本方案描述了如何在克隆水平上评估大量基因的表达。单细胞逆转录定量聚合酶链式反应(RT-qPCR)可对数百个样本和基因产生高度可靠且灵敏度强的结果。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本方案描述了如何在克隆水平上评估大量基因的表达。单细胞逆转录定量聚合酶链式反应(RT-qPCR)可对数百个样本和基因产生高度可靠且灵敏度强的结果。
基因表达异质性是淋巴样细胞群中一个值得研究的有趣特征。这些细胞在细胞活化、应激或刺激过程中,其基因表达会发生变化。单细胞多重基因表达技术可同时检测数十个基因1,2,3。在单细胞水平上,多重基因表达能够确定细胞群体的异质性4,5。该技术可通过确定成熟细胞中不同前体阶段的可能混合情况,以及细胞对刺激反应的多样性,来区分群体异质性。
天然淋巴细胞(ILC)最近被描述为免疫反应中的一类先天性效应细胞群体6,7。本方案旨在稳态条件下研究肝脏ILC区室的细胞异质性。
目前,评估基因表达最常用的技术是逆转录定量聚合酶链式反应(RT-qPCR)。该方法每次只能检测一个基因的表达水平。此外,由于一次检测需要多个细胞,该方法无法评估基因表达的异质性,导致结果反映的是细胞群体的平均基因表达水平。在检测大量基因时,RT-qPCR 会消耗大量时间、试剂和样本。因此,这些权衡限制了可检测的基因数量或细胞群体范围,增加了遗漏整体图景的风险。
本文描述了如何利用单细胞多重RT-qPCR技术克服这些局限性。该技术得益于近年来微流控技术的进步1,2。多重RT-qPCR芯片中的反应体积不超过纳升级别,因此可以在试剂、样本和成本均高效的前提下,实现单细胞基因表达分析以及多个基因的同步表达检测。该方法能够在克隆水平上检测同一细胞群体中不同细胞亚群在不同发育阶段或不同条件下基因表达谱的异质性4,5。在单细胞水平上对稀有细胞群体在大量不同条件下进行研究已不再受限。
近年来,天然淋巴细胞(ILCs)受到越来越多的关注。尽管它们缺乏抗原特异性受体,但仍属于淋巴细胞谱系,是维持组织稳态和炎症反应的重要哨兵。目前,ILCs 根据其特定转录因子组合的表达及其产生细胞因子的能力,被分为三类6,7。
ILC 通过特异性细胞因子的产生,在多种器官的稳态维持及病理生理过程中发挥重要作用8,9。为了深入理解这些细胞的功能,明确各器官中不同的 ILC 亚群及其发育关系至关重要。此外,不同 ILC 亚群之间还存在可塑性现象。通过研究某一器官内细胞的异质性,可以界定其成熟阶段,并区分其特定功能。
为了展示单细胞多重RT-qPCR技术的应用,本研究选择了肝脏固有淋巴细胞(ILC),并特别关注同一ILC亚群(1型ILC)内部的异质性10。首先,通过流式细胞术对肝脏中的三种不同ILC群体进行了表征。其中,1型ILC约占固有免疫效应细胞的80%,而另外两个群体则为稀有的肝脏ILC群体(占固有免疫效应细胞的比例不足5%)。这些细胞群体利用ILC广泛表达的细胞表面标志物进行分选。因此,分选出的肝脏ILC群体在形态上彼此之间总体相似。
单细胞多重RT-qPCR已成为快速研究这些群体异质性的最佳技术之一11。利用单细胞多重RT-qPCR技术可确定两个主要特征:首先,在克隆水平上,可以获取细胞特异性的基因表达信息,用于比较那些表观上处于相似发育阶段的细胞之间的差异;其次,通过分析预先选定的基因表达组合,我们将基于同一时间点的同步基因表达模式,确定新的基因特征。这些优势使得即使在稀有细胞群体中,也能在克隆水平上对大量细胞进行多种基因表达数据的采集。因此,可充分评估肝脏中ILC的异质性。
接下来,通过分选所有具有全局ILC表型的细胞,可以获得肝脏ILC群体多基因表达的广泛概览,尽管这些群体极为稀少。基于微流控的芯片技术使得即使使用极少量的细胞材料也能开展实验。因此,能够获取稀有细胞群体的基因表达谱。利用在线基因特征分析软件,可对细胞群体聚类及潜在的细胞间关系进行探究。进而,可开展功能实验以验证聚类数据 体内 水平。
在同一张芯片上,可同时对数百个或更多的单细胞检测数十个基因的表达水平3,11,12。实验中最耗时且最关键的步骤是检测方案的设计。确定与待验证假设相关的基因是获得有意义结果的首要前提。其次,需要设置内参对照(例如用于分选的已知表面标志物)以及特异性对照,这对于验证引物扩增的特异性、扩增效率以及排除引物间竞争至关重要。因此,单细胞多重反转录定量聚合酶链式反应(RT-qPCR)是一种节省时间的技术,可同时检测单个细胞中多个基因的表达情况。
对所有细胞使用相同的芯片和试剂混合物,可限制操作过程中可能产生的误差,并确保样品间的可重复性。综上所述,单细胞多重反转录定量PCR的各个特点使其能够在克隆水平上获得高度可靠的结果,对多种样品和基因均具有很高的灵敏度。所得结果可为生物统计学分析提供强大而稳健的数据支持。
这得益于该方法的微流控特性,使其能够在极少量材料上进行操作,并获得详尽的结果。最后,通过使用在线软件,可以对目标群体进行比较。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
所有动物实验均经法国巴斯德研究所安全委员会批准,符合法国农业部和欧盟的指导方针。
1. 准备96孔单细胞分选板

