Summary

En effektiv protokoll for CUT&RUN-analyse av FACS-isolerte musesatellittceller

Published: July 07, 2023
doi:

Summary

Presentert her er en effektiv protokoll for fluorescensaktivert cellesortering (FACS) isolering av mus lem muskel satellittceller tilpasset studiet av transkripsjonsregulering i muskelfibre ved spaltning under mål og frigjøring ved bruk av nuklease (CUT &RUN).

Abstract

Genombrede analyser med småcellepopulasjoner er en viktig begrensning for studier, spesielt innen stamcellefeltet. Dette arbeidet beskriver en effektiv protokoll for fluorescensaktivert cellesortering (FACS) isolering av satellittceller fra lemmermuskelen, et vev med høyt innhold av strukturelle proteiner. Dissekerte lemmemuskler fra voksne mus ble mekanisk forstyrret ved hakking i medium supplert med dispase og type I kollagenase. Ved fordøyelsen ble homogenatet filtrert gjennom cellesiler, og celler ble suspendert i FACS-buffer. Levedyktigheten ble bestemt med fikserbar levedyktighetsflekk, og immunfargede satellittceller ble isolert av FACS. Celler ble lysert med Triton X-100 og frigjorte kjerner ble bundet til concanavalin A magnetiske perler. Kjerne-/perlekomplekser ble inkubert med antistoffer mot transkripsjonsfaktoren eller histonmodifikasjoner av interesse. Etter vask ble kjerne-/perlekomplekser inkubert med protein A-mikrokokknuklease, og kromatinspaltning ble initiert med CaCl2. Etter DNA-ekstraksjon ble biblioteker generert og sekvensert, og profilene for genom-bred transkripsjonsfaktorbinding og kovalente histonmodifikasjoner ble oppnådd ved bioinformatisk analyse. Toppene oppnådd for de forskjellige histonmerkene viste at bindingshendelsene var spesifikke for satellittceller. Videre avslørte kjent motivanalyse at transkripsjonsfaktoren var bundet til kromatin via sitt kognitive responselement. Denne protokollen er derfor tilpasset for å studere genregulering i voksne mus lem muskel satellittceller.

Introduction

Skjelettstrikkede muskler representerer i gjennomsnitt 40% av vekten av den totale menneskekroppen1. Muskelfibre utviser en bemerkelsesverdig evne til regenerering ved skade, som er beskrevet ved fusjon av nydannede myocytter og generering av nye myofibre som erstatter de skadede2. I 1961 rapporterte Alexander Mauro en populasjon av mononukleære celler som han betegnet som satellittceller3. Disse stamcellene uttrykker transkripsjonsfaktorparet boks 7 (PAX7), og ligger mellom basal lamina og sarcolemma av muskelfibre4. De ble rapportert å uttrykke klyngen av differensiering 34 (CD34; en hematopoietisk, endotelial stamfar og mesenkymal stamcellemarkør), integrin alfa 7 (ITGA7; en glatt, hjerte- og skjelettmuskelmarkør), samt C-X-C kjemokinreseptor type 4 (CXCR4; en lymfocytt, hematopoietisk og satellittcellemarkør)5. I basale forhold bor satellittceller i et bestemt mikromiljø som holder dem i hviletilstand6. Ved muskelskade blir de aktivert, sprer seg og gjennomgår myogenese7. Imidlertid, som bare bidrar til en mindre brøkdel av det totale antall muskelceller, er deres genombrede analyser spesielt utfordrende, spesielt under fysiologiske innstillinger (<1% av totale celler).

Ulike metoder for kromatinisolering fra satellittceller har blitt beskrevet, som involverer kromatinimmunutfelling etterfulgt av massiv parallell sekvensering (ChIP-seq) eller spaltning under mål og tagmentation (CUT&Tag) eksperimenter. Likevel presenterer disse to teknikkene noen betydelige begrensninger som forblir uimotsagt. Faktisk krever ChIP-seq en høy mengde utgangsmateriale for å generere nok kromatin, hvorav en stor andel går tapt under sonikeringstrinnet. CUT&Tag er mer egnet for lavt cellenummer, men genererer flere off-target spaltningssteder enn ChIP-seq på grunn av Tn5-transposaseaktiviteten. I tillegg, siden dette enzymet har høy affinitet for åpne kromatinregioner, kan CUT&Tag-tilnærmingen fortrinnsvis brukes til å analysere histonmodifikasjoner eller transkripsjonsfaktorer assosiert med aktivt transkriberte regioner av genomet, i stedet for taushet heterokromatin 8,9.

