En este trabajo se describe un protocolo para la cuantificación de modificaciones globales de histonas mediante citometría de flujo intranuclear en microglía cerebral aislada. El trabajo también contiene el protocolo de aislamiento de microglía que se utilizó para la recolección de datos.
El control de la expresión génica se produce parcialmente por modificaciones en la estructura de la cromatina, incluida la adición y eliminación de modificaciones postraduccionales en las colas de histonas. Las modificaciones postraduccionales de histonas (HPTM) pueden facilitar la expresión génica o la represión. Por ejemplo, la acetilación de los residuos de lisina de la cola de histonas neutraliza la carga positiva y reduce las interacciones entre la cola y el ADN cargado negativamente. La disminución de las interacciones entre la cola de las histonas y el ADN da como resultado una mayor accesibilidad del ADN subyacente, lo que permite un mayor acceso al factor de transcripción. La marca de acetilación también sirve como un sitio de reconocimiento para los activadores transcripcionales que contienen bromodominios, lo que en conjunto da como resultado una mayor expresión génica. Las marcas de histonas pueden regularse dinámicamente durante la diferenciación celular y en respuesta a diferentes entornos y estímulos celulares. Si bien los enfoques de secuenciación de próxima generación han comenzado a caracterizar las ubicaciones genómicas para las modificaciones de histonas individuales, solo se puede examinar una modificación al mismo tiempo. Dado que hay cientos de HPTM diferentes, hemos desarrollado una medida cuantitativa de alto rendimiento de HPTM globales que se puede utilizar para detectar modificaciones de histonas antes de realizar enfoques de secuenciación genómica más extensos. Este protocolo describe un método basado en citometría de flujo para detectar HPTM globales y se puede realizar utilizando células en cultivo o células aisladas de tejidos in vivo . Presentamos datos de ejemplo de microglía cerebral de ratón aislada para demostrar la sensibilidad del ensayo para detectar cambios globales en HPTM en respuesta a un estímulo inmunológico derivado de bacterias (lipopolisacárido). Este protocolo permite la evaluación rápida y cuantitativa de HPTMs y se puede aplicar a cualquier regulador transcripcional o epigenético que pueda ser detectado por un anticuerpo.
La epigenética es el estudio de los mecanismos que regulan la expresión génica sin alterar la secuencia de ADN subyacente. La regulación epigenética de la expresión génica es dinámica dentro de las células y puede permitir respuestas rápidas y coordinadas a diversos estímulos ambientales. La regulación dinámica ocurre en parte debido a cambios en la estructura de la cromatina a nivel del nucleosoma, que está compuesto por proteínas histonas (H2A, H2B, H3, H4) ensambladas en un núcleo octámero fuertemente enrollado por el ADN1. Las interacciones entre las proteínas histonas y el ADN pueden controlar la accesibilidad del ADN a la maquinaria de transcripción, que en última instancia puede controlar la expresión génica y otros aspectos de la biología de la cromatina. Las proteínas histonas tienen colas desestructuradas que presentan residuos cargados positivamente que forman interacciones electrostáticas con la columna vertebral del ADN cargada negativamente. Estas interacciones dan como resultado un empaquetamiento apretado del ADN y una menor accesibilidad al ADN. Las modificaciones covalentes de las colas de histonas, denominadas modificaciones postraduccionales de histonas (HPTM), pueden regular estas interacciones 3,4. Algunos de los HPTM mejor caracterizados incluyen la acetilación y la metilación de la cola de histonas, que pueden cambiar la afinidad de las interacciones electrostáticas entre las colas de histonas y el ADN, lo que resulta en una accesibilidad diferencial al ADN subyacente y al reclutamiento de factores de transcripción que reconocen estos HPTM en sitios específicos. Los HPTM están regulados por tres clases importantes de enzimas denominadas lectores, que reconocen, escritores, que depositan, y borradores, que eliminan los HPTM. Por lo tanto, el reclutamiento o la disolución de las enzimas lectoras, escritoras o borradoras pueden, en última instancia, cambiar el panorama de las HPTM y gobernar la estructura y función de la cromatina, lo que hace que su regulación y lectura sean esenciales para comprender la biología celular y su función 3,4.
