ここでは、髄質腎細胞タイプの表現を改善し、酵素組織解離による遺伝子発現アーティファクトを回避する凍結マウス腎臓から高品質の核を単離するためのプロトコルを提示します。
腎臓は、水、電解質、酸塩基恒常性などの多様な生物学的プロセスを調節します。腎臓の生理学的機能は、臓器の皮質鞍軸を横切る複雑な構造に配置された複数の細胞型によって実行されます。近年のシングルセルトランスクリプトミクスの進歩により、腎生理学や疾患における細胞種特異的な遺伝子発現の理解が加速しています。しかし、シングルセルRNAシーケンシング(scRNA-seq)に頻繁に利用される酵素ベースの組織解離プロトコルは、ほとんどが新鮮な(アーカイブされていない)組織を必要とし、転写ストレス応答を導入し、腎臓皮質の豊富な細胞型の選択を支持し、髄質の細胞の過小評価をもたらします。
ここでは、これらの問題を回避するプロトコルを紹介します。このプロトコルは、凍結腎臓組織からの4°Cでの核分離に基づいています。核は、皮質、外側髄質、および内側髄質で構成されるマウス腎臓の中央部分から単離されます。これにより、髄質細胞の利益のために、全腎臓サンプルに典型的な皮質細胞の過剰表現が減少し、データが皮質小脳鞍軸全体を十分な存在量で表すようになります。このプロトコルは、シンプルで迅速、かつ適応性があり、腎臓研究における単一核トランスクリプトミクスの標準化に向けた一歩を踏み出します。
腎臓は非常に複雑な組織構造を示します。それらは、皮質膠底軸に沿った機能的および解剖学的に異なるセグメントで構成され、細胞外液量の調節、電解質バランス、または酸塩基恒常性などの生物学的機能を媒介します1。
シングルセルトランスクリプトミクスの進歩により、複雑な組織の詳細な特性評価が可能になり、腎生理学、発生、および疾患におけるセグメントおよび細胞種特異的遺伝子発現の理解が加速しました2,3,4。
しかしながら、scRNA-seqに頻繁に利用される酵素ベースの解離プロトコルは、いくつかの欠点および制約を示す。プロトコルに応じて、それらは転写ストレス応答と組織解離バイアスを生成し、解離しやすい皮質細胞型に向かっています5,6。胚性腎臓に低温活性プロテアーゼを使用するプロトコルは、ストレス関連の転写変化を軽減することができますが、皮質細胞に対する解離バイアスを克服することができず、さまざまな種類の病気の腎臓組織に容易に適応できない可能性があります7。さらに、シングルセルアプローチは凍結組織サンプルと容易に互換性がなく、その用途は主にアーカイブされていない新鮮な組織に限定されるため、組織収集は制限因子6になります。
単一核RNAシーケンシング(snRNA-seq)は、これらの制限を回避することができます8,9。ここでは、凍結した成体マウス腎臓組織の中央スライスからの核単離のためのプロトコルを提示します(図1)10。私たちのプロトコルはシンプルで、強い局所組織変化を伴わない実験モデルのために、多様な腎細胞タイプのバランスの取れた表現を備えたRNAシーケンシングライブラリを取得するための標準化されたアプローチを提供します。後者の場合、私たちのプロトコルは腎臓全体でも実行できます。
シングルセルトランスクリプトミクスは、腎生理学および疾患における細胞種特異的遺伝子発現の理解を促進します。ここでは、snRNA-seqのために凍結マウス腎臓組織から高品質の単一核を標準化された方法で単離するための簡単で再現性のある方法を提供しました。
snRNA-seqでは、ライブラリ生成の入力として高品質の核を使用し、組織処理中のRNA分解を回避することが重要です。したがって、解剖直後のRNA安定化溶液中での組織片のインキュベーションは、細胞RNAの保護と安定化に不可欠であり、サンプルを-80°Cで無期限に保存することができます。このプロトコルをアーカイブ材料などのRNA安定化溶液処理なしで凍結組織に適用する場合は、試運転が必要であり、RNA安定化溶液中で事前にインキュベートしないと、急速凍結組織でRNA完全性が著しく低下することが観察されたため、RNA品質を評価する必要があります。
一般に、適切なサンプル処理は、無傷の単一核の回収を最大化するために重要です。すべての再懸濁ステップは、せん断応力や物理的損傷を避けるために慎重にピペッティングして実行する必要があります。最終的な核の再懸濁および核の選別のためのバッファーには、核の損失と凝集を避けるためにBSAが含まれている必要があります。
このプロトコルのバッファー容量は、非常に小さな組織サンプル(~15 mg)用に最適化されています。高品質の懸濁液を生成するには、完全な細胞溶解と十分な洗浄を確保することが重要です。組織ブロックまたは腎臓全体のサンプルが大きいと、核濃度が過剰になり、凝集や凝集、周囲RNAの豊富さ、および全体的な懸濁液の品質の低下につながります。より大きなサンプルまたは他の組織を処理する場合は、最小限の周囲RNAレベルに最適なバッファー量を決定するために試運転を行うことを強くお勧めします。核とRNAの品質と濃度は、過負荷が全体的なパフォーマンスを低下させるため、慎重に調べる必要があります。
さらに、大量の細胞破片は、単一の核に関連しない高レベルの周囲RNAを引き起こし、シーケンシング結果に悪影響を及ぼします。スクロースクッションを介した遠心分離による核懸濁液の清澄化は、この問題をある程度軽減するが、例えば免疫細胞に存在する高密度で小さな核に対するカウンター選択による細胞型表現の偏りにつながる可能性がある16。これが懸念される場合は、スクロース勾配を省略する必要があります。対照的に、DAPI染色に基づくフローサイトメトリーは、高品質の単一核懸濁液を作製するために細胞破片の量を減らすために重要であることがわかりました。
単一核の単離は、単一細胞アプローチと比較して大きな利点があります8。適切に凍結された組織と互換性があり、組織コレクションをより柔軟にし、転写ストレス応答を導入する可能性のある酵素ベースの組織解離の必要性を回避します6,17。さらに、腎皮質の容易に解離可能な細胞型の選択を支持する解離バイアスを克服し、これはいくつかの酵素ベースのアプローチにおいて髄質細胞型の過小評価につながる可能性がある5、6、10。
腎臓組織全体の代わりに中央腎臓片を使用すると、リソースがさらに節約され、前述のように豊富な細胞タイプの過剰表現が補正されます10。ただし、調査するマウスモデルまたは表現型によっては、単一の中央スライスではなく腎臓全体のサンプルを使用することが有益な場合があります。腎臓全体のサンプルは、真の細胞比率、または腎臓全体に発生する変化をより代表している可能性がありますが、トリミングされた中央スライスは、髄質表現型またはサンプル材料が限られている場合に有利であることが証明されました。したがって、この決定は非常にユーザー固有であり、慎重に検討する必要があります。
The authors have nothing to disclose.
ベルリンのヘルムホルツ協会にあるマックスデルブリュック分子医学センターの科学ゲノミクスプラットフォームに技術サポートを提供していただきありがとうございます。
JLとKMSOは、ドイツ研究財団(DFG)の研究トレーニンググループGRK 2318と研究ユニットFOR 2841の支援を受けました。KMSOは共同研究助成金1365の支援を受けました。ABは、NRに授与されたDFGのゴットフリートヴィルヘルムライプニッツ賞からの資金提供によって支援されました。
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 |