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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Presentiamo un protocollo per il dosaggio della cromatina accessibile alla trasposasi con sequenziamento ad alto rendimento (ATAC-seq) specificamente sugli adipociti utilizzando la selezione del nucleo con tessuti adiposi isolati da topi reporter transgenici con marcatura a fluorescenza nucleare.
Il saggio per la cromatina accessibile alla trasposasi con sequenziamento ad alta produttività (ATAC-seq) è una tecnica robusta che consente la profilazione dell'accessibilità della cromatina a livello di genoma. Questa tecnica è stata utile per comprendere i meccanismi regolatori dell'espressione genica in una serie di processi biologici. Sebbene ATAC-seq sia stato modificato per diversi tipi di campioni, non ci sono state modifiche efficaci dei metodi ATAC-seq per i tessuti adiposi. Le sfide con i tessuti adiposi includono la complessa eterogeneità cellulare, il grande contenuto lipidico e l'elevata contaminazione mitocondriale. Per superare questi problemi, abbiamo sviluppato un protocollo che consente l'ATAC-seq adipocyte-specific utilizzando la selezione del nucleo attivata dalla fluorescenza con tessuti adiposi dal topo transgenico reporter Nuclear tagging and Translating Ribosome Affinity Purification (NuTRAP). Questo protocollo produce dati di alta qualità con letture di sequenziamento minime sprecate, riducendo al contempo la quantità di input del nucleo e reagenti. Questo articolo fornisce istruzioni dettagliate passo-passo per il metodo ATAC-seq convalidato per l'uso di nuclei di adipociti isolati da tessuti adiposi di topo. Questo protocollo aiuterà nello studio della dinamica della cromatina negli adipociti su diverse stimolazioni biologiche, che consentiranno nuove intuizioni biologiche.
Il tessuto adiposo, specializzato per immagazzinare l'energia in eccesso sotto forma di molecole lipidiche, è un organo chiave per la regolazione metabolica. Lo stretto controllo della formazione e del mantenimento degli adipociti è vitale per la funzione del tessuto adiposo e l'omeostasi energetica di tutto il corpo1. Molti regolatori trascrizionali svolgono un ruolo critico nel controllo della differenziazione, della plasticità e della funzione degli adipociti; Alcuni di questi regolatori sono implicati nei disordini metabolici nell'uomo 2,3. I recenti progressi nelle tecniche di sequenziamento ad alto rendimento per l'espressione genica e l'analisi epigenomica hanno ulteriormente facilitato la scoperta dei regolatori molecolari della biologia degli adipociti4. Gli studi di profilazione molecolare che utilizzano tessuti adiposi sono difficili da condurre a causa dell'eterogeneità di questi tessuti. Il tessuto adiposo è costituito principalmente da adipociti, che sono responsabili dell'accumulo di grasso, ma contiene anche vari altri tipi di cellule, come fibroblasti, cellule endoteliali e cellule immunitarie5. Inoltre, la composizione cellulare del tessuto adiposo è drasticamente alterata in risposta a cambiamenti fisiopatologici come la temperatura e lo stato nutrizionale6. Per superare questi problemi, abbiamo precedentemente sviluppato un topo reporter transgenico, chiamato Nuclear Tagging and Translating Ribosome Affinity Purification (NuTRAP), che produce ribosomi con GFP e nuclei biotinilati marcati con mCherry in modo dipendente dalla ricombinasi Cre7. Il sistema di doppia marcatura consente di eseguire analisi trascrittomiche ed epigenomiche specifiche per tipo cellulare con i tessuti. Utilizzando topi NuTRAP incrociati con linee adiponectina-Cre specifiche per adipociti (Adipoq-NuTRAP), abbiamo precedentemente caratterizzato i profili di espressione genica e gli stati di cromatina da popolazioni di adipociti puri in vivo e determinato come sono alterati durante l'obesità 7,8. In precedenza, topi NuTRAP incrociati con linee Ucp1-Cre specifiche per adipociti marroni e beige (Ucp1-NuTRAP) ci hanno permesso di caratterizzare il rimodellamento epigenomico della rara popolazione di adipociti termogenici, gli adipociti beige, in risposta ai cambiamenti di temperatura9.
