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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Aquí se presenta un método para secuenciar núcleos individuales aislados del giro dentado de ratón que excluye la mayoría de las neuronas a través de la clasificación de núcleos activados por fluorescencia (FAN). Este enfoque genera perfiles de expresión de alta calidad y facilita el estudio de la mayoría de los otros tipos de células representadas en el nicho, incluidas las poblaciones escasas, como las células madre neurales.
La neurogénesis del hipocampo adulto (AHN), que consiste en un mantenimiento de por vida de células madre neurales proliferativas y quiescentes (NSC) dentro de la zona subgranular (SGZ) del giro dentado (DG) y su diferenciación de neuronas recién nacidas en células granulares en la capa de células granulares, está bien validada en numerosos estudios. El uso de animales modificados genéticamente, particularmente roedores, es una herramienta valiosa para investigar las vías de señalización que regulan la AHN y para estudiar el papel de cada tipo de célula que compone el nicho neurogénico del hipocampo. Para abordar esto último, los métodos que combinan el aislamiento de núcleos únicos con la secuenciación de próxima generación han tenido un impacto significativo en el campo de la AHN para identificar firmas genéticas para cada población celular. Sin embargo, es necesario un mayor refinamiento de estas técnicas para perfilar fenotípicamente las poblaciones celulares más raras dentro de la DG. Aquí, presentamos un método que utiliza Fluorescence Activated Nuclei Sorting (FANS) para excluir la mayoría de las poblaciones neuronales de una suspensión de un solo núcleo aislado de DG recién diseccionado, seleccionando núcleos no teñidos para el antígeno NeuN, con el fin de realizar la secuenciación de ARN de núcleos únicos (snRNA-seq). Este método es un trampolín potencial para investigar más a fondo la regulación intercelular de la AHN y descubrir nuevos marcadores celulares y mecanismos en todas las especies.
La generación continua de neuronas del hipocampo en la edad adulta, también conocida como neurogénesis del hipocampo adulto (AHN), se asocia con funciones cognitivas como el aprendizaje, la adquisición/eliminación de la memoria y la separación de patrones y parece ser un mecanismo importante de resiliencia en el envejecimiento y las enfermedades neurodegenerativas para prevenir déficits cognitivos 1,2,3 . Los roedores han sido el modelo de elección para estudiar la AHN utilizando varios métodos, incluida la inmunocitoquímica y los métodos de secuenciación de próxima generación (NGS). La traducción de estos resultados a otras especies sigue siendo controvertida. De hecho, la AHN se ha observado en la mayoría de las especies, pero la medida en que persiste durante toda la vida, particularmente en humanos 4,5,6,7,8, se debate regularmente.
Hasta la fecha, se ha confirmado que varias vías de señalización intrínsecas y extrínsecas modulan AHN1. Sin embargo, el impacto de la comunicación intercelular en la NHA apenas está emergiendo9. Esto podría atribuirse en primer lugar a la especificidad insuficiente de los marcadores celulares actualmente conocidos para realizar análisis in vivo con animales modificados genéticamente. De hecho, muchos estudios se han basado en marcadores como la doble cortina o la proteína ácida fibrilar glial (GFAP) que se expresan en múltiples tipos de células1. En segundo lugar, la complejidad y el alto grado de diversidad celular en el nicho del hipocampo adulto10 plantea desafíos técnicos para perfilar cada tipo de célula. Este es particularmente el caso del análisis bioinformático con marcadores celulares superpuestos utilizados en tuberías analíticas para diferentes poblaciones, como NSC o células gliales, lo que resulta en conclusiones controvertidas al evaluar AHN 7,11. En tercer lugar, el gran número de neuronas socava la investigación de poblaciones celulares menos abundantes, como astrocitos, oligodendrocitos o células ependimarias, a pesar de que su papel en la regulación del ajuste fino de AHN se está volviendoprominente 9. Juntas, estas limitaciones afectan la capacidad de traducir los resultados de los roedores a otras especies. Esto se ve particularmente amplificado por la dificultad para recapitular in vitro un tejido complejo, como el nicho neurogénico del hipocampo, y por los muchos obstáculos para acceder a tejidos de alta calidad, junto con la falta de protocolos estandarizados para el procesamiento de tejidos en estudios con tejidos humanos12,13. Por lo tanto, es fundamental desarrollar nuevos enfoques para perfilar las poblaciones celulares e identificar nuevos marcadores celulares dentro del giro dentado (DG) que, en última instancia, conduzcan a una mejor comprensión de las diferentes contribuciones de cada tipo de célula a la regulación de AHN.
