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본 프로토콜은 다운스트림 전체 RNA 염기서열분석, NEXSON(Nuclei Extraction by SONication) 및 ChIP-seq에 최적화된 쥐 백색 지방세포의 분리, 정제 및 업스트림 처리를 위한 보편적인 방법을 요약합니다.
비만은 유전학, 후성유전학, 환경 및 이들의 상호 작용에 의해 영향을 받는 복잡한 질병입니다. 성숙한 지방세포(adipocyte)는 백색 지방 조직의 주요 세포 유형을 나타냅니다. 지방세포가 어떻게 기능하고 (후성)유전적, 환경적 신호에 반응하는지 이해하는 것은 비만의 원인을 규명하는 데 필수적입니다. RNA와 염색질은 이전에 효소 분해를 사용하여 지방 세포에서 분리되었습니다. 또한, 핵 분리를 위한 프로토콜이 개발되었으며, 여기서 정제는 지방 세포 특이적 형질전환 리포터의 형광 활성화 세포 분류(FACS)를 통해 이루어집니다. 이러한 프로토콜 동안 높은 수율과 품질을 달성하기 위한 가장 큰 과제 중 하나는 지방 조직에 포함된 상당한 양의 지질입니다. 본 프로토콜은 헵탄을 활용하여 관심 대상(RNA/염색질)에서 지질을 분리하는 성숙한 지방 세포를 분리하기 위한 최적화된 절차를 설명합니다. 그 결과 생성된 RNA는 무결성이 높고 고품질 RNA-seq 결과를 생성합니다. 마찬가지로, 이 절차는 핵 수율을 개선하고 시료 전반에 걸쳐 재현 가능한 ChIP-seq 결과를 생성합니다. 따라서 현재 연구는 전체 게놈 전사체 및 후성유전체 연구에 적합한 신뢰할 수 있고 보편적인 쥐 지방 세포 분리 프로토콜을 제공합니다.
비만은 일반적으로 제2형 당뇨병, 심장대사질환 및 여러 형태의 암의 위험을 높이는 데 기여하는 과도한 지방 축적 질환으로 이해됩니다 1,2,3. 비만에 대한 현재의 이해는 유전학(인간 및 설치류 연구 모두)에 크게 뿌리를 두고 있지만, 대사 질환 소인의 약 30%-70%는 기원이 비유전적이며 4,5,6,7,8 여전히 잘못 정의되어 있습니다.
지방 조직은 비만 및 기타 대사 질환에서 중요한 역할을 합니다 9,10. 지방 조직은 성숙한 지방세포와 전지방세포, 내피 세포 및 면역 세포를 포함한 기질 혈관 분획으로 구성됩니다. 각 세포 유형이 비만에 어떻게 기여하는지, 지방 세포 조절 장애가 비만에 어떻게 기여하는지는 아직 불분명합니다. 성숙한 지방 세포 후성유전체 연구를 위한 재현 가능하고 효과적인 분리 및 정제 프로토콜은 이 분야의 관심사입니다.
성숙한 지방세포는 유전자 발현 분석(11)과 후성유전체(epigenome) 연구12,13를 위해 오랫동안 분리되어 왔다. 지방 세포를 분리하는 두 가지 주요 전략이 있습니다. 첫 번째는 효소 소화를 사용하여 기질 혈관 분획11,14의 나머지 세포 유형에서 성숙한 지방 세포를 분리하는 것입니다. 두 번째는 지방 조직을 떨어뜨려 온전한 핵을 방출한 다음 형광 활성화 세포 분류(FACS)12,13에 의해 형광 리포터를 기반으로 핵을 회수하는 것인데, 이를 위해서는 특수 형질전환 리포터 모델이 필요합니다. 각 사례의 기술적 과제는 성숙한 지방세포가 고농도의 지질을 함유하고 있으며(그림 1), 이는 총 RNA15,16 및 핵17의 품질 및/또는 수율을 감소시킨다는 것입니다. 여기에서는 성숙한 지방 세포를 분리하기 위한 최적화된 효소 분해 절차가 설명되며, 여기서 헵탄의 장점은 RNA 추출 또는 SONication(NEXSON)에 의한 핵 분리 단계 전에 지질(18)을 빠르고 효율적으로 용해 및 제거하는 것입니다(19). 이 프로토콜은 게놈 전체 연구를 위해 전체 RNA의 우수한 회수율과 품질을 보장하고 재현성 있는 ChIP-seq를 위해 온전한 핵의 수율을 크게 향상시킵니다.
모든 동물 실험은 IACUC(Institutional Animal Care and Use Committee)의 승인을 받았으며 프로토콜 번호: 18-10-028입니다. 생후 12주 된 수컷 C57BL/6J 마우스를 CO2 로 안락사시키고 부고환 백색 지방 조직(eWAT)에서 지방 패드를 채취하기 위해 해부했습니다.
