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Method Article
Questo manoscritto delinea un protocollo per la preparazione di una libreria ATAC-seq di neutrofili da midollo osseo murino, con l'obiettivo di garantire una vitalità ottimale dei neutrofili e un'elevata qualità della libreria. Offre istruzioni dettagliate sulla preparazione del BMC, lo smistamento immunomagnetico e la costruzione di librerie, fungendo da guida preziosa, soprattutto per i neofiti dello studio dei neutrofili.
Il saggio per la cromatina accessibile alla trasposasi con sequenziamento (ATAC-seq) è una tecnica potente e ad alto rendimento per valutare l'accessibilità della cromatina e comprendere la regolazione epigenomica. I neutrofili, in quanto tipo di leucocitario cruciale nelle risposte immunitarie, subiscono sostanziali cambiamenti architettonici della cromatina durante la differenziazione e l'attivazione, che hanno un impatto significativo sull'espressione genica necessaria per le loro funzioni. ATAC-seq è stato determinante nella scoperta di fattori di trascrizione chiave nella maturazione dei neutrofili, nella rivelazione di firme epigenomiche specifiche del patogeno e nell'identificazione di bersagli terapeutici per le malattie autoimmuni. Tuttavia, la sensibilità dei neutrofili all'ambiente esterno complica la produzione di dati ATAC-seq di alta qualità. Qui, proponiamo un protocollo scalabile per la preparazione di librerie ATAC-seq da neutrofili derivati da midollo osseo di roditori, caratterizzato da una migliore separazione immunomagnetica per garantire una vitalità cellulare ottimale e librerie di alta qualità. Vengono discussi in dettaglio gli elementi vitali che influenzano la qualità della biblioteca e i principi di ottimizzazione per l'estensione metodologica. Questo protocollo supporterà i ricercatori che desiderano studiare l'architettura della cromatina e la riprogrammazione epigenomica dei neutrofili, facendo avanzare gli studi in immunologia di base e clinica.
I neutrofili sono uno dei tipi di cellule immunitarie più abbondanti e cruciali nei vertebrati, costituendo il 50%-70% dei leucociti umani1. I neutrofili svolgono un ruolo centrale nel rilevamento e nell'eliminazione dei microrganismi negli ospiti. Durante la sepsi, i neutrofili maturi sono tra i primi soccorritori2. Si mobilitano rapidamente nei siti di infezione tramite la chemiotassi3, dove combattono gli agenti patogeni ingerendo microrganismi (fagocitosi), producendo specie reattive dell'ossigeno dipendenti dalla NADPH ossidasi (esplosioni respiratorie), secernendo granuli (degranulazione) e formando trappole extracellulari neutrofile (NET) che catturano e uccidono i batteri extracellulari una volta arrivati al sito di infiammazione4. I neutrofili immaturi vengono anche rapidamente mobilizzati dal midollo osseo alla circolazione periferica dalle chemochine 5,6. Questi neutrofili attratti dal sito infettivo rilasciano anche citochine, che sono coinvolte in diversi processi fisiologici, come l'emopoiesi, l'angiogenesi e la guarigione delle ferite 7,8. I pazienti affetti da malattie congenite o acquisite che provocano una diminuzione della conta dei neutrofili sono più suscettibili alle infezioni 9,10. Tuttavia, l'attivazione dei neutrofili è un'arma a doppio taglio. L'attivazione e il rilascio eccessivi di citochine possono causare danni ai tessuti e agli organi, portando a disfunzioni multiorgano se le infezioni non vengono prontamente controllate11,12. Inoltre, i neutrofili contribuiscono anche a varie malattie infiammatorie e autoimmuni e possono influenzare la progressione del cancro e le metastasi13,14. Ciò sottolinea la necessità di studiare la regolazione dell'attività dei neutrofili per bilanciare un'efficace risposta immunitaria e prevenire danni all'ospite.
