspended in 1 ml of FBS-PBS containing 1 wt.% formaldehyde (trade name: Formaldehyde solution, model number F8775, Sigma-Aldrich), and gently stirred. Then, 340 μl of 1 M glycine PBS solution was added so that the final concentration was 250 mM, and a mixing operation was performed for 5 minutes at room temperature, followed by stirring by inversion as appropriate while holding on ice for 15 minutes. Then, washing was performed by performing a centrifugation operation at 4°C, a centrifugal force of 800 g, for 5 minutes, and resuspension with 5 ml of PBS multiple times. In addition, during the centrifugation operation, the separated supernatant was appropriately removed. In the final washing, the supernatant (PBS) after centrifugation was removed as much as possible, and then the sample was rapidly cooled in liquid nitrogen.

上記手順で調整した細胞サンプルを溶解し、1mlのLysis Bufferにて再懸濁し、30分間、定期的に倒拌しつつ氷上に保持した。その後、1mlのRSBを加えてから、4℃、5分間、遠心力×800gで遠心分離した後、洗浄用バッファー(Wash Buffer)1.5mlにて洗浄を行った。洗浄用バッファーの添加と遠心分離操作とによる洗浄作業を複数回実施した後、4℃、5分間、遠心力×800gで遠心分離した沈殿物を回収し、抗CTCF抗体(型番ab70303、Abcam社)1μgを含むAntibody Buffer溶液500μlに再懸濁し、4℃で一晩、反応させた。The cell sample prepared by the above procedure was lysed, resuspended in 1 ml of lysis buffer, and kept on ice for 30 minutes while periodically stirring. After that, 1 ml of RSB was added, and the sample was centrifuged at 4°C for 5 minutes at a centrifugal force of 800 g, and then washed with 1.5 ml of wash buffer. After performing the washing operation by adding wash buffer and centrifuging several times, the precipitate was collected after centrifugation at 4°C for 5 minutes at a centrifugal force of 800 g, and resuspended in 500 μl of antibody buffer solution containing 1 μg of anti-CTCF antibody (model number ab70303, Abcam), and reacted overnight at 4°C.

反応後のサンプルに対して、4℃、遠心力×500gで5分間の遠心分離操作と1mlのDigitonin Bufferでの再懸濁とを2回繰り返して行ってから、4℃、遠心力×500gで5分間の遠心分離操作の後、45μlのDigitonin Bufferにて再懸濁し、更に、Digitonin Bufferで1000倍希釈した(適宜に濃度調整した)pA-MNを加えて4℃にて1時間反応させた。その後、4℃、遠心力×500g、5分間の遠心分離操作と、1mlのDigitonin bufferでの再懸濁とを複数回実施した後、4℃、遠心力×500g、5分間で遠心分離した沈殿物を150μlのDigitonin bufferで再懸濁してから、100mM CaCl溶液を3μl添加して、37℃、20分反応させた。続いて、グリコールエーテルジアミン四酢酸(ethylene glycol tetraacetic acid、EGTA)を終濃度2mMになるように添加し、65℃、10分間処理をした。 The sample after the reaction was centrifuged twice at 4° C. at a centrifugal force of 500 g for 5 minutes and resuspended in 1 ml of Digitonin Buffer, then centrifuged at 4° C. at a centrifugal force of 500 g for 5 minutes, and resuspended in 45 μl of Digitonin Buffer. pA-MN diluted 1000-fold with Digitonin Buffer (concentration appropriately adjusted) was added and reacted for 1 hour at 4° C. After that, centrifuged several times at 4° C. at a centrifugal force of 500 g for 5 minutes and resuspended in 1 ml of Digitonin buffer, and the precipitate centrifuged at 4° C. at a centrifugal force of 500 g for 5 minutes was resuspended in 150 μl of Digitonin buffer, and 3 μl of 100 mM CaCl 2 solution was added and reacted at 37° C. for 20 minutes. Subsequently, ethylene glycol tetraacetic acid (EGTA) was added to a final concentration of 2 mM, and the mixture was treated at 65° C. for 10 minutes.