图1:96孔板加样流程。 96孔板的加样操作必须格外小心,因其将影响后续整个实验结果。(a)在96孔单细胞分选板上,先加入预扩增混合液,随后加入0.2x检测混合液。(b)应使用电子表格记录每个单细胞的位置。未加入细胞的孔称为“无模板”孔,可作为对照。可预留两行用于通过cDNA稀释控制引物扩增效率(从相当于105个细胞到1个细胞的连续十倍稀释)。(c)在96孔检测板上,先加入检测加样试剂,再加入引物。务必记录每种引物所在位置的布局。请点击此处查看该图的放大版本。
2. 单细胞解离
3. 单细胞荧光激活细胞分选(FACS)
4. 预扩增

图3:预扩增程序。 为了获得足够的材料,需要对分选后的单细胞中特定目标基因进行预扩增。将96孔单细胞分选板放入热循环仪中,按照预扩增程序进行反应。预扩增产物随后用低EDTA TE缓冲液稀释,可立即使用或在-20 °C冷冻保存。请点击此处查看该图的放大版本。
5. 准备96孔样品板
6. 准备96孔检测板
7. 单细胞基因表达芯片

图4:单细胞多重基因表达芯片上样。 这些步骤需要极高的精确度,尤其是在将96孔板转移至单细胞多重基因表达芯片的过程中。为避免上样错误和错位,强烈建议按顺序操作。每次转移的体积应在移液过程中严格控制。最后,应避免产生任何气泡,一旦形成须及时清除。 请点击此处查看该图的放大版本。
8. 运行芯片
9. 数据分析
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
淋巴样细胞群体在基因表达上表现出高度多样性。本方案中,采用单细胞多重RT-qPCR基因表达分析方法研究肝脏固有淋巴细胞(ILC)区室的异质性。与其他基因表达技术不同,单细胞多重RT-qPCR基因表达分析可同时对多个细胞群体(包括极为稀有的群体)进行研究。该方法具有克隆水平上的高灵敏度,结合其特异性,能够用于分析同一群体内部以及稀有群体之间的基因表达特征差异。例如,本研究评估了来自4周龄小鼠肝脏的3个ILC群体的基因表达特征。其中一个群体频率较高,易于识别,而另外两个群体在肝脏中较为稀有(占lineage阴性细胞的比例不足1%)。
在肝脏解剖和解离之前,预先准备一个96孔单细胞分选板和一个96孔检测板(图1)。所有混合液均在无菌操作台中配制,并使用电子移液器以确保体积的精确性和可重复性。所有试剂在移液前均需涡旋振荡,以保持均一性。配制完成后,96孔细胞分选板可冷冻保存直至进行细胞分选,96孔细胞检测板可冷冻保存直至上机至...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
本方案描述了如何在克隆水平上获得全面的基因表达信息。在此,我们研究了肝脏固有淋巴细胞(ILC)区室的异质性。在基于广泛表达的ILC表面标志物对不同的ILC群体进行单细胞分选后,对样本中预先选定的特定基因进行预扩增。随后,将获得的cDNA和引物加载至多重RT-qPCR微流控芯片上。最终,我们从48个单细胞中获得了48个不同基因的表达数据。通过在线软件分析基因表达结果,以研究基因表达特征及细胞群体之间的关系。
该技术的主要优势在于能够同时评估多个基因的表达。它还支持在克隆水平以及极稀有细胞群体上开展研究。与传统的逆转录定量聚合酶链式反应(RT-qPCR)方法不同,单细胞多重RT-qPCR不存在平均化效应,因为基因表达是在克隆水平上进行评估的。因此,可以检测并分析细胞群体内的异质性。单细胞RT-qPCR技术适用于极稀有细胞群体的研究,因为仅需极少量细胞即可获得全面的基因表达信息。此外,可在同一块反应板上对不同细胞群体进行检测,从而能够识别不同群体间的基因表达特征差异,并结合在线数据分析工具评估细胞群体之间的关系。该技术还具有其他优势。单细胞多重RT-qPCR得益于近年来微流控技术的进步,...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
作者无任何利益冲突需要披露。
本工作由巴斯德研究所、法国国家健康与医学研究院(INSERM)、巴黎狄德罗大学以及法国研究部(资助 S.C.);法国癌症研究协会(资助 S.C. 和 R.G.);REVIVE 未来投资计划及法国国家科研署(ANR;项目“Twothyme”资助 A.C.);法国国家科研署(ANR)“Myeloten”项目(资助 R.G.);以及法国国家癌症研究院(“肝癌发生过程中免疫微环境的作用”项目,资助 R.G.)提供支持。我们感谢巴斯德研究所人类免疫学与细胞计量平台提供的支持。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Cells Direct One Step qRT-PCR 试剂盒 | Applied Biosystems | 11753100 | 引物探针检测试剂盒。包含 2× 反应混合液、SSIII 铂金酶。 |
| 低 TE EDTA 缓冲液 | Affymetrix | 75793 100ML | |
| 96 孔板 | Thermofisher Scientific | AB 1100 | 适用于细胞分选和热循环的 96 孔板 |
| 封口膜 | Dominique Dutscher | 106570 | 铝制封口膜;防止污染和蒸发 |
| Actb | Thermofisher Scientific | Mm00607939_s1 | 20× 引物 |
| Aes | Thermofisher Scientific | Mm01148854_s1 | 20× 引物 |
| Ahr | Thermofisher Scientific | Mm00478932_s1 | 20× 引物 |
