本文介绍了一种利用Stereo-seq对福尔马林固定石蜡包埋组织切片中的宿主、病毒、真菌及微生物组RNA进行全方位空间转录组分析的实验方案,该技术可在保留组织结构的同时实现多种转录组的高分辨率定位。
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本文介绍了一种利用Stereo-seq对福尔马林固定石蜡包埋组织切片中的宿主、病毒、真菌及微生物组RNA进行全方位空间转录组分析的实验方案,该技术可在保留组织结构的同时实现多种转录组的高分辨率定位。
宿主内细胞的空间组成,以及组织内的细菌或病毒载量,可能影响细胞类型与分析物之间的相互作用,从而驱动细胞经历特定于细胞类型的生物学过程。用于FFPE组织的Stereo-seq技术采用随机引物对空间条形码进行扩增,这与标准的空间转录组学方法不同——后者通常利用A尾捕获信使RNA(mRNA),或基于探针捕获物种特异性转录本。这些传统方法未能充分纳入当前关于其他类型RNA(如长链非编码RNA、线粒体RNA、微小RNA等)在生物学中所起作用和重要性的最新认知。 其他物种, RNA,例如微生物、病毒和真菌来源的RNA。本文概述了一种从组织切片到文库构建的逐步操作流程,用于基于随机探针法检测RNA的空间性、物种无关的Stereo-seq技术,该方法适用于福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)组织。该Stereo-seq技术采用直径为0.22 µm的随机捕获微珠,微珠在阵列中每隔0.5 µm重复排列,从而实现基于测序技术的亚细胞分辨率。由于该方法可同时检测宿主与非宿主RNA,因此本实验方案需特别考虑如何区分存在于组织内部的RNA与在样本采集、保存、切片及检测过程中沉积于组织表面的RNA(即环境及操作污染来源的RNA)。最后,本方案使研究者能够 在空间背景下实现对多种RNA物种的高分辨率(单细胞水平)检测,有助于揭示细胞类型及病理相关物种的细胞内与细胞间相互作用组。
空间组学技术通过实现对多种靶标——DNA(基因组学)、RNA(转录组学)、代谢物(代谢组学)或蛋白质(蛋白质组学)——的同步定量,彻底改变了组织细胞异质性的研究。1不同检测方法的分辨率往往存在差异,因而在检测分析物时具有不同的局限性,例如在进行单细胞测定时可能导致数据稀疏性增加2,3 或天然空间环境4相比之下,RNA测序等整体方法仅能提供整个样本的平均基因表达水平,从而掩盖了细胞间的异质性2,或单细胞RNA测序(scRNA-seq)2,3,该方法需要对组织进行解离以实现单细胞测序,通常需要过滤步骤。因此,这些方法会排除大尺寸细胞和细胞聚集体,而生物信息学方法则试图去除碎片和双细胞(doublets),这些处理均会引入偏差5,6,7空间转录组学可保留组织结构,为细胞的组织方式和相互作用提供关键见解。大多数非靶向性空间测序方法不具备单细胞分辨率,因此需要对包含10至100个细胞的空间捕获区域进行解卷积分析。8,9,10然而,在过去十年中,随着分辨率的提升,空间转录组学的发展已超越了这些方法的需求。 更大的捕获区域,以及多组学方法的整合,无论是通过实验策略还是新技术手段1,11,12.
空间增强分辨率组学测序(Stereo-seq)具有纳米级分辨率(500 nm)和厘米级的捕获区域,其不依赖物种的全转录组捕获能力可同时捕获编码RNA、非编码RNA以及非宿主RNA13。该方法目前是空间转录组学中分辨率最高的技术,并可提供最大的视野范围。然而,该方法也存在一些显著局限性,例如需要约15小时的动手操作时间,整个测序文库构建过程需历时4天。相比之下,其他基于测序的空间转录组学技术,如基于探针的空间转录组学、基于polyA捕获阵列的空间转录组学、Slide-seq以及组织中用于空间组学测序的确定性条形码技术(DBiT-seq),通常仅需5至8小时的动手操作时间,耗时2至3天即可完成(表1)。对许多研究人员而言,这些技术的优势超过了其技术挑战,特别适用于结合其他技术,构建全面的空间转录组图谱,以在细胞和亚细胞水平上研究疾病进展过程1。
Stereo-seq 技术的应用潜力超越了依赖 poly-T 探针捕获 polyA 尾 mRNA 转录本的传统 mRNA 转录组学。这些传统方法可通过向新鲜组织中添加 polyA 化处理14,或使用针对预定义基因集合的物种特异性探针15,实现空间表达分析。而 Stereo-seq 则采用随机核苷酸探针,能够无差别地富集来自不同物种的多种 RNA,包括微生物 RNA、真菌 RNA、病毒 RNA,以及非 polyA 尾 RNA,例如增强子 RNA、环状 RNA 和长链非编码 RNA(lncRNA)16。理论上,该技术也有望捕获更小的 RNA 分子或可移动遗传元件,如小干扰 RNA(siRNA)、微小 RNA(miRNA)和转座子17。然而,目前这些 RNA 的生物信息学分析与序列比对仍具挑战性,在初始比对过程中通常会被过滤掉 ,其 通常 采用 30 bp 作为截断阈值。
本文概述了一种详细的实验方案,该方案对制造商在DNA纳米球(DNB)芯片上进行随机核苷酸捕获的技术进行了优化改进,旨在帮助更好地理解与操作如图1所示的Stereo-seq流程。本方案为分子生物学家提供了在Stereo-seq中使用随机核苷酸捕获技术测试新型FFPE组织样本的策略,以从质量较低的存档样本及脂肪组织中获得更一致且更高的产出。所描述的方案已针对多数器官来源的FFPE样本(无论物种)进行了优化。然而,该方案未包含处理骨髓等难处理组织所需的当前改进措施,此类组织需进行脱钙处理。
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本方法学论文未提供未经治疗的高级别浆液性卵巢癌患者样本的临床数据。然而,相关临床数据是根据德克萨斯大学MD安德森癌症中心妇科肿瘤学与生殖医学系机构审查委员会(IRB)批准的方案,从签署书面知情同意书的参与者处收集的。
注意:建议在整个实验过程中佩戴外科口罩和手套,以防止 RNase 污染。长发研究人员建议将头发扎起,或佩戴发网。始终使用无菌、无核酸酶的水(NFW)以及无核酸酶、低吸附的 DNA/RNA 管,以最大化得率。非哺乳动物组织(如植物组织)可能需要优化贴附条件,包括使用多聚-L-赖氨酸(PLL)并延长透化时间,以应对细胞壁的影响。尽管分子捕获在理论上仍可行,但由于植物组织尚未在本实验流程中进行测试,仍需实验验证。
1. 评估RNA质量和RNA片段分布值200分
2. 工作区清洁
3. 空间增强型随机寡核苷酸捕获芯片(N-chip)制备
4. 组织切片与封片
5. 脱蜡切片
6. (可选)核成像与单链DNA染色
注意:在步骤 6.1 中使用前,需使 FFPE 脱交联试剂达到室温 ( ~25 °C)。可使用其他染色溶液,但目前单细胞转录组数据的单细胞分割和细胞分箱仍需进行荧光核染色。
7. 解交联过程
注意:此步骤中避免触碰或倾斜芯片,并轻柔地进行移液操作。
8. 透化与逆转录
注意:执行步骤 8.1-8.11 时,应缓慢移液,切勿触碰芯片。过大的压力会导致 DNB 扩散或产生痕迹。
9. cDNA 的释放与纯化
注意:执行步骤 9.6-9.7 时,应缓慢移液,切勿触碰芯片。过大的压力会导致 DNA 纳米球(DNBs)发生扩散或产生痕迹。
10. 收集 cDNA 释放混合液
11. 收集 cDNA 磁珠纯化产物
12. cDNA 扩增
13. 文库构建(第4天)
14. 文库扩增磁珠纯化
15. 用于 Stereo-Seq 随机寡核苷酸引物 DNB 测序的 DNBSEQ-T7RS 系统
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以下数据展示了利用SAW分析流程对福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)切片中的非多聚腺苷酸化RNA(如tRNA(TRDMT1))进行单细胞分割及定位的能力。Stereo-seq提供的无偏倚数据使研究者不仅能够分析mRNA,还可系统评估tRNA、rRNA以及非宿主RNA(如适用)的功能重要性。分析直接采用SAW流程的原始输出结果16 以及用于 Stereo-seq 输出质量评估的 stereopy 图3A- G我们从细胞分箱(即生成的单细胞核叠加图像)中生成了标准的空间概览图、基因表达图以及聚类和质控结果 通过 锯切核图像)。检测到的转录本数量因组织类型而异:免疫细胞密集的组织通常表现出较低的转录本计数(每个细胞bin约100个基因),而非整倍体肿瘤细胞每个细胞bin可多达1,000个转录本。请注意,该样本的聚类仍需通过生物信息学分析以确定聚类身份,因为SAW的默认分辨率非常高(0.8至1),建议使用如stereopy等...
