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 Danish 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).
Udsættelse for kost, kan stoffer og tidlige liv modgang i løbet af følsomme vinduer i livet 1,2 fører til varige ændringer i genekspression, der bidrager til visning af fysiologiske og adfærdsmæssige fænotyper. En sådan miljømæssig programmering er sandsynligvis øge modtageligheden for metaboliske, kardiovaskulære og psykiske sygdomme 3,4.
DNA methylering og histon-modifikationer betragtes nøgleprocesser i formidlingen af den gen-miljø dialog og synes også at ligget til grund for miljøet programmering 5. I pattedyr, typisk DNA metylering omfatter den kovalente addition af en methylgruppe ved 5-stillingen af cytosin i forbindelse med CpG-dinukleotider.
CpG methylation forekommer i en meget vævs-og celle-specifik måde at gøre det udfordring at studere diskrete små områder af hjernen, hvor cellulær heterogenicitet er høj og væv mængde begrænset. Desuden barbejdsmarkedet, idet genekspression og methylering er tæt forbundet begivenheder, kan øget værdi opnås ved at sammenligne begge parametre i den samme prøve.
Her er en trin-for-trin-protokollen (figur 1) til undersøgelse af epigenetiske programmering i hjernen præsenteres efter den 'moderens separation "paradigme for tidlige liv modgang til illustrative formål. Protokollen beskriver fremstillingen af micropunches fra differentielt ældede musehjerner hvorfra DNA og RNA kan samtidigt isoleres, således at DNA-methylering og genekspressionsanalyse i den samme prøve.
1. Programmering af Tidlig Life modgang
Maternal separation (MS) er udført for at inducere tidlige liv stress (ELS) hos hvalpe leveret af tidsbestemt-gravide C57BL/6N mus (postnatal dag 0 (P0) på dagen for fødslen).
2. Isolering og dissektion af hjernevæv
3. Nucleic Acid Udsugning fra Brain Punches
En optimeret protokol til samtidig ekstraktion af DNA og RNA fra bittesmå neuroanatomically-defineret hjerne regioner af bisulfit og genekspression analyser er beskrevet syv.
Bemærk: I betragtning af, at RNA er mindre stabil end DNA i GTC-buffer, vi anbefaler behandling RNA først. Homogenatet anvendes til DNA-oprensning kan opbevares ved stuetemperatur (RT) i løbet af denne tid.
Anvendes et spektrofotometer til at bestemme DNA-og RNA-koncentrationer. En typisk PVN patrice udbytter ~ 600 ng DNA og ~ 400 ng RNA. For genekspressionsanalyse ved kvantitativ PCR (qPCR), typisk anvender vi ~ 100 ng af RNA i revers transkription-reaktionen.
4. Hydrogensulfit Konvertering
Natriumbisulfit anvendes til at omdanne ikke-methylerede cytosiner i uraciler. I modsætning hertil er denatureret cytosinerne beskyttet mod konvertering. Derfor er alle cytosinerne, der registreres i den endelige sekventering af hydrogensulfit PCR-amplikon repræsenterer metylerede cytosinerne.
Bisulfit omdannelse forårsager væsentlig DNA nedbrydning, der kan være en begrænsende faktor ved PCR-analyse. Optimerede reaktionsbetingelser, som maksimerer cytosin omdannelse reducere DNA-fragmentering og opretholde enkeltstrenget DNA selv ved lavere temperaturer kan opnås ved anvendelseQiagen s EpiTect bisulfit Kit. I vores hænder ~ 200 ng DNA oprenset fra micropunches tilvejebringe en tilstrækkelig mængde af udgangsmaterialet til bisulfit reaktionen.
At undgå forskelle i effektiviteten af omdannelsesreaktionen, bør mængden af skabelon DNA holdes konstant blandt alle prøver behandlet ved et eksperiment. Hertil kommer, læser sekvens bør gennemgås for omdannelseseffektivitet ved at undersøge antallet af ikke-konverterede ikke-CpG'er. Denne sats bør overstige 98%. Lavere værdier indikerer ufuldstændige eller ineffektive hydrogensulfit konvertering og de underliggende sekvenser bør udelukkes fra analysen.
