The Journal of Visualized Experiments (JoVE) is a peer reviewed, PubMed-indexed video journal. Our mission is to increase the productivity of scientific research.
This translation into Dutch was automatically generated through Google Translate.
English Version | Other Languages
Max Planck Institute of Psychiatry
Bettscheider, M., Kuczynska, A., Almeida, O., Spengler, D. Optimized Analysis of DNA Methylation and Gene Expression from Small, Anatomically-defined Areas of the Brain. J. Vis. Exp. (65), e3938, doi:10.3791/3938 (2012).
Blootstelling aan voeding, kan drugs en het vroege leven tegenslag tijdens gevoelige ramen van het leven 1,2 leiden tot blijvende veranderingen in genexpressie die bijdragen aan de weergave van fysiologische en gedragsmatige fenotypes. Dergelijke milieu-programmering is waarschijnlijk de gevoeligheid te verhogen tot metabolische, cardiovasculaire en psychische aandoeningen 3,4.
DNA-methylatie en histon modificaties worden beschouwd als de belangrijkste processen in de bemiddeling van de gen-omgeving dialoog en lijken ook voor het milieu programmering ten grondslag 5. In zoogdieren, DNA methylering omvat typisch de covalente toevoeging van een methylgroep aan de 5-plaats van cytosine in het kader van CpG dinucleotiden.
CpG methylering plaatsvindt in een zeer weefsel-en cel-specifieke manier waardoor het een uitdaging om discrete, kleine gebieden van de hersenen waar cellulaire heterogeniteit is hoog en de hoeveelheid weefsel beperkt te bestuderen. Bovendien banwege genexpressie en methylatie zijn nauw met elkaar verbonden gebeurtenissen, kan meer waarde worden verkregen door het vergelijken van beide parameters in hetzelfde monster.
Hier wordt een stap-voor-stap protocol (figuur 1) voor het onderzoek van epigenetische programmering in de hersenen gepresenteerd met behulp van de 'scheiding van de moeder' paradigma van het vroege leven tegenslag voor illustratieve doeleinden. Het protocol beschrijft de bereiding van micropunches van verschillend leeftijd muis hersenen van waaruit DNA en RNA tegelijk kunnen worden geïsoleerd, waardoor DNA-methylatie en genexpressie analyses in hetzelfde monster.
1. Programmering door Early Life tegenspoed
Scheiding van de moeder (MS) wordt uitgevoerd om de jeugd stress (ELS) te induceren in pups geleverd door timed-zwangere C57BL/6N muizen (postnatale dag 0 (P0) op de dag van geboorte).
2. Isolatie en dissectie van hersenweefsel
3. Nucleic Acid Extractie van Brain Ponsen
Optimaliseren van een protocol voor het gelijktijdig het extraheren van DNA en RNA van de kleine neuroanatomically gedefinieerde hersenen regionen bisulfiet en genexpressie analyses beschreven 7.
Opmerking: Gezien het feit dat RNA is minder stabiel dan DNA in de GTC-Buffer, raden wij aan de verwerking van RNA eerst. Het homogenaat gebruikt voor DNA zuivering kan worden bewaard bij kamertemperatuur (RT) in die tijd.
Gebruik een spectrofotometer om DNA-en RNA-concentraties te bepalen. Een typisch PVN punch opbrengsten ~ 600 ng DNA en ~ 400 ng RNA. Voor analyse van genexpressie door kwantitatieve PCR (qPCR), we meestal gebruik ~ 100 ng van RNA in de omgekeerde transcriptie reactie.
4. Bisulfiet Conversie
Natriumbisulfiet wordt gebruikt om niet-gemethyleerde cytosines converteren naar uracils. In tegenstelling, zijn gemethyleerde cytosines beschermd tegen conversie. Daarom zijn alle cytosines die worden gedetecteerd in de uiteindelijke volgorde van de bisulfiet PCR-amplicon vertegenwoordigen gemethyleerde cytosines.
Bisulfiet conversie leidt tot aanzienlijke DNA-degradatie die kan een beperkende factor zijn in de PCR-analyse. Optimale reactieomstandigheden die cytosine conversie maximaliseren verminderen DNA fragmentatie en handhaven enkelstrengs DNA ook bij lagere temperaturen kunnen worden bereikt metEpiTect bisulfiet Qiagen's Kit. In onze handen ~ 200 ng DNA gezuiverd uit micropunches een voldoende hoeveelheid uitgangsmateriaal voor de reactie bisulfiet.
