Method Article

費用対効果の高いトランスクリプトームベースの薬物スクリーニング

DOI:

10.3791/65930

⸱

February 23rd, 2024

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Systems Medicine, German Center for Neurodegenerative Diseases (DZNE) eV., 2Genomics & Immunoregulation, LIMES Institute, University of Bonn, 3PRECISE Platform for Single Cell Genomics and Epigenomics, DZNE and University of Bonn, 4Immunogenomics & Neurodegeneration, German Center for Neurodegenerative Diseases (DZNE) eV.

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

このプロトコルは費用効果が大きいトランスクリプトーム ベースの薬剤のスクリーニングのためのex 生体内 または 生体外の 細胞培養からのトランスクリプトーム データ前処理へのワークフローを記述する。

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

トランスクリプトミクスは、細胞プログラムとその摂動に対する応答に関する包括的な洞察を得ることができます。過去10年間でライブラリーの作製とシーケンシングのコストが大幅に低下したにもかかわらず、これらの技術を薬物スクリーニングに必要な規模で適用することは依然として法外なコストがかかり、これらの方法の計り知れない可能性を妨げています。本研究は、小型の摂動培養とミニバルクトランスクリプトミクスを組み合わせた、トランスクリプトームベースの薬物スクリーニングのための費用対効果の高いシステムを提示しています。最適化されたミニバルクプロトコルは、費用対効果の高いシーケンシング深度で有益な生体シグナルを提供し、既知の薬物や新しい分子の広範なスクリーニングを可能にします。選択した治療とインキュベーション時間に応じて、このプロトコルは約2日以内にライブラリのシーケンシングになります。このプロトコル内にはいくつかの停止ポイントがあるため、ライブラリ調製とシーケンシングは時間に依存しない状態で行うことができます。多数のサンプルを同時に処理することが可能です。最大384サンプルの測定は、データ品質を損なうことなくテストされました。また、最適な薬物インキュベーション時間のばらつきを考慮しているにもかかわらず、条件および/または薬物の数に既知の制限はありません。

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

新薬の開発は、候補となる医薬品とその標的の特定、医薬品候補の最適化と合成、前臨床試験および臨床試験での有効性と安全性の検証を含む、複雑で時間のかかるプロセスです1。従来の薬物スクリーニングの方法、すなわち治療目的で候補化合物のライブラリーを系統的に評価する方法では、動物モデルまたは細胞ベースのアッセイを使用して、特定の標的または経路に対する効果を試験します。これらの手法は、医薬品候補の同定には成功していますが、薬効の根底にある複雑な分子メカニズムや、毒性、潜在的な副作用のメカニズムについては、十分な洞察が得られないことが多かったのです。

ゲノムワイドな転写状態を評価することは、薬物治療に反応した遺伝子発現の包括的な評価を可能にするため、薬物スクリーニングにおける現在の限界を克服するための強力なアプローチを提示します2。トランスクリプトミクスは、ある時点で発現するRNA転写産物をゲノムワイドに測定することにより、遺伝子発現パターン、選択的スプライシング、ノンコーディングRNA発現の変化など、薬物に反応して起こる転写変化の全体像を提供することを目的としています3。この情報は、薬物標的の決定、薬物の有効性と毒性の予測、薬物の投与と治療計画の最適化に使用できます。

トランスクリプトミクスと偏りのない薬物スクリーニングを組み合わせることの主な利点の1つは、これまで考慮されていなかった新しい薬剤標的を特定できる可能性があることです。従来の薬物スクリーニングアプローチは、確立された標的分子や経路に焦点を当てることが多く、新しい標的の同定を妨げ、予期せぬ副作用や有効性が制限される薬剤につながる可能性があります。トランスクリプトミクスは、薬物治療に反応して起こる分子変化に関する洞察を提供し、これまで考慮されていなかった可能性のある潜在的な標的や経路を明らかにすることで、これらの限界を克服することができます2。

トランスクリプトミクスは、新しい創薬標的の同定に加えて、薬効や毒性の予測にも使用できます。薬物応答に関連する遺伝子発現パターンを解析することにより、特定の薬物または治療レジメンに対する患者の反応を予測するために使用できるバイオマーカーを開発することができます。これは、薬剤の投与量を最適化し、有害な副作用のリスクを軽減するのにも役立ちます4。

トランスクリプトミクスの潜在的な利点にもかかわらず、薬物スクリーニングにおけるトランスクリプトミクスの広範な適用に対する大きな障壁は依然として存在しています。トランスクリプトーム解析には特殊な機器、技術的専門知識、データ解析が必要であり、小規模な研究チームや資金が限られている組織では、薬物スクリーニングにトランスクリプトミクスを利用することが困難な場合があります。しかし、トランスクリプトミクスのコストは着実に低下しており、研究コミュニティにとってより身近なものとなっています。さらに、技術とデータ解析方法の進歩により、トランスクリプトミクスはより効率的で費用対効果が高くなり、アクセシビリティがさらに向上しました2。

このプロトコルでは、ミニチュア化された摂動培養とミニバルクトランスクリプトミクス分析を組み合わせた、トランスクリプトームベースの薬物スクリーニングのための高次元で探索的なシステムについて説明します5,6。このプロトコルにより、サンプルあたりのコストを、完全長mRNAシーケンシングの市販ソリューションの現在のコストの1/6に削減することが可能です。このプロトコルは、標準的な実験装置のみを必要とし、唯一の例外はショートリードシーケンシング技術の使用であり、シーケンシング機器が社内にない場合はアウトソーシングすることができます。最適化されたミニバルクプロトコルは、費用対効果の高いシーケンシング深度で情報量の多い生体シグナルを提供し、既知の薬物や新しい分子の広範なスクリーニングを可能にします。

この実験の目的は、さまざまな生物学的状況におけるPBMCの薬物活性をスクリーニングすることです。このプロトコルは、複数の薬剤をトランスクリプトーム読み出しでテストし、治療の細胞効果をトランスクリプトーム全体で把握できる生物学的問題に適用できます。

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

このプロトコルは、ボン大学の地元の倫理委員会のガイドラインに従います。

1. 緩衝液、溶液、装置の調製

  1. 溶液を調製し、 材料表に記載されている材料を収集します。
  2. ウォーターバスを37°Cに加熱し、完全な増殖培地(RPMI-1640 + 10%ウシ胎児血清(FCS)+ 1%ペニシリン/ストレプトマイシン)を温めます。
  3. 細胞回収には、氷冷リン酸緩衝生理食塩水(PBS)を使用します。
    注:細胞を操作している間は、無菌性を維持するために清潔な環境を保ちます。

