Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Biology

小鼠肝脏中细胞类型特异性基因表达分析

Published: September 17, 2019 doi: 10.3791/60242

Summary

翻译核糖体亲和性纯化(TRAP)可实现细胞类型特异性翻译mRNA的快速和高效分离。在这里,我们演示了一种将水动力尾静脉注射与肝脏再填充小鼠模型和TRAP相结合的方法,以检查重新填充肝细胞的表达特征。

Abstract

受伤后肝脏重新填充是哺乳动物的一个关键特征,它可以防止在接触环境毒素后立即导致器官衰竭和死亡。更深入地了解重放期间发生的基因表达变化,有助于确定治疗目标,促进损伤环境中肝功能的恢复。然而,由于缺乏细胞标记、细胞数量有限以及这些细胞的脆弱性,特别分离重新造血肝细胞的方法受到抑制。结合Fah-/-小鼠模型,在肝损伤设置中重述再填充,使核糖体亲和纯化(TRAP)技术得以转化,从而允许重新填充的基因表达分析肝 细胞。使用TRAP,细胞类型特异性翻译mRNA被快速有效地分离。我们开发了一种方法,利用TRAP与基于亲和力的分离,从肝细胞翻译mRNA,选择性地表达绿色荧光蛋白(GFP)标记核糖体蛋白(RP),GFP:RPL10A。TRAP 绕用荧光激活细胞分类所需的长时间,可改变基因表达轮廓。此外,由于只有重新填充的肝细胞表达GFP:RPL10A融合蛋白,分离的mRNA没有来自周围受伤的肝细胞和肝脏中其他细胞类型的污染。亲和力纯化的mRNA是高质量的,允许下游PCR或高通量测序基于基因表达的分析。

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

肝脏作为脊椎动物的主要代谢器官,负责葡萄糖平衡、血清蛋白合成、胆汁酸分泌、异种生物代谢和排毒。肝脏具有非凡的能力,在接触毒素时再生受伤的帕伦奇马,以防止立即肝衰竭1。然而,再生失败可能发生在对乙酰氨基酚或酒精过量消费的设置,这可能导致急性肝衰竭2。此外,病毒性肝炎感染、脂肪肝、脂肪性肝炎引起的慢性肝损伤可引起肝纤维化、肝硬化、肝细胞癌3。治疗终末期肝病的唯一治疗方法是移植,但受器官短缺的限制,无法对所有患者进行有效治疗。因此,更好地了解毒性肝损伤后的恢复过程对于开发治疗以刺激足以挽救患病器官功能的再生至关重要。

肝再生研究应用最广的模型系统是啮齿动物的局部肝切除术,其中大部分肝脏被切除以刺激肝细胞快速扩张5。然而,部分肝切除术不重述肝细胞扩张后,毒性肝损伤,由于缺乏免疫细胞渗透和肝细胞坏死经常观察到在急性肝损伤设置在人类6。一个更合适的系统来模拟这种形式的器官更新是Fah-/-小鼠,它缺乏功能性紫甲酸氢酶(FAH)所需的适当的酪氨酸代谢,并开发严重的肝脏损伤,导致死亡7。通过饮用水中的药物尼他酮治疗,这些小鼠可以无限期地保持健康状态。或者,FAH表达可以通过转基因递送到肝细胞的子集来恢复,在消除尼西酮8时,肝细胞将膨胀以重新填充肝脏。

为了分析重新填充肝细胞的基因表达变化,需要一种工具,专门分离Fah-/-小鼠中复制的肝细胞,而不受邻近受伤的肝细胞和其他细胞类型的污染。不幸的是,肝细胞的荧光辅助细胞分拣(FACS)很困难,因为(1)肝细胞再生的脆弱性导致肝灌注后恢复不良,(2)复制肝细胞的大小变化很大,使得隔离纯种群由FACS困难,和(3)从肝脏灌注到RNA分离的手术时间大于2小时,因此基因表达谱可能在采集样品之前发生重大人工变化。

或者,表位标记核糖体的表达,专门在重新填充肝细胞允许快速分离积极翻译mRNA结合核糖体结合在器官收获后立即亲和纯化,与散装肝脏组织莱沙。在这里,我们描述了一个协议,以执行翻译核糖体亲和纯化(TRAP)10,然后是高通量RNA测序(TRAP-seq),在Fah-/- 中特别分离和剖分mRNA,以重新填充肝细胞- /-鼠标9.绿色荧光蛋白标记核糖体蛋白(GFP:RPL10A)与FAH的共聚体蛋白(GFP:RPL10A)与FAH的共聚体结合,允许通过含有GFP:RPL10A的聚体结合的翻译mRNA进行亲和纯化。这种方法避免了任何细胞分离步骤,如肝脏灌注,以分离脆弱的再生肝细胞。相反,它利用整个器官组织和抗体的解毒,快速从靶细胞中快速提取RNA。最后,通过TRAP-seq分离大量、高质量的mRNA,使测序分析等下游应用能够分析基因表达在再填充过程中的动态变化。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

