DNA 메틸화는 다양한 자극에 대한 반응으로 유전자 발현의 역동적인 변화를 허용할 뿐만 아니라 안정적인 수준의 유전자 발현을 유지할 수 있습니다. DNA 메틸화의 유전자 특이적 변화와 이러한 변화가 유전자 발현에 미치는 영향을 연구할 수 있는 기술에 대해 자세히 설명합니다.
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DNA 메틸화는 다양한 자극에 대한 반응으로 유전자 발현의 역동적인 변화를 허용할 뿐만 아니라 안정적인 수준의 유전자 발현을 유지할 수 있습니다. DNA 메틸화의 유전자 특이적 변화와 이러한 변화가 유전자 발현에 미치는 영향을 연구할 수 있는 기술에 대해 자세히 설명합니다.
DNA 메틸화는 시토신-구아닌 디뉴클레오티드에서 시토신의 C5 위치에 메틸기를 공유 부착하여 유전자 발현을 조절하는 역할을 합니다. DNA 메틸화는 유전자 발현의 오래 지속되고 안정적인 변화를 제공하지만, DNA 메틸화의 패턴과 수준도 다양한 신호와 자극에 따라 변경될 수 있습니다. 이와 같이 DNA 메틸화는 유전자 발현의 강력하고 역동적인 조절자로 기능합니다. 신경후성유전학(neuroepigenetics)에 대한 연구는 DNA 메틸화의 전반적 및 유전자 특이적 변화와 관련된 다양한 생리학적 및 병리학적 상태를 밝혀냈습니다. 특히, 유전자 발현의 변화와 DNA 메틸화 사이의 현저한 상관관계는 신경정신 질환 및 신경퇴행성 질환, 시냅스 가소성 동안, 중추신경계 손상 후에 존재합니다. 그러나 신경후성유전학 분야가 CNS 생리학에서 DNA 메틸화의 역할에 대한 이해를 계속 확장함에 따라 유전자 발현 및 DNA 메틸화의 변화와 관련하여 인과 관계를 설명하는 것이 필수적입니다. 더욱이, 신경과학의 더 큰 분야와 관련하여, 광대한 영역과 세포 특이적 차이의 존재는 전사체, 단백질체 및 후성유전체를 연구할 때 이러한 차이를 해결하는 기술을 필요로 합니다. 여기에서는 RNA 전사와 DNA 메틸화에 대한 후속 검사를 가능하게 하는 피질 성상세포의 FACS 분류에 대해 설명합니다. 또한 DNA 메틸화, 메틸화에 민감한 고분해능 용융 분석(MS-HRMA) 및 루시페라제 프로모터 분석을 검사하는 기술에 대해 자세히 설명합니다. 이러한 결합된 기술의 사용을 통해 DNA 메틸화와 유전자 발현 사이의 상관적 변화를 탐구할 수 있을 뿐만 아니라 주어진 유전자 영역의 DNA 메틸화 상태의 변화가 전사 활성에 영향을 미치기에 충분한지 직접 평가할 수 있습니다.
후성유전학은 게놈의 전사 활성에 영향을 줄 수 있는 화학적 변형에 대한 연구입니다. 본질적으로, DNA 염기서열의 변화 없이, DNA 메틸화, 히스톤 아세틸화, 히스톤 메틸화와 같은 후성유전학적 변형은 유전자 발현 패턴을 가역적으로 변경하기에 충분합니다 1. 유전자 발현의 강력한 조절자인 DNA 메틸화는 가장 잘 특성화된 후성유전학적 변형입니다. DNA 메틸화는 시토신의 C5 위치에 메틸 그룹의 공유 결합이며, 일반적으로 CpG 부위라고도 하는 시토신-구아닌 디뉴클레오티드의 시토신입니다. CpG 사이트의 높은 밀도를 포함하는 영역을 CGI(CpG 고립)라고 합니다. CGI는 전사 시작 부위(TSS) 및 유전자 프로모터 1-3과 자주 연관되어 있습니다. 따라서 CGI에서 DNA 메틸화의 변화가 항상 세포 발현 또는 기능의 변화와 수반되는 것은 아니지만, CGI에서 DNA 메틸화의 변화는 전사 활성에 강력한 조절을 발휘할 수 있습니다 2.
