Herein we describe a sensitive immunochemical method for mapping the spatial distribution of 5mC oxidation derivatives based on the use of peroxidase-conjugated secondary antibodies and tyramide signal amplification.
Methylation of cytosine bases (5-methylcytosine, 5mC) occurring in vertebrate genomes is usually associated with transcriptional silencing. 5-hydroxylmethylcytosine (5hmC), 5-formylcytosine (5fC), and 5-carboxylcytosine (5caC) are the recently discovered modified cytosine bases produced by enzymatic oxidation of 5mC, whose biological functions remain relatively obscure. A number of approaches ranging from biochemical to antibody based techniques have been employed to study the genomic distribution and global content of these modifications in various biological systems. Although some of these approaches can be useful for quantitative assessment of these modified forms of 5mC, most of these methods do not provide any spatial information regarding the distribution of these DNA modifications in different cell types, required for correct understanding of their functional roles. Here we present a highly sensitive method for immunochemical detection of the modified forms of cytosine. This method permits co-detection of these epigenetic marks with protein lineage markers and can be employed to study their nuclear localization, thus, contributing to deciphering their potential biological roles in different experimental contexts.
Methylatie van cytosine basen in DNA (5MC) vormt een belangrijke epigenetische merk gevonden in gewervelde dieren genomen in verband met transcriptie silencing 1. 5MC wordt geïntroduceerd en beheerd door DNA-methyltransferase 2-5, en is aangetoond dat het een belangrijke rol spelen bij een aantal biologische processen, waaronder genomische imprinting, X-chromosoom inactivatie, cellulaire differentiatie en ontwikkeling 3, 6. Bijgevolg verstoring van 5MC genomische patronen wordt geassocieerd met een aantal ziekten 7, 8-11. Ondanks de vooruitgang in het begrijpen 5MC rol bij ontwikkeling en ziekte, is het nog altijd grotendeels onbekend hoe deze markering wordt verwijderd ontwikkelen en volwassen weefsels. Verschillende mogelijke mechanismen van DNA demethylering onlangs voorgesteld de actieve en passieve mechanismen demethylering 12, 13, 14, 15. Ontdekking van de producten van de sequentiële oxidatie 5MC gemedieerd door 10-11 translocatie enzymes (tet1 / 2/3), zoals 5-hydroxylmethylcytosine (5hmC), 5-formylcytosine (5fC) en 5-carboxylcytosine (5caC) in eukaryotische DNA 16, 17, 18, 19 gevraagd speculaties of zij als tussenproducten kunnen dienen DNA demethylering processen of fungeren als stabiel epigenetische merken in hun eigen recht 13. Terwijl de demonstratie dat het onderdeel van de base excisie reparatie, thymine-DNA glycosylase (TDG) kan binden en verwijder beide 5fC en 5caC uit DNA 19, 20 suggereert een rol voor de gewijzigde 5MC derivaten in een actieve DNA demethylering. Recent bewijs dat 5fC / 5caC de snelheid van RNA II processivity punten kunnen moduleren op mogelijke betrokkenheid van deze merken in gentranscriptieregulatie 29. Vanwege deze potentiële biologische belang van geoxideerde vormen van 5MC hebben verschillende biochemische en antilichaam-gebaseerde technieken toegepast voor het bestuderen van hun genomische distributie en wereldwijde content 16, 19-24.
Aangezien de meeste tHij vertebrate organen bestaan uit verschillende celtypes en dat de verdeling van gemodificeerde basen cytosine is weefsel en celtype-specifieke 16-18, 20, 23, 25-27, het bepalen van de ruimtelijke verdeling van geoxideerde 5MC derivaten in verschillende weefsels wordt een belangrijke experimentele taak die nodig zijn voor het onthullen van hun biologische functies. De meeste biochemische en antilichaam-gebaseerde benaderingen geven geen ruimtelijke informatie over de verdeling van de gemodificeerde vormen van 5MC in verschillende weefsels en celtypen. Daarentegen kan immunochemie gebaseerde technieken een snelle beoordeling mogelijk maakt de ruimtelijke verdeling en nucleaire lokalisatie van 5MC 28 en geoxideerde derivaten 20 te verschaffen. Dat wordt gezegd, de gerapporteerde zeer lage overvloed aan 5fC (20 op de 10 6 cytosine) en 5caC (3 op de 10 6 cytosine) in de muis genoom 18 is een belangrijke uitdaging voor de standaard immunochemische.
Hier,We beschrijven een zeer gevoelige methode die immunochemische robuust en levert een snelle detectie van geoxideerde vorm van cytosine in zoogdieren hersenweefsel. Door de integratie peroxidase-geconjugeerde secundaire antilichamen gekoppeld aan een signaal amplificatiestap, deze methode omzeilt de problemen van het detecteren van de zeer kleine hoeveelheden in 5fC en 5caC. Daarnaast kan deze techniek gebruikt worden om samen detecteren gemodificeerde vormen van cytosine met lijnspecifieke markers, effectief aanvulling op andere benaderingen in het ophelderen van de biologische functies van deze epigenetische markeringen.
