O presente protocolo resume um método universal para isolar, purificar e processar a montante de adipócitos brancos murinos otimizados para sequenciamento de RNA total a jusante, extração de núcleos por SONication (NEXSON) e ChIP-seq.
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O presente protocolo resume um método universal para isolar, purificar e processar a montante de adipócitos brancos murinos otimizados para sequenciamento de RNA total a jusante, extração de núcleos por SONication (NEXSON) e ChIP-seq.
A obesidade é uma doença complexa influenciada pela genética, epigenética, meio ambiente e suas interações. Os adipócitos maduros representam o principal tipo de célula no tecido adiposo branco. Compreender como os adipócitos funcionam e respondem a sinais (epi)genéticos e ambientais é essencial para identificar a(s) causa(s) da obesidade. O RNA e a cromatina foram previamente isolados de adipócitos usando digestão enzimática. Além disso, protocolos foram desenvolvidos para isolamento nuclear, onde a purificação é obtida por classificação de células ativadas por fluorescência (FACS) de repórteres transgênicos específicos para adipócitos. Um dos maiores desafios para alcançar alto rendimento e qualidade durante esses protocolos é a quantidade substancial de lipídios contidos no tecido adiposo. O presente protocolo descreve um procedimento otimizado para isolar adipócitos maduros que aproveita o heptano para separar lipídios dos alvos de interesse (RNA/cromatina). O RNA resultante tem alta integridade e gera resultados de RNA-seq de alta qualidade. Da mesma forma, o procedimento melhora a taxa de rendimento de núcleos e gera resultados reprodutíveis de ChIP-seq entre as amostras. Portanto, o estudo atual fornece um protocolo de isolamento de adipócitos murinos confiável e universal, adequado para estudos de transcriptoma e epigenoma do genoma inteiro.
A obesidade é tipicamente entendida como uma doença de acúmulo excessivo de gordura que contribui para um risco aumentado de diabetes tipo 2, doença cardiometabólica e várias formas de câncer 1,2,3. Embora a compreensão atual da obesidade esteja fortemente enraizada na genética (de estudos em humanos e roedores), cerca de 30% a 70% da predisposição a doenças metabólicas é de origem não genética 4,5,6,7,8 e permanece mal definida.
O tecido adiposo desempenha um papel crítico na obesidade e outras doenças metabólicas 9,10. O tecido adiposo compreende adipócitos maduros e a fração vascular estromal, incluindo pré-adipócitos, células endoteliais e células imunes. Ainda não está claro como cada tipo de célula contribui para a obesidade e como a desregulação dos adipócitos contribui para a obesidade. Protocolos de isolamento e purificação reprodutíveis e eficazes para estudos de epigenoma de adipócitos maduros são de interesse para o campo.
Os adipócitos maduros foram isolados há muito tempo para análises de expressão gênica11 e estudos de epigenoma12,13. Existem duas estratégias principais para isolar os adipócitos. A primeira é usar a digestão enzimática para separar os adipócitos maduros do resto dos tipos celulares na fração vascular estromal11,14. A segunda é dounce o tecido adiposo para liberar núcleos intactos e, em seguida, recuperar os núcleos com base em um repórter fluorescente por classificação celular ativada por fluorescência (FACS)12,13, o que requer modelos repórter transgênicos especializados. O desafio técnico em cada caso é que os adipócitos maduros contêm altas concentrações de lipídios (Figura 1), o que reduz a qualidade e/ou o rendimento do RNA total15,16 e núcleos17. Aqui, um procedimento de digestão enzimática otimizado é descrito para isolar adipócitos maduros, no qual a vantagem do heptano é dissolver e remover lipídios de forma rápida e eficiente18 antes da extração do RNA ou das etapas de isolamento dos núcleos por Extração de Núcleos por SONication (NEXSON) 19 . O protocolo garante excelente recuperação e qualidade do RNA total para estudos de todo o genoma e melhora significativamente o rendimento de núcleos intactos para ChIP-seq reprodutível.
