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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Nous présentons un protocole de dosage de la chromatine accessible par la transposase avec séquençage à haut débit (ATAC-seq) spécifiquement sur les adipocytes en utilisant le tri des noyaux avec des tissus adipeux isolés de souris rapporteures transgéniques avec marquage par fluorescence nucléaire.
Le dosage de la chromatine accessible par la transposase avec séquençage à haut débit (ATAC-seq) est une technique robuste qui permet un profilage de l’accessibilité de la chromatine à l’échelle du génome. Cette technique a été utile pour comprendre les mécanismes de régulation de l’expression génique dans une gamme de processus biologiques. Bien que l’ATAC-seq ait été modifié pour différents types d’échantillons, il n’y a pas eu de modifications efficaces des méthodes ATAC-seq pour les tissus adipeux. Les défis avec les tissus adipeux comprennent l’hétérogénéité cellulaire complexe, la grande teneur en lipides et la contamination mitochondriale élevée. Pour surmonter ces problèmes, nous avons développé un protocole qui permet le séquençage ATAC spécifique aux adipocytes en utilisant le tri des noyaux activés par fluorescence avec des tissus adipeux de la souris rapporteur transgénique Nuclear tagging and Translating Ribosome Affinity Purification (NuTRAP). Ce protocole produit des données de haute qualité avec un minimum de lectures de séquençage gaspillées tout en réduisant la quantité d’entrée de noyau et de réactifs. Cet article fournit des instructions détaillées étape par étape pour la méthode ATAC-seq validée pour l’utilisation de noyaux adipocytaires isolés à partir de tissus adipeux de souris. Ce protocole aidera à étudier la dynamique de la chromatine dans les adipocytes sur diverses stimulations biologiques, ce qui permettra de nouvelles connaissances biologiques.
Le tissu adipeux, spécialisé dans le stockage de l’excès d’énergie sous forme de molécules lipidiques, est un organe clé pour la régulation métabolique. Le contrôle strict de la formation et du maintien des adipocytes est vital pour la fonction du tissu adipeux et l’homéostasie énergétique du corps entier1. De nombreux régulateurs transcriptionnels jouent un rôle essentiel dans le contrôle de la différenciation, de la plasticité et de la fonction des adipocytes ; Certains de ces régulateurs sont impliqués dans les troubles métaboliques chez l’homme 2,3. Les progrès récents dans les techniques de séquençage à haut débit pour l’expression génique et l’analyse épigénomique ont encore facilité la découverte des régulateurs moléculaires de la biologie des adipocytes4. Les études de profilage moléculaire utilisant des tissus adipeux sont difficiles à mener en raison de l’hétérogénéité de ces tissus. Le tissu adipeux se compose principalement d’adipocytes, qui sont responsables du stockage des graisses, mais contient également divers autres types de cellules, telles que les fibroblastes, les cellules endothéliales et les cellules immunitaires5. De plus, la composition cellulaire du tissu adipeux est considérablement modifiée en réponse à des changements physiopathologiques tels que la température et l’état nutritionnel6. Pour surmonter ces problèmes, nous avons précédemment développé une souris rapporteur transgénique, appelée Nuclear Tagging and Translating Ribosome Affinity Purification (NuTRAP), qui produit des ribosomes marqués GFP et des noyaux biotinylés marqués mCherry d’une manière dépendante de la recombinaseCre 7. Le système de double marquage permet d’effectuer des analyses transcriptomiques et épigénomiques spécifiques au type cellulaire avec des tissus. En utilisant des souris NuTRAP croisées avec des lignées adiponectine-Cre spécifiques aux adipocytes (Adipoq-NuTRAP), nous avons précédemment caractérisé les profils d’expression génique et les états de chromatine des populations d’adipocytes purs in vivo et déterminé comment ils sont modifiés pendant l’obésité 7,8. Auparavant, des souris NuTRAP croisées avec des lignées Ucp1-Cre spécifiques aux adipocytes bruns et beiges (Ucp1-NuTRAP) nous ont permis de caractériser le remodelage épigénomique de la rare population d’adipocytes thermogéniques, les adipocytes beiges, en réponse aux changements de température9.
