Summary
Recentemente scoperto forme ossidate di 5-metilcitosina (oxi-mCs), 5-idrossimetilcitosina (5hmC), 5-formylcytosine (5fC) e 5-carboxylcytosine (5caC) può rappresentare distinte modificazioni del DNA con ruoli funzionali unici. Qui è descritto un flusso di lavoro semi-quantitativa per visualizzazione della distribuzione spaziale di oxi-mCs', profilatura di intensità di segnale e colocalizzazione.
Abstract
Per diversi decenni, la 5-metilcitosina (5mC) è stato pensato per essere l'unica modifica di DNA con un significato funzionale nei metazoi. La scoperta di ossidazione enzimatica di 5mC 5-idrossimetilcitosina (5hmC), 5-formylcytosine (5fC) e 5-carboxylcytosine (5caC), come pure la rilevazione di N6-methyladenine (6mA) nel DNA degli organismi multicellulari ha fornito ulteriori gradi di complessità della ricerca epigenetica. Secondo un crescente corpo di evidenze sperimentali, queste modificazioni del DNA romanzo possono svolgere ruoli specifici in diversi processi cellulari e dello sviluppo. D'importanza, come alcuni di questi marchi (e. g. 5hmC, 5fC e 5caC) esposizione del tessuto - e inerente allo sviluppo stadio-specifico avvenimento nei vertebrati, immunochimica rappresenta un importante strumento che permette la valutazione della distribuzione spaziale delle modificazioni del DNA in diversi contesti biologici. Qui sono descritti i metodi per l'analisi computazionale di modificazioni del DNA visualizzati immunostaining seguita da microscopia confocal. In particolare, la generazione della dimensione 2,5 (2,5 D) trame di intensità del segnale, segnale intensità profili, quantificazione dell'intensità in più celle e determinazione dei coefficienti di colocalizzazione di segnale di colorazione sono mostrati. Collettivamente, queste tecniche possono essere operative nel valutare i livelli e la localizzazione di queste modificazioni del DNA nel nucleo, contribuire a delucidare i loro ruoli biologici nei metazoi.
Introduction
Metilazione del DNA, un meccanismo ben documentato connesso con regolazione trascrizionale comporta la modifica dei residui della citosina in un 5'-citosina-fosfato-guanina-3' contesto dinucleotide (CpG) tramite l'aggiunta di un gruppo metilico (-CH3) per la 5 - atomo di carbonio dell'anello pirimidinico citosina per formare la 5-metilcitosina (5mC)1. Nei mammiferi, circa il 70% di CpGs sono metilati che costituisce solo l'1% del loro genoma come loro sono esauriti di questa sequenza palindromica a causa di 5mC mutagene propensione a spontaneamente ossidativamente a timina2. Presenza di gruppi metilici su sequenze del promotore di geni mostrano forte correlazione con la repressione trascrizionale in vertebrati3,4,5. Aggiunta di questi gruppi metilici è catalizzata da enzimi di metiltransferasi (DNMT) DNMT3a DNA altamente conservata, 3b e 3 L e DNMT1 che modificano rispettivamente CpG cytosines in contesti di metilazione de novo e manutenzione6. Espressione di DNMT3a/B è elevato durante lo sviluppo in cellule staminali embrionali ed epiblasto; Tuttavia sua diminuita espressione viene osservato a seguito di pluripotent cella lignaggio impegno a destini somatici durante la differenziazione8. Pur condividendo la ridondanza funzionale, DNMT3a e 3b visualizzare i modelli di espressione tessuto-specifica, con 3a rilevato uniformemente in embrioni di topo ma 3b prevalentemente localizzato a neuroectoderma ed ectoderma corionica tessuti8.
Firme di metilazione possono essere ereditate durante la mitosi e meiosi10. Metilazione di manutenzione coinvolge DNMT1 facilitato modifica dei residui di citosina CpG esistenti in hemi-metilato palindromi su double-stranded DNA11. DNMT1 lega DNA replica forcelle11 e metilazione genomica di conseguenza, i livelli di picco durante la fase S del ciclo cellulare12. DNMT1 metila non modificato cytosines favorendo così distinguere filamenti di DNA di nuova sintesi, inattivazione del cromosoma x e mantenimento di repressione trascrizionale profili13. Attraverso il riconoscimento di sequenze di DNA CpG hemi-metilato, DNMT1 mantiene modelli stabiliti di metilazione delimitate dalla repressione di de novo per esempio metilazione sparpagliato lungo nucleare elemento 1 (LINE1) retrotrasposone promotori per inibire la sua propagazione potenzialmente cancerogene14. Anche se in possesso di affinità di legame preferenziale del DNA metilato hemi, DNMT1 può metilare unmethylated CpG sequenze di isola (CGI) in cellule mutanti DNMT3a/b - / - , che soddisfano un ruolo di metilazione di emergenza de novo 15 . Così a causa della natura semi-conservatore di DNA replica16, metilazione di manutenzione può ricapitolare fedelmente e firme di metilazione da padre a figlia cella17.