その後、4℃、遠心力×16000g、5分間の遠心分離操作と、これにより分離されたペレットを1mlのMbuffer#2で懸濁する操作と、を繰り返した後、4℃、遠心力×16000g、5分間の条件で遠心分離したペレットに、0.5wt.%ウシ血清アルブミン(BSA)水溶液を加えたMbuffer#2 (29μl Mbuffer#2+1μl 0.5%BSA/滅菌水)を30μl加えて再懸濁した。After that, centrifugation was performed at 4°C at a centrifugal force of 16,000 g for 5 minutes, and the pellet thus separated was suspended in 1 ml of Mbuffer #2. This was then repeated. The pellet was then resuspended in 30 μl of Mbuffer #2 (29 μl Mbuffer #2 + 1 μl 0.5% BSA/sterile water) containing a 0.5 wt.% aqueous solution of bovine serum albumin (BSA).

続いて、上記手順にて調整したサンプル30μlに対し、脱リン酸化酵素(商品名:Shrimp Alkaline Phosphatase (rSAP), New England BioLabs社)を2.5μl加え、37℃45分間の脱リン酸化処理を行った。反応終了時、脱リン酸化反応は、65℃5分間の熱処理にて停止させた。Next, 2.5 μl of a dephosphorylation enzyme (product name: Shrimp Alkaline Phosphatase (rSAP), New England BioLabs) was added to 30 μl of the sample prepared by the above procedure, and dephosphorylation treatment was carried out at 37°C for 45 minutes. At the end of the reaction, the dephosphorylation reaction was stopped by heat treatment at 65°C for 5 minutes.

そして、10倍濃度に調整したNEBuffer#2(10x NEBuffer#2 )3μl、0.5wt.%BSA含有水溶液0.2μl、10mM ATP溶液(商品名 Adenosine 5’-Triphosphate(ATP)、New England BioLabs社)4.5μl、1MのDTT(商品名 UltraPureTM Dithiothreitol (Clelands Reagent)、Invitrogen/Life Technologies社)0.15μl、T4 DNAポリメラーゼ(商品名 T4 DNA Polymerase(5U/μl)、Thermo Scientific社)1.5μl、T4 ポリヌクレオチドキナーゼ(10U/μl)(商品名 T4 Polynucleotide Kinase、New England BioLabs社)3μlを加えて37℃で7分間反応させ、その後、10倍濃度のT4 DNA ligase buffer 6μl、0.5wt.%BSA含有水溶液0.3μl及び、ビオチン化dNTP(ビオチン化dATP(商品名:Biotin-14-dATP,Invitrogen社)、ビオチン化dCTP(商品名:Biotin-14-dCTP,Invitrogen社) がそれぞれ終濃度0.1mM、dGTP(商品名:dGTP,東洋紡)、dTTP(商品名:dTTP, 東洋紡))がそれぞれ終濃度0.05mMとなるよう加えて、溶液量約100μlとしたサンプルを、25℃25分、12℃15分の後、4℃保持とする温度条件で反応させた。そして、エチレンジアミン四酢酸(ethylenediaminetetraacetic acid、EDTA)を終濃度30mMとなるように加えて65℃で熱処理し、酵素活性を失活させた。これら一連の処理によってDNA切断末端にビオチンを付加した。 Then, 3 μl of NEBuffer#2 (10x NEBuffer#2) adjusted to a 10x concentration, 0.2 μl of an aqueous solution containing 0.5 wt.% BSA, 4.5 μl of 10 mM ATP solution (trade name Adenosine 5'-Triphosphate (ATP), New England BioLabs), 0.15 μl of 1 M DTT (trade name UltraPure Dithiothreitol (Clelands Reagent), Invitrogen/Life Technologies), 1.5 μl of T4 DNA polymerase (trade name T4 DNA Polymerase (5 U/μl), Thermo Scientific), and 3 μl of T4 polynucleotide kinase (10 U/μl) (trade name T4 Polynucleotide Kinase, New England BioLabs) were added and reacted at 37° C. for 7 minutes, followed by addition of 10x T4 DNA ligase buffer. 6 μl, 0.3 μl of 0.5 wt. % BSA-containing aqueous solution, and biotinylated dNTP (biotinylated dATP (trade name: Biotin-14-dATP, Invitrogen), biotinylated dCTP (trade name: Biotin-14-dCTP, Invitrogen) at a final concentration of 0.1 mM, dGTP (trade name: dGTP, Toyobo), and dTTP (trade name: dTTP, Toyobo) at a final concentration of 0.05 mM were added to make a sample with a volume of about 100 μl, and the sample was reacted at 25° C. for 25 minutes, 12° C. for 15 minutes, and then maintained at 4° C. Then, ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) was added to a final concentration of 30 mM, and the sample was heat-treated at 65° C. to inactivate the enzyme activity. Through this series of treatments, biotin was added to the DNA cut ends.

