Summary

Yalıtım ve sinirsel ataları Kromatin-Immunoprecipitation Histon 3 lizin 79 Dimethylation Mark tarafından takip tarımı

Published: January 26, 2018
doi:

Summary

Biz yalıtmak ve nöral progenitör hücreler embriyonik ve postnatal beyin dokusundan Kromatin immunoprecipitation (ChIP) Histon 3 lizin 79 dimethylation (H3K79me2) – içinde yer alan bir Histon işareti için kültür için etkili ve tekrarlanabilir bir yöntem mevcut Histon 3 küresel etki alanı.

Abstract

Beyin gelişimi temporo-kayma bir şekilde morfojenlerdeki ve farklı transkripsiyon programları gradyanlar tarafından kontrol edilir karmaşık bir süreçtir. Ayrıca, gibi Histon metilasyonu, epigenetik Kromatin değişiklikler kurulması ve belirli hücre kaderi bu işlemde sürdürmek için önemli bir role sahiptir. Histon metilasyonu büyük çoğunluğu Histon değiştiriciler, silgi ve Histon okuyucu proteinlerin erişilebilen esnek Histon kuyruk üzerinde oluşur. Buna ek olarak, H3K79 metilasyonu Histon 3 küresel etki alanında bulunan ve farklı gelişim işlevlerinde karıştığı. H3K79 metilasyonu örümceklerle korunmuş ve türlerin geniş bir Homo sapiens Saccharomyces cerevisiaeiçin bulunabilir. Farklı hücre popülasyonlarının sinirsel ataları da dahil içinde değişiklik oluşur. Histon 3 küresel etki alanında H3K79 metilasyonu konumunu değerlendirmek zorlaştırır. Burada, biz izole etmek için yöntemler mevcut ve embriyonik kortikal beyin dokusu (E11.5-E14.5) veya serebellar taneli nöron ataları (CGNPs) Doğum sonrası doku (P5-P7) ve verimli bir şekilde immunoprecipitate (TBM) kültür kortikal progenitör hücre Kantitatif PCR (qPCR) ve genom çapındaki sıralama için H3K79me2.

Introduction

Beynin duyusal, motor ve Bilişsel işlevler son derece karmaşık ve fiziksel ve çevresel değişikliklere duyarlı. Beyin üç genel parçalar hind-, orta-ve ön, hangi derin bağlı oluşur. Ön içinde telencephalon dorsal telencephalon (DT) ve ventral telencephalon (VT) bölünmüş olabilir. DT farelerin, E11.5 ve E18.5 arasında bir “Inside-out” şekilde1‘ de kurulan altı kortikal Katmanlar oluşur. VT ganglionic efendiler gelişmede, daha sonra Bazal gangliyon2,3formu içerir. Çeşitli hücre tiplerinin nöronlar, astrocytes veya oligodendrocytes4, gibi memeli merkez sinir sisteminde temporo-kayma şekilde5‘ te geliştirmek sınıflandırılabilir. İlk olarak, nöral progenitör hücre (NPCs) nöronlar, interneurons VT ve projeksiyon nöronların farklı türde DT ve daha sonra üzerine gliyal hücreler (örneğin, astrocytes6) ortaya çıkmasına. Sırasında kortikal gelişim, en yüzeysel Katmanı (katman ben), hangi Cajal Retzius hücreleri içeren ilk oluşturulur. O zaman, E12.5 ve E14.5 arasında NPCs derin nöronal katmanları (VI, V) iken üst katmanı (IV-II) nöronlar7,814.5 ve 16.5, ataları vermek yükselişi arasında oluşturmak. Nöronal kimlik farklı morphogen kaynaklı temporo-kayma transkripsiyon program tarafından ve ayrıca epigenetik programları2tarafından belirtilir.

Motor koordinasyon içinde karıştığı, beyincik, arka beyin içinde yer alan ve E10 ve kabaca P20 arasında fare9‘ geliştirir. Serebellar korteksin ve serebellar çekirdeği10içerir. Yetişkin serebellar korteksin üç kat, en dıştaki moleküler katmanı, Purkinje hücre katmanı ve taneli nöronlar10içeren en içteki taneli katman oluşur. Serebellar granül hücre en küçük nöronlar vardır ve tüm omurgalı beyin11nöronlarda yaklaşık % 80’i temsil eder. Onlar üzerinden dış germinal bölgede bulunan öncüleri geliştirmek ve onların hedef12Purkinje hücre katmanı üzerinden göç. Telencephalon, beyincik geliştirilmesi birkaç önemli morfojenlerdeki tarafından düzenlenmiştir gibi hangi-si olmak belirli zaman ve uzay bağımlı görev ve başlatmak transkripsiyon programlar10tanımlı.