Tuttavia, per gene espressione per essere modulato in modo dinamico, repressivo metilazione modifica dovrà essere cancellati, che può essere raggiunto da demetilazione passiva e attiva meccanismi18. Le proteine di Translocase (TET) dieci-undici appartenente ad una famiglia conservata di diossigenasi proteine sono in grado di ossidazione iterativo di gruppi metilici su CpG residui19. Queste proteine di Tet, omologhe proteine leganti la J-Base (JBP) scoperto nel Tripanosoma bruceii, riconoscere e legarsi DNA modificato basi per esempio 5mC e ossigenare questi residui 5-idrossimetilcitosina (5hmC), 5-formylcytosine (5 fC) e 5 - carboxylcytosine (5caC)20. Proteina Tet ha facilitato l'ossidazione di 5mC risultati nel cambiamento di conformazione graduale da metil alle configurazioni dell'idrossile, carbonilico e carbossilato, tuttavia 5fC e 5caC le modifiche possono essere sintetizzate direttamente da 5mC ossidazione21, 22 , 23 , 24.
Un'indicazione ben informativa dell'attività della proteina TET a comprendere la loro regolazione è studiare la distribuzione e l'abbondanza di segni di oxi-metil-citosina. 5mC significativa presenza al CpG poveri promotori è rilevabile in contrasto con unmethylated CpG ricche regioni, l'ultimo che è caratteristico di CpG isole25. Attraverso tessuti, più alto tessuto specifica metilazione è osservata nel cervello, testicolo e sangue mentre mucosa orale esibiscono più grande ipometilazione, che indica un modello differenziale di metilazione che si verificano in tessuti specifici promotori26.
Utilizzando anti-5mC sensibili e anti-5hmC anticorpi in selettiva metile/idrossimetil DNA immunoprecipitazione (meDIP/hmeDIP) e successivo sequenziamento ad alta, eraldi et al hanno dimostrato 5hmC alta occupazione presso promotori, esoni e linea-1 retrotrasposone sequenze che correlato con i livelli di 5mC ridotta a queste posizioni nel topo embrionale staminali cellule27. Inversamente, più grande 5mC arricchimento è stata osservata alle sequenze ripetitive satellite dove 5hmC presenza era limitata28. Studi effettuati sul tessuto cerebrale umano del lobo frontale rivelano 5hmC altamente significativo arricchimento, quattro volte superiore in cellule staminali embrionali di topo28. In concordanza con le osservazioni precedenti, sequenziamento ad alta del lobo frontale tessuto illustrato maggioranza 55-59% di 5hmC segnale localizzato a bassa densità regioni promotrici di CpG, 35-38% all'interno di corpi di gene e circa il 6% occupazione presso intergenica regioni. Al contrario, 5mC è stata arricchita alle regioni intergeniche (25-26%) e più in alto all'interno dei corpi di gene (52-55%) ma ridotto (22-24%) al promotore sequenze29. Questi studi indicano abbondanza di 5hmC in cellule staminali embrionali e somatico tessuto, specialmente il cervello, tuttavia le indagini sulle distribuzioni fC 5 e 5caC sono limitate.
Interessante, recentemente scoperto negli eucarioti, la metilazione dei residui di adenina all'azoto (N6) posizione 6 (6mA) Visualizza un'abbondanza di genomic profile inverso a quello di 5mC30. Osservazioni da spettrometria di massa tandem di cromatografia liquida accoppiata rivelano 6mA livelli assoluti di esistere in eccesso nel pesce zebra e porcini embrioni in anticipo rispetto allo sperma con i suoi livelli (0,003% di genomiche adenine) al momento della fecondazione, in costante aumento raggiungendo lo stadio di sviluppo di morula (33 piega superiore dello sperma) e raggiungendo somatico livelli allo stato stazionario di 0,004% di genomica adenine31. Immunoprecipitazione di sequenze di DNA 6mA arricchito ha dimostrato occupazione predominante (circa 80% di arricchimento) di questo marchio a regioni elemento ripetitivo e inizio trascrizionale siti32. Queste osservazioni contestualizzare e convalidare la scoperta di 6mA demetilasi null ecellule staminali mbryonic espositrici accumulato 6mA mediata linea-1 retrotrasposone silenziamento rispetto agli elementi trascrizionalmente attivi in cellule wildtype. Questi dati suggeriscono una funzione regolatrice trascrizionale per 6mA33.