역사적으로 DNA 메틸화는 배아 발생, 각인 및 발달에 필수적인 것으로 관찰되었으며, 유사분열 후 세포에서 발생하는 DNA 메틸화 수준의 변화는 거의 없었습니다(암 관련 유전자의 변형 제외) 4,5. 그러나 신경후성유전학 분야에서는 DNA 메틸화에 대한 중요한 비발달적 역할을 강조했습니다. 특히, 인지 후성유전학은 DNA 메틸화를 학습과 기억 과정에 필수적인 유전자의 전사 활성화와 억제를 중재하는 데 필수적인 고도의 가소성 메커니즘으로 재정의했습니다 6. 인지적 후성유전학(cognitive epigenetics)과는 별개로, 허혈성 손상(ischemic injury)과 신경병성 통증(neuropathic pain)을 모델링한 연구에서는 DNA 메틸화(methylation)를 다양한 중추신경계(CNS) 모욕에 빠르게 반응하는 불안정한 메커니즘으로 규정한다 7-9. 성상세포와 관련하여, DNA 메틸화가 성상교세포형성(astrogliogenesis)에 중요한 역할을 한다는 것을 시사하는 몇 가지 증거가 있습니다. Fan 등은 신경전구세포(NPC)에서 DNMT1의 조건부 KO가 저메틸화(hypomethylation)의 전반적인 상태와 일치하는 성상세포의 조숙한 발달을 초래한다는 것을 발견했다 10. 또한, Perisic 등은 GLT-1 프로모터의 DNA 메틸화의 차등적 수준이 피질과 소뇌에서 글루타메이트 수송체의 발현의 차등적 수준을 매개한다고 결론지었으며, 성상세포 유전자 발현의 뇌 영역 특이적 패턴을 확립하는 데 있어 DNA 메틸화의 역할을 강조했다 11. 전반적으로, 수많은 연구는 환경, 약물 및 부상이 모두 DNA 메틸화와 종종 유전자 발현을 변화시키는 것으로 나타남에 따라 CNS에서 DNA 메틸화의 역동적이고 불안정한 특성을 강조합니다 4,9. 이러한 신경후성유전학적 연구는 DNA 메틸화가 다양한 중추신경계 병리학을 완화할 수 있는 잠재력을 가진 실현 가능한 치료 표적으로 지적합니다.
후성유전학 분야가 신경 발달 및 질병에서 DNA 메틸화의 역할에 대한 이해를 확장함에 따라, DNA 메틸화를 치료 표적 쪽으로 이동시키는 과제는 상관관계뿐만 아니라 특정 유전자 표적 및 부위를 정의하는 원인 연구를 수행하는 것입니다. 또한 뇌 영역과 세포 유형에 특이적인 DNA 메틸화의 변화를 조사하는 것은 신경후성유전학 분야에서만 볼 수 있는 지속적이고 시간 가치가 있는 과제로 남아 있습니다. 이 프로토콜은 성상세포의 형광 활성화 세포 분류(FACS), 메틸화에 민감한 고분해능 용융 분석(MS-HRM) 및 메틸화 루시페라제 분석을 포함한 다양한 기술을 활용하여 Kir4.1을 암호화하는 유전자인 KCNJ10의 DNA 메틸화 상태를 조사합니다. Kir4.1은 CNS 12-16에서 뇌 영역과 세포 특이적 발현 패턴을 모두 보여주는 신경교 특이적 칼륨 채널입니다. Kir4.1 발현은 주부에서 꼬리 중추신경계 부위로 이동하면서 증가하며, 척수에서 가장 높은 발현이 나타난다 15. 채널은 뇌실막세포, 희소돌기아교세포 및 그 전구세포에서 발현되지만, Kir4.1은 주로 성상세포에서 발현되며 성상세포 휴지막 전위를 과분극 -80mV 12,16-19로 설정하여 글루타메이트 흡수를 지원할 뿐만 아니라 칼륨의 항상성 수준을 유지하는 데 필수적인 것으로 생각됩니다. 중요한 것은 Kir4.1의 발현이 발달 중과 여러 형태의 CNS 손상 20-25 이후에 모두 비정적이라는 것입니다. 우리는 이 채널의 후성유전학적 조절, 특히 발달 중 성상세포에서 조사하고자 했습니다. 사용된 기술은 KCNJ10 유전자 발현을 조절하는 DNA 메틸화의 역할에 대한 인과 증거를 제공하는 유전자 특이적 및 표적 CpG 부위 분석을 제공합니다. 이러한 기술은 다른 유전자에도 적용될 수 있습니다.
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모든 동물은 건강 지침의 국립 연구소에 따라 처리되었다. 버밍엄에서 알라바마 대학의 동물 관리 및 사용위원회는 동물의 사용을 승인했다.