| Bcl2 | Thermofisher Scientific | Mm00477631_s1 | 20× 引物 |
| c-myc | Thermofisher Scientific | Mm00487804_s1 | 20× 引物 |
| Cbfb | Thermofisher Scientific | Mm01251026_s1 | 20× 引物 |
| Cd27 | Thermofisher Scientific | Mm01185212_s1 | 20× 引物 |
| Cd49a | Thermofisher Scientific | Mm01306375_s1 | 20× 引物 |
| CD49b | Thermofisher Scientific | Mm00434371_s1 | 20× 引物 |
| Cxcr5 | Thermofisher Scientific | Mm00432086_s1 | 20× 引物 |
| Cxcr6 | Thermofisher Scientific | Mm02620517_s1 | 20× 引物 |
| Eomes | Thermofisher Scientific | Mm01351985_s1 | 20× 引物 |
| Ets1 | Thermofisher Scientific | Mm01175819_s1 | 20× 引物 |
| Foxo1 | Thermofisher Scientific | Mm00490672_s1 | 20× 引物 |
| Gapdh | Thermofisher Scientific | Mm03302249_s1 | 20× 引物 |
| Gata3 | Thermofisher Scientific | Mm00484683_s1 | 20× 引物 |
| Gm-csf | Thermofisher Scientific | Mm01136644_s1 | 20× 引物 |
| Hes1 | Thermofisher Scientific | Mm01342805_s1 | 20× 引物 |
| Hprt | Thermofisher Scientific | Mm00446968_s1 | 20× 引物 |
| Id2 | Thermofisher Scientific | Mm01293217_s1 | 20× 引物 |
| Il-12rb2 | Thermofisher Scientific | Mm00711781_s1 | 20× 引物 |
| Il-18r1 | Thermofisher Scientific | Mm00515178_s1 | 20× 引物 |
| Il-1rl1 | Thermofisher Scientific | Mm00434237_s1 | 20× 引物 |
| Il-22 | Thermofisher Scientific | Mm001226722_s1 | 20× 引物 |
| Il-23r | Thermofisher Scientific | Mm00519943_s1 | 20× 引物 |
| Il-2ra | Thermofisher Scientific | Mm01340213_s1 | 20× 引物 |
| Il-2rb | Thermofisher Scientific | Mm01195267_s1 | 20× 引物 |
| IL-7r | Thermofisher Scientific | Mm00434295_s1 | 20× 引物 |
| Klr5 | Thermofisher Scientific | Mm04207528_s1 | 20× 引物 |
| Lef1 | Thermofisher Scientific | Mm00550265_s1 | 20× 引物 |
| Ncr1 | Thermofisher Scientific | Mm01337324_s1 | 20× 引物 |
| Nfil3 | Thermofisher Scientific | Mm01339838_s1 | 20× 引物 |
| Notch1 | Thermofisher Scientific | Mm00435249_s1 | 20× 引物 |
| Notch2 | Thermofisher Scientific | Mm00803069_s1 | 20× 引物 |
| Rora | Thermofisher Scientific | Mm01173766_s1 | 20× 引物 |
| Rorc | Thermofisher Scientific | Mm00490666_s1 | 20× 引物 |
| Runx3 | Thermofisher Scientific | Mm00490666_s1 | 20× 引物 |
| Tbx21 | Thermofisher Scientific | Mm01299453_s1 | 20× 引物 |
| Tcf3 | Thermofisher Scientific | Mm01175588_s1 | 20× 引物 |
| Tcf7 | Thermofisher Scientific | Mm00493445_s1 | 20× 引物 |
| Tle1 | Thermofisher Scientific | Mm00495643_s1 | 20× 引物 |
