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El presente protocolo resume un método universal para aislar, purificar y procesar aguas arriba de adipocitos blancos murinos optimizado para la secuenciación posterior de ARN total, extracción de núcleos por sonicación (NEXSON) y ChIP-seq.
La obesidad es una enfermedad compleja influenciada por la genética, la epigenética, el medio ambiente y sus interacciones. Los adipocitos maduros representan el principal tipo de célula en el tejido adiposo blanco. Comprender cómo funcionan los adipocitos y cómo responden a las señales (epi)genéticas y ambientales es esencial para identificar las causas de la obesidad. El ARN y la cromatina se han aislado previamente de los adipocitos mediante digestión enzimática. Además, se han desarrollado protocolos para el aislamiento nuclear, en los que la purificación se logra mediante la clasificación de células activadas por fluorescencia (FACS) de reporteros transgénicos específicos de adipocitos. Uno de los mayores desafíos para lograr un alto rendimiento y calidad durante dichos protocolos es la cantidad sustancial de lípidos contenidos en el tejido adiposo. El presente protocolo describe un procedimiento optimizado para aislar adipocitos maduros que aprovecha el heptano para separar los lípidos de los objetivos de interés (ARN/cromatina). El ARN resultante tiene una alta integridad y genera resultados de secuenciación de ARN de alta calidad. Del mismo modo, el procedimiento mejora la tasa de rendimiento de los núcleos y genera resultados de ChIP-seq reproducibles en todas las muestras. Por lo tanto, el estudio actual proporciona un protocolo de aislamiento de adipocitos murinos fiable y universal adecuado para estudios de transcriptoma y epigenoma del genoma completo.
La obesidad se entiende típicamente como una enfermedad de acumulación excesiva de grasa que contribuye a un mayor riesgo de diabetes tipo 2, enfermedad cardiometabólica y varias formas de cáncer 1,2,3. Si bien la comprensión actual de la obesidad está fuertemente arraigada en la genética (tanto en estudios en humanos como en roedores), entre el 30% y el 70% de la predisposición a las enfermedades metabólicas es de origen no genético 4,5,6,7,8 y sigue estando mal definida.
El tejido adiposo desempeña un papel fundamental en la obesidad y otras enfermedades metabólicas 9,10. El tejido adiposo comprende adipocitos maduros y la fracción vascular estromal, incluidos los preadipocitos, las células endoteliales y las células inmunitarias. Todavía no está claro cómo cada tipo de célula contribuye a la obesidad y cómo la desregulación de los adipocitos contribuye a la obesidad. Los protocolos de aislamiento y purificación reproducibles y eficaces para estudios de epigenomas de adipocitos maduros son de interés para este campo.
Los adipocitos maduros han sido aislados durante mucho tiempo para análisis de expresión génica11 y estudios de epigenoma12,13. Existen dos estrategias principales para aislar los adipocitos. La primera es utilizar la digestión enzimática para separar los adipocitos maduros del resto de los tipos celulares de la fracción vascular estromal11,14. La segunda consiste en remover el tejido adiposo para liberar núcleos intactos y luego recuperar los núcleos a partir de un localizador fluorescente mediante clasificación celular activada por fluorescencia (FACS)12,13, que requiere modelos reporteros transgénicos especializados. El reto técnico en cada caso es que los adipocitos maduros contienen altas concentraciones de lípidos (Figura 1), lo que reduce la calidad y/o el rendimiento del ARNtotal 15,16 y de los núcleos17. Aquí, se describe un procedimiento de digestión enzimática optimizado para aislar adipocitos maduros, en el que la ventaja del heptano es disolver y eliminar rápida y eficientemente los lípidos18 antes de la extracción de ARN o los pasos de aislamiento de núcleos por Extracción de Núcleos por SONicación (NEXSON)19. El protocolo garantiza una excelente recuperación y calidad del ARN total para estudios de todo el genoma y mejora significativamente el rendimiento de los núcleos intactos para la secuenciación reproducible de ChIP.
