在这里,我们提出了一种从冷冻小鼠肾脏中分离高质量细胞核的方案,该方案改善了髓质肾细胞类型的表征,并避免了酶组织解离引起的基因表达伪像。
肾脏调节不同的生物过程,如水、电解质和酸碱稳态。肾脏的生理功能由多种细胞类型执行,这些细胞类型排列在器官皮质髓质轴上的复杂结构中。单细胞转录组学的最新进展加速了对肾脏生理和疾病中细胞类型特异性基因表达的理解。然而,经常用于单细胞RNA测序(scRNA-seq)的基于酶的组织解离方案主要需要新鲜(非存档)组织,引入转录应激反应,并且有利于选择肾脏皮层的丰富细胞类型,导致髓质细胞代表性不足。
在这里,我们提出了一个避免这些问题的协议。该方案基于从冷冻肾组织中分离4°C的细胞核。细胞核是从小鼠肾脏的中央部分分离出来的,该中心部分由皮质、外髓质和内髓质组成。这减少了全肾样本中典型的皮质细胞的过度代表性,有利于髓质细胞,使得数据将以足够的丰度代表整个皮质髓质轴。该方案简单、快速且适应性强,为肾脏研究中单核转录组学的标准化迈出了一步。
肾脏显示出高度复杂的组织结构。它们由沿皮髓质轴的功能和解剖学上不同的片段组成,并介导生物学功能,例如调节细胞外液量、电解质平衡或酸碱稳态1。
单细胞转录组学的进步使复杂组织的深入表征成为可能,并加速了对肾脏生理学、发育和疾病中段和细胞类型特异性基因表达的理解2,3,4。
然而,经常用于scRNA-seq的基于酶的解离方案显示出一些缺点和限制。根据协议的不同,它们产生转录应激反应和组织解离偏向于更容易解离的皮质细胞类型5,6。尽管使用冷活性蛋白酶治疗胚胎肾脏的方案能够减轻与应激相关的转录改变,但它们无法克服对皮质细胞的解离偏差,并且可能不容易适应不同种类的患病肾组织7。此外,单细胞方法不容易与冷冻组织样品兼容,将其应用主要限制在非存档的新鲜组织,从而使组织收集成为限制因素6。
单核RNA测序(snRNA-seq)可以规避这些限制8,9。在这里,我们提出了从冷冻成年小鼠肾脏组织的中心切片中分离细胞核的方案(图1)10。我们的方案很简单,为不涉及强烈区域组织变化的实验模型提供了一种标准化的方法来获得RNA测序文库,该文库具有不同肾细胞类型的平衡表示。在后一种情况下,我们的方案也可以对整个肾脏进行。
单细胞转录组学促进了对肾脏生理学和疾病中细胞类型特异性基因表达的理解。在这里,我们提供了一种简单且可重复的方法,以标准化的方式从冷冻小鼠肾组织中分离高质量的单核以获取snRNA-seq。
对于snRNA-seq,使用高质量细胞核作为文库生成的输入并避免RNA在组织处理过程中降解至关重要。因此,解剖后立即在RNA稳定溶液中孵育组织碎片对于保护和稳定细胞RNA至关重要,并允许无限期地将样品储存在-80°C。当将此协议应用于未经RNA稳定溶液处理的冷冻组织(例如档案材料)时,需要进行试运行,并且需要评估RNA质量,因为我们观察到在没有事先孵育的情况下在RNA稳定溶液中快速冷冻组织中RNA完整性显着丧失。
通常,适当的样品处理对于最大限度地提高完整单核的回收率至关重要。所有重悬步骤都应小心移液,以避免剪切应力和物理损坏。用于最终细胞核重悬和细胞核分选的缓冲液应含有BSA,以避免细胞核损失和聚集。
该方案中的缓冲液体积针对非常小的组织样品(~15 mg)进行了优化。确保完全细胞裂解和充分洗涤以产生高质量悬浮液至关重要。较大的组织块或整个肾脏样本将导致细胞核浓度过高,从而导致聚集和聚集、环境 RNA 丰度高以及整体悬浮质量差。如果处理较大的样品或其他组织,强烈建议进行试运行,以确定最低环境RNA水平的最佳缓冲液体积。需要仔细检查细胞核和RNA的质量和浓度,因为过载会导致整体性能不佳。
此外,大量的细胞碎片导致高水平的环境RNA与单个细胞核无关,对测序结果产生负面影响。通过蔗糖垫离心澄清细胞核悬浮液在一定程度上缓解了这个问题,但它也可能通过计数器选择针对例如免疫细胞中存在的致密小细胞核而导致细胞类型表征的偏差16。如果这值得关注,则应省略蔗糖梯度。相比之下,我们发现基于DAPI染色的流式细胞术对于减少细胞碎片量以产生高质量的单核悬液至关重要。
与单细胞方法相比,单核分离具有相当大的优势8。它与适当冷冻的组织兼容,使组织收集更加灵活,并且避免了基于酶的组织解离的需要,这可以引入转录应激反应6,17。此外,它克服了有利于选择肾皮层易于解离的细胞类型的解离偏差,这可能导致在某些基于酶的方法中髓质细胞类型的代表性不足5,6,10。
使用中央肾脏碎片而不是整个肾脏组织进一步节省了资源,并纠正了前面描述的丰富细胞类型的过度代表10。然而,根据所研究的小鼠模型或表型,使用整个肾脏样本而不是单个中间切片可能是有益的。全肾样本可能更能代表真实细胞比例或整个肾脏发生的变化,而修剪的中间切片被证明对髓质表型或样本材料有限时有利。因此,此决定是高度特定于用户的,应仔细考虑。
The authors have nothing to disclose.
