הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

בידוד גרעינים מגידולים טריים במוח קפוא ל-RNA-seq חד-גרעיני ו-ATAC-seq

12.9K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/61542

⸱

25 באוגוסט 2020

במאמר זה

סיכום

הטרוגניות תוך-גידולית היא תכונה אינהרנטית של גידולים, כולל גליומות. פיתחנו פרוטוקול פשוט ויעיל המשתמש בשילוב של חוצצים וצנטריפוגה הדרגתית כדי לבודד גרעינים בודדים מרקמות גליומה קפואות טריות למחקרי רצף גרעין יחיד ו- ATAC.

תקציר

גליומות מפוזרות למבוגרים מציגות הטרוגניות בין-גידולית. עד לאחרונה, רוב מאמצי הפרופיל המולקולרי בקנה מידה גדול התמקדו בגישות בתפזורת שהובילו לסיווג המולקולרי של גידולים במוח. במהלך חמש השנים האחרונות, גישות רצף תאים בודדים הדגישו כמה תכונות חשובות של gliomas. רוב המחקרים הללו השתמשו בדגימות גידול במוח טרי כדי לבודד תאים בודדים באמצעות ציטומטריית זרימה או שיטות הפרדה מבוססות נוגדנים. במבט קדימה, השימוש בדגימות רקמות קפואות טריות מביו-בנקים יספק גמישות רבה יותר ליישומי תאים בודדים. יתר על כן, ככל שהשדה של התא הבודד מתקדם, האתגר הבא יהיה ליצור נתונים מרובי אומיקה מתא בודד או מאותה הכנה לדוגמה כדי לפענח טוב יותר את מורכבות הגידול. לכן, פרוטוקולים פשוטים וגמישים המאפשרים יצירת נתונים עבור שיטות שונות כגון רצף RNA חד-גרעין (snRNA-seq) וגרעין יחיד Assay עבור Chromatin נגיש Transposase עם רצף תפוקה גבוהה (snATAC-seq) יהיה חשוב עבור התחום.

ההתקדמות האחרונה בתחום התא הבודד בשילוב עם מכשירים מיקרופלואידיים נגישים כגון פלטפורמת הגנומיה 10x הקלו על יישומי תאים בודדים במעבדות מחקר. כדי לחקור את ההטרוגניות של גידול במוח, פיתחנו פרוטוקול משופר לבידוד גרעינים בודדים מגליומות קפואות טריות. פרוטוקול זה ממזג פרוטוקולים קיימים של תא בודד ומשלב שלב הומוגניזציה ואחריו סינון וצנטריפוגה הדרגתית בתיווך מאגר. הדגימות המתקבלות הן השעיות גרעין יחיד טהור שניתן להשתמש בהם כדי ליצור ביטוי גן גרעין יחיד נתוני נגישות כרומטין מאותה הכנת גרעין.

מבוא

גליומות מפוזרות בדרגה נמוכה יותר (LGG), הגידול המוחי העיקרי הנפוץ ביותר במבוגרים, הן גידולים חודרניים המתעוררים לעתים קרובות בחצי הכדור המוחי. LGGs מפגינים הטרוגניות בין-גידולית, המונעת לא רק על ידי אוכלוסיית הגידול אלא גם על ידי התאים הלא ממאירים המעורבים באופן מורכב בהתפתחות הגידול ובהתקדמות1,2,3,4,5.

בעשור האחרון, יש מפולת של נתונים גנומיים שנאספו בתחום גליומות. נתונים אלה מגיעים בעיקר ממחקרי ריצוף גידול בתפזורת ותרמו רבות לאפיון המולקולרי, והסיווג הנוכחי של גידולים במוח5,6,7,8,9,10,11. עם זאת, למרות שמחקרים אלה חשפו את הנוף המולקולרי הרחב הקשור לגלומות, עדיין קיים חוסר התקדמות מאכזב לגבי התערבות טיפולית. אחד המכשולים לטיפול בהתנגדות בגידולים במוח הוא הטרוגניות תוך-גידולית. כדי לטפל בבעיה זו, מחקרים שונים התמקדו בהטרוגניות הגנומית, התמלולית, הפרוטאומית והאפיגנטית הקיימת בתוך גידול ברמת תא בודד12,13,14,15,16,17.

