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Research Article
Miriam Wandres*1,2, Denise Aigner*1,2, Nicolai Kastelic1,3, Anastasiya Boltengagen1, Agnieszka Rybak-Wolf1,3, Nikolaus Rajewsky1,2
1Berlin Institute for Medical Systems Biology (BIMSB),Max Delbrück Center for Molecular Medicine (MDC), 2Institut für Biologie,Humboldt-Universität zu Berlin, 3Organoid platform, Berlin Institute for Medical Systems Biology (BIMSB),Max Delbrück Center for Molecular Medicine (MDC)
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
여기에서는 single-cell 및 single-nucleus RNA sequencing을 사용하여 인간 뇌 오가노이드의 생성 및 다운스트림 분석을 위한 포괄적인 프로토콜을 소개합니다.
지난 10년 동안 단세포 전사체학은 크게 발전하여 개별 세포의 유전자 발현 프로파일을 동시에 분석하기 위한 표준 실험실 방법이 되어 세포 다양성을 포착할 수 있게 되었습니다. 분리하기 어려운 세포 유형으로 인한 한계를 극복하기 위해 온전한 세포 대신 단일 핵을 회수하는 것을 목표로 하는 대체 접근 방식을 염기서열 분석에 활용하여 개별 세포의 전사체 프로파일링을 보편적으로 적용할 수 있습니다. 이러한 기술은 뇌 오가노이드 연구의 초석이 되었으며, 발달 중인 인간 뇌의 모델로 자리 잡았습니다. 뇌 오가노이드 연구에서 단세포 및 단핵 전사체학의 잠재력을 활용하는 이 프로토콜은 오가노이드 해리, 단세포 또는 핵 분리, 라이브러리 준비 및 염기서열분석과 같은 주요 절차를 포괄하는 단계별 가이드를 제공합니다. 이러한 대체 접근법을 구현함으로써 연구자들은 고품질 데이터 세트를 얻을 수 있으며, 이를 통해 신경 세포 및 비신경 세포 유형, 유전자 발현 프로필 및 세포 계통 궤적을 식별할 수 있습니다. 이를 통해 뇌 발달을 형성하는 세포 과정과 분자 메커니즘에 대한 포괄적인 연구를 용이하게 할 수 있습니다.
지난 몇 년 동안 오가노이드 기술은 장기 유사 조직 1,2,3을 배양하는 유망한 도구로 부상했습니다. 특히 인간의 뇌와 같이 쉽게 접근할 수 없는 장기의 경우, 오가노이드는 발병 및 질병 발현에 대한 통찰력을 얻을 수 있는 기회를 제공합니다4. 따라서 뇌 오가노이드는 발달, 정신 질환 또는 신경 퇴행성 질환을 포함한 다양한 인간 뇌 질환을 조사하기 위한 실험 모델로 널리 사용되어 왔습니다 4,5,6.
단세포 전사체 프로파일링 기술의 출현으로 1차 인체 조직 및 복잡한 in vitro 모델을 전례 없는 수준의 세밀성으로 연구할 수 있게 되었으며, 건강 및 질병의 세포 하위 집단 수준에서 유전자 발현 변화에 대한 기계론적 통찰력을 제공하고 새로운 추정 치료 표적에 대한 정보를 제공할 수 있었습니다 7,8,9. 오가노이드 분야는 세포 구성, 재현성 및 뇌 오가노이드 기술의 충실도를 평가하기 위해 단일 세포 전사체 프로파일링을 활용하여 발전해 왔습니다 10,11,12. 단일 세포 RNA 염기서열 분석(scRNA-seq)은 세포 분류 및 병든 오가노이드에서 유전적 조절 장애를 식별할 수 있게 했습니다13,14. 중요한 것은 오가노이드 조직의 복잡성으로 인해 개별 세포의 프로파일링을 가능하게 하는 기술의 구현이 필요하다는 것입니다. 벌크 전사체 프로파일링(벌크 RNA 염기서열분석)과 같은 방법을 사용한 오가노이드의 특성 분석은 복잡한 조직 내의 모든 유형의 세포에서 평균화된 마스킹된 세포 이질성 및 유전자 발현 프로파일로 이어지며, 궁극적으로 건강 및 질병에서 오가노이드 발달 중 진행 과정에 대한 이해를 제한합니다 15,16,17 . scRNA-seq 방법이 계속 발전함에 따라 Allen Brain Atlas 또는 Uzquiano et al.18의 인간 뇌 오가노이드 단세포 아틀라스와 같은 리소스에서 볼 수 있는 아틀라스가 점점 더 많이 생성되고 있습니다.
