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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Presentamos un protocolo para el ensayo de cromatina accesible a transposasa con secuenciación de alto rendimiento (ATAC-seq) específicamente en adipocitos utilizando clasificación de núcleos con tejidos adiposos aislados de ratones reporteros transgénicos con marcado de fluorescencia nuclear.
El ensayo para cromatina accesible a transposasa con secuenciación de alto rendimiento (ATAC-seq) es una técnica robusta que permite la elaboración de perfiles de accesibilidad de cromatina en todo el genoma. Esta técnica ha sido útil para comprender los mecanismos reguladores de la expresión génica en una variedad de procesos biológicos. Aunque ATAC-seq se ha modificado para diferentes tipos de muestras, no ha habido modificaciones efectivas de los métodos ATAC-seq para tejidos adiposos. Los desafíos con los tejidos adiposos incluyen la compleja heterogeneidad celular, el gran contenido de lípidos y la alta contaminación mitocondrial. Para superar estos problemas, hemos desarrollado un protocolo que permite ATAC-seq específico de adipocitos mediante el empleo de la clasificación de núcleos activados por fluorescencia con tejidos adiposos del ratón transgénico reportero Nuclear tagging and Translating Ribosome Affinity Purification (NuTRAP). Este protocolo produce datos de alta calidad con lecturas de secuenciación desperdiciadas mínimas al tiempo que reduce la cantidad de entrada de núcleo y reactivos. Este documento proporciona instrucciones detalladas paso a paso para el método ATAC-seq validado para el uso de núcleos de adipocitos aislados de tejidos adiposos de ratón. Este protocolo ayudará en la investigación de la dinámica de la cromatina en adipocitos sobre diversas estimulaciones biológicas, lo que permitirá nuevos conocimientos biológicos.
El tejido adiposo, que está especializado para almacenar el exceso de energía en forma de moléculas lipídicas, es un órgano clave para la regulación metabólica. El control estricto de la formación y mantenimiento de los adipocitos es vital para la función del tejido adiposo y la homeostasis energética de todo el cuerpo1. Muchos reguladores transcripcionales desempeñan un papel crítico en el control de la diferenciación, plasticidad y función de los adipocitos; Algunos de estos reguladores están implicados en trastornos metabólicos en humanos 2,3. Los avances recientes en técnicas de secuenciación de alto rendimiento para la expresión génica y el análisis epigenómico han facilitado aún más el descubrimiento de los reguladores moleculares de la biología de los adipocitos4. Los estudios de perfiles moleculares que utilizan tejidos adiposos son difíciles de realizar debido a la heterogeneidad de estos tejidos. El tejido adiposo consiste principalmente en adipocitos, que son responsables del almacenamiento de grasa, pero también contiene varios otros tipos de células, como fibroblastos, células endoteliales y células inmunes5. Además, la composición celular del tejido adiposo se altera dramáticamente en respuesta a cambios fisiopatológicos como la temperatura y el estado nutricional6. Para superar estos problemas, previamente desarrollamos un ratón reportero transgénico, llamado Nuclear Tagging and Translating Ribosome Affinity Purification (NuTRAP), que produce ribosomas marcados con GFP y núcleos biotinilados marcados con mCherry de una manera dependiente de la recombinasa Cre7. El sistema de doble etiquetado permite realizar análisis transcriptómicos y epigenómicos específicos del tipo de célula con tejidos. Utilizando ratones NuTRAP cruzados con líneas adiponectina-Cre específicas de adipocitos (Adipoq-NuTRAP), previamente caracterizamos perfiles de expresión génica y estados de cromatina de poblaciones de adipocitos puros in vivo y determinamos cómo se alteran durante la obesidad 7,8. Anteriormente, los ratones NuTRAP cruzados con líneas Ucp1-Cre específicas de adipocitos marrones y beige (Ucp1-NuTRAP) nos permitieron caracterizar la remodelación epigenómica de la rara población de adipocitos termogénicos, los adipocitos beige, en respuesta a los cambios de temperatura9.