Mentre coniugati Tag biochimico accoppiato al successivo tuffo saggi indicare presenza o assenza di derivati ossidati metilcitosina (oxi-mCs), essi non possono impartire distribuzione spaziale o quantificabili informazioni di questi marchi34, 35. un protocollo per rilevazione immunochimica sensibile di 5hmC e 5caC è stata sviluppata di recente36. Questo metodo di immunostaining basato su anticorpo secondario fluoroforo coniugato accoppiato con l'utilizzo di microscopia confocale a scansione laser possiede il vantaggio unico di fornire la localizzazione visiva di queste modificazioni del DNA all'interno delle cellule, così, enfatizzando singoli positivamente o negativamente macchiato celle corrispondenti con la presenza eterogenea di questi segni. Le intensità di segnale assoluto 5hmC e 5caC come amplificato dagli anticorpi coniugati abilitare semiquantitative interpretazioni proposte circa la grandezza e le posizioni di questi segni all'interno del nucleo ad esempio regioni heterochromatic ed euchromatic 37 , 38. qui viene descritta una tecnica per l'analisi computazionale delle immagini di microscopia confocale. La generazione di distribuzione spaziale 2,5 D grafici per la visualizzazione di 5hmC distinti e picchi di segnale 5caC per pixel e loro posizioni all'interno dei nuclei è dimostrato. Istogramma appezzamenti di 5hmC e i profili di intensità di segnale 5caC possono illustrare le tendenze in abbondanza di questi segni come i picchi e depressioni vengono tracciate come canali non sovrapposti separati. Infine, implementando la funzione di colocalizzazione, può essere determinato il grado di vicinanza di un segnale a altro e di conseguenza, le loro rispettive coordinate genomiche possono essere identificati.
Protocol
1. generazione di immagini Confocal
- In preparazione per l'analisi di forme modificate di citosina, eseguire immunoistochimica come descritto da Abakir et al. 34.
- effettuare imaging di diapositive fuori usando un microscopio e salvare i file in un formato LSM.
Nota: Quando confrontando intensità profili tra campioni i valori utilizzati per potere del laser e il guadagno per ogni canale deve essere mantenuto per tutta l'immagine prendendo la procedura per consentire una comparazione diretta nella fase di analisi di immagine.
2. Generazione di 2,5 D intensità trame
- aprire il software (ad es., Zen nero) e selezionare ' Image Processing '.
- Andare al menu File e selezionare Apri. Selezionare l'immagine che richiede l'elaborazione.
- Fare clic su ' Mostra tutto ' sotto l'immagine per rendere visibili tutti i controlli grafici. Nella metà inferiore dello schermo ci sono tre schede; ' Dimensioni ', ' Display ' e ' grafica ', selezionare la ' grafica ' Tab.
- Scegli la ' rettangolo ' strumento per selezionare i nuclei/area di interesse.
- Selezionare ' tagliare regione ' per ritagliare l'immagine. Questo genererà una nuova immagine per l'area ritagliata in una scheda separata
- Andare al menu File e selezionare Salva con nome assegnare al file un nome e salvarlo come un file LSM o GFS185051.
- Aprire software (ad es., Zen blu) e selezionare il ' Zen scrivania '.
- Invia l'immagine ritagliata da Zen nero per Zen blu selezionando il file e facendo clic sul menu File e selezionare Invia all'edizione 2012 di Zen-blu. L'immagine ritagliata viene quindi aperto nel relativo programma.
Nota: Il file di immagine viene trasferito perché la caratteristica trama di intensità 2.5D in Zen Black 2012 non Visualizza immagini multiple di canale contemporaneamente. - Sul lato sinistro dell'immagine scegliere la scheda etichettata ' 2.5D ', questo permette la visualizzazione dell'immagine in 2.5 D. Fare clic su ' Mostra tutto ' per rendere visibili tutti i controlli grafici.
- Alter impostazioni di visualizzazione utilizzando quattro barre grigie situati a sinistra e sotto l'immagine.
Nota: barra della mano sinistra, superiore dello schermo = zoom. Barra a sinistra, in basso dello schermo = Disabilita l'immagine sull'asse. Inferiore dello schermo, mano sinistra bar = rotazione dell'immagine. Inferiore dello schermo, destro mano bar = espandersi e contrarsi scala bar. - Garantire che render la modalità selezionata è superficie come questo dà la migliore visualizzazione di diversi picchi.
- Alter distanza griglia modificando la percentuale, minore la percentuale più definito ogni singolo picco.
