この記事では、組織構造を維持しながら多様なトランスクリプトームの高解像度マッピングを可能にするStereo-seqを使用して、ホルマリン固定パラフィン包埋組織切片から宿主、ウイルス、真菌、およびマイクロバイオームRNAの包括的な空間トランスクリプトームプロファイリングを実行するプロトコルを紹介します。
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方法論記事
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この記事では、組織構造を維持しながら多様なトランスクリプトームの高解像度マッピングを可能にするStereo-seqを使用して、ホルマリン固定パラフィン包埋組織切片から宿主、ウイルス、真菌、およびマイクロバイオームRNAの包括的な空間トランスクリプトームプロファイリングを実行するプロトコルを紹介します。
宿主内の細胞の空間構成、および組織内の細菌またはウイルス量は、細胞型特異的プロセスを通じて細胞を駆動する細胞型と分析種の相互作用に影響を与える可能性があります。FFPE組織のステレオシークは、空間バーコードへのランダムプライミングを使用しますが、これは、A'tailingを使用してメッセンジャーRNA(mRNA)をキャプチャしたり、プローブベースを使用して種特異的な転写産物をキャプチャしたりする標準的な空間トランスクリプトミクス法とは異なります。これらの方法は、長いノンコーディングRNA、ミトコンドリアRNA、マイクロRNA、または微生物、ウイルス、真菌などの他の種のRNAからの他のタイプのRNAの影響と重要性に関する最新の知識を受け入れていません。ここでは、ホルマリン固定パラフィン包埋(FFPE)組織と互換性のあるランダマープローブ法を使用したRNA検出による空間種にとらわれないステレオシーケンスアプリケーションのための組織切片化からライブラリー調製までの段階的な手順を概説します。このStereo-seq法は、0.22 μmのサイズのランダムキャプチャビーズを持ち、0.5 μmごとにアレイ内で再発生し、シーケンシングベースの技術から細胞内分解能を可能にします。この方法は宿主RNAと非宿主RNAの両方を検出するため、プロトコルでは、収集、保存、切断、および検出プロセス中に組織内に何が存在するか、組織に沈着したもの(すなわち、環境および取り扱い汚染物質)を決定できるようにするための特定の考慮事項が必要です。最後に、このプロトコルにより、空間的コンテキスト内でマルチRNA種の高い(単一細胞)レベルの分解能を得ることができ、細胞型および病理学的種のインククトーム内およびインタクトームについての洞察が得られます。
空間オミクス技術は、複数の標的、DNA(ゲノミクス)、RNA(トランスクリプトミクス)、代謝産物(メタボロミクス)、またはタンパク質(プロテオミクス)の同時定量を可能にすることにより、組織細胞の不均一性の研究に革命をもたらしました1。これらの異なるアッセイの分離能はしばしば異なるため、分析種を測定する際には、単一細胞2,3またはネイティブ空間コンテキスト4を測定する際のスパース性の増加のいずれかで、さまざまな制限が生じます。対照的に、RNAシーケンシングなどのバルク法は、サンプル全体にわたる平均的な遺伝子発現しか得られず、細胞の不均一性が不明瞭2、またはシングルセルRNAシーケンシング(scRNA-seq)2,3は、単一細胞シーケンシングのために組織解離を必要とするため、多くの場合、フィルタリングを必要とします。したがって、これらの方法は大きな細胞と凝集体を除外しますが、バイオインフォマティクスの方法はフラグメントとダブレットを除去しようとしますが、これらはすべてバイアスを誘発します5,6,7。空間トランスクリプトミクスは組織構造を保持し、細胞の組織化と相互作用に関する重要な洞察を提供します。非標的空間シーケンシング法のほとんどは、単一細胞の分解能を持たないため、10〜100個の細胞を含む空間キャプチャ領域のデコンボリューションが必要である8,9,10。しかし、過去10年間で、実験戦略または新しい技術のいずれかを使用した解像度の進歩、より広いキャプチャ領域、およびマルチオミクスアプローチの統合が見られたため、空間トランスクリプトミクスはこれらの方法のニーズを上回りました1,11,12。
空間分解能強化オミクスシーケンシング(Stereo-seq)は、ナノスケールの分解能(500 nm)とセンチメートルスケールのキャプチャ領域を提供し、種にとらわれない全トランスクリプトームキャプチャにより、コーディング、非コーディング、および非宿主RNAのキャプチャを可能にします13。この方法は現在、空間トランスクリプトミクスの最高解像度であり、最大の視野を提供するオプションがあります。しかし、この方法には、シーケンス対応ライブラリを完成させるまでに約15時間のハンズオン時間、4日間にわたる時間と労力など、いくつかの顕著な制限があります。比較すると、プローブベースの空間トランスクリプトミクス、polyAキャプチャアレイベースの空間トランスクリプトミクス、Slide-seq、空間オミクスシーケンシングのための組織内の決定論的バーコーディング(DBiT-seq)など、他のシーケンシングベースの空間トランスクリプトミクス技術は、通常、2〜3日間で5〜8時間のハンズオン時間を必要とします(表1)。多くの研究者にとって、これらの進歩は技術的な課題を上回り、特に他の技術と重ね合わせた場合、細胞および細胞内レベルで疾患の進行を研究するための完全なトランスクリプトミクス空間アトラスを構築するのに理想的です1。
Stereo-seq プロトコルには、ポリアデニル化 mRNA 転写産物を捕捉するためにポリ T プローブに依存する従来の mRNA トランスクリプトミクスを超える可能性があります。これらの方法は、新鮮組織14 にポリアデニル化を追加するか、空間発現解析のために標的の事前定義された遺伝子セット15 の種特異的プローブを追加することによって変更することができる。代わりに、Stereo-seqはランダムヌクレオチドプローブを使用して、微生物RNA、真菌RNA、ウイルスRNA、およびエンハンサーRNA、環状RNA、および長いノンコーディングRNA(lncRNA)16などの非ポリアデニル化RNAを含む、種に関係なく多様なRNAを選択します。理論的には、より小さなRNAまたは低分子干渉RNA(siRNA)、マイクロRNA(miRNA)、トランスポゾンなどの修復要素を捕捉することが可能です17。ただし、現在、これらのRNAのバイオインフォマティクスとマッピングは依然として困難であり、通常30 bpのカットオフを使用する初期アライメント中にフィルタリングされることがよくあります。
ここでは、 図1に示すStereo-seqプロトコルの理解と取り扱いを確実にするために、DNAナノボール(DNB)チップでのメーカーのランダムヌクレオチドキャプチャの変更を含む詳細なプロトコルの概要を示します。このプロトコルには、分子生物学者がランダムヌクレオチドキャプチャーを使用してStereo-seqで新しいFFPE組織をテストし、低品質のアーカイブサンプルおよび脂肪組織からより一貫性のある高収率を生成するための戦略が含まれています。概説されたプロトコルは、起源の種に関係なく、ほとんどの臓器からのFFPEサンプルに最適化されています。ただし、このプロトコルには、脱灰を必要とする骨髄などの困難な組織を処理するために必要な現在の変更は含まれていません。
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この方法論文では、未治療の高悪性度漿液性卵巣癌患者標本に関する臨床データは提供されていません。ただし、関連する臨床データは、テキサス大学 MD アンダーソンがんセンター婦人科腫瘍および生殖医療部門の治験審査委員会 (IRB) によって承認されたプロトコルに従って、書面によるインフォームド コンセントを提供した参加者から収集されました。
注:RNase汚染を防ぐために、プロトコル全体を通してサージカルマスクと手袋を着用することをお勧めします。髪が長い研究者は、髪を後ろに引っ張るか、ヘアネットを着用することをお勧めします。収量を最大化するために、常に滅菌ヌクレアーゼフリー水(NFW)とヌクレアーゼフリーの低結合DNA/RNAチューブを使用してください。植物組織などの非哺乳類組織では、ポリ-L-リジン (PLL) や細胞壁による透過処理時間の延長など、接着の最適化が必要になる場合があります。分子捕捉は理論的には実現可能ですが、現在のワークフローでは植物組織が未テストのままであるため、実験的検証が必要です。
