DNA מתילציה מסוגלת לשמור על רמות יציבות של ביטוי גנים וכן לאפשר שינויים דינמיים בביטוי גנים בתגובה למגוון גירויים. אנו מפרטים טכניקות המאפשרות לחקור שינויים ספציפיים לגנים במתילציה של DNA ואת ההשפעה של שינויים אלה על ביטוי גנים.
Method Article
DNA מתילציה מסוגלת לשמור על רמות יציבות של ביטוי גנים וכן לאפשר שינויים דינמיים בביטוי גנים בתגובה למגוון גירויים. אנו מפרטים טכניקות המאפשרות לחקור שינויים ספציפיים לגנים במתילציה של DNA ואת ההשפעה של שינויים אלה על ביטוי גנים.
מתילציה של DNA משמשת לוויסות ביטוי גנים באמצעות התקשרות קוולנטית של קבוצת מתיל למיקום C5 של ציטוזין בדינוקלאוטיד ציטוזין-גואנין. בעוד שמתילציה של DNA מספקת שינויים ארוכי טווח ויציבים בביטוי גנים, דפוסים ורמות של מתילציה של DNA נתונים גם הם לשינוי על סמך מגוון אותות וגירויים. ככזה, מתילציה של DNA מתפקדת כמווסת חזק ודינמי של ביטוי גנים. חקר הנוירואפיגנטיקה חשף מגוון מצבים פיזיולוגיים ופתולוגיים הקשורים לשינויים גלובליים וספציפיים לגנים במתילציה של DNA. באופן ספציפי, מתאמים בולטים בין שינויים בביטוי גנים ומתילציה של DNA קיימים בהפרעות נוירו-פסיכיאטריות ונוירודגנרטיביות, במהלך פלסטיות סינפטית ובעקבות פגיעה במערכת העצבים המרכזית. עם זאת, ככל שתחום הנוירואפיגנטיקה ממשיך להרחיב את הבנתו את תפקיד מתילציה של DNA בפיזיולוגיה של מערכת העצבים המרכזית, תיחום קשרים סיבתיים ביחס לשינויים בביטוי גנים ומתילציה של DNA הם חיוניים. יתר על כן, בכל הנוגע לתחום הרחב יותר של מדעי המוח, נוכחותם של הבדלים נרחבים באזור וספציפי לתא דורשת טכניקות המתייחסות לשונות זו בעת חקר הטרנסקריפטום, הפרוטאום והאפיגנום. כאן אנו מתארים מיון FACS של אסטרוציטים בקליפת המוח המאפשר בדיקה עוקבת של שעתוק RNA ומתילציה של DNA. יתר על כן, אנו מפרטים טכניקה לבחינת מתילציה של DNA, ניתוח התכה ברזולוציה גבוהה רגיש למתילציה (MS-HRMA) וכן בדיקת מקדם לוציפראז. באמצעות שימוש בטכניקות משולבות אלה ניתן לא רק לחקור שינויים מתאמים בין מתילציה של DNA לביטוי גנים, אלא גם להעריך ישירות אם שינויים במצב המתילציה של ה-DNA של אזור גן נתון מספיקים כדי להשפיע על פעילות השעתוק.
אפיגנטיקה היא חקר שינויים כימיים שיכולים להשפיע על פעילות השעתוק של הגנום. בעיקרו של דבר, ללא שינוי ברצף ה-DNA, שינויים אפיגנטיים כגון מתילציה של DNA, אצטילציה של היסטון ומתילציה של היסטון מספיקים כדי לשנות באופן הפיך את דפוסי ביטוי הגנים 1. מתילציה של DNA, מווסת חזק של ביטוי גנים, היא השינוי האפיגנטי המאופיין ביותר. מתילציה של DNA היא התקשרות קוולנטית של קבוצות מתיל במיקום C5 של ציטוזין, בדרך כלל הציטוזין של ציטוזין-גואנין דינוקלאוטיד, הידוע גם כאתר CpG. אזורים המכילים צפיפות גבוהה של אתרי CpG ידועים כאיי CpG (CGI). CGIs קשורים לעתים קרובות לאתרי התחלת שעתוק (TSS) ולמקדמי גנים 1-3. לפיכך, בעוד ששינויים במתילציה של DNA ב-CGIs אינם תמיד במקביל לשינויים בביטוי או בתפקוד התאים, שינויים במתילציה של DNA ב-CGIs יכולים להפעיל ויסות רב עוצמה על פעילות השעתוק 2.
