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Method Article
이 원고는 최적의 호중구 생존력과 높은 라이브러리 품질을 보장하는 것을 목표로 쥐 골수에서 호중구의 ATAC-seq 라이브러리를 준비하기 위한 프로토콜을 간략하게 설명합니다. BMC 준비, 면역자기 분류 및 라이브러리 구축에 대한 단계별 지침을 제공하여 특히 호중구 연구를 처음 접하는 사람들에게 유용한 가이드 역할을 합니다.
염기서열분석을 통한 Transposase-Accessible Chromatin 분석(ATAC-seq)은 염색질 접근성을 평가하고 후성유전체 조절을 이해하기 위한 강력한 고처리량 기술입니다. 면역 반응에서 중요한 백혈구 유형인 호중구는 분화 및 활성화 과정에서 상당한 염색질 구조적 변화를 겪으며, 이는 기능에 필요한 유전자 발현에 상당한 영향을 미칩니다. ATAC-seq는 호중구 성숙의 주요 전사 인자를 밝히고, 병원체 특이적 후성유전체 시그니처를 밝히고, 자가면역 질환에 대한 치료 표적을 식별하는 데 중요한 역할을 했습니다. 그러나 외부 환경에 대한 호중구의 민감성은 고품질 ATAC-seq 데이터 생성을 복잡하게 만듭니다. 여기에서는 설치류 골수 유래 호중구로부터 ATAC-seq 라이브러리를 준비하기 위한 확장 가능한 프로토콜을 제안하며, 최적의 세포 생존력과 고품질 라이브러리를 보장하기 위해 향상된 면역자기 분리를 특징으로 합니다. 라이브러리 품질에 영향을 미치는 중요한 요소와 방법론적 확장을 위한 최적화 원칙에 대해 자세히 설명합니다. 이 프로토콜은 호중구의 염색질 구조 및 후성유전체 재프로그래밍을 연구하고자 하는 연구자를 지원하여 기초 및 임상 면역학 연구를 발전시킬 것입니다.
호중구는 척추동물에서 가장 풍부하고 중요한 면역 세포 유형 중 하나로, 인간 백혈구의 50%-70%를 차지합니다1. 호중구는 숙주에서 미생물을 감지하고 제거하는 데 중심적인 역할을 합니다. 패혈증 중에는 성숙한 호중구가 첫 번째 반응자중 하나입니다 2. 이들은 화학주성(chemotaxis)3을 통해 감염 부위로 빠르게 이동하며, 여기서 미생물을 섭취하고(식세포작용(phagocytosis), NADPH 산화효소 의존성 활성산소종(NADPH oxidase-dependent reactive oxygen species)을 생성하고(호흡기 파열), 과립을 분비하고(탈과립화), 염증 부위에 도착한 세포외 박테리아를 잡아 죽이는 호중구 세포외 트랩(neutrophil extracellular trap, NET)을 형성함으로써 병원체와 싸운다4. 미성숙 호중구는 또한 케모카인에 의해 골수에서 말초 순환으로 빠르게 동원됩니다 5,6. 감염 부위에 유인된 이러한 호중구는 또한 사이토카인을 방출하는데, 이는 조혈, 혈관 신생 및 상처 치유와 같은 여러 생리학적 과정에 관여합니다 7,8. 호중구 수가 감소하는 선천성 질환 또는 후천성 질환을 앓고 있는 환자는 감염에 더 취약하다 9,10. 그러나 호중구 활성화는 양날의 검입니다. 과도한 활성화와 사이토카인 방출은 조직과 장기 손상을 유발할 수 있으며, 감염을 즉시 통제하지 않으면 다발성 장기 기능 장애를 유발할 수 있다11,12. 또한 호중구는 다양한 염증성 질환 및 자가면역 질환에 기여하며 암 진행과 전이에 영향을 미칠 수 있습니다13,14. 이는 효과적인 면역 반응의 균형을 유지하고 숙주에 대한 손상을 방지하기 위해 호중구 활동 조절을 연구할 필요성을 강조합니다.