そして、熱処理後のサンプル約110μlに、ATP添加10倍濃度T4 Ligase buffer(商品名:10X Buffer for T4 DNA ligase with 10mM ATP; New England BioLabs社) を250μl、0.5wt.%BSA含有水溶液を12.5μl、1MのMgClを3μl、T4 DNAリガーゼ(400U/μl)(商品名 T4 DNA Ligase、New England BioLabs社)を12.5μl加え、更に滅菌水を加えて全容量を2500μlとし、16℃で一晩混合した。その後、4℃、遠心力×16000g、10分間で遠心分離操作を行い、ペレットを得た。 Then, to about 110 μl of the heat-treated sample, 250 μl of ATP-added 10x concentration T4 Ligase buffer (trade name: 10X Buffer for T4 DNA ligase with 10 mM ATP; New England BioLabs), 12.5 μl of 0.5 wt.% BSA-containing aqueous solution, 3 μl of 1M MgCl2 , and 12.5 μl of T4 DNA ligase (400 U/μl) (trade name T4 DNA Ligase, New England BioLabs) were added, and sterilized water was added to make the total volume 2500 μl, and the mixture was mixed overnight at 16° C. Then, the mixture was centrifuged at 4° C. and a centrifugal force of 16000 g for 10 minutes to obtain a pellet.

10倍濃度で調整したNEBuffer#1(商品名 NEBuffer 1, New England BioLabs社)を10μlと、滅菌水89μl、エキソヌクレアーゼIII(Exonuclease III(100U/μl)、New England Biolabs社)1μlを、ペレットに加え、100μlのサンプル溶液とした。これを、37℃で5分間保持し、続いて、溶液の1/200容量のプロテアーゼ(商品名 Proteinase K (Recombinant) Solution、Nacalai Tesque社)を加え、55℃で3時間保持してサンプル溶液中のタンパク質を消化した(脱架橋)。10 μl of NEBuffer#1 (product name NEBuffer 1, New England BioLabs) adjusted to a 10x concentration, 89 μl of sterile water, and 1 μl of Exonuclease III (100 U/μl, New England Biolabs) were added to the pellet to make 100 μl of sample solution. This was kept at 37°C for 5 minutes, and then 1/200 volume of protease (product name Proteinase K (Recombinant) Solution, Nacalai Tesque) was added and kept at 55°C for 3 hours to digest the proteins in the sample solution (decrosslinking).

DNA溶液を、更に精製した後、超微量分光光度計(商品名Qubit 3.0 Fluorometer、Invitrogen/ Life Technologies社)を用いてDNA量を確認した。The DNA solution was further purified and the amount of DNA was confirmed using an ultra-microspectrophotometer (Qubit 3.0 Fluorometer, Invitrogen/Life Technologies).