ATAC-seq è un metodo analitico ampiamente utilizzato per valutare l'accessibilità della cromatina a livello di genoma. La trasposasi Tn5 iper-reattiva utilizzata in ATAC-seq consente l'identificazione di regioni aperte della cromatina marcando adattatori di sequenziamento nella regione accessibile alla cromatina dei nuclei10. ATAC-seq è un metodo semplice, ma fornisce risultati robusti ed è altamente efficiente anche con campioni a basso input. È diventato, quindi, uno dei metodi di profilazione epigenomica più popolari e ha contribuito alla comprensione dei meccanismi regolatori dell'espressione genica all'interno di diversi contesti biologici. Da quando è stato creato il protocollo ATAC-seq originale, varie tecniche derivate da ATAC-seq sono state ulteriormente sviluppate per modificare e ottimizzare il protocollo per vari tipi di campioni. Ad esempio, Fast-ATAC è progettato per analizzare campioni di cellule del sangue11, Omni-ATAC è un protocollo ottimizzato per campioni di tessuto congelato 12 e MiniATAC-seq è efficace per l'analisi embrionale in fase iniziale13. Tuttavia, l'applicazione del metodo ATAC-seq agli adipociti, in particolare da campioni di tessuto, è ancora impegnativa. Oltre all'eterogeneità del tessuto adiposo, il suo elevato contenuto lipidico può interferire con efficaci reazioni di ricombinazione da parte della trasposasi Tn5 anche dopo l'isolamento del nucleo. Inoltre, l'elevato contenuto mitocondriale negli adipociti, in particolare negli adipociti marroni e beige, causa un'elevata contaminazione del DNA mitocondriale e letture di sequenziamento sprecate. Questo documento descrive un protocollo per ATAC-seq adipocyte-specific utilizzando topi Adipoq-NuTRAP (Figura 1). Sfruttando la selezione dei nuclei marcati con fluorescenza, questo protocollo consente la raccolta di popolazioni pure di nuclei di adipociti lontano da altri tipi di cellule confondenti e l'efficiente rimozione di lipidi, mitocondri e detriti tissutali. Quindi, questo protocollo può generare dati di alta qualità specifici del tipo di cellula e ridurre al minimo gli sprechi dalle letture mitocondriali utilizzando una quantità ridotta di input e reagenti rispetto al protocollo standard.
La cura e la sperimentazione degli animali sono state eseguite secondo procedure approvate dall'Institutional Animal Care and Use Committee della Indiana University School of Medicine.
1. Preparativi prima di iniziare l'esperimento
2. Isolamento del nucleo
3. Ordinamento del nucleo
4. Tagmentazione Tn5 (Tabella 1)
5. Purificazione del DNA
NOTA: La seguente procedura utilizza il kit di purificazione PCR menzionato nella tabella dei materiali. È possibile utilizzare qualsiasi altro metodo di purificazione del DNA simile.
6. Amplificazione PCR (Tabella 2)
NOTA: I primer utilizzati in questo studio sono elencati nella Tabella 3.
7. Test di PCR quantitativa in tempo reale (qPCR) (Tabella 4)
NOTA: Questo passaggio mira a determinare i cicli aggiuntivi necessari per amplificare il DNA. È facoltativo ma altamente raccomandato, soprattutto per i nuovi esperimenti.
8. Amplificazione PCR aggiuntiva
9. Seconda purificazione del DNA utilizzando il kit di purificazione PCR
10. Selezione della dimensione del frammento di DNA
NOTA: utilizzare sfere di immobilizzazione reversibili in fase solida, come descritto di seguito. Qualsiasi altra perla di purificazione del DNA simile può essere utilizzata secondo le istruzioni del produttore. La sospensione del tallone SPRI deve essere completamente risospesa e bilanciata a RT con rotazione prima dell'uso.
11. Quantificazione del DNA mediante fluorometro
12. Controllo della qualità della biblioteca mediante sistemi di elettroforesi ad alta sensibilità
13. Controllo di qualità della libreria ATAC-seq utilizzando qPCR mirata
14. Sequenziamento
Per analizzare il tessuto adiposo utilizzando questo protocollo ATAC-seq, abbiamo generato topi Adipoq-NuTRAP che sono stati alimentati con diete chow; abbiamo quindi isolato i nuclei degli adipociti dal tessuto adiposo bianco epididimo (eWAT), dal tessuto adiposo bianco inguinale (iWAT) e dal tessuto adiposo bruno (BAT) utilizzando la citometria a flusso. I nuclei isolati sono stati utilizzati per la marcatura, seguita dalla purificazione del DNA, dall'amplificazione PCR, dalle fasi di controllo della qualità, dal sequenziamento e dall'analisi dei dati, come descritto sopra. Lo scopo di questo esperimento rappresentativo era quello di profilare l'accessibilità della cromatina di popolazioni di adipociti puri isolati da diversi depositi di grasso.
Abbiamo osservato che i nuclei adipocitari marcati con mCherry e GFP erano chiaramente distinguibili dai nuclei di altri tipi di cellule isolati dai tessuti adiposi di un topo Adipoq-NuTRAP utilizzando la citometria a flusso (Figura 2A-C). C'erano differenze nelle frazioni adipocitarie a seconda del tipo di deposito adiposo: ~50% in eWAT, ~30% in iWAT e ~65% in BAT (Figura 2D)7. Abbiamo raccolto 10.000 nuclei entro 2-10 minuti per campione e li abbiamo utilizzati per le procedure ATAC-seq. Abbiamo eseguito un totale di 10-13 cicli di PCR (cinque cicli della prima PCR e da cinque a otto cicli della seconda PCR, Figura 3A). Se i campioni richiedono più di un totale di 15 cicli di PCR, ciò potrebbe indicare campioni di bassa qualità (Figura 3B). L'analisi della distribuzione dimensionale delle librerie ATAC-seq ha dimostrato picchi multipli corrispondenti alla regione libera da nucleosomi (NFR) e mono, di e multi-nucleosomi (Figura 4A-C), con dimensioni medie di ~ 500-800 bp. I campioni di scarsa qualità hanno tipicamente mostrato per lo più NFR con nessun o pochi picchi nucleosomici (Figura 4D). I test di controllo di qualità dell'analisi qRT-PCR hanno mostrato arricchimenti di 10-20 volte con gli elementi genomici positivi vicino ai geni marcatori degli adipociti come Adipoq, Fabp4, Plin1 e Pnpla2, mentre nessun arricchimento è stato mostrato con il controllo negativo (Figura 5). Abbiamo anche osservato l'arricchimento con il gene termogenico Ucp1 specificamente in BAT ma non in eWAT o iWAT (Figura 5).
Dopo il sequenziamento e l'analisi, abbiamo identificato ~ 55.000 picchi combinati da tre diversi depositi adiposi (eWAT, iWAT e BAT). Le letture mitocondriali erano del <2% e la frazione sotto i picchi era ~ 18% -44% (Figura 6A, B). I campioni di scarsa qualità possono avere letture mitocondriali significativamente più elevate e / o una frazione inferiore di letture nelle regioni di picco. L'ispezione visiva delle tracce della libreria ATAC-seq ha rivelato picchi multipli forti con elevati rapporti segnale-rumore vicino ai geni marcatori degli adipociti, come Adipoq, Plin1 e Fabp4, da tutti i depositi adiposi (Figura 7A-C). Abbiamo anche osservato forti picchi ATAC-seq nel locus Ucp1 del produttore di adipociti bruni nel campione BAT, ma questi picchi non sono stati osservati nei campioni eWAT o iWAT (Figura 7D). Tutti questi dati indicano il successo dei dati ATAC-seq generati dai nuclei degli adipociti.