Om verschillen in de efficiëntie van de omzettingsreactie te voorkomen, dient de hoeveelheid template DNA constant gehouden onder alle monsters verwerkt in een experiment. Daarnaast volgorde leest moeten worden onderzocht voor de conversie-efficiëntie door het onderzoeken van het percentage niet-omgezette niet-CpGs. Dit percentage moet hoger zijn dan 98%. Lagere waarden duiden op onvolledige of inefficiënt bisulfiet conversie en de onderliggende sequenties worden uitgesloten van de analyse.
5. Bisulfiet PCR
2.5 ul PCR-buffer 10x
0,5 ul 10 mM dNTP
1 pi 10 uM voorwaartse primer
1 pi 10 uM reverse primer
0,125 ul Qiagen Hotstart Taq Plus
vullen tot 23 ßl met H2O
1 cyclus 6 min 95 ° C
45-50 cycli van 1 min. 95 ° C, 1 min bij optimale hybridisatietemperatuur 1 min 72 ° C
1 cyclus 5 min 72 ° C
Analyse 7 pi PCR product met behulp van agarosegelelektroforese de grootte van het amplicon controleren en resterende PCR-reactie voor de daaropvolgende ligatie met een commercieel verkrijgbare PCR sanering kit (zuiveren bijvoorbeeld Macherey-Nagel Nucleospin Extract). Bij additionele ongewenste PCR-producten worden verkregen, wordt zuivering op gel aanbevolen.
6. Bisulfiet Sequencing
Hoge resolutie DNA-methylatie profielen afgeleid uit enkele kloon metingen kunnen detecteren kleine veranderingen in DNA methylatie en nagaan welke regelgevende regio's die inspelen op de behandeling (milieu-programmering). De bisulfiet sequentie werkwijze omvat drie opeenvolgende stappen werken. Ten eerste zijn PCR producten verkregen door voorafgaande bisulfiet PCR geligeerd in een vector en omgezet in bacteriën. Ten tweede wordt kolonie-PCR van enkele klonen toegepast om de juiste grootte van het inzetstuk te bepalen. Ten derde worden positieve kolonie PCR's opgeruimd en onderworpen aan Big-Dye sequencing reactie. Na een clean-up stap worden de producten geëlektroforeerd op een capillaire sequencer.
6,1 ligatie en transformatie
Let op: We routinematig gebruik maken van de pGEM-T vector cloning kit (Promega). Onze ervaring is dat de kloneringsefficiëntie mate afhankelijk zijn van de insert te ligeren. Verschillende vectoren worden getest bij lage aantal recombinante klonen herhaaldelijk verkregen.
5 pi 2x ligatiebuffer
1 pi pGEM-T Vector
1 pi T4-Ligase
3 pi opgeschoond PCR product
Opmerking: Ligatie kan ook worden uitgevoerd gedurende 1 uur bij RT ook. Om aantal recombinante klonen verhogen overnacht ligatie bij 4 ° C de voorkeur.
6.2 Transformatie van ligatieproducten in electrocompetente bacteriën
6,3 kolonie-PCR
Let op: Colony PCR van enkele klonen wordt uitgevoerd om ervoor te zorgen dat de inserts zijnvan de voorspelde grootte. Vertraagde kleur ontwikkeling van de blauw / witte screening, ongewenste recombinatie gebeurtenissen tijdens ligatie, integratie van oligomere primerparen of ingekort PCR-producten kunnen dan immers leiden tot defecte sequencing resultaten. We routinematig gebruik van T7 en SP6 primers om gekloonde inserts versterken; deze aanpak leidt tot extra vector sequenties van ongeveer 150 bp. T7 primer wordt gebruikt in de sequentie reactie in een later stadium.
3 pi 2,5 mM MgCl2
2,5 pl Taq 10x buffer
1,5 pi 10 mM dNTP
2 pi 2,5 mM T7 primer
2 pi 2,5 mM SP6 primer
1 pi Taq polymerase Fermentas
vullen tot 25 ßl met H2O
1 cyclus 4 min bij 95 ° C
10 cycli 30 s bij 94 ° C, 30 seconden bij 56 ° C en 30 s bij 72 ° C
30 cycli 30 s bij 94 ° C, 30 seconden bij 48 ° C en 30 s bij 72 ° C
1 cyclus 5 min bij 72 ° C
6,4 Big-Dye terminator reactie en sequencing
1 pi H2O
0,5 ul Big-Dye reagens
1,5 ul Sequencing buffer
7. Representatieve resultaten
Om inzicht te krijgen in de invloed van ELS op de AVP expressie en methylatie status te verkrijgen, werden C57BL/6N muizen verwerkt volgens de workflow hierboven beschreven. Kortom, een groep C57BL/6N muizen was deubjected naar ELS, terwijl de controlegroep werd ongemoeid gelaten. De PVN en de supraoptische kern (SON) werden geslagen en DNA en RNA werden tegelijkertijd geïsoleerd van de enkele stoten. RNA werd reverse getranscribeerd en de niveaus van Avp transcripten werden gemeten door qPCR analyse en genormaliseerd op de expressie van HPRT en GAPDH housekeeping genen. DNA werd bisulfiet behandeld, geamplificeerd met primers specifiek voor de Avp versterker (figuur 4a) en de PCR producten werden gekloond en gesequentieerd. Ten minste 20 recombinante klonen uit elke muis / PCR werd geanalyseerd om methylering frequenties bepalen de CpGs in de PCR amplicon (figuur 4b). In vergelijking met controles, ELS leidden tot een significante hypomethylatie op CpG10, CpG12, CpG13 en Cpg14 van de AVP enhancer (p <0,05, n = 6-8 dieren) suggereert epigenetische markering van deze regelgeving regio door middel van vroege levenservaringen. In tegenstelling tot de PVN methylering vanDe AVP versterker werd niet beïnvloed door ELS in de Zoon illustreren weefsel specificiteit van epigenetische markering (Figuur 4c). Analyse van het DNA-methylatie status bij CpG10 en AVP expressie van genen in de controle dieren (n = 6) blijkt een negatieve correlatie te wijzen op een rol van DNA-methylatie in de fine-tuning van de AVP genexpressie (figuur 4d).