מבחינה היסטורית, מתילציה של DNA נצפתה כחיונית באמבריוגנזה, הטבעה והתפתחות, עם שינויים קטנים ברמות המתילציה של ה-DNA המתרחשים בתאים פוסט-מיטוטיים (למעט שינויים בגנים הקשורים לסרטן) 4,5. עם זאת, תחום הנוירו-אפיגנטיקה הדגיש תפקיד לא התפתחותי חשוב למתילציה של DNA. באופן ספציפי, אפיגנטיקה קוגניטיבית הגדירה מחדש מתילציה של DNA כמנגנון פלסטי ביותר אינטגרלי בתיווך הן הפעלה שעתוק והן דיכוי של גנים החיוניים לתהליך הלמידה והזיכרון 6. מלבד אפיגנטיקה קוגניטיבית, מחקרים המודלים פגיעה איסכמית וכאב נוירופתי מאפיינים מתילציה של DNA כמנגנון גמיש המגיב במהירות למגוון עלבונות במערכת העצבים המרכזית 7-9. בנוגע לאסטרוציטים, מספר קווי ראיות מצביעים על כך שמתילציה של DNA ממלאת תפקיד חשוב באסטרוגליוגנזה. Fan et al., מצאו כי KO מותנה של DNMT1 בתאי אב עצביים (NPCs) הביא להתפתחות מוקדמת של אסטרוציטים התואמים למצב גלובלי של היפומתילציה 10. בנוסף, פריסיק ואחרים, הגיעו למסקנה שרמות דיפרנציאליות של מתילציה של DNA של מקדם GLT-1 תיווכו רמות דיפרנציאליות של ביטוי של טרנספורטר הגלוטמט בקליפת המוח ובמוח הקטן, תוך הדגשת תפקיד במתילציה של DNA בביסוס דפוסים ספציפיים לאזור המוח של ביטוי גנים אסטרוציטיים 11. בסך הכל, מחקרים רבים מדגישים את האופי הדינמי והגמיש של מתילציה של DNA במערכת העצבים המרכזית שכן הסביבה, תרופות ופציעה הוכחו כולם כמשנים מתילציה של DNA ולעתים קרובות, ביטוי גנים 4,9. יחד, מחקרים נוירו-אפיגנטיים אלה מצביעים על מתילציה של DNA כמטרה טיפולית אפשרית עם פוטנציאל להפחית מגוון פתולוגיות של מערכת העצבים המרכזית.
ככל שתחום האפיגנטיקה מרחיב את הבנתו את תפקידה של מתילציה של DNA בהתפתחות נוירולוגית ומחלות, האתגר של העברת מתילציה של DNA לעבר מטרה טיפולית הוא ביצוע לא רק מחקרים מתאמים, אלא גם מחקרים סיבתיים המגדירים מטרות ואתרים ספציפיים של גנים. בנוסף, סקירת שינויים במתילציה של DNA ספציפית לאזור המוח וסוג התא נותרה אתגר מתמשך וראוי לזמן ייחודי לתחום הנוירו-אפיגנטיקה. פרוטוקול זה משתמש במגוון טכניקות כולל מיון תאים מופעל פלואורסצנטי (FACS) של אסטרוציטים, ניתוח נמס ברזולוציה גבוהה רגיש למתילציה (MS-HRM), ובדיקת מתילציה של לוציפראז כדי לחקור את מצב המתילציה של ה-DNA של KCNJ10, גן המקודד ל-Kir4.1. Kir4.1 היא תעלת אשלגן ספציפית לגליה המדגימה הן את אזור המוח והן את דפוסי הביטוי הספציפיים לתאים במערכת העצבים המרכזית 12-16. ביטוי Kir4.1 גדל במעבר מאזורי מערכת העצבים המרכזית הרוסטרלית לאזורי מערכת העצבים המרכזית הזנבית, כאשר הביטוי הגבוה ביותר מתרחש בחוט השדרה 15. למרות שהתעלה מתבטאת בתאי אפנדימל, אוליגודנדרוציטים ותאי המבשר שלהם, Kir4.1 מתבטא בעיקר באסטרוציטים ונחשב חיוני לשמירה על רמות הומאוסטטיות של אשלגן וכן לתמיכה בספיגת גלוטמט על ידי הגדרת פוטנציאל קרום המנוחה האסטרוציטית בהיפרפולריזציה -80mV 12,16-19. חשוב לציין, הביטוי של Kir4.1 אינו סטטי הן במהלך ההתפתחות והן לאחר צורות מרובות של פגיעה במערכת העצבים המרכזית 20-25. ביקשנו לבחון את הוויסות האפיגנטי של ערוץ זה, במיוחד באסטרוציטים במהלך ההתפתחות. הטכניקות בהן נעשה שימוש מציעות ניתוחי אתר CpG ספציפיים וממוקדים לגנים המספקים ראיות סיבתיות לתפקיד של מתילציה של DNA בוויסות ביטוי הגנים KCNJ10. ניתן ליישם טכניקות אלה על גנים אחרים.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
כל בעלי החיים טופלו בהתאם למכונים הלאומי לבריאות הנחיות. ועדת הטיפול בבעלי חיים והשימוש באוניברסיטת אלבמה בבירמינגהם אישרה שימוש בבעלי חיים.