호중구에서 염색질 구조는 분화, 이동 및 활성화에서 뚜렷하고 역동적인 변화를 겪으며 세포 수명 전반에 걸쳐 중추적인 조절 역할을 합니다. 크고 둥글며 유크로마틴이 풍부한 골수모세포의 핵에서 골수구와 메타골수구의 더 움푹 들어간 핵으로, 그리고 다형성핵 호중구에서 조밀하게 채워진 염색질로 고도로 소엽화된 C 또는 S 모양의 띠 내 세포에 이르는 이 여정15,16은 호중구 생물학의 복잡성에 대한 증거입니다. 특화된 염색질 배열은 효과적인 병원체 제거에 필요한 과립 생산 및 빠른 전사 반응에 관여하는 유전자와 같이 호중구 기능에 필수적인 유전자의 선택적 발현을 보장합니다17. 호중구가 화학주성을 통해 염증 부위로 동원될 때, 경내피 이동은 핵골격/세포골격 복합 링커(LINC) 복합체에 압력을 가하여 염색질 재형성과 더 많은 활성화 가능성을 촉진합니다18. 패혈증에서 활성화된 호중구는 이중핵 또는 비엽핵과 같은 비정상적인 염색질 형태와 현저히 느슨한 염색질 응축과 함께 "핵-좌측 이동"을 나타냅니다19. 그 결과 염증 반응과 관련된 유전자 영역 내의 접근성이 높아져 이러한 유전자의 유의미한 발현을 유도할 수 있습니다. 감염이 적절하게 통제되지 않는 경우, 히스톤 시트룰린화(histone citrullination)와 그에 따른 염색질 해체(chromatin deconstruction)가 NET을 형성하는 데 필요하다20,21. 따라서 호중구 염색질 구조를 이해하는 것은 호중구 생물학을 발전시키고 염증성 질환 및 자가면역 질환 치료법을 개발하여 향후 질병 치료에 대한 희망을 제공하는 데 매우 중요합니다.
염색질 접근성은 후성유전체(epigenomic) 수준에서 염색질 구조에 대한 지표 역할을 합니다. 이는 게놈 영역이 인핸서(enhancer), 프로모터(promoter), 절연체(insulators) 및 염색질 결합 인자(chromatin-binding factor)에 어떻게 물리적으로 허용되는지, 그리고 이러한 요소가 유전자 발현에 어떻게 영향을 미치는지를 나타냅니다22. 염기서열분석을 통한 전이효소 접근 가능 염색질 분석(ATAC-seq)은 게놈23 전반에 걸쳐 염색질 접근성을 평가하는 데 널리 사용되는 기술입니다. 조절 요소에 대한 사전 지식이 필요하지 않으므로 후성유전학 연구를 위한 강력한 도구입니다. 이 방법에는 샘플의 핵을 분리하고, 트랜스포사제 Tn5에 의한 게놈 DNA 단편화, 라이브러리 준비, 염기서열분석 및 데이터 분석을 위한 염기서열분석 프라이머를 추가하는 것이 포함됩니다23. ATAC-seq는 뉴클레오솜 매핑, 전사 인자 결합 분석, 다양한 세포 유형 또는 질병의 조절 메커니즘, 새로운 인핸서 식별, 바이오마커 발견 등을 연구하는 데 중요한 역할을 했습니다22,23. 유전자 발현의 포괄적인 분석을 위해 RNA 염기서열분석과 같은 다른 기술과 결합되는 경우가 많습니다.