2. 細胞の取り扱い

注:ヒト血液からの末梢血単核球(PBMC)の凍結保存に関する詳細なプロトコルは、7に記載されています。

  1. 細胞の融解とカウント
    1. 液体窒素からクライオバイアルを取り出し、37°Cのウォーターバスで2〜3分間、静かに反転させながら解凍します。
    2. 融解した細胞を50 mLのコニカルチューブに移します。
    3. クライオバイアルを1 mLの温かい完全増殖培地ですすぎ、この溶液をチューブ内の細胞に滴下します(1回目の 希釈ステップ)。
    4. 32 mL(それぞれ1、2、4、8、および16 mLの温かい完全増殖培地で合計5回の希釈)に達するまで、希釈を1:1で繰り返します。培地を滴下して、コニカルチューブをわずかに攪拌しながら細胞の乱れを減らします。
    5. 細胞懸濁液を5分間遠心分離し(300 x g、20°C)、コニカルチューブを1回流暢に傾けて上清を除去します。
    6. 細胞を3 mLの温かい完全増殖培地に再懸濁し、細胞計数に進みます。
    7. カウントには、10 μLの細胞懸濁液をトリパンブルー(細胞懸濁液の密度に応じて1:2〜1:10の希釈)と混合して、カウント中に生細胞と死細胞を区別します。死んだ細胞や損傷した細胞は、色素の取り込みにより青く見えますが、重要な細胞は染色されません。
      注:トリパンブルーはわずかに細胞毒性があるため、染色された細胞は5分以上保存しないでください。
    8. 自動セルカウンターまたは10 μLの染色細胞溶液を使用してカウントチャンバーで細胞をカウントします。
      1. ノイバウアー改良セルチャンバーを使用する場合は、四隅にある4つの大きな正方形内のすべての細胞をカウントし、次の式を使用して細胞懸濁液の濃度を計算します。
        figure-protocol-1
    9. 細胞を温かい完全増殖培地で最終濃度1 x 106 cells/mLに希釈します。必要な容量が3 mL未満の場合にのみ遠心分離し、細胞ペレットを適切な容量に再懸濁します。
  2. 細胞の播種と処理
    1. 1ウェルあたり100μLの細胞懸濁液を96ウェル細胞培養プレート(1 x 105 細胞/ウェル)に播種します。
      注:播種用の細胞数は、PBMC 培養用に最適化しました。細胞濃度が低いと、シーケンシングに十分な量のRNAが得られませんが、細胞数が多すぎると、細胞溶解が最適でなくなり、逆転写反応が阻害されるリスクが高まります。
    2. 治療に使用した濃度の2倍(2倍)の濃度で薬物希釈液を調製します。化合物の溶解度に応じて溶媒を選択し、好ましくは完全増殖培地を選択します。
      注:PBSまたはジメチルスルホキシド(DMSO)は、他の方法では十分な溶解度が得られない場合は使用できます。得られたインキュベーション容量中のDMSOの最大濃度は、溶媒によって誘発される細胞毒性を防ぐために0.5%を超えてはなりません。
    3. 100 μL の薬物希釈液(ウェル 1X の最終濃度)を加え、37 °C で規定の時間インキュベートします。
      注:最適な薬物インキュベーション時間を確立し、細胞毒性の潜在的なメカニズムを排除するために、補完的な調査を実施する必要があります。.
  3. 細胞回収と溶解
    1. 細胞培養プレートを10分間遠心分離します(300 x g、20°C)。プレートを斜め(30°〜45°)に保ちながら、チップをウェルの低い角に向けながら、真空ポンプで上清を静かに除去し、細胞をできるだけ少なくします。
    2. 各ウェルに200 μLの氷冷PBSを添加して細胞を洗浄し、プレートを5分間遠心分離します(300 x g、4°C)。真空ポンプで上清を除去し、プレートを鋭角に保ち、PBSをできるだけ多く除去します。
    3. 必要な反応数(rxn)について、 表1 に記載の溶解緩衝液を調製し、10%の過剰分を加えます。
    4. 各ウェルに15 μLの溶解バッファーを添加し、プレートを粘着シーリングフィルムで密封して、サンプルを汚染から保護します。1分間(1000 x g、4°C)遠心分離する前にプレートをボルテックスし、氷上で5分間インキュベートします。
    5. 溶解した細胞溶液6 μLをPCRプレートに回収し、細胞溶解液を-80°Cで短時間凍結して、最適な細胞溶解を確保します。プレートの複数の凍結サイクルは避けてください。
      注:停止ポイント:その後、cDNA産生が行われない場合、細胞ライセートはRNA品質を大幅に低下させることなく、最大数か月間-80°Cで保存できます。