1. קבלת רנ"א ודנ"א ממועשרת astrocytic אוכלוסייה באמצעות Cell הופעל פלורסנט מיון (FACS) של האסטרוציטים מרקמות המוח כולו
2. הערכת מצב DNA מתילציה של גן באמצעות מתילציה רגישה רזולוציה גבוהה ממיסים ניתוח (MS-HRMA)
3. הערכת פעילות יזם מפוגל-Hyper באמצעות השימוש בAssay בלוציפראז
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
אוכלוסייה מועשרת של האסטרוציטים נרכשה באמצעות מיון FACS של בעלי חיים מהונדסים eGFP-S100β 27. בשל ירידה באיכות של תאים ומולקולות מולקולריות מבודדות מבעלי חיים מבוגרים יותר לאחר הלידה היום 50 (P50), בעלי חיים בגילים P0-P40 הם אופטימליים לניסויים כאלה. רקמת קליפת המוח שימשה לניסויים אלה. קליפת מוח משניים עד שישה בעלי חיים היו נקווה יחד. FACS בוצע במתקן UAB המקיף cytometry הזרימה Core. מיון בוצע על קיטון דיקינסון FACSAria השני. עירור eGFP הושג באמצעות לייזר 488 ננומטר; לא ה...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
פרוטוקול זה מתאר בידוד של אוכלוסייה מועשרת של אסטרוציטים באמצעות FACS וכן מגוון טכניקות המאפשרות מחקרים מתאמים וסיבתיות בין מתילציה של DNA לביטוי גנים. טכניקות אלה, המשמשות בבידוד או בשילוב, שימושיות במיוחד עבור מעבדות שעובדות עם רקמות בעלות הטרוגניות תאית גבוהה או מעוניינות במצב מתילציה של DNA של גן או אזור גן מסוים לעומת שינויים גלובליים במתילציה של DNA. אתגר ייחודי יחסית בחקר האפיגנום של מערכת העצבים המרכזית הוא מגוון אוכלוסיות התאים. מכיוון שגנים מעניינים עשויים להתבטא בדרגות שונות עם דפוסים ייחודיים מבחינה זמנית ומר...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
למחברים אין גילוי נאות.
עבודה זו נתמכה על ידי R01NS075062-01A1. מיון FACS בוצע במתקן UAB Comprehensive Flow Cytometry Core (P30 AR048311, P30 A1027767). ד"ר סקוט פיליפס ממתקן הליבה לנוירוביולוגיה של UAB וד"ר סוזן נוזל מ-UAB CDIB סייעו בהיבטים הטכניים של בדיקת הלוציפראז.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| מערכת דיסוציאציה פפאין | Worthington Biochemical Corporation | LK003150 | |
| AllPrep DNA/RNA Mini Kit | Qiagen | 80204 | |
| Methyl Primer | Applied Biosystems | תוכנה מקוונת | ללוקליזציה של איי CpG |
| ערכת מתילציה של DNA EZ | Zymo Research | D5001 | |
| תקן כיול מעורבב מראש של חולדות | EpiGenDx | 80-8060R-Premix | |
| CpG מתילאז (M.SSSL) | Zymo Research | E2010 | |
| QIAquick מיצוי ג'ל | QIagen | 28704 | משמש למיצוי ג'ל וניקוי DNA |
| אנזימי הגבלה חותך | NEB ניו אינגלנד BioLabs | ||
| חותך NEB | ניו אינגלנד BioLabs | מאמת באינטרנט | אתרי עיכול הגבלה |
| מערכת בדיקת מדווח לוציפראז כפול | Promega | E1910 | |
| וקטור Luc2, pGL4.10 | Promega | E6651 | |
| וקטור רנילה, pGL4.74 | Promega | E2241 | |
| TD-20/20 Luminometer | Turner Designs | ||
| Lipofectamine LTX ו-Plus Reagent | Life Technologies | A12621 | |
| פנול, pH רווי 6.6/6.9 | Fisher Scientific | BP 17501-100 | |
| Nanodrop 2000/2000c ספקטרופטומטר | ThermoScientific | ||
| MeltDoctor Master Mix | Life Technologies | 4415440 | |
| תוכנה להתכה ברזולוציה גבוהה (HRM) v2.0 | Life Technologies | 4397808 | |
| AB SDS software v2.3 | Life Technologies | online | |
| AB High Resolution Melting מדריך תחילת העבודה | Life Technologies | באינטרנט | |
| AB 7900HT טכנולוגיות | מהירות בזמן אמת לחיי |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission