RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
ru_RU
Menu
Menu
Menu
Menu
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Здесь представлен метод секвенирования одиночных ядер, выделенных из зубчатой извилины мыши, который исключает большинство нейронов посредством флуоресцентно-активированных ядер (FAN) сортировки. Этот подход генерирует высококачественные профили экспрессии и облегчает изучение большинства других типов клеток, представленных в нише, включая дефицитные популяции, такие как нервные стволовые клетки.
Взрослый нейрогенез гиппокампа (AHN), который состоит из пожизненного поддержания пролиферативных и покоящихся нервных стволовых клеток (NSC) в субгранулированной зоне (SGZ) зубчатой извилины (DG) и их дифференцировки от недавно родившихся нейронов в гранулярные клетки в грануляном клеточном слое, хорошо подтвержден в многочисленных исследованиях. Использование генетически модифицированных животных, особенно грызунов, является ценным инструментом для исследования сигнальных путей, регулирующих AHN, и для изучения роли каждого типа клеток, которые составляют нейрогенную нишу гиппокампа. Чтобы решить последнюю проблему, методы, сочетающие изоляцию одиночных ядер с секвенированием следующего поколения, оказали значительное влияние в области AHN для идентификации сигнатур генов для каждой клеточной популяции. Однако необходима дальнейшая совершенствование этих методов для фенотипического профилирования более редких клеточных популяций в пределах ГД. Здесь мы представляем метод, который использует флуоресцентную активированную сортировку ядер (FANS) для исключения большинства нейронных популяций из одной суспензии ядер, выделенной из недавно рассеченного DG, путем выбора незапятнанных ядер для антигена NeuN, чтобы выполнить секвенирование РНК одиночных ядер (snRNA-seq). Этот метод является потенциальной ступенькой для дальнейшего исследования межклеточной регуляции AHN и выявления новых клеточных маркеров и механизмов у разных видов.
Непрерывная генерация нейронов гиппокампа во взрослом возрасте, также известная как нейрогенез гиппокампа взрослых (AHN), связана с когнитивными функциями, такими как обучение, приобретение / клиренс памяти и разделение паттернов, и, по-видимому, является важным механизмом устойчивости при старении и нейродегенеративных заболеваниях для предотвращения когнитивного дефицита 1,2,3 . Грызуны были моделью выбора для изучения AHN с использованием нескольких методов, включая иммуноцитохимию и методы секвенирования следующего поколения (NGS). Перевод этих результатов на другие виды остается спорным. Действительно, AHN наблюдался у большинства видов, но степень, в которой он сохраняется на протяжении всей жизни, особенно у людей 4,5,6,7,8, регулярно обсуждается.
На сегодняшний день было подтверждено, что различные внутренние и внешние сигнальные пути модулируют AHN1. Однако влияние межклеточной связи на AHN только начинается9. Во-первых, это можно объяснить недостаточной специфичностью известных в настоящее время клеточных маркеров для проведения анализа in vivo с генетически модифицированными животными. Действительно, многие исследования опирались на маркеры, такие как двойной кортин или глиальный фибриллярный кислый белок (GFAP), которые экспрессируются в нескольких типах клеток1. Во-вторых, сложность и высокая степень клеточного разнообразия во взрослой нише гиппокампа10 создают технические проблемы для профилирования каждого типа клеток. Это особенно относится к биоинформационному анализу с перекрывающимися клеточными маркерами, используемыми в аналитических конвейерах для различных популяций, таких как НСК или глиальные клетки, что приводит к спорным выводам при оценке AHN 7,11. В-третьих, огромное количество нейронов подрывает исследование менее распространенных клеточных популяций, таких как астроциты, олигодендроциты или эпендимальные клетки, хотя их роль в тонкой настройке регуляции AHN становится заметной9. Вместе эти ограничения влияют на способность переводить результаты от грызунов к другим видам. Это особенно усиливается трудностью рекапитулирования in vitro сложной ткани, такой как нейрогенная ниша гиппокампа, и множеством препятствий для доступа к высококачественной ткани вместе с отсутствием стандартизированных протоколов обработки тканей в исследованиях с участием тканей человека12,13. Поэтому крайне важно разработать новые подходы к профилированию клеточных популяций и выявлению новых клеточных маркеров в зубчатой извилине (DG), что в конечном итоге приведет к лучшему пониманию различных вкладов каждого типа клеток в регуляцию AHN.
Чтобы достичь этого, изоляция одиночных клеток (sc) и одиночных ядер (sn) в сочетании с секвенированием РНК стала инструментом для исследования сложных тканей, таких как DG14. Таким образом, стратегии клеточного обогащения для выделения отдельных клеток из ниши гиппокампа взрослой мыши были выполнены в основном для изучения NSC15,16. Интересная стратегия обогащения ненейрональных клеток из DG была применена путем секвенирования GluR1/Cd24 двойных отрицательных одиночных клеток, в результате чего 1 408 клеток были секвенированы без четких кластеров между астроцитами и НСК после биоинформационного анализа17. Это может быть связано с резким ферментативным пищеварением, необходимым для одноклеточного препарата, который повреждает целостность клеток и РНК. Чтобы обойти эту техническую проблему, было разработано несколько методов, использующих изоляцию одиночных ядер, которые особенно подходят для сложных тканей11,18. Тем не менее, преобладание нейронов в DG или в более широком смысле в гиппокампально-энторинальной системе генерирует смещение выборки для изучения всей популяции клеток, присутствующих в этих областях мозга. Кроме того, ограниченное количество клеток, загружаемых для подготовки одноклеточных библиотек, подчеркивает присутствие основной клеточной популяции в аналитических конвейерах секвенированных одиночных ядер. Действительно, большие кластеры нейронов часто аннотируются и анализируются, в то время как другие клеточные популяции недопредставлены или пропущены 5,11.
В попытке преодолеть эти предубеждения и иметь возможность профилировать типы клеток, отличные от нейронов, присутствующих в мышином DG, в этом исследовании был разработан метод с использованием принципа флуоресцентной активированной сортировки ядер (FANS)18 , который исключает большинство нейронных популяций путем отрицательного отбора окрашенных одиночных ядер с нейрональным ядерным антигеном (NeuN, также известен как Rbfox3). Этот выбор антигена был обусловлен литературой, описывающей NeuN как надежный нейронный маркер19 , и необходимостью использования ядерного белка для этого подхода. NeuN-отрицательные FACS-отсортированные клетки затем были подготовлены для секвенирования РНК на платформе 10x Genomics. Результаты показывают, что исключение NeuN-экспрессирующих клеток позволяет получить специфическое, высококачественное транскриптомическое профилирование глиальных и редких клеточных популяций клеточного типа.
Уход за животными и экспериментальные процедуры были выполнены в соответствии с руководящими принципами Института Фрэнсиса Крика, а также руководящими принципами и законами Министерства внутренних дел Великобритании.

Рисунок 1: Получение суспензии одиночных ядер из рассеченного DG взрослых мышей для snRNA-seq ненейрональных популяций. Блок-схема, описывающая основные этапы протокола, которые включают рассечение DG мыши, приготовление суспензии одиночных ядер, иммуноокрашивание NeuN и отрицательную сортировку NeuN-FANS перед переходом к snRNA-seq. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
1. Рассечение DG (Сроки: 15 мин)
2. Диссоциация тканей, выделение одиночных ядер и иммуноразрашивание против NeuN (время: 2 ч)
3. Флуоресцентно активированная сортировка ядер (FANS) для исключения нейронных популяций (время: 45 мин)

Рисунок 2: Выделение и транскриптомное профилирование ненейрональных клеточных популяций из стратегии DG. (A-C) Gating для выделения отрицательных одиночных ядер NeuN-AF488 и исключения клеточного мусора. (A) Точечный график FANS репрезентативного образца изолированных ядер, изображающий установку затвора для отбора ядер DAPI+ и исключения клеточного мусора и агрегатов. (B) Дальнейший отбор соответствующих одиночных ядер с использованием FSC-области и SSC-области. (C) Ворота для NeuN-AF488 для исключения положительной популяции и сортировки для отрицательных одиночных ядер. (D) Микрофотография хорошей суспензии одиночных ядер с минимальным количеством мусора и более высокой долей ядер хорошего качества (круглая форма, черная стрелка) по сравнению с ядрами плохого