למרות שחלו התפתחויות טכנולוגיות יוצאות דופן בתחום התא הבודד בשנים האחרונות, אחד הגורמים המגבילים העיקריים הוא הזמינות של דגימות טריות הדרושות כדי לבודד את התאים ולבצע את הניסויים האלה. כדי להתגבר על מגבלה זו, היו כמה ניסיונות מוצלחים לבצע ניסיונות, כגון snRNA-seq ו snATAC-seq מרקמות קפואות, באמצעות גרעינים ולא תאים18,19. רוב השיטות הללו מסתמכות על מיון תאים המופעלים על-ידי פלואורסצנטיות (FACS) או על אסטרטגיות סינון. הן לגישות של תא בודד והן לגרעין יחיד יש את נקודות החוזק והחסרונות שלהם. גישות תא בודד לשמור על תמלילים מיטוכונדריאליים, אשר למרות עשוי להיות אינפורמטיבי, יכול גם להפחית את כיסוי שעתוק בשל השפע הגבוה שלהם. גישות בידוד גרעינים יחיד לחסל אחוז גבוה של שבר המיטוכונדריה, ובכך לאפשר כיסוי מעמיק יותר של תמלילים גרעיניים20.

ישנן פלטפורמות מסחריות שונות ששימשו בשנים האחרונות כדי לאבדק נתוני גנומיקה של תאים בודדים, כולל RNA-seq ו- ATAC-seq. אחת הפלטפורמות הבולטות ביותר היא פלטפורמת כרום גנומיקה 10x לביטוי גנים של תא בודד ופרופיל ATAC של תא יחיד. כאשר הפלטפורמה פועלת בעזרת תאים מיקרופלואידיים, כל פסולת או אגרגטים יכולים לסתום את המערכת המובילה לאובדן נתונים, ריאגנטים ודגימות קליניות יקרות ערך. לכן, ההצלחה של מחקרי תא יחיד תלויה במידה רבה בבידוד מדויק של תאים בודדים / גרעינים.

הפרוטוקול שנדגים כאן הוא שילוב שונה במקצת של פרוטוקולי DroNc-seq ו- Omni-ATAC-seq, ומשתמש בגישה דומה למחקרים אחרונים המשתמשים ב- snRNA-seq כדי להבין הפרעות נוירולוגיות וסוגי תאים עצביים במוחהאנושי 18,19,21,22,23,24. הפרוטוקול משתמש בשילוב של דיסוציאציה אנזימטית/מכנית של דגימות קפואות ואחריו סינון וצנטריפוגה הדרגתית ומאפשר בידוד מהיר ומדויק של גרעינים בודדים מרקמות גליומה קפואות טריות. השתמשנו בהצלחה בפרוטוקול זה כדי ליצור נתוני snRNA-seq ו- snATAC-seq מאותה הכנת גרעין מדגימות גידול במוח.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

דגימות גליומה קפואות טריות התקבלו מהמרכז הלאומי למחלות גידול (NCT) - בנק רקמה בהיידלברג, גרמניה. השימוש בחומר מטופלים אושר על ידי הוועדה לביקורת מוסדית בפקולטה לרפואה בהיידלברג, והושגו הסכמה מדעת מכל המטופלים הכלולים במחקר.

1. הכנה ניסיונית

  1. בצע את כל השלבים על קרח או ב 4 °C (7 °F).
  2. צינורות טרום צמרמורת, כלים, סכיני גילוח, Douncers ועלים עד 4 °C (70 °F).
  3. הכן את כל המאגרים מראש. מאגרים אלה יציבים בטמפרטורת החדר. סינון סטרילי מומלץ, במיוחד עבור סוכרוז. ההכנות למניה משתנות מקורס ואח '19. ראה טבלאות 1-7.
  4. הסר דגימות מחנקן נוזלי או אחסון מקפיא -80 °C ולשמור על קרח יבש עד שלב 2.1.

2. ניתוח רקמות וניתוק

  1. מעבירים דגימת רקמות קפואות טריות (10-60 מ"ג) לצלחת פטרי מצוננת מראש. טחון / לקצוץ רקמה קפואה טרייה עם סכין גילוח לחתיכות קטנות על קרח.
  2. הוסף 500 μL של גרעין מצונן תמוגה חוצץ צינור 1.5 מ"ל צונן מראש. מניחים את חתיכות הרקמה בצינור 1.5 מ"ל המכיל את מאגר תמוגתהגרעינים, ומעביריםל- Douncer ( שולחן החומרים).
    הערה: ישנם שני עלים הומוגניזר Dounce: "רופף" או "A" עלה להפחתת מדגם ראשוני "הדוק" או "B" עלה עבור הומוגניזציה מדגם מלא.
  3. Dounce חתיכות הרקמה עם העלי "רופף" במשך כ 20 משיכות, עד החיכוך מופחת. אם קיים פסולת, המדגם עשוי להיות פינה מראש על ידי סינון עם מסננת 100 מ"מ.
  4. Dounce עם עלה "הדוק" עבור 20 משיכות כדי להשיג הומוגניזציה רקמות מלאה.
  5. מעבירים את ההומוגנאט (כ-500 μL) לצינור 2 מ"ל צונן מראש. הוסף 1 מ"ל של מאגר תמה מצוננת. מערבבים בעדינות ודגרה על קרח במשך 5 דקות. מערבבים בעדינות עם קצה פיפטה רחב-נשא וחוזרים על הפעולה 1-2 פעמים במהלך הדגירה.
  6. לסנן את ההומוגנית כולה באמצעות רשת מסננת 30 מיקרומטר, לאסוף לתוך צינור פלקון 15 מ"ל ולהעביר בחזרה לתוך צינור חדש 2 מ"ל מקורר מראש. מסננת אחת בדרך כלל מספיקה לכל ההומוגנית.
  7. בדוק תחת מיקרוסקופ אור כדי לאמת את הסרת פסולת גדולה ואת שלמות הממברנה הגרעינית. גרעינים צריכים להיות עגולים ואין לעוות את הממברנה הגרעינית. אם קיימים פסולת, ניתן לסנן מחדש גרעינים.
  8. צנטריפוגה הגרעינים ב 500 x g במשך 5 דקות ב 4 °C (5 °F) על צנטריפוגה העליון ספסל. הסר את supernatant, משאיר מאחור ~ 50 μL עם גלולה המכילה את הגרעינים. בעדינות resuspend הכדור עוד 1 מ"ל של חוצץ תמוגה גרעינים ודגרה במשך 5 דקות על קרח.
  9. צנטריפוגות הגרעינים ב 500 x גרם במשך 5 דקות ב 4°C. הסר את supernatant ללא גלולה מטרידה, להוסיף 500 מ"ל של 1x חוצץ הומוגניזציה (HB) (טבלה 4) ודגרה במשך 5 דקות ללא שימוש חוזר. לאחר מכן, resuspend הגרעינים עוד 1.0 מ"ל של 1x HB.
  10. צנטריפוגה הגרעינים ב 500 x גרם במשך 5 דקות ב 4 °C (5 °F). הסר את supernatant בעדינות resuspend הגרעינים ב 200 μL של 1x HB לתוך צינור חדש 2.0 מ"ל.