Kortikal ve serebellar katmanları gelişimi belirli morfojenlerdeki transkripsiyon ifadesi tarafından ve böylece, DNA’ın Kromatin devlet tarafından kontrol edilir. Basitleştirilmiş bir görünümde, Kromatin Birleşik transcriptionally etkin olarak euchromatin ve heterochromatin transcriptionally sessiz bölgeleri olarak ayrılabilir. Kromatin temel birim olarak nucleosome her çekirdek Histon H2A, H2B, H3 ve H4, DNA13147 baz çifti tarafından çevrili iki kopyasını içerir. Histon metilasyonu, asetilasyon, fosforilasyon, ubiquitination, sumoylation, ADP-ribosylation, Deaminasyon ve prolin isomerization14,15tarafından son derece post-translationally değiştirilir. Histon lizin metilasyonu transkripsiyon, çoğaltma, Rekombinasyon16, DNA hasarı yanıt17ve genomik sürecinden18denetler en istikrarlı Histon değişiklik olarak kabul edilir. Lysines mono-, di- veya üç metillenmiş19 olması ve sadece erişilebilir Histon kuyrukları üzerinde aynı zamanda Histon20küresel etki alanı içinde görünür. H3K4 ve H3K36 belirli methylations euchromatin ile ilişkili, belirli methylations H3K9, H3K27 veya H4K20-esas olarak bulundu heterochromatic bölgelerde, her ne kadar tüm artıkları Histon kuyruk14içinde, yer alan 19,21. H3K79 metilasyonu Histon küresel etki alanı içinde yer alan ve transkripsiyon etkinlik, ama aynı zamanda transcriptionally etkisiz genomik bölgeleri22ile ile ilişkili olduğu düşünülmektedir. Maya, buzağı timus, tavuk ve insan23gözlenmiştir beri değişiklik örümceklerle korunmuş. H3K79 mono, di ve trimethylation (H3K79me1, me2, me3), Histon methyltransferases DOT1L24,25 ve26nükleer SET etki alanını içeren Protein 2 (Nsd2) tarafından katalize. DOT1L nükleer silahların yayılmasına karşı DNA tamiri ve27REPROGRAMING hücresel karıştığı. Dot1l kaybı farelerde çevresinde gelişimsel sahne E10.528,29doğum öncesi bir ölüme yol açar. Kalp Geliştirme sırasında ve myocardiocyte ayrımında DOT1L gen ifade Yönetmeliği30için esastır. Merkezi sinir sistemi DOT1L işlevi Nöral tüp geliştirme31‘ karıştığı, Tbr1bastırmak ilgilenmektedir-ön geliştirme32sırasında ifade ve ER-stres yönetmelikte çalışmayabilir Yanıt genler33. İçerik bağımlı etkinleştirme veya özellikle merkezi sinir sistemi gelişimi gibi vivo içinde durumlar ile H3K79me, bastırmak eylem için kısmen32anladım sadece tarihidir. H3K79 metilasyonu Histon 3 küresel etki alanında bulunduğundan, bu sterically daha az esnek Histon kuyrukları23değişiklikler ile karşılaştırıldığında erişilemez. H3K79 metilasyonu işlevini anlamak için güvenilir ve tekrarlanabilir analiz yöntemleri konumu ve genomik çevre belirlemek için gereklidir. Bu yöntemleri yazıda, biz izolasyon yöntemleri farklı sinirsel ataları (korteks için TBM’ler) ve CGNPs için beyincik, etkili DOT1L inhibitörü tedavisi ve bir çip yöntem H3K79 metilasyonu yolu ile qPCR ya da sıralama farklı zamanda analiz etmek için mevcut Puan kortikal ve serebellar geliştirme sırasında. Protokol ve olanakların genel bakış için bkz: şekil 1.