качества (белая стрелка). Шкала стержней = 50 мкм, 10 мкм (вставка). (Э,Ф) Анализ данных snRNA-seq и профилирование различных клеточных популяций, выделенных из DG 22-месячных самцов мышей C57BL/6J. Графики равномерного многообразного приближения и проекции для уменьшения размерности (UMAP) профилей одиночных ядер из (E) не facS-отсортированных клеток и (F) NeuN-отрицательных FACS-отсортированных клеток, окрашенных по типу клеток. (G) Круговые диаграммы, сравнивающие частоты идентифицированных типов клеток в обоих образцах. (H) Соответствующие метрики для секвенированных образцов: количество ядер, медианное число генов и транскриптов на ядро. (I) Скрипичные графики, показывающие распределение числа генов и транскриптов, обнаруженных для каждого типа клеток в обоих образцах. Астр. = астроциты, Олиг. = олигодендроциты, Vasc. = сосудистые клетки, CRCs = клетки Кахаля-Рециуса, Neur. = нейроны, Imm. = иммунные клетки, OPCs = клетки-предшественники олигодендроцитов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
4. Подготовка одноядерной суспензии для выполнения секвенирования одноядерной РНК (Время: 30 мин)
5. Подготовка и последовательность библиотек
ПРИМЕЧАНИЕ: Описание следующих шагов основано на собственной платформе секвенирования, используемой в данном исследовании (см. Таблицу материалов). Поэтому некоторые настройки могут отличаться при использовании другой платформы. Здесь описаны только ключевые шаги, и каждый параметр должен быть определен в соответствии с рекомендациями и протоколами от выбранного производителя, хотя и с оптимизацией перед первым использованием. Крайне важно обеспечить, чтобы подготовка библиотек выполнялась как можно быстрее после концентрации отсортированных суспензий ядер, чтобы избежать деградации РНК и обеспечить оптимальное качество секвенирования.
Протокол, представленный здесь, описывает способ получения суспензии ненейрональных одиночных ядер, выделенных из DG, для выполнения snRNA-seq. С FANS или без него биоинформационная кластеризация выявила хорошо разделенные группы ядер, соответствующие известным типам клеток в пределах DG (рисунок 2E,F). В выборке, не отсортированной по FACS, большинство высококачественных ядер, которые были секвенированы, состояли из трех групп нейронов (84,9% от общего числа ядер для этого образца, рисунок 2E, G, H). Такие результаты ожидаются, учитывая, что наиболее представленными клеточными популяциями в DG являются гранулярные нейроны, другие возбуждающие нейроны (меченые возбуждающие нейроны) и тормозные нейроны10. Идентифицированные ненейрональные кластеры были в основном состоят из типов глиальных клеток (11,1%), включая астроциты, олигодендроциты и клетки-предшественники олигодендроцитов (OPCs), иммунные клетки (3,3%) и клетки Кахаля-Рециуса (0,6%). При выполнении ФАН исключить NeuN положительные популяции (NeuN-отрицательный FACS-отсортированный образец; Рисунок 2F,G,H), кластеры глиальных клеток стали преобладающими (81,3%). Выделение большего числа глиальных ядер позволяет лучше сегментировать различные популяции, которые группировались бы вместе без FANS. Действительно, при повторной кластеризации и анализе специфических генов, экспрессируемых либо в НСК, либо в астроцитах, выделяются четыре подкластера (дополнительный рисунок 2A, B). Рассматривая более специфические клеточные маркеры и оценивая уровни экспрессии генов по типам клеток, было обнаружено небольшое скопление НСК, отделяющихся отдельно от основных астроцитарных популяций с более высокой экспрессией Hopx и Notch2 и почти без экспрессии Aldh1a1 или Aqp4 (дополнительный рисунок 2C). Однако из-за перекрытия экспрессии генов между астроцитами и НСК потребуется дальнейший анализ для конкретного профилирования и идентификации различных подтипов клеток. Кроме того, образец NeuN-отрицательных FANS имел дополнительные кластеры, помеченные как сосудистые клетки (2,3%), которые охватывают эндотелиальные клетки, перициты и сосудистые лептоменингеальные клетки при перекрестных ссылках для экспрессии клеточных специфических маркеров (данные не показаны).