뇌 오가노이드에서 성공적인 scRNA-seq 달성은 온전한 세포의 효과적인 분리 및 캡처에 달려 있습니다. 개별 세포를 얻기 위한 뇌 오가노이드의 해리는 효소 소화를 기반으로 하기 때문에 스트레스와 세포 손상을 유발하여 유전자 발현 패턴에 영향을 미칠 수 있습니다19,20. 따라서 조직을 개별 세포로 해리하는 것이 가장 중요한 단계입니다. 대안적인 접근법은 단일핵 RNA 염기서열분석(snRNA-seq)으로, 신선 및 냉동 조직21,22 모두에서 핵을 효소 없이 추출할 수 있습니다. 그러나 조직에서 핵을 분리하는 것은 관심 세포 유형의 농축 및 세포에 비해 핵의 낮은 RNA 함량과 같은 다른 문제를 제기합니다.
뇌 오가노이드의 전사체 연구는 일반적으로 scRNA-seq10,18,23을 사용하여 수행됩니다. 그러나 단일 핵의 분리는 오가노이드의 전사체 프로필을 조사하기 위한 직교 및 보충 방법을 제공할 수 있습니다. 여기에서는 뇌 오가노이드에 대한 scRNA 및 snRNA-seq 도구 상자를 소개하고 최고 품질의 염기서열 분석 데이터를 얻기 위한 중요한 사항에 대해 논의합니다.
설명된 프로토콜은 Max Delbrück Center for Molecular Medicine(승인 번호: 138/08)의 생물안전 레벨 1 실험실에서 요구 사항에 따라 연구 윤리에 대한 EU 및 국가 규칙에 따라 수행됩니다.
1. 유도만능줄기세포(iPSC)에서 전뇌 오가노이드 유도
참고: 이 프로토콜은 여러 회사의 다양한 줄기 세포 배지에서 배양된 여러 iPSC 라인에 대해 테스트되었습니다(표 1). 전뇌 오가노이드의 생성은 프로토콜 시작 전에 고품질 iPSC와 60%-70%의 합류점에 크게 의존합니다. 여기서는 시판되는 세포주를 사용했습니다( 재료 표 참조).
2. 오가노이드에서 단일세포 유도
참고: 단일 세포 분리는 기계적 및 효소적 분리를 사용하는 Neural Tissue Dissociation Kit(표 2)를 사용하여 수행됩니다. 여기에서는 수동 기계적 분리에 대해 설명합니다. 대안으로 해리 기계를 사용할 수 있습니다.
3. 오가노이드에서 단일 핵의 분리
4. 라이브러리 준비 및 시퀀싱
5. 분석
scRNA-seq 및 snRNA-seq를 사용하여 뇌 오가노이드의 세포 유형 구성을 조사하기 위해 이 단계의 오가노이드는 이미 중간 전구세포와 초기 단계 뉴런으로 둘러싸인 전구세포로 구성된 신경상피 루프를 나타내기 때문에 배양 30일 후 뇌 오가노이드를 수확했습니다 4,18. 성장 및 배양 전반에 걸쳐 오가노이드의 품질을 모니터링하는 것은 신뢰할 수 있는 단세포 및 단핵핵 데이터를 얻는 데 필수적입니다.
