Metoda SNRMA-MS obejmuje ręczną izolację zidentyfikowanych neuronów do małych objętości próbek w celu lizy, trawienia i analizy LC-MS/MS (Rycina 1A). Ten schemat postępowania pozwolił na rutynowe wykrycie ponad tuzina modyfikacji RNA w pojedynczych neuronach OUN A. californica (Rycina 1B), co stanowi pokrycie niemal połowy znanego epitranskryptomu tego zwierzęcia24 w jednej komórce. Na przykład poddanie neuronu LPl1 (średnica ~500 µm) analizie SNRMA-MS doprowadziło do wykrycia 15 ± 1 modyfikacji RNA (n = 3). Zmodyfikowane nukleozydy zidentyfikowano jednoznacznie na podstawie trzech cech: właściwości retencji w LC, dokładnej masy oraz profilów fragmentacji MS2 w porównaniu z wartościami dostępnymi w bazie danych2. Tabela 1 przedstawia listę wszystkich modyfikacji RNA wykrytych w neuronie LPl1). Zastosowany w tych doświadczeniach wysokorozdzielczy spektrometr mas czasu przelotu z kwadrupolem umożliwił uzyskanie dokładności masy na poziomie 4 ppm oraz detekcję charakterystycznego jonu fragmentacyjnego MS2 o m/z 164 dla zmodyfikowanego nukleozydy N6,6-dimetyloadenozyny (m66A, Rycina 1B). W połączeniu z danymi z rozdziału LC, które są zgodne z wynikami zgłoszonymi do bazy danych (m66A eluje po N6-metyloadenozynie (m6A)), podejście SNRMA-MS wykazało prawidłową identyfikację zmodyfikowanych nukleozydów.
Platforma SNRMA-MS może być wykorzystana do ustalania profili modyfikacji RNA pojedynczych neuronów oraz badania ich związku z tkankami objętościowymi. Neurony R2 to duże (~500 µm średnicy) komórki cholinergiczne znajdujące się w zwoju jamy brzusznej. Metodę SNRMA-MS zastosowano do analizy modyfikacji RNA w neuronach R2, jak również w otaczającym je zwoju jamy brzusznej (Rycina 2A). Znormalizowane powierzchnie pików dla modyfikacji RNA w każdej próbce neuronu/zwoju (n = 7) posłużyły jako dane wejściowe dla PCA, wykazując, że neurony R2 wykazują odmienne profile modyfikacji RNA w porównaniu do zwojów, w których się znajdują (Rycina 2B). Świadczą o tym punkty danych dla neuronów R2 i zwojów jamy brzusznej, które zajmują różne obszary na wykresie wyników PCA. Dalsze potwierdzenie unikalnych wzorców zmodyfikowanych nukleozydów uzyskano z osobnej kohorty zwierząt (n = 7), w której przeprowadzono porównania parowe dla 13 modyfikacji RNA, powszechnie wykrywanych zarówno w pojedynczych neuronach, jak i w tkance objętościowej (Rycina 2C). Dwa zmodyfikowane nukleozydy, pseudourydyna (Ψ) i 2'-O-metyloguanozyna (Gm), występowały w znacznie większej liczbie w zwojach jamy brzusznej w porównaniu do neuronów R2. Przy analizie podzbioru modyfikacji RNA z zaznaczonymi parami neuron R2-zwój, we wszystkich zwojach jamy brzusznej stwierdzono wyższe poziomy Ψ i Gm, a we wszystkich z wyjątkiem jednego neuronach R2 stwierdzono wyższą zawartość 2'-O-metyloadenozyny (Am) niż w odpowiadającym im zwoju (Rycina 2D). Ogólnie wyniki SNRMA-MS wykazują po raz pierwszy, że profile modyfikacji RNA pojedynczych komórek mogą różnić się od profili komórek w próbkach objętościowych z tej samej tkanki.
