这项工作描述了一种在分离的脑小胶质细胞中使用核内流式细胞术定量全局组蛋白修饰的方案。这项工作还包含用于数据收集的小胶质细胞分离方案。
基因表达控制部分通过染色质结构的修饰发生,包括添加和去除组蛋白尾部的翻译后修饰。组蛋白翻译后修饰 (HPTM) 可以促进基因表达或抑制。例如,组蛋白尾部赖氨酸残基的乙酰化可中和正电荷并减少尾部与带负电荷的DNA之间的相互作用。组蛋白尾部-DNA 相互作用的减少导致基础 DNA 的可及性增加,从而增加转录因子的可及性。乙酰化标记还可以作为含溴结构域的转录激活因子的识别位点,共同导致基因表达增强。组蛋白标记可以在细胞分化过程中动态调节,并响应不同的细胞环境和刺激。虽然下一代测序方法已经开始表征单个组蛋白修饰的基因组位置,但只能同时检查一种修饰。鉴于有数百种不同的 HPTM,我们开发了一种高通量、定量的全球 HPTM 测量方法,可用于在进行更广泛的基因组测序方法之前筛选组蛋白修饰。该协议描述了一种基于流式细胞术的方法来检测全局HPTM,可以使用培养中的细胞或从 体内 组织中分离的细胞进行。我们提供了来自分离的小鼠脑小胶质细胞的示例数据,以证明该测定法的灵敏度,以检测 HPTM 响应细菌衍生的免疫刺激(脂多糖)的全局变化。该协议允许对HPTM进行快速和定量评估,并可应用于抗体可检测的任何转录或表观遗传调节因子。
表观遗传学是研究在不改变潜在DNA序列的情况下调节基因表达的机制。基因表达的表观遗传调控在细胞内是动态的,可以对各种环境刺激做出快速和协调的反应。动态调节的发生部分是由于核小体水平染色质结构的变化,核小体由组蛋白(H2A、H2B、H3、H4)组成,这些蛋白组装成由DNA1紧密缠绕的八聚体核心。组蛋白和 DNA 之间的相互作用可以控制 DNA 对转录机制的可及性,从而最终控制基因表达和染色质生物学的其他方面2。组蛋白具有非结构化的尾部,其特征是带正电荷的残基与带负电荷的 DNA 骨架形成静电相互作用。这些相互作用导致DNA紧密堆积并降低DNA可及性。组蛋白尾部的共价修饰,称为组蛋白翻译后修饰 (HPTM),可以调节这些相互作用 3,4。一些最充分表征的 HPTM 包括组蛋白尾部乙酰化和甲基化,它们可以改变组蛋白尾部和 DNA 之间静电相互作用的亲和力,导致对潜在 DNA 的可及性和在特定位点识别这些 HPTM 的转录因子的募集。HPTM 由三类重要的酶调节,称为读取器(识别)、写入器(沉积)和橡皮擦(去除 HPTM)。因此,读取酶、写酶或橡皮擦酶的募集或溶解最终可以改变 HPTM 的格局并控制染色质的结构和功能,使其调节和读出对于理解细胞生物学和功能至关重要 3,4。
中枢神经系统 (CNS) 中的细胞在表观遗传上是灵活的,因为它们会改变其转录组以适应环境刺激。越来越多的证据表明,表观基因组的变化,如 DNA 甲基化、非编码 RNA 和 HPTM,在记忆形成和突触功能中起着至关重要的作用5。通过操纵相关的阅读器、写入器或橡皮擦来破坏 HPTM 动态可以阻止或增强联想学习和长期增强 6,7,8。小胶质细胞是中枢神经系统的常驻免疫细胞,通过表观基因组的动态变化快速调节其转录组以响应免疫刺激 9,10,11。这种对局部大脑环境的高度适应使它们难以在孤立的背景下进行检查,因为研究表明,小胶质细胞的表观基因组和转录组在从大脑环境中取出后仅在培养基中几个小时后就会发生变化11。此外,由于小胶质细胞仅占大脑细胞的 10%,因此检查整个组织水平变化的措施缺乏敏感性和特异性12,13。因此,需要快速分离小胶质细胞以检查表观遗传变化,例如离体HPTM水平。
