在此,作者展示了MULTI-seq在表型分析及后续配对的单细胞RNA测序(scRNA-seq)和单细胞ATAC测序(scATAC-seq)中的应用价值,用于表征视网膜中的转录组和染色质可及性谱型。
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在此,作者展示了MULTI-seq在表型分析及后续配对的单细胞RNA测序(scRNA-seq)和单细胞ATAC测序(scATAC-seq)中的应用价值,用于表征视网膜中的转录组和染色质可及性谱型。
强大的新一代测序技术为研究视网膜基因调控网络在发育过程及疾病状态下的功能提供了稳健且全面的分析手段。单细胞RNA测序能够全面描绘视网膜发育和疾病过程中细胞水平上的基因表达变化,而单细胞ATAC-Seq则可在相似分辨率下分析染色质可及性及转录因子结合情况。本文介绍了这些技术在发育中视网膜中的应用,并展示了MULTI-Seq方法,即通过使用修饰的寡核苷酸-脂质复合物对单个样本进行标记,使研究人员能够扩大单次实验的规模并显著降低成本。
了解基因如何影响细胞命运在研究疾病和胚胎发育等过程时起着关键作用。转录因子与其靶基因之间的复杂关系可被归类为基因调控网络。越来越多的证据表明,这些基因调控网络在进化谱系中的发育和疾病过程中均处于核心地位1。尽管以往的技术(如qRT-PCR)主要针对单个基因或一组基因,高通量测序技术的应用则使得对完整细胞转录组的分析成为可能。
RNA-seq 可以提供大规模转录组学的视图2,3。单细胞 RNA 测序(scRNA-seq)使研究人员不仅能够分析转录组,还能将特定细胞类型与基因表达谱关联起来4。这一过程通过生物信息学方法实现,即将单个细胞的表达谱输入基于已知基因标记的分选算法中进行分析5。利用脂质标记索引测序(MULTI-seq)的多重检测技术,可前所未有地增加可获取的 scRNA-seq 谱的数量6。这种基于脂质的技术不同于其他样本索引技术(如细胞哈希法),后者依赖于细胞表面抗原和高亲和力抗体,而 MULTI-seq 则通过整合到质膜中实现标记7。如今,不仅可以将基因表达谱归类到特定细胞类型,还可以将不同的实验整合到同一个测序文库中,从而显著降低单个 scRNA-seq 实验的成本6。尽管在需要分析多种不同基因型、处理条件或患者样本的表型实验中,scRNA-seq 的成本可能显得过高,但多重检测技术允许将多达 96 个样本合并至单个文库中6。
通过单细胞RNA测序(scRNA-seq)分析基因表达并非唯一一种基于高通量测序、彻底改变当前对分子机制如何决定细胞命运认知的技术。虽然了解细胞中存在哪些基因转录本有助于鉴定细胞类型,但同样重要的是理解基因组结构如何调控发育和疾病进展。早期研究依赖于检测DNase介导的未与组蛋白结合序列的切割,随后对产生的DNA片段进行测序,以鉴定开放染色质区域。相比之下,单细胞转座酶可及染色质测序技术(scATAC-seq)使研究人员能够利用改造后的转座子探测DNA,从而在单核苷酸水平上快速绘制开放染色质图谱8。该技术经历了与scRNA-seq类似的大规模发展,如今研究者可鉴定单个细胞类型,并在数千个独立基因组中分析表型特征8。
单细胞RNA测序(scRNA-seq)与单细胞ATAC-seq的联合应用使研究人员能够对数千个细胞进行分析,以确定疾病模型和发育过程中的细胞群体、基因组结构以及基因调控网络9,10,11,12。本文作者概述了如何首先利用MULTI-seq技术简化多种动物模型的表型分析,并结合scRNA-seq与scATAC-seq,深入解析这些动物模型中的染色质景观及调控网络。
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这些研究中动物的使用均依照约翰斯·霍普金斯大学动物护理和使用委员会批准的方案进行,符合ARRIVE指南要求,并严格遵循相关指南和法规执行。
1. MULTI-seq
2. 配对的单细胞RNA测序和单细胞ATAC测序
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该工作流程阐述了利用单细胞测序技术研究发育表型和调控过程的策略。MULTI-seq样本多重化技术可实现低成本的初步表型分析,而同时采集并固定样本用于单细胞RNA测序(scRNA-seq)和单细胞ATAC测序(scATAC-seq),则可进一步开展更深入的研究(图1)。
MULTI-seq 条形码技术能够实现多个样本的联合测序及其后续的计算去卷积。每个细胞的来源样本可根据其条形码的表达情况确定(图 2A)。这些合并的样本可作为单一数据集进行细胞聚类和细胞类型鉴定分析(图 2B)。由于每个细胞在 GEM 生成之前已被标记条形码,因此细胞双胞体(doublet)极有可能表现出多个 MULTI-seq 条形码的共表达,从而可在聚类与细胞类型鉴定之前识别并去除大部分双胞体(图 2C)。增加 GEM 生成步骤中所使用的细胞数量,将提高检测到的双胞体比例。sc...
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MULTI-seq 的优势在于能够无缝整合来自多种实验条件或模型的数据,并在降低成本和减少批次效应方面具有显著优势。使用 MULTI-seq 可使实验室获得前所未有的表型分析深度。细胞哈希(cell hashing)或细胞核哈希(nuclei hashing)等非遗传多重检测方法通过使用条形码标记的抗体实现了样本的多重检测7,19,20。然而,该方法依赖于高亲和力抗体的可获得性,这些抗体需能识别细胞或其细胞核表面表达的蛋白;如果缺乏此类抗体,或细胞不表达合适的细胞表面或细胞核抗原,则该方法无法实施7。由于 MULTI-seq 采用脂质修饰的寡核苷酸条形码,可稳定地嵌入细胞或其细胞核中,因此研究人员能够以更低成本、更广泛适用的方式,从多达 96 个新鲜或固定样本中获取转录组数据6。
建议并展示了在初始的M...
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我们感谢约翰斯·霍普金斯大学转录组学与深度测序核心的 Linda Orzolek 在文库测序方面的帮助,以及 Lizhi Jiang 在执行相关实验中的贡献 离体 视网膜外植体
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 10 µL, 200 µL, 1000 µL型移液滤芯吸头 | |||
| 10% Tween 20 | Bio-Rad | 1662404 | |
| 100 µM条形码溶液 | 来自 Gartner 实验室的申请 | https://docs.google.com/forms/d/1bAzXFEvDEJse_cMvSUe_yDaP rJpAau4IPx8m5pauj3w/viewform?ts=5c47a897&edit_requested true | |
| 100% 乙醇 | Millipore Sigma | E7023-500ML | |
| 100% 甲醇 | Millipore Sigma | 322415-100ML | |
| 10x 芯片支架 | 10x Genomics | 1000195 | |
| 10x Chromium 控制器 &和配件工具包 | 10x Genomics | PN-120263 | |
| 15 mL 离心管 | 优质生物材料 | P886-229411 | |
| 40 µm FlowMi 细胞滤筛 | Bel-Art | H13680-0040 | |
| 50 µM锚定溶液 | Sigma 或向 Gartner 实验室申请 | https://docs.google.com/forms/d/1bAzXFEvDEJse_cMvSUe_yDaP rJpAau4IPx8m5pauj3w/viewform?ts=5c47a897&&edit_requested true | |
| 50 µM 共锚定溶液 | Sigma 或向 Gartner 实验室申请 | https://docs.google.com/forms/d/1bAzXFEvDEJse_cMvSUe_yDaP rJpAau4IPx8m5pauj3w/viewform?ts=5c47a897&edit_requested =真 | |
| 5200 Fragment Analyzer 系统 | 安捷伦 | M5310AA | |
| 70 μm FlowMi 细胞滤网 | Bel-Art | H13680-0070 | |
| Allegra X-12R 离心机 | VWR | BK392302 | |
| 牛血清白蛋白 | Sigma-Aldrich | A9647 | |
| Chromium Next GEM 芯片 G | 10x Genomics | PN-1000120 | |
| Chromium Next GEM 芯片 H | 10x Genomics | PN-1000161 | |
| Chromium Next Gem 单细胞ATAC试剂盒 v1.1 | 10x Genomics | PN-1000175 | |
| Chromium 单细胞 3' GEM,文库 & 凝胶珠试剂盒 v3.1 | 10x Genomics | PN-1000121 | |
| 皂苷元 | Fisher Scientific | BN2006 | |
| 解剖显微镜 | Leica | ||
| DNA低吸附管,1.5 mL | Eppendorf | 22431021 | |
| 干冰 | |||
| EVA泡沫冰格 | Tequipment | 04393-54 | |
| FA 12-毛细管阵列短型,33 cm | 安捷伦 | A2300-1250-3355 | |
| Fisherbrand Isotemp 水浴锅 | Fisher Scientific | 15-460-20Q | |
| Forma CO2 水套式培养箱 | ThermoFisher Scientific | 3110 | |
| 50% 甘油水溶液 | Ricca Chemical Company | 3290-32 | |
| Hausser Scientific Bright-Line 计数室 | Fisher Scientific | 02-671-51B | |
| Illumina NextSeq 或 NovaSeq | Illumina | ||
| Kapa Hifi Hotstart ReadyMix | HiFi | 7958927001 | |
| 低TE缓冲液 | 优质生物材料 | 351-324-721 | |
| 氯化镁溶液 1 M | Sigma-Aldrich | M1028 | |
| 1.5 mL 离心管用磁力分离架 | Millipore Sigma | 20-400 | |
| 200型磁力分离架 µL型管 | 10x Genomics | NC1469069 | |
| MULTI-seq 引物 | Sigma 或 IDT | 参见序列列表 | |
| MyFuge微型离心机 | Benchmark Scientific | C1008 | |
| Nonidet P40 替代品 | Sigma-Aldrich | 74385 | |
| 无核酸酶水 | Fisher Scientific | AM9937 | |
| P2、P10、P20、P200、P1000 微量移液器 | Eppendorf | ||
| 木瓜蛋白酶解离系统 | 沃辛顿生化公司 | LK003150 | |
| PBS pH 7.4 (1X) | Fisher Scientific | 10010-023 | |
| Qiagen Buffer EB | Qiagen | 19086 | |
| 冷冻离心机 5424 R | Eppendorf | 2231000655 | |
| 无RNase一次性研磨杵 | Fisher Scientific | 12-141-368 | |
| RNasin Plus RNase抑制剂 | Promega | N2615 | |
| RPI 引物 | Sigma 或 IDT | 参见序列列表 | |
| 单指数试剂盒 N,A 套件 | 10x Genomics | PN-1000212 | |
| 单指数试剂盒 T A组 | 10x Genomics | PN-1000213 | |
| 5 M 氯化钠溶液 | Sigma-Aldrich | 59222C | |
| SPRIselect 试剂盒 | Beckman Coulter | B23318 | |
| 标准一次性移液管 | Fisher Scientific | 13-711-7M | |
| TempAssure PCR 8管排 | USA Scientific | 1402-4700 | |
| Trizma 盐酸盐溶液,pH 7.4 | Sigma-Aldrich | T2194 | |
| 0.4% (w/v) 台盼蓝溶液 | 康宁 | 25-900-CI | |
| 通用I5引物 | Sigma 或 IDT | 参见序列列表 | |
| Veriti 热循环仪 | 应用生物系统公司 | 4375786 | |
| 涡旋混合器 | VWR | 10153-838 |
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