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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
トランスジェニックレポーターマウスから単離された脂肪組織との核ソーティングを使用して、脂肪細胞上で特異的にトランスポザーゼアクセス可能なクロマチン(ATAC-seq)を核蛍光標識でアッセイするためのプロトコルを紹介します。
ハイスループットシーケンシングによるトランスポザーゼアクセス可能なクロマチンのアッセイ(ATAC-seq)は、ゲノムワイドなクロマチンアクセシビリティプロファイリングを可能にする堅牢な技術です。この技術は、さまざまな生物学的プロセスにおける遺伝子発現の制御メカニズムを理解するのに役立っています。ATAC-seqはさまざまな種類のサンプルに対して修飾されていますが、脂肪組織に対するATAC-seq法の効果的な修飾はありませんでした。脂肪組織の課題には、複雑な細胞の不均一性、大きな脂質含有量、および高いミトコンドリア汚染が含まれます。これらの問題を克服するために、トランスジェニックレポーターの核タグ付けおよび翻訳リボソームアフィニティー精製(NuTRAP)マウスの脂肪組織との蛍光活性化核ソーティングを使用することにより、脂肪細胞特異的ATAC-seqを可能にするプロトコルを開発しました。このプロトコルは、核入力と試薬の量を減らしながら、無駄なシーケンシングリードを最小限に抑えて高品質のデータを生成します。この論文は、マウス脂肪組織から分離された脂肪細胞核の使用について検証されたATAC-seq法の詳細なステップバイステップの説明を提供します。このプロトコルは、多様な生物学的刺激による脂肪細胞のクロマチン動態の調査に役立ち、新しい生物学的洞察を可能にします。
脂質分子の形で余分なエネルギーを蓄えることに特化した脂肪組織は、代謝調節の重要な器官です。脂肪細胞の形成と維持の厳密な制御は、脂肪組織の機能と全身のエネルギー恒常性に不可欠です1。多くの転写調節因子は、脂肪細胞の分化、可塑性、および機能の制御において重要な役割を果たします。これらの調節因子のいくつかは、ヒトの代謝障害に関与しています2,3。遺伝子発現およびエピゲノム解析のためのハイスループットシーケンシング技術の最近の進歩により、脂肪細胞生物学の分子調節因子の発見がさらに促進されました4。脂肪組織を用いた分子プロファイリング研究は、これらの組織の不均一性のために実施が困難です。脂肪組織は主に脂肪貯蔵を担う脂肪細胞で構成されていますが、線維芽細胞、内皮細胞、免疫細胞など、他のさまざまな細胞タイプも含まれています5。さらに、脂肪組織の細胞組成は、温度や栄養状態などの病態生理学的変化に応じて劇的に変化します6。これらの問題を克服するために、私たちは以前に、GFPタグ付きリボソームとmCherryタグ付きビオチン化核をCreリコンビナーゼ依存的に生成するトランスジェニックレポーターマウス「核タグ付けおよび翻訳リボソームアフィニティー精製(NuTRAP)」を開発しました7。二重標識システムにより、組織を用いて細胞種特異的なトランスクリプトーム解析およびエピゲノム解析を行うことができます。脂肪細胞特異的アディポネクチン-Cre株(Adipoq-NuTRAP)と交配したNuTRAPマウスを使用して、in vivoで純粋な脂肪細胞集団からの遺伝子発現プロファイルとクロマチン状態を以前に特徴付け、肥満時にそれらがどのように変化するかを決定しました7,8。以前、茶色とベージュ色の脂肪細胞特異的Ucp1-Cre株(Ucp1-NuTRAP)と交配したNuTRAPマウスにより、温度変化に応答したまれな熱発生脂肪細胞集団であるベージュ脂肪細胞のエピゲノムリモデリングを特徴付けることができました9。
ATAC-seqは、ゲノム全体のクロマチンアクセシビリティを評価するために広く使用されている分析方法です。ATAC-seqで使用される超反応性Tn5トランスポザーゼは、核10のクロマチンアクセス可能な領域のシーケンシングアダプターにタグを付けることにより、開いたクロマチン領域の同定を可能にします。ATAC-seqはシンプルなメソッドですが、ロバストな結果が得られ、低インプットのサンプルでも非常に効率的です。したがって、それは最も人気のあるエピゲノムプロファイリング方法の1つになり、多様な生物学的文脈における遺伝子発現の制御メカニズムの理解に貢献してきました。オリジナルのATAC-seqプロトコルが作成されて以来、様々なタイプのサンプルに対してプロトコルを修正および最適化するために、様々なATAC-seq派生技術がさらに開発されてきた。例えば、Fast−ATACは血球サンプル11の分析用に設計されており、Omni−ATACは凍結組織サンプル12用に最適化されたプロトコルであり、MiniATAC−seqは初期段階の胚分析13に有効である。しかし、ATAC-seq法を脂肪細胞、特に組織サンプルに適用することは依然として困難です。脂肪組織の不均一性に加えて、その高い脂質含有量は、核単離後もTn5トランスポザーゼによる効率的な組換え反応を妨げる可能性があります。さらに、脂肪細胞、特に茶色とベージュ色の脂肪細胞における高いミトコンドリア含有量は、高いミトコンドリアDNA汚染と無駄なシーケンシングリードを引き起こします。この論文では、Adipoq-NuTRAPマウスを用いた脂肪細胞特異的ATAC-seqのプロトコルについて説明します(図1)。蛍光標識された核ソーティングを利用することにより、このプロトコルは、他の交絡細胞タイプから離れた脂肪細胞核の純粋な集団の収集と、脂質、ミトコンドリア、および組織破片の効率的な除去を可能にします。したがって、このプロトコルは、標準プロトコルと比較して少ない入力量と試薬を使用しながら、細胞タイプ固有の高品質データを生成し、ミトコンドリアリードからの無駄を最小限に抑えることができます。