Figuur 1. Micropunches zijn verkregen uit ontleed hersenen van controle en de jeugd benadrukt muizen. Na DNA en RNA isolatie wordt genexpressie bepaald door qRT-PCR terwijl bisulfiet behandeld DNA wordt versterkt en gezuiverde producten worden gekloneerd in een geschikte vector identificatie van recombinant-klonen door blauw / wit selectie. Correct insert maten zijn gecontroleerd doorkolonie PCR voorafgaand aan het uitvoeren van Big-Dye reactie en verwerking op een capillaire sequencer. Methylatiepatroon worden gevisualiseerd door middel van passende software tools. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .

Figuur 2. Tijdlijn van DNA / RNA extractie naar bisulfiet sequencing.

Figuur 3. Workflow voor de gelijktijdige winning van DNA en RNA. De stempel van de hypothalamus kern paraventricularis, een klein Avp gen uiten gebied van de hersenen, wordt geplaatst in 400 ul GTA buffer, vortex tot verstoord en verder gehomogeniseerd door het passeren van een injectiespuit (29g). Het homogenaat wordt opgesplitst voor de zuivering van RNA en DNA. De splitsing kan 1:1 zijn of verschillende verhoudingen afhankelijkde bepaalde experimentele vraag. Homogenaten moeten worden verwerkt binnen een paar uur.

Figuur 4. CpG methylering op de AVP locus in 6 weken oud-controle en ELS dieren. (A) Regeling van de AVP en oxytocine genen georiënteerd staart aan staart-en gescheiden door de intergene regio (IGR). Exonen worden weergegeven door open (genummerde) dozen. De verdeling van CpG residuen wordt vermeld en grootte en de positie van de respectieve PCR-amplicon met CpG 10 tot CpG14 wordt gekenmerkt door een dikke lijn. (B) Methylering van de AVP enhancer in de PVN in de controle en ELS dieren (n = 6-8). (C) Methylering van de AVP enhancer in de Zoon in de controle en ELS dieren (n = 8-10). (D) Avp genexpressie werd gecorreleerdmet de methylatie van CpG10 (n = 6). Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .
Epigenetische programmering wordt steeds meer erkend als een belangrijk mechanisme dat ten grondslag gezondheid en ziekte. Hier vormen een verfijnde methode voor de gelijktijdige isolatie van DNA en RNA uit micropunches en de volgende stappen DNA methylering profielen verkrijgen door bisulfiet sequencing. De geoptimaliseerde workflow maakt gemakkelijke analyse van epigenetische programmering in de hersenen als reactie op prikkels uit de omgeving. Bovendien is deze aanpak maakt het onderzoek naar de functionele relatie tussen DNA methylatie en gen-expressie als beide worden geanalyseerd uit dezelfde steekproef. Tot slot kan het aantal dieren nodig zijn voor het experiment aanzienlijk worden verminderd.
Sommige voorzorgsmaatregelen en richtlijnen moeten worden gevolgd tijdens het uitvoeren van de gepresenteerde workflow. Gezien de buitengewone complexiteit en de heterogeniteit van de hersenen en sinds methylatie en expressie patroon kan variëren in een cel-en weefsel specifieke manier is het van grootbelang dat micropunching wordt uitgevoerd op een gestandaardiseerde manier. Als voorbeeld wordt epigenetische programmering van Avp gedetecteerd in de paravaventriuclar, maar niet in de supraoptic nucleus (figuur 4b-d), twee Avp expressie gebieden van de hypothalamus 4. In dit verband beschikbaarheid van DNA en RNA uit hetzelfde weefsel punch voordelig als RNA-expressie van bepaalde weefselspecifieke markergenen worden in sommige gevallen te bevestigen dat het juiste gebied is geperforeerd. Hoewel micropunching kan verminderen cellulaire heterogeniteit, moet worden herinnerd dat deze aanpak niet leidt tot de isolatie van enkele cel soorten of populaties. Extra zuiveringsstappen kunnen worden beschouwd dit onderwerp pakken.