3. シーケンシングのためのライブラリ調製

  1. 逆転写酵素(RT)反応
    注:RNAを扱う場合は、すべてのサンプルを氷上に置き、ヌクレアーゼフリーの機器(滅菌済みの使い捨てプラスチック製品)と水を必ず使用してください。
    1. 表 2 に記載のとおりに、必要な反応数に合わせて RT 反応ミックスを調製し、10% の過剰分を加えます。ミックスを短時間ボルテックスし、すぐにスピンダウンします。使用するまで、ミックスを氷の上に置いてください。
    2. 細胞ライセートを室温(RT)で融解し、短時間スピンダウンして、すべての細胞ライセートをプレートの底部に回収します。
    3. 表3に従ってサーモサイクラーでmRNA変性を行います。
    4. サーモサイクラーからプレートを取り出し、すぐに回転させて潜在的な凝縮液を収集します。各ウェルに6 μLのRT反応ミックスを添加し、最終容量が12 μLになるようにします。 プレートを保護し、蒸発や渦を避けるためにプレートを密封し、スピンダウンさせます。
    5. プレートをサーモサイクラーに置き、 表3に従ってRT反応プログラムを開始します。
  2. プリアンプ
    1. ハイフィデリティDNAポリメラーゼおよび in-situ PCR(ISPCR)プライマーを室温で融解します。
    2. 必要な反応数について、 表 4 に従ってプレ増幅ミックスを調製し、10% の過剰分を加えます。ミックスを短時間ボルテックスしてスピンダウンします。
      注:酵素ミックスは室温で数時間安定しています。
    3. PCRプレートをスピンダウンし、各ウェルに15 μLのプレアンプミックスを添加し、プレートを密封します。
    4. それをサーモサイクラーに置き、 表5に従って予備増幅反応を開始します。
      1. RNA含有量によるサイクル数を調整します。低い数値から始めて、cDNA収量が十分でない場合は増やします。
        注:私たちの経験では、細胞の種類ごとに最適なサイクル数を確立する必要があり、実験条件と処理は最適なサイクル数に影響を与えません。したがって、新しい細胞タイプに対してこのプロトコルを確立する際には、最適なサイクル数を実験的に確立することをお勧めします。一般に、初代細胞は細胞株と比較してより多くのサイクル数を必要とします。停止点:プリアンプ製品は-20°Cで保存できます。
  3. cDNAのクリーンアップと品質管理(QC)
    注:サンプルのクリーンアップは、この段階ではサンプルがかなり安定しているため、プレートごとに順番に実行できます。サンプル数を増やすと、プロトコルの期間が長くなりますが、同時に処理できるサンプルの数は制限されません。
    1. 開始する前に、磁気精製ビーズを室温に戻し、高速で1分間ボルテックスして、ビーズを完全に再懸濁します。
    2. 0.8 v/v(20 μL)の磁気精製ビーズを各ウェルに添加し、室温で5分間インキュベートします。
    3. ビーズが完全に分離されるまで、PCRプレートを磁気ラックに5分間置きます。上澄みを慎重に取り除きます。
    4. プレートを磁気ラックに置いたまま、調製したばかりの80%エタノール100 μLを静かに加えてビーズを洗浄し、30秒間インキュベートします。少量のピペットを使用して上清を除去します。追加の洗浄ステップについても繰り返します。エタノールはできるだけ除去してください。
    5. 磁気ラック上のビーズを室温で最大5分間風乾し、エタノールが完全に蒸発し、ビーズが光沢がなくなるまで乾燥させます。
    6. プレートを磁気ラックから取り出し、ビーズを20 μLのヌクレアーゼフリー水に再懸濁し、2分間インキュベートします。
    7. ビーズが分離するまで、プレートを磁気ラックに再度置きます。
    8. cDNA QCおよびタグメンテーション用の新しいPCRプレートで溶出液を回収します。
    9. TapeStation または FragmentAnalyser アッセイを実施して、cDNA ライブラリーのサイズ分布と濃度を評価します (推奨: TapeStation D5000 アッセイ)。詳しくは、製造元の指示をご覧ください。20 ngの典型的な収量が期待されます。
  4. キットによるタグメンテーション
    注:すでに確立されている場合は、他のタグメンテーションプロトコルを使用できます。
    1. ヌクレアーゼフリーの水を使用して、cDNAを最終濃度150〜300pg/μLに希釈します。
    2. 表6に従ってサーモサイクラーを事前にプログラムし、酵素ミックスにcDNAを添加した後、タグメンテーション反応を直ちに開始します。
    3. 必要な反応数について、 表 7 に従ってタグメンテーションミックスを調製し、10% の過剰分を加えます。
    4. 反応ごとに3 μLのタグメンテーションミックスを新しいPCRプレートに分注し、各反応に1 μLのcDNAを加えます。
    5. cDNAを添加した直後にタグメンテーション反応を開始します。
    6. 1 μLの中和タグメントバッファー(NT;または0.2%ドデシル硫酸ナトリウム(SDS))を使用して反応を不活性化します。
  5. 濃縮PCR
    1. 濃縮PCRミックス( 表7 )を反応数用に調製し、10%過剰分を加えます。(推奨:パターン化されたフローセル(例:Illumina NovaSeq 6000)のインデックスホッピングを防止するように設定されたNextera UDI)。
    2. 各反応液に9 μLの濃縮PCRミックスを添加し、総容量を14 μLにします。
    3. 表8に従って濃縮PCRプログラムを実行します。
      注:濃縮PCRの場合、16サイクルが標準です。cDNAの品質が悪い場合は、サイクルを追加することができます。
  6. クリーンアップとQC
    1. 開始する前に、磁気精製ビーズを室温に戻し、高速で1分間ボルテックスして、ビーズを完全に再懸濁します。
    2. 1.0x v/v(14 μL)の磁気精製ビーズを加え、室温で5分間インキュベートします。
    3. プレートを磁気ラックに置き、ビーズが完全に分離するまで5分間待ちます。上澄みを慎重に取り除きます。
    4. プレートを磁気ラックに置いたまま、調製したばかりの80%エタノール100 μLを静かに加えてビーズを洗浄し、30秒間インキュベートします。少量のピペットを使用して上清を除去します。追加の洗浄ステップについても繰り返します。エタノールはできるだけ除去してください。
    5. ビーズを室温で3分間、または光沢がなくなるまで風乾します。
    6. プレートを磁気ラックから取り出し、ビーズを20 μLのヌクレアーゼフリー水に再懸濁し、2分間インキュベートします。
    7. ビーズが分離するまでプレートを磁気ラックに再度置き、ライブラリQC用の新しいPCRプレートで溶出液を回収します。
    8. TapeStation または Fragment Analyzer アッセイを実施して、cDNA ライブラリーのサイズ分布と濃度を評価します (推奨:TapeStation D1000 高感度アッセイ)。詳しくは、製造元の指示をご覧ください。平均して、10ngの収量が期待されます。
      注:停止点:PCR産物は-20°Cで保存できます。

