Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

Transcriptoom Analyse van de individuele cellen

Published: April 25, 2011 doi: 10.3791/2634
Automatic Translation
*1, *1, 1,2
1Department of Pharmacology, University of Pennsylvania, 2The Penn Genome Frontiers Institute, University of Pennsylvania
* These authors contributed equally

ERRATUM NOTICE

Summary

In dit artikel beschrijven we een eenvoudige methode voor het verzamelen van enkele cellen van rat primaire neuronale culturen en de daaropvolgende transcriptoom analyse met behulp van ARNA versterking. Deze aanpak is generaliseerbaar naar een willekeurige cel type.

Abstract

Veel gen-expressie analyse technieken baseren zich op materiaal geïsoleerd uit heterogene populaties van cellen van weefsels of cellen homogenaten in cultuur. 1,2,3 In het geval van de hersenen, regio's zoals de hippocampus een complex geheel van verschillende celtypen bevatten, elk met verschillende mRNA profielen. De mogelijkheid om enkele cellen oogst zorgt voor een meer diepgaand onderzoek naar de moleculaire verschillen tussen en binnen celpopulaties. We beschrijven een eenvoudige en snelle methode voor het oogsten van cellen voor verdere verwerking. Pipetten vaak gebruikt in elektrofysiologie worden gebruikt om te isoleren (met behulp van aspiratie) een cel van belang en gemakkelijk te storten in een eppendorfbuisje voor verdere verwerking met een aantal van de moleculair-biologische technieken. Ons protocol kan worden aangepast voor de oogst van de dendrieten van celkweek of zelfs individuele cellen van acute plakjes.

We beschrijven ook de ARNA amplificatie methode als een belangrijke downstream toepassing van enkele cel isolaties. Deze methode werd eerder ontwikkeld door ons lab als een alternatief voor andere gen-expressie analyse technieken, zoals reverse-transcriptie of real-time polymerase chain reaction (PCR). 4,5,6,7,8 Deze techniek zorgt voor lineaire versterking van de gepolyadenyleerde RNA te beginnen met slechts femtograms van materiaal en dat resulteert in microgram hoeveelheden van antisense-RNA. De lineair versterkte materiaal zorgt voor een nauwkeuriger schatting dan PCR-exponentiële amplificatie van de relatieve overvloed van onderdelen van het transcriptoom van de geïsoleerde cel. De basis bestaat uit twee rondes van de amplificatie. In het kort, is een T7 RNA polymerase promoter website opgenomen in de dubbel-strengs cDNA gemaakt op basis van het mRNA transcripten. Een overnachting in vitro transcriptie (IVT) reactie wordt vervolgens uitgevoerd waarbij T7 RNA polymerase veel antisense transcripten produceert uit het dubbelstrengs cDNA. De tweede ronde herhaalt dit proces, maar met enkele technische verschillen, omdat het uitgangsmateriaal is antisense-RNA. Het is standaard om de tweede ronde te herhalen, wat resulteerde in drie rondes van versterking. Vaak wordt de derde ronde in vitro transcriptie reactie uitgevoerd met behulp van gebiotinyleerd nucleosidetrifosfaten, zodat het geproduceerde antisense-RNA kan worden gehybridiseerd en gedetecteerd op een microarray. 7,8

Protocol

1. Cel Cultuur

Ons laboratorium maakt gebruik van primaire neuronale rat hippocampus culturen voor de experimenten hieronder. Het volgende beschrijft de gewijzigde Banker protocol voor hoe deze celculturen worden gemaakt en onderhouden. 9 Er zijn, uiteraard, een volledig aantal permutaties van deze celcultuur technieken en alle beproefde methode toegesneden op de specifieke behoeften van een bepaalde laboratorium die zorgt voor een consequent gezonde voeding van de cellen zou een geschikte vervanger te zijn.

  1. Vijf autoclaaf, rond, 12 mm dekglaasjes worden geplaatst in een 35 mm schotel en bedekt met 80 ng / ml Poly-D-Lysine (MW 70-150,000) in boraatbuffer O / N, gespoeld met water (celkweek graad), dan gecoat met 1 ug / ml Laminine in boraatbuffer O / N vervolgens opnieuw worden gespoeld met water. NG media (MEM met Earle's zouten en Glutamax aangevuld met glucose (0,6% w / v), penicilline (100 U / ml), streptomycine (100 ug / ml), paarden serum (10% v / v)) wordt toegevoegd en gerechten worden opgeslagen in een incubator (5% CO 2 bij 37 ° C). De PDL150/laminin dient als een substraat voor de geïsoleerde neuronen om op te groeien als een monolaag. De dekglaasjes kan gecoat worden tot twee weken voor de beplating.
  2. Op de dag van plating, zijn de primaire neuronen uit embryonale dag 18 rat hippocampus uitgeplaat in NG media door het toevoegen van 1,5 ml van een 100.000 cellen / ml suspensie. Vier tot zes uur na de scheepshuid, elk 35 mm gerecht behandeld met 0,75 pi van 5 mM cytosine beta-D-arabinofuranoside (ara-C) om de groei van een vervuilende gliacellen te voorkomen. Vierentwintig uur later, is de scheepshuid media veranderd in MEM met Earle's zouten en L-glutamine aangevuld met 0,6% w / v glucose, 1 mM natrium pyruvaat, en B27. Cellen worden toegestaan ​​om voor ten minste twee weken groeien voor gebruik in alle experimenten tot volledige ontwikkeling van processen mogelijk te maken.

2. Voorbereiden Pipetten

Opmerking over RNases: De huid, speeksel, en zelfs de adem zijn belangrijke bronnen van RNases, enzymen die RNA af te breken. Het is noodzakelijk dat RNase-vrije techniek worden waargenomen vanaf dit punt in het protocol, zodat het monster niet besmet raken met RNases en vervolgens af te breken. Dit omvat altijd het dragen van handschoenen bij het hanteren van de monsters en reagentia, nooit praten over monsters of reagentia, en het gebruik van nieuwe dozen van gesteriliseerde pipet tips en buizen. Vaak zijn pipetten die niet uitsluitend bestemd zijn voor RNA werk ontsmet door af te vegen ze neer met een RNase behandeling oplossing, zoals RNase AWAY (Molecular Bioproducts). Echter, zullen deze oplossingen hinderen van stroomafwaarts enzymatische reacties dus het is ook belangrijk om besmetting van uw monsters te voorkomen dat met deze behandelingen.