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Stereo-seq 方案非常详细,包含多个关键步骤,需要精确的操作、严格的时间控制以及洁净的环境,以确保实验成功,尤其是在进行微生物组或非宿主分析时,可能需要采取特定的预防措施。
所有步骤中均需使用无核酸酶水,且捕获芯片只能接触样本和试剂,不得被其他任何物品触碰。使用盒式组件时需格外小心,建议先利用练习芯片进行操作练习。组织区域的划痕会破坏组织的空间分辨率,而轨道线上的划痕则可能导致空间分辨率受损或样本无法自动对齐。此外,对于RNase/DNase含量较高的组织(如胰腺或肝脏),建议在切片过程中定期更换水。另外,为保持RNA质量,建议将FFPE组织块切面用少量石蜡密封后,于4 °C干燥器中保存,以防止降解。若以此方式储存,使用前仍需对样本表面进行再水合处理,并平衡至切片室温度25,26,27。切片室温度应控制在22至25 °C。此外,最适合进行Stereo-seq分析的样本其DV200值应高于5...
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作者声明本研究未获得华大基因的资助。然而,华大基因正在支持本文发表的相关费用。 作者未向其提供文章提前副本,也未允许其对内容进行干预。
本研究部分由卵巢癌研究联盟(OCRA 811621 和 891490)、Sie 基金会以及 Stephanie C. Stelter 基金会资助。本研究与兽医医学系流式细胞术和细胞成像核心设施合作完成。 & 外科与先进基因组学技术核心,部分由美国国立卫生研究院通过MD安德森癌症中心支持基金P30 CA016672以及Jared Burks获得的美国国家癌症研究所研究专家奖1 R50 CA243707-01A1资助。
我们还要感谢Complete Genomics公司,特别是Brandon Vanderbush和Tanzeen Yusuff在技术培训和故障排除方面提供的支持,同时感谢Jia "Jackie" Zhao、Yongfu Wong和Erin Petrilli。作者从Complete Genomics公司以优惠价格获得了一套FFPE OMNI和测序试剂,以及T7早期使用计划的访问权限。此外,部分试剂由该公司免费提供,用于本研究。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1.5 mL 离心管,普通DNA酶/RNA酶 | 赛默飞世尔科技 / 英维特罗根 | 3456 | 混合试剂(其他条带也可) |
| 100% 乙醇 | Sigma-Aldrich | E7023 | 分子生物学级 |
| 15 mL 圆锥形无菌聚丙烯离心管 | 赛默飞世尔科技 / 英维特罗根 | 339650 | 用于分装 |
| 20倍浓缩液 盐水柠檬酸钠(SSC)缓冲液 | Sigma-Aldrich | S6639-1L | 用于配制染色用的5X SSC以及洗涤步骤和盖玻片去除用的1X SSC。 |
| 2100 Bioanalyzer 仪器 | 安捷伦 | 已停用 | 仪器:Bioanalyzer |
| 3孔培养板,可拆卸 | Ibidi | 80381 | 用于减少再水化和甲醇固定过程中液体体积的硅胶室 |
| 405 nm 紫外光源 | 各种 | N/A | 用于固化紫外光树脂 |
| 50 mL 无菌聚丙烯锥形离心管 | 赛默飞世尔科技 / 英维特罗根 | 339652 | 用于分装和脱蜡 |
| 70% 无菌异丙醇酒精 | Texwipe | TX3270 | 用于表面去污染 |
| 安捷伦高灵敏度DNA试剂盒 | 安捷伦 | 5067-4626 | 用于cDNA和文库的Bioanalyzer表征 |
| 安捷伦 RNA 6000 Pico 试剂盒 | 安捷伦 | 5067-1513 | 用于RNA的Bioanalyzer表征 |
| 铝箔 | 各种 | N/A | 用于覆盖载玻片,以进行单链DNA染色。 |
| Beckman Coulter SPRIselect | 贝克曼库尔特生命科学 | B23317/B23318/B23319 | SPRI磁珠cDNA及文库纯化 |
| 漂白剂 | 各种 | N/A | 清洁工作台以去除微生物组污染 |