Voor bisulfiet sequencing primer optimaal ontwerp voor PCR-amplificatie volgende bisulfiet behandeling is essentieel. PCR producten dan 400 bp in lengte problematisch door de afbraak van DNA door bisulfite behandeling. Ook moet worden opgemerkt dat geneste PCR vertekende resultaten geven als een paar intact templates bijdragen aan het amplificatieproces. Primerparen die specifiek zijn voor de gewijzigde amplicon moeten worden ontworpen, hun sequenties niet bevatten CpG dinucleotiden om methylering voorgespannen versterking te vermijden. Bovendien moet primers bevatten niet CpG cytosines om amplificatie van ongemodificeerde of onvolledig omgezet DNA voorkomen. Versterking van een aantal templates kunnen baat hebben bij het uitvoeren van Hot-start PCR. In ieder geval dient geschikt primerparen worden gecontroleerd modelexperimenten teneinde bederf van waardevolle experimentele monsters voorkomen.
Bisulfiet sequencing is een standaard methode voor het site-specific methylatie analyse als het in staat om betrouwbaar en nauwkeurig opsporen van de methylatie van CpG enkele residuen in een allel-specifieke manier 8. Direct sequencing van het PCR-product wordt niet aangeraden als gemengde methylatie oFA CpG residu wordt weergegeven als een C / T dubbele piek in de elektroferogram, die kwantificering van methylering kan voorkomen dat op het betrokken gebied. Daarom een tussenproduct klonen stap wordt uitgevoerd en verschillende klonen worden gesequenced (~ 20-30) om de mate van methylering bepalen. Pyrosequencing is een alternatieve methode om DNA-methylatie te kwantificeren. Het maakt ook gebruik van bisulfiet conversie en bisulfiet PCR maar in plaats van het klonen en de volgorde van de amplicon wordt onderworpen aan een directe pyrosequencing reactie waarbij de methylatie status van een CpG residu wordt gelezen als een C / T single nucleotide polymorfisme die gemakkelijk kunnen worden gekwantificeerd. Beide methoden te sporen hetzelfde niveau van methylatie 9, maar sinds het klonen-stap kan worden overgeslagen pyrosequencing meer tijd-efficiënt. Afhankelijk van het sjabloon 40 tot 100 nucleotiden keer kan worden gesequenced zodat meerdere rondes van Pyrosequencing verschillende sequencing primer noodzakelijk. Dit is een kritieke beperking, gegeven that grotere hoeveelheden DNA (ongeveer 1 ug per reactie) nodig zijn, die voorzienbaar meer bedragen dan de bedragen die beschikbaar zijn van de kleine hersenweefsel stoten. Zo eerste aftasten van gebieden in het bereik van enkele kilobasen door Pyrosequencing weergegeven minder geschikt als enkele kloon lezen. Niettemin moet na de identificatie van een klein gebied van belang pyrosequencing beschouwd.
Collectief, het protocol dat hierboven beschreven biedt een nauwkeurige, efficiënte en gestroomlijnde aanpak voor de snelle en kosteneffectieve analyse van de hersenen micropunches voor epigenetische veranderingen. Meerdere exemplaren kunnen worden verwerkt in een enkele run en de methoden geschikt zijn bij het uitvoeren van steekproeven uit intermediaire-en kleinbedrijf experimenten.
Geen belangenconflicten verklaard.
Dit werk werd gefinancierd door het Max Planck Instituut voor Psychiatrie en de Europese Unie Marie Curie Initial Training Network (NINA Contract 238665).
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| DNeasy Blood & Tissue Kit | Qiagen | 69506 | |
| Nucleospin RNA II | Macherey-Nagel | 740955.50 | |
| Epitect Bisulfite Kit | Qiagen | 59104 | |
| Nucleospin Extract | Macherey-Nagel | 740609.50 | |
| pGEM-T Vector Cloning Kit | Promega | A3600 | |
| Nucleofast 96 | Macherey-Nagel | 743100.50 | |
| Montage 96 Sequencing Clean-Up | Millipore | LSK09624 | |
| Hotstar Taq Polymerase | Qiagen | 203203 | |
| Taq Polymerase | Fermentas | EP0401 |