ATAC-seq는 건강과 질병에서 정확한 후성유전학적 메커니즘을 밝혀냄으로써 호중구 생물학에 대한 지식을 발전시켰습니다. 이를 통해 호중구 성숙 및 효과기 반응에서 몇 가지 주요 전사 인자(즉, RUNX1, KLF6, PU.1 등)가 밝혀졌고24,25, 패혈증에서 바이오마커 가능성이 있는 병원체 특이적 시그니처를 밝혀냈으며26, 선천성 면역 기억12의 후성유전체 메커니즘을 규명하고, 소아 급성 골수성 백혈병(AML)27의 치료 표적을 확인했습니다. 그러나 면역 감시에서 두드러진 세포 구성 요소인 호중구는 외부 환경에 대한 민감도가 높기 때문에 고품질 ATAC-seq 데이터를 생성하는 데 어려움을 겪습니다. 생리학적 상황에서 인간 호중구의 평균 반감기는 3.8일인 것으로 보고된 반면 마우스 호중구의 평균 반감기는 12.5시간입니다. 시험관 내에서 연구할 때 반감기가 상당히 짧다는 것은 주목할 만합니다 28,29. 분리된 호중구의 체외 작동 중 미생물 또는 병원체 관련 분자 패턴(PAMP)에 노출되고 중복 실험 절차 및 가혹한 수술로 인해 비정상적인 호중구 활성화가 발생하고 세포사멸 또는 NETosis로 인해 세포 생존력이 감소할 수 있습니다. 죽은 세포는 일반적으로 Tn5에 매우 취약한 상당한 양의 염색되지 않은 DNA를 수용하고 있으며, 결과적으로 ATAC-seq23의 배경 잡음을 높입니다.
여기에서는 설치류 골수 샘플에서 유래한 호중구에 최적화된 ATAC-seq 라이브러리를 준비하기 위한 확장 가능한 프로토콜을 제안합니다. 그림 1 은 골수에서 호중구의 면역자기 분리와 ATAC-seq를 포함하는 프로토콜의 그래픽 개요를 보여줍니다. 개선된 면역자기 분류는 ATAC-seq 라이브러리의 핵을 추출하기 전에 호중구의 최적 생존력을 보장하여 라이브러리의 고품질을 보장하고 추가 호중구 평가를 계획에 쉽게 통합할 수 있도록 합니다. 이 프로토콜의 구현은 연구자들이 다양한 미세환경 문제에 노출될 때 호중구의 염색질 구조 특징과 후성유전체 재프로그래밍 메커니즘을 이해하는 데 도움이 될 것입니다. 이는 기초 및 임상 면역학 연구에서 광범위하게 적용될 것으로 예상됩니다.
아래에 제시된 모든 동물 절차는 중국 베이징 캐피탈 의과대학 동물관리 연구 윤리위원회(sjtkl11-1x-2022(060))에서 승인한 국가 윤리 및 동물 복지 지침 및 규정을 준수했습니다.
1. 골수 세포(BMC) 현탁액의 준비
2. anti-Ly6G 마그네틱 비드를 사용한 호중구의 면역자기 라벨링
3. 면역자기 세포 분류를 통한 호중구 분리
4. 핵 추출
5. 트랜스포사제(transposase)를 사용한 뉴클레오솜 테더링(tethered) 태깅
6. 차세대 염기서열분석(NGS)을 위한 라이브러리 구축
7. 도서관 품질 관리 및 시퀀싱
요약된 프로토콜은 C57BL/6 마우스의 골수에서 호중구를 분리하고 ATAC-seq를 통한 리포다당류(LPS) 자극 전후 염색질 접근성의 각각의 차이를 비교하기 위해 사용되었습니다. 일반적으로 6-8주 된 C57BL/6 마우스의 양쪽 대퇴골에서 2 x 107 BMC를 채취할 수 있으며, 그 후 2-5 x 106 호중구를 분리할 수 있습니다. 그 중 1 x 105 세포는 ATAC-seq에 사용되며, 잉여 세?...
