이 프로토콜은 단일 핵 동시 RNA 염기서열 분석 및 ATAC 염기서열 분석에 사용하기 위해 냉동된 비인간 영장류 췌장 섬에서 고품질 핵을 분리하는 동시에 동일한 샘플의 대사체 분석을 위한 벌크 세포질 분획을 보존하는 절차를 설명합니다.
방법 논문
이 프로토콜은 단일 핵 동시 RNA 염기서열 분석 및 ATAC 염기서열 분석에 사용하기 위해 냉동된 비인간 영장류 췌장 섬에서 고품질 핵을 분리하는 동시에 동일한 샘플의 대사체 분석을 위한 벌크 세포질 분획을 보존하는 절차를 설명합니다.
여러 코호트에서 수집된 조직을 사용하는 연구의 한 가지 과제는 결합된 단일 세포 RNA 염기서열 분석 및 대사체학과 같은 대규모 다중 오믹 실험을 준비할 때 배치 효과를 피하는 것입니다. 현재 연구의 방법은 단핵 RNA 염기서열 분석 및 ATAC 염기서열 분석 분석에 입력하기 위해 2년 동안 수집된 인간 외 태아 영장류의 급속 냉동 췌장 섬을 활용합니다. 핵 추출 중에 생성된 세포질 분획은 다운스트림 모세관 전기영동-질량 분석법 및 후속 대사 산물 정량화를 위해 유지되었습니다. 이 방법을 사용하면 실험 조건 내에서 변화하는 전사체 및 후성유전체학 환경에 기여하는 대사 산물의 대량 분석을 수행할 수 있습니다. 많은 조직 유형에 적용할 수 있으며 쉽게 구할 수 없는 샘플에서 추출할 수 있는 정보의 양을 최대화합니다. 후성유전학적 변형을 통한 세포 정체성 확립에 대한 대사의 기여가 더욱 높이 평가됨에 따라, 특정 세포 유형에서 대사 산물의 기여를 식별할 수 있는 기술이 시의적절하고 필요합니다.
랑게르한스(Langerhans)의 췌장 섬은 일생 동안 포도당 내성을 관리하는 데 중요합니다. 포도당 저하 호르몬, 인슐린 또는 포도당 상승 호르몬을 통해 혈당 수치를 적절하게 조정하지 못하면 글루카곤은 진성 당뇨병1을 유발합니다. 당뇨병 위험을 최소화하기 위해 수정할 수 있는 위험 요인에는 운동과 식이요법이 포함됩니다. 또한, 임신 중 산모의 식단이 성인기에 자손이 당뇨병에 걸릴 가능성에 영향을 미친다는 것이 분명해지고있습니다 2,3. 따라서, 산모의 식단 및 임신 중 사용된 약물과 같은 기타 노출이 발달 중 모델 유기체의 인슐린 생산 베타 세포에 미치는 영향을 분석하기 위한 방법이 필요합니다. 예를 들어, 태아 비인간 영장류(NHP) 자손의 섬은 발달 노출의 영향에 대해 평가할 수 있습니다. 인간과 마찬가지로 NHP는 일반적으로 단태아로 태어나며 서양식 식단에 대한 생리적 반응이 다양하다4. NHP의 임신 및 태아 발달은 인간과 많은 유사점을 공유하여 대사 프로그래밍 연구에 매우 관련성이 높은 종이지만, NHP 자손에 대한 비교 생물정보학 분석을 수행하는 데 있어 제한된 짝짓기 시즌과 간헐적인 샘플 수집이 과제입니다. 따라서 시료 처리 및 분석 전에 장기간 보관할 수 있는 접근 방식이 이상적입니다. 이 프로토콜은 단핵 RNA 염기서열분석, ATAC-염기서열분석 및 벌크 세포질 대사체학을 위한 시료 준비에 대해 설명합니다.
섬 생물학 분야의 다른 사람들에 의한 연구는 단일 세포 RNA 시퀀싱 및 단일 핵 RNA 시퀀싱 5,6을 통해 준비된 샘플에서 관찰 된 유전 적 서명이 중복되는 것을 보여주었습니다. 두 방법 모두 섬 집단 내의 다양한 세포 유형 간의 특징을 구별하는 데 기여하는 전사체를 식별할 수 있습니다. 급속 동결 조직에 순한 세제를 사용하면 온전한 핵을 ATAC 염기서열분석에 동시에 사용할 수 있으며, 이를 통해 접근 가능한 염색질 영역을 측정할 수 있습니다. 단핵 RNA 염기서열분석과 ATAC-염기서열분석을 결합하면 유전자 조절 네트워크의 특성을 더 잘 분석할 수 있다7.