1. RNAの品質とRNAフラグメント分布値を評価する200スコア
2. ワークスペースの清掃
3. Stereo-seq ランダム オリゴヌクレオチド キャプチャ チップ (N チップ) の調製
4.組織の切片化と取り付け
5. スライドを脱パラフィンする
6. (オプション)核イメージングとssDNA染色
注:6.1で使用する前に、FFPE脱架橋試薬を室温(~25°C)に到達させてください。他の染色溶液も可能ですが、トランスクリプトームデータの単一細胞セグメンテーションと細胞ビニングには現在、蛍光核染色が必要です。
7. 脱架橋プロセス
注意: このステップでは、チップに触れたり傾けたりせず、そっとピペットでピペットを打ってください。
8. 透過処理と逆転写
注意: 手順8.1〜8.11では、ゆっくりとピペットをし、チップに触れないでください。過剰な圧力は、DNBに拡散やマークを引き起こします。
9. cDNAの放出と精製
注意: 手順9.6〜9.7では、ゆっくりとピペットをし、チップに触れないでください。過剰な圧力は、DNBに拡散やマークを引き起こします。
10. cDNA放出ミックスを収集します
11. cDNAビーズをクリーンアップして収集します
12. cDNA増幅
13. 図書館の準備(4日目)
14. ライブラリ増幅ビーズクリーンアップ
15. Stereo-Seq Random Oligonucleotide Primed DNBのシーケンシング用DNBSEQ-T7RSシステム
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以下のデータは、SAWパイプラインを使用して単一細胞セグメンテーションを実行し、FFPE切片からtRNA(TRDMT1)などの非ポリアデニル化RNAにマッピングする機能を示しています。Stereo-seqの偏りのないデータにより、mRNAだけでなく、tRNA、rRNA、および非宿主RNA(該当する場合)の重要性を調べることができます。SAWパイプライン16からの直接出力と、図3A-GのStereo-seq出力の品質評価のためのステレオピーを使用して、セルビン(SAW核画像を介して作成された単一核オーバーレイ)から、標準的な空間概要、遺伝子発現、クラスタリング、QCを生成しました。検出される転写産物の数は組織の種類によって異なります:免疫密集組織は通常、転写物数が少なく(セルビンあたり約100遺伝子)、異数性腫瘍細胞はセルビンあたり1,000もの転写...
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Stereo-seq プロトコルは非常に詳細であり、特に特定の予防措置が必要なマイクロバイオームまたは非宿主プロファイリングで成功を確実にするために、精度、タイミング、クリーンな環境を必要とするいくつかの重要なステップが含まれます。
すべてのステップでヌクレアーゼフリーの水を使用する必要があり、キャプチャーチップにサンプルと試薬以外のものに触れてはなりません。カセットアセンブリを使用するときは細心の注意を払い、練習用チップの使用には時間がかかります。組織領域に傷があると、組織の空間分解能が損なわれ、トラックラインに傷があると、空間分解能やサンプルの自動位置合わせが妨げられる可能性があります。さらに、膵臓や肝臓などの高RNase/DNase組織では、切片化中の水分交換が推奨されます。さらに、RNAの品質を維持するために、FFPE組織ブロックを少量のワックスシールで顔面に4°Cで保存し、分解を防ぐためにデシケーターに保管することをお勧めします。この方法で保管された場合でも、サンプルは表面で再水和し、
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著者らは、この研究はComplete Genomicsによって資金提供されていないことを宣言します。ただし、Complete Genomics はこの記事の出版費用を支援しています。 彼らには高度なコピーも内容への入力も与えられませんでした。