Las células del sistema nervioso central (SNC) son epigenéticamente flexibles, ya que cambian su transcriptoma para adaptarse a los estímulos ambientales. La evidencia acumulada sugiere que los cambios en el epigenoma, como la metilación del ADN, los ARN no codificantes y los HPTM, juegan un papel esencial en la formación de la memoria y la función sináptica5. La interrupción de la dinámica de HPTM a través de la manipulación de los lectores, escritores o borradores relevantes puede bloquear o mejorar el aprendizaje asociativo y la potenciación a largo plazo 6,7,8. La microglía, la célula inmunitaria residente del SNC, regula rápidamente su transcriptoma en respuesta a la estimulación inmunitaria a través de cambios dinámicos en su epigenoma 9,10,11. Este alto nivel de adaptación a su entorno cerebral local hace que sean difíciles de examinar en un contexto aislado, ya que los estudios han demostrado que el epigenoma y el transcriptoma de la microglía se alteran después de unas pocas horas en los medios de cultivo después de la eliminación del entorno cerebral11. Además, dado que la microglía solo constituye el 10% de las células cerebrales, las medidas que examinan los cambios a nivel de todo el tejido carecen de sensibilidad y especificidad12,13. Como resultado, la microglía debe aislarse rápidamente para examinar los cambios epigenéticos, como los niveles de HPTM, ex vivo.
Los métodos comúnmente utilizados para examinar las HPTM incluyen la secuenciación de inmunoprecipitación de cromatina (ChIP-seq) y la escisión bajo objetivos y la secuenciación de marcaje (CUT&Tag-seq)4. Si bien estas técnicas son altamente específicas para un HPTM individual y pueden informar la presencia de HPTM dentro de un contexto genómico específico, solo pueden examinar uno de los muchos HPTM posibles dentro de un solo experimento 11,14 Por lo tanto, antes de proceder con tales experimentos, que requieren una inversión significativa de tiempo y dinero, es muy valioso reducir la lista de HPTM potencialmente interesantes para una mayor investigación, examinando primero los cambios en el mercado global. niveles de HPTM. Los dos enfoques principales para examinar los niveles globales de HPTM son la inmunohistoquímica y el análisis de Western blot, pero ambos enfoques son solo semicuantitativos, de bajo rendimiento y requieren un gran número de secciones de tejido o células aisladas15,16. Por lo tanto, nuestro objetivo era desarrollar un método cuantitativo altamente sensible que pudiera utilizarse para examinar los niveles globales de HPTM rápidamente y a nivel de célula única.
El protocolo presentado permite la detección rápida de los niveles globales de HPTM mediante citometría de flujo intranuclear. Estudios previos en células cancerosas han justificado la importancia de examinar los niveles globales desde una perspectiva clínica17,18. También es común que los estudios utilicen niveles globales como método de cribado previo a la evaluación de la localización genómica de HPTM específicas de interés19,20. En el caso de la microglía, la evaluación de los niveles globales después del aislamiento es un reto debido al bajo rendimiento celular; Pan et al presentan niveles globales de HPTM a partir de microglía aislada, en la que se agrupó la microglía de tres animales para permitir la detección del nivel de proteínas mediante Western blot19. Utilizando nuestro protocolo, somos capaces de detectar cambios globales con entradas celulares mucho más bajas, lo que permite el cribado de múltiples marcas por animal y elimina la necesidad de agrupar muestras.
Aquí, describimos un protocolo para detectar rápidamente los niveles de HPTM a través de citometría de flujo intranuclear cuantitativa en microglía aislada. Si bien nos enfocamos específicamente en la cuantificación de HPTM en aras de la brevedad, este protocolo se puede usar de la misma manera para cuantificar los niveles globales de enzimas lectoras, escritoras y borradoras. El protocolo se entrega en dos partes: en primer lugar, el método de aislamiento de la microglía y, en segundo lugar, el método basado en citometría de flujo para determinar los niveles de HPTM. El método de aislamiento produce células que se pueden utilizar tanto para el aislamiento de ARN como para la evaluación del nivel de HPTM, lo que permite evaluar la expresión génica y los niveles de HPTM de la misma muestra. Además, el método para la evaluación de HPTM se puede utilizar en otros tipos de células, tal y como se indica en el protocolo.
El protocolo presentado permite la evaluación cuantitativa de los niveles globales de HPTM a través de la citometría de flujo. Si bien este protocolo presenta un método novedoso, estudios previos han realizado una evaluación cuantitativa de las proteínas utilizando un enfoque similar26. Los métodos anteriores utilizados para evaluar los niveles globales de HPTM incluyen inmunohistoquímica y Western blot 16,17,19,20. El método basado en citometría de flujo presentado es un método fácilmente cuantificable, mientras que el Western blot y la inmunohistoquímica son semicuantitativos y tienen un rendimiento más bajo. El Western blot se basa en la lisis celular y, por lo tanto, requiere tanto la normalización de la proteína como una proteína de control de carga que se supone que no ha cambiado en la condición experimental27. La inmunohistoquímica es semicuantitativa y de muy bajo rendimiento, ya que es difícil evaluar cuantitativamente la cantidad de proteína sin examinarla a nivel de una sola célula16. De manera similar, para la microglía aislada, existe un beneficio en el uso del método de citometría de flujo debido al rendimiento limitado, ya que el Western blot requiere un aporte de proteínas mucho mayor19. Los bajos requisitos de número de células permiten que se ejecuten varios paneles de tinción del mismo animal.