ATAC-seq est une méthode analytique largement utilisée pour évaluer l’accessibilité de la chromatine à l’échelle du génome. La transposase Tn5 hyper-réactive utilisée dans ATAC-seq permet l’identification de régions ouvertes de chromatine en marquant des adaptateurs de séquençage dans la région accessible à la chromatine des noyaux10. ATAC-seq est une méthode simple, mais elle fournit des résultats robustes et est très efficace même avec des échantillons à faible entrée. Il est ainsi devenu l’une des méthodes de profilage épigénomique les plus populaires et a contribué à la compréhension des mécanismes de régulation de l’expression génique dans divers contextes biologiques. Depuis la création du protocole ATAC-seq original, diverses techniques dérivées de l’ATAC-seq ont été développées pour modifier et optimiser le protocole pour divers types d’échantillons. Par exemple, Fast-ATAC est conçu pour analyser des échantillons de cellules sanguines11, Omni-ATAC est un protocole optimisé pour les échantillons de tissus congelés 12 et MiniATAC-seq est efficace pour l’analyse embryonnaire à un stade précoce13. Cependant, l’application de la méthode ATAC-seq aux adipocytes, en particulier à partir d’échantillons de tissus, reste difficile. En plus de l’hétérogénéité du tissu adipeux, sa teneur élevée en lipides peut interférer avec des réactions de recombinaison efficaces par la transposase Tn5 même après isolement du noyau. En outre, la teneur mitochondriale élevée dans les adipocytes, en particulier dans les adipocytes bruns et beiges, provoque une contamination élevée de l’ADN mitochondrial et des lectures de séquençage gaspillées. Cet article décrit un protocole pour le séquençage ATAC spécifique des adipocytes utilisant des souris Adipoq-NuTRAP (Figure 1). En tirant parti du tri des noyaux marqués par fluorescence, ce protocole permet la collecte de populations pures de noyaux adipocytaires loin des autres types de cellules confondantes et l’élimination efficace des lipides, des mitochondries et des débris tissulaires. Par conséquent, ce protocole peut générer des données de haute qualité spécifiques au type de cellule et minimiser les déchets des lectures mitochondriales tout en utilisant une quantité réduite d’entrées et de réactifs par rapport au protocole standard.
Les soins et l’expérimentation des animaux ont été effectués conformément aux procédures approuvées par le Comité institutionnel de soin et d’utilisation des animaux de la faculté de médecine de l’Université de l’Indiana.
1. Préparatifs avant de commencer l’expérience
2. Isolement du noyau
3. Tri des noyaux
4. Étiquetage Tn5 (tableau 1)
5. Purification de l’ADN
REMARQUE: La procédure suivante utilise le kit de purification PCR mentionné dans le tableau des matériaux. Toute autre méthode similaire de purification de l’ADN peut être utilisée.
6. Amplification par PCR (tableau 2)
REMARQUE : Les amorces utilisées dans cette étude sont énumérées au tableau 3.
7. Test PCR quantitatif en temps réel (qPCR) (tableau 4)
NOTE: Cette étape vise à déterminer les cycles supplémentaires nécessaires pour amplifier l’ADN. Il est facultatif mais fortement recommandé, en particulier pour les nouvelles expériences.
8. Amplification PCR supplémentaire
9. Deuxième purification de l’ADN à l’aide du kit de purification PCR
10. Sélection de la taille des fragments d’ADN
REMARQUE: Utilisez des billes d’immobilisation réversibles en phase solide, comme décrit ci-dessous. Toute autre perle de purification d’ADN similaire peut être utilisée selon les instructions du fabricant. La suspension du cordon SPRI doit être complètement remise en suspension et équilibrée à RT avec rotation avant utilisation.