所有涉及使用小鼠的方法都符合宾夕法尼亚大学宾夕法尼亚大学宾夕法尼亚大学动物福利办公室IACUC提供的指南。

1. 试剂制备

  1. 赛克洛赫西米德
    1. 要使500μL为0.1克/mL环氧西米,在500μL甲醇中悬浮50毫克环己酰胺。
      警告:环己酰胺对环境毒性极强,可引起先天性畸形。所有含有环己酰胺的废物和缓冲液应收集,以便妥善处置。
      注:环己酰胺可在4°C下储存长达1天。环己酰胺抑制翻译。
  2. 二硫二醇 (DTT)
    1. 要制造 1 m L 的 1 M DTT,在无 RNase 水中悬浮 0.15 g DTT 粉末。
      警告:DTT 可刺激皮肤、眼睛和呼吸道。
      注:DTT 是一种洗涤剂。DTT 可储存在-20°C。建议将 1 M DTT 存储在 50 μL 的一次性等分中。
  3. 脱氧胆酸 (DOC)
    1. 要制作 10% DOC,在 50 mL 锥形管中悬浮 1 g DOC,并加入高达 10 mL 的无 RNase 水。大力摇动,直到粉末溶解。
      注:10% DOC 溶液略带黄色,可在室温 (RT) 下存储长达 1 年。DOC用于核莱沙。
  4. GFP抗体
    1. 首次使用时,应有同分 GFP 抗体。捕捉冻结等分,并储存在-80°C。
      注:建议将50μgGFP抗体储存在一次性等分中。
  5. B 生物酸酯蛋白 L
    1. 在1x磷酸盐缓冲盐水(PBS)中重新悬浮生物素化蛋白L,使最终浓度为1μg/μL。
      注:悬浮溶液可在-20°C下储存长达6个月。

2. 缓冲液制备

  1. 牛血清白蛋白 (BSA) 缓冲液
    1. 要制造 50 mL 的 3% BSA 缓冲液,将 1.5 g IgG 和无蛋白酶的 BSA 粉末加入 40 mL 的 PBS 中,然后加入涡旋。BSA 溶解后,将 PBS 添加到 50 mL 的最终体积中。
      注:BSA 缓冲液可在 4°C 下存储长达六个月。
  2. 解剖缓冲区
    1. 要制造50 mL的解剖缓冲液,将 5 mL 的 10x 汉克平衡盐溶液 (HBSS)、125 μL 的 1 M 4-(2-羟基)-1-烟碱硫酸 (HEPES),1,750 μL 的 1 M 葡萄糖,以及 200 μL 的 1 M NaHCO3。将无RNase水添加到50 mL的最终体积中。
      注:解剖缓冲液可储存在4°C下长达6个月。
    2. 在使用前,加入100微克/mL的0.1克/mL环氧西米,并保持在冰上。
  3. 高盐缓冲液
    1. 要生产50 mL的高盐缓冲液,在无RNase水中加入1 mL的1M HEPES、8.75 mL的2M KCl、500 μL的1M MgCl2和500μL的100%非基苯基聚乙烯乙二醇(材料表)。
      注:高盐缓冲液可在4°C下储存长达6个月。
    2. 在使用前,添加 0.5 μL/mL 的 1 M DTT 和 1 μL/mL 0.1 g/mL 环氧西米。将新鲜的高盐缓冲液放在冰上。
  4. 低盐缓冲液
    1. 要制造50毫升的低盐缓冲液,在44.25ml无RNase水中加入1mL,2M KCl3,500μL1MMgCl2,500μL100%非基苯基聚乙烯乙二醇。
      注:低盐缓冲液可在4°C下储存长达6个月。
    2. 在使用前加入0.5 μL/mL的1M DTT和0.1 g/mL环氧西米1μL/mL。将新鲜的低盐缓冲液放在冰上。
  5. 组织莱沙缓冲液
    1. 要制造50 mL的组织莱沙缓冲液,结合 1 mL 的 1 M HEPES、3.75 mL 的 2 M KCl 和 500 μL 的 1 M MgCl2。将无RNase水添加到 50 mL 的决赛中。
      注:解剖缓冲液可储存在4°C下长达6个月。
    2. 加入1片/10 mL的EDTA无蛋白酶抑制剂,1 μL/mL 0.1 g/mL环氧西米,10μL/mL的RNase抑制剂,每次使用前。将新鲜的组织莱沙缓冲液保存在冰上。