この研究は、卵巣がん研究同盟(OCRA 811621および891490)、Sie財団、およびStephanie C. Stelter Endowment Fundから部分的に資金提供されました。この研究は、米国国立衛生研究所がMDアンダーソンのがんセンター支援助成金P30 CA016672とジャレッド・バークスのNCIの研究スペシャリスト1 R50 CA243707-01A1を通じて部分的に支援している、フローサイトメトリーおよび細胞イメージングコア施設、獣医学および外科部門および先端ゲノミクステクノロジーコアと共同で実施されました。
また、Compete Genomics、特に技術トレーニングとトラブルシューティングを提供してくれたBrandon VanderbushとTanzeen Yusuff、およびJia "Jackie" Zhao、Yongfu Wong、Erin Petrilliにも感謝します。著者は、FFPE OMNIとシーケンシング試薬のセット、およびT7早期アクセスプログラムへのアクセスをComplete Genomicsから割引価格で受け取りました。さらに、この研究で使用するためにいくつかの試薬が無料で提供されました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 1.5 mL遠心分離機チューブ 通常のDNAase/RNAase | サーモフィッシャーサイエンティフィック/インビトロジェン | 3456 | 試薬を混ぜるために(他のバンドでも問題ありません) |
| 100%エタノール | シグマ・オルドリッチ | E7023 | 分子級 |
| 15mL円錐形無菌ポリプロピレン遠心分離機管 | サーモフィッシャーサイエンティフィック/インビトロジェン | 339650 | アリコート に使われる; |
| 20倍の濃縮 生理食塩水クエン酸ナトリウム(SSC)バッファー | シグマ・オルドリッチ | S6639-1L | 以前はステイン用にSSCを5倍、洗濯ステップやカバースリップの除去用にSSCを1倍作っていました。 |
| 2100バイオアナライザー機器 | アジレント | 割引された | 装置:バイオアナライザー |
| 3井戸チャンバー、取り外し可能 | イビディ | 80381 | 再水和とメタノール固定時の体積を減らすためのシリコーンチャンバー。 |
| 405nm UV光源 | 様々な | 該当なし | UV樹脂の硬化用 |
| 50mL円錐形滅菌ポリプロピレン遠心分離機管 | サーモフィッシャーサイエンティフィック/インビトロジェン | 339652 | アリコットおよび脱脂に使用される |
| 70%無菌イソプロパノールアルコール | Texwipe | TX3270 | 表面除染のために、nbsp; |
| Agilent 高感度DNAキット | アジレント | 5067-4626 | バイオアナライザーによるcDNAおよびライブラリの特性評価 |
| アジレント RNA 6000 ピコキット | アジレント | 5067-1513 | RNAのバイオアナライザー特性評価のために |
| アルミホイル | 様々な | 該当なし | SSD染色時のスライドを覆うためです。 |
| ベックマン・コールター SPRIセレクト | ベックマン・コールター生命科学 | B23317/B23318/B23319 | SPRIビーズcDNAとライブラリークリーンアップ |
| ブリーチ | 様々な | 該当なし | マイクロバイオーム汚染を除去する洗浄作業台 |
| CONSTIX密封フォーム綿棒 | コンテック | 19161023 | 精密な樹脂洗浄のために |
| カバースリップ | シグマ・オルドリッチ | BR470045-2000EA | |
| 乾燥剤パック | 様々な | 該当なし | RNaseフリー、ダストフリーの乾燥剤パックです。 |
| 使い捨てフェイスマスク | サーモフィッシャーサイエンティフィック/インビトロジェン | 12-888-001 | 保護、RNAase汚染および無菌性 |
| DNA消去ワイプ | シグマ・オルドリッチ | L9060-250EA | 表面を拭き取る(ウェットティッシュ)による除染 |
| DNAロバインドチューブ 1.5mL | エッペンドルフ | 22431021 | cDNAの採取およびライブラリポスト増幅に使用されます。 |