11. Quantification de l’ADN à l’aide d’un fluoromètre
12. Contrôle de la qualité de la bibliothèque par des systèmes d’électrophorèse à haute sensibilité
13. Contrôle de la qualité de la bibliothèque ATAC-seq à l’aide de qPCR ciblée
14. Séquençage
Pour analyser le tissu adipeux à l’aide de ce protocole ATAC-seq, nous avons généré des souris Adipoq-NuTRAP qui ont été nourries avec des régimes chow; nous avons ensuite isolé les noyaux adipocytaires du tissu adipeux blanc épididymaire (eWAT), du tissu adipeux blanc inguinal (iWAT) et du tissu adipeux brun (MTD) en utilisant la cytométrie en flux. Les noyaux isolés ont été utilisés pour le marquage, suivi de la purification de l’ADN, de l’amplification par PCR, des étapes de contrôle de la qualité, du séquençage et de l’analyse des données, comme décrit ci-dessus. Le but de cette expérience représentative était de profiler l’accessibilité de la chromatine des populations d’adipocytes purs isolées de différents dépôts de graisse.
Nous avons observé que les noyaux adipocytaires marqués mCherry et GFP se distinguaient clairement des noyaux d’autres types de cellules isolées des tissus adipeux d’une souris Adipoq-NuTRAP par cytométrie en flux (Figure 2A-C). Il y avait des différences dans les fractions adipocytaires selon le type de dépôt adipeux : ~50 % dans eWAT, ~30 % dans iWAT et ~65 % dans BAT (Figure 2D)7. Nous avons recueilli 10 000 noyaux en 2 à 10 minutes par échantillon et les avons utilisés pour les procédures ATAC-seq. Nous avons exécuté un total de 10 à 13 cycles de PCR (cinq cycles de la première PCR et cinq à huit cycles de la deuxième PCR, Figure 3A). Si les échantillons nécessitent plus de 15 cycles de PCR au total, cela peut indiquer des échantillons de faible qualité (figure 3B). L’analyse de la distribution granulométrique des bibliothèques ATAC-seq a montré de multiples pics correspondant à la région exempte de nucléosomes (NFR) et aux mono, di et multinucléosomes (Figure 4A-C), avec des tailles moyennes de ~500-800 pb. Les échantillons de mauvaise qualité présentaient généralement principalement de la NFR avec peu ou pas de pics nucléosomiques (Figure 4D). Les tests de contrôle de qualité par l’analyse qRT-PCR ont montré des enrichissements de 10 à 20 fois avec les éléments génomiques positifs à proximité des gènes marqueurs adipocytaires tels que Adipoq, Fabp4, Plin1 et Pnpla2, tandis qu’aucun enrichissement n’a été montré avec le témoin négatif (Figure 5). Nous avons également observé un enrichissement avec le gène thermogénique Ucp1 spécifiquement dans BAT mais pas dans eWAT ou iWAT (Figure 5).
Après le séquençage et l’analyse, nous avons identifié ~55 000 pics combinés à partir de trois dépôts adipeux différents (eWAT, iWAT et BAT). Les lectures mitochondriales étaient de <2%, et la fraction sous les pics était de ~18%-44% (Figure 6A, B). Les échantillons de mauvaise qualité peuvent avoir des lectures mitochondriales significativement plus élevées et / ou une fraction plus faible de lectures dans les régions de pointe. L’inspection visuelle des pistes de la bibliothèque ATAC-seq a révélé plusieurs pics forts avec des rapports signal sur bruit élevés près des gènes marqueurs adipocytes, tels que Adipoq, Plin1 et Fabp4, de tous les dépôts adipeux (Figure 7A-C). Nous avons également observé de forts pics ATAC-seq au locus Ucp1 du fabricant d’adipocytes bruns dans l’échantillon BAT, mais ces pics n’ont pas été observés dans les échantillons eWAT ou iWAT (Figure 7D). Toutes ces données indiquent des données ATAC-seq réussies générées à partir de noyaux adipocytes.