3. צנטריפוגה הדרגתית

  1. הוסף 200 μL של 50% תמיסה יודיקסנול (טבלה 5) כדי לתת ריכוז סופי של 25% יודixanol. מערבבים היטב 10 פעמים עם פיפטה שנקבעה על 300 מ"ל.
  2. הוסף 300 μL של 29% תמיסה יודיקסנול (טבלה 6) תחת תערובת 25%. השתמש בקצה דק P1000 כדי למנוע תערובת של השכבות.
  3. הוסף 300 μl של 35% תמיסה יודיקסנול (טבלה 7) תחת תערובת 29%. השתמש בקצה דק P1000 כדי למנוע תערובת של השכבות.
    אזהרה: שלב זה דורש הסרה הדרגתית של קצה הפיפטה במהלך ההצינורות כדי למנוע תזוזה מוגזמת של נפח.
  4. מניחים את הדגימות בצנטריפוגת דלי מתנדנדת, מסתובבים במשך 20 דקות ב 3,500 x g ב 4 ° C עם הבלם כבוי.
  5. הסר בעדינות את הדגימות מבלי לרעוד והתבונן תחת אור. רצועה לבנה ברורה של 95% גרעינים טהורים צריכה להיות גלויה בין השכבה השנייה והשלישית (איור 1).

4. בידוד גרעינים

  1. שאפו את השכבות העליונות עד לרצועת הגרעין הלבנה באינטרפאזה של 29%-35%.
  2. לאסוף את רצועת גרעין בנפח 200 מ"ל, להעביר צינור טרי לסנן עם מסנן 20 מיקרומטר(טבלת חומרים).
    הערה: הגרעינים אינם צריכים להיות respended לפני סינון.
  3. בדוק תחת מיקרוסקופ אור כדי לאמת את הסרת פסולת גדולה ואת שלמות הממברנה הגרעינית. גרעינים צריכים להיות עגולים ואין לעוות את הממברנה הגרעינית.
  4. ספירת גרעינים באמצעות כתמים כחולים טריפאן על hemocytometer ו nuclei aliquot עבור snRNA-seq / snATAC-seq.

5. גרעין יחיד RNA ו- ATAC seq

  1. מעבדים מיד את הגרעינים באמצעות ביטוי הגן של התא הבודד וערכות ריאגנט ATAC של תא בודד(טבלת החומרים).
    הערה: ריכוזי דגימת הגרעינים עבור מערכת הגנומיקה 10x הם 1500-3000 גרעינים לכל μL עבור snRNA-seq, ו 3500-7000 גרעינים למ"ר μL עבור snATAC-seq. הגרעינים יכולים להיות מדוללים באמצעות PBS 1x.
  2. רצף את הספריות המתקבלות במתקן הליבה הגנומי.
  3. בצע ניתוח בקרת איכות של הנתונים. גרעינים כלולים לניתוח נוסף אם הם מכילים מזהה מולקולרי ייחודי (UMI) >1000, מספר הגנים >500 ואחוז מהגנים המיטוכונדריאליים <5%, והם בתוך ממוצע + שלוש סטיות תקן של UMIs וגנים.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

גנומיקה של גרעין יחיד היא שדה מתפתח עם נתונים ופרוטוקולים מוגבלים. גורם קריטי המשפיע על התוצאה של התקפות גרעינים יחידים הוא בידוד של גרעינים טהורים ושלמים. שילבנו שני פרוטוקולים שפורסמו (פרוטוקולי DroNc-seq ו- Omni-ATAC-seq) כדי לבודד גרעינים איכותיים וטהורים מבלוקי רקמת גליומה קפואים טריים תוך זמן קצר יחסית ובכך לשמור על יציבות התמלילים (איור 1).

השימוש בשלבי סינון שונים יחד עם צנטריפוגה הדרגתית באמצעות שיפוע יודיקסנול/סוכרוז מאפשר בידוד של גרעינים טהורים כאשר רו...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

תחום ההטרוגניות התוך-גידולית נמצא בשלב מרגש, עם בדיקות ופלטפורמות חדשניות שפותחו כדי לאתגר ולהרחיב את הידע הקיים. הטרוגניות תוך-גידולית היא גורם מכריע התורם להתקדמות המחלה ולעמידות בפני שיטות הטיפול הנוכחיות בגליומות28. מחקרים אחרונים על גידולים במוח התמקדו בהיבט חשוב זה באמצעות ניתוחים תעתיקיים ואפיגנומיים של תאים בודדים כדי לאפיין טוב יותר את ההטרוגניות התאית בתוך אותו גידול29,30,31,