1. 전체 뇌 조직에서 성상 (FACS)을 정렬 형광 활성 셀을 사용하여 풍부한 성상 세포 인구에서 RNA와 DNA를 얻기
2. 메틸화에 민감한 고해상도 용융 분석 (MS-르마)를 사용하여 유전자의 DNA 메틸화 상태를 평가
3. 루시퍼 라제 분석의 사용을 통해 하이퍼 메틸화 발기인 활동 평가
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성상 세포의 풍부한 인구는 eGFP는-S100β 형질 전환 동물 (27)의 FACS 정렬을 통해 인수되었다. 때문에 P0-P40 세 세포와 출생 후 하루 50 (P50)보다 오래된 동물에서 분리 된 분자 분자, 동물의 품질을 감소 그러한 실험에 최적이다. 대뇌 피질 조직을 다음 실험에 사용 하였다. 2-6 동물의 피질 함께 모았다. FACS는 UAB 종합 유동 세포 계측법 핵심 시설에서 수행되었다. 정렬은 벡톤 디킨슨 (Becton Dickinson) FacsAria II 시행 하였다. eGFP는 음원은 488 nm의 레이저를 사용하여 얻었다; 보상은 필요 없었다. 게이트 인구는 앞으로 및 측면 산란 (그림 1B)를 기반으로 대상으로 하였다. 생균 인구 티듐 브로마이드 사균 표시기를 사용하여 측정하고 (도 1C)을 게이팅 하였다. 두 개의 다른 개체군은 eGFP는 프로파일 (도 1D)에 기초하여 관찰 하였다. 경험적 ...
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이 프로토콜은 FACS를 통한 풍부한 성상세포 집단의 분리뿐만 아니라 DNA 메틸화와 유전자 발현 사이의 상관 및 원인 연구를 모두 허용하는 다양한 기술을 설명합니다. 단독으로 또는 조합하여 사용되는 이러한 기술은 세포 이질성이 높은 조직으로 작업하거나 특정 유전자 또는 유전자 영역의 DNA 메틸화 상태와 전반적인 DNA 메틸화 변화에 관심이 있는 실험실에 특히 유용합니다. CNS의 후성유전체 연구에서 비교적 독특한 과제 중 하나는 세포 집단의 다양성입니다. 관심 유전자는 CNS에서 시간적 및 공간적으로 고유한 패턴으로 다양한 정도로 발현될 수 있으므로 전체 조직을 사용하면 전사 및 DNA 메틸화 연구 모두에서 데이터를 혼란스럽게 하는 경우가 많습니다.
관심 단백질인 Kir4.1은 성상세포, 희소돌기아교세포 및 뇌실막 세포에서 공간적, 시간적으로 조절됩니다 13,14,40-47. 따라서, FACS를 위한 eGFP-S100β 형질전환 동물( 27
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저자는 공개하지 않았습니다.
이 작업은 R01NS075062-01A1에 의해 지원되었습니다. UAB Comprehensive Flow Cytometry Core 시설(P30 AR048311, P30 A1027767)에서 수행된 FACS 분류. UAB 신경생물학 핵심 시설의 Scott Philips 박사와 UAB CDIB의 Susan Nozell 박사는 루시페라제 분석의 기술적 측면을 지원했습니다.
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| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| Papain 해리 시스템 | Worthington Biochemical Corporation | LK003150 | |
| AllPrep DNA/RNA 미니 키트 | Qiagen | 80204 | |
| 메틸 프라이머 | Applied Biosystems | CpG Islands | |
| EZ DNA 메틸화 키트 | Zymo Research | D5001 | |
| Rat Premixed Calibration Standard | EpiGenDx | 80-8060R-프리믹스 | |
| CpG 메틸라제 (M.Sssl) | Zymo Research | E2010 | |
| QIAquick Gel Extraction | QIagen | 28704 | 겔 추출 및 DNA 정제에 사용 |
| 제한 효소 | New England BioLabs | ||
| NEB 커터 | New England BioLabs | 온라인 | 제한 분해 사이트 확인 |
| 이중 Luciferase 리포터 분석 시스템 | Promega | E1910 | |
| Luc2 벡터, pGL4.10 | Promega | E6651 | |
| 레닐라 벡터, pGL4.74 | Promega | E2241 | |
| TD-20/20 광도계 | 터너 설계 | ||
| Lipofectamine LTX 및 Plus 시약 | Life Technologies | A12621 | |
| 페놀, 포화 pH 6.6/6.9 | Fisher Scientific | BP 17501-100 | |
| Nanodrop 2000/2000c 분광계 | ThermoScientific | ||
| MeltDoctor 마스터 믹스 | Life Technologies | 4415440 | |
| 고해상도 용융(HRM) 소프트웨어 v2.0 | Life Technologies | 4397808 | |
| AB SDS 소프트웨어 v2.3 | Life Technologies | 온라인 | |
| AB 고해상도 용융 시작 가이드 | Life Technologies | 온라인 | |
| AB 7900HT 고속 실시간 시스템 | 생명 기술 |
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