Следуя указаниям для выбранного протокола для генерации библиотек для секвенирования, были получены высококачественные профили выражений с FANS или без них. Для образцов, секвенированных при 50 000 считываний на ядро, было обнаружено в среднем 2 510 генов на ядра для образца, не отсортированного по FACS (5 578 транскриптов, рисунок 2H) и 1 665,5 генов (3 508 транскриптов) для образца NeuN-отрицательного FANS, после фильтрации низкокачественных ядер (рисунок 2H, I). Эти метрики подтверждают, что этот протокол генерирует высококачественное транскриптомное профилирование отдельных ядер, сопоставимое с исследованиями с использованием различных подходов 22,23, и что процесс сортировки FACS не повреждает ядра для последующего snRNA-seq. Примечательно, что разница в количестве генов и транскриптов на ядра между двумя образцами обусловлена не более низким качеством данных, а высокой долей нейронов в образце, не отсортированном по FACS (84,9% по сравнению с 1,7% в NeuN-отрицательном образце FANS), которые имеют более высокую транскрипционную активность (2 660 генов / ядро и 6 170 транскриптов / ядро в образце, не отсортированном facS), чем средняя транскрипционная активность всех ненейрональных типов клеток (1 090 генов / ядро и 1 785 транскрипты/ядра, рисунок 2I).
Вместе эти репрезентативные результаты показывают, что отбор отрицательных ядер NeuN с использованием FANS является мощным инструментом для выделения типов клеток с низким содержанием из свежерассеченной ткани мозга и выполнения высококачественного одноядерного транскриптомного профилирования этих различных клеточных популяций с помощью методов snRNA-seq.
Дополнительный рисунок 1: Валидация иммуноокрашивания для FANS. Суспензию ядер инкубировали (А) без антитела против NeuN-AF 488 в качестве отрицательного контроля или (В) с антителом и пропускали через сортировщик FACS для подтверждения иммуноокрашающих состояний. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный рисунок 2: Анализ экспрессии генов и рекластеризация кластера астроцитов. (A) График равномерного многообразного приближения и проекции для уменьшения размерности (UMAP), показывающий кластеризацию 4968 ядер на основе профилей экспрессии всего генома из рисунка 2F. Вызовы сотового типа выполнялись на основе маркеров клеточного типа. (B) Кластер астроцитов, состоящий из 2579 ядер, выбранных из (A) для дальнейшего поднастройства для исследования потенциальных клеточных подтипов. Четыре подтипа были обнаружены кластеризацией Seurat (0-3), показанной различными цветами. (C) Уровни экспрессии генов специфических клеточных маркеров по четырем типам клеток. Все участки были получены с использованием пакета Seurat R24. Вкратце, количество РНК-seq было нормализовано для каждой клетки на общую экспрессию и умножено на масштабный коэффициент (10 000). Затем этот результат был преобразован в журнал. Преобразованные значения были масштабированы (дисперсия масштабирована до единицы) и центрированы (среднее значение установлено на ноль) в каждой ячейке до того, как UMAP был применен для вычисления внедрений, которые использовались в качестве значений на осях x и y. Графики представляют собой вывод метода размерного редукции на 2D-точечной диаграмме, где каждая точка представляет ячейку с соответствующими координатами x и y на основе встраиваний ячеек, определенных методом редукции. Клетки с похожими сигнатурами генов расположены близко друг к другу с помощью встраиваний. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный рисунок 3: Анализ экспрессии генов NeuN в нейрогенной линии. (A) График UMAP, показывающий кластеризацию нейрогенной линии из общедоступного набора данных15. UMAP были сгенерированы, как показано на дополнительном рисунке 2. (B) Уровни экспрессии генов специфических клеточных маркеров по всей нейрогенной линии, показывающие астроциты (Аквапорин 4 = Aqp4), НСК (белок только гомеодомена = Hopx), NeuN/Rbfox3 (НСК и промежуточные клетки-предшественники [IPC]) и циклические клетки (циклин-зависимая киназа 6 = Cdk6). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительная таблица 1: Композиции сред и буферов, используемых в исследовании. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
SG, TL и SK являются сотрудниками Merck Sharp & Dohme LLC, дочерней компании Merck & Co., Inc., Rahway, NJ, США известной как MSD за пределами США и Канады. SG является акционером Merck & Co., Inc., Rahway, NJ, США.
Здесь представлен метод секвенирования одиночных ядер, выделенных из зубчатой извилины мыши, который исключает большинство нейронов посредством флуоресцентно-активированных ядер (FAN) сортировки. Этот подход генерирует высококачественные профили экспрессии и облегчает изучение большинства других типов клеток, представленных в нише, включая дефицитные популяции, такие как нервные стволовые клетки.