대사체학을 위한 시료 준비는 전통적으로 액체 크로마토그래피를 위한 높은 양의 시료 투입이 필요했기 때문에 제한되어 왔습니다. 또한 질량 분석 데이터에서 잘못된 NMR 피크를 피하기 위해 샘플 준비 중에 사용되는 완충액을 신중하게 고려해야 합니다. 영장류 연구에서 획득하기 어렵고 비용이 많이 드는 샘플의 수가 적다는 점을 감안할 때, 전사체 대 대사체 실험에 대해 서로 다른 자손의 섬을 할당하는 것은 어려울 수 있습니다. 따라서 이 프로토콜은 단일 핵 실험을 위해 세포 분획 중에 생성된 일반적으로 폐기되는 세포질 분획을 사용합니다. 이 방법을 사용하면 태아 섬에서 세포 subset을 정의하는 전사체와 개방 염색질 영역의 동시 특성 분석을 수행하는 동시에 섬 내에서 생성된 대사 산물을 정량적으로 측정할 수 있습니다(그림 1). 이 프로토콜은 급속 냉동 배아 마우스 뇌 조직에서 핵을 분리하기 위해 10x Genomics에서 발표한 입증된 프로토콜(버전 CG000366 Rev D8)7에서 채택한 것입니다.
섬 회수는 오레곤 국립 영장류 연구 센터(ONPRC) 및 오레곤 보건 과학 대학의 IACUC(Institutional Animal Care and Use Committee)의 지침에 따라 수행되었으며 ONPRC IACUC의 승인을 받았습니다. ONPRC는 미국 농무부(USDA)에서 시행하는 동물 복지법 및 규정과 인도적 관리 및 실험실 사용에 대한 공중 보건 서비스 정책을 준수합니다. 본 명세서의 프로토콜은 임신 145일(붉은털 원숭이 임신 기간은 일반적으로 173-175일)에 부사된 태아 붉은털원숭이의 섬에 적용되었다. 이 연구에 사용된 시약 및 장비의 세부 사항은 재료 표에 나열되어 있습니다.
1. 섬 고립
2. 장기 저장을 위한 샘플 뱅킹
3. 핵과 세포질 분획의 분리를 위한 세포 분획
4. 모세관 전기영동-질량분석법(CE-MS)을 위한 세포질 분획의 제조
시퀀싱 출력의 품질은 핵 입력의 품질에 크게 좌우됩니다. 핵 블레빙 및 외부 핵막의 손상은 분석에서 주변 RNA 및 DNA 오염을 초래하여 데이터에 노이즈를 유발합니다. 순수한 핵 추출물은 세포질 성분으로 캡슐화된 핵(그림 2A) 또는 핵 파열(그림 2B)로 입증되는 과소화의 증거를 최소화합니다. 이상적인 핵 입력은 손상되지 않은 핵을 포함할 것입니다(그림 2C).
단핵 RNA 및 ATAC 염기서열분석 데이터의 분석에 대한 자세한 내용은 다른 곳에도 광범위하게 제공되어 있다 5,14. 태아 NHP 핵 제제의 대표적인 세포 집단군집은 그림 3A의 UMAP를 통해 설명되어 있습니다. 대사체학 데이터는 앞서 설명한 바와 같이 오픈 소스 소프트웨어를 사용하여 쉽게 분석됩니다15. 생성된 스펙트럼을 시각화할 수 있으며, WSD 공급 댐의 태아 섬에 있는 농축된 대사 산물을 CD 공급 댐의 대사 산물과 비교할 수 있습니다(그림 3B-F).

그림 1: 핵 및 세포질 분획 분리를 위한 프로토콜 개요. 태아 췌장 섬은 분석 당일까지 -80 °C에서 보관하고 보관했습니다. 핵을 분리하여 단일 핵 RNA 및 ATAC 시퀀싱에 활용했습니다. 핵 분리의 첫 번째 세척 후 세포질 분획은 모세관 전기영동-질량 분석법을 위해 유지되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 단일 핵 다중오믹스 분석에 대한 적절한 핵 입력의 시연. (A) 세포질에 의해 캡슐화된 핵, (B) 손상된 핵이 있는 파열 핵, (C) 둥근 형태를 가진 온전한 핵의 예. 스케일 바: 10 μm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 단일핵 다중체학(single nucleus multiomics)과 벌크 대사체학(bulk metabolomics)이 결합된 대표 데이터. (ᅡ) 유전자 발현을 기반으로 한 고립된 태아 NHP 섬 내 세포 아형의 UMAP 클러스터링. 댐에 WSD(mWSD) 또는 CD(mCD)를 공급했을 때 분리된 태아 NHP 섬의 세포질 분획에서 해당작용 대사산물, (B) 디하이드록시아세톤 포스페이트 및 (C) 글리세롤-3-포스페이트의 정량적 추정. 산모의 식단은 또한 (D) 구연산 회로(2-옥소글루타레이트), (E) 아미노산 대사(크레아틴) 및 (F) 태아 섬의 세포 산화 환원 상태(글루타티온)를 변화시킴으로써 신진대사를 차별적으로 조절할 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
표 1: 핵 분리를 위한 완충액 제형. 핵, 용해, 용해 희석 및 세척 완충액의 자세한 구성 요소가 표시됩니다. 필요한 경우 완충액을 준비하기 전에 시약을 스톡 농도로 희석하십시오. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
역사적으로 단일핵 RNA 및 ATAC 염기서열분석을 위한 핵 분리 방법은 대사체 정량화에 사용되는 일반적인 기술인 액체 크로마토그래피-질량 분석법(LC-MS)과 호환되지 않는 세제가 포함된 완충액을 사용했습니다16,17. 현재 프로토콜은 세포 분획을 위해 순한 세제를 사용하여 동일한 시료 전처리에서 전사체 및 대사체학 기술을 결합할 수 있으며, 이 분획 후에는 대사체 분리를 위해 액체 크로마토그래피에 비해 더 적은 시료 입력이 필요한 기술인 모세관 전기영동을 사용하여 분획할 수 있습니다18.