Sin embargo, al igual que con cualquier otro método, esta técnica tiene limitaciones, como el costo y la disponibilidad de anticuerpos, ya que no todos los anticuerpos funcionan bien en un entorno de citometría de flujo. Además, en comparación con el inmunoblot, la concentración de anticuerpos requerida es mucho mayor. Si bien la multiplexación permite el uso de múltiples anticuerpos en el mismo panel de células, las células no pueden ser despojadas del anticuerpo después del análisis, lo que limita el uso de células a una por especie de anticuerpo. Esto es diferente de la inmunotransferencia en la que se puede usar la misma transferencia repetidamente. Sin embargo, dependiendo de la disponibilidad de anticuerpos y del número de canales de detección en un citómetro, sería posible examinar hasta una docena de marcas simultáneamente.
El método actual captura solo los niveles globales de expresión de proteínas y no la ubicación genómica específica, y los cambios en los niveles globales pueden no reflejar los cambios en los loci genómicos individuales. Del mismo modo, la falta de cambios en los niveles globales puede no significar que no haya cambios en los loci genómicos, sino simplemente que los cambios globales no supongan diferencias entre los tratamientos. Como tal, esta técnica está destinada a ser utilizada como una pantalla para identificar HPTM de interés para el análisis genómico. Además, este método no permite la comparación entre diferentes marcas de proteínas, excepto cuando se evalúa como un cambio de pliegue para el control. Por lo tanto, esto es limitado en comparación con un método estándar basado en curvas, como ELISA, para la determinación de proteínas.
El protocolo presentado ofrece una estrategia para aislar la microglía cerebral viva. Este protocolo se basa en la expresión de la proteína P2RY12 para el aislamiento de la microglía. Sin embargo, P2RY12 es un marcador homeostático en la microglía y puede ser regulado a la baja en modelos de enfermedad, como 5XFAD22. Por lo tanto, cuando utilice un animal modelo de enfermedad, asegúrese de elegir otras proteínas marcadoras como TMEM119, CD11b o CD45 para ayudar en el aislamiento de la microglía23. Del mismo modo, presentamos este protocolo como aislamiento del hipocampo y/o de la corteza. Este protocolo funcionaría para aislar la microglía de otras regiones del cerebro, incluidas las regiones de la sustancia blanca, sin embargo, es posible que se requieran varios animales para obtener suficiente microglía dependiendo del tamaño de las regiones de interés.
El protocolo presentado puede aislar de forma robusta la microglía cerebral viva, pero hay varios pasos, que se describen a continuación, en la etapa de aislamiento que pueden disminuir el rendimiento celular si se realiza incorrectamente.
Las perfusiones para este protocolo dan como resultado un mayor porcentaje de microglía en el fragmento enriquecido inmunemente, lo que reducirá la cantidad de tiempo en el clasificador. Sin embargo, no se requiere perfusión, y se pueden usar otros métodos de eutanasia si es necesario.
Durante el aislamiento de la microglía, la mielina debe eliminarse por completo. Los citómetros de flujo dependen de que las células puedan viajar a través de tubos estrechos a un ritmo rápido. Debido a su viscosidad y tendencia a aglutinarse, la mielina causa problemas con los citómetros, a menudo causando obstrucciones que pueden dañar el equipo y destruir la muestra, reduciendo drásticamente el rendimiento. Tenga cuidado de eliminar toda la mielina durante la recolección de fragmentos enriquecidos con el sistema inmunológico para evitar tener problemas en el futuro.
Tinción en placa versus tinción con tubo: en este protocolo, describimos dos opciones para teñir células en tubos de 1,5 ml o en una placa de 96 pocillos. El caso de uso de cada uno depende del experimento; Sin embargo, en general, la tinción con tubos tiene un menor riesgo de afectar el rendimiento que la tinción con placas, ya que el flick corre el riesgo de perder células si se realiza incorrectamente. La tinción en placa es mucho más rápida, ya que aspirar el sobrenadante para cada tubo lleva mucho tiempo. Antes de la fijación (para clasificar, etc.), utilice la tinción del tubo para maximizar el rendimiento y reducir el riesgo de pérdida. Sin embargo, para el análisis HPTM, una vez que las células se fijan para la tinción intranuclear, el gránulo es más estable y se reduce el riesgo de pérdida con el parpadeo.
