导读
在生物体中，所有细胞都携带相同的基因组DNA，但其通过选择性地激活或抑制特定基因的表达来实现各自独特的功能。这一过程依赖于数千种调控蛋白的精确调控，这些蛋白在DNA的特定区域定位，并执行激活或抑制转录的任务。
长期以来，分子生物学领域致力于揭示蛋白质与DNA序列之间的相互作用，以及它们如何共同调控细胞特异性的基因表达。为研究这些复杂的调控机制，科学家们开发了ChIP-seq和CUT&Tag等先进技术。但这些技术通常只能分析单个蛋白质，且主要关注组蛋白修饰和高丰度蛋白质。鉴于基因调控网络中存在众多不同的调控蛋白及其相互作用，为深入剖析基因调控的复杂性，构建一个全面的调控因子图谱仍是一项挑战。
近期，美国加州理工学院等机构的科研团队合作在Nature Genetics发表了题为“ChIP-DIP maps binding of hundreds of proteins to DNA simultaneously and identifies diverse gene regulatory elements”的文章，报道了新开发的并行染色质免疫共沉淀检测技术——ChIP-DIP。该技术可在单个实验中同时检测数百种调控蛋白与DNA的结合情况，从而生成数百种不同调控蛋白的全基因组图谱，为基因调控的动态变化提供更全面的视角。ChIP-DIP能同时为修饰组蛋白、染色质调节因子、转录因子在内的多种DNA相关蛋白生成高精确图谱，适用于不同实验条件和分子生物学平台中，有助于在多个实验室和实验系统中以联合规模生成特定背景的蛋白定位图谱，进而揭示基因调控的复杂细节。
文章发表在Nature Genetics
研究团队开发了ChIP-DIP，在单一实验中同时揭示多个蛋白质在同一时间对DNA的不同作用。该技术将多种抗体与带有独特寡核苷酸标签的磁珠结合，形成抗体-磁珠池并进行ChIP，为每个抗体-DNA复合物赋予独特唯一标识，以便在后续研究中进行配对分析。该方法通过高通量测序将具有相同条形码的DNA reads聚类与同一抗体配对，为每个蛋白质生成定位图谱。
为检测ChIP-DIP定位准确性，研究团队在人类K562细胞中使用4种典型蛋白进行评估、比较。结果显示，在解析蛋白质定位上，ChIP-DIP与传统经典ChIP-seq方法基本一致，表现出良好准确性、高效性和鲁棒性。特别地，ChIP-DIP破除了传统ChIP技术应用局限，可通过同时检测多个蛋白质与DNA的相互作用，尤其是低丰度蛋白。
图1. ChIP-DIP能够准确将蛋白质定位到基因组DNA区域
研究团队使用小鼠骨髓树突状细胞（mDCs），通过脂多糖（LPS）处理诱导抗菌病原体反应，利用ChIP-DIP分析了蛋白质定位在多种实验条件下的动态变化。结果表明，不同染色质修饰在不同时间点发生显著变化，但时间变化模式各有不同。对于富集H3K27ac修饰区域，变化为稳定状态、激活状态和抑制状态等三种模式，分别对应基因转录保持不变、增加和减少。
此外，虽然启动子和增强子染色质修饰在LPS刺激下都会发生变化，增强子修饰与转录活性变化更为一致。这些结果不仅揭示免疫细胞通过染色质的动态变化精细调控基因表达，还表明ChIP-DIP能够直接表征不同样本、时间点或各种生物样本在扰动中的蛋白质定位变化。
图2. ChIP-DIP揭示了LPS刺激mDCs后染色质图谱的动态变化
先前研究已确定了组蛋白修饰在区分基因组元件及其活性状态中的作用，但多数专注于常见5种组蛋白修饰。为拓展对其他组蛋白修饰和调控蛋白的了解，研究团队利用ChIP-DIP技术进行了深入分析。
研究发现，H3K4me3通常存在于活跃转录的RNAP II基因的启动子上，但也出现在RNAP I启动子和活跃RNAP III基因附近；同样地，与活性RNAP II启动子相关的其他组蛋白修饰，也会在RNAP I和III基因上富集。此外，RNAP基因不同，组蛋白修饰水平及转录起始位点也不同。鉴于这一特性，可通过组蛋白修饰的不同组合区分启动子特征，包括聚合酶、基因类型和活性水平等。
图3. ChIP-DIP揭示了LPS刺激mDCs后染色质景观的动态变化
该研究提出了能够同时揭示多个蛋白质-DNA相互作用的创新新技术——ChIP-DIP，显著提高了研究效率。ChIP-DIP采用了常规分子生物学技术，易于在不同实验室应用，操作简便且无需特殊设备或培训，有望成为剖析基因调控的关键工具。随着技术持续改进和广泛应用，ChIP-DIP预计将在疾病研究领域发挥重要作用。
论文原文
Perez, A.A., Goronzy, I.N., Blanco, M.R. et al. ChIP-DIP maps binding of hundreds of proteins to DNA simultaneously and identifies diverse gene regulatory elements. Nat Genet (2024). https://doi.org/10.1038/s41588-024-02000-5
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