采用RNA测序和生物信息学分析方法,鉴定小鼠EML细胞中Lin-CD34+和Lin-CD34-亚群内显著差异表达的转录因子。这些转录因子可能在调控自我更新的Lin-CD34+细胞与部分分化的Lin-CD34-细胞之间的转换过程中发挥重要作用。
方法文章
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采用RNA测序和生物信息学分析方法,鉴定小鼠EML细胞中Lin-CD34+和Lin-CD34-亚群内显著差异表达的转录因子。这些转录因子可能在调控自我更新的Lin-CD34+细胞与部分分化的Lin-CD34-细胞之间的转换过程中发挥重要作用。
造血干细胞(HSCs)在临床上用于移植治疗,以重建白血病和淋巴瘤等多种疾病患者的造血系统。阐明调控HSC自我更新与分化的机制,对于HSC在科研和临床应用中的发展具有重要意义。然而,由于HSC无法大量增殖,难以获得足量的HSCs 体外为克服这一难题,本研究采用小鼠骨髓来源的 EML(红系、髓系和淋巴系)细胞系作为模型系统。
RNA测序(RNA-Seq)已越来越多地用于取代基因芯片进行基因表达研究。本文报道了一种利用RNA-Seq技术研究调控EML细胞自我更新与分化潜在关键因子的详细方法。本论文提供的实验方案分为三个部分。第一部分介绍如何培养EML细胞并分离Lin-CD34+和Lin-CD34-细胞。第二部分提供了总RNA提取及后续高通量测序文库构建的详细步骤。最后一部分描述了RNA-Seq数据分析方法,并解释如何利用这些数据鉴定Lin-CD34+与Lin-CD34-细胞之间差异表达的转录因子。其中显著差异表达的转录因子被鉴定为可能调控EML细胞自我更新与分化的关键调控因子。在本文的讨论部分,我们重点强调了实验成功实施的关键步骤。
综上所述,本文提供了一种利用RNA-Seq技术鉴定EML细胞自我更新与分化潜在调控因子的方法。所鉴定的关键因子将进行下游功能分析。 体外 和 体内.
造血干细胞是一类稀有的血细胞,主要存在于成体骨髓微环境中,负责生成补充血液系统和免疫系统所需的各类细胞。1作为一类干细胞,HSCs 具备自我更新和分化的能力。阐明调控 HSCs 命运抉择(即自我更新或分化)的机制,将为 HSCs 在血液疾病研究和临床应用中的操控提供有价值的指导。2研究人员面临的一个问题是,造血干细胞(HSCs)可以在体外维持和扩增 体外 在极有限的程度上;其绝大多数子代在培养过程中仅部分分化2.
为了在全基因组范围内鉴定调控自我更新和分化过程的关键调节因子,我们采用小鼠原始造血祖细胞系 EML 作为模型系统。该细胞系来源于小鼠骨髓3,4。在不同生长因子的作用下,EML 细胞可在体外分化为红系、髓系和淋巴系细胞in vitro5。重要的是,该细胞系可在含有干细胞因子(SCF)的培养基中大量扩增,并仍保持其多向分化潜能。根据表面标志物 CD34 和 SCA 的表达,EML 细胞可分离为具有自我更新能力的 Lin-SCA+CD34+ 亚群和部分分化的 Lin-SCA-CD34- 亚群6。与短期造血干细胞类似,SCA+CD34+ 细胞具有自我更新能力。在 SCF 处理下,Lin-SCA+CD34+ 细胞可快速再生出混合的 Lin-SCA+CD34+ 和 Lin-SCA-CD34- 细胞群体,并持续增殖6。这两个细胞群体在形态上相似,且 c-kit mRNA 和蛋白水平相近6。Lin-SCA-CD34- 细胞则可在含有 IL-3 而非 SCF 的培养基中传代扩增3。揭示 EML 细胞命运决定过程中的关键调控因子,将有助于深入理解造血过程中早期发育转变的细胞与分子机制。
为了研究具有自我更新能力的 Lin-SCA+CD34+ 细胞与部分分化的 Lin-SCA-CD34- 细胞之间潜在的分子差异,我们采用 RNA-Seq 技术来鉴定差异表达基因。特别是我们关注转录因子,因为转录因子在决定细胞命运中起着关键作用。RNA-Seq 是一种近期发展起来的方法,利用下一代测序(NGS)技术的能力对基因组转录出的 RNA 进行定性和定量分析7,8。简而言之,首先将总 RNA 进行 poly-A 筛选并打断,作为初始模板。随后,利用逆转录酶将 RNA 模板转化为 cDNA。为了准确比对全长 RNA 转录本,构建 cDNA 文库时使用完整且未降解的 RNA 至关重要。为进行测序,需在 cDNA 的两端连接特定的接头序列。随后,在大多数情况下,通过 PCR 扩增 cDNA 分子,并以高通量方式测序。
