RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
ru_RU
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Мы представляем протокол анализа транспозаз-доступного хроматина с высокопроизводительным секвенированием (ATAC-seq), в частности, на адипоцитах с использованием сортировки ядер с жировыми тканями, выделенными от трансгенных репортерных мышей с ядерной флуоресцентной маркировкой.
Анализ на транспозаз-доступный хроматин с высокопроизводительным секвенированием (ATAC-seq) — это надежный метод, который позволяет профилировать доступность хроматина в масштабах всего генома. Этот метод был полезен для понимания регуляторных механизмов экспрессии генов в ряде биологических процессов. Несмотря на то, что ATAC-seq был модифицирован для различных типов образцов, эффективных модификаций методов ATAC-seq для жировых тканей не было. Проблемы с жировыми тканями включают сложную клеточную гетерогенность, большое содержание липидов и высокое загрязнение митохондрий. Чтобы преодолеть эти проблемы, мы разработали протокол, который позволяет адипоцит-специфическому ATAC-seq с использованием флуоресцентно-активированной сортировки ядра жировыми тканями трансгенной репортерной мыши Nuclear tagging and Translating Ribosome Affinity Purification (NuTRAP). Этот протокол позволяет получать высококачественные данные с минимальными потерями при чтении секвенирования при одновременном уменьшении количества входных данных ядра и реагентов. В этой статье приведены подробные пошаговые инструкции по методу ATAC-seq, валидированному для использования ядер адипоцитов, выделенных из жировых тканей мышей. Этот протокол поможет в исследовании динамики хроматина в адипоцитах при различных биологических стимуляциях, что позволит получить новые биологические идеи.
Жировая ткань, которая специализируется на хранении избыточной энергии в виде липидных молекул, является ключевым органом для регуляции обмена веществ. Строгий контроль образования и поддержания адипоцитов жизненно важен для функции жировой ткани и энергетического гомеостаза всего организма1. Многие транскрипционные регуляторы играют решающую роль в контроле дифференцировки, пластичности и функции адипоцитов; Некоторые из этих регуляторов участвуют в метаболических нарушениях у людей 2,3. Последние достижения в области высокопроизводительных методов секвенирования экспрессии генов и эпигеномного анализа еще больше облегчили открытие молекулярных регуляторов биологии адипоцитов4. Исследования молекулярного профилирования с использованием жировых тканей сложно проводить из-за гетерогенности этих тканей. Жировая ткань состоит в основном из адипоцитов, которые отвечают за накопление жира, но также содержит различные другие типы клеток, такие как фибробласты, эндотелиальные клетки и иммунные клетки5. Кроме того, клеточный состав жировой ткани резко изменяется в ответ на патофизиологические изменения, такие как температура и состояние питания6. Чтобы преодолеть эти проблемы, мы ранее разработали трансгенную мышь-репортер, названную Nuclear Tagging and Translating Ribosome Affinity Purification (NuTRAP), которая продуцирует RFP-меченные GFP рибосомы и биотинилированные ядра, меченные mCherry, Cre-рекомбиназ-зависимым образом7. Система двойного мечения позволяет проводить специфический для типа клеток транскриптомный и эпигеномный анализ тканей. Используя мышей NuTRAP, скрещенных с адипоцит-специфическими линиями адипонектина-Cre (Adipoq-NuTRAP), мы ранее охарактеризовали профили экспрессии генов и состояния хроматина из чистых популяций адипоцитов in vivo и определили, как они изменяются при ожирении 7,8. Ранее скрещивание мышей NuTRAP с коричневыми и бежевыми адипоцитарно-специфическими линиями Ucp1-Cre (Ucp1-NuTRAP) позволило охарактеризовать эпигеномное ремоделирование редкой термогенной популяции адипоцитов, бежевых адипоцитов, в ответ на изменения температуры9.