そして、DNA量が10ngとなるようにDNA溶液をチューブに分注し、2倍濃度のTD buffer25μl(商品名 Tagment DNA Buffer (Nextera(登録商標) DNA Library Prep Kit、Illumina社)とトランスポソーム(Tagment DNA Enzyme 1 (TDE1)、Illumina社)0.5μlとを加えた後、溶液総量が50μlとなるまで滅菌水を追加した。これを55℃で10分間保持し、タグメンテーションを行った。反応後のサンプルを精製し、50μlのDNA溶液(Buffer EB溶液)とした。The DNA solution was then dispensed into tubes so that the amount of DNA was 10 ng, and 25 μl of 2x concentrated TD buffer (trade name Tagment DNA Buffer (Nextera® DNA Library Prep Kit, Illumina) and 0.5 μl of transposome (Tagment DNA Enzyme 1 (TDE1), Illumina) were added, after which sterile water was added until the total solution volume reached 50 μl. This was kept at 55°C for 10 minutes to perform tagmentation. The post-reaction sample was purified to make 50 μl of DNA solution (Buffer EB solution).

次に、ストレプトアビジンビーズ分散液(商品名DynabeadsTM(登録商標) M-280 Streptavidin、Invitrogen/ Thermo Fisher Scientific社)10μlを、500μlの1xBind and Wash bufferで2回洗浄した後、50μlの2xBind and Wash Bufferで懸濁した。この50μlのビーズ分散液を、上記で精製したDNA溶液とチューブ内で混合し、30分間、室温で保持した後、磁気スタンド(1.5ml用)に静置して、上清を除去し、ストレプトアビジンビーズを回収した。そして、回収したビーズを、0.1vol%の非イオン性界面活性剤溶液(商品名Triton X-100、Nacalai Tesque社)を含む500μlの1x Bind and wash bufferで1度洗浄してから、500μlのBuffer EBで更に洗浄した後、10μlのBuffer EBで懸濁した。 Next, 10 μl of streptavidin bead dispersion (trade name Dynabeads TM (registered trademark) M-280 Streptavidin, Invitrogen/Thermo Fisher Scientific) was washed twice with 500 μl of 1x Bind and Wash buffer, and then suspended in 50 μl of 2x Bind and Wash Buffer. This 50 μl of bead dispersion was mixed with the above-purified DNA solution in a tube, and after keeping it at room temperature for 30 minutes, it was placed on a magnetic stand (for 1.5 ml), the supernatant was removed, and the streptavidin beads were recovered. The recovered beads were washed once with 500 μl of 1x Bind and wash buffer containing 0.1 vol% nonionic surfactant solution (trade name Triton X-100, Nacalai Tesque), further washed with 500 μl of Buffer EB, and then suspended in 10 μl of Buffer EB.

10μlに、滅菌水10μl、10μMのフォワード側プライマー(N704、Nextera(登録商標) XT Index Kit v.2, Illumina社)2.5μl、リバース側プライマー(S521、商品名:Nextera(登録商標) XT Index Kit v.2, Illumina社)2.5μl、DNAポリメラーゼ(KAPA HiFi HotStart ReadyMix (2X)、Kapa Biosystems社)25μlを加えてから、PCRを行った。PCRの条件は、72℃5分間の予備加熱、98℃で3分間の初期変性後、98℃で10秒間の熱変性、63℃で30秒間のアニーリング反応、72℃で1分間の伸長反応を11サイクル行い、72℃で1分間の最終伸長反応を行った後、増幅産物を4℃に冷却した。10 μl of sterile water, 10 μl of 10 μM forward primer (N704, Nextera® XT Index Kit v.2, Illumina), 2.5 μl of reverse primer (S521, product name: Nextera® XT Index Kit v.2, Illumina), and 25 μl of DNA polymerase (KAPA HiFi HotStart ReadyMix (2X), Kapa Biosystems) were added to 10 μl of the mixture, and PCR was performed. The PCR conditions were preheating at 72°C for 5 minutes, initial denaturation at 98°C for 3 minutes, thermal denaturation at 98°C for 10 seconds, annealing reaction at 63°C for 30 seconds, and extension reaction at 72°C for 1 minute for 11 cycles, and a final extension reaction at 72°C for 1 minute, after which the amplified product was cooled to 4°C.