- Per salvare l'immagine di 2,5 D, prima di nascondere l'elenco di file sul lato destro e gli strumenti grafici sotto l'immagine facendo clic sulla freccia grigia sotto la trama 2,5 D (accanto a ' Visualizza tutti i '), in questo modo nascondere le schede grafiche che consente per l'immagine di espandersi per riempire il ghiaione n. per salvare la trama 2,5 D, premere il ' PrtSc ' chiave sulla tastiera. Questa cattura uno screenshot del display. Incollare la schermata in Microsoft Paint e ritagliare l'immagine prima di salvare.
3. Profilatura di intensità
- aprire il software (ad es., Zen nero) e selezionare Image Processing.
- Andare al menu File e selezionare Apri. Selezionare l'immagine che richiede l'elaborazione.
- Come l'immagine apparirà sullo schermo, sul lato sinistro dell'immagine selezionare la scheda etichettata ' profilo '.
- In basso a metà dello schermo selezionare (tick) il ' Mostra tutto ' scheda. Questo consentirà di accedere a tutte le opzioni di formattazione.
- Nella metà inferiore dello schermo ci sono tre schede; ' dimensioni ', ' Display ' e ' ProfileƆ selezionare ' profilo ' e seleziona (tick) il ' tabella ' casella. Selezionare il ' freccia ' pulsante.
- Sull'immagine, utilizzare il mouse per selezionare un punto iniziale e trascinare il mouse sopra un numero continuo delle cellule. Rilasciare il mouse per produrre un diagramma di intensità per le cellule lungo la linea; Inoltre la tabella sarà popolata dai dati di misura di intensità per i pixel lungo la linea per ogni lunghezza d'onda.
Nota: La tabella fornirà la distanza (µm) presso cui pixel intensità viene letto per la fluorescenza rossa, verde e blu. - Per esportare i dati, fare clic destro sulla tabella, selezionare ' Salva tabella … ' e salvare in un percorso appropriato come un file. txt.
- Per salvare l'immagine del profilo di intensità selezionata selezionare il menu File e selezionare ' Export … '. Nella finestra di dialogo scegliere ' Tagged Image File (formato) ' e ' contenuto della finestra immagine - singolo riquadro (dati) ' seguita cliccando ' selezionare il nome del file e salvare … ' scegliere un percorso appropriato e fare clic su ' salvare '.
- Ripetere il processo per ogni singolo profilo di intensità a seconda del campi di visibilità e il numero di profili per analizzare.
- Intensità di importazione profili dati salvati (vedere la sezione 3.7) e analizzare in un foglio di calcolo seguita da analisi statistiche.
4. Analisi di co-localizzazione
- aprire il software e selezionare ' elaborazione di immagini '.
- Andare al menu File e selezionare Apri. Selezionare l'immagine che richiede l'elaborazione.
- Come l'immagine apparirà sullo schermo, sul lato sinistro dell'immagine selezionare la scheda etichettata ' Coloc '.
- In basso a metà dello schermo selezionare (tick) il ' Mostra tutto ' scheda. Questo consentirà di accedere a tutte le opzioni di formattazione.
- Nella metà inferiore dello schermo ci sono quattro schede; ' dimensioni ', ' Display ', ' grafica ' e ' ColocalizationƆ selezionare ' Colocalization ' e spuntare la casella per ' tabella ' e ' immagine '.
- Selezionare la terza icona lungo nella parte superiore di questa scheda (vicino Bezier testo verrà visualizzato quando il mouse passa sopra lo strumento) quindi utilizzare questo strumento per circondare un singolo nuclei, i valori per questa volontà di nuclei quindi appaiono nella tabella.
Nota: Per ogni nuclei circondato un grafico a dispersione è prodotto per rosso contro fluorescenza verde che viene visualizzato nel riquadro a sinistra sullo schermo. L'asse viene quindi spostato al fine di cellule a seconda della soglia del cancello. Come i nuclei di interesse sono selezionati manualmente nelle immagini, la regolazione soglie di Gate sopra lo zero non è necessaria. Tutti i valori di intensità di pixel osservati entro il perimetro nucleare sono considerati come segnale positivo.
- Selezionare la terza icona lungo nella parte superiore di questa scheda (vicino Bezier testo verrà visualizzato quando il mouse passa sopra lo strumento) quindi utilizzare questo strumento per circondare un singolo nuclei, i valori per questa volontà di nuclei quindi appaiono nella tabella.
- Ripetere questo processo selezionando la terza icona nella scheda e che circondano i nuclei successivi fino al completamento del dataset.
- Per esportare i dati, fare clic con il pulsante destro sulla tabella, selezionare Salva tabella e salvare in un percorso appropriato.