ATAC-seq es un método analítico ampliamente utilizado para evaluar la accesibilidad de la cromatina en todo el genoma. La transposasa Tn5 hiperreactiva utilizada en ATAC-seq permite la identificación de regiones de cromatina abiertas mediante el etiquetado de adaptadores de secuenciación en la región accesible a la cromatina de los núcleos10. ATAC-seq es un método simple, pero proporciona resultados robustos y es altamente eficiente incluso con muestras de baja entrada. Por lo tanto, se ha convertido en uno de los métodos de perfil epigenómico más populares y ha contribuido a la comprensión de los mecanismos reguladores de la expresión génica en diversos contextos biológicos. Desde que se creó el protocolo ATAC-seq original, se han desarrollado varias técnicas derivadas de ATAC-seq para modificar y optimizar el protocolo para varios tipos de muestras. Por ejemplo, Fast-ATAC está diseñado para analizar muestras de células sanguíneas11, Omni-ATAC es un protocolo optimizado para muestras de tejido congelado 12 y MiniATAC-seq es eficaz para el análisis de embriones en etapa temprana13. Sin embargo, la aplicación del método ATAC-seq a los adipocitos, especialmente de muestras de tejido, sigue siendo un desafío. Además de la heterogeneidad del tejido adiposo, su alto contenido de lípidos puede interferir con reacciones de recombinación eficientes por la transposasa Tn5 incluso después del aislamiento del núcleo. Además, el alto contenido mitocondrial en los adipocitos, particularmente en los adipocitos marrones y beige, causa una alta contaminación del ADN mitocondrial y lecturas de secuenciación desperdiciadas. Este artículo describe un protocolo para ATAC-seq específico de adipocitos utilizando ratones Adipoq-NuTRAP (Figura 1). Al aprovechar la clasificación de núcleos marcados con fluorescencia, este protocolo permite la recolección de poblaciones puras de núcleos de adipocitos lejos de otros tipos de células de confusión y la eliminación eficiente de lípidos, mitocondrias y restos de tejidos. Por lo tanto, este protocolo puede generar datos de alta calidad específicos del tipo de célula y minimizar el desperdicio de las lecturas mitocondriales mientras se utiliza una cantidad reducida de entrada y reactivos en comparación con el protocolo estándar.
El cuidado y la experimentación de los animales se realizaron de acuerdo con los procedimientos aprobados por el Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales de la Facultad de Medicina de la Universidad de Indiana.
1. Preparativos antes de comenzar el experimento
2. Aislamiento del núcleo
3. Clasificación de núcleos
4. Etiquetado Tn5 (Tabla 1)
5. Purificación del ADN
NOTA: El siguiente procedimiento utiliza el kit de purificación de PCR mencionado en la Tabla de materiales. Se puede utilizar cualquier otro método similar de purificación del ADN.
6. Amplificación por PCR (Tabla 2)
NOTA: Los cebadores utilizados en este estudio se enumeran en la Tabla 3.
7. Prueba de PCR cuantitativa (qPCR) en tiempo real (Tabla 4)
NOTA: Este paso tiene como objetivo determinar los ciclos adicionales necesarios para amplificar el ADN. Es opcional pero muy recomendable, especialmente para nuevos experimentos.
8. Amplificación adicional de PCR
9. Segunda purificación del ADN utilizando el kit de purificación por PCR
10. Selección del tamaño del fragmento de ADN
NOTA: Utilice perlas de inmovilización reversibles en fase sólida, como se describe a continuación. Cualquier otra perla de purificación de ADN similar se puede utilizar de acuerdo con las instrucciones del fabricante. La suspensión de perlas SPRI debe resuspenderse completamente y equilibrarse en RT con rotación antes de su uso.