Figura 1: Un diagramma di flusso schematico di ATAC-seq adipocyte-specific utilizzando topi NuTRAP. I passaggi specifici di questo protocollo sono evidenziati nelle caselle ombreggiate rosse. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 2: Gating rappresentativo FACS che illustra l'isolamento di nuclei di adipociti marcati mCherry/GFP dai tessuti adiposi di un topo Adipoq-NuTRAP. (A-C) Analisi citometrica a flusso di nuclei isolati da eWAT, iWAT e BAT di un topo Adipoq-NuTRAP. (D) Analisi quantitativa di nuclei da adipociti e non adipociti in eWAT, iWAT e BAT di un topo Adipoq-NuTRAP. I dati sono medi ± SEM (n = 3). Questi dati sul conteggio dei nuclei provengono da Roh et al.7. Abbreviazioni: FACS = selezione cellulare attivata da fluorescenza; GFP = proteina fluorescente verde; eWAT = tessuto adiposo bianco epididimale; iWAT = tessuto adiposo bianco inguinale; BAT = tessuto adiposo bruno; NuTRAP = marcatura nucleare e purificazione dell'affinità ribosomiale traslante; Adipoq-NuTRAP = topo NuTRAP incrociato con la linea adiponectina-Cre adipociti-specifica; FSC-A = area di picco di dispersione in avanti; FSC-H = altezza del picco di dispersione in avanti; SSC-A = area laterale del picco di dispersione; FITC-A = area del picco dell'isotiocianato di fluoresceina. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 3: Curve di amplificazione rappresentative da qRT-PCR . (A) Campione di buona qualità che richiede sette cicli di amplificazione aggiuntivi. (B) Campione di scarsa qualità che necessita di ≥15 cicli aggiuntivi. Abbreviazione: qRT-PCR = quantitative reverse transcription PCR. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 4: Profili di distribuzione dimensionale delle librerie ATAC-seq. (A-C) Le librerie di buona qualità e (D) di scarsa qualità sono mostrate come risultati rappresentativi. Abbreviazioni: ATAC-seq = saggio per cromatina accessibile alla trasposasi con sequenziamento ad alta produttività; FU = unità di fluorescenza; bp = coppie di basi; NFR = regione libera da nucleosomi; eWAT = tessuto adiposo bianco epididimale; iWAT = tessuto adiposo bianco inguinale; BAT = tessuto adiposo bruno. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 5: Analisi qPCR del controllo qualità delle librerie ATAC-seq. Arricchimenti per promotori e potenziatori vicino ai marcatori adipocitari generali Adipoq, Fabp4, Plin1 e Pnpla2 o al marcatore adipocitario bruno Ucp1. Abbreviazioni: ATAC-seq = saggio per cromatina accessibile alla trasposasi con sequenziamento ad alta produttività; NC = controllo negativo; eWAT = tessuto adiposo bianco epididimale; iWAT = tessuto adiposo bianco inguinale; BAT = tessuto adiposo bruno. I dati sono medi ± SEM (n = 2). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 6: Letture e frazioni dei mitocondri sotto i picchi delle librerie ATAC-seq . (A) I mitocondri leggono (%) e (B) frazioni sotto i picchi (%) da eWAT, iWAT e BAT. Abbreviazioni: ATAC-seq = saggio per cromatina accessibile alla trasposasi con sequenziamento ad alta produttività; eWAT = tessuto adiposo bianco epididimale; iWAT = tessuto adiposo bianco inguinale; BAT = tessuto adiposo bruno. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 7: Tracce del segnale ATAC-seq nei loci dei geni rappresentativi. (A-C) Geni marcatori adipocitari generali. (B) Marcatore bruno adipocita-specifico. Abbreviazioni: ATAC-seq = saggio per cromatina accessibile alla trasposasi con sequenziamento ad alta produttività; eWAT = tessuto adiposo bianco epididimale; iWAT = tessuto adiposo bianco inguinale; BAT = tessuto adiposo bruno. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Tabella 1: Componenti della miscela madre Tn5. Clicca qui per scaricare questa tabella.
Tabella 2: Componenti della miscela master PCR e condizioni iniziali del ciclo PCR. Clicca qui per scaricare questa tabella.
Tabella 3: Elenco dei primer con codice a barre per l'amplificazione PCR. Clicca qui per scaricare questa tabella.
