Method Article
Il presente protocollo riassume un metodo universale per l'isolamento, la purificazione e l'elaborazione a monte di adipociti bianchi murini ottimizzato per il sequenziamento dell'RNA totale a valle, l'estrazione di nuclei mediante SONication (NEXSON) e ChIP-seq.
L'obesità è una malattia complessa influenzata dalla genetica, dall'epigenetica, dall'ambiente e dalle loro interazioni. Gli adipociti maturi rappresentano il principale tipo di cellula nel tessuto adiposo bianco. Comprendere come funzionano gli adipociti e rispondono ai segnali (epi)genetici e ambientali è essenziale per identificare le cause dell'obesità. L'RNA e la cromatina sono stati precedentemente isolati dagli adipociti utilizzando la digestione enzimatica. Inoltre, sono stati sviluppati protocolli per l'isolamento nucleare, in cui la purificazione si ottiene mediante smistamento cellulare attivato dalla fluorescenza (FACS) di reporter transgenici specifici per adipociti. Una delle maggiori sfide per ottenere un'elevata resa e qualità durante tali protocolli è la notevole quantità di lipidi contenuti nel tessuto adiposo. Il presente protocollo descrive una procedura ottimizzata per l'isolamento degli adipociti maturi che sfrutta l'eptano per separare i lipidi dai bersagli di interesse (RNA/cromatina). L'RNA risultante ha un'elevata integrità e genera risultati RNA-seq di alta qualità. Allo stesso modo, la procedura migliora il tasso di resa dei nuclei e genera risultati ChIP-seq riproducibili tra i campioni. Pertanto, il presente studio fornisce un protocollo di isolamento degli adipociti murini affidabile e universale adatto per studi di trascrittoma ed epigenoma dell'intero genoma.
L'obesità è tipicamente intesa come una malattia di accumulo di grasso in eccesso che contribuisce ad un aumento del rischio di diabete di tipo 2, malattie cardiometaboliche e diverse forme di cancro 1,2,3. Mentre l'attuale comprensione dell'obesità è fortemente radicata nella genetica (sia da studi sull'uomo che sui roditori), circa il 30%-70% della predisposizione alle malattie metaboliche è di origine non genetica 4,5,6,7,8 e rimane mal definita.
Il tessuto adiposo svolge un ruolo fondamentale nell'obesità e in altre malattie metaboliche 9,10. Il tessuto adiposo comprende gli adipociti maturi e la frazione vascolare stromale, compresi i preadipociti, le cellule endoteliali e le cellule immunitarie. Non è ancora chiaro come ogni tipo di cellula contribuisca all'obesità e come la disregolazione degli adipociti contribuisca all'obesità. Protocolli di isolamento e purificazione riproducibili ed efficaci per studi sull'epigenoma degli adipociti maturi sono di interesse per il campo.
Gli adipociti maturi sono stati a lungo isolati per analisi di espressione genica11 e studi sull'epigenoma 12,13. Esistono due strategie principali per isolare gli adipociti. Il primo consiste nell'utilizzare la digestione enzimatica per separare gli adipociti maturi dal resto dei tipi di cellule nella frazione vascolare stromale11,14. Il secondo consiste nel far sì che il tessuto adiposo rilasci nuclei intatti e quindi recuperare i nuclei sulla base di un reporter fluorescente mediante smistamento cellulare attivato dalla fluorescenza (FACS)12,13, che richiede modelli reporter transgenici specializzati. La sfida tecnica in ogni caso è che gli adipociti maturi contengono alte concentrazioni di lipidi (Figura 1), il che riduce la qualità e/o la resa dell'RNAtotale 15,16 e dei nuclei17. Qui, viene descritta una procedura di digestione enzimatica ottimizzata per isolare gli adipociti maturi, in cui il vantaggio dell'eptano è quello di dissolvere e rimuovere rapidamente ed efficacemente i lipidi18 prima dell'estrazione dell'RNA o le fasi di isolamento dei nuclei mediante estrazione dei nuclei mediante SONication (NEXSON)19. Il protocollo garantisce un eccellente recupero e qualità dell'RNA totale per gli studi sull'intero genoma e migliora significativamente la resa dei nuclei intatti per ChIP-seq riproducibile.
Tutti gli esperimenti sugli animali sono stati approvati dall'Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC), numero di protocollo: 18-10-028. Topi maschi C57BL/6J di 12 settimane sono stati soppressi con CO2 e sezionati per raccogliere i cuscinetti adiposi dal tessuto adiposo bianco dell'epididimo (eWAT).
1. Isolamento degli adipociti
2. Estrazione dell'RNA totale
NOTA: Eseguire questo passaggio in una cappa chimica.