我们感谢柏林亥姆霍兹协会马克斯·德尔布吕克分子医学中心的科学基因组学平台提供的技术支持。
JL和KMSO得到了德国研究基金会(DFG)研究培训小组GRK 2318和研究单位FOR 2841的支持。KMSO得到了合作研究基金1365的支持。AB得到了DFG授予NR的Gottfried Wilhelm Leibniz奖的资助。
Cell sorter | – | – | For fluorescence-activated cell sorting (FACS); e.g. BD FACSAria Cell Sorter. |
Centrifuge 5810 R | Eppendorf | 5811000015 | |
Countess Cell Counting Chamber Slides | Invitrogen | C10228 | |
Countess II FL Automated Cell Counter | Invitrogen | AMQAF1000 | Needs to contain DAPI light cube to count nuclei. Alternatively, nuclei can be counted manually under fluorescence microscope. |
4′,6-Diamidino-2-phenyl-indol-dihydrochlorid (DAPI) | Biotrend | 40043/b | Stock solution prepared with a concentration of 100 µM. Used for nuclei staining in a final concentration of 2 µM. |
D(+)-Sucrose ≥99.9%, ultrapure DNAse-, RNAse-free | VWR | 0335-500G | |
DNA LoBind Microcentrifuge Tubes (1.5 mL) | Eppendorf | 22431021 | |
Ethanol, 70 % | – | – | |
FACS tubes | pluriSelect | 43-10100-46 | |
KIMBLE Dounce tissue grinder set 2 mL complete | Sigma-Aldrich | D8938-1SET | |
Minisart Syringe Filters 0.2 µm | Sartorius | 16534-GUK | |
Nuclease-free Water | Invitrogen | AM9937 | |
Nuclei EZ Prep Nuclei Isolation Kit | Sigma-Aldrich | NUC-101 | Nuclei EZ Lysis Buffer (Product No. N3408) needed for buffer preparation. |
PBS (Phosphate-Buffered Saline) 1X without calcium or magnesium | Corning | 21-040-CV | |
Petri dishes, polystyrene 60 mm | Sigma-Aldrich | P5481 | |
Phosphate-Buffered Saline (PBS) with 10% Bovine Albumin | Sigma-Aldrich | SRE0036 | |
pluriStrainer Mini 100 µm | pluriSelect | 43-10100-46 | |
pluriStrainer Mini 20 µm | pluriSelect | 43-10020-40 | |
pluriStrainer Mini 40 µm | pluriSelect | 43-10040-40 | |
Polystyrene Centrifuge Tube (15 mL) | Falcon | 352099 | |
Razor blades | – | – | |
RiboLock RNase Inhibitor (40 U/µL) | Thermo Fisher | EO0384 | |
Ribonucleoside-vanadyl complex | New England Biolabs | S1402S | Follow manufacturer's instructions (https://international.neb.com/products/s1402-ribonucleoside-vanadyl-complex#Product%20Information). Upon use the 200 mM stock solution is reconstituted to a green-black clear solution by incubating at 65 °C. |
RNAlater Stabilization Solution | Invitrogen | AM7020 | |
RNase AWAY | Fisher Scientific | 11952385 |