Tabella 4: Componenti della miscela madre qPCR. Clicca qui per scaricare questa tabella.
Tabella 5: condizioni di ciclo qPCR. Clicca qui per scaricare questa tabella.
Tabella 6: Condizioni di ciclo della seconda PCR per un'ulteriore amplificazione. Clicca qui per scaricare questa tabella.
Tabella 7: Sequenze di primer e condizioni di ciclo qPCR mirate per il controllo di qualità della libreria ATAC-seq. Clicca qui per scaricare questa tabella.
Tabella 8: Analisi dei risultati della qPCR per il controllo di qualità. Clicca qui per scaricare questa tabella.
Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari rilevanti o materiali relativi alla ricerca descritta in questo articolo.
Presentiamo un protocollo per il dosaggio della cromatina accessibile alla trasposasi con sequenziamento ad alto rendimento (ATAC-seq) specificamente sugli adipociti utilizzando la selezione del nucleo con tessuti adiposi isolati da topi reporter transgenici con marcatura a fluorescenza nucleare.
Questo lavoro è stato sostenuto dallo IUSM Showalter Research Trust Fund (a H.C.R.), un centro IUSM per il diabete e le malattie metaboliche Pilot and Feasibility grant (a H.C.R.), il National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases (R01DK129289 a H.C.R.), e l'American Diabetes Association Junior Faculty Award (7-21-JDF-056 a H.C.R.).
| Adiponectina-Cre | topo The Jackson Laboratory | 28020 | |
| NuTRAP mouse | The Jackson Laboratory | 29899 | |
| Reagenti & Materiali | |||
| 1,5 mL Provette DNA-LoBind | Eppendorf | 86-923 | |
| 100 & micro; filtro cellulare | m Falcon | 352-360 | |
| provette da 15 mL | VWR | 525-1071 | |
| 2x tampone TD | Illumina | 15027866 | |
| piastra PCR a 384 pozzetti | Biosystem applicato | 4483285 | |
| 40 &; filtro cellulare m | Falcon | 352-340 | |
| provette da 50 mL | VWR | 525-1077 | |
| Reagente AMPure XP (perline SPRI) | BioanalizzatoreBeckman Coulter | A63881 | |
| Kit DNA ad alta sensibilità | Agilent Technologies | 5067-4626 | |
| Pellicola adesiva trasparente | Biosystem applicato | 4306311 | |
| acqua distillata priva di DNasi/RNasi | Invitrogen | 10977015 | |
| Dounce macinatore di tessuti | DWK Life Sciences | 357542 | |
| DTT | Sigma | D9779 | |
| DynaMag-96 magnete con gonna laterale | Thermo Fishers | 12027 | |
| tubi FACS | Falcon | 28719128 | |
| HEPES | Boston BioProducts | BBH-75 | |
| Hoechst 33342 | Invitrogen | 2134015 | |
| KCl (2 M) | Boston BioProducts | MT-252 | |
| Rack di separazione magnetica per PCR 8 strisce di provette | EpiCypher | 10-0008 | |
| MgCl2 (1 M) | Boston BioProducts | MT-200 | |
| Kit di purificazione PCR MinElute | Qiagen | 28004 | |
| NEBNext High-Fidelity 2x PCR master mix | BioLabs | M0541S | |
| NP40 | Thermo Fishers | 28324 | |
| PCR 8-tube strip | USA scientific | 1402-4708 | |
| Cocktail di inibitori della proteasi (100x) | Thermo Fishers | 78439 | |
| Kit di test Qubit dsDNA HS | Invitrogen | Q32851 | |
| Saccarosio | Sigma | S0389-1KG | |
| SYBR Green I (10.000x) | Invitrogen | S7563 | |
| TDE I enzima | Illumina | 15027865 | |
| Instruments | |||
| Citometro a flusso | BD Biosciences | FACSAria Fusion | |
| Fluorimetro Qubit | Invitrogen | Q33226 | |
| Sistema di PCR in tempo reale | Thermo Fishers | QuantStudio?5 |