测序完成后,可将获得的序列读段比对至参考基因组和转录组数据库。通过统计比对到参考基因的读段数量,可利用该信息估算基因表达水平。此外,这些读段还可进行拼接组装。 从头合成 在缺乏参考基因组的情况下,实现对非模式生物转录组的研究9RNA-seq 技术也已用于检测剪接异构体10-12,新转录本13 和基因融合14除了检测蛋白质编码基因外,RNA-Seq 还可用于检测新发现的非编码 RNA 并分析其转录水平,例如长链非编码 RNA15,16,microRNA17,siRNA 等等。18由于该方法的高准确性,已被用于单核苷酸变异的检测19,20.
在RNA-Seq技术出现之前,基因表达谱分析主要采用微阵列(microarray)方法。预先设计的探针被合成并固定在固相表面,制成微阵列芯片21。提取mRNA并将其反转录为cDNA。在反转录过程中,荧光标记的核苷酸被掺入cDNA,随后该cDNA可与微阵列芯片上的探针杂交。特定点位所采集信号的强度取决于结合到该点位特异性探针上的cDNA量21。与RNA-Seq技术相比,微阵列存在若干局限性。首先,微阵列依赖于已有的基因注释信息,而RNA-Seq技术能够检测新转录本,但其相对较高的背景水平限制了在低表达基因检测中的应用。此外,RNA-Seq技术的检测动态范围更大(可达8,000倍)7,而微阵列由于信号背景和饱和效应,对高表达和低表达基因的检测准确性均受限7,22。最后,微阵列探针的杂交效率各不相同,导致在同一份样本中比较不同转录本的相对表达水平时结果可靠性降低23。尽管RNA-Seq相比微阵列具有诸多优势,但其数据分析较为复杂,这也是目前仍有许多研究人员选择使用微阵列而非RNA-Seq的原因之一。RNA-Seq的数据处理与分析需要使用多种生物信息学工具24。
在多种下一代测序(NGS)平台中,454、Illumina、SOLID 和 Ion Torrent 是目前应用最广泛的平台。454 是首个商业化的 NGS 平台。与其他测序平台(如 Illumina 和 SOLID)相比,454 平台可产生更长的读长(平均读长为 700 个碱基)25。由于其更高的组装效率,较长的读长更适用于转录组的初步表征25。454 平台的主要缺点是每兆碱基序列的测序成本较高。Illumina 和 SOLID 平台则产生数量更多但长度较短的读段,每兆碱基序列的测序成本远低于 454 平台。由于 Illumina 和 SOLID 平台产生的短读段数量庞大,数据分析所需的计算资源显著增加。Ion Torrent 平台的测序仪器和试剂价格较低,测序时间也更短25。然而,其错误率和每兆碱基序列的测序成本相较于 Illumina 和 SOLID 平台更高。不同平台各有优缺点,且需要不同的数据分析方法。应根据测序目的和资金可用性选择合适的平台。
本文以Illumina RNA-Seq平台为例,采用EML细胞作为模型系统,研究EML细胞自我更新与分化过程中的关键调控因子,并提供了RNA-Seq文库构建及数据分析的详细方法,用于基因表达水平的计算和新转录本的检测。我们此前的研究已表明,在EML模型系统中结合功能验证实验(例如 shRNA敲低)进行RNA-seq研究2,是解析造血分化早期阶段分子机制的有力手段,也可作为细胞自我更新与分化研究的通用模型。
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1. 使用磁性细胞分选系统和荧光激活细胞分选法培养EML细胞并分离Lin-CD34+与Lin-CD34-细胞
2. 高通量测序的RNA制备与文库构建
3. 数据分析
有关本部分所用软件的参考信息,请参见(表2)。