- Per salvare l'immagine di colocalizzazione, selezionare il menu File e selezionare ' Export … ' quindi scegliere; Tagged Image File (formato) e ' contenuto della finestra immagine – su un unico piano (dati) ' seguita cliccando ' selezionare il nome del file e salvare … ', scegliere una posizione appropriata e fare clic su ' salvare '.
- Traccia di colocalizzazione dati in un foglio di calcolo seguita da analisi statistiche.
Representative Results
Per determinare la distribuzione spaziale di 5hmC e 5caC nella differenziazione epatica progenitori immunostained scivoli per queste modificazioni del DNA erano imaged usando un microscopio.
Iniziale analisi della distribuzione spaziale di questi oxi-mCs è stato effettuato attraverso la generazione di trame di intensità 2.5D (Figura 1A, 1B). I picchi rossi e verdi sembravano essere ben definita con la limitata presenza di picchi arancione che indica solo una piccola sovrapposizione dei segnali 5caC e 5hmC. In accordo con questi risultati, i profili per intensità di 5hmC e 5caC nella cella corrispondente non coincidono fortemente con l'altro (Figura 1). Ciò illustra che 5caC e 5hmC presentano modelli distinti di distribuzione nucleare nei progenitori epatici, suggerendo che l'ossidazione di Tet-dipendente di 5mC porta alla generazione di diversi derivati ossidati di questa modifica del DNA nella cromatina specifica regioni.
Per confrontare i livelli di 5caC e 5hmC nel medulloblastoma Daoy e cellule di ependimoma BXD-1425EPN, immunostaining per questi oxi-mCs è stato effettuato su entrambi i campioni in identiche condizioni sperimentali. Intensità dei segnali 5caC e 5hmC poi sono stati confrontati in 20 profili generati tra 3-5 celle registrate per ogni linea cellulare (Figura 2A-2D). La quantificazione di questi risultati hanno rivelato che le cellule BXD-1425EPN presentano livelli significativamente più bassi di immunostaining 5hmC sia 5caC rispetto alle cellule Daoy (Figura 2D).
Considerando i due canali rosso (5hmC) e verde (5caC) che può essere indicata come R e G rispettivamente, coefficiente di correlazione di Pearson (PCC) descrive il grado di sovrapposizione spaziale e co-segregazione di R & G assumendo entrambi i contrassegni esiste in modo lineare rapporto con l'altro, indicato con R statistica34. Il valore PCC, indicato con R2 di squadratura consente la misura della variazione di intensità di segnale verde che è influenzata dalla intensità di segnale rosso34. Questo è superfluo per la nostra analisi di co-localizzazione di 5caC vs 5hmC.
Per esaminare la distribuzione spaziale di 5caC e 5hmC in indifferenziato (Undiff) hiPSCs ed endoderma epatica 24 ore (HE24) dopo induzione, analisi di colocalizzazione di queste modificazioni del DNA è stata effettuata sulle stesse immagini confocale, con valori di R per 20 i nuclei analizzati per ogni linea cellulare (Figura 3A-3 C).
La quantificazione di questi risultati hanno dimostrato che il grado di colocalizzazione è significativamente più alto (P < 0.05) in HE24 rispetto al Undiff (Figura 3C). Questo può essere attribuibile alla grandezza ridotta della presenza di 5caC e quindi l'intensità di segnale ridotta nelle cellule Undiff.