  1. Autoclaaf 1,5 mm buitendiameter (OD) glazen pipetten.
  2. Met behulp van een micropipet trekker, trek pipetten met een diameter geschikt is voor elektrofysiologische opnames, die kunnen variëren op basis van uw trekker, gloeidraad, en pipetten. 10 De boring is niet te kritisch, omdat de tip zal voorafgaand worden gebroken tot cel collectie.
  3. Zorgvuldig bewaren van de pipetten in een stofvrije omgeving waar de tips blijft intact (idealiter gebruik maken van een micropipet opslag pot).
  4. Het doorbreken van de tip in een gecontroleerde wijze, houdt een kimwipe strak tussen je vingers in de ene hand en heel voorzichtig de punt van de pipet kwast over het papier 1 tot 2 keer. De opening moet ongeveer 75-100% van de doelgroep celgrootte worden. Pas deze stap totdat u het gewenste resultaat.

3. Voorbereiden van Cultuur, Buizen, en Microscoop

  1. Bereid gewenste aantal van 1,7 ml Eppendorf buizen. Voeg 2 ul van PBS, eerste deel buffer als het materiaal wordt gebruikt voor enkele cel aanvullingen, of een andere oplossing voor de opslag van het geoogste materiaal.
  2. Voor de oogst, moet u een lichtmicroscoop met een 40x objectief uitgerust met een micromanipulator. Gebruik een pipet houder met flexibele slang toonaangevende weg van de houder. Bevestig de slang op een stabiele ondergrond om ongewenste beweging van de pipet te voorkomen tijdens het verzamelen. Aan het uiteinde van de slang, steek een naald, zodat een 1 ml spuit met een Luer-Lock aansluiting kan worden bevestigd en aan te passen tussen de gebruikers.
  3. Als u dekglaasjes, werken met een dekglaasje tegelijk. Indien nodig, breng een dekglaasje aan een nieuwe 35 mm * schotel met PBS of media naar keuze. Hoe langer de cellen worden uit de incubator, de meer ongezonde zullen ze worden en hoe meer hun mRNA profielen zullen afwijken van die van een gezonde cel. Het is van cruciaal belang voor de gezondheid van de cellen aan de andere kant dekglaasjes te bewaren door ze in de couveuse wanneer het niet met hen te werken. Werken zo snel mogelijk met cellen buiten de couveuse.

* Met onze opstelling is het noodzakelijk om het gebruik van de deksel van een 35 mm schaal, omdat de wanden van de huidige schotel zijn te hoog om een ​​goede vooruitgang van de micropipet toe naar de coverslip.

4. Oogsten van cellen

  1. Zet de micropipet in de micropipet houder. Bevestig micropipet houder aan het invoegen op de micromanipulators. Stel het 40x objectief.
  2. Zet de schaal op de microscoop podium en vind een regio van cellen die geschikt zijn voor de oogst. In het geval van primaire neuronale culturen, moet de cel relatief geïsoleerd worden van zijn buren tot de oogst van de omliggende cellen en / of processen te voorkomen. De bevolking van mRNA transcripten tussen de soma en processen verschillen, dus als geïnteresseerd in somatische mRNA's alleen, zorg moeten worden genomen om besmetting van de soma met processen te voorkomen. Plaats de cel die u wenst te oogsten in het centrum van het gezichtsveld.
  3. Gebruik de micromanipulator om de micropipet vooruitgang in de richting van de oplossing in de schotel in het licht pad. Laat de pipet tip in de oplossing. Van toepassing zijn positieve druk van dit punt door te blazen licht door de spuit. Kijk door het oculair. De pipet moet verschijnen als een schaduw in het gezichtsveld. Ruim boven het vlak van de cellen, de positie van de pipetpunt totdat het zich binnen het gezichtsveld en richten zich op de pipetpunt met behulp van de grove focus knoppen. Op dit punt moet worden nagegaan of de boring grootte van de pipet is te groot of te klein. De praktijk oogsten zal bieden de mogelijkheid om te bepalen of de juiste maat boring is bereikt op dit punt.
  4. Nu, vooraf de pipet in de richting van het vlak van de cellen. Het is belangrijk dat de tip niet te haastig geavanceerd, waardoor het te breken in de regio van waaruit u wenst te verzamelen. Om dit te voorkomen, gebruikt u de grove focus naar het brandvlak tevoren voor het bevorderen van de pipet de punt naar de cellen met behulp van de micromanipulators. Wanneer u dicht bij de cellen, gebruikt u de fijne focus tot zowel de cellen en de pipetpunt in focus. Stop met het toepassen van positieve druk voordat je bij het vliegtuig van de cellen om te voorkomen dat blazen ze af van het dekglaasje.
  5. Gebruik de micromanipulators om de pipetpunt zo te plaatsen dat het aanraken van de cel soma u wenst te oogsten.
  6. Met behulp van de spuit, zachtjes zuigen via de mond, totdat de cel komt in de pipetpunt. Als de cel is niet het invoeren van de pipet voorzichtig bewegen de tip dichter bij de cel en naar beneden totdat het liften van het dekglaasje.