图 S1:使用 CASAVA 软件将 .bcl 文件转换为 .fastq 文件。

图S2:使用Tophat将读段比对至参考基因组。

图 S3:新转录本的检测与表达水平估计。

图 S4:使用 DESeq 软件包鉴定差异表达基因。

图 S5:差异表达转录因子的鉴定。

图 S6:将比对结果转换用于数据可视化。
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为了分析 Lin-CD34+ 和 Lin-CD34- EML 细胞中差异表达的基因,我们采用了 RNA-Seq 技术。图 1 展示了实验流程。通过磁性细胞分选法分离出谱系阴性细胞后,我们使用 FACS Aria 分选出 Lin-SCA+CD34+ 和 Lin-SCA-CD34- 细胞。将谱系富集的 EML 细胞用抗 CD34、抗 Sca1 及谱系混合抗体进行染色,仅对 Lin- 细胞设门,以分析 Sca1 和 CD34 的表达。通过 FACS 分析可观察到两个细胞群(SCA+CD34+ 和 SCA-CD34- EML 细胞)(图 2)6。
细胞分离后,我们分别从CD34+和CD34-细胞中提取总RNA,并分析RNA的质量。RNA-Seq数据的准确性在很大程度上依赖于RNA-Seq文库的质量,而总RNA的质量对于构建高质量文库至关重要。高质量的RNA样本其OD 260/280比值应在1.8至2.0之间。除使用分光光度计外,还通过生物分析仪(Bioanalyzer)更精确地评估RNA质量。
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哺乳动物转录组非常复杂34-38RNA-Seq 技术在转录组分析、新转录本检测和单核苷酸变异发现的研究中正发挥着日益重要的作用 等等。 与其他基因表达分析方法相比,它具有多种优势。如引言中所述,该方法克服了微阵列的杂交假象问题,并可用于鉴定新转录本 从头合成RNA测序的一个局限性在于其读长相对较短,与桑格测序相比尤其如此。然而,随着测序技术的快速进步,读长正在持续增加。本文提供了利用该技术鉴定小鼠EML细胞自我更新与分化过程中潜在关键调控因子的详细方法。
本方案的第一个关键步骤是 EML 细胞培养。尽管 EML 是一种造血前体细胞系,可在干细胞因子(SCF)存在下大量扩增,但其培养条件相比常规永生化细胞系需要更加细致的控制。细胞应定期换液并传代,操作需轻柔;否则细胞的自我更新与分化特性可能发生改变,并出现细胞死亡。在收集到足够数量的细胞后,我们首先利用磁性激活细胞分选系统分离出谱系阴性细胞,随后通过荧光激活细胞分选法将 CD34+ 与 CD34- 细胞分开。通常在用于 RNA 提取前,EML 细胞传代不应超过...
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作者无任何利益冲突需要披露。
JQW、SZ、SD 和 KC 得到美国国立卫生研究院以及斯塔曼·奥格尔维基金—纪念赫尔曼基金会的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 抗生素-抗真菌素 | Invitrogen | 15240-062 | BHK 细胞培养 |
| 抗小鼠 CD34 FITC | eBioscience | 11-0341-81 | FACS 分选 |
| 抗小鼠 Ly-6A/E (Sca-1) PE | eBioscience | 12-5981-81 | FACS 分选 |
| APC 小鼠谱系抗体混合物 | BD Biosciences | 558074 | FACS 分选 |
| BD FACSAria 细胞分选仪 | BD Biosciences | Special offer sysmtem | FACS 分选 |
| Corning™ 细胞培养处理培养瓶 75 cm2 | Corning incorporated | 430641 | 细胞培养 |
| Corning™ 细胞培养处理培养瓶 25 cm2 | Corning incorporated | 430639 | 细胞培养 |
| 脱氧核糖核酸酶 I,扩增级 | Invitrogen | 18068-015 | 文库制备 |
| DMEM | Invitrogen | 11965-092 | BHK 细胞培养 |
| DPBS | Gibco | 14190 | 细胞培养 |
| 热灭活胎牛血清 | Invitrogen | 16140071 | BHK 细胞培养 |
| 马血清 | Invitrogen | 16050-122 | EML 细胞培养 |
| IMDM | HyClone | SH30228.02 | EML 细胞培养 |
| L-谷氨酰胺 | Invitrogen | 25030-081 | 细胞培养 |
| 谱系细胞耗竭试剂盒,小鼠 | Miltenyi Biotec | 130-090-858 | 谱系阴性细胞的分离 |
| NanoVue Plus 分光光度计 | GE Healthcare | 28-9569-62 | 质量控制 |
| Thermo Scientific™ Napco™ 8000 水套式 CO2 培养箱 | Thermo Scientific | 15-497-002 | 细胞培养 |
| 青霉素-链霉素 | Invitrogen | 15140-122 | EML 细胞培养 |
| TRIzol® 试剂 | Invitrogen | 15596-018 | RNA 提取 |
| TruSeq™ RNA 样本制备试剂盒 v2 - B 套装(48 次反应) | Illumina | RS-122-2002 | 文库制备 |
| 2100 电泳生物分析仪 | Agilent | G2939AA | 质量控制 |
| 0.25% 胰蛋白酶-EDTA | Gibco | 25200 | 细胞培养 |
| 0.45 µm 注射器滤器 | Nalgene | 190-2545 | 细胞培养 |
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