5. Hydrogensulfit PCR
2,5 pi 10 x PCR-buffer
0,5 pi 10 mM dNTP'er
1 pi 10 uM fremadrettet primer
1 pi 10pM revers primer
0,125 gl Qiagen Hotstart Taq Plus
fylde op til 23 pi med H 2 O
1 cyklus 6 min 95 ° C
45-50 cykler af 1 minut 95 ° C, 1 min ved optimale annealingstemperatur, 1 min 72 ° C
1 cyklus 5 min 72 ° C
Analysere 7 ul PCR-produkt ved agarosegelelektroforese for at kontrollere størrelsen af amplikon og oprense resterende PCR-reaktion til efterfølgende ligering under anvendelse af en kommercielt tilgængelig PCR-oprensning kit (f.eks Macherey-Nagel Nucleospin Uddrag). I tilfælde yderligere uønskede PCR-produkter opnået, geloprensning anbefales.
6. Hydrogensulfit Sequencing
Høj opløsning DNA methylering profiler udledes fra en enkelt klon aflæsninger kan detektere små ændringer i DNA methylering og identificere regulatoriske regioner, der er lydhøre over for behandling (miljø programmering). Den bisulfit sekventering Fremgangsmåden omfatter tre på hinanden følgende arbejdstrin. For det første er PCR-produkter opnået ved kendte bisulfit PCR ligeres ind i en vektor og transformeres ind i bakterier. For det andet er koloni-PCR fra enkelte kloner anvendes til at bestemme den rigtige størrelse af indsatsen. For det tredje er positive koloni PCR ryddet op og udsat for Big-Dye sekventering reaktion. Efter en oprensnings trin, er produkter elektroforesebehandlet på en kapillær sekvenator.
6,1 ligering og transformation
Bemærk: Vi rutinemæssigt bruger pGEM-T-vektor cloning kit (Promega). I vores erfaring, afhænger kloningseffektiviteten kritisk på indsatsen, der skal ligeres. Forskellige vektorer bør testes i tilfælde lavt antal rekombinante kloner gentagne opnås.
5 ul 2x ligeringspuffer
1 pi pGEM-T-vektor
1 pi T4-ligase
3 pi rensede PCR-produkt
Bemærk: Ligering kan også udføres i 1 time ved stuetemperatur også. At øge antallet af rekombinante kloner, natten over ligering ved 4 ° C foretrækkes.
6,2 Transformation af ligeringsprodukter i elektrokompetente bakterier
6,3 koloni-PCR
Bemærk: Koloni PCR fra enkelte kloner udføres for at sikre, at skærene eraf den forventede størrelse. Forsinket farveudvikling fra den blå / hvide screening, uønskede rekombinationsbegivenheder begivenheder i ligatur, inkorporering af oligomere primerpar eller trunkerede PCR-produkter som ellers kan føre til defekte sekventering resultater. Vi anvender rutinemæssigt T7 og SP6 primere til at amplificere klonede inserts; Denne fremgangsmåde resulterer i yderligere vektorsekvenser på omkring 150 bp. T7-primer anvendes i sekventering reaktionen i et senere trin.