Protocol

Hayvan refahı Komiteler Freiburg Üniversitesi ve yerel yönetimler aşağıdaki iletişim kuralında belirtilen tüm hayvan deneyleri (G12/13, G16/11) onayladı. 1. hazırlıkları TBM yalıtım hazırlıkları (E11.5-E14.5 arası) korteks gelişiminin farklı aşamalarında embriyo elde etmek için çiftleşme Zamanı ayarlanmış kurmak. En az 8 hafta eski olan fareler baskı NMRI (deniz Tıbbi Araştırma Enstitüsü) kullanın. Çiftleşmeden sonra e…

Representative Results

Nöral progenitör yalıtım, ekimi, H3K79me2 ChIP ve çipi analiz yöntemleri genel düzeni: H3K79me2 çip kortikal progenitör hücre embriyonik beyin gelişimi sırasında farklı zaman noktalarda veya serebellar taneli nöron ataları, postnatal aşamalarında gerçekleştirmek için bir akış şeması şekil 1 gösterir. Bir ilk adım olarak beyin izole olmak zorunda ve telencephalon (E11.5-E14.5 arası) veya beyincik (P5-P7) alınması…

Discussion

Histon değişiklikler, transkripsiyon faktörleri, Histon Kodu okuyucular, yazarlar veya silgi genomik doluluk algılamaya Kromatin immunoprecipitation gerçekleştirmek için iki ana yolu vardır. Bir sindirilmiş, nükleaz için immunoprecipitation, yerel Kromatin kullanarak yerel çip yöntem ve diğer içinde oluşturarlar ve diğer DNA bağlı proteinler kovalent DNA’yı bağlı olduğu İngiltere’de yılın sabit, yamultulmuş Kromatin kullanarak sunulan yöntemdir 39. yerli küçük parça…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Henriette Bertemes laboratuar CGN ekimi protokolde kurmak için yardım ettiğin için teşekkür ederim. Bu yöntem kağıt DFG tarafından finanse edilen CRC992 tıbbi epigenetik tarafından TV için fon tarafından desteklenmiştir. Yazarlar Freiburg Galaxy takım destek kabul: Pavankumar Videm, Björn Grüning ve Prof. Dr. Rolf Backofen, Biyoinformatik, Freiburg Üniversitesi, Almanya ortak araştırma merkezi 992 tıbbi epigenetik tarafından (DFG grant SFB 992/1 2012) finanse ve Alman Federal Bakanlığı Eğitim ve araştırma (BMBF grant 031 A538A RBC (de. NBI)).