3. 抗体与磁珠的偶联

  1. 抗体
    1. 计算所有样品所需的GFP抗体量,并准备一个额外的样品。
      注:对于每个样品,每个GFP抗体需要50μg。
    2. 在4°C下解冻冰上的GFP抗体,以最大速度(>13,000 x g)旋转10分钟,并将上生子转移到新的微离心管中。
      注:抗体制备步骤可在珠子制备前执行,解冻的抗体可保存在冰上。或者,此部分可在磁珠和生物异化蛋白 L 的孵育过程中进行。
  2. 重新悬浮磁珠
    1. 通过温和的移液重新悬浮磁珠 (材料表).
    2. 对于每个样品,使用 150 μL 的磁珠。计算所有样品所需的磁珠体积,并额外准备一个磁珠。将重新悬浮的磁珠转移到 1.5 mL 或 2 mL 微离心管中。如果实验需要超过 1 mL,则将总金额拆分为相等的卷。
    3. 在磁性支架上收集珠子,超过 1 分钟,然后取出上清液。从磁性支架上取下微离心管,加入 1 mL 的 PBS,然后上下移液以清洗珠子。在磁性支架上收集珠子,等待 >1 分钟并取出 PBS。
  3. 蛋白质L涂层珠子的制备
    1. 对于每个样品,使用60μL的生物酸酯蛋白L。如果蛋白质L先前被重新悬浮并储存在-20°C,解冻蛋白L在冰上。如果在使用前重新暂停蛋白质L,请服用所有样品所需的量,并额外准备一个。
    2. 将生物酸酯蛋白L的计算量添加到重新悬浮和洗涤的磁珠中。如果使用 1.5 mL 微离心管,则添加 1x PBS 以产生最终体积 1 mL;如果使用 2 mL 微离心管,则添加 1.5 mL。在管旋转器上用生物素化蛋白L在RT孵育磁珠35分钟。
      注:当珠子用生物异化蛋白L孵育时,可以在此步骤中制备抗体。
    3. 在磁性支架上收集蛋白质 L 涂层珠子,超过 1 分钟,并去除上清液。从磁性支架上取下微离心管,加入 1 mL 的 3% BSA 缓冲液,然后轻轻移液至少 5 次,以洗洗蛋白质 L 涂层珠子。
    4. 在磁性支架上收集涂层珠子,超过 1 分钟,并去除上清液。用 3% BSA 重复洗涤步骤 4 次(共 5 次)。
  4. 抗体结合
    1. 将计算出的GFP抗体量加入蛋白质L涂层珠中,在4°C下在管旋转器上孵育1小时。
      注:抗体孵育后,特别注意不要涡旋亲和基质。
    2. 在孵育期间,通过计算所有样品所需的总体积来制备低盐缓冲液,并在使用前将0.5 μL/mL的1 M DTT和1μL/mL的0.1克/mL环氧西米添加到低盐缓冲液中。
      注:需要3 mL的低盐缓冲液,用于清洗每管GFP偶联珠子,200μL/样品用于重新悬浮GFP偶联珠。新鲜的低盐缓冲液可以在冰上保存几个小时。
    3. 在磁性支架上收集亲和矩阵,超过 1 分钟并去除上清液。加入1 mL的低盐缓冲液,上下轻轻移液,以洗净亲和力基质。在磁性支架上收集亲和矩阵,超过 1 分钟,并去除低盐缓冲液。用低盐缓冲液重复洗涤步骤2次(共3次)。
    4. 在低盐缓冲液中重新悬浮珠子,使每个样品具有200μL的亲和性基质。
      注:亲和性基质可在4°C下储存在0.02%NaN3中长达2周。亲和性基质应在低盐缓冲液中快速洗涤3次,如果亲和基质在1周内制备,在4°C的管旋转器上轻轻悬浮至少10分钟,如果亲和基质储存超过1周,则通和性基质应在一夜之间制备。在此步骤后可以暂停该协议。
      警告:阿齐德钠对环境毒性极强。与酸接触会产生有毒气体。所有废物应收集,以便妥善处置。