3 ul 2,5 mM MgCl2
2,5 pi 10 x Taq-puffer
1,5 gl 10 mM dNTP
2 ul 2,5 mM T7-primer
2 ul 2,5 mM SP6 primer
1 pi Fermentas Taq Polymerase
fylde op til 25 pi med H2O
1 cyklus 4 minutter ved 95 ° C
10 cyklusser 30 s ved 94 ° C, 30 s ved 56 ° C og 30 s ved 72 ° C
30 cykler 30 s ved 94 ° C, 30 s ved 48 ° C og 30 s ved 72 ° C
1 cyklus 5 min ved 72 ° C
6,4 Big-Dye Terminator reaktion og sekventering
1 pi H2O
0,5 gl Big-Dye reagens
1,5 pi Sekventering puffer
7. Repræsentative resultater
For at få indblik i indflydelse ELS på AVP udtryk og methylering status, blev C57BL/6N mus behandlet i henhold til arbejdsgangen er beskrevet ovenfor. Kort fortalt, en gruppe C57BL/6N mus blev subjected til ELS, mens kontrolgruppen blev efterladt uforstyrret. Den PVN og supraoptic kerne (SON) blev udstanset og DNA og RNA blev isoleret samtidigt fra de enkelte stempler. RNA blev revers transkriberet og niveauerne af AVP-transkripter blev målt ved qPCR analyse og normaliseret til ekspressionen af HPRT-og GAPDH husholdning gener. DNA blev bisulfit behandlede amplificeret med primere specifikke for AVP enhancer (fig. 4a) og PCR-produkterne blev klonet og sekventeret. Mindst 20 rekombinante kloner fra hver mus / PCR blev analyseret for at bestemme methylering frekvenser for de CpG'er indeholdt i PCR-amplikon (figur 4b). Sammenlignet med kontrol, inducerede ELS en betydelig hypometylering på CpG10, CpG12, CpG13 og Cpg14 af AVP enhancer (p <0,05, n = 6-8 dyr), hvilket tyder epigenetiske mærkning af denne reguleringsmulighed regionen gennem den tidlige livserfaringer. I modsætning til PVN, methylering afAVP enhanceren var upåvirket af ELS i SON illustrerer vævsspecificitet af epigenetisk mærkning (fig. 4c). Analyse af DNA methylering status på CpG10 og AVP genekspression i kontroldyr (n = 6) viste en negativ korrelation peger på en rolle af DNA methylering i finjustering af AVP genekspression (fig. 4d).

Figur 1. Micropunches stammer fra dissekerede hjerner fra kontrol og tidlige liv stressede mus. Efter DNA-og RNA-isolering, er gen-ekspression bestemmes ved QRT-PCR under bisulfit behandlede DNA amplificeres og oprensede produkter klones i en egnet vektor til identifikation af rekombinante kloner ved blå / hvid selektion. Insert størrelser verificeret afkoloni-PCR forud for udførelsen af Big-Dye reaktion og forarbejdning på et kapillært sekvenator. Methylering mønster visualiseres ved passende softwareværktøjer. Klik her for at se større figur .

Figur 2. Tidslinje fra DNA / RNA-ekstraktion til bisulfit sekventering.

Figur 3. Arbejdsgang til samtidig udvinding af DNA og RNA. Dornen af hypothalamus kernen paraventricularis, en lille AVP-gen udtrykker hjerneregion, anbringes i 400 pi GTA puffer, hvirvelbehandles indtil afbrudt, og yderligere homogeniseret ved passage gennem en sprøjte (29 g). Homogenatet derefter delt til oprensning af RNA og DNA. Opdelingen kan være 1:1 eller forskellige forhold afhængigtden særlige eksperimentelle spørgsmål. Homogenater skal behandles inden for få timer.

Figur 4. CpG methylation i AVP locus i 6 uger gamle kontrol og ELS dyr. (A) Ordning af AVP og oxytocin-generne orienteret hale til-hale og adskilt af den intergeniske region (IGR). Exonerne er vist ved åbne (nummereret) kasser. Fordelingen af CpG rester er angivet, og størrelsen og placeringen af den respektive PCR-amplikon indeholdende CpG 10 til CpG14 er markeret med en fed linje. (B) Methylering af AVP enhanceren i PVN i kontrol-og ELS dyr (n = 6-8). (C) Methylering af AVP forstærker i SON i kontrol og ELS dyr (n = 8-10). (D) AVP genekspression blev korreleretmed methylering på CpG10 (n = 6). Klik her for at se større figur .
Epigenetiske programmering er i stigende grad anerkendt som en vigtig mekanisme bag sundhed og sygdom. Her præsenterer vi en raffineret metode til samtidig isolering af DNA og RNA fra micropunches og de efterfølgende skridt til at indhente DNA methylering profiler gennem hydrogensulfit sekventering. Den optimerede workflow tillader bekvem analyse af epigenetiske programmering i hjernen som reaktion på miljømæssige stimuli. Endvidere er denne fremgangsmåde letter undersøgelsen af det funktionelle forhold mellem DNA-methylering og genekspression, som begge er analyseret fra den samme prøve. Endelig kan antal dyr, der er nødvendige til forsøget reduceres betydeligt.
Visse forholdsregler og retningslinjer skal følges, mens de udfører den præsenterede arbejdsgang. Betragtning af den usædvanlige kompleksitet og heterogeniteten af hjernen, og da methylering og ekspressionsmønster kan variere i en celle-og vævsspecifik måde er det af størstebetydning, micropunching udføres på en standardiseret måde. Som et eksempel herpå er epigenetisk programmering af AVP detekteret i paravaventriuclar, men ikke i supraoptic kernen (fig. 4b-d), to AVP udtrykker regioner hypothalamus 4. I denne henseende er tilgængeligheden af DNA og RNA fra det samme væv dornen fordelagtig RNA ekspression af visse vævsspecifikke markørgener kan anvendes i nogle tilfælde at bekræfte, at det korrekte område blev udstanset. Selv micropunching kan reducere cellulær heterogenitet, må det erindres, at denne fremgangsmåde ikke fører til isolation af enkelte celletyper eller befolkninger. Yderligere oprensningstrin kan anses for at løse dette emne.
For bisulfit sekventering optimal primer designet til PCR amplifikation følgende behandling med bisulfit er afgørende. PCR produkter, der overskrider 400 bp i længde kan være problematisk på grund af nedbrydning af DNA ved bisulfite behandling. Det skal også bemærkes, at nested PCR kan give skæve resultater hvis kun nogle få intakte skabeloner bidrager til amplifikationsprocessen. Primerpar der er specifikt for den modificerede ampliconen bør designes; deres sekvenser ikke bør indeholde CpG-dinukleotider, for at undgå methylering-forspændte amplifikation. Endvidere bør primerne indeholder ikke-CpG cytosiner at forhindre amplifikation af umodificeret eller ufuldstændigt omdannet DNA. Forstærkning af nogle skabeloner kan drage fordel af at gennemføre Hot-start PCR. Under alle omstændigheder bør egnethed primerpar kontrolleres i pilotforsøg for at forhindre ødelæggelse af værdifulde eksperimentelle prøver.
Bisulfit sekventering repræsenterer en standard fremgangsmåde til site-specifik methyleringsanalyse, som det er i stand til pålideligt og præcist detektere methylering af enkelt CpG rester i en allel-specifik måde 8. Direkte sekventering af PCR-produktet anbefales ikke som blandet methylering oFA CpG rest vil fremstå som en C / T dobbelt top i elektroferogrammet, som kan forhindre kvantificering af methylering på den pågældende lokalitet. Af denne grund en mellemliggende kloningstrin udføres, og adskillige kloner sekventeret (~ 20-30) for at bestemme omfanget af methylering. Pyrosekventering repræsenterer en alternativ metode til kvantificering DNA metylering. Desuden anvender bisulfit omdannelse og bisulfit PCR, men i stedet for kloning og sekventering af amplikon underkastes en direkte pyrosekventering reaktion, hvor status for methylering af et CpG rest læses som en C / T enkelt nukleotidpolymorfisme, der let kan kvantificeres. Begge metoder opdage lignende niveauer af methylering 9, men da kloningen-trin kan udelades pyrosekventering er mere tidsbesparende. Imidlertid afhængig af skabelonen kun 40-100 nukleotider kan sekventeres på en gang, således at flere runder af pyrosekventering med forskellige sekventeringsprimer er nødvendige. Dette er et kritisk begrænsning, da THAt større mængder af DNA (ca. 1 mg pr reaktion) er påkrævet, hvilket overskuelig overstige de beløb til rådighed fra bittesmå hjernevæv slag. Således indledende scanning af regioner i rækken af flere kilobaser af pyrosekventering synes mindre egnet som en enkelt klon læsning. Ikke desto mindre bør efter på identifikation af et lille område af interesse pyrosekventering overvejes.
Samlet protokollen beskrevet ovenfor giver en præcis, effektiv og strømlinet tilgang til hurtig og omkostningseffektiv analyse af hjernen micropunches for epigenetiske ændringer. Flere prøver kan behandles på en enkelt kørsel og fremgangsmåder er egnede, når de kører prøver fra mellemprodukt størrelse eksperimenter.
Ingen interessekonflikter erklæret.
Dette arbejde blev finansieret af Max Planck Institute of Psychiatry og Den Europæiske Unions Marie Curie Initial Training Network (NINA Kontrakt 238.665).
| 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 |