5. Het opslaan van de Cel

  1. Gebruik de micromanipulator om, zodra de pipet omhoog en uit de oplossing.
  2. Haal de pipet uit de houder.
  3. Houd de 1,7 ml Eppendorf buis in de ene hand en zachtjes breken de punt van de pipet aan de kant van de buis naar de bodem. (Richt op de 0,1 ml markering.)
  4. Met de gebroken tip midden in de buis, steek een naald bevestigd aan een 1-3 mL injectiespuit in de bovenste opening van de pipet. Snel op de zuiger waardoor de oplossing in de pipet uit te spuiten in de buis. De cel moet blijven in het uiterste puntje van de pipet en dit moet voldoende zijn om goed te verdrijven de cel. Wees voorzichtig dat u de tip touch aan andere vloeistoffen op de zijkanten van de buis als capillaire werking zal de vloeistof terug te brengen in de pipet.
  5. Snel spin down de inhoud van de buis met behulp van een desktop-microcentrifuge en onmiddellijk te bevriezen (bewaren bij -80 ° C) of plaats op ijs voor verdere verwerking (bij voorkeur).

6. ARNA Versterking

  1. Ronde 1 Eerste streng cDNA synthese:
    Maak mRNA / cDNA hybriden.
    1. Voor elke 5 pi van enkele cel collectie volume, voeg 1x van het volgende toe aan de collectie buis (op ijs). De reactie kan worden opgeschaald voor grotere collectie volumes (2x voor 10 pi collectie volumes, etc.). Maak een Master Mix door vermenigvuldiging van de volgende reagentia door het aantal collectie buizen plus 10-20% om rekening te houden pipetteren fout. Doe dit voor elke volgende reactie in het ARNA ampification procedure.
      • ON ICE
      • 1,2 pi dNTP's (2,5 mM elk)
      • 2,4 pi 5x Eerste deel buffer
      • 0,3 pi T7-oligo (dT) primer (100 ng / ul)
      • 1,2 pi DTT (100 mM)
    2. Breng het volume tot 10.25 ui met nuclease gratis water. Pipet mix en spin kort met behulp van een microcentrifuge.
    3. Incubeer gedurende 5 minuten bij 70 ° C naar elke secundaire structuur van het mRNA denatureren. Direct plaats op ijs gedurende minstens 5 minuten.
    4. Voeg (weer met behulp van een master mix):
      • 0,3 pi RNasin (40 U / ul)
      • 0,45 pi Superscript III (200 U / pi)
      • 1 ui nuclease gratis water
    5. Pipet mix en spin kort. Incubeer gedurende 1 uur bij 42 ° C.
    6. Incubeer bij 70 ° C gedurende 15 minuten om de Superscript inactiveren. Verder met de volgende stap.
  2. Ronde 1 Tweede streng cDNA-synthese
    Maak een RNA-primers van het mRNA gedeelte van het mRNA / DNA hybride om te helpen bij de synthese of dubbelstrengs cDNA.
      • ON ICE
      • Om de 12 pi eerste onderdeel reactie, toe te voegen:
      • 8 pi nuclease gratis water
      • 7,5 pi 5x Tweede deel buffer
      • 0,75 pi dNTP mix (2,5 mM elk)
      • 0,25 pi DNA ligase (10 U / pi)
      • 1 ui DNA polymerase I (10 U / pl)
      • 0,25 pi RNase H (2 U / pl)
      Meng goed door pipetteren en spin kort. Incubeer 2 uur bij 16 ° C.
    2. Toe te voegen: 1 ui T4 DNA-polymerase (5 U / pl). Meng door pipetteren en spin kort. Incubeer 10 minuten bij 16 ° C.
    3. Het schoonmaken van de reactie met behulp van de Qiagen MinElute kit volgens de aanwijzingen van de fabrikant met lichte wijzigingen: 11 Was twee keer met 500 pL wasbuffer in plaats van een keer met 750 pi. Elueren in nuclease vrij water.
    4. Concentreer met 2-4 uL met behulp van een Speedvac of door ethanol neerslag. Voor de ethanol precipitatie, het glycogeen fungeert als een nucleïnezuur drager en wordt gebruikt bij het neerslaan van kleine hoeveelheden DNA of RNA. Het natrium uit het natriumacetaat helpt neutraliseren van de negatieve lading van het DNA backbone, hulp in de neerslag. Het is niet nodig om een ​​master mix van routine neerslag te maken.
      • Voeg 29 uL DEPC water
      • 2 pl glycogeen (5mg/ml)
      • 1 / 10 volume (3 pi) 3M Natriumacetaat
      • 2,5 volumes (~ 250 pi) koud 100% ethanol
      Meng goed. Neerslag bij -80 ° C (30 min.. Tot O / N).
    5. Centrifugeer gedurende 20 minuten bij 4 ° C.
    6. Verwijder het supernatant en was het pellet met 800 pl 70% ethanol. Zorg ervoor dat u volledig of los de pellet door pipetteren of vortexen om te helpen bij het verwijderen van overtollig zout.
    7. Centrifuge voor nog eens 20 minuten bij 4 ° C. Verwijder de bovenstaande vloeistof en de lucht drogen gedurende 15-20 minuten.
    8. Resuspendeer in 4 pL nuclease vrij water. Bewaar bij -20 of -80 ° C of verder met de volgende stap.
  3. Ronde 1 In vitro transcriptie (IVT):
    Synthetiseren antisense-RNA van de T7 promoter opgenomen in het dubbelstrengs cDNA.
    1. Deze reactie wordt uitgevoerd met behulp van de Ambion MEGAscript T7 kit volgens de instructies van de fabrikant, behalve schaal van een 10 pi in plaats van een 20 pi reactie. 12 Het is noodzakelijk om deze reactie monteren bij kamertemperatuur en om de buffer te houden bij kamertemperatuur tijdens de montage. De meegeleverde buffer zal neerslaan het DNA als het ijskoud. Houd de NTP's en enzym mix op ijs wanneer niet in gebruik.
      • AT KAMERTEMPERATUUR
      • Overdracht de geresuspendeerde dubbelstrengs cDNA om een ​​dunwandige PCR-buis.
      • Voeg 4 pi NTP mix (18.75 mM elk)
      • 1 pi 10x reactiebuffer
      • 1 ui 10x enzyme mix
    2. Incubeer 14 uur bij 37 ° C in een thermocycler (bij voorkeur) of incubator.
    3. Deze reactie kan worden schoongemaakt met behulp van twee verschillende methoden, gevolgd door de concentratie van het monster met behulp van een Speedvac of ethanol neerslag. Voor het opruimen met behulp van een kit, ga dan naar methode A. Voor schoon te maken met een standaard fenol / chloroform extractie, ga dan naar methode B.
    4. Methode A:
      1. Het schoonmaken van de reactie met behulp van de Ambion Megaclear kit volgens de aanwijzingen van de fabrikant met een aantal wijzigingen 13: Was 2 maal met 500 pL wasbuffer in plaats van een keer met 750 pi. Voor de elutie stap, voeg 50 ul van nuclease vrij water naar het centrum van de kolom, incubeer bij 70 ° C gedurende 10 minuten. Spin bij 10.000 g gedurende 1 minuut. Herhalen in een nieuwe buis. Combineer eluaten. Concentreer monster met 2-4 uL met behulp van een Speedvac OR door ethanolprecipitatie.
      2. Voor ethanol neerslag: ammonium acetaat wordt gebruikt in plaats van natriumacetaat in dit geval, omdat het efficiënt in het voorkomen van co-precipitatie van de vrije nucleotiden met het nucleïnezuur. Dit is van belang vanwege de hoge concentratie van NTP's gebruikt in de IVT reactie, die kan remmen stroomafwaarts reacties.
        • Voeg 50 uL DEPC water
        • 2 pl glycogeen (20 mg / ml)
        • 0,6 volumes (37,2 pi) 5M Ammoniumacetaat
        • 2,5 volumes (~ 180 pi) koud ethanol
      3. Neerslag bij -80 ° C (30 min.. Tot O / N) .*
      4. Centrifugeer gedurende 20 minuten bij 4 ° C.
      5. Verwijder het supernatant en was het pellet met 800 pl 70% ethanol (in nuclease gratis water). Zorg ervoor dat u volledig los de pellet om alle overtollige zout te verwijderen.
      6. Centrifuge voor nog eens 20 minuten bij 4 ° C.
      7. Verwijder supernatant en de lucht drogen 15-20 minuten.
      8. Resuspendeer pellet in 4 pi nuclease gratis water.
    5. Methode B:
      1. Als alternatief kan de ARNA gereinigd worden met een standaard fenol / chloroform extractie.
        • Voeg 50 uL DEPC water
        • 2 pl glycogeen (20 mg / ml)
        • 0,6 volumes (37,2 pi)5M Ammoniumacetaat
        • Een volume (98 pi) fenol: chloroform: isoamylalcohol 25:24:1 (evenwicht van de pH 7,8-8,0)
      2. Vortex gedurende 15 seconden. Centrifugeer gedurende 1,5 minuten op half maximale snelheid in een tafelblad microcentrifuge. Breng de bovenste waterlaag naar een nieuwe buis met 2,5 volumes (245 pi) van koude ethanol.
      3. Neerslag bij -80 ° C (30 min.. Tot O / N).
      4. Centrifugeer gedurende 20 minuten bij 4 ° C.
      5. Verwijder supernatant en was pellet met 800 pl 70% ethanol (in nuclease gratis water). Zorg ervoor dat u volledig los de pellet om alle overtollige zout te verwijderen.
      6. Centrifuge voor nog eens 20 minuten bij 4 ° C.
      7. Verwijder supernatant en de lucht drogen 15-20 minuten.
      8. Resuspendeer pellet in 4 pi nuclease gratis water.