Presentert her er en detaljert protokoll som tillater isolering av mus lem muskel satellittceller av FACS for spaltning under mål og frigjøring ved hjelp av nuklease (CUT &RUN) 10,11 analyse. De ulike trinnene involverer mekanisk forstyrrelse av vev, cellesortering og kjerneisolering. Metodens effektivitet, med hensyn til fremstilling av en levedyktig cellesuspensjon, ble demonstrert ved å utføre CUT&RUN-analyse for kovalente histonmodifikasjoner og transkripsjonsfaktorer. Kvaliteten på isolerte celler gjør den beskrevne metoden spesielt attraktiv for fremstilling av kromatin som fanger den opprinnelige genomiske okkupasjonstilstanden trofast, og vil sannsynligvis være egnet for å fange kromosomkonformasjonen i kombinasjon med høy gjennomstrømningssekvensering på spesifikke steder (4C-seq) eller på genombrede nivåer (Hi-C).

Protocol

Mus ble holdt i et akkreditert dyrehus, i samsvar med nasjonale retningslinjer for dyrepleie (EU-kommisjonens direktiv 86/609 / CEE; Fransk dekret nr.87-848) om bruk av forsøksdyr til forskning. Tiltenkte manipulasjoner ble sendt til den etiske komiteen (Com’Eth, Strasbourg, Frankrike) og til det franske forskningsdepartementet (MESR) for etisk evaluering og autorisasjon i henhold til 2010/63/EU-direktivet under APAFIS nummer #22281. 1. Fremstilling av cellesuspensjon for isolering av s…

Representative Results

Satellittceller fra museskjelettmuskler ble isolert ved å kombinere protokollene til Gunther et al. (heretter protokoll 1)12 og Liu et al.23 (heretter protokoll 2). Siden ikke-fordøyde muskelfibre ble observert etter fordøyelsen ved bruk av konsentrasjonen av kollagenase og dispase foreslått i protokoll 1, ble mengden enzymer økt for å forbedre muskelfiberdissosiasjonen, som beskrevet i trinn 1.2.1 og 1.2.3. Som angitt i protokoll 2 ble prøvene utsatt for en mild omr…

Discussion

Den foreliggende studien rapporterer en standardisert, pålitelig og enkel å utføre metode for isolering og kultur av musesatellittceller, samt vurdering av transkripsjonsregulering ved CUT&RUN-metoden.

Denne protokollen innebærer flere kritiske trinn. Den første er muskelforstyrrelser og fiberfordøyelse for å sikre et høyt antall innsamlede celler. Til tross for den økte enzymkonsentrasjonen ble det oppnådd flere levende celler enn ved bruk av protokoll 1. Satellittceller uttrykker e…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vi takker Anastasia Bannwarth for å gi utmerket teknisk assistanse. Vi takker IGBMCs dyrehusanlegg, cellekulturen, Mouse Clinical Institute (ICS, Illkirch, Frankrike), avbildningen, elektronmikroskopien, flowcytometrien og GenomEast-plattformen, et medlem av konsortiet ‘France Génomique’ (ANR-10-INBS-0009).

Dette arbeidet fra det tverrfaglige tematiske instituttet IMCBio, som en del av ITI 2021-2028-programmet ved Universitetet i Strasbourg, CNRS og Inserm, ble støttet av IdEx Unistra (ANR-10-IDEX-0002) og av SFRI-STRAT’US-prosjektet (ANR 20-SFRI-0012) og EUR IMCBio (ANR-17-EURE-0023) innenfor rammen av det franske Investments for the Future-programmet. Ytterligere finansiering ble levert av INSERM, CNRS, Unistra, IGBMC, Agence Nationale de la Recherche (ANR-16-CE11-0009, AR2GR), AFM-Téléthon strategisk program 24376 (til DD), inserm ung forskerstipend (til DD), ANR-10-LABX-0030-INRT, og et fransk statsfond forvaltet av ANR under rammeprogrammet Investissements d’Avenir (ANR-10-IDEX-0002-02). JR ble støttet av programmet CDFA-07-22 fra Université franco-allemande og Ministère de l’Enseignement Supérieur de la Recherche et de l’Innovation, og KG av Association pour la Recherche à l’IGBMC (ARI).