4. シーケンシングとデータの前処理

  1. シークエンシング
    注:以下のガイドラインは、ショートリードシーケンシング用のすべてのIllumina機器に適用されます。計測器が利用できない場合は、外部のシーケンシング機能でシーケンシングを実行できます。他のシーケンシングアプローチも使用できます。わかりやすくするために、最も広く使用されているシーケンシング技術のみについて報告することにしました。
    注:ソフトウェアの使用に関連する次の手順では、Illumina NovaSeq6000シーケンサーでの手順について説明します。
    1. 一意にインデックス付けされたライブラリを、手順 3.6.8 で得られた結果に従って等モル比でプールします。
    2. 高感度アッセイで最終プールの濃度を測定し、サンプルのモル濃度を次のように計算します。
      figure-protocol-2
    3. 装置の仕様と実験的最適化に従ってフローセルに負荷をかけます。一般的な機器の負荷量濃度の例を 表 9 に示します。
    4. 画面をタッチして [シーケンス ] を選択し、実行のセットアップを開始します。
    5. 画面とロードフローセル、合成シーケンスカートリッジ、クラスタリングカートリッジ、バッファーカートリッジの指示に従い、廃液容器が空であることを確認します。
    6. すべての試薬が装置によって認識されたら、 Run Setupをクリックします。ここでは、実行名とデータを格納する出力フォルダーを定義します。
    7. シーケンシングの詳細を、両方のリードが 51 bp のペアエンドとして定義します。また、2 つのインデックス読み取りもそれぞれ 8 bp でシーケンスされます。
    8. [確認]を押し、すべてのシーケンスの詳細が正しいことを確認した後、[実行の開始]を押します。
      注:推奨されるシーケンシング深度は 5 x 106 リード/サンプルで、最小 1 x 106 リード/サンプルです。
  2. データの前処理
    1. 生のシーケンシングデータをFASTQ形式に変換し、Bcl2Fastq2ツールを使用してサンプルインデックスに従って逆多重化します。デフォルト設定で逆多重化を実行します。Bcl2Fastq2 の詳細な手順については、リファレンス マニュアルを参照してください。
      注:FASTQの変換と逆多重化は、シーケンシングが社内で行われない場合、通常、シーケンシング施設によって実行されます。シーケンシング施設は、通常、さらなる処理のために逆多重化されたFASTQを提供します。
    2. シーケンシングリードのデータアライメントと存在量の定量には、いくつかのオプションが用意されています(推奨:nf-core RNA-seq pipeline (https://nf-co.re/rnaseq))。パイプラインにはいくつかのオプションがあり、STAR8 をアライメントし、Salmon9 をアライメントしたデフォルト設定を使用して、転写産物の存在量を定量化します。
    3. 注:さらなるバイオインフォマティクス分析には、いくつかの方法があります。このプロトコルでは、すべてを網羅するものではありません(推奨:DEseq2パイプライン10)。当社が開発したDEseq2ワークフローに基づく標準スクリプトは、GitHub(https://github.com/jsschrepping/RNA-DESeq2)にあります。

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

報告されたプロトコルに従って、ヒトPBMCを播種し、異なる免疫調節薬で処理し、異なるインキュベーション時間後に、シーケンシングプロトコルを用いたバルクトランスクリプトーム解析のために回収しました(図1)。

試験化合物の理想的な薬物濃度とインキュベーション時間は、補完的な実験戦略の助けを借りて、特定の科学的質問に基づいて、このプロトコルの上流で特定する必要があります。ほとんどの場合、2〜4時間および24時間のインキュベーションにより、治療に対する初期および後期の転写反応が表されます。