        * Het monster kan bevriezen bij deze temperatuur 's nachts tijdens de incubatie. Het is aangetoond dat dit ook daadwerkelijk kan opleveren van nucleïnezuren te verhogen.
  4. Ronde 2 Eerste streng cDNA-synthese
      • ON ICE
      • Voeg 1 ui Random primers (0,05 mg / ml) *
    2. Verwarmen bij 70 ° C gedurende 10 minuten. Direct plaats op ijs gedurende minstens 5 minuten.
      • Voeg 2 pl 5x Eerste deel buffer
      • 1 pi DTT (100 mM)
      • 0,5 pi dNTP's (2,5 mM elk)
      • 0,5 pi RNasin (40 U / ul)
      • 1 pi Superscript III (200 U / pi)
    4. Meng goed door pipetteren en spin kort. Laat op kamertemperatuur komen gedurende 10 minuten. Deze stap is nodig om uitbreiding van de korte willekeurige primers mogelijk te maken vóór de reverse transcriptie reactie wordt uitgevoerd.
    5. Incubeer gedurende 30 minuten bij 42 ° C.
    6. Verhit 5 minuten bij 95 ° C om het RNA denatureren in DNA / RNA hybriden. Plaats op ijs gedurende minstens 5 minuten. Bewaren bij -20 ° C of -80 ° C of onmiddellijk verder met de volgende stap.

      * De concentratie van willekeurige primers is belangrijk. Als de concentratie te hoog is, zal het product meer afgekapt met elke ronde van versterking.
  5. Ronde 2 Tweede streng cDNA-synthese
      • ON ICE
      • Voeg 2 ul T7-oligo (dT) primer (10 ng / pi) *
    2. Warmte gedurende 5 minuten op 70 ° C. Direct plaats op ijs gedurende minstens 5 minuten. Spin kort.
      • Voeg 43,5 ul nuclease gratis water
      • 15 pi 5x Tweede deel buffer
      • 1,5 pi dNTP mix (2,5 mM elk)
      • 2 pl DNA polymerase I (10 U / pl)
    4. Meng goed door pipetteren en spin kort. Incubeer 2 uur bij 16 ° C.
    5. Voeg 2 pl T4 DNA-polymerase (5 U / pl)
    6. Meng goed door pipetteren en spin kort. Incubeer 10 minuten bij 16 ° C.
    7. Het schoonmaken van de reactie met behulp van de Qiagen Minelute kit als in hoofdstuk 6.2.3.
    8. Concentreer met 2-4 uL met een Speedvac of ethanol precipitatie als in de artikelen 6.2.4 tot 6.2.8.