動物の世話と実験は、インディアナ大学医学部の施設内動物管理および使用委員会によって承認された手順に従って実施されました。
1.実験開始前の準備
2.核の分離
3. 核選別
4. Tn5 タグメンテーション(表 1)
5. DNA精製
注:次の手順では、 材料表に記載されているPCR精製キットを使用します。他の任意の同様のDNA精製方法を使用することができる。
6. PCR増幅(表2)
注:この研究で使用したプライマーを 表3に示します。
7.リアルタイム定量PCR(qPCR)テスト(表4)
注:このステップは、DNAを増幅するために必要な追加のサイクルを決定することを目的としています。これはオプションですが、特に新しい実験を行うことを強くお勧めします。
8.追加のPCR増幅
9. PCR精製キットを用いた2回目のDNA精製
10. DNAフラグメントサイズの選択
注:以下に説明するように、固相可逆固定化ビーズを使用してください。他の同様のDNA精製ビーズは、製造元の指示に従って使用できます。SPRIビーズ懸濁液は、使用前に完全に再懸濁し、回転しながらRTで平衡化する必要があります。
11. 蛍光光度計を用いたDNA定量
12. 高感度電気泳動装置によるライブラリ品質チェック
13. ターゲットqPCRによるATAC-seqライブラリの品質チェック
14. シーケンシング
このATAC-seqプロトコルを使用して脂肪組織を分析するために、飼料を与えられたAdipoq-NuTRAPマウスを生成しました。次に、フローサイトメトリーを用いて精巣上体白色脂肪組織(eWAT)、鼠径白脂肪組織(iWAT)、褐色脂肪組織(BAT)から脂肪細胞核を単離した。単離された核をタグ付けに使用し、続いて上記のようにDNA精製、PCR増幅、品質チェックステップ、シーケンシング、およびデータ分析を行いました。この代表的な実験の目的は、異なる脂肪蓄積物から単離された純粋な脂肪細胞集団のクロマチンアクセシビリティをプロファイリングすることでした。
mCherry標識およびGFP標識脂肪細胞核は、フローサイトメトリーを用いてAdipoq-NuTRAPマウスの脂肪組織から単離された他の細胞タイプの核と明確に区別できることを観察しました(図2A-C)。脂肪細胞画分は、脂肪デポーの種類によって、eWATで~50%、iWATで~30%、BATで~65%と差がありました(図2D)7。サンプルあたり2〜10分以内に10,000個の核を収集し、ATAC-seq手順に使用しました。合計10〜13回のPCRサイクルを実行しました(最初のPCRの5サイクルと2番目のPCRの5〜8サイクル、図3A)。サンプルが合計15回以上のPCRサイクルを必要とする場合、これは低品質のサンプルを示している可能性があります(図3B)。ATAC-seqライブラリのサイズ分布解析では、ヌクレオソームフリー領域(NFR)およびモノ、ジ、およびマルチヌクレオソームに対応する複数のピークが示され(図4A-C)、平均サイズは~500-800 bpでした。質の悪いサンプルは、通常、ヌクレオソームピークがないかほとんどないNFRを示しました(図4D)。qRT-PCR解析による品質チェック試験では、Adipoq、Fabp4、Plin1、Pnpla2などの脂肪細胞マーカー遺伝子の近くの陽性ゲノム要素で10〜20倍の濃縮が示されましたが、陰性対照では濃縮は示されませんでした(図5)。また、熱発生遺伝子Ucp1による濃縮はBAT特異的に観察されましたが、eWATまたはiWATでは観察されませんでした(図5)。
シーケンシングと分析の後、3つの異なる脂肪デポ(eWAT、iWAT、およびBAT)から組み合わせた~55,000のピークを特定しました。ミトコンドリアのリードは<2%であり、ピークの下の画分は~18%-44%でした(図6A、B)。質の悪いサンプルでは、ミトコンドリアのリードが有意に高いか、ピーク領域でのリードの割合が低くなる可能性があります。ATAC-seqライブラリトラックの目視検査により、すべての脂肪デポからのAdipoq、Plin1、Fabp4などの脂肪細胞マーカー遺伝子の近くに、高いS/N比を持つ複数の強いピークが明らかになりました(図7A-C)。また、BATサンプルの褐色脂肪細胞メーカーUcp1遺伝子座に強いATAC-seqピークが観察されましたが、これらのピークはeWATまたはiWATサンプルでは観察されませんでした(図7D)。これらのデータはすべて、脂肪細胞核から生成されたATAC-seqデータが成功したことを示しています。