오가노이드는 iPSC가 배아체로 응집되어 형성됩니다(그림 1B,C). 조립 시, 이러한 배아체는 최소한의 세포 파편과 함께 명확한 가장자리를 나타낼 것으로 예상됩니다(그림 1C). 신경 외배엽의 유도 후, 배아체는 상대적으로 어두운 내부 영역과 함께 표면 주변에서 관찰 가능한 밝아짐을 나타내며, 이는 성공적인 신경 유도를 나타냅니다(그림 1D). 다음 몇 주 동안 오가노이드는 주로 신경 상피 세포로 구성된 신경 세포 로제트와 같은 구조인 루프(loops)를 발달시킵니다(그림 1E,F). 이러한 오가노이드는 수개월에 걸쳐 배양에서 유지될 수 있지만, 크기가 커짐에 따라 영양소와 산소 가용성이 부족하여 오가노이드 내부의 세포 사멸이 증가하여 결국 괴사성 코어가 발생한다는 점에 유의해야 합니다.
염기서열분석 분석을 통해 대뇌피질 오가노이드 내의 세포 다양성을 탐구하기 위해 오가노이드에서 단세포와 핵을 모두 분리했습니다. 뇌 오가노이드의 단일 배치 내에 내재된 이질성의 균형을 맞추기 위해 한 배치에서 4개의 풀링된 오가노이드에 대한 염기서열 분석을 수행했습니다. 또한, 분리 공정 간의 비교를 위해 그리고 snRNA-seq와 scRNA-seq 라이브러리 사이의 배치 효과를 제거하기 위해 이러한 오가노이드를 반쪽(총 8개의 반쪽; 그림 2). 개별 세포의 효소 분리 후에는 세포 생존율이 80% 이상으로 유지되도록 하는 동시에 세포가 둥근 형태를 유지하는지 관찰하는 것이 중요합니다(그림 3A, B). 마찬가지로, 개별 핵의 기계적 분리는 검출 가능한 파편이 최소화되거나 전혀 없는 다양한 크기의 온전한 핵을 생성해야 합니다(그림 3C,D).
염기서열분석 결과 핵보다 더 많은 세포가 포획되고 염기서열분석된 것으로 나타났습니다. 두 데이터 세트 모두 세포와 핵당 높은 유전자 및 UMI 수와 낮은 미토콘드리아 판독 비율로 평가된 우수한 품질을 보여주었습니다(그림 4A-C). 예상대로 미토콘드리아 및 리보솜 판독은 snRNA-seq 데이터 세트에 비해 scRNA-seq 데이터 세트에서 회수된 총 판독 중 더 높은 비율을 차지합니다. scRNA-seq 데이터 세트에서 대부분의 세포는 30% 미만의 리보솜 판독을 포함하는 반면, snRNA-seq 데이터 세트에서는 대부분의 핵이 5% 미만의 리보솜 판독을 포함했습니다. 또한 scRNA-seq 데이터 세트 내에서 캡처된 대부분의 세포는 5% 미만의 미토콘드리아 판독을 포함합니다. 미토콘드리아 판독을 필터링한 후 약 10,000개의 세포와 3,000개의 핵이 품질 임계값을 통과했습니다.
두 데이터 세트에 대한 통합 분석 결과 모든 클러스터가 두 데이터 세트에 모두 표시되는 것으로 나타났으며, 이는 두 방법 모두 동일한 셀 유형을 복구한다는 것을 나타냅니다(그림 5A, C). 데이터 세트의 주석은 주요 세포 집단이 요골 아교세포, 중간 전구 세포, 피질 밑 전구 세포 및 뉴런뿐만 아니라 신생아 심층부 투영 뉴런 및 Cajal-Retzius, 피질 밑단 및 맥락막 신경총 세포와 같은 덜 대표된 세포 유형으로 구성되어 있음을 보여줍니다(그림 5B). 전반적으로 scRNA-seq 및 snRNA-seq는 30일 된 뇌 오가노이드20에 존재할 것으로 예상되는 모든 세포 유형을 복구할 수 있습니다.