4. 肝组织性莱沙

  1. 缓冲器准备和设备设置
    1. 计算所需的微离心管数量,在冰上贴上标签和冷却。
      注:通常,每个样品需要7个1.5 mL微离心管:1个用于剩余的解剖肝脏,4个用于4mL的均质肝莱液,2个用于转移上生子。
    2. 通过计算所有样品所需的总体积,并准备新鲜的解剖缓冲液,并添加 1 μL/mL 0.1 g/mL 环氧西米。将新鲜的解剖缓冲液放在冰上,在整个实验过程中保持寒冷。
      注:对于每个样品,需要10 mL的解剖缓冲液。
    3. 通过计算所有样品所需的总体积来制备新的溶解液缓冲液,并分别添加 1 片/10 mL 无 EDA 蛋白酶抑制剂、1 μL/mL 0.1 g/mL 环氧西米和 10 μL/mL RNase 抑制剂。在整个实验过程中,将莱沙缓冲液保持在冰上。
      注:对于每个样品,需要4 mL的莱沙缓冲液。
    4. 设置组织磨床(材料表),使聚四氟乙烯(PTFE)玻璃管在肝片均质化期间可以放在冰上。将4 mL的冷液化缓冲液放入PTFE玻璃管中。
  2. 再生肝均质化
    1. 根据批准的动物实验指南,将注射TRAP载体的8-12周大的Fah-/-小鼠安乐死1⁄4周,进行麻醉和宫颈脱位。
    2. 将鼠标放在解剖板上,用 70% 乙醇喷洒腹部。用钳子将皮肤和腹膜低在腹部,并用剪刀进行横向切口。继续用剪刀切割,使一个宽的U形围肠皮瓣,小心不要切割内脏。将围膜皮瓣翻转到胸骨上,露出肝脏。
    3. 小心地用细剪刀和钳子取出肝脏,并迅速将组织放入冷解剖缓冲液中冲洗。要使冷冻组织均质化,快速将所需数量的肝脏组织移入PTFE玻璃管中,使用冷莱丝缓冲液,而不解冻组织。
      注:解剖组织在用解剖缓冲液洗涤后,可闪冻并储存在-80°C下。在此步骤后可以暂停该协议。
    4. 在培养皿上称量肝脏,分离出 200–500 毫克的肝片,然后进入 PTFE 玻璃管。将剩余的肝脏组织放入预冷却的微离心管中并闪状冷冻。
    5. 在电机驱动的均质器中,从 300 rpm 开始,使样品与肝脏结构分离,至少 5 次中风。每次降低玻璃管,但注意不要让虫子上升到溶液上方,以防止可能导致蛋白质变性的曝气。
    6. 将速度提高到 900 rpm,使肝脏组织完全均匀化至少 12 次完全行程。
    7. 将莱沙转移到贴有标签和预冷却的管中,每 1.5 mL 微离心管的莱沙度不超过 1 mL。如果使用 4 mL 的莱沙缓冲液,请保留 1 管并闪烁冻结剩余的 3 管。
      注:在解剖下一种动物并准备新鲜分解物时,这些分解物可以在冰上保存长达 1 小时。均质肝脏在分片后可闪冻,并储存在-80°C。如果使用冷冻的酸度,分离RNA可能会减少50%。在此步骤后可以暂停该协议。
  3. 核莱沙
    1. 在4°C下将肝脏分瓶在2,000 x g下离心10分钟,并将上清液转移到冰上新的预冷却微离心管中。
    2. 加入10%非基苯基聚乙烯乙二醇的上清体积的1/9,使最终浓度为1%非基苯基聚乙烯乙二醇,并通过轻轻反转微离心管进行混合。
    3. 快速旋转微离心管,加入10%DOC样品体积的1/9,使最终浓度达到1%DOC,并通过轻轻反转微离心管进行混合。快速旋转微离心管,在冰上孵育5分钟。
    4. 在4°C下将核液在20,000 x g下离心10分钟,并将上清液转移到冰上新的预冷却微离心管中。
      注:线粒体耗尽的上清液可以在冰上放置几个小时,同时收集剩余的样本。

5. 免疫沉淀

  1. 对于每个管,拿出上清液总量的1%作为免疫前沉淀控制,以比较孵育后的目标富集与亲和基质。在4°C的管转盘器上放置免疫前沉淀控制,就像免疫沉淀样品的处理一样。
  2. 在每个样品中添加 200 μL 的亲和性基质。在将亲和性基质添加到每个样品之前,请特别注意通过温和的移液重新悬浮珠子。在4°C过夜,用亲和基质孵育解物,在管旋转器上温和混合。
    注:在此步骤之后,协议可以暂停一天。

6. RNA分离

  1. 缓冲器准备和设备设置
    1. 将磁性机架置于 4°C 下至少 30 分钟,以预冷,并在整个实验过程中将磁架保持在冰上。
    2. 计算所需的微离心管数量,并在冰上或 4°C 时预冷。
      注:通常,每个样品需要1个微离心管作为最终纯化的RNA。
    3. 从步骤5.2快速旋转管子,在磁性机架上放置至少1分钟,收集珠子。
      注:收集的上清液含有未结合的馏分,可以闪冻结并储存在-80°C,与纯化后转录浓缩的带位分数进行比较。在此步骤后可以暂停该协议。
    4. 在高盐缓冲液中加入0.5 μL/mL的1 M DTT和1μL/mL 0.1 g/mL环氧西米,制备高盐缓冲液。
      注:对于每个样品,需要5mL的高盐缓冲液。
  2. RNA分离
    1. 在每个管中加入1 mL的新鲜高盐缓冲液,然后轻轻移液至少5次,而不会引入气泡。
      注:洗涤不足会引入未绑定的转录本的背景,而气泡的引入可能会加速RNA降解。
    2. 在磁性支架上收集珠子,超过 1 分钟,然后取出上清液。用高盐缓冲液重复洗涤步骤4次(共5次)。
    3. 取出剩余的高盐缓冲液,从磁性支架上取出微离心管,并在 RT 处放置 5 分钟以预热。
    4. 用β-美尔卡托乙醇在100μL的赖糖缓冲液中重新悬浮珠子(在RNA分离试剂盒中提供)。
      注:任何含有脱硝性瓜尼丁三洋酸的RNA分离和纯化试剂盒都可以用作莱沙缓冲液,从亲和基质中释放结合的RNA。RNA提取应在RT处理,因为瓜尼丁三洋酸酯可以在低温下结晶。
    5. 以最高速度将珠子和缓冲液涡旋至少5秒,快速向下旋转以收集微离心管一侧的缓冲液,并在RT处用缓冲液孵育珠子10分钟,将珠约束RNA释放到解液缓冲液中。
    6. 在磁性支架上收集珠子超过1分钟,并收集上清液,按照试剂盒(材料表)中指定的RNA纯化方案立即进行RNA清理。
      注:在溶酶缓冲液中含有洗脱RNA的上清液也可以储存在-80°C长达1个月,然后通过解冻时加热到RT进行清理。
    7. 要实现分离RNA的最大质量,执行所有可选步骤,包括DNase消化和所有RNA洗脱步骤。将RNA分离试剂盒或无RNase水提供的洗脱缓冲液加热至60°C,以实现最大的RNA恢复。
      注:分离的RNA可在-20°C下储存长达1个月或-80°C数年。在此步骤后可以暂停该协议。