Materials

Anti-GAPDH Abcam ab8245 Category: Antibody
Abbreviation/Comment: Immunoblot dilution 1:5000
Anti-H3 Abcam ab1791 Category: Antibody
Abbreviation/Comment: Immunoblot dilution 1:3000
Anti-H3K79me2 Diagenode pAb-051-050 Category: Antibody
Abbreviation/Comment: ChIP antibody
Anti-H3K79me2 Abcam ab-051-050 Category: Antibody
Abbreviation/Comment: Immunoblot dilution 1:1000
Anti-rabbit-IgG Diagenode C15410206 Category: Antibody
Abbreviation/Comment: ChIP Ctrl antibody
Anti-Tubulin alpha Abcam ab108629 Category: Antibody
Abbreviation/Comment: Immunoblot dilution 1:3000
Apo-Transferrin (1 mg/ml) Sigma-Aldrich T1147 Category: Cell culture
Abbreviation/Comment: For CCM
B27 Supplement (50x) Life Technologies 17504044 Category: Cell culture
Abbreviation/Comment: For CCM
Bioanalyzer Agilent technologies G2940CA Category: ChIP
Abbreviation/Comment: For analysis of sheared chromatin
Bioruptor NextGen Diagenode B01020001 Category: ChIP
Abbreviation/Comment: Ultrasonicator
Boric acid pH 8.4 Sigma Aldrich B6768 Category: Cell culture
Abbreviation/Comment: For CPC culturing
CFX Connect RT PCR Detection System Bio-Rad 1855201 Category: ChIP Analysis
Abbreviation/Comment: Detection system for qPCR
DMEM-F12 Life Technologies 11320-033 Category: Cell culture
Abbreviation/Comment: For CGM
Dynabeads Protein A Invitrogen 10001D Category: ChIP
Abbreviation/Comment: Magnetic beads, for ChIP
EPZ-5676 Selleckchem S7062 Category: DOT1L inhibition
Abbreviation/Comment: For DOT1L inhibition in cell culture
Ethylenediamine tetraacetic acid SERVA 39760.01 Category: ChIP
Abbreviation/Comment: EDTA
Fetal Bovine Serum 10% (v/v) Gibco 10082147 Category: Cell culture
Abbreviation/Comment: For CPC isolation and CGM
Glucose Sigma-Aldrich G5767 Category: Cell culture
Abbreviation/Comment: For CGNP isolation
Glutathione (1.25 mg/ml) Sigma-Aldrich G4251 Category: Cell culture
Abbreviation/Comment: For CCM
Glycine Carl Roth 3187 Category: ChIP
Abbreviation/Comment: For cell fixation
GoTaq mastermix Promega A6002 Category: ChIP Analysis
Abbreviation/Comment: DNA polymerase master mix for qPCR
Hank’s Balanced Salt Solution Life Technologies 14025-100 Category: Cell culture
Abbreviation/Comment: HBSS
L-glutamine (200 mM) Life Technologies 25030081 Category: Cell culture
Abbreviation/Comment: For CCM
Laminin Sigma-Aldrich L2020 Category: Cell culture
Abbreviation/Comment: For CPC culturing
Lithium chloride Sigma-Aldrich L4408 Category: ChIP
Abbreviation/Comment: LiCl
N2 supplement Life Technologies 17502048 Category: Cell culture
Abbreviation/Comment: For CGM
NanoDrop 3300 Thermo Fisher 3300 Category: ChIP
Abbreviation/Comment: Fluorospectrometer for DNA quantification
NEB Next Ultra DNA Library Prep Kit for Illumina NEB E7645S Category: ChIP Analysis
Abbreviation/Comment: Kit for Library preparation
NEBNext Multiplex Oligos for Illumina NEB E7335 Category: ChIP Analysis
Abbreviation/Comment: Oligos for Library preparation
Neurobasal medium Gibco 21103049 Category: Cell culture
Abbreviation/Comment: For CCM
NP-40 Alternative Calbiochem 492016 Category: ChIP
Abbreviation/Comment: For ChIP buffer
Paraformaldehyde Carl Roth 335 Category: ChIP
Abbreviation/Comment: PFA, for cell fixation
Penicillin-Streptomycin-Neomycin 1% (v/v) Life Technologies 15640055 Category: Cell culture
Abbreviation/Comment: PSN, for CCM and CGM
Phosphate buffered saline Life Technologies 10010023 Category: Cell culture
Abbreviation/Comment: PBS, for CPC isolation
PicoGreen Kit Thermo Fisher P11496 Category: ChIP Analysis
Abbreviation/Comment: Visualizing dye for DNA quantification
Poly-D-lysine Sigma-Aldrich P6407 Category: Cell culture
Abbreviation/Comment: For CGNP isolation
Poly-L-ornithine hydrobromide Sigma Aldrich P3655 Category: Cell culture
Abbreviation/Comment: For CPC culturing
Potassium chloride Thermo Fisher AM9640G Category: Cell culture
Abbreviation/Comment: KCl, for CGM
Protease inhibitor Roche 4693159001 Category: ChIP
Abbreviation/Comment: For ChIP
Proteinase K Sigma-Aldrich 3115879001 Category: ChIP
Abbreviation/Comment: For ChIP
Qiagen MinElute Qiagen 28004 Category: ChIP
Abbreviation/Comment: Kit for DNA purification
RNAse Sigma-Aldrich R6513 Category: ChIP
Abbreviation/Comment: For ChIP
SGC0946 Selleckchem S7079 Category: DOT1L inhibition
Abbreviation/Comment: For DOT1L inhibition in cell culture
Sodium bicarbonate Carl Roth 8551.1 Category: ChIP
Abbreviation/Comment: for Elution buffer
Sodium chloride Carl Roth 9265 Category: ChIP
Abbreviation/Comment: NaCl, for ChIP buffer
Sodium deoxycholate Sigma-Aldrich 30970 Category: ChIP
Abbreviation/Comment: For ChIP
Sodium dodecylsulfate Carl Roth 183 Category: ChIP
Abbreviation/Comment: SDS, for ChIP
Sonic hedgehock (SHH) Sigma-Aldrich SRP6004 Category: Cell culture
Abbreviation/Comment: For CGNP isolation
Superoxide dismutase (1mg/ml) Sigma-Aldrich S7571 Category: Cell culture
Abbreviation/Comment: For CCM
Tris(hydroxymethyl)aminomethane Carl Roth 9090 Category: ChIP
Abbreviation/Comment: TRIS, for ChIP buffer
Triton X-100 Carl Roth X100 Category: ChIP
Abbreviation/Comment: For ChIP buffer
Trypsin-EDTA 0,05% (w/v) Sigma Aldrich 59417C Category: Cell culture
Abbreviation/Comment: For CPC isolation
Tween20 Carl Roth 28320 Category: ChIP
Abbreviation/Comment: For bead preparation
Other Lab devices: Neubauer counting chamber, Incubator, Rotator, Shaker, Disection set, Water bath
CCM: Cortical cell medium
CGM: CGNP cell culture medium