그림 1: iPSC의 뇌 오가노이드 생성. 뇌 오가노이드 생성의 시간 경과(A). 배아체를 형성하고(파종 후 72시간) (C) 배양 7일 후 성공적인 신경 유도를 보여주는 iPSC(B)와의 성공적인 피질 분화에 대한 예시 이미지(D). 오가노이드는 15일째(E)와 30일(F)에 뚜렷한 루프를 나타냅니다. 눈금: B-D 200 μm, E 400 μm, F 800 μm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 뇌 오가노이드에서 단일 세포와 단일 핵을 얻기 위한 워크플로우. 오가노이드를 단일 세포로 분리하는 것은 메스로 오가노이드를 다진 후 효소 분해(상단)를 수행하여 수행됩니다. 핵의 분리는 기계적 해리에 의해 수행된 후 Percoll 그래디언트(하단)를 통한 정제로 수행됩니다. single cell 및 nuclei suspension은 library generation 및 sequencing을 위해 여과되고 microfluidics 시스템에 로드됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 30일 된 오가노이드에서 분리된 세포와 핵의 대표적인 결과. (A) 세포 계수기를 사용하여 촬영한 트리판 블루 염색 세포의 예시 사진 및 (B) 해당 클로즈업. (C) DAPI 염색된 핵의 명시야 및 형광 사진의 오버레이 및 (D) 해당 클로즈업. 스케일 바: 100 μM 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: scRNA 및 snRNA-seq의 품질 관리. 바이올린 플롯은 세포(파란색)와 핵(분홍색-보라색)의 절대 UMI 수(A), 유전자 수(B), 미토콘드리아(C) 및 리보솜 판독(D)을 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5: scRNA-seq 및 snRNA-seq는 30일 된 오가노이드에서 유사한 세포 집단을 검색합니다. scRNA-seq (파란색) 및 snRNA-seq 결과 (분홍색-보라색) (A), scRNA-seq 및 snRNA-seq (B, C)의 통합 및 주석 및 개별 프로필을 보여주는 30일 된 오가노이드의 통합 임베디드 UMAP. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
표 1: 세포 배양 배지 및 코팅 성분 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
표 2: scRNA 및 snRNA-seq에 대한 해리 완충액. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보충 코딩 파일 1: scRNA-seq 및 snRNA-seq 데이터를 분석하는 데 사용되는 코딩 파일입니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
저자는 경쟁하는 재정적 이익이 없음을 선언합니다.
여기에서는 single-cell 및 single-nucleus RNA sequencing을 사용하여 인간 뇌 오가노이드의 생성 및 다운스트림 분석을 위한 포괄적인 프로토콜을 소개합니다.
Miltenyi 신경 해리 키트에 대한 원본 지침에 대해 Valeria Fernandez-Vallone에게 감사드립니다. 또한 NP40 용해 완충액에 대한 레시피와 이 프로토콜을 설정하는 데 귀중한 조언을 제공한 Max Delbrueck Centrum의 유전체학 기술 플랫폼에도 감사드립니다. 또한 실험실 조직의 지원을 아끼지 않은 Margareta Herzog와 Alexandra Tschernycheff에게도 감사의 뜻을 전합니다.
| 1,4-DITHIO-DL-THREIT-LSG., FD MOL.-BIOL., ~1 M H2O (DTT) | 시그마 | 43816-10ML | |
| 1.5 ml DNA 저결합 튜브 | VWR | 525-0130 | 마이크로 원심분리기 튜브 |
| 10x Cellranger 파이프라인 | 분석 파이라인 | ||
| 15 ml Falcon | Falcon | 원심분리기 튜브 | |
| 2-메르캅토에탄올(BME) | Life Technologies | 21985023 | |
| 50 ml Falcon | 원심분리기 튜브 | ||
| A83-01 | Bio Technologies | 379762 | |
| 항생제/항진균 용액 (100X) | Life Technologies | 15240062 | |
| B-27 플러스 보충제 | Life Technologies | 17504044 | |
| B-27 보충제 비타민 A | 없음 Life Technologies | 12587010 | |
| 소 세럼 알부민, 지방산 무료 (BSA) | Sigma Aldrich | A8806-5G | |
| cAMP | Biogems | 6099240 | |
| cAMP | Biogems | 6099240 | |
| C-CHIP NEUBAUER IMPROVED | VWR | DHC-N01 | |