Nei neutrofili, l'architettura della cromatina subisce cambiamenti distinti e dinamici nella loro differenziazione, migrazione e attivazione, esercitando ruoli regolatori fondamentali per tutta la durata della vita cellulare. Questo viaggio, dal grande nucleo rotondo ricco di eucromatina dei mieloblasti a un nucleo più frastagliato nei mielociti e nei metamielociti, e poi a cellule in banda a forma di C o S e altamente lobulate con cromatina densamente impacchettata nei neutrofili polimorfonucleati15,16, è una testimonianza della complessità della biologia dei neutrofili. La configurazione specializzata della cromatina garantisce l'espressione selettiva di geni essenziali per la funzione dei neutrofili, come quelli coinvolti nella produzione di granuli e le rapide risposte trascrizionali necessarie per un'efficace eliminazione dei patogeni17. Quando i neutrofili vengono mobilizzati nei siti infiammatori tramite chemiotassi, la migrazione transendoteliale esercita pressione sul complesso linker nucleoscheletro/citoscheletro (LINC), provocando il rimodellamento della cromatina e un maggiore potenziale di attivazione18. Nella sepsi, i neutrofili attivati mostrano uno "spostamento nucleare-sinistro", con una morfologia anormale della cromatina, come nuclei bilobati o non lobati e condensazione della cromatina significativamente più sciolta19. Ciò si traduce in una maggiore accessibilità all'interno delle regioni geniche associate alla risposta infiammatoria, inducendo così un'espressione significativa di questi geni. Se le infezioni non sono debitamente controllate, la citrullinazione degli istoni e la successiva decostruzione della cromatina sono necessarie per formare NET20,21. Pertanto, la comprensione dell'architettura della cromatina dei neutrofili è fondamentale per far progredire la biologia dei neutrofili e sviluppare trattamenti per le malattie infiammatorie e autoimmuni, offrendo speranza per il futuro trattamento della malattia.
L'accessibilità della cromatina funge da metrica per l'architettura della cromatina a livello epigenomico. Indica come le regioni genomiche siano fisicamente consentite a potenziatori, promotori, isolanti e fattori leganti la cromatina e come questi elementi influenzino l'espressione genica22. Il test per la cromatina accessibile alla trasposasi con sequenziamento (ATAC-seq) è una tecnica ampiamente utilizzata per valutare l'accessibilità della cromatina in tutto il genoma23. Non richiede una conoscenza preliminare degli elementi regolatori, il che lo rende un potente strumento per la ricerca epigenetica. Questo metodo prevede l'isolamento di nuclei di campioni, la frammentazione del DNA genomico mediante trasposasi Tn5 e l'aggiunta di primer di sequenziamento per la preparazione della libreria, il sequenziamento e l'analisi dei dati23. ATAC-seq è stato determinante nello studio della mappatura dei nucleosomi, dell'analisi del legame dei fattori di trascrizione, dei meccanismi regolatori in vari tipi di cellule o malattie, dell'identificazione di nuovi potenziatori, della scoperta di biomarcatori, ecc.22,23. Viene spesso combinato con altre tecniche, come il sequenziamento dell'RNA, per un'analisi completa dell'espressione genica.