Establecimiento del gradiente de densidad discontinuo: A la hora de establecer las capas, la correcta disposición de las capas es fundamental para obtener la fracción inmunoenriquecida. Si las capas se alteran o se mezclan y parecen turbias, las células no se clasificarán en la ubicación deseada y habrá dificultades para obtener la fracción celular inmunoenriquecida. Si esto ocurre, centrifugar con el medio de densidad para eliminar la mielina y luego recolectar todas las fracciones restantes, diluir con 3 ml de tampón FACS a 1 ml de medio de densidad y mezclar bien (esto requerirá varios tubos). Girar a 500 x g durante 10 min con el freno en 0. Deseche el sobrenadante, dejando solo ~ 300 μL de solución. Recoja toda la muestra y la mancha. Esto producirá porcentajes de clasificación reducidos y una mayor cantidad de tiempo en el citómetro, pero el rendimiento aún puede ser comparable.
Cuando se utiliza el método de aislamiento, es beneficioso poder recolectar células para ARN y para la evaluación de HPTM del mismo cerebro de ratón. En esta situación, después de clasificar la microglía viva, las células se pueden dividir para asignar una parte a la evaluación del ARN (el número mínimo de células de entrada para obtener un rendimiento decente de ARN es de 75.000 células) y una parte para un análisis posterior de citometría de flujo (mínimo 10.000 células por pocillo para una buena determinación de MFI). En este caso, se requiere la clasificación por citómetro de flujo. Sin embargo, cuando solo se planea usar las células para el análisis de HPTM, no se requiere clasificación y la fracción inmune se puede teñir con el anticuerpo P2RY12 y el anticuerpo HPTM. A continuación, se puede configurar la compuerta del citómetro para la microglía P2RY12+, como se haría para la clasificación de flujo, para analizar solo la señal HPTM dentro de la microglía. La eliminación de la clasificación permite que el protocolo sea más rápido y rentable. Además, si se evalúan HPTM a partir de células cultivadas, basta con comenzar con el protocolo de tinción y no se requieren anticuerpos marcadores celulares, como se muestra en la Figura 6. El protocolo de evaluación HPTM se puede utilizar para muchos tipos de células, incluidas las células cultivadas, primarias y derivadas de IPSC.
Por último, aunque solo hemos presentado dos usos potenciales de la microglía después del aislamiento, hay muchos otros que incluyen técnicas epigenéticas como ChIP, CUT&Tag y CUT&RUN. En el caso de las técnicas epigenéticas genómicas, en las que la caracterización de los cambios en loci específicos es de interés, se deben elegir inhibidores específicos para los escritores y borradores de las marcas de cromatina11 adaptados a los experimentos, a fin de garantizar que las modificaciones epigenéticas microgliales perfiladas no sean artefactos técnicos de ninguna etapa del procedimiento de aislamiento, como la digestión enzimática. Al evaluar los cambios en los niveles globales de marcas epigenéticas, por ejemplo, mediante el uso de citometría de flujo cuantitativa, no se espera que los cambios inducidos por el procedimiento sean tan grandes como para que se detecten a nivel global.
En general, los métodos discutidos proporcionan un método novedoso de una sola célula para cuantificar los niveles globales de modificaciones de histonas y otros cambios epigenéticos mediante citometría de flujo. Demostramos que este método es lo suficientemente sensible como para detectar cambios globales en el marcador potenciador H3K27ac en microglía en respuesta a LPS in vivo. Esto es consistente con la secuenciación previa de ChIP de H3K27ac después de la estimulación de LPS que muestra una remodelación dramática de los potenciadores que responden a LPS28. Las aplicaciones de este método permitirán examinar los cambios epigenéticos globales en diferentes tipos de células cerebrales en desarrollo y enfermedad.
The authors have nothing to disclose.
Gracias a Yanyang Bai por ayudar con la inmunotransferencia en la Figura 5. Este trabajo contó con el apoyo de los Institutos Canadienses de Investigación en Salud [CRC-RS 950-232402 a AC]; Consejo de Investigación en Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá [RGPIN-2019-04450, DGECR-2019-00069 a AC]; la Fundación Benéfica del Rito Escocés [21103 a AC] y la Fundación Brain Canada [AWD-023132 a AC]; Beca de posgrado para aborígenes de la Universidad de Columbia Británica (6481 a MT); Beca de Posgrado de Columbia Británica (6768 a MT); Premio Estudiantil Académico de la Plataforma Abierta de Neurociencia Canadiense (10901 a JK); Beca doctoral de cuatro años de la Universidad de Columbia Británica (6569 a JK). Los financiadores no tuvieron ningún papel en el diseño del estudio, la recopilación y el análisis de datos, la decisión de publicar o la preparación del manuscrito.
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 |