| Cell strainer 40 µ m | Neolab | 352340 | |
| 세포 여과기 70 &마이크로; m (화이트) 나일론 | 시그마 | CLS431751-50EA | |
| 크롬 컨트롤러 & 다음 GEM 액세서리 키트 | 10X 게놈 | 1000204 | |
| 크롬 다음 GEM 칩 G 단일 세포 키트, 16 rxns | 10X 유전체학 | 1000127 | |
| 크롬 다음 GEM 단일 세포 3' 키트 v3.1 | 10X 게놈 | 1000268 | |
| 완성, EDTA 무함유 프로테아제 억제제 칵테일 | 로슈 | 11873580001 | |
| DAPI | MERCK 화학 물질 | 0000001722 | |
| DMEM/F12 | Life Technologies | 11320074 | |
| Dounce 조직 분쇄기 세트 2mL complete | Sigma Aldrich | 10536355 | |
| Essential E8 Flex Medium | Life Technologies | A2858501 | |
| EVE 세포 계수 슬라이드 | VWR | EVS-050 ( 734-2676) | |
| 태아 소 혈청 테트라사이클린 프리 (FBS) | PAN Biotech | P30-3602 | |
| Geltrex LDEV-Free (코팅) | Life Technologies | A1413302 | |
| gentleMACS | Miltenyi Biotec | 해리 매신 | |
| GlutaMAX 보충제 | Life Technologies | 35050038 | |
| 헤파린 나트륨 세포 배양 테스트 | Sigma | H3149-10KU | |
| 인간 재조합 BDNF | StemCell Technologies | 78005.3 | |
| 인간 재조합 GDNF | StemCell Technologies | 78058.3 | |
| 인슐린 솔루션 Human | Sigma Aldrich | I2643-25MG | |
| 녹아웃 세럼 대체품 | Life Technologies | 10828028 | |
| LDN193189 Hydrochloride 98% | Sigma Aldrich | 130-106-540 | |
| MEM 비필수 아미노산(100x) | Sigma Aldrich | M7145-100ml | |
| MgCl2 염화마그네슘(1M) RNAse free | Thermo Scientific | AM9530G | |
| mTeSR Plus | StemCell Technologies | 100-0276 | 줄기세포 매체 |
| mTeSR1 | StemCell Technologies | 85850 | 줄기세포 매체 |
| N2 보충제; | StemCell Technologies | 17502048 | |
| 신경 조직 해리 키트 | Miltenyi Biotec BV & Co. KG | 130-092-628 | |
| Neurobasal Plus | Life Technologies | A3582901 | |
| NextSeq500 시스템 | Illumina | Sequencer | |
| NP-40 Surfact-Amps 세제 솔루션 | Life Technologies | 28324 | |
| PBS 둘베코' s | Invitrogen | 14190169 | |
| PenStrep (페니실린 - 스트렙토마이신) | Life Technologies | 15140122 | |
| Percoll | Th. Geyer | 10668276 | |
| Pluronic (R) F-127 | Sigma Aldrich | P2443-1KG | |
| RiboLock RNase Inhibitor | Life Technologies | EO0382 | |
| 록 억제제 (Y-27632 디하이드로클로라이드) SB | Biomol | Cay10005583-10 | |
| SB 431542 | Biogems | 3014193 | |
| 염화나트륨 NaCl (5M), RNase-free-100 mL | Invitrogen | AM9760G | |
| StemFlex 배지 | Thermo Scientific | A3349401 | 줄기세포 배지 |
| StemMACS iPS-Brew XF | Miltenyi Biotec | 130-104-368 | 줄기세포 배지 |
| TC-Platte 96 Well, 둥근 바닥 | Sarstedt | 83.3925.500 | |
| TISSUi006-A | TissUse GmbH | https://hpscreg.eu/cell-line/TISSUi006-A | |
| Trypan Blue | T8154-20ml | Sigma | |
| TrypLE Express Enzyme, 페놀 레드 없음 | Life Technologies | 12604013 | Trypsin 기반 시약 |
| UltraPure 1M Tris-HCl Buffer, pH 7.5 | Life Technologies | 15567027 | |
| XAV939 | Enzo Life sciences | BML-WN100-0005 |