11. Cuantificación del ADN mediante un fluorómetro
12. Control de calidad de la biblioteca mediante sistemas de electroforesis de alta sensibilidad
13. Control de calidad de la biblioteca ATAC-seq mediante qPCR dirigida
14. Secuenciación
Para analizar el tejido adiposo utilizando este protocolo ATAC-seq, generamos ratones Adipoq-NuTRAP que fueron alimentados con dietas de comida; luego aislamos núcleos de adipocitos del tejido adiposo blanco epididimario (eWAT), tejido adiposo blanco inguinal (iWAT) y tejido adiposo marrón (BAT) mediante citometría de flujo. Los núcleos aislados se utilizaron para el marcado, seguido de purificación de ADN, amplificación por PCR, pasos de control de calidad, secuenciación y análisis de datos, como se describió anteriormente. El propósito de este experimento representativo fue perfilar la accesibilidad a la cromatina de poblaciones de adipocitos puros aislados de diferentes depósitos de grasa.
Observamos que los núcleos de adipocitos marcados con mCherry y GFP eran claramente distinguibles de los núcleos de otros tipos de células aisladas de los tejidos adiposos de un ratón Adipoq-NuTRAP utilizando citometría de flujo (Figura 2A-C). Hubo diferencias en las fracciones de adipocitos dependiendo del tipo de depósito adiposo: ~50% en eWAT, ~30% en iWAT y ~65% en BAT (Figura 2D)7. Recolectamos 10,000 núcleos dentro de 2-10 minutos por muestra y los usamos para los procedimientos ATAC-seq. Realizamos un total de 10-13 ciclos de PCR (cinco ciclos de la primera PCR y de cinco a ocho ciclos de la segunda PCR, Figura 3A). Si las muestras requieren más de un total de 15 ciclos de PCR, esto puede indicar muestras de baja calidad (Figura 3B). El análisis de distribución de tamaños de las bibliotecas ATAC-seq demostró múltiples picos correspondientes a la región libre de nucleosomas (NFR) y mono, di y multinucleosomas (Figura 4A-C), con tamaños promedio de ~ 500-800 pb. Las muestras de mala calidad típicamente mostraron principalmente NFR con pocos o nulos picos nucleosómicos (Figura 4D). Las pruebas de control de calidad por el análisis qRT-PCR mostraron enriquecimientos de 10-20 veces con los elementos genómicos positivos cerca de los genes marcadores de adipocitos como Adipoq, Fabp4, Plin1 y Pnpla2, mientras que no se mostró enriquecimiento con el control negativo (Figura 5). También observamos enriquecimiento con el gen termogénico Ucp1 específicamente en BAT pero no en eWAT o iWAT (Figura 5).
Después de la secuenciación y el análisis, identificamos ~ 55,000 picos combinados de tres depósitos adiposos diferentes (eWAT, iWAT y BAT). Las lecturas mitocondriales fueron <2%, y la fracción bajo los picos fue ~18%-44% (Figura 6A, B). Las muestras de mala calidad pueden tener lecturas de mitocondrias significativamente más altas y / o una fracción menor de lecturas en las regiones pico. La inspección visual de las pistas de la biblioteca ATAC-seq reveló múltiples picos fuertes con altas relaciones señal-ruido cerca de los genes marcadores de adipocitos, como Adipoq, Plin1 y Fabp4, de todos los depósitos adiposos (Figura 7A-C). También observamos fuertes picos ATAC-seq en el locus Ucp1 del fabricante de adipocitos marrones en la muestra BAT, pero estos picos no se observaron en las muestras eWAT o iWAT (Figura 7D). Todos estos datos indican datos ATAC-seq exitosos generados a partir de núcleos de adipocitos.