なお、このPCRに先立って、DNA溶液の一部を用いて、リアルタイムPCRを実施し、そのプラトーから最適サイクル数は決定した。Prior to this PCR, real-time PCR was performed using a portion of the DNA solution, and the optimal number of cycles was determined from the plateau.

得られたPCR産物から、目的のDNAサイズ200-1000bpのDNA断片を回収するため、適宜のサイズセレクションを実施し、最終的に、150bp~1300bpのDNA断片が含まれたDNAライブラリ 10μl(DNA/Buffer EB溶液)を得た。 In order to recover DNA fragments of the desired DNA size of 200-1000 bp from the obtained PCR products, appropriate size selection was performed, and finally, 10 μl of a DNA library (DNA/Buffer EB solution) containing DNA fragments of 150 bp to 1300 bp was obtained.

この得られたDNAライブラリを用い、超並列DNA配列解析装置(装置名 NextSeq 500、Illumina社)を使用して、DNA断片(DNAペア)の両端の塩基配列を解析した。解析する塩基配列の長さは、36塩基とした。得られた塩基配列に対し、両端の配列をそれぞれ独立に参照用ヒトゲノム配列にマッピングすることで、DNA配列の相互作用が解析された。得られた結果を図10に示す。Using this obtained DNA library, the base sequences at both ends of the DNA fragments (DNA pairs) were analyzed using a massively parallel DNA sequence analyzer (device name: NextSeq 500, Illumina). The length of the base sequence to be analyzed was 36 bases. The sequences at both ends of the obtained base sequence were independently mapped to a reference human genome sequence to analyze the interaction of the DNA sequences. The results are shown in Figure 10.

図10は、一例として解析された、ゲノム上におけるCTCFの局在およびCTCFが存在するクロマチン領域間の相互作用を示す。最上部にはゲノム上の位置が数字で示されており、上列には、既知のCUT&RUN法(Skene et al., 2018)を別で実施して得た結果において解析されたCTCFの局在を示した分布図を、参照情報として示している。中列は、Jaspar Transcription Factor Databaseにより特定されたゲノム上に存在するCTCF結合サイトを示しており、ゲノム上の配列の方向性に応じ、一方の方向のものに下線を付して示している。下列は、本願実施例3により得られたCTCFの局在を示した分布図と共に、CTCFの局在箇所の下に、本願実施例3により得られたCTCFが存在するクロマチン領域間の相互作用をループ状で示す。下列の更に下方には、第7染色体中の遺伝子(FBXL18、MIR589、ACTB)の位置が表示されており、遺伝子名称の右側にマーキングされた範囲が対応する遺伝子の存在位置を示している。
図11は、図10の部分的な拡大図である。
図12は、図10の部分的な拡大図である。
FIG. 10 shows the localization of CTCF on the genome and the interaction between chromatin regions where CTCF is present, analyzed as an example. At the top, the position on the genome is indicated by numbers, and in the upper row, a distribution map showing the localization of CTCF analyzed in the results obtained by separately performing the known CUT&RUN method (Skene et al., 2018) is shown as reference information. The middle row shows the CTCF binding sites present on the genome identified by the Jaspar Transcription Factor Database, and those in one direction are underlined according to the direction of the sequence on the genome. The lower row shows the interaction between chromatin regions where CTCF is present obtained by Example 3 of the present application in a loop shape below the localization of CTCF, together with the distribution map showing the localization of CTCF obtained by Example 3 of the present application. Further below the lower row, the positions of genes (FBXL18, MIR589, ACTB) in chromosome 7 are displayed, and the range marked to the right of the gene name indicates the position of the corresponding gene.
FIG. 11 is a partially enlarged view of FIG.
FIG. 12 is a partially enlarged view of FIG.

Claims (12)

三次元DNA構造におけるDNA配列の相互作用を分析する方法であって、
(1)DNA切断ステップの前に、細胞核内におけるDNA配列の空間配置を固定するための架橋ステップと、
(2)前記DNA配列中のDNA鎖に接する任意のタンパク質を選択して、前記任意のタンパク質に一次抗体を結合させる一次抗体結合ステップと、前記一次抗体を介して前記任意のタンパク質にDNAを切断する酵素を結合させる酵素結合ステップとを含む、前記DNAを切断する酵素によって、前記任意のタンパク質の近傍のDNA鎖を特異的に切断することを特徴とするDNA切断ステップと、
(3)前記DNA切断ステップによる切断で生じたDNA末端をライゲーションするライゲーションステップと、
(4)前記ライゲーションされたDNA断片を選別する選別ステップと、
(5)前記選別ステップにて選別されたDNA断片に対し塩基配列を決定する配列決定ステップと、
(6)前記配列決定ステップの前にDNA断片に対しDNA構造の固定を解消する固定解消ステップとを含み、
前記DNA配列の相互作用を分析することを特徴とする三次元DNA構造相互作用分析方法。
1. A method for analyzing interactions of DNA sequences in a three-dimensional DNA structure, comprising:
(1) a cross-linking step for fixing the spatial arrangement of DNA sequences in the cell nucleus prior to the DNA cleavage step;
(2) a primary antibody binding step of selecting an arbitrary protein adjacent to a DNA strand in the DNA sequence and binding a primary antibody to the arbitrary protein; and an enzyme binding step of binding an enzyme that cleaves DNA to the arbitrary protein via the primary antibody, wherein the DNA cleaving step is characterized in that the DNA strand in the vicinity of the arbitrary protein is specifically cleaved by the enzyme that cleaves DNA;
(3) a ligation step of ligating the DNA ends generated by the cleavage in the DNA cleavage step;
(4) a selection step of selecting the ligated DNA fragments;
(5) a sequencing step of determining the base sequence of the DNA fragment selected in the selection step;
(6) a step of releasing the fixation of the DNA structure of the DNA fragment prior to the sequencing step,
A method for analyzing three-dimensional DNA structure interactions, comprising analyzing the interactions of the DNA sequences.
前記DNA配列の相互作用が、前記任意のタンパク質の近傍のDNA配列と、前記近傍のDNA配列に対してゲノム上の座位は離れているが空間的に近接するDNA配列との間の相互作用であることを特徴とする、請求項1記載の三次元DNA構造相互作用分析方法。 The three-dimensional DNA structure interaction analysis method according to claim 1, characterized in that the interaction of the DNA sequences is an interaction between a DNA sequence adjacent to the given protein and a DNA sequence that is spatially adjacent to the adjacent DNA sequence but at a distant genomic locus. 前記架橋ステップは、ホルムアルデヒド、EGS(ethylene glycol bis(succinimidyl succinate))およびDSG(disuccinimidyl glutarate)からなる群より選択される薬剤により固定されることを特徴とする、請求項1または2に記載の三次元DNA構造相互作用分析方法。 The three-dimensional DNA structure interaction analysis method according to claim 1 or 2, characterized in that the crosslinking step is performed by fixing with a drug selected from the group consisting of formaldehyde, EGS (ethylene glycol bis(succinimidyl succinate)) and DSG (disuccinimidyl glutarate). 前記DNA切断ステップによる切断によって生じたDNA末端に標識を付加する標識付加ステップを含んでおり、
前記選別ステップは、ライゲーションされたDNA断片を前記標識に基づいて選別することを特徴とする、請求項1から3のいずれかに記載の三次元DNA構造相互作用分析方法。
A labeling step of adding a label to the DNA end generated by the cleavage in the DNA cleavage step,