References

  1. Molyneaux, B. J., Arlotta, P., Menezes, J. R. L., Macklis, J. D. Neuronal subtype specification in the cerebral cortex. Nat. Rev. Neurosci. 8, 427-437 (2007).
  2. Kandel, E. R., Squire, L. R. Neuroscience: breaking down scientific barriers to the study of brain and mind. Science. 290, 1113-1120 (2000).
  3. Götz, M., Sommer, L. Cortical development: the art of generating cell diversity. Dev. Camb. Engl. 132, 3327 (2005).
  4. Hirabayashi, Y., Gotoh, Y. Epigenetic control of neural precursor cell fate during development. Nat. Rev. Neurosci. 11, 377-388 (2010).
  5. Davis, A. A., Temple, S. A self-renewing multipotential stem cell in embryonic rat cerebral cortex. Nature. 372, 263-266 (1994).
  6. Sauvageot, C. M., Stiles, C. D. Molecular mechanisms controlling cortical gliogenesis. Curr. Opin. Neurobiol. 12, 244-249 (2002).
  7. McConnell, S. K., Kaznowski, C. E. Cell cycle dependence of laminar determination in developing neocortex. Science. 254, 282-285 (1991).
  8. Desai, A. R., McConnell, S. K. Progressive restriction in fate potential by neural progenitors during cerebral cortical development. Dev. Camb. Engl. 127, 2863-2872 (2000).
  9. Glickstein, M., Strata, P., Voogd, J. Cerebellum: history. Neuroscience. 162, 549-559 (2009).
  10. Marzban, H., et al. Cellular commitment in the developing cerebellum. Front. Cell. Neurosci. 8, (2015).
  11. Azevedo, F. A. C., et al. Equal numbers of neuronal and nonneuronal cells make the human brain an isometrically scaled-up primate brain. J. Comp. Neurol. 513, 532-541 (2009).
  12. Machold, R., Fishell, G. Math1 is expressed in temporally discrete pools of cerebellar rhombic-lip neural progenitors. Neuron. 48, 17-24 (2005).
  13. Luger, K., Mäder, A. W., Richmond, R. K., Sargent, D. F., Richmond, T. J. Crystal structure of the nucleosome core particle at 2.8 A resolution. Nature. 389, 251-260 (1997).
  14. Kouzarides, T. Chromatin modifications and their function. Cell. 128, 693-705 (2007).
  15. Zhang, Q., et al. Histone modification mapping in human brain reveals aberrant expression of histone H3 lysine 79 dimethylation in neural tube defects. Neurobiol. Dis. 54, 404-413 (2013).
  16. Zhang, Y., Reinberg, D. Transcription regulation by histone methylation: interplay between different covalent modifications of the core histone tails. Genes Dev. 15, 2343-2360 (2001).
  17. Sanders, S. L., et al. Methylation of histone H4 lysine 20 controls recruitment of Crb2 to sites of DNA damage. Cell. 119, 603-614 (2004).
  18. Martin, C., Zhang, Y. The diverse functions of histone lysine methylation. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 6, 838-849 (2005).
  19. Greer, E. L., Shi, Y. Histone methylation: a dynamic mark in health, disease and inheritance. Nat. Rev. Genet. 13, 343-357 (2012).
  20. Ng, H. H., et al. Lysine methylation within the globular domain of histone H3 by Dot1 is important for telomeric silencing and Sir protein association. Genes Dev. 16, 1518-1527 (2002).
  21. Kebede, A. F., Schneider, R., Daujat, S. Novel types and sites of histone modifications emerge as players in the transcriptional regulation contest. FEBS J. 282, 1658-1674 (2015).
  22. Roidl, D., Hacker, C. Histone methylation during neural development. Cell Tissue Res. 356, 539-552 (2014).
  23. Mersfelder, E. L., Parthun, M. R. The tale beyond the tail: histone core domain modifications and the regulation of chromatin structure. Nucleic Acids Res. 34, 2653-2662 (2006).
  24. van Leeuwen, F., Gafken, P. R., Gottschling, D. E. Dot1p Modulates Silencing in Yeast by Methylation of the Nucleosome Core. Cell. 109, 745-756 (2002).
  25. Jones, B., et al. The histone H3K79 methyltransferase Dot1L is essential for mammalian development and heterochromatin structure. PLoS Genet. 4, e1000190 (2008).
  26. Woo Park, J., et al. RE-IIBP Methylates H3K79 and Induces MEIS1-mediated Apoptosis via H2BK120 Ubiquitination by RNF20. Sci. Rep. 5, 12485 (2015).
  27. Vlaming, H., van Leeuwen, F. The upstreams and downstreams of H3K79 methylation by DOT1L. Chromosoma. , (2016).
  28. Jones, B., et al. The histone H3K79 methyltransferase Dot1L is essential for mammalian development and heterochromatin structure. PLoS Genet. 4, e1000190 (2008).
  29. Feng, Y., et al. Early mammalian erythropoiesis requires the Dot1L methyltransferase. Blood. 116, 4483-4491 (2010).
  30. Cattaneo, P., et al. DOT1L-mediated H3K79me2 modification critically regulates gene expression during cardiomyocyte differentiation. Cell Death Differ. 23, 555-564 (2016).
  31. Zhang, Q., et al. Histone modification mapping in human brain reveals aberrant expression of histone H3 lysine 79 dimethylation in neural tube defects. Neurobiol. Dis. 54, 404-413 (2013).
  32. Büttner, N., Johnsen, S. A., Kügler, S., Vogel, T. Af9/Mllt3 interferes with Tbr1 expression through epigenetic modification of histone H3K79 during development of the cerebral cortex. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 107, 7042-7047 (2010).
  33. Roidl, D., et al. DOT1L Activity Promotes Proliferation and Protects Cortical Neural Stem Cells from Activation of ATF4-DDIT3-Mediated ER Stress In Vitro. Stem Cells Dayt. Ohio. 34, 233-245 (2016).
  34. Robinson, J. T., et al. Integrative genomics viewer. Nat. Biotechnol. 29, 24-26 (2011).
  35. Langmead, B., Salzberg, S. L. Fast gapped-read alignment with Bowtie 2. Nat. Methods. 9, 357-359 (2012).
  36. Zhang, Y., et al. Model-based Analysis of ChIP-Seq (MACS). Genome Biol. 9, R137 (2008).
  37. Ramírez, F., et al. deepTools2: a next generation web server for deep-sequencing data analysis. Nucleic Acids Res. 44, W160-W165 (2016).
  38. Roidl, D. . Histone modifications during cerebral cortex development. , (2015).
  39. Turner, B. ChIP with Native Chromatin: Advantages and Problems Relative to Methods Using Cross-Linked Material. Mapping Protein/DNA Interactions by Cross-Linking. , (2001).
  40. Dincman, T. A., Beare, J. E., Ohri, S. S., Whittemore, S. R. Isolation of cortical mouse oligodendrocyte precursor cells. J. Neurosci. Methods. 209, 219-226 (2012).

Play Video

Cite This Article
Bovio, P., Roidl, D., Heidrich, S., Vogel, T., Franz, H. Isolation and Cultivation of Neural Progenitors Followed by Chromatin-Immunoprecipitation of Histone 3 Lysine 79 Dimethylation Mark. J. Vis. Exp. (131), e56631, doi:10.3791/56631 (2018).

View Video