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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Apresentamos um protocolo para ensaio de cromatina acessível à transposase com sequenciamento de alto rendimento (ATAC-seq) especificamente em adipócitos usando classificação nuclear com tecidos adiposos isolados de camundongos repórteres transgênicos com marcação de fluorescência nuclear.
O ensaio para cromatina acessível à transposase com sequenciamento de alto rendimento (ATAC-seq) é uma técnica robusta que permite o perfil de acessibilidade da cromatina em todo o genoma. Esta técnica tem sido útil para a compreensão dos mecanismos regulatórios da expressão gênica em uma variedade de processos biológicos. Embora o ATAC-seq tenha sido modificado para diferentes tipos de amostras, não houve modificações efetivas dos métodos ATAC-seq para o tecido adiposo. Os desafios com o tecido adiposo incluem a complexa heterogeneidade celular, grande conteúdo lipídico e alta contaminação mitocondrial. Para superar esses problemas, desenvolvemos um protocolo que permite ATAC-seq específico de adipócitos empregando a classificação de núcleo ativado por fluorescência com tecidos adiposos do camundongo transgênico Nuclear tagging and Translating Ribosome Affinity Purification (NuTRAP). Este protocolo produz dados de alta qualidade com leituras de sequenciamento desperdiçadas mínimas, reduzindo a quantidade de entrada de núcleo e reagentes. Este artigo fornece instruções detalhadas passo a passo para o método ATAC-seq validado para o uso de núcleos de adipócitos isolados de tecidos adiposos de camundongos. Este protocolo auxiliará na investigação da dinâmica da cromatina em adipócitos após diversos estímulos biológicos, o que permitirá novos insights biológicos.
O tecido adiposo, que é especializado para armazenar o excesso de energia na forma de moléculas lipídicas, é um órgão chave para a regulação metabólica. O controle rigoroso da formação e manutenção dos adipócitos é vital para a função do tecido adiposo e para a homeostase energética de todo o corpo1. Muitos reguladores transcricionais desempenham um papel crítico no controle da diferenciação, plasticidade e função dos adipócitos; Alguns desses reguladores estão implicados em distúrbios metabólicos em humanos 2,3. Avanços recentes em técnicas de sequenciamento de alto rendimento para expressão gênica e análise epigenômica têm facilitado ainda mais a descoberta dos reguladores moleculares da biologia dos adipócitos4. Estudos de perfis moleculares utilizando tecidos adiposos são desafiadores devido à heterogeneidade desses tecidos. O tecido adiposo é constituído principalmente por adipócitos, responsáveis pelo armazenamento de gordura, mas também contém vários outros tipos celulares, como fibroblastos, células endoteliais e células imunes5. Além disso, a composição celular do tecido adiposo é drasticamente alterada em resposta a mudanças fisiopatológicas, como temperaturae estado nutricional6. Para superar esses problemas, desenvolvemos previamente um camundongo repórter transgênico, denominado Nuclear Tagging and Translating Ribosome Affinity Purification (NuTRAP), que produz ribossomos marcados com GFP e núcleos biotinilados marcados com mCherry de maneira dependente de Cre recombinase7. O sistema de marcação dupla permite realizar análises transcriptômicas e epigenômicas específicas do tipo celular com tecidos. Usando camundongos NuTRAP cruzados com linhagens adiponectina-Cre específicas de adipócitos (Adipoq-NuTRAP), caracterizamos previamente perfis de expressão gênica e estados de cromatina de populações de adipócitos puros in vivo e determinamos como eles são alterados durante a obesidade 7,8. Anteriormente, camundongos NuTRAP cruzados com linhagens Ucp1-Cre específicas de adipócitos marrom e bege (Ucp1-NuTRAP) permitiram caracterizar o remodelamento epigenômico da rara população termogênica de adipócitos, adipócitos bege, em resposta a mudanças de temperatura9.
ATAC-seq é um método analítico amplamente utilizado para avaliar a acessibilidade da cromatina em todo o genoma. A transposase hiper-reativa Tn5 utilizada no ATAC-seq permite a identificação de regiões abertas da cromatina por meio da marcação de adaptadores de sequenciamento na região acessível à cromatina dos núcleos10. ATAC-seq é um método simples, mas fornece resultados robustos e é altamente eficiente mesmo com amostras de baixa entrada. Tornou-se, assim, um dos métodos de perfil epigenômico mais populares e tem contribuído para o entendimento dos mecanismos regulatórios da expressão gênica em diversos contextos biológicos. Desde que o protocolo ATAC-seq original foi criado, várias técnicas derivadas do ATAC-seq foram desenvolvidas para modificar e otimizar o protocolo para vários tipos de amostras. Por exemplo, o Fast-ATAC é projetado para analisar amostras de células sanguíneas11, o Omni-ATAC é um protocolo otimizado para amostras de tecido congelado 12 e o MiniATAC-seq é eficaz para análise embrionária em estágio inicial13. Entretanto, a aplicação do método ATAC-seq aos adipócitos, especialmente a partir de amostras de tecido, ainda é um desafio. Além da heterogeneidade do tecido adiposo, seu alto conteúdo lipídico pode interferir em reações eficientes de recombinação pela transposase Tn5 mesmo após o isolamento do núcleo. Além disso, o alto conteúdo mitocondrial em adipócitos, particularmente em adipócitos marrons e bege, causa alta contaminação do DNA mitocondrial e leituras de sequenciamento desperdiçadas. Este trabalho descreve um protocolo para ATAC-seq específico para adipócitos usando camundongos Adipoq-NuTRAP (Figura 1). Aproveitando a classificação de núcleos marcados com fluorescência, este protocolo permite a coleta de populações puras de núcleos de adipócitos longe de outros tipos de células de confusão e a remoção eficiente de lipídios, mitocôndrias e debris teciduais. Assim, este protocolo pode gerar dados de alta qualidade específicos do tipo celular e minimizar o desperdício de leituras mitocondriais enquanto usa uma quantidade reduzida de entrada e reagentes em comparação com o protocolo padrão.
Os cuidados e experimentação com animais foram realizados de acordo com procedimentos aprovados pelo Comitê Institucional de Cuidados e Uso de Animais da Faculdade de Medicina da Universidade de Indiana.
1. Preparações antes do início da experiência
2. Isolamento do núcleo
3. Classificação do núcleo
4. Marcação Tn5 (Tabela 1)
5. Purificação do DNA
NOTA: O procedimento a seguir usa o kit de purificação PCR mencionado na Tabela de Materiais. Quaisquer outros métodos semelhantes de purificação de DNA podem ser usados.
6. Amplificação por PCR (Tabela 2)
OBS: Os primers utilizados neste estudo estão listados na Tabela 3.
7. Teste de PCR quantitativo em tempo real (qPCR) (Tabela 4)
NOTA: Esta etapa visa determinar os ciclos adicionais necessários para amplificar o DNA. É opcional, mas altamente recomendado, especialmente para novos experimentos.
8. Amplificação adicional por PCR
9. Segunda purificação do DNA usando o kit de purificação PCR
10. Seleção do tamanho do fragmento de DNA
NOTA: Use esferas de imobilização reversíveis de fase sólida, conforme descrito abaixo. Quaisquer outras esferas de purificação de DNA semelhantes podem ser usadas de acordo com as instruções do fabricante. A suspensão do cordão SPRI deve ser completamente ressuspensa e equilibrada em RT com rotação antes do uso.
11. Quantificação do DNA usando um fluorômetro
12. Verificação da qualidade da biblioteca por sistemas de eletroforese de alta sensibilidade
13. Verificação de qualidade da biblioteca ATAC-seq usando qPCR direcionado
14. Sequenciamento
Para analisar o tecido adiposo usando este protocolo ATAC-seq, geramos camundongos Adipoq-NuTRAP que foram alimentados com dietas de ração; em seguida, foram isolados núcleos de adipócitos do tecido adiposo branco epididimal (eWAT), tecido adiposo branco inguinal (TABi) e tecido adiposo marrom (BAT) por citometria de fluxo. Os núcleos isolados foram utilizados para marcação, seguida de purificação do DNA, amplificação por PCR, etapas de verificação de qualidade, sequenciamento e análise dos dados, conforme descrito acima. O objetivo deste experimento representativo foi traçar o perfil da acessibilidade da cromatina de populações de adipócitos puros isolados de diferentes depósitos de gordura.
Observamos que os núcleos de adipócitos marcados com mCherry e GFP eram claramente distinguíveis dos núcleos de outros tipos celulares isolados dos tecidos adiposos de um camundongo Adipoq-NuTRAP usando citometria de fluxo (Figura 2A-C). Houve diferenças nas frações dos adipócitos dependendo do tipo de depósito adiposo: ~50% no eWAT, ~30% no iAT e ~65% no BAT (Figura 2D)7. Coletamos 10.000 núcleos em 2-10 min por amostra e os usamos para os procedimentos ATAC-seq. Executamos um total de 10-13 ciclos de PCR (cinco ciclos do primeiro PCR e cinco a oito ciclos do segundo PCR, Figura 3A). Se as amostras necessitarem de mais de 15 ciclos de PCR, isso pode indicar amostras de baixa qualidade (Figura 3B). A análise da distribuição de tamanho das bibliotecas ATAC-seq demonstrou múltiplos picos correspondentes à região livre de nucleossomos (NFR) e mono, di e multinucleossomos (Figura 4A-C), com tamanhos médios de ~500-800 pb. Amostras de baixa qualidade tipicamente mostraram principalmente NFR com nenhum ou poucos picos nucleossômicos (Figura 4D). Os testes de verificação de qualidade pela análise de qRT-PCR mostraram enriquecimento de 10 a 20 vezes com os elementos genômicos positivos próximos a genes marcadores de adipócitos como Adipoq, Fabp4, Plin1 e Pnpla2, enquanto nenhum enriquecimento foi demonstrado com o controle negativo (Figura 5). Também observamos enriquecimento com o gene termogênico Ucp1 especificamente em MTD, mas não em eWAT ou iWAT (Figura 5).
Após o sequenciamento e análise, identificamos ~55.000 picos combinados de três diferentes depósitos adiposos (eWAT, iWAT e BAT). As leituras mitocondriais foram <2%, e a fração sob os picos foi de ~18%-44% (Figura 6A, B). Amostras de baixa qualidade podem ter leituras mitocondriais significativamente mais altas e/ou uma fração menor de leituras nas regiões de pico. A inspeção visual das faixas da biblioteca ATAC-seq revelou múltiplos picos fortes com altas relações sinal-ruído próximos a genes marcadores de adipócitos, como Adipoq, Plin1 e Fabp4, de todos os depósitos adiposos (Figura 7A-C). Também observamos fortes picos de ATAC-seq no locus Ucp1 fabricante de adipócitos marrons na amostra de MTD, mas esses picos não foram observados nas amostras de eWAT ou iWAT (Figura 7D). Todos esses dados indicam sucesso nos dados de ATAC-seq gerados a partir dos núcleos dos adipócitos.