プロトコルの正しい実行を評価するための最も重要な結果は、cDNAとライブラリのQC(図2 および 図3)です。cDNAプロファイルは、平均サイズが>1000 bp(図2)の広い分布を有する必要があり、低分子量(図4)での平均サイズまたは分子の蓄積が低い場合は、RNAインプットまたはRNA分解が低いことを示している可能性があります。

優れたシーケンシングライブラリの調製も、プロトコルの重要なステップです。タグメンテーション後のライブラリは、約250bpとかなり狭い分布になっているはずです(図3)。フラグメントが長いと、シーケンシング中の性能が低下します(図5)。

シーケンシングに続いて、生のFASTQファイルを適切なリファレンスゲノム(ヒトやマウスなど)に対してアライメントし、各サンプルの転写産物の存在量を定量します(nf-core RNA-seqパイプライン(https://nf-co.re/rnaseq)を参照)。今後は、データの全体的な品質を確認するために、探索的データ分析が実行されます。このプロトコルではポリアデニル化RNAのみが捕捉されるため、アライメントされたデータは多数のタンパク質コード遺伝子を捕捉する必要があります(図6A)。ヒトサンプルでは、15000〜20000の転写産物を捕捉すると予想されます(この値は、GENCODE 27参照ヒトゲノムアノテーション11に基づいています)。さらなる探索的データ分析には、主成分分析(PCA)が含まれる場合があります。ここでは、データの基礎となる構造を2次元プロットで視覚化できます。 図6Bに、例示的なPCAプロットを示します。このドットは処理によって色分けされており、類似したトランスクリプトームプロファイルにつながる実験条件の 3 つの異なるクラスターを示しています。また、生物学的複製(同じ色のドット)が転写的に類似していることもわかり、プロトコルの優れた頑健性を示しています。この図に示す結果は、DESeq2 ワークフロー (https://github.com/jsschrepping/RNA-DESeq2) に基づいて GitHub で入手できるパイプラインを使用して生成されました。

figure-results-1
図1:時間の見積もりとワークフロー。 (A)96サンプルでの実行におけるこのプロトコルの時間推定。(B)細胞の解凍からデータの前処理までのプロトコル内の各ステップの図。図は、矢印に従って上から下に読む必要があります。丸で囲まれた矢印は、ステップの繰り返しを表します。赤い点は、プロトコルで詳細に説明されている停止ポイントを表します。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

figure-results-2
図2:cDNAライブラリーの例示的な結果。 例示的なcDNAライブラリのサイズ分布を示す小型電気泳動の結果。上側と下側の信号は、サンプルのアライメントに使用されるマーカーを表します。青い線は平均フラグメントサイズ(青い括弧)を示します。cDNAプロファイルは、平均サイズが>1000 bpの幅広い分布を示しています。 この 図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

figure-results-3
図3:シーケンシングライブラリの例示的な結果。 小型電気泳動の結果は、分布が狭く、平均サイズが約250 bpで、正常に調製されたシーケンシングライブラリのサイズ分布を示しています。上側と下側の信号は、サンプルのアライメントに使用されるマーカーを表します。青い線は平均フラグメントサイズ(青い括弧)を示します。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

figure-results-4
図4:cDNAライブラリーの模範的な次善の結果。 平均サイズが 200 bp <最適でない cDNA ライブラリのサイズ分布を示す小型電気泳動の結果。上側と下側の信号は、サンプルのアライメントに使用されるマーカーを表します。青い線は平均フラグメントサイズ(青い括弧)を示します。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

figure-results-5
図5:シーケンシングライブラリの例示的な最適でない結果。 200 - 1000 bpのより長いフラグメントを含む最適でないシーケンシングライブラリのサイズ分布を示す小型電気泳動の結果。上側と下側の信号は、サンプルのアライメントに使用されるマーカーを表します。青い線は平均フラグメントサイズ(青い括弧)を示します。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

figure-results-6
図6:探索的データ分析。 選択された免疫調節薬がPBMCに及ぼす影響を示す探索的データ解析の代表的な結果。 (A)遺伝子タイプ別(X軸)に分けた検出遺伝子数(Y軸)の棒グラフ。(B)データセット内のすべての遺伝子のPCAを、さまざまな薬物治療によって色付けした値。同じ色のドットは生物学的複製です。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

