本文介绍了一种细胞核制备的实验方案。在将心脏组织经显微解剖和酶解离为单个细胞后,祖细胞被冷冻保存,随后分离出纯度高且具有活性的细胞,用于单核RNA测序以及基于高通量测序的单核转座酶可及性染色质分析。
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本文介绍了一种细胞核制备的实验方案。在将心脏组织经显微解剖和酶解离为单个细胞后,祖细胞被冷冻保存,随后分离出纯度高且具有活性的细胞,用于单核RNA测序以及基于高通量测序的单核转座酶可及性染色质分析。
发育中的心脏是一个复杂的结构,包含多种由复杂调控机制控制的前体细胞。对单个细胞的基因表达和染色质状态进行检测,可以识别细胞类型和状态。单细胞测序技术已揭示了心脏前体细胞异质性的多个重要特征。然而,这些方法通常仅限于新鲜组织,这限制了在不同实验条件下的研究,因为新鲜组织必须在同一次实验中立即处理,以减少技术上的变异性。因此,该领域迫切需要简便且灵活的方法,以支持单核RNA测序(snRNA-seq)和基于高通量测序的单核转座酶可及染色质分析(snATAC-seq)等技术的数据生成。本文介绍了一种快速分离细胞核以进行后续单核双组学分析(联合snRNA-seq与snATAC-seq)的实验方案。该方法可从心脏前体细胞的冷冻样本中分离细胞核,并可与使用微流控腔室的平台相结合。
在出生缺陷中,先天性心脏病(CHDs)最为常见,每年约发生在1%的活产婴儿中1,2。仅在少数病例中可识别出基因突变,表明其他病因(如基因调控异常)也参与了先天性心脏病的发病机制2,3。心脏发育是一个涉及多种相互作用细胞类型的复杂过程,这使得识别非编码区致病突变及其对基因调控的影响变得极具挑战性。心脏器官发生始于细胞前体,这些前体分化为不同类型的心脏细胞,包括心肌细胞、成纤维细胞、外膜细胞和内膜细胞4,5。 单细胞基因组学正成为研究心脏发育以及评估细胞异质性在健康与疾病状态下影响的关键方法6。多组学技术的发展实现了对不同参数的同步检测,同时计算分析流程的不断拓展,促进了对正常和病变心脏中细胞类型及亚型的发现6。本文介绍了一种可靠的单细胞核分离方案,适用于从小鼠胚胎获取的冷冻心脏前体细胞,该方案可兼容后续的snRNA-seq和snATAC-seq分析(也可用于snRNA-seq与snATAC-seq联合分析)7,8,9。
ATAC-seq 是一种可靠的方法,可用于鉴定调控性开放染色质区域并确定核小体的位置10,11。这些信息可用于推断转录因子的位置、身份和活性。由于该方法在检测染色质结构的定量变化方面具有高度敏感性,因此还可用于分析染色质因子(包括染色质重塑复合物)以及RNA聚合酶的转录活性1,2。因此,ATAC-seq 提供了一种稳健且无偏倚的方法,用于揭示特定细胞类型中转录调控的机制。ATAC-seq 方案还已被验证可用于单细胞水平的染色质可及性检测,从而揭示细胞群体内染色质结构的异质性10,12,13。
尽管近年来单细胞研究领域取得了显著进展,但开展这些实验所需新鲜样本的处理仍是主要难题14。为克服这一困难,研究人员已开展多项测试,旨在利用冷冻的心脏组织或细胞进行snRNA-seq和snATAC-seq等分析15,16。
已有多种平台被用于分析单细胞基因组学数据17。目前广泛使用的单细胞基因表达和ATAC分析平台均基于多重微流控液滴包封技术17。由于这些平台依赖微流控腔室,碎片或聚集体可能堵塞系统,导致数据无法使用。因此,单细胞研究的成功取决于对单个细胞/细胞核的精确分离。
本文所述方案采用了一种与近期利用snRNA-seq和snATAC-seq研究先天性心脏病相似的方法18,19,20,21,22,23。该方法首先对新鲜显微解剖获得的心脏组织进行酶解离,随后对小鼠心脏前体细胞进行冷冻保存。解冻后,通过纯化获得活细胞,并进一步进行细胞核分离处理。在本研究中,该方案已成功用于从小鼠心脏前体细胞的同一批核制备物中获取snRNA-seq和snATAC-seq数据。
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本研究采用的动物实验方案已获得马赛大学(Aix-Marseille University,C2EA-14)动物伦理委员会的批准,并依照国家动物实验伦理委员会指定机构批准的方案进行(法国国民教育、高等教育与研究部;授权编号 Apafis N°33927-2021111715507212)。
1. 解剖前设置定时交配
2. 组织制备与细胞分离
3. 细胞计数与活力评估
注意:细胞数量和活力是单细胞实验成功的关键参数。snATAC-seq 方法对细胞数量的微小变化非常敏感。细胞数量过少会导致染色质过度消化,从而产生更多的测序读段,并导致不可及的染色质区域被检测到(噪声增加)。同样,细胞数量过多则会产生难以测序的高分子量片段。为了准确定量细胞和细胞核浓度,采用两种不同方法对细胞数量和活力进行了评估。
4. 细胞冻存
5. 细胞复苏与死细胞去除
6. 细胞核分离
注意:单核ATAC和单核RNA测序联合实验需使用纯净且完整的细胞核悬液。建议针对所用细胞类型优化裂解条件(裂解时间和NP40浓度)。最佳裂解时间点和去垢剂浓度应是在不破坏细胞核形态的前提下,使尽可能多的细胞被裂解。使用水平转子离心机替代固定角转子离心机可减少细胞/细胞核的损失。为最大限度减少细胞核在塑料器皿上的残留,建议使用低吸附型移液器吸头和离心管,这有助于提高细胞核回收率。使用5% BSA对移液器吸头和离心管进行包被是一种成本较低但耗时较长的替代方案。
7. 分离细胞核的质量与数量评估
注意:根据初始细胞计数,并估计细胞裂解过程中约有 50% 的细胞核损失,应将适当数量的细胞重悬于冰冷的稀释细胞核缓冲液中。使用预冷稀释细胞核缓冲液重悬的体积计算,需依据目标回收的细胞核数量以及制造商用户指南中推荐的相应细胞核储存浓度。该计算示例见补充方案 1。
8. snRNA-seq 和 snATAC-seq 文库的质量分析
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与用于单细胞技术的单细胞悬液制备相比,单核悬液的制备更具挑战性,需要更高的分辨率和更精细的处理。成功实现snRNA-seq与snATAC-seq联合分析的关键因素在于获得纯净且完整的细胞核悬液。高效的细胞核分离方案必须根据组织类型和样本状态(新鲜或冷冻)进行相应调整。本文介绍了一种优化后的从小鼠胚胎心脏冷冻组织中分离细胞核的方案。从胚胎心脏区域的解剖、心肌细胞的解离到细胞核的分离,所有步骤均在图1中进行了总结。在起始材料方面,建议用于高效细胞核分离的细胞数量为1×105–1×106个细胞,细胞活力应>70%。如图2所示,本方案中在解冻后额外增加了死细胞去除与分选步骤,从而获得了更纯净的细胞悬液,显著提高了细胞活力,并改善了起始样本的质量。除细胞核分离外,本方案还详细说明了如何评估所分离细胞核的质量与数量(图3)。所分离细胞核的质量会显著影响snRNA-seq与snATAC-seq联合数据的质量;在此,通过评估核膜形态...