常用于检查 HPTM 的方法包括染色质免疫沉淀测序 (ChIP-seq) 和靶标下切割和标记测序 (CUT&Tag-seq)4。虽然这些技术对单个 HPTM 具有高度特异性,并且可以告知特定基因组环境中 HPTM 的存在,但它们只能在单个实验中检查许多可能的 HPTM 中的一种 11,14 因此,在进行此类需要大量时间和金钱投资的实验之前,通过首先检查全球的变化来缩小潜在感兴趣的 HPTM 列表以进行进一步研究是非常有价值的HPTM 的水平。检查整体 HPTM 水平的两种主要方法是免疫组化和蛋白质印迹分析,但这两种方法都只是半定量、低通量,并且需要大量组织切片或分离细胞15,16。因此,我们旨在开发一种高度灵敏的定量方法,可用于在单细胞水平上快速检查全球HPTM水平。
所提出的方案能够使用核内流式细胞术快速检测全球HPTM水平。先前对癌细胞的研究已经证明了从临床角度检查全球水平的重要性17,18。在评估感兴趣的特定 HPTM 的基因组位置之前,研究通常使用全局水平作为筛选方法19,20。对于小胶质细胞,由于细胞产量低,在分离后评估整体水平具有挑战性;Pan 等人提出了来自分离小胶质细胞的整体 HPTM 水平,其中来自三只动物的小胶质细胞被合并,以便通过蛋白质印迹19 检测蛋白质水平。使用我们的方案,我们能够以更低的细胞输入量检测全局变化,从而能够筛选每只动物的多个标记,并且无需混合样本。
在这里,我们描述了一种通过定量核内流式细胞术在分离的小胶质细胞中快速检测HPTM水平的方案。虽然为了简洁起见,我们特别关注HPTM定量,但该协议可以以相同的方式用于量化读取器,写入器和橡皮擦酶的全局水平。该方案分为两部分:第一部分是小胶质细胞的分离方法,第二部分是用于确定HPTM水平的基于流式细胞术的方法。分离方法产生的细胞可用于 RNA 分离和 HPTM 水平评估,从而可以评估来自同一样品的基因表达和 HPTM 水平。此外,HPTM评估方法可用于方案中指示的其他细胞类型。
所提出的方案可以通过流式细胞术定量评估全球HPTM水平。虽然该协议提出了一种新方法,但以前的研究已经使用类似的方法对蛋白质进行了定量评估26。以前用于评估全球 HPTM 水平的方法包括免疫组化和蛋白质印迹16、17、19、20。所提出的基于流式细胞术的方法是一种易于量化的方法,而蛋白质印迹和免疫组化是半定量的,通量较低。蛋白质印迹依赖于细胞裂解,因此需要蛋白质归一化和假设在实验条件27下保持不变的上样对照蛋白。免疫组化是半定量的,通量非常低,因为如果不检查单个细胞水平,就很难定量评估蛋白质的量16。同样,对于分离的小胶质细胞,使用流式细胞术方法也有好处,因为蛋白质印迹需要更大的蛋白质输入19,因此产量有限。低细胞数量要求允许从同一动物身上运行多个染色板。
然而,与任何其他方法一样,该技术存在抗体成本和可用性等局限性,因为并非所有抗体在流式细胞术环境中都能正常工作。此外,与免疫印迹相比,所需的抗体浓度要高得多。虽然多重检测允许在同一组细胞上使用多种抗体,但分析后不能剥离细胞中的抗体,从而将细胞的使用限制为每种抗体种类一种。这与免疫印迹不同,免疫印迹可以重复使用相同的印迹。然而,根据抗体的可用性和细胞仪上的检测通道数量,可以同时检查多达十几个标记。
目前的方法仅捕获蛋白质表达的全局水平,而不是特定的基因组位置,并且全局水平的变化可能无法反映单个基因组位点的变化。同样,全球水平缺乏变化可能并不意味着没有基因组位点发生变化,只是全球变化的总和意味着治疗之间没有差异。因此,该技术旨在用作筛选,以识别基因组分析所需的HPTM。此外,该方法不允许在不同的蛋白质标记之间进行比较,除非被评估为对照的倍数变化。因此,与用于蛋白质测定的标准基于曲线的方法(如 ELISA)相比,这是有限的。
所提出的方案提供了一种分离活脑小胶质细胞的策略。该协议依赖于 P2RY12 蛋白表达进行小胶质细胞分离。然而,P2RY12 是小胶质细胞中的稳态标志物,可以在疾病模型中下调,例如 5XFAD22。因此,当使用疾病模型动物时,一定要选择其他标记蛋白,如TMEM119、CD11b或CD45,以帮助分离小胶质细胞23。同样,我们将该协议表示为与海马体和/或皮层的隔离。该协议将用于将小胶质细胞与其他大脑区域(包括白质区域)隔离开来,但是,根据感兴趣区域的大小,可能需要多只动物才能获得足够的小胶质细胞。