      * Let op de verschillende voorraad concentratie van T7-oligo (dT) primer in vergelijking met de eerste ronde seconden streng cDNA synthese.
  6. Ronde 2 In vitro transcriptie
    Uit te voeren zoals in paragraaf 6.3.
    1. Herhaal de artikelen 6,4 tot 6,6 gewenste aantal keren. Merk op dat elke volgende ronde van de versterking resulteert in een kortere ARNA producten. Het aantal rondes van versterking moet worden beperkt om deze reden. Normaal gesproken, twee tot drie rondes van versterking zijn voldoende om materiaal geoogst van een enkele cel tot microarray analyse uit te voeren te versterken. In het geval van microarray analyse, is de derde ronde IVT reactie uitgevoerd met de Illumina TotalPrep RNA amplificatie Kit volgens de instructies van de fabrikant. Deze procedure bevat biotine-gelabeld UTP in de ARNA dat vervolgens wordt gebruikt voor detectie op een microarray chip.
    2. Meet de concentratie van de derde ronde ARNA met behulp van een Nanodrop of Agilent Bioanalyzer met een Nano RNA kit.

7. Representatieve resultaten

Succesvolle oogst van een enkele cel van de primaire neuronale culturen kan worden voltooid in minder dan 2 minuten, afhankelijk van de geschiktheid (zie figuur 1). Echter, de tijd voor de oogst varieert tussen systemen en met tussenliggende experimentele manipulatie. Het onderwerpen van de cel naar de ARNA procedure (zie de figuren 4A en 4B) resulteert in microgram hoeveelheden van het totaal versterkt Arna en produceert een karakteristieke brede piek bij geanalyseerd met een bioanalyzer (zie figuur 3). Drie ronden kan worden voltooid in een minimum van drie dagen, waardoor een snelle analyse van enkele cel genexpressie.

Figuur 1
Figuur 1. Afgebeeld is een voorbeeld van een succesvolle oogst van een geïsoleerde neuron. We selected een relatief lage dichtheid regio (A) en geavanceerde pipetpunt in de richting van de gewenste cel (B). De derde afbeelding (C) toont het gezichtsveld nadat de cel was geoogst. Merk op dat de omliggende processen blijven op het dekglaasje.

Figuur 2
Figuur 2. Getoond worden twee beelden van pipetpunten, die een ongeschikte maat voor effectieve oogsten. Deze tips zullen leiden tot onvolledige oogst (A) en de oogst van omringende milieu (B) respectievelijk.

Figuur 3
Figuur 3. Na de oogst en de versterking, analyse met behulp van een bioanalyzer wordt aanbevolen om de verspreiding en de hoeveelheid geamplificeerd RNA te onderzoeken. Een succesvolle versterking van eencellige materiaal zal opleveren totale bedragen die in de lage microgram en zal een distributie die is glad en breed hebben.

Figuur 4
Figuren 4. Schema van de eerste ronde (A) en de tweede ronde (B) van de ARNA procedure worden weergegeven.

Discussion

Opmerkingen en problemen oplossen

  • U kunt willen nemen voor en na foto's waaruit blijkt dat de doelcel werd geïsoleerd en dat de resterende penumbra bleef onaangeroerd.
  • Als er te veel oplossing is het invoeren van de pipet zoals je bent oogsten, kunt u 3-weg Luer-Lock fittingen en de zuiger van de spuit om positieve druk in de slang vast te houden. Het gewenste volume zal variëren met de aard van de verwerking, maar tot en met 5 pi moet fijn zijn voor de meeste toepassingen.

Algemene tips over moleculaire biologische technieken

  • Vortex alle voorraad slangen en spinnen ze naar beneden voor het toevoegen aan een reactie. NOOIT vortex enzymen.
  • Meng grondig reacties voor het toevoegen van het enzym om ervoor te zorgen dat de buffer is op de juiste concentratie.
  • Houden enzym voorraden bij -20 ° C indien mogelijk met behulp van een stratacooler. Anders, verwijder vlak voor gebruik, blijven op het ijs, en terug te keren onmiddellijk tot -20 ° C.
  • Altijd mastermengsels bij het voorbereiden van meer dan een reactie op de pipetteren fouten te verminderen. Bereken het volume nodig is op basis van het aantal monsters en voeg 10-20%.
  • Bewaar RNA bij -80 ° C te vertragen degradatie. RNA is het meest stabiel is opgeslagen in de buffer te vertragen apurination van RNA dat zich voordoet in zure omstandigheden.

Algemeen overzicht van de ARNA Procedure

Figuur 4A illustreert de eerste ronde van de ARNA procedure. In het eerste onderdeel reactie, de poly-T gedeelte van de T7-oligo (dT) primer selecteert voor mRNA soorten (lange witte rechthoek) door te binden aan de polyA staarten. Sommige microRNA's zijn ook gepolyadenyleerde en worden gevangen genomen door deze procedure. Nog belangrijker is echter de meest voorkomende RNA in de cel, ribosomaal RNA's, niet. Dit oligo fungeert als een primer voor reverse transcriptaseremmers naar een complementaire streng van de cDNA (lange grijze rechthoek) te synthetiseren met behulp van de mRNA als een sjabloon. De T7 gedeelte van de T7-oligo (dT) primer voorzien van de T7 RNA polymerase promotor in frame met de volgorde antisense mRNA naar het startpunt. Dit is later in de in vitro transcriptie reactie gebruikt.

Vervolgens het mRNA in het mRNA / DNA hybride gemaakt in de vorige stap is gedeeltelijk gehydrolyseerd door RNase H het creëren van RNA "primers" (kleine witte rechthoeken), vergelijkbaar met de Okazaki fragmenten die in achterblijvende streng DNA-synthese. DNA-polymerase I maakt gebruik van de RNA-fragmenten aan premier DNA-synthese met behulp van de DNA complementair aan het mRNA als een sjabloon. Wanneer het de volgende RNA fragment, zijn vijf bereikt 'naar 3' nuclease activiteit verwijdert de ribonucleotiden en vervangt ze door desoxyribonucleotiden. DNA-ligase wordt toegevoegd aan alle strengen waarbij de vervanging van de leidende streng is niet compleet afbinden. T4 DNA-polymerase wordt toegevoegd in te vullen in de gebieden waar de RNA-fragmenten dienden als eerste primers voor DNA-polymerase I het creëren van een stompe dubbelstrengs cDNA dat vervolgens wordt gezuiverd voordat u de IVT reactie.