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

אנו מודים למעבדה הפתוחה של תא יחיד (scOpenLab) במרכז הסרטן הגרמני (DKFZ) על דיונים מועילים. מחקר זה נתמך על ידי הסיוע הגרמני לסרטן, מקס-Eder תוכנית מענק מספר 70111964 (S.T.).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
2-MercaptoethanolSigmaM6250
CaCl2Sigma21115-100ML
Dounce Homogenizerמוטיב פעיל40401
EDTA (0.5 מ')Thermo ScientificR1021
Falcon 15 מ"ל צינורות צנטריפוגה חרוטייםפישר סיינטיפיק352096
יודיקסנול (הידוע גם בשם Optiprep)טכנולוגיות תאי גזע07820
MACs מסננות חכמות (30 ומיקרו; m)Miltenyi Biotec130-098-458
MACS SmartStrainers (100 ומיקרו; m)Miltenyi Biotec130-098-463
Mg(Ac)2Sigma63052-100ML
NP-40Abcamab142227
ערכת בידוד גרעינים: Nuclei EZ PrepSigmaNUC101-1KT
Phenylmethanesulfonyl fluoride (PMSF)SigmaP7626
מסנני טרום הפרדה (20 ומיקרו; m)Miltenyi Biotec130-101-812
צינורות נעילה בטוחים 1.5 מ"לEppendorf0030120086
צינורות נעילה בטוחים 2.0 מ"לEppendorf0030120094
תא יחיד ATAC10x גנומיקה
ביטוי גן תא יחיד10x גנומיקה
סוכרוזסיגמאS0389
קצות פיפטה רחבים (1000 ומיקרו; L)Themo Fisher Scientific2079GPK
קצות פיפטה רחבים (200 ומיקרו; L)תמו פישר סיינטיפיק2069GPK