4. The method for analyzing three-dimensional DNA structure interaction according to claim 1, wherein the selection step selects the ligated DNA fragments based on the label.
前記選別ステップは、前記ライゲーションステップにてライゲーションされたDNA断片を、より短いDNA断片に断片化した後に、選別を行うことを特徴とする、請求項1から4のいずれかに記載の三次元DNA構造相互作用分析方法。 The three-dimensional DNA structure interaction analysis method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the selection step involves fragmenting the DNA fragments ligated in the ligation step into shorter DNA fragments and then selecting them. 前記配列決定ステップは、選別されたDNA断片に対し、増幅を行うと共に増幅産物の塩基配列を決定する配列決定を行うことを特徴とする、請求項1から5のいずれかに記載の三次元DNA構造相互作用分析方法。 The three-dimensional DNA structure interaction analysis method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the sequencing step involves amplifying the selected DNA fragments and determining the base sequence of the amplified product. 前記選別ステップは、増幅されるDNA断片に対し、所定のアダプター配列を切断末端に付加することを特徴とする、請求項6に記載の三次元DNA構造相互作用分析方法。 The three-dimensional DNA structure interaction analysis method according to claim 6, characterized in that the selection step adds a predetermined adapter sequence to the cut end of the amplified DNA fragment. 三次元DNA構造におけるDNA配列の相互作用を分析する方法であって、
(1)DNA切断ステップの前に、細胞核内におけるDNA配列の空間配置を固定するための架橋ステップと、
(2)前記DNA配列中のDNA鎖に接する任意のタンパク質を選択して、前記任意のタンパク質に一次抗体を結合させる一次抗体結合ステップと、前記一次抗体を介して前記任意のタンパク質にDNAを切断する酵素を結合させる酵素結合ステップとを含む、前記DNAを切断する酵素によって、前記任意のタンパク質の近傍のDNA鎖を特異的に切断することを特徴とするDNA切断ステップと、
(3)前記DNA切断ステップによる切断で生じたDNA末端をライゲーションするライゲーションステップと、
(4)前記ライゲーションされたDNA断片を捕捉する捕捉ステップと、
(5)前記捕捉ステップにより捕捉されたDNA断片に対しDNA構造の固定を解消する固定解消ステップと、
(6)固定が解消された後のDNA断片に対し、塩基配列を決定する配列決定ステップとを含み、
前記DNA配列の相互作用を分析することを特徴とする三次元DNA構造相互作用分析方法。
1. A method for analyzing interactions of DNA sequences in a three-dimensional DNA structure, comprising:
(1) a cross-linking step for fixing the spatial arrangement of DNA sequences in the cell nucleus prior to the DNA cleavage step;
(2) a primary antibody binding step of selecting an arbitrary protein adjacent to a DNA strand in the DNA sequence and binding a primary antibody to the arbitrary protein; and an enzyme binding step of binding an enzyme that cleaves DNA to the arbitrary protein via the primary antibody, wherein the DNA cleaving step is characterized in that the DNA strand in the vicinity of the arbitrary protein is specifically cleaved by the enzyme that cleaves DNA;
(3) a ligation step of ligating the DNA ends generated by the cleavage in the DNA cleavage step;
(4) a capture step of capturing the ligated DNA fragments;
(5) a fixation release step of releasing the fixation of the DNA structure of the DNA fragment captured in the capture step;
(6) a sequencing step of determining the base sequence of the DNA fragment after the fixation is released,
A method for analyzing three-dimensional DNA structure interactions, comprising analyzing the interactions of the DNA sequences.
三次元DNA構造におけるDNA配列の相互作用を分析する方法であって、
(1)DNA切断ステップの前に、細胞核内におけるDNA配列の空間配置を固定するための架橋ステップと、