Авторы хотели бы поблагодарить Лахлана Харриса и Пьеро Риго за техническую поддержку, а также Джейсона М. Усланера и Дитте Ловатт за обратную связь по рукописи. Эта работа была поддержана грантовой поддержкой mrc и предконкурсным исследовательским сотрудничеством с MSD, Институтом Фрэнсиса Крика, который получает финансирование от Cancer Research UK (FC0010089), Совета медицинских исследований Великобритании (FC0010089), Wellcome Trust (FC0010089) и премии Wellcome Trust Investigator Award для FG (106187 / Z / 14 / Z). Приносим извинения многим авторам, чьи работы мы не смогли обсудить и процитировать из-за нехватки места.
| 0,5 мл микропробирка | Eppendorf | 30124537 | |
| 10.00&микро; m Flouresbrite YG Карбоксилатные микросферы | Polysciences | 15700-10 | |
| 15 мл полипропиленовые центрифужные пробирки | Corning | 430052 | |
| 2 пары стерильных щипцов Dumont #5 | Fine Science Tools | 11252-30 | |
| 4′,6-диамидино-2-фенилиндол (DAPI) | Sigma Aldrich | D9564-10MG | |
| 4150 TapeStation System Agilent | Н/Д | ||
| 5 мл круглое дно пробирка из полипропилена высокой прозрачности с защелкивающейся крышкой | Falcon | 352063 | |
| 5 мл полистирольная пробирка с круглым дном и защелкивающимся фильтром | Falcon | 352235 | |
| 50 мл полипропиленовая центрифуга | Corning | 430829 | |
| 70 &микро; m клеточный фильтр | Falcon | 352350 | |
| 8 пиков SPHERO Радужные калибровочные частицы | BD Biosciences | RCP-30-5A | |
| Accudrop Beads | BD Biosciences | N/A | |
| Allegra X-30R Centrifuge | Beckman Coulter | N/A | |
| Anti-NeuN антитело, клон A60, Alexa Fluor 488 конъюгированный | Millipore | MAB377X | |
| BD FACSAria Fusion Flow Cytometer | BD Biosciences | N/A | |
| Beckman Coulter MoFlo XDP | Beckman Coulter | N/A | |
| Chromium Controller | 10x Genomics | N/A | |
| Chromium Next GEM Single Cell 3' Reagent Kit v3.1 | 10x Genomics | PN-1000121; ПН-1000120; PN-1000213 | |
| BSA 7,5% | Gibco | 15260037 | |
| дитиотреитол (DTT) | Thermo Scientific | R0861 | |
| Набор измельчителей тканей Dounce: ступка, сыпучий пестик (A) и плотный пестик (B) | KIMBLE | D8938-1SET | |
| Eppendorf Tubes Protein LoBind 1,5 мл | Eppendorf | 30108116 | |
| Halt, 100x ингибитор протеазы | ThermoFisher | 78429 | |
| HiSeq 4000 Система секвенирования | Illumina | N/A | Конфигурация секвенирования: 28-8-0-91 |
| KCl | Любой поставщик | химикатов | Лабораторное производство |
| LUNA-FX7 Автоматизированный счетчик клеток | Логотипы Biosystems | N/A | |
| MgCl2 | Любой поставщик | химикатов | Лабораторное производство |
| N° 10 защищенных стерильных одноразовых скальпелей | Swann-Morton | 6601 | |
| Вода без нуклеазы | Sigma Aldrich | W4502-1L | |
| Пара стерильных студенческих хирургических ножниц | Fine Science Tools | 91401-12 | |
| PBS | Любой поставщик химических веществ | Лабораторный | |
| ингибитор РНКазы 40 U & микро; l-1 | Ambion | AM2684 | |
| RNasin 40 U µ l-1 | Promega | N211A | |
| Стерильная чашка Петри | Corning | 430167 | |
| сахарозы | Sigma Aldrich | 59378-500G | |
| Tris buffer, pH 8.0 | Любой поставщик | химикатов | Лабораторное производство |
| Triton X-100% (v/v) | Sigma Aldrich | T8787-250ML | |
| Трипановый синий | Invitrogen | T10282 |