$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Poszczególne komórki w populacji mogą wykazywać bardzo różne reakcje na jednolity bodziec fizjologiczny1,2,3,4. Zmienność genetyczna komórek w populacji jest jednym z mechanizmów tej różnorodności reakcji, ale istnieje również kilka czynników niegenetycznych, które mogą zwiększyć zmienność odpowiedzi, nawet w klonalnej populacji komórek. Na przykład poziomy poszczególnych białek i innych ważnych cząsteczek sygnałowych mogą się różnić w zależności od komórki, co powoduje różnice w dalszych profilach ekspresji genów. Dodatkowo, aktywacja genów może zachodzić w krótkotrwałych seriach transkryptów5,6, które mogą być ograniczone do stosunkowo niewielkiej liczby transkryptów na serię7,8,9. Taka stochastyczność w aktywacji genów może w znacznym stopniu przyczynić się do zmienności odpowiedzi biologicznych i może zapewnić selektywną przewagę mikroorganizmom10 oraz w komórkach ssaków1,2 reagujących na bodziec fizjologiczny. Ze względu na zarówno genetyczne, jak i niegenetyczne źródła zmienności, profil ekspresji genów dowolnej komórki w odpowiedzi na bodziec może znacznie różnić się od średniego profilu ekspresji genów uzyskanego z pomiaru odpowiedzi masowej. Określenie zakresu, w jakim poszczególne komórki wykazują zmienność w odpowiedzi na bodziec, wymaga technik izolacji pojedynczych komórek, pomiaru poziomów ekspresji dla interesujących nas transkryptów oraz analizy obliczeniowej uzyskanych danych dotyczących ekspresji.
Istnieje kilka podejść do oznaczania ekspresji genów w pojedynczych komórkach, obejmujących szeroki zakres kosztów, liczbę badanych transkryptów i dokładność kwantyfikacji. Na przykład sekwencjonowanie RNA pojedynczej komórki oferuje szeroką głębokość pokrycia transkryptów i możliwość ilościowego określania tysięcy różnych transkryptów dla genów o najwyższej ekspresji w poszczególnych komórkach; Jednak koszt związany z taką głębokością sekwencjonowania może być zaporowy, chociaż koszty nadal maleją. I odwrotnie, hybrydyzacja in situ fluorescencji jednocząsteczkowego RNA (smRNA FISH) oferuje precyzyjną kwantyfikację transkryptów nawet dla genów o niskiej ekspresji przy rozsądnym koszcie na gen będący przedmiotem zainteresowania; Jednak tylko niewielka liczba genów docelowych może być oznaczona w danej komórce za pomocą tego podejścia. Ilościowe testy oparte na PCR, opisane w niniejszym protokole, zapewniają środek między tymi technikami. Testy te wykorzystują mikroprzepływową maszynę do PCR w czasie rzeczywistym do ilościowego oznaczania do 96 interesujących transkryptów jednocześnie w maksymalnie 96 komórkach. Chociaż każda z wyżej wymienionych metod wiąże się z wymaganymi kosztami sprzętu, koszt każdego indywidualnego testu qPCR jest stosunkowo niski. Protokół ten jest zaadaptowany z protokołu sugerowanego przez producenta mikroprzepływowej maszyny do PCR w czasie rzeczywistym (Protokół ADP 41, Fluidigm). Aby umożliwić oszacowanie bezwzględnej liczby każdego transkryptu w podejściu opartym na PCR, rozszerzyliśmy protokół, aby wykorzystać wewnętrzne kontrole przygotowanych amplikonów genów docelowych, które można wykorzystać w wielu eksperymentach.
Jako przykład tej techniki, opisano ilościowe oznaczanie ekspresji genów regulowanych przez supresor guza p53 w ludzkich komórkach raka piersi MCF-711. Komórki są poddawane działaniu środka chemicznego, który indukuje pęknięcia podwójnej nici DNA. Wcześniejsze badania wykazały, że odpowiedź p53 na pęknięcia dwuniciowe DNA wykazuje dużą niejednorodność w poszczególnych komórkach, zarówno pod względem poziomów p5312, jak i aktywacji odrębnych genów docelowych11. Ponadto p53 reguluje ekspresję ponad 100 dobrze scharakteryzowanych genów docelowych zaangażowanych w liczne dalsze szlaki, w tym zatrzymanie cyklu komórkowego, apoptozę i starzenie się13,14. Ponieważ odpowiedź za pośrednictwem p53 w każdej komórce jest zarówno złożona, jak i zmienna, analiza systemu korzysta z podejścia, w którym prawie 100 docelowych genów może być jednocześnie badanych w poszczególnych komórkach, takich jak opisane poniżej. Dzięki niewielkim modyfikacjom (takim jak alternatywne metody izolacji i lizy pojedynczych komórek), protokół można łatwo dostosować do badania szerokiego zakresu typów komórek ssaków, transkryptów i odpowiedzi komórkowych.
Przy odpowiednim przygotowaniu, runda sortowania komórek i pomiaru ekspresji genów może być przeprowadzona zgodnie z tym protokołem przez okres trzech dni. Sugerowany jest następujący czas: z wyprzedzeniem wybierz interesujące Cię transkrypty, zidentyfikuj i zweryfikuj pary starterów, które amplifikują cDNA z tych transkryptów, a następnie przygotuj wzorce i mieszanki starterów przy użyciu tych starterów. W dniu 1, po traktowaniu komórek, zbierz i posortuj komórki, wykonaj odwrotną transkrypcję i specyficzną amplifikację docelową, a następnie potraktuj próbki egzonukleazą w celu usunięcia niewbudowanych starterów. W dniu 2 przeprowadź kontrolę jakości posortowanych komórek za pomocą qPCR. Wreszcie, w dniu 3, zmierz ekspresję genów w posortowanych komórkach za pomocą mikroprzepływowego qPCR. Rysunek 1 podsumowuje wymagane kroki.