7. 可选RNA质量分析(推荐)

  1. 使用生物分析仪11评估 RNA 质量,并使用分光光度计12评估 RNA 质量,以确定是否需要重复免疫沉淀过程才能获得充足和高质量的 RNA。
    注:高通量测序的最佳RNA质量应遵循库制备试剂盒和测序平台指定的协议。

8. 下游应用

注:TRAP协议分离的总RNA可用于许多标准下游应用,包括RNA-seq(TRAP-seq)。标准逆转录和定量PCR协议也可在TRAP之后使用。

  1. 对于TRAP-seq,按照标准方法13执行RNA-seq库制备。
  2. 对于RNA-seq,使用商用RNA-seq试剂盒制备cDNA测序库,其基寡聚物聚物(T)基浓缩。或者,如果总RNA质量低于推荐用于聚(A)浓缩,则使用rRNA耗尽模块。然而,预计在测序后会看到更多的rRNA对齐。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

为了在重新填充Fah-/-小鼠的肝细胞中分析基因表达,Gfp:Rpl10a融合和法赫转基因在含有质粒的转位子8(TRAP载体)中共同传递到肝脏,流体动力学注射 (图 1A)去除尼西酮诱导毒性肝损伤,为肝细胞产生选择压力,使其能稳稳地表达FAH,以重新填充受伤的帕伦奇马9。免疫荧光染色确认FAH和GFP:RPL10A融合蛋白在肝再充离两周后重新填充肝细胞的共性(图1B)。

在以下具有代表性的实验中,使用静默和重新填充小鼠肝细胞进行TRAP-seq。首先,为了从静止的肝细胞中获取具有GFP标记的核糖体,转基因罗莎LSL-GFP-L10A小鼠在牺牲前7天注射AAV8-TBG-Cre,以诱导所有肝细胞14中的GFP:RPL10A表达。我们还处理了从野生型小鼠身上采集的肝脏样本作为阴性对照,以确保翻译mRNA的分离是特定的,这意味着RNA只能从表达GFP:RPL10A的小鼠中提取。分离RNA的浓度与表达融合蛋白的细胞数量相关,在AAV8-TBG-Cre注射后,静止样品产生自所有肝细胞表达GFP:RPL10A以来的最高收率(图2A)。相反,在没有GFP:RPL10A转基因的野生类型对照中,几乎任何RNA都检测不到,这表明TRAP程序非常具体,背景低。当TRAP用于肝组织进行重新填充与GFP:RPL10A转导肝细胞,获得丰富,高质量的RNA(图2B)。相比之下,通过生物分析仪未检测到阴性对照样品的RNA痕迹。

下游基因表达分析可以通过TRAP分离RNA上的逆转录和定量PCR或RNA-seq进行。Gsta1编码谷胱甘肽S转移酶,对谷胱甘肽的代谢起重要作用,谷胱甘肽是保护肝脏免受氧化应激损伤的主要解毒肽15。与静默肝细胞相比,Gsta1表达在重组肝细胞中诱导超过10倍,而由于缺乏输入RNA,从野生型小鼠的TRAP分离RNA检测出阈值周期(Ct)值(图3)注意RNA质量能对基因表达分析产生很大影响.在RNA-seq实验中,应根据库制备试剂盒和测序平台的建议对RNA质量进行评估(图3B)。生物分析仪通常用于确定RNA完整性数(RIN),与较高的RIN相关与较高的mRNA对齐率(图3B,左),而较低的RIN导致较高的核糖核酸读取率,表明mRNA降解(图3B,右图)。图 3C、D证明TRAP-seq能识别静默和重组肝细胞中的微分基因表达。例如,Alb表达被抑制,Afp表达在肝脏重新填充期间得到调节,这反映出复制的肝细胞在抑制肝代谢功能期间具有较低的分化状态重填充916