In de IVT reactie, T7 RNA-polymerase bindt aan de T7 promoter opgenomen in het dubbelstrengs cDNA en synthetiseert antisense-RNA-moleculen (lange zwarte rechthoeken) met behulp van de sense streng als een sjabloon. Dit dient als de amplificatiestap waarin duizenden antisense-RNA-moleculen worden geproduceerd uit elk dubbelstrengs cDNA-molecuul (figuur 4A).

De tweede ronde, zoals afgebeeld in figuur 4B, begint met een reverse transcriptie reactie die is iets anders dan die van de eerste ronde sinds de start RNA is antisense (massief zwart rechthoek) en mist de gepolyadenyleerde staart, dat was het doelwit van de T7-oligo (dT) primer in de eerste ronde. Daarom wordt deze reactie gevuld met random primers (kleine grijze rechthoeken) en het RNA vervolgens gedenatureerd. De tweede streng reactie wordt dan gevuld door de T7-oligo (dT) primer, die voor de poly-A sequentie bindt aan het 3 'einde van de sense RNA aangemaakt in de voorgaande reverse transcriptie reactie. Een andere IVT reactie wordt uitgevoerd op dezelfde wijze als in de eerste ronde. Deze tweede ronde is meestal minstens een keer herhaald om drie rondes van de versterking halen uit een enkele cel.

Toepassingen

De technieken die we hebben in dit artikel kan worden vertaald in een groot aantal toepassingen. De single celisolatie protocol kan worden aangepast voor gebruik in acute plakjes. 14 Hoewel technisch meer uitdagende, dezelfde principes toe te passen in deze alternatieve voorbereiding. Bovendien, als de grootte van de pipet is licht aangepast, kunnen opnamen van de fysiologie van de cellen worden gemaakt voor de oogst waardoor een goed gecontroleerde onderzoek van de moleculaire mechanismen achter de fysiologische uitgangen. Een andere kleine wijziging is om processen te isoleren uit de cel soma. 15 Voor deze toepassing, verzamel cellichamen met een pipet en gaan dan terug met een frisse pipet en het verzamelen van 100-300 geïdentificeerd Dendrites of axonen per collectie buis. 16

Zodra cellen zijn geoogst, vergelijkingen van mRNA dichtheden en composities kunnen worden gemaakt tussen verschillende en zelfs binnen dezelfde cel populaties. Het opnemen van gebiotinyleerde-UTP in de derde ronde ARNA zorgt voor microarray analyse om deze relatieve abundanties mRNA te bepalen. De samenstelling van de originele mRNA bevolking kan ook worden bepaald na de ARNA procedure met behulp van de volgende generatie sequencing. De versterkte ARNA kan ook worden gebruikt om de cel fenotype conversie studies waarin een volledige set van mRNA's van het ene celtype worden getransfecteerd in een ander celtype in om de overgang van het fenotype van de laatste celtype te induceren in die van de voormalige bevestigen, een procedure ontwikkeld door het lab en bekend staat als TIPeR. 17 Deze studies zijn vooral handig voor het bestuderen van de ziekte van staten en cel fenotypes en dergelijke studies zijn momenteel aan de gang in het lab. RT-PCR of qPCR kunnen worden uitgevoerd op het versterkte materiaal om de expressie van cel-specifieke genen te bevestigen. Daarnaast kan evaluaties van de efficiëntie van de transfectie of transductie worden gemaakt in de enkele cel niveau.

Voordelen en beperkingen

Zoals vermeld in het abstracte, isolatie van enkele cellen voor analyse elimineert de gemiddelde effecten gezien met een analyse van heterogene celpopulaties. Deze gemiddelde effecten verkeerd mRNA abundanties binnen een enkele cel door meer dan-die overvloedig transcripties en het gemiddelde uit en het voorkomen van detectie van een groot aantal low-overvloed transcripten. Flowcytometrie kan worden gebruikt om individuele cellen te sorteren, maar deze methode vereist kennis van cel-specifieke markers en dure apparatuur. 18 Laser capture microdissectie zowel met UV-of IR-laser capture microdissectie-systemen zorgen voor een cel en zelfs subcellulaire vast te leggen, maar vereist cellen van belang voor worden gevestigd op het oppervlak van zeer dunne secties. 19 Net als bij flowcytometrie, laser capture microdissectie vraagt ​​ook dure apparatuur.

Een van de grote voordelen van de elektrode op basis collectie techniek hierboven beschreven is dat waardevolle elektrofysiologische gegevens kunnen worden verkregen uit de cel van belang voor de oogst, waardoor functionele en transcriptoom analyse worden uitgevoerd op dezelfde cel. 20 Een nadeel van onze techniek is dat het vereist ervaring met micromanipulators. Onderzoekers bekend zijn met micromanipulators vindt deze techniek zeer intuïtief, maar mensen met geen ervaring zal moeten vertrouwd raken met de vereiste fijne bewegingen.

Inherent zijn aan elke amplificatietechniek is de preferentiële versterking van een aantal transcripties gebaseerd op grootte en nucleotide samenstelling. 4,6,7 Polymerase Chain Reaction (PCR) gebaseerde technieken, zoals reverse-transcriptie polymerase chain reaction (RT-PCR) en snelle amplificatie van cDNA einden (RACE) resulteren in exponentiële amplificatie van transcripten, terwijl de ARNA versterking procedure resulteert in een lineaire versterking. Zo is een van de belangrijkste voordelen van de ARNA procedure ligt in het vermogen om beter de relatieve abundanties van mRNA transcripten te behouden door alleen lineair versterken eventuele fouten of vooroordelen die optreden in het proces van versterking, in tegenstelling tot exponentieel versterken zei fouten en vooroordelen.