| Tle3 | Thermofisher Scientific | Mm00437097_s1 | 20× 引物 |
| Tsc22d3 | Thermofisher Scientific | Mm01306210_s1 | 20× 引物 |
| Tnfrsf11a | Thermofisher Scientific | Mm00437132_s1 | 20× 引物 |
| Tox | Thermofisher Scientific | Mm00455231_s1 | 20× 引物 |
| Zbtb16 | Thermofisher Scientific | Mm01176868_s1 | 20× 引物 |
| Zbtb7b | Thermofisher Scientific | Mm00784709_s1 | 20× 引物 |
| qPCR 主混合液 | Applied BioSystems | P/N 4304437 | |
| 2× 检测加载试剂 | Fluidigm | P/N 85000736 | 用于在多重 RT-qPCR 微流控芯片中加载检测的特异性密度介质。 |
| 2× 样品加载试剂 | Fluidigm | P/N 85000735 | 用于在多重 RT-qPCR 微流控芯片中加载样品的特异性密度介质。 |
| 48.48 多重 RT qPCR 微流控芯片 | Fluidigm | BMK-M-48.48 | 48.48 动态阵列 IFC 基因表达芯片;用于单细胞多重 RT-qPCR 反应的芯片 |
| 48.48 多重 RT qPCR 微流控芯片控制器 | Fluidigm | 89000020 | 48.48 IFC 控制器;控制芯片内部流体系统,将样品和检测加载至反应室 |
| 多重 RT qPCR 微流控热循环仪 | Fluidigm | GE48.48 | 48.48 动态阵列 IFC 热循环仪 |
| 96 孔板 | Thermofisher Scientific | AB 1100 | 适用于细胞分选和热循环的 96 孔板 |
| C57Bl/6 小鼠 | Janvier | C57Bl/6 miceJ@RJ | |
| 10 ml 注射器 | BD Biosciences | 309639 | |
| PBS | Life Technologies | 14040174 | |
| HBSS | Life Technologies | 24020133 | |
| RPMI | Life Technologies | 61870044 | |
| FCS | CVFSVF000U | Eurobio Abcys | 标准胎牛血清 |
| 玻璃匀浆器 | N/A | ||
| 15 ml 管 | Corning | 352097 | |
| 1.5 ml 管 | Sigma-Aldrich | T9661-1000EA | |
| FACS 仪器 | N/A | ||
| 离心机 | Thermofisher Scientific | 75004538 | |
| 1,000 µl 吸头 | Fisher Scientific | 10313272 | |
| P1000 | Gilson | F123602 | |
| Percoll | Dominique Dutscher | 17-0891-01 | |
| FACS 管 | Falcon | 352235 | |
| 抗 CD8 生物素小鼠抗体 | Sony | 1103520 | 谱系抗体 |
| 抗 CD19 生物素小鼠抗体 | Sony | 1177520 | 谱系抗体 |
| 抗 TCRab 生物素小鼠抗体 | BioLegend | 109204 | 谱系抗体 |
| 抗 TCRgd 生物素小鼠抗体 | BD Biosciences | 553176 | 谱系抗体 |
| 抗 Ter119 生物素小鼠抗体 | BD Biosciences | 553672 | 谱系抗体 |
| 抗 Gr1 生物素小鼠抗体 | BD Biosciences | 553125 | 谱系抗体 |
| 抗 CD45.2 PerCPCy5.5 小鼠抗体 | BioLegend | 109828 | |
| 抗 IL7ra PeCy7 小鼠抗体 | ebioSciences | 25-1271-82 | |
| 抗 CD3 BV510 小鼠抗体 | BD Biosciences | 563024 | |
| 抗 CD4 BV786 小鼠抗体 | BD Biosciences | 563727 | |
| 抗 NKp46 PE 小鼠抗体 | ebioSciences | 12-3351-82 | |
| 链霉亲和素 | Sony | 2626025 | |
| 碘化丙啶 | Sigma-Aldrich | P4864-10ML | |
| 电子移液器 | Eppendorf | 4986000017 | |
| Combitips 0.1 ml | Eppendorf | 30089405 | |
| 多通道移液器 | Rainin | L8-10XLS+ | |
| Accudrop | BD Biosciences | 345249 | FACS 验证微珠 |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。