Figure 1
图1:实现TRAP与Fah-/-profile基因表达变化的再生肝细胞。A) 在睡美转位器系统中表达GFP:RPL10A与FAH融合蛋白的原理图,然后注射到Fah-/-小鼠中。绿色六边形表示具有 FA 和 GFP:RPL10A 稳定表达的肝细胞,而黑色六边形表示受伤、垂死的肝细胞。(B) 代表性免疫荧光染色表明,在再生肝细胞中,GFP标记的核糖体蛋白L10A(绿色)和FAH(红色)的共性。比例尺 = 50 μm。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 2
图2:TRAP允许对优质RNA进行细胞类型特异性分离。A) RNA的收率与表达GFP:RPL10A的肝细胞数量呈正相关。野生型小鼠RNA的低收率表明,没有GFP:RPL10A表达的源TRAP的特异性。(B) 从表达GFP:RPL10A和野生型肝脏的再生肝脏中分离出的总RNA的生物分析器痕迹证明了TRAP的特异性。从野生型肝组织分离出的完全RNA没有GFP:RPL10A转基因表明,已收集到最少的RNA,而转基因表达组织提供充足的高质量RNA。请注意,核糖体RNA峰在成功TRAP10之后存在。FU,荧光单元。RIN,RNA完整性编号。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 3
图3:TRAP分离RNA可用于下游基因表达分析。AGsta1在静默和再生肝细胞中的代表性逆转录和定量PCR结果。从野生类动物中分离出RNA,未检测到Ct值。(B) 高通量测序后分离RNA的对齐分析,表明分离后确定RNA完整性的重要性。高质量的RNA会导致mRNA读取(绿色)的百分比更高,而低质量RNA导致核糖体读取(红色)的百分比要高得多,因为大多数mRNA是降解的。RIN,RNA完整性编号。(CD)综合基因组学查看器 (IGV) 的 RNA-seq 读取 mRNA 亲和性-纯化从静默和重新填充肝细胞在 (CAlb和 (DAfp位点。请注意,3' 读取偏差是多(A) 选择管道的典型。请点击此处查看此图的较大版本。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

TRAP-seq是一种通过表位标记核糖体翻译mRNA的细胞类型特异性分离技术,它提供了FACS方法的替代方法,因为它规避了FACS9的时间要求等限制。相反,TRAP允许从散装组织中直接快速有效地分离RNA,帮助避免基因表达的任何改变。TRAP-seq特别适合用于重新填充Fah-/-小鼠肝脏,因为去除尼西酮后的肝细胞扩张是细胞自主的,并且通过集成功能使肝细胞子集的基因表达分析成为可能转基因。TRAP载体也可以与基因激活或沉默分子17(包括cDNA、短发针RNA)共同表达,并指导RNA,研究激活或抑制特定基因对全球基因表达的影响。或者,罗莎LSL-GFP-L10A转基因小鼠提供分析任何具有Cre重组酶活性的细胞中的基因表达的能力。由于GFP:RPL10A可以具体表达在任何表达Cre的细胞中,因此可以研究肝脏损伤和再填充期间肝脏中其他细胞类型的作用。例如,将CK19-Cre小鼠与TRAP转基因小鼠交叉,可用于表达胆囊中的GFP:RPL10A,然后用TRAP-seq来研究在再人口过程中胆道上皮的基因表达变化。

为了确保基因表达的准确分析,在组织解剖之前准备所有缓冲液和亲和基质至关重要。除非另有规定,以确保多体位稳定10和防止RNA降解,否则所有步骤都应在具有冷缓冲液的冰上执行。所有缓冲液都应使用无RNase试剂制备,TRAP-seq协议应在无RNase环境中进行,以防止RNA降解和免疫沉淀RNA的低收率。亲和基质在使用前2周可以制备,在管旋转器上轻轻重新悬浮过夜。应特别注意不要大力摇动基质,以防止抗体结合,蛋白质L涂层磁珠的干扰。制备亲和基质的方法包括磁珠与生物异化蛋白L结合,然后用抗GFP抗体孵育。然而,市售的蛋白质A/G磁珠可以替代;如果使用,跳过初始结合步骤,直接进行抗体结合。此外,在上述协议中,通过适当的修改,替代表位标记可能是可行的。

可以暂停RNA分离和纯化步骤的各种点(见上文协议)。然而,一旦肝脏样本被采集,继续免疫沉淀建议,因为分离RNA的产量可能会下降+50%,在此步骤10冻结。组织应迅速冲洗与解剖缓冲液,含有环氧西米,以抑制mRNA翻译。组织莱沙不足也会导致RNA产量低。在用马达均质器看到任何组织块,同时确保最小曝气10之前,使冰上组织均质至关重要。此外,用高盐缓冲液进行充分洗涤对于确保去除核糖体蛋白与亲和性基质的非特异性结合至关重要。包括野生型阴性控制有助于评估免疫沉淀的特异性和洗涤步骤的效率。此外,使用包括无RNaseDNase治疗的商业RNA纯化试剂盒将提高RNA纯度。