ATAC-seq ha migliorato le nostre conoscenze sulla biologia dei neutrofili scoprendo precisi meccanismi epigenetici in salute e malattia. Ha rivelato diversi fattori di trascrizione chiave (ad esempio, RUNX1, KLF6, PU.1, ecc.) nella maturazione dei neutrofili e nelle risposte effettrici24,25, ha scoperto firme patogeno-specifiche con potenziale biomarcatore nella sepsi26, ha chiarito i meccanismi epigenomici della memoria immunitaria innata12 e ha identificato bersagli terapeutici nella leucemia mieloide acuta pediatrica (AML)27. Tuttavia, come componente cellulare prominente nella sorveglianza immunitaria, i neutrofili mostrano un'elevata sensibilità al loro ambiente esterno e quindi rappresentano una sfida per la produzione di dati ATAC-seq di alta qualità. In circostanze fisiologiche, l'emivita mediana dei neutrofili umani è di 3,8 giorni, mentre l'emivita media dei neutrofili di topo è di 12,5 ore. È interessante notare che la loro emivita è considerevolmente più breve se studiata in vitro28,29. Durante il funzionamento in vitro di neutrofili isolati, l'esposizione a microrganismi o pattern molecolari associati a patogeni (PAMP), nonché procedure sperimentali ridondanti e operazioni difficili, possono provocare un'attivazione aberrante dei neutrofili e una diminuzione della vitalità cellulare a causa dell'apoptosi o della NETosi. Le cellule decedute ospitano comunemente quantità significative di DNA non cromatinizzato altamente suscettibile a Tn5, aumentando di conseguenza il rumore di fondo di ATAC-seq23.
Qui, proponiamo un protocollo scalabile per la preparazione di librerie ATAC-seq ottimizzate per neutrofili derivati da campioni di midollo osseo di roditori. La Figura 1 presenta una panoramica grafica del protocollo, che comprende la separazione immunomagnetica dei neutrofili dal midollo osseo, seguita da ATAC-seq. Il miglioramento della selezione immunomagnetica garantisce la vitalità ottimale dei neutrofili prima dell'estrazione del nucleo per la libreria ATAC-seq, assicurando così l'alta qualità delle librerie e facilitando l'incorporazione di ulteriori valutazioni dei neutrofili nello schema. L'implementazione di questo protocollo aiuterà i ricercatori a comprendere le caratteristiche dell'architettura della cromatina e i meccanismi di riprogrammazione epigenomica dei neutrofili quando esposti a varie sfide microambientali. Si prevede che questo avrà ampie applicazioni negli studi di immunologia di base e clinica.
Tutte le procedure per gli animali presentate di seguito sono conformi alle linee guida e ai regolamenti nazionali in materia di etica e benessere degli animali, che sono stati approvati dal Comitato etico per la ricerca sulla cura degli animali della Capital Medical University, Pechino, Cina (sjtkl11-1x-2022(060)).
1. Preparazione di sospensioni di cellule del midollo osseo (BMC)
2. Marcatura immunomagnetica di neutrofili con biglie magnetiche anti-Ly6G
3. Separazione dei neutrofili con smistamento cellulare immunomagnetico
4. Estrazione del nucleo
5. Tagmentazione nucleosoma-legata con trasposasi
6. Costruzione di librerie per il sequenziamento di nuova generazione (NGS)
7. Controllo di qualità e sequenziamento della biblioteca
Il protocollo delineato è stato impiegato per isolare i neutrofili dal midollo osseo di topi C57BL/6 e confrontare la loro rispettiva varianza nell'accessibilità della cromatina pre e post stimolazione del lipopolisaccaride (LPS) tramite ATAC-seq. Tipicamente, 2 x 107 BMC possono essere raccolti da entrambi i femori di un topo C57BL/6 di 6-8 settimane e, successivamente, possono essere isolati 2-5 x 106 neutrofili. Tra queste, 1 x 105 cellule sono impie...
Questo manoscritto riporta un protocollo sperimentale per la preparazione di librerie ATAC-seq ottimizzate per neutrofili derivati da campioni di midollo osseo di roditori. Poiché i neutrofili sono cellule immunitarie altamente suscettibili e prontamente attivabili, gli sforzi di ottimizzazione hanno dato priorità al mantenimento della vitalità dei neutrofili isolati. Un trattamento improprio può portare alla NETosi e ad altre forme di morte cellulare, provocando il rilascio di quant...
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Questo lavoro è stato sostenuto da sovvenzioni del Programma di Ricerca e Sviluppo della Commissione Municipale per l'Istruzione di Pechino (KZ202010025041) e dell'Istituto Cinese per la Ricerca Medica di Pechino (Sovvenzione n. 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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