図1:NuTRAPマウスを用いた脂肪細胞特異的ATAC-seqの概略フローチャート。 このプロトコルに固有の手順は、赤い影付きのボックスで強調表示されています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:Adipoq-NuTRAPマウスの脂肪組織からのmCherry/GFPタグ付き脂肪細胞核の単離を示す代表的なFACSゲーティング。 (A-C)Adipoq-NuTRAPマウスのeWAT、iWAT、およびBATから単離された核のフローサイトメトリー分析。(D)Adipoq-NuTRAPマウスのeWAT、iWAT、BATにおける脂肪細胞および非脂肪細胞由来の核の定量解析。データはSEM±平均である(n = 3)。これらの核数データはRohらからのものである7。略語:FACS =蛍光活性化細胞選別;GFP = 緑色蛍光タンパク質;eWAT =精巣上体白色脂肪組織;iWAT =鼠径部白色脂肪組織;BAT =褐色脂肪組織。NuTRAP =核タグと翻訳リボソーム親和性精製;Adipoq-NuTRAP = 脂肪細胞特異的アディポネクチン-Cre株と交配したNuTRAPマウス;FSC-A = 前方散乱ピーク面積;FSC-H = 前方散乱ピークの高さ;SSC-A = 側方散乱ピーク面積;FITC-A = フルオレセインイソチオシアネートピーク面積。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3:qRT-PCRからの代表的な増幅曲線 。 (A)7回の追加増幅サイクルが必要な高品質のサンプル。(B)≥15サイクルの追加が必要な質の悪いサンプル。略称:qRT-PCR = 定量的逆転写PCR。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図4:ATAC-seqライブラリのサイズ分布プロファイル。 (A-C)良質ライブラリと(D)低品質のライブラリが代表的な結果として示されています。略語:ATAC-seq = ハイスループットシーケンシングによるトランスポザーゼアクセス可能なクロマチンのアッセイ。FU = 蛍光単位;bp =塩基対。NFR = ヌクレオソームフリー領域;eWAT =精巣上体白色脂肪組織;iWAT =鼠径部白色脂肪組織;BAT =褐色脂肪組織。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図5:ATAC-seqライブラリの品質管理qPCR分析。 一般的な脂肪細胞マーカー であるAdipoq、 Fabp4、 Plin1、および Pnpla2 または褐色脂肪細胞 マーカーUcp1の近くのプロモーターおよびエンハンサーの濃縮。略語:ATAC-seq = ハイスループットシーケンシングによるトランスポザーゼアクセス可能なクロマチンのアッセイ。NC =ネガティブコントロール;eWAT =精巣上体白色脂肪組織;iWAT =鼠径部白色脂肪組織;BAT =褐色脂肪組織。データはSEM±平均である(n = 2)。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図6:ATAC-seqライブラリのピーク下のミトコンドリアリードとフラクション。 (A)ミトコンドリアはeWAT、iWAT、およびBATからピーク(%)の下のフラクション(%)を読み取ります。略語:ATAC-seq = ハイスループットシーケンシングによるトランスポザーゼアクセス可能なクロマチンのアッセイ。eWAT =精巣上体白色脂肪組織;iWAT =鼠径部白色脂肪組織;BAT =褐色脂肪組織。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図7:ATAC-seqシグナルは、代表的な遺伝子座で追跡されます。 (A-C)一般的な脂肪細胞マーカー遺伝子。(B)褐色脂肪細胞特異的マーカー。略語:ATAC-seq = ハイスループットシーケンシングによるトランスポザーゼアクセス可能なクロマチンのアッセイ。eWAT =精巣上体白色脂肪組織;iWAT =鼠径部白色脂肪組織;BAT =褐色脂肪組織。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
表1:Tn5マスター混合物の成分。この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
表2:PCRマスター混合物の成分および初期PCRサイクリング条件。この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
表3:PCR増幅用のバーコードプライマーのリスト。この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
表4:qPCRマスター混合物の成分。この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
表5:qPCRサイクリング条件。この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