試薬濃度容量 [μL] /rxn
塩酸グアニジン80ミリメートル7.50
デオキシヌクレオチド三リン酸(dNTP)各10 mM6.52
SMART dT30VNプライマー100μM0.33
ヌクレアーゼフリーの水0.65
総ボリューム15.00

表1:溶解緩衝液。

試薬容量 [μL] /rxn
SSRT IIバッファ(5個)2.00
DTT(100 mM)0.50
ベタイン (5 M)2.00
MgCl2 (1 M)0.14
SSRT II (200 U/μL)0.25
RNAse阻害剤(40 U/μL)0.25
TSO-LNA(100μM)0.20
ヌクレアーゼフリーの水0.66
総ボリューム6.00

表2:逆転写酵素(RT)反応ミックス。

mRNA変性
歩温度期間
mRNA変性95 °C2分
氷上2分
逆転写
歩温度期間
逆転写42 °C90分
酵素の不活性化70 °C15分
4 °C持つ

表3:mRNA変性および逆転写酵素(RT)のためのサーモサイクラープログラム。

試薬容量 [μL] /rxn
ハイフィデリティDNAポリメラーゼ12.50
ISPCRプライマー(10 μM)0.15
ヌクレアーゼフリーの水2.35
総ボリューム15.00

表4:プリアンプミックス。

ステップス温度期間
初期変性98 °C3分
変性98 °C20秒16 – 18サイクル
アニーリング67 °C20秒
延長72 °C6分
4 °C持つ

表5:プリアンプサーモサイクラープログラム。

ステップス温度期間
タグメンテーション55 °C8分
4 °C持つ

表6:タグメンテーションサーモサイクラープログラム。

タグメンテーションミックス
試薬容量 [μL] /rxn
Amplicon タグメントミックス(ATM)1.0
タグメントDNAバッファー(TD)2.0
総ボリューム3.0
濃縮PCRミックス
試薬容量 [μL] /rxn
ハイフィデリティDNAポリメラーゼ7.0
Nextera互換のインデックス作成入門書2.0
総ボリューム9.0

表7:タグメンテーションミックスと濃縮PCRミックス。

ステップス温度期間
ホットスタート72 °C5分
初期変性98 °C30秒
変性98 °C10秒16サイクル
アニーリング60 °C30秒
延長72 °C1 分
最終延長72 °C5分
4 °C持つ

表8:濃縮PCRサーモサイクラープログラム。

楽器負荷濃度
MiSeq v2(ミセクシーブ v2)午後10時
次配列 500/5501.4午後
ノバシーク60001250午後

表9:一般的なシーケンシング機器の負荷量濃度の例。

Discussion

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創薬や創薬は、バルクトランスクリプトミクスが提供できる細胞プロセスの全体像から大きな恩恵を受けることができます。しかし、このアプローチは、標準的なバルクRNA-seqプロトコルを用いた実験のコストが高いため、学術的な環境での応用が妨げられることや、産業的なスケーラビリティの可能性が妨げられることが多くあります。

プロトコルの最も重要なステップは、細胞の融解とライブラリ調製の最初のステップです。融解後の細胞の高い生存率を確保することは、治療やトランスクリプトーム解析を成功させるために重要です。cDNA合成までの細胞回収とライブラリ調製の最初のステップは、RNAの完全性を維持するために重要です。この段階では、細胞ライセートを常に氷上に保持し、サンプルをできるだけ早く処理することが重要です。過度のRNA分解が観察された場合は、RNase活性を阻害するために、ラボの表面と機器を特定の製品で洗浄する必要があります。

ここで説明するプロトコルは、現在、健康なドナーからのPBMCで最大24時間の薬物治療に最適化されています。異なる細胞タイプで実験を行ったり、インキュベーション時間を長くしたりするには、播種および培養条件の細胞数を適宜最適化する必要があります。

このプロトコールでは、市販のキットを必要とせず、標準的な実験装置を使用して、PBMCでの薬物治療時のトランスクリプトーム解析のワークフローを提供します。このアプローチにより、RNA精製のステップを省くことで、コストを大幅に削減し、多数の化合物の並列分析を可能にしました。

このプロトコルはin vitroアッセイに基づいているため、その主な制限は、異なる生物活性をもたらす可能性のある薬物の代謝処理を評価できないことです。さらに、捕捉された転写産物の数とシーケンシングの深さは、標準的なバルク完全長トランスクリプトミクス法よりも低くなるため、差次的スプライシングや一塩基多型の定量など、より高い情報量を必要とするアプリケーションにこれらのデータを使用できなくなります。