Figura 1: la macchiatura di Immunohistochemical dei progenitori epatici endoderma alle 72 ore post induzione del differenziamento. (A) Co-macchiatura di 5hmC (rosso), 5caC (verde) e DAPI nucleari contatore macchia (blu). La freccia tratteggiata bianca 'B' indica la direzione di profilatura campionata attraverso il nucleo, illustrato in 1 C. Barra della scala rappresenta 5 µm. canale rosso: guadagno 800, laser 1%. Canale verde: guadagno 750, laser 2,4%. Canale DAPI: guadagno 750, laser 2,6%. (B) 2.5 D trama di intensità di 5hmC, 5caC e segnali DAPI. Diversi picchi rappresentano le intensità del segnale assoluto di ogni pixel. Vista unita e singoli canali sono mostrati. (C) i profili di intensità di 5hmC, 5caC e DAPI segnali nei progenitori epatici alle 72 ore post induzione di differenziazione. Intensità di picco sono stati registrati lungo le dimensioni della freccia tratteggiata bianca 'B' e sono indicati lungo l'asse x il profilo di intensità da una freccia tratteggiata nera. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: analisi di 5hmC e 5caC segnale di intensità nelle linee cellulari di BXD-1425EPN ependimoma e medulloblastoma Daoy. (A) macchiatura immunofluorescente di 5hmC (rosso) e 5caC (verde) in cellule Daoy e BXD-1425EPN. Immagini sono state catturate con 63 x obiettivo obiettivo d'immersione in olio, entrambi con le stesse impostazioni. Vista unita e singoli canali sono mostrati. Barre della scala rappresentano 10 µm. canale rosso: guadagno 746, laser 1%. Canale verde: guadagno 750, laser 2,4%. Singole celle Daoy (B) e (C) BXD-1425EPN vengono espansi in cifre adiacenti. Scala bar per (B) e (C) rappresentano 5 µm. (D) intensità media di fluorescenza di 5hmC vs 5caC segnali in cellule Daoy e BXD-1425EPN (n = 20, SD). Significato è stato valutato utilizzando un test F e due campioni t-test. asterischi denotano statisticamente significativi valori di p del * * come p < 0,01 e * * * come p < 0.001. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: analisi di colocalizzazione dei segnali di assoluta 5hmC e 5caC in hiPSCs indifferenziato (Undiff) rispetto al endoderma epatica 24 ore post-differenziata del progenitor (HE24). Immagini di microscopia confocal di (A) indifferenziato hiPSCs e (B) HE24 cellule colorate per 5hmC (rosso), 5caC (verde) e DAPI (blu). Le cellule erano imaged con obiettivo ad immersione 63 X alle impostazioni identiche. 20 nuclei circondati illustrano le cellule campionate per analisi di colocalizzazione. Barre della scala rappresentano 20 µm. canale rosso: guadagno 800, laser 1%. Canale verde: guadagno 750, laser 2,4%. Canale DAPI: guadagno 750, laser 2,6%. (C) analisi di colocalizzazione della presenza del segnale di 5caC all'interno della gamma di prossimità di 5hmC in undiff e HE24 (n = 20, SD). Significato è stato valutato utilizzando un test F e due campioni t-test. asterischi denotano p-valori statisticamente significativi di * p < 0.05. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Discussion
Questo protocollo descrive il graduale processo di generazione di rappresentazioni visive delle modificazioni del DNA all'interno dei nuclei. Mentre sensibili e di grande impatto, queste tecniche possiedono una serie di limitazioni.
È necessario sottolineare che i dati generati da 2,5 D trame, i profili di intensità del segnale e l'analisi di colocalizzazione sono semi-quantitativi in natura. A causa dell'illuminazione del punto per punto del campione durante l'acquisizione di immagini sul microscopio confocale a scansione laser, intensità del segnale assoluto di ogni canale vengono registrate. Tuttavia, questi non sono grandezze assoluto di 5hmC e 5caC essere rilevati e solo rappresentano indicazioni di presenza, assenza o scala di questi segni epigenetici.
Dovuto la natura ripetitiva di amplificazioni del segnale, limitazioni coerente con la grandezza delle macchine utilizzate per incrementare il segnale inevitabilmente confondono approssimazioni di vera occupazione genomico fisico di questi marchi34. La vera localizzazione genomica di questi segni può essere oscurata da queste proteine ingombranti, che fisicamente occupano aree non risolvibili anche ai limiti di risoluzione ottimale confocal di 200-300 nm34. Inoltre, l'intensità del segnale dei canali individuali per ogni marchio non può essere paragonata a vicenda a causa delle differenze nella sensibilità dell'anticorpo e fluoroforo coniugazione34. Tuttavia le informazioni ottenute con formazione immagine mette in luce l'organizzazione spaziale e temporale dei marchi genomici.
Per la quantificazione accurata dei segnali 5hmC e 5caC, nuclei sono evidenziati e piena contro il colorante di contrasto DAPI, chiaramente che delimitano la regione da analizzare. Questa procedura elimina il requisito per la calibrazione delle soglie Gate come rumore di fondo viene ignorata tramite il processo manuale di selezione nuclei1. Un'automazione di questo processo può essere realizzata nell'ultimo software che consente la segmentazione nucleare deve essere eseguita. Mentre pacchetti di software libero alternativo come FIJI sono disponibili per l'analisi di colocalizzazione, svantaggi, come l'obbligo di convertire immagini in formati binario a 8 bit, mascheramento delle immagini e l'immissione di dati di esclusione di formato per selezionare le regioni di interesse limite del accessibilità degli utenti di questo programma. Inoltre, considerando che il totale limitati livelli di 5hmC e 5caC nel genoma accoppiato con la loro posizione predominante alle regioni eucromatiche e, lo svuotamento delle sequenze genomic di CpG in generale, che circondano manuale dei nuclei introduce utente-bias. Di conseguenza, l'evidenziazione dei nuclei automaticamente presuppone che tutti gli eventi che si verificano all'interno della regione delimitata ad essere positivo e ignora eventuali pixel di sfondo che possono essere presenti. Così, l'analisi di immagini basati su pixel intensità può essere più significativo. Questi fattori sono importanti quando si considera l'uso del coefficiente di colocalizzazione di Mander per analizzare il grado di sovrapposizione spaziale tra due segnali, indipendentemente dalla loro intensità di segnale come opporsi al coefficiente di correlazione di Pearson, che presuppone un relazione lineare tra segnali.