Het Arna procedure in combinatie met microarray analyse maakt voor de vergelijking van de mRNA dichtheden tussen de enkele cellen van gelijksoortige of verschillende morfologie, behandeld of onbehandeld. Bovendien kan versterkt materiaal worden ingediend voor de volgende generatie sequencing. 5,8 echter zorg moeten worden genomen in dergelijke analyses omdat in tegenstelling tot het gebruik van willekeurige primers voor de procedure, de oligo-dT primer hierboven beschreven procedure vooroordelen versterking van de 3 'einden van mRNA en leidt doorgaans tot een lichte verkorting van de latere versterkt materiaal met elke ronde. Voorzichtigheid is geboden bij de analyse van microarray resultaten met standaard methoden zoals sommige valse afwezig gesprekken kunnen het gevolg zijn van iets ingekort versterkt materiaal. Daarnaast, terwijl sequencing resultaten ook daadwerkelijk de volledige 5 geven 'volgorde van de meeste van de oorspronkelijke mRNA, de 5' kan sequenties van sommige mRNA worden gemist. Om deze redenen moet het aantal ronden van de aanvullingen worden beperkt.

Disclosures

Dr Eberwine is een uitvinder op de ARNA patent dat is in licentie gegeven aan LBS technologieën waarin Dr Eberwine is een aandeel-houder.

Acknowledgments

Dank aan Kevin Miyashiro voor plating en onderhouden van celculturen, Dr Terri Schochet voor het leveren van celculturen voor de foto's opgenomen in dit document. Daarnaast dank aan Kevin Miyashiro, dr. Peter Buckley, en Tiina Pertiz voor input op de ARNA procedure. De financiering voor dit werk was van het National Institute on Aging, het National Institute on Mental Health en de Human Resources Fact Finder fondsen van het Gemenebest van Pennsylvania.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Spiegelgas coverslips Carolina Biological 63-3029
Nunc 35x10 mm culture dishes Fisher Scientific 12-565-90
Water for cell culture Lonza Inc. 17-724Q For making solutions used for cell culture and rinsing coverslips
Poly-D-Lysine MW70-150K Sigma-Aldrich 6407
Laminin, ultrapure BD Biosciences 354239
Boric acid Sigma-Aldrich B0252
MEM with Earle’s salts and glutamax Invitrogen 41090-101 For plating cells
D-glucose Sigma-Aldrich G8769
Penicillin-streptomycin Invitrogen 15140-122
Horse serum Invitrogen 16050
Cytosine beta-D-arabinofuranoside Sigma-Aldrich C1768
MEM with Earle’s salts and L-glutamine Invitrogen 11095-098 For growing cells
Sodium pyruvate Sigma-Aldrich P2256
B27 serum-free supplement Invitrogen 17504-044
Borosilicate glass capillary tubes (1.5mm O.D, 100mm length) Kimble Chase 34500 99 Any borosilicate glass pipette will work as long as the proper bore size is attained.
HBSS Invitrogen 14175 Any solution will work as long as the components won’t interfere with any future processing (i.e. no Ca2+ or Mg2+)
1ml syringe BD Biosciences 309628
Needle BD Biosciences Gauge depends on the diameter of the pipettes
dNTP mix Amersham 28-4065-51
dt-T7 oligo Custom Midland Certified
Second strand buffer (5x) Invitrogen Y01129
DTT Supplied with second strand buffer
E.coli DNA Ligase Invitrogen 100002324
DNA polymerase I Invitrogen 100004926
Rnase H Invitrogen 18021-071
Megascript T7 kit Ambion AM1334
Random primers BMB 11034731001
Superscript III Reverse Transcriptase Invitrogen 56575 in kit (18080-044) comes with first strand buffer (Y02321) and DTT
MEGAclear Kit Ambion 1908
MinElute Reaction Cleanup Kit Qiagen 28206
T4 DNA polymerase Invitrogen 100004994
Rnasin Promega Corp. N251B
Illumina TotalPrep RNA Amplification Kit Ambion AMIL1791
Flaming/Brown micropipette puller Sutter Instrument Co. P-87 Sutter has many other models, many are discussed in the cookbook
Micromanipulator Olympus Corporation Many other micromanipulators will work such as the newer Eppendorf models
Pipette Holder Warner Instruments MP-S15A Will vary with micromanipulator and pipette O.D.
Bioanalyzer RNA 6000 Nano Kit Agilent Technologies 5067-1511