Todos os experimentos em animais foram aprovados pelo Comitê Institucional de Cuidados e Uso de Animais (IACUC), número do protocolo: 18-10-028. Camundongos C57BL/6J machos com 12 semanas de idade foram eutanasiados com CO2 e dissecados para coletar as bolsas de gordura do tecido adiposo branco epididimal (eWAT).
1. Isolamento de adipócitos
2. Extração total de RNA
NOTA: Execute esta etapa em uma capa química.
3. Fixação de adipócitos para ChIP-seq
NOTA: Execute a etapa 3. em um capuz químico.
4. Extração de núcleos e cisalhamento da cromatina
NOTA: Este procedimento é adaptado de Arrigoni et al.19.
Os adipócitos foram isolados de seis bolsas de gordura, a extração de RNA à base de heptano foi realizada (etapa 2.) e o RNA resultante foi analisado no instrumento de eletroforese automatizada. O número de integridade do RNA calculado (RIN) para todas as amostras foi >8 (Figura 3A), indicando uma preparação de RNA de alta qualidade e reprodutível. O kit de preparação de RNA total foi então usado para preparar bibliotecas de RNA, e cada amostra foi sequenciada no sequenciador de próxima geração para atingir uma profundidade de leitura de ≥40 milhões de leituras. O escore Phred para todas as amostras (Figura 3B) e por sequência (Figura 3C) foi de ≥30, indicativo de sequências de DNA de alta qualidade20. Assim, a remoção de heptano suporta o isolamento de RNA de alto rendimento e alta qualidade adequado para sequenciamento de RNA.
Na etapa de fixação do formaldeído, também foram realizadas três preparações de isolamento nuclear contendo heptano e uma preparação controle sem heptano. A cromatina cisalhada foi então analisada no instrumento de eletroforese automatizado. Em ambos os casos, a cromatina foi cortada para uma faixa de tamanho de 100-800 pb (Figura 4A), ideal para procedimentos ChIP-seq a jusante19. É importante ressaltar que ~ 5 vezes mais cromatina foi obtida das amostras tratadas com heptano (11,5 ng / μL, 9,42 ng / μL e 9,6 ng / μL) em relação às amostras não tratadas (2,2 ng / μL). H3K4me3 e H3K27me3 ChIP-seq foram realizados seguindo Arrigoni et al.19. Conforme mostrado na Figura 4B, os traços de sinal de três amostras independentes tratadas com heptano foram comparáveis ao rastreamento da amostra não tratada com heptano para ambas as marcas de histonas. O tratamento com heptano não interfere na qualidade do ChIP-seq, mas melhora significativamente o rendimento dos núcleos (e da cromatina cisalhada).

Figura 1: Adipócitos isolados. Os adipócitos isolados foram corados com DAPI (azul) para corar o núcleo e BODIPY (verde) para os lipídios. As gotículas lipídicas citosólicas compreendem até 95% do volume dos adipócitos e representam um desafio técnico para alcançar altos rendimentos durante as extrações de RNA e cromatina. Barra de escala = 100 μm. Clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

Figura 2: Fluxo esquemático do isolamento de adipócitos para análise de transcriptoma e epigenoma. Todo o fluxo de trabalho é representado, desde o isolamento dos adipócitos até a aplicação do transcriptoma ou epigenoma. As principais etapas e os resultados representativos são mostrados. (A) Os adipócitos isolados flutuam na camada superior, separando-se da fração vascular estromal como um pellet no fundo do tubo. (B) O uso de heptano para remover lipídios antes da extração de RNA com reagente de isolamento de RNA. (C) O uso de heptano para remover lipídios durante a fixação de adipócitos. (D) A imagem representativa dos núcleos de adipócitos isolados deve estar intacta e redonda. Barra de escala = 20 μm. O esquema foi criado com BioRender.com. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: Eletroferograma representativo dos escores de integridade e qualidade do RNA após RNA-seq. (A) As amostras 1-6 representam seis réplicas de adipócitos tratados com heptano, e sua análise de integridade do RNA foi executada no instrumento de eletroforese automatizado. O número de integridade do RNA (RIN) foi baseado nas razões de RNA ribossômico 18S e 28S e representa a qualidade do RNA. Escala de 1 (muito degradada) a 10 (a menos degradada). (B, C) O escore de qualidade de leitura do sequenciamento foi determinado pela análise multiQC (B) para o escore de qualidade médio nas bases (C) e para o escore de qualidade por sequência. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: Eletroferograma representativo da cromatina cisalhada e picos de enriquecimento de ChIP-seq. (A) Perfis representativos do instrumento de eletroforese automatizado mostrando as distribuições de tamanho da cromatina do controle (amostra 1, canto superior esquerdo) e as preparações de cromatina de adipócitos tratadas com heptano (amostras 2, 5 e 8, canto superior direito e dois inferiores). As concentrações de cromatina nas preparações finais são indicadas no canto superior esquerdo de cada imagem. (B) Captura de tela do navegador do genoma feita usando o Integrative Genomics Viewer (IGV). A parte superior do gráfico mostra perfis de H3K4me3 ChIP-seq para três amostras tratadas com heptano (vermelho) e um controle (azul). O painel inferior mostra o mesmo para o ChIP-seq de H3K27me3. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
| Buffer | Composição |
| Tampão de digestão (para 3000 mg ou menos de almofada de gordura / 20 mL) | 20 mL de meio de águia modificado de Dulbecco (DMEM) |
| 0,3 g de BSA livre de ácidos graxos | |
| 0,1 g de colagenase tipo 2 | |
| Tampão de laboratório Farnham | TUBOS DE 5 mM (pH 8) |
| 85 mM KCl | |
| 0,5% IGEPAL | |
| Amortecedor de cisalhamento | 10 mM Tris-HCl pH 8 |
| 0,1% SDS | |
| 1 mM EDTA |
Tabela 1: Composição dos diferentes tampões utilizados no presente estudo.
O protocolo de isolamento de adipócitos aqui apresentado é baseado em métodos de digestão enzimática bem aceitos11,14 para separar os adipócitos maduros (flutuantes) da fração vascular estromal remanescente do tecido adiposo branco. Ele fornece uma abordagem direta e universal para purificar adipócitos maduros em qualquer modelo de camundongo. Conforme demonstrado acima, o protocolo é adequado para uso downstream para análises de transcriptoma completo e ChIP-seq. Ele fornece rendimento suficiente para gerar vários perfis epigenômicos (por exemplo, várias modificações de histonas mais RNA-seq) a partir da mesma almofada de gordura individual.
Para garantir os altos rendimentos que permitem a preparação de tais dados epigenoma correspondentes, uma etapa crítica é usar heptano para dissolver lipídios de adipócitos intactos e de adipócitos que lisam durante o processo. Em nossa experiência, essa etapa aumenta substancialmente a reprodutibilidade e o rendimento, evitando que o RNA e os núcleos sejam perdidos para a camada lipídica. A rotação contínua dos tubos contendo adipócitos submetidos à fixação é igualmente importante, pois aumenta a homogeneidade com que os lipídios são removidos dos adipócitos. Em vez do tampão fixador de formaldeído a 1% relatado em grande parte da literatura ChIP-seq21,22, verificou-se que a redução da concentração para 0,7% de formaldeído é necessária para evitar a fixação excessiva. O tempo de cisalhamento da cromatina também foi otimizado para 12 min para atingir uma faixa de tamanho ideal de cromatina (100-800 pb) para ChIP-seq.
O protocolo foi otimizado para estudos de transcriptoma e epigenoma em massa. O protocolo atual ainda tem suas próprias limitações para aplicações de transcriptoma de célula única e epigenoma. Considerando a heterogeneidade celular relatada no campo da adiposidade23,24, esse método de isolamento pode ser desenvolvido para ser adaptado para ensaios de célula única. Em tais contextos, marcadores restritos a adipócitos, como boro-dipirrometeno (BODIPY)25 e perilipina-1 (PLIN1)26, ASC-127 ou marcadores de núcleos específicos de adipócitos, podem ser valiosos para permitir a quantificação de parâmetros celulares adicionais, funcionais e relevantes28. Além da aplicação a estudos genômicos, esse protocolo também pode melhorar os estudos proteômicos de adipócitos, que têm um obstáculo extra devido ao alto teor de lipídios nos adipócitos29.