Figure 1 : Organigramme schématique de l’ATAC-seq spécifique aux adipocytes à l’aide de souris NuTRAP. Les étapes propres à ce protocole sont mises en évidence dans les zones ombragées en rouge. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2 : Point de contrôle FACS représentatif illustrant l’isolement de noyaux d’adipocytes marqués mCherry/GFP dans les tissus adipeux d’une souris Adipoq-NuTRAP. (A-C) Analyse par cytométrie de flux de noyaux isolés provenant de l’eWAT, de l’iWAT et de la MTD d’une souris Adipoq-NuTRAP. (D) Analyse quantitative des noyaux d’adipocytes et de non-adipocytes dans l’eWAT, l’iWAT et la MTD d’une souris Adipoq-NuTRAP. Les données sont moyennes ± SEM (n = 3). Ces données sur le nombre de noyaux proviennent de Roh et coll.7. Abréviations : FACS = tri cellulaire activé par fluorescence; GFP = protéine fluorescente verte; eWAT = tissu adipeux blanc épididymaire; iWAT = tissu adipeux blanc inguinal; MTD = tissu adipeux brun; NuTRAP = marquage nucléaire et purification de l’affinité des ribosomes par traduction; Adipoq-NuTRAP = souris NuTRAP croisée avec la lignée adiponectine-Cre spécifique des adipocytes ; FSC-A = aire du pic de diffusion vers l’avant; FSC-H = hauteur du pic de diffusion vers l’avant; SSC-A = aire de pic de diffusion latérale; FITC-A = zone de pic d’isothiocyanate de fluorescéine. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3 : Courbes d’amplification représentatives de qRT-PCR. (A) Échantillon de bonne qualité nécessitant sept cycles d’amplification supplémentaires. (B) Échantillon de mauvaise qualité nécessitant ≥15 cycles supplémentaires. Abréviation : qRT-PCR = PCR quantitative à transcription inverse. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4 : Profils de distribution de taille des bibliothèques ATAC-seq. (A-C) Les bibliothèques de bonne qualité et (D) de mauvaise qualité sont présentées comme résultats représentatifs. Abréviations : ATAC-seq = dosage de la chromatine accessible par la transposase avec séquençage à haut débit; FU = unités de fluorescence; bp = paires de bases; NFR = région exempte de nucléosomes; eWAT = tissu adipeux blanc épididymaire; iWAT = tissu adipeux blanc inguinal; MTD = tissu adipeux brun. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 5 : Analyse qPCR du contrôle qualité des bibliothèques ATAC-seq. Enrichissements pour promoteurs et amplificateurs à proximité des marqueurs adipocytaires généraux Adipoq, Fabp4, Plin1 et Pnpla2 ou du marqueur adipocytaire brun Ucp1. Abréviations : ATAC-seq = dosage de la chromatine accessible par la transposase avec séquençage à haut débit; NC = témoin négatif; eWAT = tissu adipeux blanc épididymaire; iWAT = tissu adipeux blanc inguinal; MTD = tissu adipeux brun. Les données sont des moyennes ± SEM (n = 2). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 6 : Lectures et fractions des mitochondries sous les pics des bibliothèques ATAC-seq. (A) Les mitochondries lisent (%) et (B) les fractions sous les pics (%) d’eWAT, iWAT et BAT. Abréviations : ATAC-seq = dosage de la chromatine accessible par la transposase avec séquençage à haut débit; eWAT = tissu adipeux blanc épididymaire; iWAT = tissu adipeux blanc inguinal; MTD = tissu adipeux brun. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 7 : Traces du signal ATAC-seq aux loci des gènes représentatifs. (A-C) Gènes marqueurs adipocytaires généraux. (B) Marqueur spécifique de l’adipocyte brun. Abréviations : ATAC-seq = dosage de la chromatine accessible par la transposase avec séquençage à haut débit; eWAT = tissu adipeux blanc épididymaire; iWAT = tissu adipeux blanc inguinal; MTD = tissu adipeux brun. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Tableau 1 : Composants du mélange maître Tn5. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau.
Tableau 2 : Composants du mélange maître PCR et conditions initiales du cycle PCR. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau.
Tableau 3 : Liste des amorces à code-barres pour l’amplification par PCR. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau.