ATAC-seq является широко используемым аналитическим методом для оценки доступности хроматина в масштабах всего генома. Гиперреактивная транспозаза Tn5, используемая в ATAC-seq, позволяет идентифицировать открытые области хроматина путем маркировки адаптеров секвенирования в доступной для хроматина области ядер10. ATAC-seq — это простой метод, но он обеспечивает надежные результаты и высокую эффективность даже при использовании образцов с низким вводом. Таким образом, он стал одним из самых популярных методов эпигеномного профилирования и способствовал пониманию регуляторных механизмов экспрессии генов в различных биологических контекстах. С тех пор, как был создан оригинальный протокол ATAC-seq, были доработаны различные методы, производные от ATAC-seq, для модификации и оптимизации протокола для различных типов образцов. Например, Fast-ATAC предназначен для анализа образцовклеток крови 11, Omni-ATAC является оптимизированным протоколом для замороженных образцовтканей 12, а MiniATAC-seq эффективен для анализа эмбрионов на ранних стадиях13. Тем не менее, применение метода ATAC-seq к адипоцитам, особенно из образцов тканей, по-прежнему является сложной задачей. В дополнение к гетерогенности жировой ткани, ее высокое содержание липидов может мешать эффективным рекомбинационным реакциям транспозазы Tn5 даже после выделения ядра. Кроме того, высокое содержание митохондрий в адипоцитах, особенно в коричневых и бежевых адипоцитах, вызывает высокое загрязнение митохондриальной ДНК и нерациональное чтение секвенирования. В этой статье описывается протокол для специфического для адипоцитов ATAC-seq с использованием мышей Adipoq-NuTRAP (рис. 1). Используя преимущества сортировки ядер, меченных флуоресценцией, этот протокол позволяет собирать чистые популяции ядер адипоцитов вдали от других смешанных типов клеток и эффективно удалять липиды, митохондрии и тканевый мусор. Следовательно, этот протокол может генерировать высококачественные данные для конкретных типов клеток и минимизировать отходы от митохондриальных считываний, используя при этом меньшее количество входных данных и реагентов по сравнению со стандартным протоколом.
Уход за животными и эксперименты проводились в соответствии с процедурами, утвержденными Институциональным комитетом по уходу за животными и их использованию Медицинской школы Университета Индианы.
1. Подготовка к началу эксперимента
2. Изоляция ядра
3. Сортировка ядра
4. Тагментация Tn5 (таблица 1)
5. Очистка ДНК
ПРИМЕЧАНИЕ: В следующей процедуре используется набор для очистки ПЦР, указанный в таблице материалов. Можно использовать любые другие подобные методы очистки ДНК.
6. ПЦР-амплификация (табл. 2)
ПРИМЕЧАНИЕ: Праймеры, использованные в этом исследовании, перечислены в таблице 3.
7. Количественный ПЦР-тест в реальном времени (кПЦР) (таблица 4)
ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг направлен на определение дополнительных циклов, необходимых для амплификации ДНК. Это необязательно, но настоятельно рекомендуется, особенно для новых экспериментов.
8. Дополнительная ПЦР-амплификация
9. Вторая очистка ДНК с использованием набора для очистки ПЦР
10. Выбор размера фрагмента ДНК
ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте твердофазные обратимые иммобилизующие шарики, как описано ниже. Любые другие подобные шарики для очистки ДНК можно использовать в соответствии с инструкциями производителя. Перед использованием суспензия шарика SPRI должна быть полностью ресуспендирована и уравновешена при RT с вращением.
11. Количественное определение ДНК с помощью флуорометра
12. Проверка качества библиотеки высокочувствительными системами электрофореза
13. Проверка качества библиотеки ATAC-seq с помощью таргетной кПЦР
14. Последовательность действий
Для анализа жировой ткани с использованием этого протокола ATAC-seq мы создали мышей Adipoq-NuTRAP, которых кормили диетами чау-чау; Затем мы выделили ядра адипоцитов из белой жировой ткани придатка яичка (eWAT), паховой белой жировой ткани (iWAT) и коричневой жировой ткани (BAT) с помощью проточной цитометрии. Выделенные ядра использовали для тагментации с последующей очисткой ДНК, амплификацией ПЦР, этапами проверки качества, секвенированием и анализом данных, как описано выше. Цель этого репрезентативного эксперимента состояла в том, чтобы профилировать доступность хроматина чистых популяций адипоцитов, выделенных из разных жировых депо.
Мы наблюдали, что ядра адипоцитов, меченные mCherry и GFP, были четко отличимы от ядер других типов клеток, выделенных из жировых тканей мыши Adipoq-NuTRAP с помощью проточной цитометрии (рис. 2A-C). Выявлены различия во фракциях адипоцитов в зависимости от типа жирового депо: ~50% в eWAT, ~30% в iWAT и ~65% в BAT (рис. 2D)7. Мы собрали 10 000 ядер в течение 2-10 минут на образец и использовали их для процедур ATAC-seq. Мы провели в общей сложности 10-13 циклов ПЦР (пять циклов первой ПЦР и пять-восемь циклов второй ПЦР, рис. 3А). Если для образцов требуется более 15 циклов ПЦР, это может указывать на низкое качество образцов (рис. 3B). Анализ распределения по размерам библиотек ATAC-seq показал множественные пики, соответствующие безнуклеосомной области (NFR) и моно-, ди- и многонуклеосомам (рис. 4A-C) со средними размерами ~ 500-800.н. Образцы низкого качества обычно показывали в основном NFR без нуклеосомных пиков или с небольшим количеством (рис. 4D). Тесты проверки качества с помощью анализа qRT-PCR показали 10-20-кратное обогащение положительными геномными элементами вблизи генов-маркеров адипоцитов, таких как Adipoq, Fabp4, Plin1 и Pnpla2, в то время как при отрицательном контроле обогащение не было показано (рис. 5). Мы также наблюдали обогащение термогенным геном Ucp1, специфично для BAT, но не для eWAT или iWAT (рис. 5).