Para lograr esto, el aislamiento de células individuales (sc) y núcleos únicos (sn) combinado con la secuenciación de ARN se ha convertido en un instrumento para investigar tejidos complejos como el DG14. Como tal, las estrategias de enriquecimiento celular para aislar células individuales del nicho del hipocampo adulto de ratón se han realizado principalmente para examinar NSCs15,16. Una estrategia interesante para enriquecer las células no neuronales de la DG se aplicó mediante la secuenciación de células simples dobles negativas GluR1/Cd24 que resultó en la secuenciación de 1.408 células sin grupos distintos entre astrocitos y NSC después del análisis bioinformático17. Esto podría deberse a la dura digestión enzimática requerida para la preparación de una sola célula que daña la integridad celular y el ARN. Para evitar este problema técnico, se han desarrollado varios métodos que utilizan el aislamiento de núcleos únicos y son particularmente adecuados para tejidos intrincados11,18. Sin embargo, el predominio de neuronas dentro de la DG o más ampliamente dentro del sistema hipocampo-entorrinal genera un sesgo de muestreo para estudiar la totalidad de las poblaciones celulares presentes dentro de estas áreas cerebrales. Además, el número limitado de células a cargar para la preparación de bibliotecas de células individuales acentúa la presencia de la población celular principal en las tuberías analíticas de núcleos únicos secuenciados. De hecho, los grandes grupos neuronales a menudo son anotados y analizados, mientras que otras poblaciones celulares están subrepresentadas o se pierden 5,11.
En un intento por superar estos sesgos y poder perfilar tipos celulares distintos de las neuronas presentes en el DG del ratón, se ideó un método en este estudio utilizando el principio de clasificación de núcleos activados por fluorescencia (FANS)18 que excluye la mayoría de las poblaciones neuronales por selección negativa de núcleos únicos teñidos con antígeno nuclear neuronal (NeuN, también conocido como Rbfox3). Esta elección del antígeno fue guiada por la literatura que describe NeuN como un marcador neuronal confiable19 y por la necesidad de utilizar una proteína nuclear para este enfoque. Las células clasificadas por FACS NeuN negativo se prepararon para la secuenciación de ARN en una plataforma genómica 10x. Los resultados demuestran que la exclusión de las células que expresan NeuN permite un perfil transcriptómico de alta calidad específico para el tipo celular de las poblaciones de células gliales y raras.
El cuidado de los animales y los procedimientos experimentales se realizaron de acuerdo con las directrices del Instituto Francis Crick, así como con las directrices y leyes del Ministerio del Interior del Reino Unido.

Figura 1: Preparación de una suspensión de un solo núcleo a partir de la DG diseccionada de ratones adultos para snRNA-seq de poblaciones no neuronales. Diagrama de flujo que describe los pasos principales del protocolo que incluyen la disección de DG de ratón, la preparación de una suspensión de núcleos únicos, inmunotinción de NeuN y clasificación negativa de NeuN-FANS antes de proceder con snRNA-seq. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
1. Disección del DG (Duración: 15 min)
2. Disociación tisular, aislamiento de núcleos únicos e inmunotinción anti-NeuN (Duración: 2 h)
3. Clasificación de núcleos activados por fluorescencia (FANS) para excluir poblaciones neuronales (Duración: 45 min)

Figura 2: Aislamiento y perfil transcriptómico de poblaciones celulares no neuronales de la DG. (A-C) Estrategia de activación para aislar núcleos únicos negativos de NeuN-AF488 y excluir restos celulares. (A) Diagrama de puntos FANS de una muestra representativa de núcleos aislados, que representa la configuración de la puerta para la selección de núcleos DAPI+ y la exclusión de restos y agregados celulares. (B) Selección adicional de núcleos únicos relevantes utilizando el área FSC y el área SSC. (C) Las puertas para NeuN-AF488 para excluir la población positiva y clasificar para los núcleos únicos negativos. (D) Micrografía de una buena suspensión de un solo núcleo con una cantidad mínima de desechos y una mayor proporción de núcleos de buena calidad (forma redonda, flecha negra) en comparación con núcleos