| CONSTIX 密封泡沫拭子 | Contec | 19161023 | 用于精确清洗树脂 |
| 盖玻片 | Sigma-Aldrich | BR470045-2000EA | |
| 干燥剂包 | 各种 | N/A | 无RNase、无尘干燥剂包 |
| 一次性口罩 | 赛默飞世尔科技 / 英维特罗根 | 12-888-001 | 防护,RNA酶污染和 &和无菌性 |
| DNA清除湿巾 | Sigma-Aldrich | L9060-250EA | 通过擦拭表面进行去污(湿巾) |
| DNA LoBind 离心管 1.5 mL | Eppendorf | 22431021 | 用于cDNA及文库扩增后收集。 |
| DNA LoBind 管 2 mL | Eppendorf | 22431048 | 用于扩增前cDNA的收集。 |
| DNBSEQ OneStep DNB制备试剂盒 | Complete Genomics | 940-001891-00 | DNA纳米球(DNB)制备与扩增试剂 |
| DNBSEQ-T7RS 清洁试剂盒 | Complete Genomics | 940-001903-00 | 测序完成后用于清洗的 cartridge |
| DNBSEQ-T7RS DNB上样试剂盒 | Complete Genomics | 940-001894-00 | 用于将DNB加载至流动池的试剂和载片 |
| DNBSEQ-T7RS 测序流动池 | Complete Genomics | 940-001902-00 | 1个泳道/流动池 |
| DNBSEQ-T7RS Stereo-seq 可视化试剂盒 | Complete Genomics | 940-001893-00 | 测序用的芯片和试剂。 |
| DNBSEQ-T7RS 系统 | Complete Genomics | 该立体测序可视化系统采用DNBSEQ技术。测序运行始于DNA锚定序列的杂交,随后通过组合探针锚定测序(cPAS)化学方法将荧光探针连接至DNA纳米球(DNB)。最后,高分辨率成像系统捕获荧光信号。经光学信号的数字化处理后,测序仪生成高质量且准确的测序信息。 | |
| Dust-Off 压缩空气 | Matin | M-6318 | 重要的是使用此品牌或具有相似推进剂的产品 |
| Edge-Rite切片机刀片 | 赛默飞世尔科技 / 英维特罗根 | 4280L | 组织学——用于样本切片时 |
| 防爆冰箱 | 各种 | N/A | 在甲醇固定步骤之前及过程中对甲醇进行预冷。 |
| 组织学刷 | 各种 | N/A | 组织学——用于样本切片时 |
| 盐酸 | Sigma-Aldrich | 2104-50ML | 用于将预多聚化酶稀释于 0.01 N HCl(pH 2)中。HCl 溶液的标准储备浓度为 0.1 N。 |
| 成像系统 | 各种 | N/A | GC Stomics Imager,Leica,Evo Revolution |
| Invitrogen RNaseZap RNase 去污染溶液 | 赛默飞世尔科技 / 英维特罗根 | AM9780 | 清除RNA酶污染的工作站清洁方法 |
| Kimtech 精密作业擦拭纸 | Kimtech | 34155 | 用于干燥实验台、仪器、移液器等 |
| 实验服 | 各种 | N/A | 个人防护装备(PPE) |
| 镜头纸 | 赛默飞世尔科技 / 英维特罗根 | 11-997 | 各种防止脱片的玻片干燥方法 |
| Lookout DNA 擦拭纸 | Sigma-Aldrich | L9060 | 清除PCR污染的清洁工作站 |
| 5微升-0.2磁力分离架 | Permagen 实验耗材 | MSRLV08 | 用于PCR管中的珠子分离 |
| Magjet 12x1.5 mL 架 | 赛默飞世尔科技 / 英维特罗根 | MR02 | 用于1.5 mL离心管中的珠子分离 |
| 手动旋转切片机 | Leica | RM2235 | 组织学——用于样本切片时 |
| 甲醇 ≥99.9%,适用于免疫荧光、高效液相色谱 | Sigma-Aldrich | 34860 | 用于固定(需为HPLC级) |