Figura 1: Fluxograma esquemático do ATAC-seq específico para adipócitos utilizando camundongos NuTRAP. As etapas exclusivas desse protocolo são realçadas nas caixas sombreadas em vermelho. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Gating FACS representativo ilustrando o isolamento de núcleos de adipócitos marcados com mCherry/GFP dos tecidos adiposos de um camundongo Adipoq-NuTRAP. (A-C) Análise por citometria de fluxo de núcleos isolados do eWAT, iTAT e BAT de um camundongo Adipoq-NuTRAP. (D) Análise quantitativa dos núcleos de adipócitos e não adipócitos no eWAT, iTAT e MTD de um camundongo Adipoq-NuTRAP. Os dados são a média ± EPM (n = 3). Esses dados de contagem de núcleos são de Roh et al.7. Abreviações: FACS = fluorescence-activated cell sorting; GFP = proteína fluorescente verde; eWAT = tecido adiposo branco epididimal; iWAT = tecido adiposo branco inguinal; MTD = tecido adiposo marrom; NuTRAP = marcação nuclear e purificação de afinidade ribossômica; Adipoq-NuTRAP = camundongo NuTRAP cruzado com adiponectina-linha Cre específica para adipócitos; FSC-A = área do pico de dispersão anterior; FSC-H = altura do pico de dispersão anterior; SSC-A = área do pico de dispersão lateral; FITC-A = área do pico do isotiocianato de fluoresceína. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: Curvas representativas de amplificação do qRT-PCR . (A) Amostra de boa qualidade que necessita de sete ciclos adicionais de amplificação. (B) Amostra de baixa qualidade que necessita de ≥15 ciclos adicionais. Abreviação: qRT-PCR = PCR quantitativo de transcrição reversa. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: Perfis de distribuição de tamanho das bibliotecas ATAC-seq. (A-C) Bibliotecas de boa qualidade e (D) de baixa qualidade são apresentadas como resultados representativos. Abreviaturas: ATAC-seq = ensaio para cromatina acessível à transposase com sequenciamento de alto rendimento; UF = unidades de fluorescência; bp = pares de bases; NFR = região livre de nucleossomos; eWAT = tecido adiposo branco epididimal; iWAT = tecido adiposo branco inguinal; MTD = tecido adiposo marrom. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5: Análise qPCR de controle de qualidade das bibliotecas ATAC-seq. Enriquecimento para promotores e potencializadores próximos aos marcadores gerais de adipócitos Adipoq, Fabp4, Plin1 e Pnpla2 ou ao marcador de adipócitos marrons Ucp1. Abreviaturas: ATAC-seq = ensaio para cromatina acessível à transposase com sequenciamento de alto rendimento; CP = controle negativo; eWAT = tecido adiposo branco epididimal; iWAT = tecido adiposo branco inguinal; MTD = tecido adiposo marrom. Os dados são médios ± EPM (n = 2). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6: Leituras mitocondriais e frações sob os picos das bibliotecas ATAC-seq . (A) As mitocôndrias lêem (%) e (B) frações sob os picos (%) de eWAT, iTAT e BAT. Abreviaturas: ATAC-seq = ensaio para cromatina acessível à transposase com sequenciamento de alto rendimento; eWAT = tecido adiposo branco epididimal; iWAT = tecido adiposo branco inguinal; MTD = tecido adiposo marrom. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 7: Faixas de sinal ATAC-seq nos loci de genes representativos. (A-C) Genes marcadores gerais de adipócitos. (B) Marcador específico para adipócitos marrons. Abreviaturas: ATAC-seq = ensaio para cromatina acessível à transposase com sequenciamento de alto rendimento; eWAT = tecido adiposo branco epididimal; iWAT = tecido adiposo branco inguinal; MTD = tecido adiposo marrom. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Quadro 1: Componentes da mistura mestre Tn5. Clique aqui para baixar esta tabela.
Tabela 2: Componentes da mistura mestre de PCR e condições iniciais de ciclagem de PCR. Clique aqui para baixar esta tabela.
Tabela 3: Lista dos primers com código de barras para amplificação por PCR. Clique aqui para baixar esta tabela.
Quadro 4: Componentes da mistura mestra de qPCR. Clique aqui para baixar esta tabela.
Tabela 5: Condições de ciclagem da qPCR. Clique aqui para baixar esta tabela.