de mala calidad (flecha blanca). Barras de escala = 50 μm, 10 μm (recuadro). (E,F) Análisis de los datos de snRNA-seq y perfilado de las distintas poblaciones celulares aisladas del DG de ratones machos C57BL/6J de 22 meses de edad. Gráficos de aproximación y proyección uniforme de variedades para la reducción de dimensiones (UMAP) de perfiles de núcleos individuales de las células (E) no clasificadas por FACS y (F) células clasificadas por FACS negativas para NeuN, coloreadas por tipo de célula. (G) Gráficos circulares que comparan las frecuencias de los tipos de células identificados en ambas muestras. (H) Métricas respectivas para las muestras secuenciadas: número de núcleos, número medio de genes y transcripciones por núcleo. (I) Gráficos de violín que muestren la distribución del número de genes y transcripciones detectadas para cada tipo de célula en ambas muestras. Astr. = astrocitos, Olig. = oligodendrocitos, Vasc. = células vasculares, CCR = células de Cajal-Retzius, Neur. = neuronas, Imm. = células inmunes, OPC = células precursoras de oligodendrocitos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
4. Preparación de la suspensión de núcleos únicos para realizar la secuenciación de ARN de un solo núcleo (Duración: 30 min)
5. Preparación y secuenciación de la biblioteca
NOTA: La descripción de los siguientes pasos se basa en la plataforma de secuenciación interna utilizada en este estudio (consulte la Tabla de materiales). Por lo tanto, algunas configuraciones pueden diferir cuando se usa una plataforma diferente. Aquí, solo se describen los pasos clave y cada parámetro debe determinarse siguiendo las instrucciones y los protocolos del fabricante elegido, aunque con optimización antes del primer uso. Es fundamental garantizar que la preparación de las bibliotecas se realice lo más rápido posible después de concentrar las suspensiones de núcleos clasificados para evitar la degradación del ARN y garantizar una calidad óptima de la secuenciación.
El protocolo presentado aquí describe un método para preparar una suspensión de núcleos únicos no neuronales aislados del DG para realizar snRNA-seq. Con o sin FANS, la agrupación bioinformática reveló grupos bien separados de núcleos correspondientes a tipos celulares conocidos dentro de la DG (Figura 2E, F). Dentro de la muestra no clasificada por FACS, la mayoría de los núcleos de alta calidad que se secuenciaron comprendían tres grupos de neuronas (84,9% del total de núcleos para esta muestra, Figura 2E, G, H). Tales resultados son esperados, considerando que las poblaciones celulares más representadas en la DG son las neuronas granulosas, otras neuronas excitadoras (neuronas excitatorias marcadas) y las neuronas inhibitorias10. Los grupos no neuronales identificados estaban formados principalmente por tipos de células gliales (11,1%), incluidos astrocitos, oligodendrocitos y células precursoras de oligodendrocitos (OPC), células inmunes (3,3%) y células de Cajal-Retzius (0,6%). Cuando se realizan FANS para excluir poblaciones NeuN positivas (muestra clasificada por FACS negativo para NeuN; Figura 2F, G, H), los grupos de células gliales se volvieron predominantes (81,3%). El aislamiento de un mayor número de núcleos gliales permite una mejor segmentación de diferentes poblaciones que se agruparían sin FANS. De hecho, al reagrupar y analizar genes específicos expresados en NSC o en astrocitos, cuatro subgrupos se separaron (Figura suplementaria 2A, B). Al observar marcadores celulares más específicos y evaluar los niveles de expresión génica en los tipos de células, se detectó un pequeño grupo de NSC que se segregaban por separado de las principales poblaciones astrocíticas con mayor expresión de Hopx y Notch2 y casi ninguna expresión de Aldh1a1 o Aqp4 (Figura suplementaria 2C). Sin embargo, debido a la superposición en la expresión génica entre los astrocitos y las NSC, se requerirían más análisis para perfilar e identificar específicamente diferentes subtipos de células. Además, la muestra FANS NeuN-negativo tenía grupos adicionales etiquetados como células vasculares (2,3%) que abarcan células endoteliales, pericitos y células leptomeníngeas vasculares cuando se hace referencia cruzada para la expresión de marcadores específicos de células (datos no mostrados).