此外,建议验证GFP:RPL10A融合蛋白的表达和丰度,并评估获得足够RNA进行下游分析所需的组织量。组织切片或莱萨可用于基于免疫的检测方法,以验证GFP:RPL10A的表达。分离的RNA数量可以因:(1)表达GFP:RPL10A的细胞数量,(2)转基因的表达水平,以及(3)表达转基因的细胞的大小和策略。试验实验使用推荐组织量的一半和两倍,可能有助于确定TRAP-seq的最佳输入莱沙。在我们的手中,我们可以获得+150 ng的RNA与只有1-2%的肝细胞表达GFP:RPL10A从200毫克的重新填充Fah-/-肝脏,代表+2 x 105多倍体肝细胞与转基因表达9。

TRAP-seq 方法分离核糖体结合的 mRNA,以分析细胞的翻译 mRNA 池。因此,生成的排序读数对应于"翻译"而不是转录。请注意,不会收集核糖体足迹的翻译,因为 TRAP 是在本机复合体上执行的,而不是在交叉连接的复合体上执行的。如果需要足迹分析,上述协议应修改与相关的交叉链接,然后免疫沉淀(CLIP)方法18。TRAP的另一个限制是需要足够数量的细胞表达GFP:RPL10A融合蛋白。对于感兴趣的细胞类型较小的实验,可能需要结合多个生物样本来分离足够的RNA,使RNA-seq19。此外,TRAP-seq 要求在感兴趣的细胞类型中存在 GFP:RPL10A。如果没有特定的细胞传递系统,或者如果细胞类型的特定启动程序无法驱动 Cre 表达式,则这可能会带来挑战。

单细胞RNA-seq(scRNA-seq)技术的最新发展使得直接测序成为可能,随后在各种细胞类型的硅酸盐鉴定中实现了测序,无需对特定感兴趣的细胞类型进行排序排序20 2122.然而,scRNA-seq仍然需要细胞与器官分离。在Fah-/-再填充模型的情况下,肝脏灌注和肝细胞分离是极其困难和低效的,因为受伤和复制肝细胞的脆弱性。事实上,我们还没有能够从Fah-/-小鼠身上分离出足够的肝细胞,这些小鼠在水动力注射法质粒后重新种群。此外,在处理组织所需的时间,基因表达水平可能会改变。肝脏灌注方案需要长达 30 分钟的热缺血时间。未来优化肝脏灌注以缩短处理时间并提高分离效率的方法,可以允许scRNA-seq集成到Fah-/-小鼠模型系统,并可能与其他损伤和再填充模型集成。这也将有助于研究所有肝细胞类型。

总之,TRAP-seq与Fah-/-小鼠的整合允许复制肝细胞的特定分离和基因表达分析,以确定可促进肝脏再填充的治疗靶点。该方法可用于研究肝脏和其他器官系统中的其他细胞类型,以识别基因表达变化的特定疾病,以识别潜在的药物靶点或生物标志物。类似的技术可以用来收集核从重新填充肝细胞使用亲亲纯,然后执行表观遗传分析这些特定的细胞16。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

这项工作得到了以下赠款的支持:F31-DK113666(AWW)、K01-DK102868(AMZ)、K08-DK106478(KJW)和P30-DK050306(KJW试点赠款)。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
10 mL Tissue Grinder, Potter-Elv, Coated DWK Life Sciences (Wheaton) 358007
Absolutely RNA Miniprep Kit Agilent 400800
Anti-GFP antibodies Memorial Sloan-Kettering Antibody & Bioresource Core GFP Ab #19C8 and GFP Ab #19F7
Bovine Serum Albumin, IgG-Free, Protease-Free Jackson ImmunoResearch 001-000-162
cOmplete, Mini, EDTA-free Protease Inhibitor Cocktail Roche 11836170001
Cycloheximide Millipore Sigma C7698
Deoxycholic acid, DOC Millipore Sigma D2510
D-Glucose, Dextrose Fisher Scientific D16
DL-Dithiothreitol Millipore Sigma D9779
Dynabeads MyOne Streptavidin T1 Thermo Fisher Scientific 65602
Fisherbrand Petri Dishes with Clear Lid Fisher Scientific FB0875712
HBSS (10x), calcium, magnesium, no phenol red Thermo Fisher Scientific 14065-056
HEPES, 1 M Solution, pH 7.3, Molecular Biology Grade, Ultrapure, Thermo Scientific Thermo Fisher Scientific AAJ16924AE
Magnesium chloride, MgCl2  Millipore Sigma M8266
Methanol Fisher Scientific A452
NanoDrop 2000/2000c Spectrophotometer Thermo Fisher Scientific VV-83061-00
NEBNext Poly(A) mRNA Magnetic Isolation Module New England BioLabs E7490S
NEBNext Ultra RNA Library Prep Kit for Illumina New England BioLabs E7530S
Nonylphenyl polyethylene glycol, NP-40. IGEPAL CA-630 Millipore Sigma I8896
Nuclease-Free Water, not DEPC-Treated Ambion AM9932
Overhead Stirrer DWK Life Sciences (Wheaton) 903475
PBS Buffer (10x), pH 7.4 Ambion AM9625
Pierce Recombinant Protein L, Biotinylated Thermo Fisher Scientific 29997
Potassium chloride, KCl Millipore Sigma P4504
RNA 6000 Pico Kit & Reagents Agilent 5067-1513
RNaseZap RNase Decontamination Solution Invitrogen AM9780
RNasin Ribonuclease Inhibitors Promega N2515
Sodium azide, NaN3 Millipore Sigma S2002
Sodium bicarbonate, NaHCO3 Millipore Sigma S6297
SUPERase·In RNase Inhibitor Invitrogen AM2694