מקורות

  1. Huse, J. T., Holland, E. C. Targeting brain cancer: advances in the molecular pathology of malignant glioma and medulloblastoma. Nature Reviews Cancer. 10 (5), 319-331 (2010).
  2. Kreso, A., Dick, J. E. Evolution of the cancer stem cell model. Cell Stem Cell. 14 (3), 275-291 (2014).
  3. Filbin, M. G., Suva, M. L. Gliomas Genomics and Epigenomics: Arriving at the Start and Knowing It for the First Time. Annual Review of Pathology. 11, 497-521 (2016).
  4. Ferris, S. P., Hofmann, J. W., Solomon, D. A., Perry, A. Characterization of gliomas: from morphology to molecules. Virchows Archive. 471 (2), 257-269 (2017).
  5. Louis, D. N., et al. The 2016 World Health Organization Classification of Tumors of the Central Nervous System: a summary. Acta Neuropathologica. 131 (6), 803-820 (2016).
  6. Eckel-Passow, J. E., et al. Glioma Groups Based on 1p/19q, IDH, and TERT Promoter Mutations in Tumors. The New England Journal of Medicine. 372 (26), 2499-2508 (2015).
  7. Suzuki, H., et al. Mutational landscape and clonal architecture in grade II and III gliomas. Nature Genetics. 47 (5), 458-468 (2015).
  8. Cancer Genome Atlas Research. Comprehensive, Integrative Genomic Analysis of Diffuse Lower-Grade Gliomas. The New England Journal of Medicine. 372 (26), 2481-2498 (2015).
  9. Noushmehr, H., et al. Identification of a CpG island methylator phenotype that defines a distinct subgroup of glioma. Cancer Cell. 17 (5), 510-522 (2010).
  10. Yan, H., et al. IDH1 and IDH2 mutations in gliomas. The New England Journal of Medicine. 360 (8), 765-773 (2009).
  11. Yan, H., Bigner, D. D., Velculescu, V., Parsons, D. W. Mutant metabolic enzymes are at the origin of gliomas. Cancer Research. 69 (24), 9157-9159 (2009).
  12. Gawad, C., Koh, W., Quake, S. R. Single-cell genome sequencing: current state of the science. Nature Reviews Genetics. 17 (3), 175-188 (2016).
  13. Tanay, A., Regev, A. Scaling single-cell genomics from phenomenology to mechanism. Nature. 541 (7637), 331-338 (2017).
  14. Wu, M., Singh, A. K. Microfluidic Flow Cytometry for Single-Cell Protein Analysis. Methods in Molecular Biology. 1346, 69-83 (2015).
  15. Schwartzman, O., Tanay, A. Single-cell epigenomics: techniques and emerging applications. Nature Reviews Genetics. 16 (12), 716-726 (2015).
  16. Macaulay, I. C., Ponting, C. P., Voet, T. Single-Cell Multiomics: Multiple Measurements from Single Cells. Trends in Genetics. 33 (2), 155-168 (2017).
  17. Buenrostro, J. D., et al. Single-cell chromatin accessibility reveals principles of regulatory variation. Nature. 523 (7561), 486-490 (2015).
  18. Habib, N., et al. Massively parallel single-nucleus RNA-seq with DroNc-seq. Nature Methods. 14 (10), 955-958 (2017).
  19. Corces, M. R., et al. An improved ATAC-seq protocol reduces background and enables interrogation of frozen tissues. Nature Methods. 14 (10), 959-962 (2017).
  20. Slyper, M., et al. A single-cell and single-nucleus RNA-Seq toolbox for fresh and frozen human tumors. Nature Medicine. 26 (5), 792-802 (2020).
  21. Mathys, H., et al. Single-cell transcriptomic analysis of Alzheimer's disease. Nature. 570 (7761), 332-337 (2019).
  22. Krishnaswami, S. R., et al. Using single nuclei for RNA-seq to capture the transcriptome of postmortem neurons. Nature Protocols. 11 (3), 499-524 (2016).
  23. Al-Dalahmah, O., et al. Single-nucleus RNA-seq identifies Huntington disease astrocyte states. Acta Neuropathologica Communications. 8 (1), 19(2020).
  24. Jakel, S., et al. Altered human oligodendrocyte heterogeneity in multiple sclerosis. Nature. 566 (7745), 543-547 (2019).
  25. Butler, A., Hoffman, P., Smibert, P., Papalexi, E., Satija, R. Integrating single-cell transcriptomic data across different conditions, technologies, and species. Nature Biotechnology. , (2018).
  26. Lake, B. B., et al. Integrative single-cell analysis of transcriptional and epigenetic states in the human adult brain. Nature Biotechnology. 36 (1), 70-80 (2018).
  27. Stuart, T., et al. Comprehensive Integration of Single-Cell Data. Cell. 177 (7), 1888-1902 (2019).
  28. Bready, D., Placantonakis, D. G. Molecular Pathogenesis of Low-Grade Glioma. Neurosurgery Clinics of North America. 30 (1), 17-25 (2019).
  29. Venteicher, A. S., et al. Decoupling genetics, lineages, and microenvironment in IDH-mutant gliomas by single-cell RNA-seq. Science. 355 (6332), (2017).
  30. Tirosh, I., et al. Single-cell RNA-seq supports a developmental hierarchy in human oligodendroglioma. Nature. 539 (7628), 309-313 (2016).
  31. Weng, Q., et al. Single-Cell Transcriptomics Uncovers Glial Progenitor Diversity and Cell Fate Determinants during Development and Gliomagenesis. Cell Stem Cell. 24 (5), 707-723 (2019).
  32. Neftel, C., et al. An Integrative Model of Cellular States, Plasticity, and Genetics for Glioblastoma. Cell. 178 (4), 835-849 (2019).
  33. Al-Ali, R., et al. Single-nucleus chromatin accessibility reveals intratumoral epigenetic heterogeneity in IDH1 mutant gliomas. Acta Neuropathologica Communications. 7 (1), 201(2019).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

רקמה קפואה טרייהsnATAC-seq (ריצוף ATAC של גרעין בודד)סנטריפוגציה במדרגתמיסת Iodixanolבופר לליסיס של גרעיניםשלבי סינוןספירה באמצעות המוציטומטרצביעה ב-Trypan Blue