이 원고는 설치류 골수 샘플에서 유래한 호중구에 최적화된 ATAC-seq 라이브러리를 준비하기 위한 실험 프로토콜을 보고합니다. 호중구는 면역 세포에 매우 민감하고 쉽게 활성화되는 면역 세포이기 때문에 최적화 노력은 분리된 호중구의 생존력을 유지하는 데 우선순위를 두었습니다. 부적절한 치료는 NETosis 및 다른 형태의 세포 사멸로 이어질 수 있으며, 상당한 양의 염?...
저자는 공개할 내용이 없습니다.
이 연구는 베이징시 교육위원회(KZ202010025041)의 R&D 프로그램과 베이징 중국의학연구소(Chinese Institutes for Medical Research, 베이징)의 보조금으로 지원되었다(보조금 번호. CX24PY29).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.4% Trypan Blue | Scientific | T10282 | |
1x phosphate-buffered saline | Biosharp | BL302A | |
20 bp–5000 bp Alignment marker | Bioptic | C109102-100A | DNA fragment analyzer supporting products |
5k Size marker(Standard 50 bp Ladder) | Bioptic | C109101-100A | DNA fragment analyzer supporting products |
Amplicons Purification Beads | Beckman | A63881 | Amplicons Purification Beads is a nucleic acid purification kit for obtaining high quality DNA products. |
Anti-Ly6G MicroBeads Ultrapure, mouse | miltenyi | 130-120-337 | The Anti-Ly-6G MicroBeads UltraPure, mouse were developed for positive selection or depletion of mouse neutrophils from single-cell suspensions of mouse bone marrow. |
Anti-mouse CD11b-BV605 (1:200) | BD | Cat#563015 | |
Anti-mouse CD48-PE-Cy7 (1:400) | BD | Cat#560731 | |
Anti-mouse Ly6G-BV510 (1:200) | BD | Cat#740157 | |
C57BL/6J mice, wild type, 8-week-old, male | The Institute of Laboratory Animal Science, Chinese Academy of Medical Sciences | The Institute of Laboratory Animal Science, Chinese Academy of Medical Sciences | |
DNA Separation Buffer | Bioptic | C104406 | DNA fragment analyzer supporting products |
E. coli derived ultrapure LPS (serotype0111: B4) | Sigma-Aldrich | Cat#L-2630 | |
DNA Quantitative Reagent | vazyme | EQ111 | DNA Quantitative Reagentt is a simple, sensitive and accurate double-stranded DNA (dsDNA) fluorescence quantitative assay kit. |
Erythrocyte lysis buffer (10x) | BioLegend | Cat#420301 | |
Fetal bovine serum | Gibco | Cat#10099141C | |
MS Separation columns | miltenyi | 130-042-201 | MS Columns are designed for positive selection of cells. |
RPMI 1640 medium | Gibco | C11875500BT | |
S2 Gel electrophoresis needle | Bioptic | C105101 | DNA fragment analyzer supporting products |
Surgical instruments: scalpel, dissection scissors, microdissection scissors, fine forceps, blunt anatomical forceps, needle holder | Fisher Scientific | https://www.fishersci.com/us/en/browse/90184247/surgical-tools | Can be purchased from other qualified suppliers |
Syringe (1 mL) | Fisher Scientific | https://www.fishersci.com/shop/products/sterile-syringes-single-use-12/14955464 | Can be purchased from other qualified suppliers |
TruePrepTM DNA Library Prep Kit V2 for Illumina | vazyme | TD501-01 | TruePrep DNA Library Prep Kit V2 for Illumina is a purpose-built kit specifically developed for Illumina's high-throughput sequencing platform. Using the kit, DNA can be prepared into sequencing libraries dedicated to Illumina's high-throughput sequencing platform. |
TruePrepTM Index Kit V2 for Illumina | vazyme | TD202 | TruePrep Index Kit V2 for Illumina is a Kit for the TruePrep DNA Library Prep Kit V2 for Illumina. It can be used to prepare 96 different double-ended Index libraries. |
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