Siguiendo la guía para el protocolo elegido para generar bibliotecas para secuenciación, se obtuvieron perfiles de expresión de alta calidad con o sin FANS. Para las muestras secuenciadas a 50.000 lecturas/núcleo, se detectaron 2.510 genes en promedio por núcleo para la muestra no clasificada por FACS (5.578 transcripciones, Figura 2H) y 1.665,5 genes (3.508 transcripciones) para la muestra FANS NeuN-negativo, después de filtrar núcleos de baja calidad (Figura 2H,I). Estas métricas confirman que este protocolo genera un perfil transcriptómico de alta calidad de núcleos individuales comparable a estudios que utilizan diferentes enfoques22,23 y que el proceso de clasificación de FACS no daña los núcleos para snRNA-seq posterior. En particular, la diferencia en el número de genes y transcripciones por núcleo entre las dos muestras no se debe a una menor calidad de los datos, sino a la alta proporción de neuronas en la muestra no clasificada por FACS (84,9% en comparación con el 1,7% en la muestra FANS negativa para NeuN), que tienen una mayor actividad transcripcional (2.660 genes/núcleo y 6.170 transcripciones/núcleo en la muestra no clasificada por FACS) que la actividad transcripcional media de todos los tipos de células no neuronales (1.090 genes/núcleo y 1.785 transcripciones/núcleo, Figura 2I).
En conjunto, estos resultados representativos muestran que la selección de núcleos neutros negativos utilizando FANS es una herramienta poderosa para aislar tipos de células de baja abundancia de tejido cerebral recién diseccionado y realizar perfiles transcriptómicos de núcleos únicos de alta calidad de estas distintas poblaciones celulares a través de métodos snRNA-seq.
Figura complementaria 1: Validación de la inmunotinción para FANS. La suspensión de núcleos se incubó (A) sin el anticuerpo anti-NeuN-AF 488 como control negativo o (B) con el anticuerpo y se pasó por el clasificador FACS para validar las condiciones de inmunotinción. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Figura complementaria 2: Análisis de expresión génica y reagrupamiento del grupo de astrocitos. (A) Gráfico de aproximación y proyección uniforme de variedades para la reducción de dimensiones (UMAP) que muestra la agrupación de 4968 núcleos basada en perfiles de expresión de todo el genoma de la Figura 2F. Las llamadas de tipo celular se realizaron en función de marcadores de tipo celular. (B) Grupo de astrocitos compuesto por 2579 núcleos elegidos de (A) para un subconjunto adicional para investigar posibles subtipos celulares. Se detectaron cuatro subtipos mediante agrupamiento Seurat (0-3), mostrados por diferentes colores. (C) Niveles de expresión génica de marcadores celulares específicos en los cuatro tipos de células. Todas las parcelas se obtuvieron utilizando el paquete Seurat R24. Brevemente, los recuentos de RNA-seq se normalizaron para cada célula por la expresión total y se multiplicaron por el factor de escala (10,000). Este resultado se transformó en registro. Los valores transformados se escalaron (la varianza se escaló a uno) y se centraron (la media se estableció en cero) dentro de cada celda antes de aplicar UMAP para calcular las incrustaciones, que se utilizaron como valores en los ejes x e y. Los gráficos representan la salida de una técnica de reducción dimensional en un diagrama de dispersión 2D donde cada punto representa una celda con las coordenadas x e y respectivas basadas en las incrustaciones de celdas determinadas por la técnica de reducción. Las células con firmas genéticas similares se colocan cerca unas de otras por las incrustaciones. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Figura complementaria 3: Análisis de la expresión génica de NeuN en el linaje neurogénico. (A) Diagrama UMAP que muestra la agrupación del linaje neurogénico a partir del conjunto de datos disponible públicamente15. Los UMAP se generaron como en la Figura suplementaria 2. (B) Niveles de expresión génica de marcadores celulares específicos en todo el linaje neurogénico que muestran astrocito (acuaporina 4 = Aqp4), NSC (proteína homeodominio solo = Hopx), NeuN / Rbfox3 (NSC y células progenitoras intermedias [IPC]) y células cíclicas (quinasa 6 dependiente de ciclina = Cdk6). Haga clic aquí para descargar este archivo.
Tabla complementaria 1: Composiciones de medios y tampones utilizados en el estudio. Haga clic aquí para descargar este archivo.
SG, TL y SK son empleados de Merck Sharp & Dohme LLC, una subsidiaria de Merck & Co., Inc., Rahway, NJ, EE. UU. conocida como MSD fuera de los EE. UU. y Canadá. SG es accionista de Merck & Co., Inc., Rahway, NJ, USA.
Aquí se presenta un método para secuenciar núcleos individuales aislados del giro dentado de ratón que excluye la mayoría de las neuronas a través de la clasificación de núcleos activados por fluorescencia (FAN). Este enfoque genera perfiles de expresión de alta calidad y facilita el estudio de la mayoría de los otros tipos de células representadas en el nicho, incluidas las poblaciones escasas, como las células madre neurales.
Los autores desean agradecer a Lachlan Harris y Piero Rigo por su apoyo técnico y a Jason M. Uslaner y Ditte Lovatt por proporcionar comentarios sobre el manuscrito. Este trabajo fue apoyado por el apoyo de subvenciones del MRC y una colaboración de investigación precompetitiva con MSD, el Instituto Francis Crick, que recibe su financiación de Cancer Research UK (FC0010089), el Consejo de Investigación Médica del Reino Unido (FC0010089), el Wellcome Trust (FC0010089) y por un Premio Wellcome Trust Investigator a FG (106187 / Z / 14 / Z). Pedimos disculpas a los muchos autores cuyo trabajo no pudimos discutir y citar debido a la falta de espacio.
| Microtubo de 0,5 ml | Eppendorf | 30124537 | |
| 10,00µ m Flouresbrite YG Microesferas de carboxilato | Polysciences | 15700-10 | |
| Tubos de centrífuga de polipropileno de 15 mL | Corning | 430052 | |
| 2 pares de pinzas estériles Dumont #5 | Fine Science Tools | 11252-30 | |
| 4′,6-diamidino-2-fenilindol (DAPI) | Sigma Aldrich | D9564-10MG | |
| 4150 Sistema TapeStation | Agilent | N/A | |
| 5 mL tubo de ensayo de polipropileno de alta claridad con tapón a presión | Falcon | 352063 | |
| 5 mL tubo de ensayo de poliestireno de fondo redondo con filtro de celdas tapón a presión | Falcon | 352235 | |
| 50 mL tubos de centrífuga de polipropileno | Corning | 430829 | |
| 70 µ filtro de células | m Falcon | 352350 | |
| 8 picos SPHERO Rainbow Partículas de calibración | BD Biosciences | RCP-30-5A | |
| Accudrop Beads | BD Biosciences | N/A | |
| Allegra X-30R Centrífuga | Beckman Coulter | N/A Anticuerpo | |
| anti-NeuN, clon A60, Alexa Fluor 488 conjugado | Millipore | MAB377X | |
| BD FACSAria Citómetro de flujo | de fusión BD Biosciences | N/A | |
| Beckman Coulter MoFlo XDP | Beckman Coulter | N/A | |
| Chromium Controller | 10x Genomics | N/A | |
| Chromium Next GEM Single Cell 3' Reagent Kits v3.1 | 10x Genomics | PN-1000121; PN-1000120; PN-1000213 | |
| BSA 7.5% | Gibco | 15260037 | |
| Dithiothreitol (DTT) | Thermo Scientific | R0861 | |
| Juego de trituradoras de tejidos Dounce: mortero, mortero suelto (A) y mortero apretado (B) | KIMBLE | D8938-1SET | |
| Tubos Eppendorf Protein LoBind 1.5ml | Eppendorf | 30108116 | |
| Stop, 100x Inhibidor de la proteasa | ThermoFisher | 78429 | |
| HiSeq 4000 Sistema de secuenciación | Illumina | N/A | Configuración de secuenciación: 28-8-0-91 |
| KCl | Cualquier proveedor | de productos químicos | Fabricado en laboratorio |
| LUNA-FX7 Contador de células automatizado | Logos Biosystems | N/A | |
| MgCl2 | Cualquier proveedor | de productos químicos | Fabricado en laboratorio |
| N° 10 bisturíes desechables estériles | protegidos Swann-Morton | 6601 | |
| Agua sin nucleasas | Sigma | Aldrich W4502-1L | |
| Par de tijeras quirúrgicas estériles para estudiantes | Fine Science Tools | 91401-12 | |
| PBS | Cualquier proveedor | de productos químicos | |
| Inhibidor de RNasa fabricado en laboratorio 40 U y micro; l-1 | Ambion | AM2684 | |
| RNasin 40 U y micro; l-1 | Promega | N211A | |
| Placa de Petri estéril | Corning | 430167 | |
| Sacarosa | Sigma Aldrich | 59378-500G | |
| Tampón Tris, pH 8.0 | Cualquier proveedor | de productos químicos | Fabricado en laboratorio |
| Triton X-100 10% (v/v) | Sigma Aldrich | T8787-250ML | |
| Trypan blue | Invitrogen | T10282 |