Figura 1: Un diagrama de flujo esquemático de ATAC-seq específico de adipocitos utilizando ratones NuTRAP. Los pasos exclusivos de este protocolo se resaltan en los cuadros sombreados en rojo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2: Activación representativa del sistema de control de los bienes sobre el terreno que ilustra el aislamiento de núcleos de adipocitos marcados con mCherry/GFP de los tejidos adiposos de un ratón Adipoq-NuTRAP. (A-C) Análisis de citometría de flujo de núcleos aislados del eWAT, iWAT y BAT de un ratón Adipoq-NuTRAP. (D) Análisis cuantitativo de núcleos de adipocitos y no adipocitos en el eWAT, iWAT y BAT de un ratón Adipoq-NuTRAP. Los datos son medias ± SEM (n = 3). Estos datos de recuento de núcleos son de Roh et al.7. Abreviaturas: FACS = clasificación celular activada por fluorescencia; GFP = proteína verde fluorescente; eWAT = tejido adiposo blanco epididimario; iWAT = tejido adiposo blanco inguinal; MTD = tejido adiposo marrón; NuTRAP = marcaje nuclear y purificación de afinidad ribosómica; Adipoq-NuTRAP = ratón NuTRAP cruzado con la línea adiponectina-Cre específica de adipocitos; FSC-A = área de pico de dispersión hacia adelante; FSC-H = altura del pico de dispersión hacia adelante; SSC-A = área de pico de dispersión lateral; FITC-A = área pico de isotiocianato de fluoresceína. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3: Curvas de amplificación representativas de qRT-PCR. (A) Muestra de buena calidad que necesita siete ciclos de amplificación adicionales. (B) Muestra de mala calidad que necesita ≥15 ciclos adicionales. Abreviatura: qRT-PCR = PCR de transcripción inversa cuantitativa. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4: Perfiles de distribución de tamaño de las bibliotecas ATAC-seq. (A-C) Las bibliotecas de buena calidad y (D) de mala calidad se muestran como resultados representativos. Abreviaturas: ATAC-seq = ensayo para cromatina accesible a transposasa con secuenciación de alto rendimiento; FU = unidades de fluorescencia; PA = pares de bases; NFR = región libre de nucleosomas; eWAT = tejido adiposo blanco epididimario; iWAT = tejido adiposo blanco inguinal; MTD = tejido adiposo marrón. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5: Análisis qPCR de control de calidad de las librerías ATAC-seq. Enriquecimientos para promotores y potenciadores cerca de los marcadores generales de adipocitos Adipoq, Fabp4, Plin1 y Pnpla2 o el marcador de adipocitos marrón Ucp1. Abreviaturas: ATAC-seq = ensayo para cromatina accesible a transposasa con secuenciación de alto rendimiento; NC = control negativo; eWAT = tejido adiposo blanco epididimario; iWAT = tejido adiposo blanco inguinal; MTD = tejido adiposo marrón. Los datos son medias ± SEM (n = 2). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6: Lecturas mitocondrias y fracciones bajo los picos de las bibliotecas ATAC-seq. (A) Las mitocondrias leen (%) y (B) fracciones por debajo de los picos (%) de eWAT, iWAT y BAT. Abreviaturas: ATAC-seq = ensayo para cromatina accesible a transposasa con secuenciación de alto rendimiento; eWAT = tejido adiposo blanco epididimario; iWAT = tejido adiposo blanco inguinal; MTD = tejido adiposo marrón. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 7: Pistas de señal ATAC-seq en los loci de genes representativos. (A-C) Genes marcadores de adipocitos generales. (B) Marcador marrón específico de adipocitos. Abreviaturas: ATAC-seq = ensayo para cromatina accesible a transposasa con secuenciación de alto rendimiento; eWAT = tejido adiposo blanco epididimario; iWAT = tejido adiposo blanco inguinal; MTD = tejido adiposo marrón. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Tabla 1: Componentes de la mezcla maestra Tn5. Haga clic aquí para descargar esta tabla.
Tabla 2: Componentes de la mezcla maestra de PCR y condiciones iniciales de ciclo de PCR. Haga clic aquí para descargar esta tabla.
Tabla 3: Lista de cebadores con código de barras para amplificación por PCR. Haga clic aquí para descargar esta tabla.
Tabla 4: Componentes de la mezcla maestra de qPCR. Haga clic aquí para descargar esta tabla.
Tabla 5: condiciones de ciclo de qPCR. Haga clic aquí para descargar esta tabla.