Tabela 6: Condições de ciclagem da segunda PCR para amplificação adicional. Clique aqui para baixar esta tabela.
Tabela 7: Sequências de primers e condições de ciclagem de qPCR direcionadas para a verificação de qualidade da biblioteca ATAC-seq. Clique aqui para baixar esta tabela.
Tabela 8: Análise dos resultados da qPCR para o controle de qualidade. Clique aqui para baixar esta tabela.
Os autores declaram não ter interesses financeiros relevantes ou materiais relacionados à pesquisa descrita neste artigo.
Apresentamos um protocolo para ensaio de cromatina acessível à transposase com sequenciamento de alto rendimento (ATAC-seq) especificamente em adipócitos usando classificação nuclear com tecidos adiposos isolados de camundongos repórteres transgênicos com marcação de fluorescência nuclear.
Este trabalho foi apoiado pelo IUSM Showalter Research Trust Fund (para H.C.R.), um IUSM Center for Diabetes and Metabolic Diseases Pilot and Feasibility grant (para H.C.R.), o National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases (R01DK129289 to H.C.R.), e o American Diabetes Association Junior Faculty Award (7-21-JDF-056 to H.C.R.).
| < camundongo > animais < / forte > | |||
| adiponectina-Cre | O Laboratório Jackson | 28020 | |
| Camundongo NuTRAP | O Laboratório Jackson | 29899 | |
| Reagentes e Materiais | |||
| 1.5 mL Tubos DNA-LoBind | Eppendorf | 86-923 | |
| 100 µ filtro de células m | Falcon | 352-360 | |
| tubos de 15 mL | VWR | 525-1071 | |
| 2x tampão TD | Illumina | 15027866 | |
| placa PCR de 384 poços | Aplicado biossistema | 4483285 | |
| 40 µ filtro de células m | Falcon | 352-340 | |
| tubos de 50 mL | VWR | 525-1077 | |
| Reagente AMPure XP (esferas SPRI) | Kit de DNA de alta sensibilidade do bioanalisadorBeckman Coulter | A63881 | |
| Agilent Technologies | 5067-4626 | ||
| Filme adesivo transparente | Biossistema aplicado | 4306311 | |
| Água destilada livre de DNase/RNase | Moedor de tecidosInvitrogen | 10977015 | |
| Dounce | DWK Life Sciences | 357542 | |
| DTT | Sigma | D9779 | |
| DynaMag-96 com saia lateral | Thermo Fishers | 12027 | |
| tubos FACS | Falcon | 28719128 | |
| HEPES | Boston BioProducts | BBH-75 | |
| Hoechst 33342 | Invitrogen | 2134015 | |
| KCl (2 M) | Boston BioProducts | MT-252 | |
| Rack de separação magnética para PCR 8 tiras de tubos | EpiCypher | 10-0008 | |
| MgCl2 (1 M) | Boston BioProducts | MT-200 | |
| Kit de purificação de PCR MinElute | Qiagen | 28004 | |
| NEBPróximo de alta fidelidade 2x PCR master mix | BioLabs | M0541S | |
| NP40 | Thermo Fishers | 28324 | |
| PCR 8 tubos tira | EUA científico | 1402-4708 | |
| Coquetel de inibidor de protease (100x) | Thermo Fishers | 78439 | |
| Qubit dsDNA HS kit de ensaio | Invitrogen | Q32851 | |
| Sacarose | Sigma | S0389-1KG | |
| SYBR Verde I (10.000x) | Invitrogen | S7563 | |
| TDE I enzima | Illumina | 15027865 | |
| Instrumentos | Citômetro de|||
| fluxo | BD Biosciences | FACSAria Fusion | |
| Fluorômetro Qubit | Invitrogen | Q33226 | |
| Sistema de PCR em Tempo Real | Thermo Fishers | QuantStudio?5 |