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Davis, J. E., Eberwine, J. H., Hinkle, D. A., Marciano, P. G., Meaney, D. F., McIntonsh, T. K. Methodological considerations regarding single-cell gene expression profiling for brain injury. Neurochemical Research. 29, 1113-1121 (2004).
  2. Eberwine, J. Single-cell molecular biology. Nature Neuroscience. 4, 1155-1156 (2001).
  3. Kamme, F., Salunga, R., Yu, J., Tran, D., Zhu, J., Luo, J., Bittner, A., Guo, H., Miller, N., Wan, J., Erlander, M. Single-cell microarray analysis in hippocampus CA1: Demonstration and Validation of Cellular Heterogeneity. The Journal of Neuroscience. 23, 3607-3607 (2003).
  4. Hinkle, D., Glanzer, J., Sarabi, A., Pajunen, T., Zielinski, J., Belt, B., Miyashiro, K., McIntosh, T., Eberwine, J. Single neurons as experimental systems in molecular biology. Progress in Neurobiology. 72, 129-142 (2004).
  5. Ginsberg, S. D., Elarova, I., Ruben, M., Tan, F., Counts, S. E., Eberwine, J. H., Trojanowski, J. Q., Hemby, S. E., Mufson, E. J., Che, S. Single-cell gene expression analysis: Implications for Neurodegenerative and Neuropsychiatric Disorders. Neeurochemical Research. 29, 1053-1064 (2004).
  6. Eberwine, J., Spencer, K., Miyashirto, K., Mackler, S., Finnell, R. Complementary DNA synthesis in situ: methods and applications. Methods Enxymol. 216, 80-100 (1992).
  7. Eberwine, J., Yeh, H., Miyashiro, K., Cao, Y., Nair, S., Finnell, R., Zettel, M., Coleman, P. Analysis of gene expression in single live neurons. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 89, 3010-3014 (1992).
  8. Kelz, M. B., Dent, G. W., Therianos, S., Marciano, P. G., McIntosh, T. K., Coleman, P. D., Eberwine, J. H. Single-cell antisense RNA amplification and microarray analysis as a tool for studying neurological degeneration and restoration. Sci. Aging Knowledge Eviron. 1, re1-re1 (2002).
  9. Banker, G. A., Cowan, W. M. Rat hippocampal neurons in dispersed cell culture. Brain Research. 126, 397-425 (1977).
  10. P-1000 & P-97 Pipette Cookbook. , rev. F, Sutter Instrument. (2010).
  11. MinElute Handbook For MinElute Reaction Cleanup Kit. , Qiagen. 28-29 (2004).
  12. Megascript kit. , Ambion. 7-8 Forthcoming.
  13. MEGAclear kit. , Applied Biosystems. 4-5 Forthcoming.
  14. Eberwine, J., Kacharmina, J. E., Andrews, C., Miyashiro, K., McIntosh, T., Becker, K., Barrett, T., Hinkle, D., Dent, G., Marciano, P. mRNA expression analysis of tissue sections and single cells. The Journal of Neuroscience. 21, 8310-8314 (2001).
  15. Van Gelder, R. N., von Zastrow, M. E., Yool, A., Dement, W. C., Barchas, J. D., Eberwine, J. H. Amplified RNA synthesized from limited quantities of heterogeneous cDNA. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 87, 1663-1667 (1990).
  16. Miyashiro, K., Dichter, M., Eberwine, J. On the nature and differential distribution of mRNAs in hippocampal neuritis: Implications for neuronal functioning. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 91, 10800-10804 (1994).
  17. Sul, J., Wo, C. K., Zeng, F., Jochems, J., Lee, M. T., Kim, T. K., Peritz, T., Buckley, P., Cappelleri, D. J., Maronski, M., Kim, M., Kumar, V., Meaney, D., Kim, J., Eberwine, J. Transcriptional transfer produces a predictable cellular phenotype. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 106, 7624-7629 (2009).
  18. Sow, F. B., Gallup, J. M., Sacco, R. E., Ackerman, M. R. Laser capture microdissection revisited as a tool for transcriptomic analysis: Application of an excel-based qPCR preparation software (PREXCEL-Q). Int. J. Biomed. Sci. 5, (2010).
  19. Vandewoestyne, M., Deforce, D. Laser capture microdissection in forensic research: a review. Int J Legal Med. 124, (2010).
  20. Eberwine, J., Bartfai, T. Single cell transcriptomics of hypothalamic warm sensitive neurons that control core body temperature and fever response Signaling asymmetry and an extension of chemical neuroanatomy. Pharmacol. Ther. , (2010).

Tags

Neurowetenschappen single-cel transcriptoom ARNA versterking RT-PCR moleculaire biologie genexpressie

Erratum

Formal Correction: Erratum: Transcriptome Analysis of Single Cells
Posted by JoVE Editors on 11/18/2011. Citeable Link.

A correction was made to Transcriptome Analysis of Single Cells. There were errors in the volumes used in the aRNA Amplification section. The volumes were changed from:

  • 6.2.1 7.5 μL 5x Second strand buffer
  • 6.2.4 Add 29 μL DEPC water
    2 μL glycogen (5 mg/mL) 1/10 volume (3 μL) 3M Sodium acetate
    2.5 volumes (~250 μL) cold 100% ethanol
  • 6.2.7 Remove the supernatant and air dry for 15-20 minutes.
  • 6.3.4.2 Add 50 μL DEPC water
    2 μL glycogen (20 mg/mL)
    0.6 volumes (37.2 μL) 5M Ammonium acetate
    2.5 volumes (~180 μL) cold ethanol
  • 6.3.4.7 Remove supernatant and airy dry 15-20 minutes.
  • 6.3.5.1 Add 50 μL DEPC water
    2 μL glycogen (20 mg/mL)
    0.6 volumes (37.2 μL) 5M Ammonium acetate
    1 volume (98 μL) phenol:chlorofom:isoamyl alcohol 25:24:1 (equilibrated to pH 7.8-8.0)
  • 6.3.5.7 Remove supernatant and air dry 15-20 minutes.

to

  • 6.2.1 5.6 μL 5x Second strand buffer
  • 6.2.4 Add 40 μL DEPC water
    1 μL glycogen (5 mg/mL) 1/10 volume (5 μL) 3M Sodium acetate
    2.5 volumes (~125 μL) cold 100% ethanol
  • 6.2.7 Remove the supernatant and air dry for 15-20 minutes.
  • 6.3.4.2 Add 50 μL DEPC water
    2 μL glycogen (5 mg/mL)
    0.1 volumes (10 μL) 5M Ammonium acetate
    2.5 volumes (~275 μL) cold ethanol
  • 6.3.4.7 Remove supernatant and air dry 15-20 minutes.
  • 6.3.5.1 Add 90 μL DEPC water
    2 μL glycogen (5 mg/mL)
    0.1 volumes (10 μL) 5M Ammonium acetate
    1 volume (100 μL) phenol:chlorofom:isoamyl alcohol 25:24:1 (equilibrated to pH 7.8-8.0)
  • 6.3.5.7 Remove supernatant and air dry 15-20 minutes.
Transcriptoom Analyse van de individuele cellen
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Morris, J., Singh, J. M., Eberwine,… More

Morris, J., Singh, J. M., Eberwine, J. H. Transcriptome Analysis of Single Cells. J. Vis. Exp. (50), e2634, doi:10.3791/2634 (2011).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter