Summary

Påvisning af 5-Hydroxymethylcytosin i neurale stamceller og hjerner af mus

Published: September 19, 2019
doi:

Summary

Her præsenterer vi en protokol til påvisning af 5-hydroxymethylcytosin i celler og hjernevæv, ved hjælp af immunofluorescens farvning og DNA dot-blot metoder.

Abstract

Der er identificeret flere DNA-modifikationer i pattedyrs genomet. Af det, 5-methylcytosin og 5-hydroxymethylcytosin-medierede epigenetiske mekanismer er blevet intensivt undersøgt. 5-hydroxymethylcytosin viser dynamiske funktioner under embryonale og postnatale udvikling af hjernen, spiller en regulerende funktion i genekspression, og er involveret i flere neurologiske lidelser. Her beskriver vi de detaljerede metoder, herunder immunofluorescens farvning og DNA dot-blot at detektere 5-hydroxymethylcytosin i dyrkede celler og hjernens væv af mus.

Introduction

Epigenetiske modifikationer, herunder DNA modifikation, Histon modifikation og RNA modifikation, har vist sig at spille væsentlige funktioner i forskellige biologiske processer og sygdomme1,2,3, 4 , 5 , 6 , 7. i lang tid, DNA-methylering (dvs., 5-methylcytosin (5-mC)) er blevet betragtet som en meget stabil epigenetisk markør og kan ikke ændres yderligere i genomet. For nylig, det har været konstateret, at 5-mC kunne oxideres til 5-hydroxymethylcytosin (5-HMC) af tet (ti-elleve translocations) familie proteiner, herunder TET1, TET2,og TET3 8,9. Yderligere undersøgelser viser, at 5-HMC kunne tjene som en stabil markør og spille biologiske roller ved at regulere genekspression4,10,11,12.

De nuværende beviser indikerer, at 5-HMC er stærkt beriget i neuronal væv/celler i forhold til andre typer af væv i pattedyr, og udviser dynamiske funktioner under neuronal udvikling13,14. I neuronal system, 5-hmC medierede epigenetiske modifikationer spiller en vigtig rolle i reguleringen af neurale stamceller, neuronal aktivitet, indlæring og hukommelse, og er involveret i flere neurologiske lidelser, herunder RETT syndrom, autisme, Alzheimers sygdom, Huntingtons sygdom, etc.2,13,15,16,17,18,19,20.

Der er flere tilgange til påvisning af 5-HMC i celler og væv14,21,22,23,24. Her beskriver vi to metoder til at påvise eksistensen af 5-hmC og kvantificere det globale niveau af 5-hmC: immunofluorescens farvning og DNA dot-blot. Disse to metoder er bekvemme og følsomme, og er blevet anvendt med succes i tidligere undersøgelser25,26,27,28,29,30. De vigtigste trin i disse to metoder er DNA-denaturering. For immunofluorescens farvning af 5-hmC kræves forbehandling af prøver med 1 M HCl. For 5-hmC dot-blot er DNA-denaturering udført med NaOH-opløsning. Disse to metoder sammen med næste generations sekvensering er meget nyttige værktøjer til at undersøge funktionen af 5-hmC.

Protocol

Alle dyreforsøg er blevet godkendt af dyreetiske komité på Zhejiang Universitet. 1. kulturen af voksne neurale stamceller og neuroner Isoler voksne neurale stamceller fra forhjernen af en voksen (8-10 uger gammel) C57/BL6 mandlig mus som beskrevet tidligere31,32. Kultur voksne neurale stamceller i DMEM/F-12 medium indeholdende 20 ng/mL FGF-2, 20 ng/mL EGF, 2% B27 supplement, 1% antibiotikum-antimykotisk, og 2 mM …

Representative Results

For at afsløre fordelingen af 5-hmC i hippocampus af voksne mus, udførte vi immunofluorescens med antistoffer mod neuronal celler (NeuN) og 5-hmC. I hippocampus, 5-hmC Co-lokaliseret godt med neuronal cellemarkør NeuN (figur 1a-H), tyder på en berigelse af 5-HMC i neuroner. For at bestemme dynamikken i 5-hmC under neuronal udvikling blev en prik-blot først udført med DNA-prøver isoleret fra prolifererende og differentierede voksne neurale s…

Discussion

Epigenetiske modifikationer spiller vigtige roller under hjernens udvikling, modning og funktion. Som en stabil markør for DNA modifikation reagerer Dynamic 5-hmC på adfærds tilpasning, neuronal aktivitet og er positivt korreleret med genekspression; således er det involveret i den normale funktion af hjernen og neurologiske lidelse4. For at undersøge dets funktion i celler og væv, er det nødvendigt at påvise eksistensen af 5-hmC og sammenligne niveauet før og efter behandling. Her demons…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

XL blev delvist støttet af det nationale Key R & D program i Kina (2017YFE0196600) og National Natural Science Foundation of China (Grant NOS. 31771395, 31571518). Q.S. blev støttet af Kinas nationale nøgle forsknings-og udviklingsprogram (2017YFC1001703) og det centrale forsknings-og udviklingsprogram for Zhejiang-provinsen (2017C03009). W.X. blev støttet af den naturvidenskabelige Foundation i Zhejiang-provinsen (LY18H020002) og Science Technology Department of Zhejiang-provinsen (2017C37057).

Materials

4'-6-diamidino-2-phenylindole (DAPI ) Sigma-Aldrich D8417
Adobe Photoshop software Adobe Inc. /
Alexa Fluor 488 goat anti-rabbit IgG Thermo Fisher A11008
Alexa Fluor 568 goat anti-mouse IgG Thermo Fisher A11001
anti-5-hydroxymethylcytosine Active Motif 39769
anti-NeuN Millipore MAB377
B27 supplement Gibco 12587-010
B27 supplement Gibco 12580-010
B27 supplement Gibco 17504-044
Cryostat microtome Leica CM1950
DMEM/F-12 medium OmegaScientific DM25
epidermal growth factor PeproTech 100-15
Fibroblast growth factor-basic PeproTech 100-18B
forskolin Sigma-Aldrich F6886
GlutaMax Thermo 35050061
L-Glutamine Gibco 25030-149
neurobasal medium Gibco 21103-049
normal goat serum Vector Laboratories Z0325
nylon membrane (Hybond™-N+ ) Amersham Biosciences RPN303B
OCT Leica 14020108926
Pen Strep Gibco 15140-122
phenol: chloroform: isoamyl alcohol (25: 24:1 ) Sigma-Aldrich 516726
Poly-D-Lysine Sigma P0899-10
proteinase K VVR 39450-01-6
retinoic acid Sigma-Aldrich R2625
Triton X-100 Solarbio T8210

References

  1. Tan, L., Shi, Y. G. Tet family proteins and 5-hydroxymethylcytosine in development and disease. Development. 139 (11), 1895-1902 (2012).
  2. Yao, B., et al. Epigenetic mechanisms in neurogenesis. Nature Reviews Neuroscience. 17 (9), 537-549 (2016).
  3. Day, J. J., Sweatt, J. D. DNA methylation and memory formation. Nature Neuroscience. 13 (11), 1319-1323 (2010).
  4. Wu, X. J., Zhang, Y. TET-mediated active DNA demethylation: mechanism, function and beyond. Nature Reviews Genetics. 18 (9), 517-534 (2017).
  5. Sun, W. J., Guan, M. X., Li, X. K. 5-Hydroxymethylcytosine-Mediated DNA Demethylation in Stem Cells and Development. Stem Cells and Development. 23 (9), 923-930 (2014).
  6. Li, S., Mason, C. E. The pivotal regulatory landscape of RNA modifications. Annual Review of Genomics and Human Genetics. 15, 127-150 (2014).
  7. Hwang, J. Y., Aromolaran, K. A., Zukin, R. S. The emerging field of epigenetics in neurodegeneration and neuroprotection. Nature Reviews Neuroscience. 18 (6), 347-361 (2017).
  8. Kriaucionis, S., Heintz, N. The nuclear DNA base 5-hydroxymethylcytosine is present in Purkinje neurons and the brain. Science. 324 (5929), 929-930 (2009).
  9. Tahiliani, M., et al. Conversion of 5-Methylcytosine to 5-Hydroxymethylcytosine in Mammalian DNA by MLL Partner TET1. Science. 324 (5929), 930-935 (2009).
  10. Guo, J. U., et al. Neuronal activity modifies the DNA methylation landscape in the adult brain. Nature Neuroscience. 14 (10), 1345-1351 (2011).
  11. Feng, J., et al. Dnmt1 and Dnmt3a maintain DNA methylation and regulate synaptic function in adult forebrain neurons. Nature Neuroscience. 13 (4), 423-430 (2010).
  12. Jaenisch, R., Bird, A. Epigenetic regulation of gene expression: how the genome integrates intrinsic and environmental signals. Nature Geneticset. , 245-254 (2003).
  13. Szulwach, K. E., et al. 5-hmC-mediated epigenetic dynamics during postnatal neurodevelopment and aging. Nature Neuroscience. 14 (12), (2011).
  14. Song, C. X., et al. Selective chemical labeling reveals the genome-wide distribution of 5-hydroxymethylcytosine. Nature Biotechnology. 29 (1), 68-72 (2011).
  15. Shu, L. Q., et al. Genome-wide alteration of 5-hydroxymenthylcytosine in a mouse model of Alzheimer’s disease. BMC Genomics. 17, (2016).
  16. Cruvinel, E., et al. Reactivation of maternal SNORD116 cluster via SETDB1 knockdown in Prader-Willi syndrome iPSCs. Human molecular genetics. 23 (17), 4674-4685 (2014).
  17. Bernstein, A. I., et al. 5-Hydroxymethylation-associated epigenetic modifiers of Alzheimer’s disease modulate Tau-induced neurotoxicity. Human Molecular Genetics. 25 (12), 2437-2450 (2016).
  18. Wang, F. L., et al. Genome-wide loss of 5-hmC is a novel epigenetic feature of Huntingtons disease. Human Molecular Genetics. 22 (18), 3641-3653 (2013).
  19. Yu, H., et al. Tet3 regulates synaptic transmission and homeostatic plasticity via DNA oxidation and repair. Nature Neuroscience. 18 (6), 836-843 (2015).
  20. Wu, H., Zhang, Y. Reversing DNA methylation: mechanisms, genomics, and biological functions. Cell. 156 (1-2), 45-68 (2014).
  21. Lister, R., et al. Global epigenomic reconfiguration during mammalian brain development. Science. 341 (6146), 1237905 (2013).
  22. Inoue, A., Zhang, Y. Replication-Dependent Loss of 5-Hydroxymethylcytosine in Mouse Preimplantation Embryos. Science. 334 (6053), 194 (2011).
  23. Pastor, W. A., et al. Genome-wide mapping of 5-hydroxymethylcytosine in embryonic stem cells. Nature. 473 (7347), 394-397 (2011).
  24. Ito, S., et al. Role of Tet proteins in 5mC to 5hmC conversion, ES-cell self-renewal and inner cell mass specification. Nature. 466 (7310), (2010).
  25. Wang, T., et al. Genome-wide DNA hydroxymethylation changes are associated with neurodevelopmental genes in the developing human cerebellum. Human Molecular Genetics. 21 (26), 5500-5510 (2012).
  26. Song, C. X., et al. Selective chemical labeling reveals the genome-wide distribution of 5-hydroxymethylcytosine. Nature Biotechnology. 29 (1), 68-72 (2011).
  27. Wang, T., et al. Subtelomeric hotspots of aberrant 5-hydroxymethylcytosine-mediated epigenetic modifications during reprogramming to pluripotency. Nature Cell Biology. 15 (6), 700-711 (2013).
  28. Li, X., et al. Ten-eleven translocation 2 interacts with forkhead box O3 and regulates adult neurogenesis. Nature Communications. 8, 15903 (2017).
  29. Szulwach, K. E., et al. 5-hmC-mediated epigenetic dynamics during postnatal neurodevelopment and aging. Nature Neuroscience. 14 (12), 1607-1616 (2011).
  30. Tao, H., et al. The Dynamic DNA Demethylation during Postnatal Neuronal Development and Neural Stem Cell Differentiation. Stem Cells International. 2018, 2186301 (2018).
  31. Li, X. K., et al. Ten-eleven translocation 2 interacts with forkhead box O3 and regulates adult neurogenesis. Nature Communications. 8, (2017).
  32. Li, X., et al. Epigenetic regulation of the stem cell mitogen Fgf-2 by Mbd1 in adult neural stem/progenitor cells. Journal of Biological Chemistry. 283 (41), 27644-27652 (2008).
  33. Kaech, S., Banker, G. Culturing hippocampal neurons. Nature Protocols. 1 (5), 2406-2415 (2006).
check_url/kr/59950?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Zhuang, Y., Chen, J., Xu, W., Shu, Q., Li, X. The Detection of 5-Hydroxymethylcytosine in Neural Stem Cells and Brains of Mice. J. Vis. Exp. (151), e59950, doi:10.3791/59950 (2019).

View Video