1. 지방세포 격리
2. 총 RNA 추출
알림: 화학 물질 후드에서 이 단계를 수행하십시오.
3. ChIP-seq를 위한 지방세포 정착
참고: 3단계를 수행합니다. 화학 후드에.
4. 핵 적출과 염색질 깎는
참고: 이 절차는 Arrigoni et al.19에서 발췌한 것입니다.
6개의 지방 패드에서 지방세포를 분리하고, 헵탄 기반 RNA 추출을 수행하고(2단계), 생성된 RNA를 자동 전기영동 기기에서 분석했습니다. 모든 샘플에 대해 계산된 RNA 무결성 수(RIN)는 >8(그림 3A)이었으며, 이는 고품질의 재현 가능한 RNA 준비를 나타냅니다. 그런 다음 전체 RNA 준비 키트를 사용하여 RNA 라이브러리를 준비하고, 각 샘플은 차세대 염기서열분석기에서 염기서열분석을 수행하여 4천만 판독 ≥ 판독 깊이에 도달했습니다. 모든 샘플(그림 3B) 및 염기서열별(그림 3C)에 대한 Phred 점수는 ≥30이었으며, 이는 고품질 DNA 염기서열20을 나타냅니다. 따라서 헵탄 제거는 RNA 염기서열분석에 적합한 고수율, 고품질 RNA의 분리를 지원합니다.
포름알데히드 고정 단계에서는 헵탄을 함유한 핵 분리 제제 3개와 헵탄이 없는 대조군 제제 1개도 수행했습니다. 그런 다음 전단된 염색질을 자동 전기영동 기기에서 분석했습니다. 두 경우 모두, 염색질은 100-800 bp 크기 범위(그림 4A)로 전단되었으며, 이는 다운스트림 ChIP-seq 절차19에 이상적입니다. 중요한 것은 헵탄 처리된 샘플(11.5ng/μL, 9.42ng/μL 및 9.6ng/μL)에서 처리되지 않은 샘플(2.2ng/μL)에 비해 ~5배 더 많은 염색질이 얻어졌다는 것입니다. H3K4me3 및 H3K27me3 ChIP-seq는 Arrigoni et al.19에 따라 수행되었습니다. 그림 4B에서 볼 수 있듯이, 3개의 독립적인 헵탄 처리된 샘플의 신호 트랙은 두 히스톤 마크에 대한 헵탄이 처리되지 않은 샘플의 트랙과 유사했습니다. 헵탄 처리는 ChIP-seq의 품질을 방해하지 않지만 핵(및 전단 염색질) 수율을 크게 향상시킵니다.
그림 1: 분리된 지방세포. 분리된 지방세포는 핵을 염색하기 위해 DAPI(파란색)로 염색하고 지질에 대해서는 BODIPY(녹색)로 염색했습니다. 세포질 지질 방울은 지방 세포 부피의 최대 95%를 구성하며 RNA 및 염색질 추출 중에 높은 수율을 달성하기 위한 기술적 과제를 제기합니다. 스케일 바 = 100μm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 전사체 및 후성유전체 분석을 위한 지방세포 분리의 개략적 흐름. 지방 세포 분리에서 전사체 또는 후성유전체 적용에 이르기까지 전체 작업 흐름이 묘사되어 있습니다. 주요 단계와 대표적인 결과가 표시됩니다. (A) 분리된 지방세포는 최상층에 떠 있으며, 튜브 바닥에서 펠릿으로 기질 혈관 분획과 분리됩니다. (B) RNA 분리 시약으로 RNA를 추출하기 전에 지질을 제거하기 위해 헵탄을 사용하는 것. (C) 지방 세포 고정 중 지질을 제거하기 위해 헵탄을 사용하는 것. (D) 분리된 지방세포 핵의 대표 이미지는 온전하고 둥글어야 합니다. 스케일 바 = 20μm. 이 계획은 BioRender.com 함께 만들어졌습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: RNA 염기서열 분석 후 RNA 무결성 및 품질 점수의 대표적인 전기표.(A) 샘플 1-6은 헵탄 처리된 지방세포의 6개 복제물을 나타내며, 이들의 RNA 무결성 분석은 자동 전기영동 기기에서 실행되었습니다. RNA 무결성 수(RIN)는 18S 및 28S 리보솜 RNA 비율을 기반으로 하며 RNA 품질을 나타냅니다. 1(많이 저하됨)에서 10(가장 성능이 낮음)까지 크기를 조정합니다. (B,C) 염기서열분석 판독 품질 점수는 염기(C)의 평균 품질 점수와 염기서열당 품질 점수에 대한 multiQC 분석(B)에 의해 결정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: ChIP-seq의 전단 염색질 및 농축 피크의 대표적인 전기영 동도.(A) 대조군(샘플 1, 왼쪽 상단)과 헵탄 처리된 지방 세포 염색질 제제(샘플 2, 5 및 8, 오른쪽 상단 및 하단 2)의 염색질 크기 분포를 보여주는 자동 전기영동 기기의 대표 프로파일. 최종 제제의 염색질 농도는 각 이미지의 왼쪽 상단에 표시되어 있습니다. (B) Integrative Genomics Viewer(IGV)를 사용하여 만든 게놈 브라우저 스크린샷. 플롯의 상단 부분은 3개의 (빨간색) 헵탄 처리 샘플과 1개의 (파란색) 대조군에 대한 H3K4me3 ChIP-seq 프로파일을 보여줍니다. 하단 패널은 H3K27me3의 ChIP-seq에 대해 동일하게 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
완충기 | 구성 |
소화 완충액 (지방 패드 3000mg 이하 / 20mL) | Dulbecco의 변형 이글 배지(DMEM) 20mL |
무 지방산 BSA 0.3 g | |
0.1g 콜라겐분해효소 2형 | |
Farnham 실험실 버퍼 | 5mM 파이프(pH 8) |
85mM KCl | |
0.5% 이게팔 | |
전단 버퍼 | 10mM 트리스-HCl pH 8 |
0.1% 증권 시세 표시기 | |
1mM EDTA |
표 1: 본 연구에 사용된 다양한 완충액의 조성.