Este protocolo também pode ser usado para extrair com sucesso núcleos de adipócitos humanos (dados não mostrados), estendendo sua aplicação à pesquisa sobre obesidade humana.
Os autores não têm nada a divulgar.
Estamos em dívida com a imagem óptica, sequenciamento, núcleo de bioinformática e pessoal do MPI-IE. Este trabalho foi apoiado por financiamento do MPG, do Instituto de Pesquisa Van Andel, da pesquisa Horizon 2020 da União Europeia, do NIH (R01HG012444 e R21HG011964), do acordo de subvenção Marie Skłodowska-Curie nº 675610 e do Ministério Federal de Educação e Pesquisa sob o número do projeto 01KU1216 (Deutsches Epigenom Programm, DEEP).
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| Solução de formaldeído a 16% (p / v). ThermoFisher sem metanol | SCIENTIFIC | 28908 | |
| 1-bromo-3-cloropropano | SIGMA | B9673 | |
| 5 M NaCl | invitrogen | AM9759 | |
| Instrumento de eletroforese automatizado (2100 Bioanalyzer Instrument) | Agilent Technologies | G2939BA | |
| BODIPY | ThermoFisher SCIENTIFIC | D3922 | |
| Colagenase Tipo 2 | Worthington Biochemical Corp. | 43D14184B | |
| Coquetel de inibidores de protease (PIC) completo, livre de EDTA | Roche | 4693159001 | sem EDTA DAPI |
| ThermoFisher SCIENTIFIC | D1306 | ||
| DMEM (+ GlutaMAX) | life technologies | 61965-026 | |
| kit de purificação de DNA (kit de purificação de PCR) | Qiagen | 28104 | |
| (Fluorômetro Qubit 4) | Fisher SCIENTIFIC | Q33238 | |
| (ensaio de alta sensibilidade de DNA) | Agilent Technologies | 5067-4626 | |
| EDTA | Fisher chimical | E478-500 | |
| EGTA | Fisher chimical | O2783-100 | |
| EtOH | PHARMCO | 111000200 | |
| Livre de ácidos graxos BSA | SERVA | 11932.01 | Albumina bovina fração V, glicina liofilizada sem ácidos graxos |
| SIGMA | G7126-100G | ||
| Heptano | SIGMA | H2198-1L | |
| Análise de RNA de alta sensibilidade | Agilent Technologies | 5067-1513 | |
| Igepal | SIGMA | 18896-50ML | |
| KCl | SIGMA | P3911-25G | |
| Filtro de matriz (420um) | Tisch Scientific | ME17238 | |
| Sequenciador de Próxima Geração (HiSeq 3000 Sequencer) | Illumina | ||
| Água sem nuclease | Invitrogen | 4387936 | |
| PIPES | ACROS organics | 5625-37-6 | |
| Proteinase K | ThermoFisher SCIENTIFIC | EO0491 | |
| Reagente de isolamento de RNA (Trizol) | ThermoFisher SCIENTIFIC | 15596026 | |
| RNase A, livre de DNase | ThermoFisher SCIENTIFIC | EN0531 | |
| Rotator (Thermo Scientific Tube Revolver Rotator) | ThermoFisher SCIENTIFIC | 88881001 | |
| SDS, Dodecil sulfato de sódio | SIGMA | 8170341000 | |
| Tubo de sonicação (1 mL milliTUBE com fibra AFA) | Covaris | 520135 | |
| Sonicator (Evolution Focused-ultra-sonicator (S220 ou E220)) | Covaris | 500217 ou 500239 | |
| Kit de Preparação Total de RNA ( Kit de Preparação Total de RNA Encalhado Illumina) | Illumina | 20040525 | |
| Tris-HCl | Biorreagentes | Fisher BP153-500 |
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