| DNAロバインドチューブ2mL | エッペンドルフ | 22431048 | 増幅前のcDNA採取に使用されます。 |
| DNBSEQ OneStep DNB メイク試薬キット | 完全ゲノミクス | 940-001891-00 | DNAナノボール(DNB)製剤および増幅用試薬 |
| DNBSEQ-T7RS クリーニング試薬キット | 完全ゲノミクス | 940-001903-00 | シーケンス完了後の洗浄用カートリッジ |
| DNBSEQ-T7RS DNBロード試薬キット | 完全ゲノミクス | 940-001894-00 | DNBをフローセルにロードするための試薬とプレート |
| DNBSEQ-T7RS シーケンシングフローセル | 完全ゲノミクス | 940-001902-00 | 1レーン/フローセル |
| DNBSEQ-T7RS ステレオシークエキュー可視化試薬キット | 完全ゲノミクス | 940-001893-00 | シーケンス用のカートリッジと試薬。 |
| DNBSEQ-T7RSシステム | 完全ゲノミクス | このステレオシークエクサライゼーションセットはDNBSEQ技術を利用しています。シーケンス実行はDNAアンカーのハイブリダイゼーションから始まり、その後、組合せプローブアンカーシーケンシング(cPAS)化学を用いて蛍光プローブをDNAナノボール(DNB)に取り付けます。最後に、高解像度イメージングシステムが蛍光信号を捉えます。光信号のデジタル処理後、シーケンサは高品質かつ正確なシーケンス情報を生成します。 | |
| ダストオフ圧縮空気 | 朝 | M-6318 | このブランドまたは類似の推進剤を持つものを使うことが重要です。 |
| エッジライト・ミクロトームブレード | サーモフィッシャーサイエンティフィック/インビトロジェン | 4280L | 組織学 - サンプルの区画に用いられます |
| 防爆冷凍庫 | 様々な | 該当なし | メタノール固定の前後でメタノールを冷却すること。 |
| 組織学用ブラシ | 様々な | 該当なし | 組織学 - サンプルの区画に用いられます |
| 塩酸 | シグマ・オルドリッチ | 2104-50ML | 0.01 N HCl(pH 2)での前複化酵素の希釈用。HCl溶液の標準ストック濃度は0.1 Nです。 |
| イメージングシステム | 様々な | 該当なし | GC ストミクスイメージャー、レシア、エボ・レボリューション |
| Invitrogen RNaseZap RNase 除染溶液 | サーモフィッシャーサイエンティフィック/インビトロジェン | AM9780 | RNAs汚染を除去する洗浄作業ステーション |
| キムテック・デリケート・タスクワイパー | キムテック | 34155 | 作業台や機器、ピペットなどを乾燥させるために。 |
| 白衣 | 様々な | 該当なし | 個人防護具(PPE) |
| レンズペーパー | サーモフィッシャーサイエンティフィック/インビトロジェン | 11-997 | スライドをしっかりせずに乾燥させるための様々な作品 |
| ルックアウトDNA消去ワイプ | シグマ・オルドリッチ | L9060 | PCR汚染を除去するクリーニングワークステーション |
| マゼンティック分離ラック 5uL - 0.2 | Permagen Labware | MSRLV08 | PCRチューブ内のビーズ分離 |
| マグジェットラック 12×1.5 mL | サーモフィッシャーサイエンティフィック/インビトロジェン | MR02 | 1.5 mLチューブでのビーズ分離 |
| 手動ロータリーミクトミー | ライカ | RM2235 | 組織学 - サンプルの区画に用いられます |
| メトナール≥99.9%、免疫蛍光およびHPLCに適している | シグマ・オルドリッチ | 34860 | 固定用(HPLCグレードが必要) |
| マイクロ解離鉗子 | シグマ・オルドリッチ | F4142-1EA | 組織学 - サンプルの区画に用いられます |
| マイクロピペット | 様々な | 該当なし | |
| 分子グレードのヌクレアーゼフリー水、非DPEC処理水 | 様々な | 該当なし | ビーズの希釈と浸出 |
| ニトリルグローブ | 様々な | 該当なし | PPE |