3. Fissazione degli adipociti per ChIP-seq
NOTA: Eseguire il passaggio 3. in una cappa chimica.
4. Estrazione dei nuclei e taglio della cromatina
NOTA: Questa procedura è adattata da Arrigoni et al.19.
Gli adipociti sono stati isolati da sei cuscinetti adiposi, è stata eseguita l'estrazione dell'RNA a base di eptano (fase 2) e l'RNA risultante è stato analizzato sullo strumento di elettroforesi automatizzato. Il numero di integrità dell'RNA (RIN) calcolato per tutti i campioni era >8 (Figura 3A), indicando una preparazione di RNA di alta qualità e riproducibile. Il kit di preparazione dell'RNA totale è stato quindi utilizzato per preparare le librerie di RNA e ogni campione è stato sequenziato sul sequenziatore di nuova generazione per raggiungere una profondità di lettura di ≥40 milioni di letture. Il punteggio Phred per tutti i campioni (Figura 3B) e per sequenza (Figura 3C) è stato di ≥30, indicativo di sequenze di DNA di alta qualità20. Pertanto, la rimozione dell'eptano supporta l'isolamento di RNA ad alto rendimento e di alta qualità adatti al sequenziamento dell'RNA.
Nella fase di fissazione della formaldeide, sono state eseguite anche tre preparazioni di isolamento nucleare contenenti eptano e una preparazione di controllo senza eptano. La cromatina tranciata è stata quindi analizzata sullo strumento di elettroforesi automatizzato. In entrambi i casi, la cromatina è stata tranciata a un intervallo di dimensioni 100-800 bp (Figura 4A), ideale per le procedure ChIP-seq a valle19. È importante sottolineare che ~5 volte più cromatina è stata ottenuta dai campioni trattati con eptano (11,5 ng/μL, 9,42 ng/μL e 9,6 ng/μL) rispetto ai campioni non trattati (2,2 ng/μL). H3K4me3 e H3K27me3 ChIP-seq sono stati eseguiti seguendo Arrigoni et al.19. Come mostrato nella Figura 4B, le tracce del segnale provenienti da tre campioni indipendenti trattati con eptano erano paragonabili alla traccia del campione non trattato con eptano per entrambi i segni istonici. Il trattamento con eptano non interferisce con la qualità del ChIP-seq, ma migliora significativamente la resa dei nuclei (e della cromatina tranciata).
Figura 1: Adipociti isolati. Gli adipociti isolati sono stati colorati con DAPI (blu) per colorare il nucleo e BODIPY (verde) per i lipidi. Le goccioline lipidiche citosoliche comprendono fino al 95% del volume degli adipociti e rappresentano una sfida tecnica per ottenere rese elevate durante le estrazioni di RNA e cromatina. Barra della scala = 100 μm. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Flusso schematico dell'isolamento degli adipociti per l'analisi del trascrittoma e dell'epigenoma. Viene illustrato l'intero flusso di lavoro, dall'isolamento degli adipociti all'applicazione del trascrittoma o dell'epigenoma. Vengono mostrati i passaggi chiave e i risultati rappresentativi. (A) Gli adipociti isolati galleggiano sullo strato superiore, separandosi dalla frazione vascolare stromale come un pellet sul fondo del tubo. (B) L'uso dell'eptano per rimuovere i lipidi prima dell'estrazione dell'RNA con il reagente di isolamento dell'RNA. (C) L'uso dell'eptano per rimuovere i lipidi durante la fissazione degli adipociti. (D) L'immagine rappresentativa dei nuclei degli adipociti isolati deve essere intatta e rotonda. Barra della scala = 20 μm. Il programma è stato creato con BioRender.com. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Elettroferogramma rappresentativo dei punteggi di integrità e qualità dell'RNA dopo RNA-seq. (A) I campioni 1-6 rappresentano sei repliche di adipociti trattati con eptano e la loro analisi dell'integrità dell'RNA è stata eseguita sullo strumento automatizzato per elettroforesi. Il numero di integrità dell'RNA (RIN) si basava sui rapporti dell'RNA ribosomiale 18S e 28S e rappresenta la qualità dell'RNA. Scala da 1 (molto degradato) a 10 (il meno degradato). (B,C) Il punteggio di qualità della lettura del sequenziamento è stato determinato mediante analisi multiQC (B) per il punteggio medio di qualità sulle basi (C) e per il punteggio di qualità per sequenza. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Elettroferogramma rappresentativo della cromatina tranciata e dei picchi di arricchimento da ChIP-seq. (A) Profili rappresentativi dallo strumento di elettroforesi automatizzato che mostrano le distribuzioni dimensionali della cromatina del controllo (campione 1, in alto a sinistra) e delle preparazioni di cromatina adipocitaria trattate con eptano (campioni 2, 5 e 8, in alto a destra e due in basso). Le concentrazioni di cromatina nelle preparazioni finali sono indicate in alto a sinistra di ogni immagine. (B) Screenshot del browser del genoma realizzato utilizzando l'Integrative Genomics Viewer (IGV). La parte superiore del grafico mostra i profili ChIP-seq H3K4me3 per tre campioni trattati con eptano (rosso) e un controllo (blu). Il pannello inferiore mostra lo stesso per il ChIP-seq di H3K27me3. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Buffer | Composizione |
Tampone per la digestione (per 3000 mg o meno di cuscinetto adiposo/20 ml) | 20 ml di Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) |
0,3 g di BSA senza acidi grassi | |
0,1 g di collagenasi di tipo 2 | |
Tampone di laboratorio Farnham | TUBI 5 mM (pH 8) |
85 mM KCl | |
0,5% IGEPAL | |
Buffer di tranciatura | 10 mM Tris-HCl pH 8 |
0,1% SDS | |
1 mM EDTA |
Tabella 1: Composizione dei diversi tamponi utilizzati nel presente studio.