Todos los experimentos con animales fueron aprobados por el Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales (IACUC), número de protocolo: 18-10-028. Los ratones machos C57BL/6J de 12 semanas de edad fueron sacrificados con CO2 y diseccionados para recolectar las almohadillas de grasa del tejido adiposo blanco del epidídimo (eWAT).
1. Aislamiento de adipocitos
2. Extracción de ARN total
NOTA: Realice este paso en una campana química.
3. Fijación de adipocitos para ChIP-seq
NOTA: Realice el paso 3. en una campana química.
4. Extracción de núcleos y cizallamiento de la cromatina
NOTA: Este procedimiento es una adaptación de Arrigoni et al.19.
Los adipocitos se aislaron de seis almohadillas de grasa, se realizó la extracción de ARN a base de heptano (paso 2) y el ARN resultante se analizó en el instrumento de electroforesis automatizado. El número de integridad de ARN (RIN) calculado para todas las muestras fue de >8 (Figura 3A), lo que indica una preparación de ARN reproducible y de alta calidad. A continuación, el kit de preparación de ARN total se utilizó para preparar bibliotecas de ARN, y cada muestra se secuenció en el secuenciador de próxima generación para alcanzar una profundidad de lectura de ≥40 millones de lecturas. La puntuación Phred para todas las muestras (Figura 3B) y por secuencia (Figura 3C) fue de ≥30, indicativo de secuencias de ADN de alta calidad20. Por lo tanto, la eliminación de heptano apoya el aislamiento de ARN de alto rendimiento y alta calidad adecuado para la secuenciación de ARN.
En la etapa de fijación de formaldehído, también se realizaron tres preparaciones de aislamiento nuclear que contenían heptano y una preparación de control sin heptano. A continuación, la cromatina cortada se analizó en el instrumento de electroforesis automatizado. En ambos casos, la cromatina se cortó a un rango de tamaño de 100-800 pb (Figura 4A), ideal para los procedimientos posteriores de ChIP-seq19. Es importante destacar que se obtuvo ~5 veces más cromatina de las muestras tratadas con heptano (11,5 ng/μL, 9,42 ng/μL y 9,6 ng/μL) en relación con las muestras no tratadas (2,2 ng/μL). Se realizaron H3K4me3 y H3K27me3 ChIP-seq siguiendo a Arrigoni et al.19. Como se muestra en la Figura 4B, las trazas de señal de tres muestras independientes tratadas con heptano fueron comparables a la pista de la muestra sin tratar con heptano para ambas marcas de histonas. El tratamiento con heptano no interfiere con la calidad de ChIP-seq, pero mejora significativamente el rendimiento de los núcleos (y de la cromatina cortada).
Figura 1: Adipocitos aislados. Los adipocitos aislados se tiñeron con DAPI (azul) para teñir el núcleo y BODIPY (verde) para los lípidos. Las gotas lipídicas citosólicas comprenden hasta el 95% del volumen de los adipocitos y plantean un desafío técnico para lograr altos rendimientos durante las extracciones de ARN y cromatina. Barra de escala = 100 μm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Flujo esquemático del aislamiento de adipocitos para el análisis de transcriptoma y epigenoma. Se representa todo el flujo de trabajo, desde el aislamiento de adipocitos hasta la aplicación del transcriptoma o el epigenoma. Se muestran los pasos clave y los resultados representativos. (A) Los adipocitos aislados flotan en la capa superior, separándose de la fracción vascular estromal como una bolita en la parte inferior del tubo. (B) El uso de heptano para eliminar lípidos antes de la extracción de ARN con reactivo de aislamiento de ARN. (C) El uso de heptano para eliminar los lípidos durante la fijación de los adipocitos. (D) La imagen representativa de los núcleos de los adipocitos aislados debe estar intacta y ser redonda. Barra de escala = 20 μm. El esquema fue creado con BioRender.com. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Electroferograma representativo de las puntuaciones de integridad y calidad del ARN después de la secuenciación de ARN. (A) Las muestras 1-6 representan seis réplicas de adipocitos tratados con heptano, y su análisis de integridad del ARN se ejecutó en el instrumento de electroforesis automatizado. El número de integridad del ARN (RIN) se basó en las proporciones de ARN ribosómico 18S y 28S y representa la calidad del ARN. Escale de 1 (muy degradado) a 10 (el menos degradado). (B,C) La puntuación de calidad de lectura de secuenciación se determinó mediante análisis multiQC (B) para la puntuación de calidad media en las bases (C) y para la puntuación de calidad por secuencia. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Electroferograma representativo de la cromatina cortada y los picos de enriquecimiento de ChIP-seq. (A) Perfiles representativos del instrumento de electroforesis automatizado que muestran las distribuciones de tamaño de cromatina del control (muestra 1, arriba a la izquierda) y las preparaciones de cromatina de adipocitos tratadas con heptano (muestras 2, 5 y 8, arriba a la derecha y dos abajo). Las concentraciones de cromatina en las preparaciones finales se indican en la parte superior izquierda de cada imagen. (B) Captura de pantalla del navegador del genoma realizada con el Visor de Genómica Integrativa (IGV). La parte superior del gráfico muestra los perfiles H3K4me3 ChIP-seq para tres muestras tratadas con heptano (rojo) y un control (azul). El panel inferior muestra lo mismo para el ChIP-seq de H3K27me3. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Búfer | Composición |
Tampón de digestión (para 3000 mg o menos de almohadilla de grasa / 20 mL) | 20 mL de Medio Eagle Modificado de Dulbecco (DMEM) |
0,3 g de BSA sin ácidos grasos | |
0,1 g de colagenasa tipo 2 | |
Tampón de laboratorio de Farnham | TUBOS DE 5 mM (pH 8) |
85 mM KCl | |
0.5% IGEPAL | |
Tampón de cizallamiento | 10 mM Tris-HCl pH 8 |
0.1% SDS | |
1 mM EDTA |
Tabla 1: Composición de los diferentes tampones utilizados en el presente estudio.
El protocolo de aislamiento de adipocitos que aquí se presenta se basa en métodos de digestión enzimática bien aceptados11,14 para separar los adipocitos maduros (flotantes) de la fracción vascular estromal restante del tejido adiposo blanco. Proporciona un enfoque sencillo y universal para purificar los adipocitos maduros en cualquier modelo de ratón. Como se ha demostrado anteriormente, el protocolo es adecuado para su uso posterior para análisis de transcriptoma completo y ChIP-seq. Proporciona suficiente rendimiento para generar múltiples perfiles epigenómicos (por ejemplo, varias modificaciones de histonas más RNA-seq) a partir de la misma almohadilla de grasa individual.
Para garantizar los altos rendimientos que permiten la preparación de estos datos de epigenoma coincidentes, un paso crítico es el uso de heptano para disolver los lípidos de los adipocitos intactos y de los adipocitos que se lisan durante el proceso. En nuestra experiencia, este paso aumenta sustancialmente la reproducibilidad y el rendimiento al evitar que el ARN y los núcleos se pierdan en la capa lipídica. La rotación continua de los tubos que contienen adipocitos en proceso de fijación es igualmente importante, ya que mejora la homogeneidad con la que se eliminan los lípidos de los adipocitos. En lugar del tampón fijador de formaldehído al 1% reportado en gran parte de la literatura ChIP-seq21,22, se encontró que es necesario reducir la concentración a 0,7% de formaldehído para evitar la sobrefijación. El tiempo de cizallamiento de la cromatina también se optimizó a 12 minutos para lograr un rango de tamaño de cromatina óptimo (100-800 pb) para ChIP-seq.
El protocolo se optimizó para estudios masivos de transcriptoma y epigenoma. El protocolo actual todavía tiene sus propias limitaciones para las aplicaciones de transcriptoma y epigenoma de una sola célula. Teniendo en cuenta la heterogeneidad celular reportada en el campo de adiposidad23,24, este método de aislamiento podría desarrollarse aún más para ser adaptado a ensayos de una sola célula. En tales contextos, los marcadores restringidos por adipocitos como el boro-dipirrometeno (BODIPY)25 y la perilipina-1 (PLIN1)26, ASC-127, o los marcadores de núcleos específicos de adipocitos podrían ser valiosos para permitir la cuantificación de parámetros celulares adicionales, funcionales y relevantes28. Además de la aplicación a los estudios genómicos, este protocolo también podría mejorar los estudios proteómicos de los adipocitos, que tienen un obstáculo adicional debido al alto contenido de lípidos en los adipocitos29.
Este protocolo también se puede utilizar para extraer con éxito núcleos de adipocitos humanos (datos no mostrados), extendiendo su aplicación a la investigación sobre la obesidad humana.
Los autores no tienen nada que revelar.
Estamos en deuda con el MPI-IE de imágenes ópticas, secuenciación, núcleo bioinformático y personal. Este trabajo contó con el apoyo financiero del MPG, el Instituto de Investigación Van Andel, la investigación Horizonte 2020 de la Unión Europea, los NIH (R01HG012444 y R21HG011964), el acuerdo de subvención Marie Skłodowska-Curie n.º 675610 y el Ministerio Federal de Educación e Investigación en el marco del proyecto número 01KU1216 (Deutsches Epigenom Programm, DEEP).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
16% Formaldehyde Solution (w/v). Methanol-free | ThermoFisher SCIENTIFIC | 28908 | |
1-bromo-3-chloropropane | SIGMA | B9673 | |
5 M NaCl | invitrogen | AM9759 | |
Automated electrophoresis instrument (2100 Bioanalyzer Instrument) | Agilent Technologies | G2939BA | |
BODIPY | ThermoFisher SCIENTIFIC | D3922 | |
Collagenase Type 2 | Worthington Biochemical Corp. | 43D14184B | |
Complete, EDTA-free, Protease inhibitor cocktail (PIC) | Roche | 4693159001 | EDTA free |
DAPI | ThermoFisher SCIENTIFIC | D1306 | |
DMEM (+ GlutaMAX) | life technologies | 61965-026 | |
DNA purification kit (PCR purification kit) | Qiagen | 28104 | |
DNA quantification instrument (Qubit 4 Fluorometer) | Fisher SCIENTIFIC | Q33238 | |
DNA quantification kit (DNA high sensitivity assay) | Agilent Technologies | 5067-4626 | |
EDTA | Fisher chimical | E478-500 | |
EGTA | Fisher chimical | O2783-100 | |
EtOH | PHARMCO | 111000200 | |
Fatty acid-free BSA | SERVA | 11932.01 | bovine albumin fraction V, fatty acid-free lyophilized |
Glycine | SIGMA | G7126-100G | |
Heptane | SIGMA | H2198-1L | |
High Sensitivity RNA Analysis | Agilent Technologies | 5067-1513 | |
Igepal | SIGMA | 18896-50ML | |
KCl | SIGMA | P3911-25G | |
Matrix filter (420um) | Tisch Scientific | ME17238 | |
Next-Generation Sequencer (HiSeq 3000 Sequencer) | Illumina | ||
Nuclease-free water | Invitrogen | 4387936 | |
PIPES | ACROS organics | 5625-37-6 | |
Proteinase K | ThermoFisher SCIENTIFIC | EO0491 | |
RNA isolation reagent (Trizol) | ThermoFisher SCIENTIFIC | 15596026 | |
RNase A, DNase-free | ThermoFisher SCIENTIFIC | EN0531 | |
Rotator (Thermo Scientific Tube Revolver Rotator) | ThermoFisher SCIENTIFIC | 88881001 | |
SDS, Sodium dodecyl sulfate | SIGMA | 8170341000 | |
Sonication tube (1 mL milliTUBE with AFA Fiber) | Covaris | 520135 | |
Sonicator (Evolution Focused-ultra-sonicator (S220 or E220)) | Covaris | 500217 or 500239 | |
Total RNA Prep kit ( Illumina Stranded Total RNA Prep kit) | Illumina | 20040525 | |
Tris-HCl | Fisher bioreagents | BP153-500 |
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