여기에 제시된 지방세포 분리 프로토콜은 백색 지방 조직의 잔여 기질 혈관 분획에서 성숙한 지방세포(부유)를 분리하기 위해 잘 알려진 효소 분해 방법11,14를 기반으로 합니다. 이는 모든 마우스 모델에서 성숙한 지방 세포를 정제하기 위한 간단하고 보편적인 접근 방식을 제공합니다. 위에서 설명한 바와 같이, 이 프로토콜은 전체 전사체 및 ChIP-seq 분석을 위한 다운스트림 사용에 적합합니다. 동일한 개별 지방 패드에서 여러 후성유전체 프로파일(예: 여러 히스톤 변형 및 RNA-seq)을 생성하기에 충분한 수율을 제공합니다.
이러한 일치하는 후성유전체 데이터를 준비할 수 있는 높은 수율을 보장하기 위해 중요한 단계는 헵탄을 사용하여 온전한 지방세포와 공정 중에 용해되는 지방세포에서 지질을 용해하는 것입니다. 우리의 경험에 비추어 볼 때, 이 단계는 RNA와 핵이 지질층으로 손실되는 것을 방지함으로써 재현성과 수율을 크게 증가시킵니다. 고정을 받는 지방세포를 포함하는 관의 지속적인 회전은 지방세포에서 지질이 제거되는 균질성을 향상시키는 만큼 똑같이 중요합니다. ChIP-seq 문헌21,22의 대부분에 보고된 1% 포름알데히드 고착 완충액 대신, 과도한 고정을 피하기 위해 농도를 0.7% 포름알데히드로 줄이는 것이 필요하다는 것이 밝혀졌습니다. ChIP-seq에 대한 최적의 염색질 크기 범위(100-800bp)를 달성하기 위해 염색질 전단 시간도 12분으로 최적화되었습니다.
이 프로토콜은 벌크 전사체 및 후성유전체 연구에 최적화되었습니다. 현재 프로토콜은 여전히 단일 세포 전사체 및 후성유전체 응용 분야에 대한 자체 제한이 있습니다. 비뚱장23,24에서 보고된 세포 이질성을 고려할 때, 이 분리 방법은 단일 세포 분석에 적용하기 위해 추가로 개발될 수 있습니다. 이러한 맥락에서 붕소-디피로메텐(BODIPY)25 및 페리리핀-1(PLIN1)26, ASC-127과 같은 지방세포 제한 마커 또는 지방세포 특이적 핵 마커는 추가적이고 기능적이며 관련된 세포 매개변수의 정량화를 가능하게 하는 데 유용할 수 있습니다28. 게놈 연구에 대한 응용 외에도 이 프로토콜은 지방 세포의 높은 지질 함량으로 인해 추가 장애물이 있는 지방 세포 단백질체 연구를 개선할 수도 있습니다29.
이 프로토콜은 또한 인간 지방 세포 핵(데이터는 표시되지 않음)을 성공적으로 추출하는 데 사용할 수 있으며, 인간 비만에 대한 연구로 응용 프로그램을 확장할 수 있습니다.
저자는 공개할 내용이 없습니다.
우리는 MPI-IE 광학 이미징, 염기서열 분석, 생물 정보학 핵심 및 인력에 빚을 지고 있습니다. 이 작업은 MPG, Van Andel Research Institute, European Union의 Horizon 2020 연구, NIH(R01HG012444 및 R21HG011964), Marie Skłodowska-Curie 보조금 계약 번호 675610 및 프로젝트 번호 01KU1216(Deutsches Epigenom Programm, DEEP)에 따라 연방 교육 연구부의 자금 지원을 받았습니다.
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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