Il protocollo di isolamento degli adipociti qui presentato si basa su metodi di digestione enzimatica ben accettati11,14 per separare gli adipociti maturi (galleggianti) dalla frazione vascolare stromale rimanente del tessuto adiposo bianco. Fornisce un approccio semplice e universale alla purificazione degli adipociti maturi in qualsiasi modello murino. Come dimostrato in precedenza, il protocollo è adatto per l'uso a valle per l'analisi dell'intero trascrittoma e del ChIP-seq. Fornisce una resa sufficiente per generare più profili epigenomici (ad esempio, diverse modifiche istoniche più RNA-seq) dallo stesso cuscinetto adiposo individuale.
Per garantire le rese elevate che consentono la preparazione di tali dati epigenomici corrispondenti, un passaggio critico consiste nell'utilizzare l'eptano per dissolvere i lipidi dagli adipociti intatti e dagli adipociti che si lisano durante il processo. Nella nostra esperienza, questo passaggio aumenta sostanzialmente la riproducibilità e la resa impedendo che l'RNA e i nuclei vengano persi nello strato lipidico. La rotazione continua delle tube contenenti gli adipociti sottoposti a fissazione è altrettanto importante in quanto migliora l'omogeneità con cui i lipidi vengono rimossi dagli adipociti. Invece del tampone fissativo di formaldeide all'1% riportato in gran parte della letteratura ChIP-seq21,22, è stato riscontrato che è necessario ridurre la concentrazione allo 0,7% di formaldeide per evitare l'eccessiva fissazione. Anche il tempo di taglio della cromatina è stato ottimizzato a 12 minuti per ottenere un intervallo di dimensioni ottimali della cromatina (100-800 bp) per ChIP-seq.
Il protocollo è stato ottimizzato per studi di trascrittoma di massa ed epigenoma. L'attuale protocollo ha ancora i suoi limiti per le applicazioni di trascrittoma ed epigenoma a singola cellula. Considerando l'eterogeneità cellulare riportata nel campo di adiposità 23,24, questo metodo di isolamento potrebbe essere ulteriormente sviluppato per essere adattato per saggi su singola cellula. In tali contesti, marcatori adipocitari limitati come il boro-dipirrometene (BODIPY)25 e la perilipina-1 (PLIN1)26, ASC-127 o marcatori nucleici adipociti-specifici potrebbero essere preziosi per consentire la quantificazione di parametri cellulari aggiuntivi, funzionali e rilevanti28. Oltre all'applicazione agli studi genomici, questo protocollo potrebbe anche migliorare gli studi di proteomica degli adipociti, che hanno un ulteriore ostacolo a causa dell'elevato contenuto di lipidi negli adipociti29.
Questo protocollo può essere utilizzato anche per estrarre con successo nuclei di adipociti umani (dati non mostrati), estendendo la sua applicazione alla ricerca sull'obesità umana.
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Siamo in debito con l'imaging ottico MPI-IE, il sequenziamento, il nucleo bioinformatico e il personale. Questo lavoro è stato sostenuto da finanziamenti dell'MPG, dell'Istituto di ricerca Van Andel, della ricerca Horizon 2020 dell'Unione Europea, degli NIH (R01HG012444 e R21HG011964), dell'accordo di sovvenzione Marie Skłodowska-Curie n. 675610 e del Ministero federale dell'Istruzione e della Ricerca nell'ambito del progetto numero 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 |
Richiedi autorizzazione per utilizzare il testo o le figure di questo articolo JoVE
Richiedi AutorizzazioneThis article has been published
Video Coming Soon