| 显微解剖镊 | Sigma-Aldrich | F4142-1EA | 组织学——用于样本切片时 |
| 微量移液器 | 各种 | N/A | |
| 分子生物学级无核酸酶水,非DPEC处理水 | 各种 | N/A | 珠子的稀释与洗脱 |
| 腈类手套 | 各种 | N/A | 个人防护装备 |
| 烘箱 | 各种 | N/A | 烘烤芯片 |
| 带盖PCR 0.2 mL管 | 各种 | N/A | 用于PCR应用 |
| PCR 相关内容 | 各种 | N/A | 若所提供盖子的粘合剂粘性不足,则需更换 |
| PCR 超净工作台 &和工作站 | Mystaire | MY-PCR24-010 | 用于PCR前步骤(RNA逆转录为cDNA) |
| pH计 | 各种 | N/A | pH计用于确认盐酸的pH值。 |
| 聚-L-赖氨酸溶液 | Sigma-Aldrich | A005-C | 可选步骤,用于增强组织与芯片的黏附性 |
| Qubit 4 荧光仪 | 赛默飞世尔科技 / 英维特罗根 | Q33226 | 仪器;DNA 定量测量 |
| Qubit dsDNA 定量检测试剂盒 | 赛默飞世尔科技 / 英潍捷基 | Q32851 | 用于cDNA和文库定量的测量 |
| Qubit ssDNA 定量试剂盒 | 赛默飞世尔科技 / 英维特罗根 | Q10212 | ssDNA染色(仅使用染料) |
| 无RNA酶冰块 | 各种 | N/A | 组织学——在切片前用于对样本包埋块进行水化处理 |
| RNaseZap RNase 去污染溶液 | 赛默飞世尔科技 / 英维特罗根 | AM9782 | 一种可破坏RNase的表面去污溶液 |
| RNeasy FFPE 试剂盒 | Qiagen | 73504 && 19093 | 用于RNA提取 & DV200 测量 |
| Sculpt Ultra White 树脂 | Siraya Tech | N/A | 耐高温紫外光固化树脂 |
| Stereo-seq 16 重条形码文库构建试剂盒 | STOmics / Complete Genomics | 111KL160 | 用于构建 Stereo-seq OMNI FFPE 文库 |
| Stereo-seq FFPE 辅助试剂盒 | STOmics / Complete Genomics | 310AK002 | 211SN114 试剂盒的 Spatial OMNI 附件部件 |
| Stereo-seq N-芯片载玻片(1 cm × 1 cm) | STOmics / Complete Genomics | 210CN114 | 211SN114试剂盒中的Spatial OMNI芯片部分 |
| Stereo-seq PCR 接头 | STOmics / Complete Genomics | 301AUX001 | 适用于PCR杂交步骤的改进,以适配三种类似的PCRmax原位杂交适配器 |
| Stereo-seq 转录组 N 试剂盒 | STOmics / Complete Genomics | 211KN114 | 211SN114试剂盒中的空间OMNI试剂部分 |
| 外科设计通用工业剃须刀片 | 赛默飞世尔科技 / 英维特罗根 | 13-812-236 | 组织学——用于样本切片时 |
| TE缓冲液溶液,pH 8.0 | Sigma-Aldrich | 8890 | 用于洗脱 cDNA 和文库 |
| 热循环仪 | 伯乐 / 各种 | 1861096 / 12015392 / 多种 | PCR仪,手动盖或深孔板型(T100 Thermal Cycler / PTC Tempo Deepwell Thermal Cycler 等) |
| 赛默飞世尔科技 Orion 一体式 pH 缓冲液试剂盒 | 赛默飞世尔科技 / 英维特罗根 | 13-624-500 | |
| 组织漂浮浴 - 数字XH-1003 | 首映 | NC0779538 | 组织学——用于样本切片时 |
| 防紫外线护目镜 | 各种 | N/A | 紫外光固化过程中的安全防护 |
| 二甲苯 | Sigma-Aldrich | 247642 | 用于脱蜡 |
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