Zastosowanie SNRMA-MS do badania zwierzęcia modelowego A. californica stwarza wyjątkową okazję do charakterystyki profili modyfikacji RNA w zidentyfikowanych, funkcjonalnie odrębnych neuronach. Modyfikacje RNA oceniano za pomocą SNRMA-MS w czterech zidentyfikowanych komórkach: R2 i LPl1 (homologiczne komórki cholergiczne uczestniczące w obronnym wydzielaniu śluzu)32, MCCs (serotonergiczne neurony modulacyjne uczestniczące w żerowaniu)33 oraz komórkach B2 (neurony peptidergiczne uczestniczące w motyliczności jelit)34. Analiza PCA sześciu modyfikacji RNA w tych zidentyfikowanych neuronach, wyizolowanych bezpośrednio po obróbce enzymatycznej lub hodowanych w preparacie zwoju przez 48 h, wykazała stabilność i dynamikę epitranskryptomów pojedynczych komórek. Modyfikacje RNA w komórkach o różnych funkcjach tworzyły unikalne klastry na wykresie wyników (score plot), podczas gdy homologiczne neurony R2/LPl1 grupowały się wspólnie (Rysunek 3A). Wykres ładunków (loading plot) pokazuje, że różnice wynikały głównie z obfitości izomerów pozycyjnych metyloadenozyny, w tym 2'-O-metyloadenozyny (Am) i N1-metyloadenozyny (m1A) (Rysunek 3B). W tej samej analizie przeprowadzono porównanie świeżo wyizolowanych komórek z komórkami hodowanymi in situ (tj. w ich odpowiednich zwojach) przez 48 h. Jak pokazano na wykresie PCA, komórki o różnych funkcjach pozostawały rozróżnialne pod względem profili modyfikacji RNA.
Ilościowa analiza SNRMA-MS może być wykorzystana do wyznaczania bezwzględnych ilości wybranych modyfikacji RNA, dla których dostępne są autentyczne wzorce. Wygenerowano zewnętrzne krzywe kalibracyjne dla m1A, Ψ, 2'-O-metylocytydyny (Cm), Am oraz m6A, a ilość każdego zmodyfikowanego nukleozydu w parach komórek MCC i R2/LPl1 określono poprzez interpolację (Rysunek 4A-E). Wewnątrzkomórkowe ilości m1A i Ψ w dwóch parach symetrycznych komórek MCC wydawały się być podobne, podczas gdy w trzech parach komórek R2/LPl1 zaobserwowano większe różnice w ilościach tych modyfikacji. Aby uwzględnić różnice wynikające z fizycznego rozmiaru badanych komórek, ilości modyfikacji RNA znormalizowano względem objętości komórek obliczonych z optycznego pomiaru ich średnic, co pozwoliło uzyskać wewnątrzkomórkowe stężenia zmodyfikowanych nukleozydów. Znaczące różnice w wewnątrzkomórkowych stężeniach Cm i Am zaobserwowano pomiędzy komórkami MCC a neuronami R2/LPl1. Ogólnie SNRMA-MS umożliwia zarówno jakościowe, jak i ilościowe profilowanie modyfikacji RNA w pojedynczych neuronach.

Rycina 1: Schemat SNRMA-MS i detekcja wielu modyfikacji RNA w pojedynczych neuronach za pomocą LC-MS/MS. (A) Fotografie odsłoniętego zrazu z ganglionu policzkowego i izolacji pojedynczego neuronu do probówki z próbką. Pasek skali = 200 µm, strzałki wskazują zidentyfikowaną komórkę B1. Przedstawiono również schemat procedury przygotowania próbek do analizy LC-MS/MS. (B) Nałożone na siebie EIC dla modyfikacji RNA w pojedynczym neuronie LPl1, z wstawką pokazującą widma MS1 i MS2 dla N6, N6-dimetyloadenozyny (m66A). Wartości m/z użyte do wygenerowania EIC dla zmodyfikowanych nukleozydów znajdują się w Tabeli 1. Rycina została zmodyfikowana na podstawie źródła29. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 2: SNRMA-MS rozróżnia profile modyfikacji RNA pojedynczych neuronów i tkanek zbiorczych. (A) Schemat OUN A. californica oraz przebieg analizy neuronów R2 i otaczającego je zwoju brzusznego. Zdjęcie przedstawia zwój brzuszny i neuron R2 (wstrzyknięto barwnik Fast Green w celu zwiększenia widoczności). (B) Względne powierzchnie pików 13 modyfikacji RNA posłużyły do wygenerowania wykresów wyników PCA (góra) oraz obciążeń (dół). (C) Porównania parowe modyfikacji RNA w zwoju brzusznym i neuronie R2. Słupki błędu reprezentują ±1 odchylenie standardowe (SD), *p < 0,05, ***p < 5 x 10−4, sparowany test t z korekcją Bonferroni−Holma. (D) Porównanie wybranych modyfikacji RNA z panelu C, w którym pary R2-zwój brzuszny dla każdego zwierzęcia przedstawiono za pomocą linii łączących. Rysunek zmodyfikowano na podstawie źródła29. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Profilowanie modyfikacji RNA w zidentyfikowanych, różniących się funkcjonalnie neuronach z OUN A. californica. (A) Wykres wyników PCA dla komórek MCC oraz B2, R2 i LPl1, które zostały wyizolowane bezpośrednio lub po 48 h hodowli in situ (oznaczone jako cMCC, cB2, cR2, cLPl1), oraz (B) wykresy obciążenia dla sześciu modyfikacji RNA powszechnie wykrywanych w tych komórkach. Rysunek został zmodyfikowany na podstawie źródła29. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 4: Ilościowa analiza SNRMA-MS w neuronach A. californica. Ilościowa analiza SNRMA-MS dostarcza bezwzględnych ilości i stężeń wewnątrzkomórkowych dla kilku zmodyfikowanych nukleozydów w pojedynczych, zidentyfikowanych neuronach A. californica. Zdjęcia (A) lewego i prawego MCC (odpowiednio LMCC i RMCC) w zwoju mózgowym oraz (B) R2 w zwoju brzusznym i LPl1 w zwoju pleuralnym. Komórki zostały obwiedzione okręgiem w celu zwiększenia widoczności. Liniowe wykresy kalibracyjne dla (C) m1A i (D) Ψ (trójkąty) wykorzystane do interpolacji ilości zmodyfikowanych nukleozydów w pojedynczych komórkach (kolorowe kropki). Pary komórek od każdego zwierzęcia są oznaczone liczbami 1-3. (E) Stężenia wewnątrzkomórkowe pięciu zmodyfikowanych nukleozydów w parach komórek MCC oraz R2/LPl1. Grube linie łączą pary komórek. *p < 0.05, **p < 0.005, test t dla prób zależnych z korekcją Bonferroniego-Holma, n = 2 zwierzęta (łącznie cztery komórki) dla MCC oraz n = 3 zwierzęta (łącznie sześć komórek) dla R2/LPl1. Rycina została zmodyfikowana na podstawie źródła29. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
| Modyfikacje RNA | Skrót | Kolejność elucji (C18) | m/z dla EIC | m/z dla MS2 |
| dihydrourydyna | D | 1 | 247.09 | 115 |
| pseudourydyna | Y | 2 | 245.08 | 209/179/155 |
| 3-metylocytydyna | m3C | 3 | 258.11 | 126 |
| N1-metyloadenozyna | m1A | 4 | 282.12 | 150 |
| 5-metylocytydyna | m5C | 5 | 258.11 | 126 |
| N7-metyloguanozyna | m7G | 6 | 298.12 | 166 |
| 2'-O-metylo-cytydyna | Cm | 7 | 258.11 | 112 |
| inozyna | I6A | 8 | 269.09 | 137 |
| 2'-O-metyloguanozyna | Gm | 9 | 298.12 | 152 |
| N2-metyloguanozyna | m2G | 10 | 298.12 | 166 |
| N2,N2,N7-trimetyloguanozyna | m227G | 11 | 326.15 | 194 |
| N2,N2-dimetyloguanozyna | m22G | 12 | 312.13 | 180 |
| 2'-O-metyloadenozyna | Am | 13 | 282.12 | 136 |
| N6-metyloadenozyna | m6A | 14 | 282.12 | 150 |
| N6,N6-dimetyloadenozyna | m66A | 15 | 296.14 | 164 |
| N6-izopentenyladenozyna | i6A | 16 | 336.17 | 204/136/148 |
Tabela 1: Modyfikacje RNA wykryte w pojedynczych neuronach A. californica. Podano cechy służące do charakterystyki zmodyfikowanych nukleozydów, w tym kolejność retencji w LC, wartość m/z do generowania EIC oraz odpowiadające im fragmenty CID.