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Taub, R. Liver regeneration: from myth to mechanism. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 5, (10), 836-847 (2004).
  2. Lee, W. M. Etiologies of acute liver failure. Seminars in Liver Disease. 28, (2), 142-152 (2008).
  3. Sanyal, A. J., Yoon, S. K., Lencioni, R. The etiology of hepatocellular carcinoma and consequences for treatment. The Oncologist. 15 Suppl 4, 14-22 (2010).
  4. Jadlowiec, C. C., Taner, T. Liver transplantation: Current status and challenges. World Journal of Gastroenterology. 22, (18), 4438-4445 (2016).
  5. Michalopoulos, G. K., DeFrances, M. C. Liver regeneration. Science. 276, (5309), 60-66 (1997).
  6. Michalopoulos, G. K. Liver regeneration after partial hepatectomy: critical analysis of mechanistic dilemmas. The American Journal of Pathology. 176, (1), 2-13 (2010).
  7. Grompe, M., et al. Loss of fumarylacetoacetate hydrolase is responsible for the neonatal hepatic dysfunction phenotype of lethal albino mice. Genes & Development. 7, (12A), 2298-2307 (1993).
  8. Wangensteen, K. J., et al. A facile method for somatic, lifelong manipulation of multiple genes in the mouse liver. Hepatology. 47, (5), 1714-1724 (2008).
  9. Wang, A. W., et al. TRAP-seq identifies cystine/glutamate antiporter as a driver of recovery from liver injury. The Journal of Clinical Investigation. 128, (6), 2297-2309 (2018).
  10. Heiman, M., Kulicke, R., Fenster, R. J., Greengard, P., Heintz, N. Cell type-specific mRNA purification by translating ribosome affinity purification (TRAP). Nature Protocols. 9, (6), 1282-1291 (2014).
  11. Agilent Technologies. Agilent RNA 6000 Pico: User Manual. Retrieved from https://www.agilent.com/cs/library/usermanuals/Public/G2938-90046_RNA600Pico_KG_EN.pdf (2016).
  12. NEBNext. NEBNext Ultra RNA Library Prep Kit for Illumina: User Manual. Retrieved from https://international.neb.com/-/media/nebus/files/manuals/manuale7530.pdf (2018).
  13. NanoDrop. 2000/2000c Spectrophotomerter: User Manual. Retrieved from https://assets.thermofisher.com/TFS-Assets/CAD/manuals/NanoDrop-2000-User-Manual-EN.pdf (2009).
  14. Liu, J., et al. Cell-specific translational profiling in acute kidney injury. The Journal of Clinical Investigation. 124, (3), 1242-1254 (2014).
  15. Lu, S. C. Regulation of glutathione synthesis. Molecular Aspects of Medicine. 30, (1-2), 42-59 (2009).
  16. Wang, A. W., et al. The dynamic chromatin architecture of the regenerating liver. bioRxiv. (2019).
  17. Zahm, A. M., et al. A high-content in vivo screen to identify microRNA epistasis in the repopulating mouse liver. bioRxiv. (2019).
  18. Stork, C., Zheng, S. Genome-Wide Profiling of RNA-Protein Interactions Using CLIP-Seq. Methods in Molecular Biology. 1421, 137-151 (2016).
  19. Zhao, X., et al. Glutathione antioxidant pathway activity and reserve determine toxicity and specificity of the biliary toxin biliatresone in zebrafish. Hepatology. 64, (3), 894-907 (2016).
  20. Halpern, K. B., et al. Single-cell spatial reconstruction reveals global division of labour in the mammalian liver. Nature. 542, (7641), 352-356 (2017).
  21. Camp, J. G., et al. Multilineage communication regulates human liver bud development from pluripotency. Nature. 546, (7659), 533-538 (2017).
  22. Wang, Y. J., Kaestner, K. H. Single-Cell RNA-Seq of the Pancreatic Islets--a Promise Not yet Fulfilled? Cell Metabolism. 29, (3), 539-544 (2019).
小鼠肝脏中细胞类型特异性基因表达分析
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wang, A. W., Zahm, A. M., Wangensteen, K. J. Cell Type-specific Gene Expression Profiling in the Mouse Liver. J. Vis. Exp. (151), e60242, doi:10.3791/60242 (2019).More

Wang, A. W., Zahm, A. M., Wangensteen, K. J. Cell Type-specific Gene Expression Profiling in the Mouse Liver. J. Vis. Exp. (151), e60242, doi:10.3791/60242 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter