本文介绍了一种利用单细胞和单细胞核RNA测序技术生成人脑类器官并进行下游分析的综合性实验方案。
方法文章
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本文介绍了一种利用单细胞和单细胞核RNA测序技术生成人脑类器官并进行下游分析的综合性实验方案。
在过去十年中,单细胞转录组学得到了显著发展,已成为一种标准的实验室方法,可同时分析单个细胞的基因表达谱,从而捕获细胞异质性。为了克服难以分离的细胞类型的限制,可采用一种替代性策略,即通过测序手段回收单个细胞核而非完整细胞,从而使单细胞转录组分析具有更广泛的适用性。这些技术已成为脑类器官研究的基石,确立了脑类器官作为人类大脑发育模型的地位。本实验方案充分利用单细胞和单细胞核转录组学在脑类器官研究中的潜力,提供了一步一步的操作指南,涵盖类器官解离、单细胞或细胞核分离、文库构建 及测序等关键步骤。通过实施这些替代性方法,研究人员可以获得高质量的数据集,进而鉴定神经元与非神经元细胞类型、基因表达谱以及细胞谱系轨迹,从而促进对塑造大脑发育的细胞过程和分子机制的全面研究。
近年来,类器官技术已成为培养类器官组织的一种颇具前景的工具1,2,3尤其是对于人脑等难以直接获取的器官,类器官为深入研究提供了机会 发育与疾病发生4因此,脑类器官已被广泛用作研究多种人类脑部疾病的实验模型,包括发育性、精神性甚至神经退行性疾病。4,5,6.
随着单细胞转录组测序技术的发展,人类原代组织和复杂的 体外 模型能够以前所未有的精细程度进行研究,从而揭示健康与疾病状态下细胞亚群水平上基因表达变化的机制,并为发现新的潜在治疗靶点提供依据7,8,9类器官领域已通过利用单细胞转录组测序来评估脑类器官技术的细胞组成、可重复性及保真度而取得进展10,11,12单细胞RNA测序(scRNA-seq)可实现细胞分类,并鉴定类器官疾病中的基因表达失调13,14重要的是,类器官组织的复杂性 necessitates 采用能够对单个细胞进行分析的技术。使用群体转录组分析(bulk RNA sequencing)等方法对类器官进行表征,会导致细胞异质性被掩盖,基因表达谱被类器官复杂组织中所有细胞类型的平均信号所稀释,从而限制了我们对健康和疾病状态下类器官发育过程中动态变化的理解15,16,17随着单细胞RNA测序(scRNA-seq)技术的不断进步,越来越多的图谱正在被构建,例如艾伦脑图谱(Allen Brain Atlas)或Uzquiano等人绘制的人脑类器官单细胞图谱。18.
从脑类器官中成功实现单细胞RNA测序(scRNA-seq)依赖于完整细胞的有效分离与捕获。由于脑类器官解离为单个细胞的过程基于酶消化,可能通过诱导细胞应激和损伤而影响基因表达模式19,20。因此,将组织解离为单个细胞是最关键的步骤。另一种替代方法是单核RNA测序(snRNA-seq),该方法可无需酶解,从新鲜或冷冻组织中提取细胞核21,22。然而,从组织中分离细胞核也面临其他挑战,例如目标细胞类型的富集,以及细胞核中的RNA含量相较于完整细胞较低。
脑类器官的转录组研究通常采用单细胞RNA测序(scRNA-seq)10,18,23。然而,单细胞核的分离可能为研究类器官的转录组特征提供一种正交且互补的方法。本文介绍了一套适用于脑类器官的单细胞RNA测序(scRNA-seq)和单细胞核RNA测序(snRNA-seq)工具箱,并讨论了获得高质量测序数据的关键要点。
所述实验方案在马克斯·德尔布吕克分子医学中心的生物安全二级实验室中进行(批准编号:138/08),符合欧盟及国家关于研究伦理的要求和规定。
1. 从诱导多能干细胞(iPSCs)衍生前脑类器官
注意:本方案已针对多家公司提供的不同干细胞培养基培养的多种不同iPSC细胞系进行过测试(表1)。前脑类器官的生成高度依赖于高质量的iPSC细胞,以及在启动本方案前达到60%-70%的融合度。本研究中使用了一种 commercially available cell line(参见材料表)。
2. 类器官单细胞的分离
注意:单细胞解离使用神经组织解离试剂盒(表2),该试剂盒结合了机械和酶解解离方法。此处我们描述的是手动机械解离方法。作为替代方案,也可使用解离仪。
3. 类器官单细胞核的分离
4. 文库构建与测序
5. 分析
为了利用单细胞RNA测序(scRNA-seq)和单细胞核RNA测序(snRNA-seq)研究脑类器官的细胞类型组成,在培养30天后收获脑类器官,因为此阶段的类器官已表现出由祖细胞、周围环绕的中间祖细胞以及早期神经元构成的神经上皮环结构4,18。在整个生长和培养过程中监测类器官的质量,对于获得可靠的单细胞和单细胞核数据至关重要。
类器官通过iPSCs聚集形成拟胚体(图1B,C)而生成。组装完成后,这些拟胚体应呈现清晰的边缘,且细胞碎片极少(图1C)。在神经外胚层诱导后,拟胚体表面出现明显的亮化现象,内部区域则相对较暗,表明神经诱导成功(图1D)。在随后的数周内,类器官发育出所谓的环状结构,即主要由神经上皮细胞构成的神经元玫瑰花结样结构(图1E,F)。尽管这些类器官可在培养中维持数月,但需注意的是,随着其体积增大,由于营养和氧气供应不足,类器官内部细胞死亡增加,最终导致坏死核心的形成。
为了通过测序分析探索皮质类器官中的细胞多样性,我们从类器官中分离了单细胞和细胞核。为了平衡单批脑类器官固有的异质性,我们对一批中的四个类器官混合样本进行了测序。此外,为了比较不同分离方法并消除snRNA-seq与scRNA-seq文库之间的批次效应,将这些类器官均分为两半(共八个半份;图2)。在完成酶解法分离单细胞后,必须确保细胞活力保持在80%以上,同时观察到细胞维持圆形形态(图3A、B)。类似地,机械法分离的单个细胞核应获得大小不一但结构完整的细胞核,且碎片极少或无明显碎片(图3C、D)。
测序分析显示,捕获并测序的细胞数量多于细胞核数量。两个数据集均表现出良好的质量,表现为每个细胞和细胞核的基因数和UMI数较高,线粒体reads比例较低(图4A-C)。如预期所示,与snRNA-seq数据集相比,scRNA-seq数据集中线粒体和核糖体reads在总回收reads中所占比例更高。在scRNA-seq数据集中,大多数细胞的核糖体reads比例低于30%,而在snRNA-seq数据集中,大多数细胞核的核糖体reads比例低于5%。此外,scRNA-seq数据集中捕获的大多数细胞其线粒体reads比例低于5%。在过滤掉线粒体reads后,约有10,000个细胞和3,000个细胞核通过了质量阈值。
对两个数据集的整合分析表明,所有聚类在两个数据集中均有体现,说明两种方法均能鉴定出相同的细胞类型(图 5A,C)。数据集的注释显示,主要的细胞群体包括放射状胶质细胞、中间前体细胞、皮层下前体细胞和神经元,以及新生的深层投射神经元和少量存在的细胞类型,如 Cajal-Retzius 细胞、皮层纵裂区和脉络丛细胞(图 5B)。总体而言,scRNA-seq 与 snRNA-seq 均能够鉴定出在30天龄的脑类器官中预期存在的全部细胞类型20。

图 1:由iPSCs生成脑类器官。 脑类器官生成的时间进程(A)。iPSCs成功进行皮层分化的典型图像(B),在接种后72小时形成类胚体(C),培养7天后显示成功的神经诱导(D)。类器官在第15天(E)和第30天(F)呈现出明显的环状结构。比例尺:B-D为200 µm,E为400 µm,F为800 µm。请点击此处查看此图的放大版本。

图2:从脑类器官中获取单细胞和单细胞核的工作流程。 将类器官通过手术刀切碎,随后进行酶消化,以获得单细胞悬液(上图)。细胞核的分离则通过机械解离,随后利用Percoll梯度离心进行纯化(下图)。单细胞和单细胞核悬液经过滤后,被加载至微流控系统中,用于文库构建和测序。 请点击此处查看此图的放大版本。

图3:来自30天龄类器官的分离细胞和细胞核的代表性结果。(A)使用细胞计数仪拍摄的台盼蓝染色细胞的典型图像,以及(B)相应的放大图。(C)DAPI染色细胞核的明场与荧光图像叠加图,以及(D)相应的放大图。比例尺:100 µM 请点击此处查看此图的放大版本。

图 4:单细胞和单细胞核 RNA 测序的质量控制。 小提琴图展示了细胞(蓝色)和细胞核(粉紫色)的绝对 UMI 数量(A)、基因数量(B)、线粒体来源的读段(C)以及核糖体来源的读段(D)。请点击此处查看该图的放大版本。

图 5:scRNA-seq 和 snRNA-seq 在30天龄类器官中获取相似的细胞群体。 30天龄类器官的整合嵌入式UMAP图,显示scRNA-seq(蓝色)和snRNA-seq(粉紫色)结果(A),以及scRNA-seq和snRNA-seq的整合注释与独立图谱(B、C)。请点击此处查看该图的放大版本。
表1:细胞培养基和包被成分 请点击此处下载该表格。
表2:用于单细胞RNA测序和单细胞核RNA测序的解离缓冲液。 请点击此处下载该表格。
补充代码文件 1:用于分析单细胞 RNA 测序(scRNA-seq)和单核 RNA 测序(snRNA-seq)数据的代码文件。请点击此处下载该文件。
单细胞和单细胞核转录组分析已成为研究复杂组织中基因调控机制的关键工具。这两种方法均可用于脑类器官的转录组研究。为确保实验整体成功,起始材料的质量至关重要。因此,有必要定期切割类器官,以防止坏死核心的形成26。也可通过气液界面培养来消除这一问题27。为了减少因类器官异质性导致的批次效应,我们建议每次提取至少使用四个类器官。或者,也可对单个类器官进行多次测序,这还能进一步分析同一批次内的变异情况17。当同时平行使用scRNA-seq和snRNA-seq两种方法时,可将类器官切成两半,分别用于两种方法,从而进一步降低由类器官异质性引起的技术差异。
为了获得高质量的单个细胞或细胞核转录组谱,关键在于在整个操作过程中保持细胞或细胞核膜的完整性。因此,必须优化酶的浓度和酶消化的时间,且需根据类器官的年龄和大小进行相应调整。此外,使用适当的温度和离心速度,并避免剧烈的移液操作也至关重要。如果细胞活力较低,可在将类器官解离为单细胞后使用死细胞去除试剂盒。作为补充,在分离细胞核时,需用PBS小心清洗类器官,并根据类器官的大小调整玻璃匀浆器(douncer)的研磨次数。同时,需仔细分层Percoll梯度,以避免分层紊乱。若分离后仍有破损的细胞核存在,建议通过荧光激活细胞分选(Fluorescence-activated cell sorting)进行分选步骤22。总体而言,从样本解离到文库构建的所有步骤中,使用RNase抑制剂对于保护每个细胞或细胞核中高质量的RNA至关重要。
本研究中,单细胞RNA测序(scRNA-seq)获得了更多的细胞,从而能够更全面地概述细胞群体。此外,细胞含有更多的RNA,并且相较于细胞核,更易于通过表面标志物富集特定的细胞类型。然而,单细胞解离依赖于酶解过程,可能诱导应激相关RNA的转录19,28。特别是在与应激反应增强相关的疾病中,这可能导致解离过程引入的人工假象20。此外,已有研究表明,单细胞分离会导致对解离敏感的细胞群体丢失3,29。尽管在本研究中这一问题可能并不明显,但在使用细胞多样性更高的较老脑类器官时,这种情况是可能发生的。
由于两种数据集均能获取相同的细胞群体,因此分离方法的选择很大程度上取决于研究问题、组织获取方式以及时间管理。尽管在解离后,使用甲醇固定和储存脑类器官的单细胞已有成熟方案30,但从冷冻的脑类器官中分离单细胞核的方法仍需优化。
总体而言,我们的实验方案为研究脑类器官中单个细胞和细胞核的转录组谱提供了多功能且可灵活调整的平台,为深入探究体外人脑模型中的发育和疾病相关问题铺平了道路。
作者声明不存在竞争性财务利益。
我们感谢Valeria Fernandez-Vallone提供了Miltenyi神经组织解离试剂盒的原始操作说明。同时感谢马克斯·德尔布吕克分子医学中心基因组技术平台提供了NP40裂解缓冲液的配方以及在建立本实验方案过程中给予的宝贵建议。我们还感谢Margareta Herzog和Alexandra Tschernycheff在实验室组织管理方面提供的支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1,4-二硫代-DL-赤藓糖醇,F. D. Mol.-Biol.,约 1 M 在 H2O (DTT) | Sigma | 43816-10ML | |
| 1.5 ml DNA低吸附管 | VWR | 525-0130 | 微量离心管 |
| 10x Cellranger 分析流程 | 分析流程 | ||
| 15 ml Falcon | Falcon | 离心管 | |
| 2-巯基乙醇(BME) | Life Technologies | 21985023 | |
| 50 ml Falcon | Falcon | 离心管 | |
| A83-01 | 生物技术 | 379762 | |
| 抗生素/抗真菌素溶液(100X) | Life Technologies | 15240062 | |
| B-27 Plus添加剂 | Life Technologies | 17504044 | |
| B-27 补充剂(不含维生素 A) | Life Technologies | 12587010 | |
| 牛血清白蛋白,无脂肪酸(BSA) | Sigma Aldrich | A8806-5G | |
| cAMP | Biogems | 6099240 | |
| cAMP | Biogems | 6099240 | |
| C-CHIP 改良型血球计数板 | VWR | DHC-N01 | |
| 细胞滤网 40 µm | Neolab | 352340 | |
| 70 微米细胞滤网 µm(白色)尼龙 | Sigma | CLS431751-50EA | |
| 铬控制器 & Next GEM 附加试剂盒 | 10X Genomics | 1000204 | |
| Chromium Next GEM 芯片 G 单细胞试剂盒,16 次反应 | 10X Genomics | 1000127 | |
| Chromium Next GEM 单细胞 3' 试剂盒 v3.1 | 10X Genomics | 1000268 | |