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通过结合单核RNA测序(snRNA-seq)和单核ATAC测序(snATAC-seq)研究发育中心脏的细胞组成,有助于更深入理解先天性心脏病的发病机制26。多个研究实验室已探讨了心脏组织冷冻保存对snRNA-seq的影响27。在比较不同实验条件时,使用来自人类疾病小鼠模型的新鲜显微解剖组织进行snRNA-seq和snATAC-seq在操作上可能具有挑战性。对于特定发育阶段,一个难点在于对照组和实验组必须在同一轮实验中处理,以减少样本处理过程中引入的技术变异。当无法处理新鲜组织时,根据我们的研究结果,建议先进行组织解离,然后冷冻保存,而不是直接将整个胚胎心脏组织速冻。选择前一种方法的原因在于,若将心脏组织整体冷冻,解冻后获得有活力的单细胞将更加困难。然而,如果组织解离方案未经过优化,则整体速冻组织可能是更优选择。优先推荐解离后冷冻保存,因为该组织解离方案可获得>90%的新鲜有活力细胞,且无细胞类型偏好性。
这种方法具有多个优势,例如可使用冻存细胞,从而无需新鲜组织;同时采用单细胞解...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本研究得到了ERA-CVD-2019和ANR-JCJC-2020对SS的资助。我们感谢马赛医学遗传学实验室U 1251/基因组学与生物信息学平台(GBiM)以及匿名审稿人提供的宝贵意见。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 2100 生物分析仪 | Agilent | 无目录编号 | |
| 5M 氯化钠 (NaCl) | Sigma | 59222C-500ML | |
| 10% BSA | Sigma | A1595-50ML | |
| Chromium Next GEM 芯片 J 单细胞试剂盒,16 次反应 | 10X Genomics | 1000230 | |
| Chromium Next GEM 单细胞多组学 ATAC + 基因表达试剂套装,4 次反应(含 20X 细胞核缓冲液) | 10X Genomics | 1000285 | |
| Countess 细胞计数板载玻片 | Invitrogen | C10283 | |
| Countess III FL | Thermofisher | 无目录编号 | |
| Digitonin (5%) | Thermofisher | BN2006 | |
| DMSO | Sigma | D2650-5x5ML | |
| DNA LoBind 管 | Eppendorf | 22431021 | |
| D-PBS | Thermofisher | 14190094 | 无菌且无 RNase |
| 双索引试剂盒 TT Set A,96 次反应 | 10X Genomics | 1000215 | |
| Falcon 15 mL 圆锥形离心管 | Fisher Scientific | 352096 | |
| Falcon 50 mL 圆锥形离心管 | Fisher Scientific | 10788561 | |
| HI-FBS | Thermofisher | A3840001 | 热灭活 |
| 高灵敏度 DNA 试剂盒 | Agilent | 5067-4626 | |
| Igepal CA-630 | Sigma | I8896-50ML | |
| LIVE/DEAD 细胞活力/细胞毒性检测试剂盒 | Thermofisher | L3224 | |
| MACS 死细胞去除试剂盒:死细胞去除 MicroBeads,结合缓冲液 20X | Miltenyi Biotec | 130-090-101 | |
| MACS SmartStrainers (30 µm) | Miltenyi Biotec | 130-098-458 | |
| 氯化镁 (MgCl2) | Sigma | M1028-100ML | |
| McCoy 5A 培养基 | Thermofisher | 16600082 | |
| MS 柱 | Miltenyi Biotec | 130-042-201 | |
| NovaSeq 6000 S2 | Illumina | 无目录编号 | |
| 青霉素-链霉素 (Pen/Strep) | Thermofisher | 15070063 | |
| PluriStrainer Mini 40µm | PluriSelect | V-PM15-2021-12 | |
| ROCK 抑制剂 | Enzo Life Sciences | ALX-270-333-M005 | |
| 单索引试剂盒 N Set A,96 次反应 | 10X Genomics | 1000212 | |
| 标准 90 mm 无菌培养皿 Sterilin | Thermofisher | 101R20 | |
| 无菌双蒸水 | Thermofisher | R0582 | |
| Trizma 盐酸溶液 (HCl) | Sigma | T2194-100ML | |
| 台盼蓝染液 (0.4%) | Invitrogen | T10282 | |
| 0.05% 胰蛋白酶 - 1X EDTA | Thermofisher | 25300054 | |
| Tween20 | Sigma | P9416-50ML | |
| 宽口滤芯移液器吸头 200 μl | Labcon | 1152-965-008-9 | |
| ZEISS SteREO Discovery.V8 | ZEISS | 无目录编号 |
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