Nel complesso, le tecniche descritte qui portano il tema della rappresentazione visiva di dati biologici in un formato intuitivo. Mentre l'analisi semi-quantitativa delle immagini non sostituiscono potenti tecniche come la spettrometria di massa in termini di sensibilità o risoluzione base unico genoma ampio sequencing, fornisce dati complementari permettendo inferenze ed ipotesi di essere concepito dall'analisi delle immagini con precisione.
Disclosures
Nessun potenziali conflitti di interesse sono stati resi noti.
Acknowledgments
Il lavoro è stato supportato dal Biotechnology and Biological Sciences Research Council [BB/N005759/1 a A.R.]. NRFH è stato finanziato dal The boschi Trust and The Stoneygate Trust [A1130 / M546]. Il microscopio Zeiss Elyra PS.1, l'elaborazione computer e software sono stati finanziati dalla BBSRC BB/L013827/1 (multidisciplinare Super risoluzione microscopia Facility presso grant Nottingham University)
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Zeiss Elyra PS1. Super resolution microscope equipped with LSM780 confocal head | Zeiss | NA | |
| Zeiss Zen Black 2012 | Zeiss | NA | |
| Zen Blue 2012 | Zeiss | NA | |
| Microsoft Excel | Microsoft | NA |
References
- Bird, A. P. Use of restriction enzymes to study eukaryotic DNA methylation: II. The symmetry of methylated sites supports semi-conservative copying of the methylation pattern. J Mol Biol. 118 (1), 49-60 (1978).
- Youssoufian, H., et al. Recurrent mutations in haemophilia A give evidence for CpG mutation hotspots. Nature. 324 (6095), 380-382 (1985).
- Holliday, R., Pugh, J. E. DNA modification mechanisms and gene activity during development. Cold Spring Harbor Monograph Series. 32, 639-645 (1996).
- Christman, J. K., Price, P., Pedrinan, L., Acs, G. Correlation between hypomethylation of DNA and expression of globin genes in Friend erythroleukemia cells. European J Biochem. 81 (1), 53-61 (1977).
- Bird, A. P., Southern, E. M. Use of restriction enzymes to study eukaryotic DNA methylation: I. The methylation pattern in ribosomal DNA from Xenopus laevis. J Mol Biol. 118 (1), 27-47 (1978).
- Kim, G. D., Ni, J., Kelesoglu, N., Roberts, R. J., Pradhan, S. Co-operation and communication between the human maintenance and de novo DNA (cytosine-5) methyltransferases. EMBO J. 21 (15), 4183-4195 (2002).
- Reik, W., Kelsey, G., Walter, J. Dissecting de novo methylation. Nature genetics. 23 (4), 380-382 (1999).
- Okano, M., Bell, D. W., Haber, D. A., Li, E. DNA methyltransferases Dnmt3a and Dnmt3b are essential for de novo methylation and mammalian development. Cell. 99 (3), 247-257 (1999).
- Eckhardt, F., et al. DNA methylation profiling of human chromosomes 6, 20 and 22. Nat Genet. 38 (12), 1378-1385 (2006).
- Lees-Murdock, D. J., Lau, H. -T., Castrillon, D. H., De Felici, M., Walsh, C. P. DNA methyltransferase loading, but not de novo methylation, is an oocyte-autonomous process stimulated by SCF signalling. Dev Biol. 321 (1), 238-250 (2008).
- Leonhardt, H., Page, A. W., Weier, H. -U., Bestor, T. H. A targeting sequence directs DNA methyltransferase to sites of DNA replication in mammalian nuclei. Cell. 71 (5), 865-873 (1992).
- Jones, P. A., Taylor, S. M. Cellular differentiation, cytidine analogs and DNA methylation. Cell. 20 (1), 85-93 (1980).
- DNA methylation: DNA Methylation in Early mammalian Development. Jähner, D., Jaenisch, R. , Springer. 189-219 (1984).
- Chalitchagorn, K., et al. Distinctive pattern of LINE-1 methylation level in normal tissues and the association with carcinogenesis. Oncogene. 23 (54), 8841-8846 (2004).
- Fatemi, M., Hermann, A., Gowher, H., Jeltsch, A. Dnmt3a and Dnmt1 functionally cooperate during de novo methylation of DNA. Eur J Biochem. 269 (20), 4981-4984 (2002).
- Gruenbaum, Y., Cedar, H., Razin, A. Substrate and sequence specificity of a eukaryotic DNA methylase. Nature. 295 (5850), 620-622 (1982).
- Dean, W., Santos, F., Reik, W. Epigenetic reprogramming in early mammalian development and following somatic nuclear transfer. Seminars in cell & developmental biology (Elsevier). 14 (1), 93-100 (2003).
- Wu, S. C., Zhang, Y. Active DNA demethylation: many roads lead to Rome. Nat Rev Mol Cell Biol. 11 (9), 607-620 (2010).
- Ito, S., et al. Tet proteins can convert 5-methylcytosine to 5-formylcytosine and 5-carboxylcytosine. Science. 333 (6047), 1300-1303 (2011).
- Tahiliani, M., et al. Conversion of 5-methylcytosine to 5-hydroxymethylcytosine in mammalian DNA by MLL partner TET1. Science. 324 (5929), 930-935 (2009).
- Bachman, M., et al. 5-Formylcytosine can be a stable DNA modification in mammals. Nat Chem Biol. 11 (8), 555-557 (2015).
- Bachman, M., et al. 5-Hydroxymethylcytosine is a predominantly stable DNA modification. Nat Chem. 6 (12), 1049-1055 (2014).
- Lurlaro, M., et al. In vivo genome-wide profiling reveals a tissue-specific role for 5-formylcytosine. Genome Biol. 17 (1), 141 (2016).
- Tamanaha, E., Guan, S., Marks, K., Saleh, L. Distributive Processing by the Iron (II)/α-Ketoglutarate-Dependent Catalytic Domains of the TET Enzymes Is Consistent with Epigenetic Roles for Oxidized 5-Methylcytosine Bases. J Am Chem Soc. 138 (30), 9345-9348 (2016).
- He, Y. -F., et al. Tet-mediated formation of 5-carboxylcytosine and its excision by TDG in mammalian DNA. Science. 333 (6047), 1303-1307 (2011).
- Herman, J. G., Graff, J. R., Myöhänen, S., Nelkin, B. D., Baylin, S. B. Methylation-specific PCR: a novel PCR assay for methylation status of CpG islands. Proc Natl Acad Sci. 93 (18), 9821-9826 (1996).
- Nagae, G., et al. Tissue-specific demethylation in CpG-poor promoters during cellular differentiation. Hum Mol Genet. 20 (14), 2710-2721 (2011).
- Ficz, G., et al. Dynamic regulation of 5-hydroxymethylcytosine in mouse ES cells and during differentiation. Nature. 473 (7347), 398-402 (2011).
- Jin, S. -G., Wu, X., Li, A. X., Pfeifer, G. P. Genomic mapping of 5-hydroxymethylcytosine in the human brain. Nucleic Acids Res. 39 (12), 5015-5024 (2011).
- Liu, J., et al. Abundant DNA 6mA methylation during early embryogenesis of zebrafish and pig. Nat Commun. 7, (2016).
- Wu, T. P., et al. DNA methylation on N6-adenine in embryonic stem cells. Nature. 532 (7599), 329-333 (2016).
- Kriaucionis, S., Heintz, N. The nuclear DNA base 5-hydroxymethylcytosine is present in Purkinje neurons and the brain. Science. 324 (5929), 929-930 (2009).
- Globisch, D., et al. Tissue distribution of 5-hydroxymethylcytosine and search for active demethylation intermediates. PloS one. 5 (12), e15367 (2010).
- Abakir, A., Wheldon, L. M., Ruzov, A. Epigenetic Methods in Neuroscience Research: Immunohistochemical Detection of Oxidized Forms of 5-Methylcytosine in Embryonic and Adult Brain Tissue. , Springer. 125-137 (2016).
- Alioui, A., et al. 5-Carboxylcytosine is localized to euchromatic regions in the nuclei of follicular cells in axolotl ovary. Nucleus. 3 (6), 565-569 (2012).
- Chen, Y., Damayanti, N., Irudayaraj, J., Dunn, K., Zhou, F. C. Diversity of two forms of DNA methylation in the brain. Front Genet. 5, 46 (2014).
- Dunn, K. W., Kamocka, M. M., McDonald, J. H. A practical guide to evaluating colocalization in biological microscopy. Am J Physiol Cell Physiol. 300 (4), C723-C742 (2011).
- Lachmanovich, E., et al. Co-localization analysis of complex formation among membrane proteins by computerized fluorescence microscopy: application to immunofluorescence co-patching studies. J Microsc. 212 (Pt 2), 122-131 (2003).