| 完整, 无EDTA蛋白酶抑制剂混合液 | 罗氏 | 11873580001 | |
| DAPI | 默克化学公司 | 0000001722 | |
| DMEM/F12 | Life Technologies | 11320074 | |
| Dounce 组织研磨器套装,2 mL,完整 | Sigma Aldrich | 10536355 | |
| Essential E8 Flex 培养基 | Life Technologies | A2858501 | |
| EVE细胞计数板 | VWR | EVS-050 (734-2676) | |
| 无四环素胎牛血清(FBS) | PAN Biotech | P30-3602 | |
| Geltrex LDEV-Free(包被) | Life Technologies | A1413302 | |
| gentleMACS | Miltenyi Biotec | 解离仪 | |
| GlutaMAX 补充剂 | Life Technologies | 35050038 | |
| 肝素钠,细胞培养测试 | Sigma | H3149-10KU | |
| 人重组BDNF | StemCell Technologies | 78005.3 | |
| 人重组GDNF | StemCell Technologies | 78058.3 | |
| 人胰岛素溶液 | Sigma Aldrich | I2643-25MG | |
| 无血清替代物 | Life Technologies | 10828028 | |
| LDN193189 盐酸盐 98% | Sigma Aldrich | 130-106-540 | |
| MEM非必需氨基酸(100倍浓缩) | Sigma Aldrich | M7145-100ml | |
| MgCl₂ 氯化镁(1 M)RNase-free | 赛默飞世尔科技 | AM9530G | |
| mTeSR Plus | StemCell Technologies | 100-0276 | 干细胞培养基 |
| mTeSR1 | StemCell Technologies | 85850 | 干细胞培养基 |
| N2 补充剂 | StemCell Technologies | 17502048 | |
| 神经组织解离试剂盒 | Miltenyi Biotec B.V. & Co. KG | 130-092-628 | |
| Neurobasal Plus | Life Technologies | A3582901 | |
| NextSeq500 系统 | Illumina | 测序仪 | |
| NP-40 Surfact-Amps 去垢剂溶液 | Life Technologies | 28324 | |
| PBS杜尔贝科’s | Invitrogen | 14190169 | |
| 青霉素-链霉素(PenStrep) | Life Technologies | 15140122 | |
| Percoll | Th. Geyer | 10668276 | |
| 泊洛沙姆 F-127 | Sigma Aldrich | P2443-1KG | |
| RiboLock RNase 抑制剂 | Life Technologies | EO0382 | |
| ROCK 抑制剂(Y-27632 二盐酸盐)SB | 生物分子 | Cay10005583-10 | |
| SB 431542 | Biogems | 3014193 | |
| 氯化钠 NaCl (5 M),无RN酶,100 mL | Invitrogen | AM9760G | |
| StemFlex 培养基 | 赛默飞世尔科技 | A3349401 | 干细胞培养基 |
| StemMACS iPS-Brew XF | Miltenyi Biotec | 130-104-368 | 干细胞培养基 |
| 96孔圆底TC培养板 | Sarstedt | 83.3925.500 | |
| TISSUi006-A | TissUse GmbH | https://hpscreg.eu/cell-line/TISSUi006-A | |
| 台盼蓝 | T8154-20ml | Sigma | |
| 不含酚红的 TrypLE Express 酶 | Life Technologies | 12604013 | 胰蛋白酶类试剂 |
| UltraPure 1 M Tris-HCl 缓冲液,pH 7.5 | Life Technologies | 15567027 | |
| XAV939 | Enzo Life Sciences | BML-WN100-0005 |