所提出的方案可以稳健地分离活的脑小胶质细胞,但是在分离阶段有几个步骤,如下所述,如果执行不当,可能会降低细胞产量。
该方案的灌注导致免疫富集片段中小胶质细胞的百分比更高,这将减少分选仪的时间。但是,不需要灌注,如果需要,可以使用其他安乐死方法。
在小胶质细胞分离期间,髓磷脂应完全去除。流式细胞仪依赖于细胞能够快速穿过狭窄的管路。由于髓鞘的粘度和结块倾向,髓鞘会导致细胞仪出现问题,经常导致堵塞,从而损坏设备并破坏样品,从而大大降低产量。在收集富含免疫的片段时,要小心去除所有髓鞘,以避免在下游出现问题。
平板染色与试管染色:在该方案中,我们描述了在 1.5 mL 试管或 96 孔板中对细胞进行染色的两种选择。每个用例都取决于实验;然而,一般来说,试管染色影响产量的风险低于平板染色,因为如果操作不当,试管可能会丢失细胞。平板染色要快得多,因为吸出每个试管的上清液非常耗时。在固定(用于分选等)之前,使用试管染色以最大限度地提高产量并降低损失风险。然而,对于 HPTM 分析,一旦细胞固定用于核内染色,沉淀就更稳定,并且轻弹丢失的风险降低。
建立不连续的密度梯度:在建立分层时,正确设置分层对于获得免疫富集部分至关重要。如果各层受到干扰或混合并出现浑浊,则细胞将无法分选到所需的位置,并且将难以获得免疫富集的细胞部分。如果发生这种情况,用密度培养基旋转以除去髓磷脂,然后收集整个剩余部分,用 3 mL FACS 缓冲液稀释至 1 mL 密度培养基并充分混合(这将需要多个试管)。以 500 x g 旋转 10 分钟,制动器为 0。弃去上清液,仅留下~300μL溶液。收集整个样品并染色。这将降低分选百分比,并在流式细胞仪上花费更多的时间,但产量仍然可以具有可比性。
当使用分离方法时,能够从同一小鼠大脑中收集用于RNA和HPTM评估的细胞是有益的。在这种情况下,在对活小胶质细胞进行分选后,可以将细胞分开以分配一部分用于 RNA 评估(获得体面的 RNA 产量的最小细胞输入数为 75,000 个细胞)和一部分用于进一步的流式细胞术分析(每孔至少 10,000 个细胞,以便很好地测定 MFI)。在这种情况下,需要流式细胞仪分选。但是,当仅计划将细胞用于HPTM分析时,不需要分选,并且可以用P2RY12抗体和HPTM抗体对免疫部分进行染色。然后可以为P2RY12+小胶质细胞设置细胞仪上的门控,就像流式分选一样,以仅分析小胶质细胞内的HPTM信号。消除排序可以使协议更快、更具成本效益。此外,如果评估来自培养细胞的HPTM,从染色方案开始就足够了,不需要细胞标志物抗体,如 图6所示。HPTM 评估方案可用于多种细胞类型,包括培养细胞、原代细胞和 IPSC 衍生细胞。
最后,虽然我们只介绍了小胶质细胞在分离下游的两种潜在用途,但还有许多其他用途,包括 ChIP、CUT&Tag 和 CUT&RUN 等表观遗传技术。在基因组表观遗传技术的情况下,表征特定位点的变化是感兴趣的,选择特定的抑制剂作为染色质标记11 的写入者和橡皮擦,以确保所描述的任何小胶质细胞表观遗传修饰不是来自分离过程(如酶消化)任何步骤的技术伪影。在评估表观遗传标记全局水平的变化时,例如使用定量流式细胞术,预计任何程序诱导的变化都不会大到在全局水平上检测到。
总体而言,所讨论的方法提供了一种新颖的单细胞方法,用于通过流式细胞术量化组蛋白修饰和其他表观遗传变化的全局水平。我们证明,该方法足够灵敏,可以检测小胶质细胞中增强子标记物 H3K27ac 对 体内 LPS 的反应的全局变化。这与先前在 LPS 刺激后对 H3K27ac 进行的 ChIP 测序一致,该测序显示对 LPS28 有反应的增强子发生了显着重塑。这种方法的应用将允许检查不同脑细胞类型在发育和疾病中的整体表观遗传变化。
The authors have nothing to disclose.