(2)前記DNA配列中のDNA鎖に接する任意のタンパク質を選択して、前記任意のタンパク質に一次抗体を結合させる一次抗体結合ステップと、前記一次抗体を介して前記任意のタンパク質にDNAを切断する酵素を結合させる酵素結合ステップとを含む、前記DNAを切断する酵素によって、前記任意のタンパク質の近傍のDNA鎖を特異的に切断することを特徴とするDNA切断ステップと、
(3)前記DNA切断ステップによる切断で生じたDNA断片を捕捉する捕捉ステップと、
(4)前記捕捉ステップにより捕捉されたDNA断片の末端をライゲーションするライゲーションステップと、
(5)前記ライゲーションされたDNA断片に対しDNA構造の固定を解消する固定解消ステップと、
(6)固定が解消された後のDNA断片に対し塩基配列を決定する配列決定ステップとを含み、
前記DNA配列の相互作用を分析することを特徴とする三次元DNA構造相互作用分析方法。
1. A method for analyzing interactions of DNA sequences in a three-dimensional DNA structure, comprising:
(1) a cross-linking step for fixing the spatial arrangement of DNA sequences in the cell nucleus prior to the DNA cleavage step;
(2) a primary antibody binding step of selecting an arbitrary protein adjacent to a DNA strand in the DNA sequence and binding a primary antibody to the arbitrary protein; and an enzyme binding step of binding an enzyme that cleaves DNA to the arbitrary protein via the primary antibody, wherein the DNA cleaving step is characterized in that the DNA strand in the vicinity of the arbitrary protein is specifically cleaved by the enzyme that cleaves DNA;
(3) a capture step of capturing DNA fragments generated by the cleavage in the DNA cleavage step;
(4) a ligation step of ligating the ends of the DNA fragments captured in the capture step;
(5) a defixation step of defixing the DNA structure of the ligated DNA fragments;
(6) a sequencing step of determining the base sequence of the DNA fragment after the fixation is released,
A method for analyzing three-dimensional DNA structure interactions, comprising analyzing the interactions of the DNA sequences.
前記DNA配列の相互作用が、前記任意のタンパク質の近傍のDNA配列と、前記近傍のDNA配列に対してゲノム上の座位は離れているが空間的に近接するDNA配列との間の相互作用であることを特徴とする、請求項8または9のいずれかに記載の三次元DNA構造相互作用分析方法。 The three-dimensional DNA structure interaction analysis method according to claim 8 or 9, characterized in that the interaction of the DNA sequences is an interaction between a DNA sequence adjacent to the arbitrary protein and a DNA sequence that is spatially adjacent to the adjacent DNA sequence but at a distant genomic locus. 前記架橋ステップは、ホルムアルデヒド、EGS(ethylene glycol bis(succinimidyl succinate))およびDSG(disuccinimidyl glutarate)からなる群より選択される薬剤により固定されることを特徴とする、請求項8から10のいずれかに記載の三次元DNA構造相互作用分析方法。 The three-dimensional DNA structure interaction analysis method according to any one of claims 8 to 10, characterized in that the crosslinking step is performed by fixing with a drug selected from the group consisting of formaldehyde, EGS (ethylene glycol bis(succinimidyl succinate)) and DSG (disuccinimidyl glutarate). 前記配列決定ステップは、固定が解消された後のDNA断片に対し、増幅を行うと共に増幅産物の塩基配列を決定する配列決定を行うことを特徴とする、請求項8から11のいずれかに記載の三次元DNA構造相互作用分析方法。 The three-dimensional DNA structure interaction analysis method according to any one of claims 8 to 11, characterized in that the sequencing step involves amplifying the DNA fragments after the fixation is released and sequencing the amplified product to determine the base sequence.
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