Tabla 6: Condiciones de ciclo de segunda PCR para amplificación adicional. Haga clic aquí para descargar esta tabla.
Tabla 7: Secuencias de cebadores y condiciones de ciclo de qPCR específicas para el control de calidad de la biblioteca ATAC-seq. Haga clic aquí para descargar esta tabla.
Tabla 8: Análisis de los resultados de la qPCR para el control de calidad. Haga clic aquí para descargar esta tabla.
Los autores declaran que no tienen intereses financieros relevantes o materiales relacionados con la investigación descrita en este documento.
Presentamos un protocolo para el ensayo de cromatina accesible a transposasa con secuenciación de alto rendimiento (ATAC-seq) específicamente en adipocitos utilizando clasificación de núcleos con tejidos adiposos aislados de ratones reporteros transgénicos con marcado de fluorescencia nuclear.
Este trabajo fue apoyado por el IUSM Showalter Research Trust Fund (a H.C.R.), una subvención piloto y de viabilidad del Centro IUSM para la diabetes y las enfermedades metabólicas (a H.C.R.), el Instituto Nacional de Diabetes y Enfermedades Digestivas y Renales (R01DK129289 a H.C.R.), y el Premio de la Facultad Junior de la Asociación Americana de Diabetes (7-21-JDF-056 a H.C.R.).
| Ratón Animals | |||
| Adiponectin-Cre | El Laboratorio Jackson | 28020 | |
| Ratón NuTRAP | El Laboratorio Jackson | 29899 | |
| 1,5 mL Tubos DNA-LoBind | Eppendorf | 86-923 | |
| 100 µ filtro de células | m Falcon | 352-360 | |
| tubos de 15 mL | VWR | 525-1071 | |
| 2x tampón TD | Illumina | 15027866 | |
| placa de PCR de 384 pocillos | Biosistema aplicado | 4483285 | |
| 40 y micro; filtro de células | m Falcon | 352-340 | |
| tubos de 50 mL | VWR | 525-1077 | |
| Reactivo AMPure XP (perlas SPRI) | Beckman Coulter | A63881 | |
| Bioanalyzer Kit de ADN de alta sensibilidad | Agilent Technologies | 5067-4626 | |
| Película adhesiva transparente | Biosistema aplicado | 4306311 | |
| agua destilada sin DNasa/RNasa | Amoladora de tejidosInvitrogen | 10977015 | |
| Dounce | DWK Life Sciences | 357542 | |
| DTT | Sigma | D9779 | |
| DynaMag-96 imán con faldón lateral | Thermo Fishers | 12027 | |
| Tubos FACS | Falcon | 28719128 | |
| HEPES | Boston BioProducts | BBH-75 | |
| Hoechst 33342 | Invitrogen | 2134015 | |
| KCl (2 M) | Boston BioProducts | MT-252 | |
| Bastidor de separación magnética para PCR Tiras de 8 tubos | EpiCypher | 10-0008 | |
| MgCl2 (1 M) | Boston BioProducts | MT-200 | |
| Kit de purificación de PCR MinElute | Qiagen | 28004 | |
| NEBNext Alta fidelidad 2x Mezcla maestra de PCR | BioLabs | M0541S | |
| NP40 | Thermo Fishers | 28324 | |
| PCR Tira de 8 tubos | USA scientific | 1402-4708 | |
| Cóctel de inhibidores de proteasa (100x) | Thermo Fishers | 78439 | |
| Qubit kit de ensayo dsDNA HS | Invitrogen | Q32851 | |
| Sacarosa | Sigma | S0389-1KG | |
| SYBR Verde I (10,000x) | Invitrogen | S7563 | |
| TDE I enzima | Illumina | 15027865 | |
| Instruments | Citómetro de|||
| flujo | BD Biosciences | FACSAria Fusion | |
| Fluorímetro Qubit | Invitrogen | Q33226 | |
| Sistema de PCR en tiempo real | Thermo Fishers | QuantStudio?5 |