Tableau 4 : Composants du mélange maître qPCR. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau.
Tableau 5 : conditions de cycle qPCR. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau.
Tableau 6 : Conditions de cycle de deuxième PCR pour une amplification supplémentaire. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau.
Tableau 7 : Séquences d’amorces et conditions de cycle qPCR ciblées pour le contrôle qualité de la bibliothèque ATAC-seq. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau.
Tableau 8 : Analyse des résultats de la qPCR pour le contrôle qualité. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau.
Les auteurs déclarent qu’ils n’ont aucun intérêt financier pertinent ou matériel lié à la recherche décrite dans cet article.
Nous présentons un protocole de dosage de la chromatine accessible par la transposase avec séquençage à haut débit (ATAC-seq) spécifiquement sur les adipocytes en utilisant le tri des noyaux avec des tissus adipeux isolés de souris rapporteures transgéniques avec marquage par fluorescence nucléaire.
Ce travail a été soutenu par le Fonds fiduciaire de recherche Showalter de l’IUSM (à H.C.R.), une subvention pilote et de faisabilité du Centre IUSM pour le diabète et les maladies métaboliques (à H.C.R.), l’Institut national du diabète et des maladies digestives et rénales (R01DK129289 à H.C.R.) et le prix du corps professoral junior de l’American Diabetes Association (7-21-JDF-056 à H.C.R.).
| Souris Animals | |||
| Adiponectin-Cre | The Jackson Laboratory | 28020 | |
| Souris NuTRAP | The Jackson Laboratory | 29899 | |
| Réactifs & Matériaux | |||
| 1,5 mL Tubes DNA-LoBind | Eppendorf | 86-923 | |
| 100 µ ; Filtre à cellules m | Falcon | 352-360 | |
| Tubes de 15 mL | VWR | 525-1071 | |
| 2x tampon TD | Illumina | 15027866 | |
| Plaque PCR 384 puits | Biosystème appliqué | 4483285 | |
| 40 µ ; Filtre à cellules m | Falcon | 352-340 | |
| Tubes de 50 mL | VWR | 525-1077 | |
| Réactif AMPure XP (billes SPRI) | Beckman Coulter | A63881 | |
| Bioanalyseur Kit d’ADN haute sensibilité | Agilent Technologies | 5067-4626 | |
| Film adhésif transparent | Biosystème appliqué | 4306311 | |
| DNase/RNeau distillée sans DNase | Invitrogen | 10977015 | |
| Dounce broyeur de tissus | DWK Life Sciences | 357542 | |
| DTT | Sigma | D9779 | |
| DynaMag-96 aimant à jupe latérale | Thermo Fishers | 12027 | |
| TUBES FACS | Falcon  ; | 28719128 | |
| HEPES | Boston BioProducts | BBH-75 | |
| Hoechst 33342 | Invitrogen | 2134015 | |
| KCl (2 M) | Boston BioProducts | MT-252 | |
| Rack de séparation magnétique pour bandelettes PCR 8 tubes | EpiCypher | 10-0008 | |
| MgCl2 (1 M) | Boston BioProducts | MT-200 | |
| MinElute PCR purification kit | Qiagen | 28004 | |
| NEBNext High-Fidelity 2x PCR master mix | BioLabs | M0541S | |
| NP40 | Thermo Fishers | 28324 | |
| PCR 8-tube strip | USA scientific | 1402-4708 | |
| Cocktail d’inhibiteur de protéase (100x) | Thermo Fishers | 78439 | |
| Qubit dsDNA HS sey kit | Invitrogen | Q32851 | |
| Sucrose | Sigma | S0389-1KG | |
| SYBR Vert I (10 000x) | Invitrogen | S7563 | |
| TDE I enzyme | Illumina | 15027865 | |
| Instruments | |||
| Cytomètre en flux | BD Biosciences | FACSAria Fusion | |
| Fluorimètre Qubit | Invitrogen | Q33226 | |
| Système de PCR en temps réel | Thermo Fishers | QuantStudio ?5 |