Materials

1.5 mL microtube Eppendorf 2080422
2 mL microtube Star Lab S1620-2700
5 mL tubes CORNING-FALCON 352063
50 mL tubes Falcon 352098
anti-AR abcam ab108341
anti-CD11b eBioscience 25-0112-82
anti-CD31 eBioscience 12-0311-82
anti-CD34 eBioscience 48-0341-82
anti-CD45 eBioscience 12-0451-83
anti-CXCR4 eBioscience 17-9991-82
anti-DMD abcam ab15277
anti-H3K27ac Active Motif 39133
anti-H3K4me2 Active Motif 39141
anti-ITGA7 MBL k0046-4
anti-PAX7 DSHB AB_528428
anti-TER119 BD Pharmingen TM 553673
Beads Polysciences 86057-3 BioMag®Plus Concanavalin A
Cell Strainer 100 µm Corning®  431752
Cell Strainer 40 µm Corning®  431750
Cell Strainer 70 µm Corning®  431751
Centrifuge 1 Eppendorf 521-0011 Centrifuge 5415 R
Centrifuge 2 Eppendorf 5805000010 Centrifuge 5804 R
Chamber Slide System  ThermoFischer 171080 Système Nunc™ Lab-Tek™ Chamber Slide
Cleaning agent Sigma   SLBQ7780V RNaseZAPTM
Collagenase, type I  Thermo Fisher 17100017 10 mg/mL
Dispase  STEMCELL technologies 7913 5 U/mL
DynaMag™-2 Aimant Invitrogen 12321D
Fixable Viability Stain BD Biosciences 565388
Flow cytometer BD FACSAria™ Fusion Flow Cytometer 23-14816-01
Fluoromount G with DAPI Invitrogen 00-4959-52
Genome browser  IGV http://software.broadinstitute.org/software/igv/
Glycerol  Sigma-Aldrich G9012
Hydrogel Corning®  354277 Matrigel hESC qualified matrix
Image processing software Image J® V 1.8.0
Laboratory film Sigma-Aldrich P7793-1EA PARAFILM® M
Liberase LT Roche 5401020001
Propyl gallate Sigma-Aldrich 2370
Sequencer  Illumina Hiseq 4000 SY-401-4001
Shaking water bath Bioblock Scientific polytest 20 18724