Hoewel de gerapporteerde geringe hoeveelheden 5MC oxidatie derivaten 5fC en 5caC in sommige weefsels belangrijke beperkingen zou doen voor een standaard immunochemische protocol, de opname van peroxidase-geconjugeerde secundaire antilichamen kon de detectie van deze cytosine wijzigingen gefixeerde weefsels en cellen (figuur 2) . Echter, de optimale incubatietijd met tyramide oplossing experimenteel worden geoptimaliseerd voor elke afzonderlijke partij tyramide signaalamplificatie kit waarin een lineaire relatie tussen de signaalintensiteit en duur van tyramide gebaseerde signaalversterking waargenomen, zie voor details Almeida et al. 2012 26 . Bovendien kan de signaal / achtergrond verhouding significant verbeterd door het uitvoeren van de wassen in een Coplin jar om efficiënte verwijdering van overmaat antilichamen mogelijk. Na incubatie met tyramide oplossing, is het belangrijk de reactie door wassen in PBT oplossing voor d onmiddellijk stoppenaling achtergrond kleuring. Het is essentieel niet om de secties drogen op enig moment tijdens de procedure.
De efficiëntie van DNA depurinering kan worden verbeterd door het uitvoeren van de depurinering reactie bij 37 ° C. Tijdens het gebruik van 4N HCl in plaats van 2 N verbetert de kleuring van de gemodificeerde vormen van 5MC gebruik 4 N HCl DNA depurinering zou niet toestaan co-kleuring met DAPI, omdat deze uitsluitend samenwerkt met dubbelstrengs DNA.
Hoewel deze techniek robuuste semi-kwantitatieve evaluatie van de gemodificeerde vormen van cytosine basen wanneer detecteerbaar kunnen verschaffen, kan het niet worden gebruikt voor het evalueren van de absolute niveaus van 5MC of zijn oxidatie derivaten. Daarom raden wij het gebruik van andere aanvullende maar kwantitatieve benaderingen 16, 19 -24. Sinds de ontdekking van 5MC oxidatie derivaten zoogdieren genomen, zijn verschillende methoden ontwikkeld om de biologische rol 16, 19-24 bestuderen. Hoewel deze approaches kan waardevol zijn bij het bepalen van de absolute niveaus van 5MC oxidatie derivaten zijn, hebben ze geen informatie te verstrekken over hun ruimtelijke verdeling 20, 26. We hebben met succes gebruik gemaakt van de hier beschreven methode om de ruimtelijke verdeling en lokalisatie van 5MC oxidatie derivaten in verschillende celtypen in kaart van de zich ontwikkelende en volwassen hersenen 20
Door de onthulling van hun ruimtelijke verdeling 20 Deze techniek kan cruciaal zijn voor het begrijpen van de biologische gevolgen en het lot van geoxideerde derivaten van 5MC in verschillende biologische contexten waarin deze gemodificeerde derivaten van 5MC kan worden gedetecteerd zoals cellulaire differentiatie, ontwikkeling en ziekte. Bovendien kan de methode hier beschreven semi-kwantitatieve evaluatie van de geoxideerde derivaten van 5MC in verschillende weefsels geven door het bepalen van de kinetiek van peroxidase reactie (die evenredig is met de kleurintensiteit) op verschillende incubatietijden met tyramide 26.
The authors have nothing to disclose.
We thank the Advanced Microscopy Unit (School of Life Sciences, University of Nottingham) and the Histology team of MRC Human Reproductive Sciences Unit (Edinburgh), the Institute of Neuroscience at the ULB and the FNRS for help and support. This work was supported by MRC (MR/L001047/1 to A.D.J.).
Coplin jar | Cole-Parmer | UY-48585-30 | Glass made |
Xylene | Use only in Class II safety cabinet | ||
Phosphate buffer saline (PBS) | Fisher Scientific | 12821680 | pPH 7.5, filtered before use |
4% paraformaldehyde (PFA) | Sigma Aldrich | P6148 | Once made can be stored at -20°C in aliquotes for several months |
4% formaldehyde (FA) | Sigma Aldrich | F8775 | Once made can be stored at -20°C in aliquotes for several months |
Ethanol, anhydrous denatured, histological grade | Sigma Aldrich | 64-17-5 | 95, 75, 50 % in PBS |
0.01 % Tween 20 in PBS | Sigma Aldrich | P9416 | PBT |
0.5% Triton X-100 in PBS | Sigma Aldrich | X100 | PBX |
2 N HCl | Sigma Aldrich | 71826 | caution extremely toxic |
100 mM Tris-HCl | Promega | H5121 | PH adjusted to 8.5 |
hydrophobic barrier pen | Abcam | ab2601 | for immunohistochemistry |
Slide moisture chamber | Scientific Device Laboratory | 197-BL | |
anti-5mC mouse antibody | Diagenode | C15200081 | monoclonal primary antibody |
Anti-5hmC antibody | Active Motif | 39791 | rabbit polyclonal primary antibody |
Anti-5caC antibody | Active Motif | 61225 | rabbit polyclonal primary antibody |
Peroxidase-conjugated anti-rabbit seconday antibody | Dako | K1497 | |
555-congjuated goat anti-mouse antibody | Molecular probes | A-11005 | secondary antibody |
10% BSA | Sigma Aldrich | A9418 | Blocking solution |
22x32mm Glass cover slips | BDH | 406/0188/24 | |
Tyramide Signal Amplification System | Perkin Elmer | NEL741001KT | Other fluorochome conjugated seconday antibodies can be used for co-detection of oxi-5mC |
Mounting Medium with DAPI | Vector Labs | H-1200 | |
Colourless nail polish | |||
chicken polyclonal anti-GFAP polyclonal antibody | Thermo Scientific | PA5-18598 | 1:400 dilution |
anti-NeuN mouse monoclonal antibody | Merck milipore | MAB377B | 1:400 dilution |