이 프로토콜의 가장 중요한 측면은 유전 물질의 분해를 피하고 주변 뉴클레오티드 및 거대분자에 의한 오염을 줄이기 위해 핵 격리 중에 핵막을 보존하는 것입니다. lysis buffer에 대한 시료 노출 시간을 조절하여 조직의 과분해 및 핵 손상을 방지할 수 있습니다. 또한, 유전 물질과 대사 산물의 분해를 피하기 위해 시료 뱅킹 중 섬과 세포질 분획을 함유한 상층액을 급속 동결하는 것이 필수적입니다. 배양 배지의 영양소 가용성으로 인한 변화된 대사의 교란 효과를 피하기 위해 모든 샘플을 동일한 배지 제형(이 연구에서는 2.8mM 포도당 DMEM)에서 수집해야 합니다.
이 결합된 대사체 접근법의 한계는 핵 분리에 사용되는 세제로 인해 일부 대사체가 포획되지 않을 수 있다는 것입니다. 따라서 보다 완전한 대사 산물 분석을 위해 이 접근법은 비유기 세척 완충액 및 LC-MS를 사용하여 동결 조직 및 분리 대사 산물 분석으로 보완될 수 있습니다. 권장되는 보충 접근법은 장기 내 대사 변화를 국소화하기 위해 MALDI-MS 를 통한 표적 공간 대사체학이다19. 또한, 동일한 핵 내에서 전사체 변동성 및 염색질 접근성을 평가하기 위한 현재 기술은 ATAC 염기서열분석을 위한 얕은 염기서열분석 깊이로 인해 제한적입니다. 데이터 분석에서 조사관은 데이터 세트 내의 특정 하위 클러스터가 아닌 광범위한 세포 클러스터 내의 열린 염색질 영역만 평가할 수 있습니다.
쉽게 구할 수 없는 조직, 특히 인간과 비인간 영장류의 조직을 사용하는 일이 점점 더 빈번해짐에 따라 생물학적 복제에서 추출할 수 있는 정보의 양을 최대화하는 것이 필수적입니다. 위에서 설명한 다중 오믹 접근법을 통해 연구자는 세포 정체성의 주요 프로모터 주변에서 유전적 서명과 피크 가용성의 상관 관계를 파악하는 동시에 세포 대사가 이러한 변화에 어떻게 기여했는지 고려할 수 있습니다. 세포 제제 내에서 더 풍부한 대사 산물을 식별하는 것은 특정 계통에 대한 세포 아형의 사양을 유도할 수 있는 특정 후성유전학적 변형에 대한 단서를 제공할 것입니다. 실제로, 전사체학 및 대사체학 실험의 결과를 통합하기 위한 새로운 프로토콜이 확립되었지만, 이는 서로 다른 조직 공급원에서 나온 것임에도 불구하고20. 이 프로토콜의 의의는 단일 시료 입력에서 염색질 접근성, 전사 변화 및 대사 산물 농축을 평가할 수 있다는 것입니다. 이 기술의 향후 응용 분야는 희귀 질환 환자의 조직과 같이 희박한 샘플 집단에서 얻은 조직의 질병 상태를 더 잘 특성화할 수 있도록 할 것입니다. 섬 생물학 분야에서, 유전자 조절 네트워크의 특성화와 상관 관계가 있는 대사 서명은 당뇨병의 발병을 피하기 위해 베타 세포의 정체성과 기능을 보존하는 메커니즘에 대한 중요한 통찰력을 제공할 수 있습니다.
저자는 이해 상충이 없음을 선언합니다.
저자들은 인간이 아닌 영장류 군체를 돌보고 조직을 획득하기 위해 노력한 Oregon Health Sciences University의 전체 팀에게 감사를 표하고 싶습니다. 또한 Vanderbilt Technologies for Advanced Genomics는 기술 전문 지식과 실험 설계 조언을 제공했습니다. DTC는 NIH/NIDK(1F31DK135164)의 F31 박사 전 펠로우십의 지원을 받았습니다. PK는 NIH/NIDDK(1R01DK128187)의 지원을 받았습니다. MG는 VA Merit Award(I01 BX005399), NIH/NIDDK(1R01DK135032, 1R01DK128187) 및 JDRF(2-SRA-2024-1455-S-B)의 지원을 받았습니다. 오레곤 국립 영장류 연구 센터(Oregon National Primate Research Center, ONPRC)에서의 작업은 센터의 운영 지원을 위해 P51OD011092의 지원을 받았습니다.
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