Disclosures

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著者らは、競合する利害関係がないことを宣言します。

Acknowledgements

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J.L.S.は、ドイツの卓越性戦略(EXC2151-390873048)およびSCHU 950/8-1の下で、ドイツ研究財団(DFG)の支援を受けています。GRK 2168、TP11;CRC SFB 1454 Metaflammation、IRTG GRK 2168、WGGC INST 216/981-1、CCU INST 217/988-1、BMBFが資金提供するエクセレンスプロジェクトDiet-Body-Brain(DietBB);EUプロジェクトSYSCID(助成金番号733100)。M.B. は DFG (IRTG2168-272482170、SFB1454-432325352) でサポートされています。L.B.は、DFG(ImmuDiet BO 6228/2-1 - プロジェクト番号513977171)およびドイツのエクセレンス戦略(EXC2151-390873048)の支援を受けています。BioRender.com で作成された画像。

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
50 mLコニカルチューブフィッシャーサイエンティフィック10203001
接着性PCRプレートシールサーモフィッシャーサイエンティフィックAB0558
リコンタグメントミックス(ATM)イルミナFC-131-1096ネクステラXT DNAライブラリ調製キット(96サンプル)
AMPure XPビーズベックマンコールターA 63881
ベタイン Sigma-Aldrich61962
細胞培養グレード 96 ウェルプレートサーモフィッシャーサイエンティフィック260860
細胞培養真空ポンプ (VACUSAFE)Integra Bioscience158300
デオキシヌクレオチド三リン酸 (dNTP) ミックス 各 10 mMFermentasR0192
DMSOSigma-Aldrich276855
DTT (100 mM)Invitrogen18064-014
EDTASigma-Aldrich接着細胞用798681
エタノールSigma-Aldrich51976
ウシ胎児血清サーモフィッシャーサイエンティフィック26140079
フィルターチップ (10 µL)ギルソン 
フィルターチップ(100µL)ギルソン 
フィルターチップ(20µL)ギルソン 
フィルターチップ(200&マイクロ;L)ギルソン 
グアニジン塩酸塩Sigma-AldrichG3272
ISPCR プライマー (10 µM)Biomers.net GmbHSP100065′-AAGCAGTGGTATCAACGCAGAG
T-3′
KAPA HiFi HotStart ReadyMix (2X)KAPA BiosystemsKK2601
塩化マグネシウム (MgCl2) Sigma-AldrichM8266
マグネティックスタンド 96アンビオンAM10027
Neutralize Tagment (NT) Buffer IlluminaFC-131-1096Nextera XT DNA Library Prep Kit (96 samples), alternatively 0.2 % SDS
Nextera Compatible indexing PrimerIllumina
Nuclease-free waterInvitrogen10977049
PBSThermo Fisher ScientificAM9624
PCR 96-well platesThermo Fisher ScientificAB0600
PCRプレートシーラーThermo Fisher ScientificHSF0031
Penicillin / Streptomycin サーモフィッシャーサイエンティフィック15070063
Qubit 4 蛍光光度計Invitrogen15723679
組換え RNase 阻害剤 (40 U/ul)タカラ2313A
RPMI-1640 細胞培養培地 Gibco61870036PBMCに対応していない場合は、細胞タイプに合わせて調整してください 
SMART dT30VN プライマーSigma-Aldrich5' Bio-AAGCAGTGGTATCAACGCAGAG
TACT30VN-3
標準的な実験装置遠心分離機、製氷機、アイスバケツ、蒸留水、ウォーターバスさまざまな
SuperScript II 逆転写酵素 (SSRT II)モフィッシャーサイエンティフィック18064-014
SuperScript II 逆転写酵素 (SSRT II) バッファー (5x)Thermo Fisher Scientific18064-014
Tagment DNA Buffer (TD)IlluminaFC-131-1096Nextera XT DNA Library Prep Kit (96 samples)
TapeStation system 4200AgilentG2991BA
Thermocycler (S1000)Bio-Rad1852148
TSO-LNA (100 uM)Eurogentec5' Biotin AAGCAGTGGTATCAACGCAGAG
TACAT(G)(G){G
Vortex-Genie 2ミキサーSigma-AldrichZ258415
アンプF171203F171403F171303F171503など、 サー

References

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