| オーブン | 様々な | 該当なし | チップスを焼くために |
| キャップ付きのPCR 0.2 mLチューブ | 様々な | 該当なし | PCR用途 |
| PCRカバー | 様々な | 該当なし | 付属のカバーの接着剤が弱い場合は交換 |
| PCRフード&ワークステーション | ミステア | MY-PCR24-010 | プレPCR(RNAからcDNAへの移行)ステップについて |
| pHメーター | 様々な | 該当なし | HClのpHを確認するためのpHメーター。 |
| ポリLリシン溶液 | シグマ・オルドリッチ | A005-C | チップへの組織接着を高めるためにオプション |
| 量子ビット4フルオロメーター | サーモフィッシャーサイエンティフィック/インビトロジェン | Q33226 | 内挿術;DNA量測定 |
| 量子ビット dsDNA 定量分析キット | サーモフィッシャーサイエンティフィック/インビトロジェン | Q32851 | cDNAおよびライブラリー定量の測定 |
| Qubit ssDNAアッセイキット | サーモフィッシャーサイエンティフィック/インビトロジェン | Q10212 | ssDNA染色(使用した染料のみ) |
| RNAseフリーアイスブロック | 様々な | 該当なし | 組織学 - サンプルの区画を分けて区画を整理し、区画の前にブロックを水和させる際に用いられます |
| RNaseZap RNase 除染溶液 | サーモフィッシャーサイエンティフィック/インビトロジェン | AM9782 | RNAsを破壊する表面除染溶液 |
| RNeasy FFPEキット | キアゲン | 73504号機および19093 | RNA抽出&DV200の測定およびnbsp; |
| スカルプト ウルトラホワイトレジン | シラヤ・テック | 該当なし | 高温耐性UV硬化樹脂 |
| Stereo-seq 16 バーコードライブラリ準備キット | STOmics/完全ゲノミクス | 111KL160 | ステレオシーケンスOMNI FFPEライブラリの構築 |
| ステレオシークエンFFPEアクセサリーキット | STOmics/完全ゲノミクス | 310AK002 | 211SN114キットの空間OMNIアクセサリー部品 |
| ステレオシークエンNチップスライド(1cm x 1cm) | STOmics/完全ゲノミクス | 210CN114 | 211SN114キットの一部である空間OMNIチップ |
| ステレオシークエンスPCRアダプター | STOmics/完全ゲノミクス | 301AUX001 | PCRハイブリダイゼーションのステップは、PCRmaxのSituハイブリダイゼーションアダプターに似た3つの対応に合わせて修正されました。 |
| ステレオシークレットトランスクリプトミクスNキット | STOmics/完全ゲノミクス | 211KN114 | 211SN114キットの一部である空間OMNIリージェント |
| 外科設計汎用産業用カミソリ刃 | サーモフィッシャーサイエンティフィック/インビトロジェン | 13-812-236 | 組織学 - サンプルの区画に用いられます |
| TEバッファー溶液pH 8.0 | シグマ・オルドリッチ | 8890 | cDNAとライブラリーの脱出用 |
| サーマルサイクラー | BioRad/その他 | 1861096 /12015392 / 様々な | 手動蓋付きまたはディープウェルオプション(T100サーマルサイクラー/PTC、テンポ、ディープウェルサーマルサイクラーなど)を備えたPCRマシン |
| サーモサイエンティフィック Orion オールインワン pHバッファーキット | サーモフィッシャーサイエンティフィック/インビトロジェン | 13-624-500 | |
| 組織浮選バス - デジタルXH-1003 | 初演 | NC0779538 | 組織学 - サンプルの区画に用いられます |
| UV保護メガネ | 様々な | 該当なし | UV硬化時の安全性のために |
| キシレン | シグマ・オルドリッチ | 247642 | 脱硫黄化のために |
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