После секвенирования и анализа мы идентифицировали ~ 55 000 пиков в сочетании с тремя различными жировыми депо (eWAT, iWAT и BAT). Показания митохондрий составляли <2%, а доля под пиками составляла ~ 18% -44% (рис. 6A, B). Образцы низкого качества могут иметь значительно более высокие показания митохондрий и/или меньшую долю считываний в пиковых областях. Визуальный осмотр треков библиотеки ATAC-seq выявил несколько сильных пиков с высоким отношением сигнал/шум вблизи генов-маркеров адипоцитов, таких как Adipoq, Plin1 и Fabp4, из всех жировых депо (рис. 7A-C). Мы также наблюдали сильные пики ATAC-seq в локусе Ucp1 производителя коричневых адипоцитов в образце BAT, но эти пики не наблюдались в образцах eWAT или iWAT (рис. 7D). Все эти данные указывают на успешные данные ATAC-seq, полученные из ядер адипоцитов.

Рисунок 1: Схематическая блок-схема специфического для адипоцитов ATAC-seq с использованием мышей NuTRAP. Шаги, уникальные для этого протокола, выделены красными затененными полями. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 2: Репрезентативное стробирование FACS, иллюстрирующее выделение ядер адипоцитов, меченных mCherry/GFP, из жировых тканей мыши Adipoq-NuTRAP. (А-С) Проточный цитометрический анализ изолированных ядер из eWAT, iWAT и BAT мыши Adipoq-NuTRAP. (D) Количественный анализ ядер адипоцитов и неадипоцитов в eWAT, iWAT и BAT мыши Adipoq-NuTRAP. Данные являются средними ± SEM (n = 3). Эти данные о количестве ядер взяты из Roh et al.7. Сокращения: FACS = сортировка клеток, активируемая флуоресценцией; GFP = зеленый флуоресцентный белок; eWAT = белая жировая ткань придатка яичка; iWAT = паховая белая жировая ткань; BAT = бурая жировая ткань; NuTRAP = ядерная маркировка и трансляция очистки аффинности рибосом; Adipoq-NuTRAP = мышь NuTRAP, скрещенная со специфической для адипоцитов линией адипонектин-Cre; FSC-A = площадь пика прямого рассеяния; FSC-H = высота пика прямого рассеяния; SSC-A = площадь пика бокового рассеяния; FITC-A = площадь пика изотиоцианата флуоресцеина. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 3: Репрезентативные кривые амплификации по данным qRT-PCR . (A) Образец хорошего качества, требующий семи дополнительных циклов амплификации. (B) Образец низкого качества, требующий ≥15 дополнительных циклов. Аббревиатура: qRT-PCR = количественная ПЦР с обратной транскрипцией. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 4: Профили распределения по размерам библиотек ATAC-seq. (A-C) Хорошие и (D) некачественные библиотеки показаны в качестве репрезентативных результатов. Сокращения: ATAC-seq = анализ транспозаза-доступного хроматина с высокопроизводительным секвенированием; FU = единицы флуоресценции; bp = пары оснований; NFR = область, свободная от нуклеосом; eWAT = белая жировая ткань придатка яичка; iWAT = паховая белая жировая ткань; BAT = бурая жировая ткань. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 5: Контроль качества qPCR-анализ библиотек ATAC-seq. Обогащение промоторами и энхансерами рядом с общими маркерами адипоцитов Adipoq, Fabp4, Plin1 и Pnpla2 или коричневым маркером адипоцитов Ucp1. Сокращения: ATAC-seq = анализ транспозаза-доступного хроматина с высокопроизводительным секвенированием; NC = отрицательный контроль; eWAT = белая жировая ткань придатка яичка; iWAT = паховая белая жировая ткань; BAT = бурая жировая ткань. Данные являются средними ± SEM (n = 2). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 6: Митохондрии считывают и дроби под пиками библиотек ATAC-seq. (A) Митохондрии считывают (%) и (B) фракции под пиками (%) из eWAT, iWAT и BAT. Сокращения: ATAC-seq = анализ транспозаза-доступного хроматина с высокопроизводительным секвенированием; eWAT = белая жировая ткань придатка яичка; iWAT = паховая белая жировая ткань; BAT = бурая жировая ткань. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 7: Сигнальные треки ATAC-seq в локусах репрезентативных генов. (А-С) Общие гены-маркеры адипоцитов. (B) Коричневый маркер, специфичный для адипоцитов. Сокращения: ATAC-seq = анализ транспозаза-доступного хроматина с высокопроизводительным секвенированием; eWAT = белая жировая ткань придатка яичка; iWAT = паховая белая жировая ткань; BAT = бурая жировая ткань. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Таблица 1: Компоненты основной смеси Tn5. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.
Таблица 2: Компоненты мастер-смеси ПЦР и исходные условия цикла ПЦР. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.
Таблица 3: Список праймеров со штрих-кодом для ПЦР-амплификации. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.
Таблица 4: Компоненты мастер-смеси для кПЦР. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.
Таблица 5: Условия цикла кПЦР. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.
Таблица 6: Условия второго цикла ПЦР для дополнительной амплификации. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.
Таблица 7: Последовательности праймеров и целевые циклические условия кПЦР для проверки качества библиотеки ATAC-seq. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.
Таблица 8: Анализ результатов кПЦР для проверки качества. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.
Авторы заявляют, что у них нет соответствующих или существенных финансовых интересов, связанных с исследованием, описанным в этой статье.
Мы представляем протокол анализа транспозаз-доступного хроматина с высокопроизводительным секвенированием (ATAC-seq), в частности, на адипоцитах с использованием сортировки ядер с жировыми тканями, выделенными от трансгенных репортерных мышей с ядерной флуоресцентной маркировкой.
Эта работа была поддержана Исследовательским целевым фондом IUSM Showalter (H.C.R.), пилотным и технико-экономическим грантом Центра диабета и метаболических заболеваний IUSM (H.C.R.), Национальным институтом диабета, болезней органов пищеварения и почек (R01DK129289 для H.C.R.) и премией младших преподавателей Американской диабетической ассоциации (7-21-JDF-056 для H.C.R.).
| Animals | |||
| Adiponectin-Cre мышь | Лаборатория Джексона | 28020 | |
| Мышь NuTRAP | Лаборатория Джексона | 29899 | |
| Реагенты и реагенты и Материалыпрочные> | |||
| 1,5 мл DNA-LoBind пробирки | Eppendorf | 86-923 | |
| 100 µ m клеточный фильтр | Falcon | 352-360 | |
| 15 мл пробирки | VWR | 525-1071 | |
| 2x TD буфер | Illumina | 15027866 | |
| 384-луночный ПЦР-планшет | Прикладная биосистема | 4483285 | |
| 40 & микро; m клеточное сетчатое фильтр | Falcon | 352-340 | |
| 50 мл пробирки | VWR | 525-1077 | |
| AMPure XP реагент (шарики SPRI) | Beckman Coulter | A63881 | |
| Биоанализатор Высокочувствительный набор ДНК | Agilent Technologies | 5067-4626 | |
| Прозрачная клейкая пленка | Применяемая биосистема | 4306311 | |
| дистиллированной воды без ДНКазы/РНКазы | Invitrogen | 10977015 | |
| Dounce измельчитель тканей | DWK Life Sciences | 357542 | |
| DTT Sigma | D9779 | ||
| DynaMag-96 боковой магнит | Thermo Fishers | 12027 | |
| FACS tubes | Falcon | 28719128 | |
| HEPES | Boston BioProducts | BBH-75 | |
| Hoechst 33342 | Invitrogen | 2134015 | |
| KCl (2 M) | Boston BioProducts | MT-252 | |
| Магнитный разделительный штатив для ПЦР 8-пробирочных стрип | EpiCypher | 10-0008 | |
| MgCl2 (1 M) | Boston BioProducts | MT-200 | |
| Набор для очистки ПЦР MinElute | Qiagen | 28004 | |
| NEBNext High-Fidelity 2x PCR master mix | BioLabs | M0541S | |
| NP40 | Thermo Fishers | 28324 | |
| PCR 8-tube strip | США scientific | 1402-4708 | |
| Коктейль ингибиторов протеазы (100x) | Thermo Fishers | 78439 | |
| Набор для анализа Qubit dsDNA HS | Invitrogen | Q32851 | |
| Сахароза | Sigma | S0389-1KG | |
| SYBR Green I (10,000x) | Invitrogen | S7563 | |
| TDE I фермент | Illumina | 15027865 | |
| Instruments | |||
| Flow Cytometer | BD Biosciences | FACSAria Fusion | |
| Кубит флуориметр | Invitrogen | Q33226 | |
| Система для ПЦР в реальном времени | Thermo Fishers | QuantStudio?5 |