感谢 Yanyang Bai 帮助完成 图 5 中的免疫印迹。这项工作得到了加拿大卫生研究院[CRC-RS 950-232402至AC]的支持;加拿大自然科学与工程研究委员会 [RGPIN-2019-04450, DGECR-2019-00069 to AC];苏格兰分册慈善基金会 [21103 至 AC] 和加拿大大脑基金会 [AWD-023132 至 AC];不列颠哥伦比亚大学原住民研究生奖学金(6481至MT);不列颠哥伦比亚省研究生奖学金(6768 至 MT);加拿大开放神经科学平台学生学者奖(10901 给 JK);不列颠哥伦比亚大学四年制博士奖学金(6569 至 JK)。资助者在研究设计、数据收集和分析、发表决定或手稿准备方面没有任何作用。
0.5M EDTA | Invitrogen | AM9260G | |
15 mL Falcon Centrifuge Tubes, Polypropylene, Sterile | Falcon | 352196 | |
24-well Clear Not Treated Plates | Costar | 3738 | |
2-Mercaptoethanol | Gibco | 21985023 | |
96 Well Clear Polystyrene Microplate, clear round bottom, non treated surface | Corning | 3788 | |
Acetyl Histone 3 K9 (C5B11) | Cell Signalling Technology | 9649S | Dilution: 1:100 |
Acetyl Histone H4 K8 (2594) | Cell Signalling Technology | 2594S | Dilution: 1:100 |
Acetyl-Histone H3 K27 (D5E4) | Cell Signalling Technology | 8173S | Dilution: 1:100 |
Acetyl-Histone H3 Lys27 (MA523516) | Invitrogen | MA523516 | Dilution: 1:100 |
Actinomycin D | New England Biolabs | 15021S | |
Anisomycin | New England Biolabs | 2222S | |
Anti-Histone H3 (tri methyl K4) | Abcam | ab213224 | Dilution: 1:100 |
Anti-Lactyl-Histone H4 (Lys 12) Rabbit mAb | PTM Biolabs | PTM-1411RM | Dilution: 1:250 |
Anti-L-Lactyllysine Rabbit pAb | PRM Biolabs | PTM-1401RM | Dilution: 1:250 |
Apc anti-P2RY12 Antibody, Clone: S16007D | BioLegend | 848006 | |
BSA | Tocris | 5217 | |
Cyto-Last Buffer | BioLegend | 422501 | |
dimethylsulfoxide, sterile | Cell Signalling Technology | 12611S | |
DNAse I | STEMCELL Technologies | 07900 | |
Donkey Anti Mouse AlexaFluor488 | Jackson ImmunoResearch | 715-546-150 | Dilution: 1:500 |
Donkey Anti Rabbit AlexaFluor488 | ABclonal | AS035 | Dilution: 1:500 |
Donkey Anti Rabbit AlexaFluor568 | Invitrogen | A10042 | Dilution: 1:500 |
Donkey Anti Rabbit Brilliant Violet 421 | BioLegend | 406410 | Dilution: 1:500 |
Fisherbrand Disposable Graduated Transfer Pipettes | Fisherbrand | 13-711-9AM | |
Fisherbrand Disposable PES Filter Unit, 250mL | Fisherbrand | FB12566502 | |
H3K18ac Polyclonal Antibody | Invitrogen | 720095 | Dilution: 1:100 |
HBSS (10X), no calcium, no magnesium, no phenol red | Gibco | 14185052 | |
HBSS, no calcium, no magnesium, no phenol red | Gibco | 14175103 | |
Histone 3 Trimethyl K27 (ab6002) | Abcam | ab6002 | Dilution: 1:100 |
KONTES Dounce Tissue Grinders 125mm 7mL | VWR | 885300-0007 | |
Lactyl-Histone H3 (Lys 18) Rabbit mAb | PTM BIolabs | PTM-1406RM | Dilution: 1:250 |
Lipopolysacharide | Sigma-Aldrich | L5418 | |
Normal Donkey Serum | Jackson ImmunoResearch | 017-000-121 | |
OneComp eBeads Compensation Beads | Invitrogen | 01-1111-41 | |
PDS Kit, Papain Vial – Worthington Biochemical | Cedarlane | LK003178 | |
Percoll | Sigma-Aldrich | GE17-0891-02 | |
Phenol Red | VWR | RC57004 | |
QIAshredder | Qiagen | 79656 | |
Rainbow Fluorescent Particles, 1 peak (3.0-3.4 uM – Mid Range Intensity | BioLegend | 422905 | |
RNase-free Microfuge Tubes, 1.5 mL | Invitrogen | AM12400 | |
Rneasy Plus Micro Kit | Qiagen | 74034 | |
Round Bottom Polypropylene Tubes with Caps, 5 mL | Corning | 352063 | |
Triptolide | New England Biolabs | 97539 | |
True Nuclear Transcription Factor Buffer Set | BioLegend | 424401 | |
TruStain FcX PLUS (anti-mouse CD16/32) Antibody | BioLegend | 156604 | |
Trypan Blue | VWR | 97063-702 | |
Zombie Aqua Fixable Viability Kit | BioLegend | 423102 |