Referenzen

  1. Frontera, W. R., Ochala, J. Skeletal muscle: a brief review of structure and function. Calcified Tissue International. 96 (3), 183-195 (2015).
  2. Tedesco, F. S., Dellavalle, A., Diaz-Manera, J., Messina, G., Cossu, G. Repairing skeletal muscle: regenerative potential of skeletal muscle stem cells. The Journal of Clinical Investigation. 120 (1), 11-19 (2010).
  3. Mauro, A. Satellite cell of skeletal muscle fibers. The Journal of Biophysical and Biochemical Cytology. 9 (2), 493-495 (1961).
  4. Buckingham, M. Skeletal muscle progenitor cells and the role of Pax genes. Comptes Rendus Biologies. 330 (6-7), 530-533 (2007).
  5. Tosic, M., et al. Lsd1 regulates skeletal muscle regeneration and directs the fate of satellite cells. Nature Communications. 9 (1), 366 (2018).
  6. Kuang, S., Gillespie, M. A., Rudnicki, M. A. Niche regulation of muscle satellite cell self-renewal and differentiation. Cell Stem Cell. 2 (1), 22-31 (2008).
  7. Collins, C. A., et al. Stem cell function, self-renewal, and behavioral heterogeneity of cells from the adult muscle satellite cell niche. Cell. 122 (2), 289-301 (2005).
  8. Robinson, D. C. L., et al. Negative elongation factor regulates muscle progenitor expansion for efficient myofiber repair and stem cell pool repopulation. Developmental Cell. 56 (7), 1014-1029 (2021).
  9. Machado, L., et al. In situ fixation redefines quiescence and early activation of skeletal muscle stem cells. Cell Reports. 21 (7), 1982-1993 (2017).
  10. Hainer, S. J., Fazzio, T. G. High-resolution chromatin profiling using CUT&RUN. Current Protocols in Molecular Biology. 126 (1), 85 (2019).
  11. Meers, M. P., Bryson, T. D., Henikoff, J. G., Henikoff, S. Improved CUT&RUN chromatin profiling tools. eLife. 8, (2019).
  12. Gunther, S., et al. Myf5-positive satellite cells contribute to Pax7-dependent long-term maintenance of adult muscle stem cells. Cell Stem Cell. 13 (5), 590-601 (2013).
  13. Donlin, L. T., et al. Methods for high-dimensional analysis of cells dissociated from cryopreserved synovial tissue. Arthritis Research & Therapy. 20 (1), 139 (2018).
  14. Rico, L. G., et al. Accurate identification of cell doublet profiles: Comparison of light scattering with fluorescence measurement techniques. Cytometry. Part A. 103 (3), 447-454 (2022).
  15. Schreiber, V., et al. Extensive NEUROG3 occupancy in the human pancreatic endocrine gene regulatory network. Molecular Metabolism. 53, 101313 (2021).
  16. Rovito, D., et al. Myod1 and GR coordinate myofiber-specific transcriptional enhancers. Nucleic Acids Research. 49 (8), 4472-4492 (2021).
  17. Langmead, B., Salzberg, S. L. Fast gapped-read alignment with Bowtie 2. Nature Methods. 9 (4), 357-359 (2012).
  18. Meers, M. P., Tenenbaum, D., Henikoff, S. Peak calling by Sparse Enrichment Analysis for CUT&RUN chromatin profiling. Epigenetics Chromatin. 12 (1), 42 (2019).
  19. Ramirez, F., et al. deepTools2: a next generation web server for deep-sequencing data analysis. Nucleic Acids Research. 44, W160-W165 (2016).
  20. Thorvaldsdottir, H., Robinson, J. T., Mesirov, J. P. Integrative Genomics Viewer (IGV): high-performance genomics data visualization and exploration. Briefings in Bioinformatics. 14 (2), 178-192 (2013).
  21. Heinz, S., et al. Simple combinations of lineage-determining transcription factors prime cis-regulatory elements required for macrophage and B cell identities. Molecular Cell. 38 (4), 576-589 (2010).
  22. Zou, Z., Ohta, T., Miura, F., Oki, S. ChIP-Atlas 2021 update: a data-mining suite for exploring epigenomic landscapes by fully integrating ChIP-seq, ATAC-seq and Bisulfite-seq data. Nucleic Acids Research. 50, W175-W182 (2022).
  23. Liu, L., Cheung, T. H., Charville, G. W., Rando, T. A. Isolation of skeletal muscle stem cells by fluorescence-activated cell sorting. Nature Protocols. 10 (10), 1612-1624 (2015).
  24. Brandhorst, H., et al. Successful human islet isolation utilizing recombinant collagenase. Diabetes. 52 (5), 1143-1146 (2003).
  25. Nikolic, D. M., et al. Comparative analysis of collagenase XI and liberase H1 for the isolation of human pancreatic islets. Hepatogastroenterology. 57 (104), 1573-1578 (2010).
  26. Machado, L., et al. Tissue damage induces a conserved stress response that initiates quiescent muscle stem cell activation. Cell Stem Cell. 28 (6), 1125-1135 (2021).
  27. Diel, P., Baadners, D., Schlupmann, K., Velders, M., Schwarz, J. P. C2C12 myoblastoma cell differentiation and proliferation is stimulated by androgens and associated with a modulation of myostatin and Pax7 expression. Journal of Molecular Endocrinology. 40 (5), 231-241 (2008).
  28. Gronemeyer, H., Gustafsson, J. A., Laudet, V. Principles for modulation of the nuclear receptor superfamily. Nature Reviews Drug Discovery. 3 (11), 950-964 (2004).
  29. Billas, I., Moras, D. Allosteric controls of nuclear receptor function in the regulation of transcription. Journal of Molecular Biology. 425 (13), 2317-2329 (2013).
  30. Garcia-Prat, L., et al. FoxO maintains a genuine muscle stem-cell quiescent state until geriatric age. Nature Cell Biology. 22 (11), 1307-1318 (2020).
  31. Maesner, C. C., Almada, A. E., Wagers, A. J. Established cell surface markers efficiently isolate highly overlapping populations of skeletal muscle satellite cells by fluorescence-activated cell sorting. Skeletal Muscle. 6, 35 (2016).
  32. Schultz, E. A quantitative study of the satellite cell population in postnatal mouse lumbrical muscle. The Anatomical Record. 180 (4), 589-595 (1974).
  33. Hyder, A. Effect of the pancreatic digestion with liberase versus collagenase on the yield, function and viability of neonatal rat pancreatic islets. Cell Biology International. 29 (9), 831-834 (2005).
  34. Liang, F., et al. Dissociation of skeletal muscle for flow cytometric characterization of immune cells in macaques. Journal of Immunological Methods. 425, 69-78 (2015).
  35. Park, J. Y., Chung, H., Choi, Y., Park, J. H. Phenotype and tissue residency of lymphocytes in the murine oral mucosa. Frontiers in Immunology. 8, 250 (2017).
  36. Skulska, K., Wegrzyn, A. S., Chelmonska-Soyta, A., Chodaczek, G. Impact of tissue enzymatic digestion on analysis of immune cells in mouse reproductive mucosa with a focus on gammadelta T cells. Journal of Immunological Methods. 474, 112665 (2019).
check_url/de/65215?article_type=t

Play Video

Diesen Artikel zitieren
Ghaibour, K., Rizk, J., Ebel, C., Ye, T., Philipps, M., Schreiber, V., Metzger, D., Duteil, D. An Efficient Protocol for CUT&RUN Analysis of FACS-Isolated Mouse Satellite Cells. J. Vis. Exp. (197), e65215, doi:10.3791/65215 (2023).

View Video