表6:追加増幅のための第2のPCRサイクル条件。この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
表7:ATAC-seqライブラリの品質チェックのためのプライマー配列および標的qPCRサイクリング条件。この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
表8:品質チェックのためのqPCR結果の分析。この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
著者らは、この論文で説明されている研究に関連する、または重要な金銭的利益がないことを宣言します。
トランスジェニックレポーターマウスから単離された脂肪組織との核ソーティングを使用して、脂肪細胞上で特異的にトランスポザーゼアクセス可能なクロマチン(ATAC-seq)を核蛍光標識でアッセイするためのプロトコルを紹介します。
この研究は、IUSMショーウォルター研究信託基金(H.C.R.)、IUSM糖尿病および代謝性疾患センターのパイロットおよび実現可能性助成金(H.C.R.)、国立糖尿病および消化器および腎臓病研究所(R01DK129289からH.C.R.)、および米国糖尿病学会ジュニアファカルティ賞(7-21-JDF-056からH.C.R.)によって支援されました。
| Animals | |||
| アディポネクチン-Creマウス | The Jackson Laboratory | 28020 | |
| NuTRAPマウス | The Jackson Laboratory | 29899 | |
| 試薬&材料ストロング> | |||
| 1.5 mL DNA-LoBindチューブ | Eppendorf | 86-923 | |
| 100 µm細胞ストレーナー | Falcon | 352-360 | |
| 15 mL tubes | VWR | 525-1071 | |
| 2x TD buffer | Illumina | 15027866 | |
| 384-well PCR plate | Applied biosystem | 4483285 | |
| 40 µm細胞ストレーナー | Falcon | 352-340 | |
| 50 mL tubes | VWR | 525-1077 | |
| AMPure XP reagent (SPRI beads) | Beckman Coulter | A63881 | |
| Bioanalyzer High Sensitivity DNA kit | Agilent Technologies | 5067-4626 | |
| 透明粘着フィルム | Applied biosystem | 4306311 | |
| DNase/RNase-free 蒸留水 | Invitrogen | 10977015 | |
| Dounce tissue grinder | DWK Life Sciences | 357542 | |
| DTT | Sigma | D9779 | |
| DynaMag-96 サイドスカートマグネット | Thermo Fishers | 12027 | |
| FACS tubes | Falcon | 28719128 | |
| HEPES | Boston BioProducts | BBH-75 | |
| Hoechst 33342 | Invitrogen | 2134015 | |
| KCl (2 M) | Boston BioProducts | MT-252 | |
| PCR 8チューブストリップ用磁気分離ラック | EpiCypher | 10-0008 | |
| MgCl2 (1 M) | Boston BioProducts | MT-200 | |
| MinElute PCR 精製キット | Qiagen | 28004 | |
| NEBNext High-Fidelity 2x PCR master mix | BioLabs | M0541S | |
| NP40 | Thermo Fishers | 28324 | |
| PCR 8-tube strip | USA scientific | 1402-4708 | |
| Protease inhibitor cocktail (100x) | Thermo Fishers | 78439 | |
| Qubit dsDNA HS assay kit | Invitrogen | Q32851 | |
| スクロース | Sigma | S0389-1KG | |
| SYBR Green I (10,000x) | Invitrogen | S7563 | |
| TDE I enzyme | Illumina | 15027865 | |
| Instruments | |||
| Flow cytometer | BD Biosciences | FACSAria Fusion | |
| Qubit 蛍光光度計 | Invitrogen | Q33226 | |
| リアルタイム PCR システム | Thermo Fishers | QuantStudio?5 |