Summary

Encelliga genuttryck Använda Multiplex RT-qPCR att karaktärisera Heterogena Sällsynta Lymfoida populationer

Published: January 19, 2017
doi:

Summary

Detta protokoll beskriver hur man bedömer uttrycket av ett stort uppbåd av gener vid den klonala nivån. Encelliga RT-qPCR producerar mycket tillförlitliga resultat med en stark känslighet för hundratals prover och gener.

Abstract

Genuttryck heterogenitet är en intressant funktion för att undersöka i lymfoida populationer. Genexpression i dessa celler varierar under cellaktivering, stress, eller stimulering. Encelliga multiplex genexpression möjliggör samtidig bedömning av tiotals gener 1, 2, 3. Vid encelliga nivå bestämmer multiplex genuttryck befolknings heterogenitet 4, 5. Det gör det möjligt att skilja av befolkningen heterogenitet genom att bestämma både sannolika blandning av olika prekursorer steg bland mogna celler och även mångfalden av cellsvar på stimuli.

Medfödda lymfoidceller (ILC) har nyligen beskrivits som en population av medfödda effektorer av immunsvaret 6, 7. I detta protokoll cell heterogenitet ILC hanpatic utrymmet undersöks under homeostas.

För närvarande är den mest använda tekniken för att utvärdera genuttryck är RT-qPCR. Denna Metoden mäter genuttryck endast en gen i taget. Dessutom kan denna metod inte uppskatta heterogenitet av genuttryck, eftersom multipla celler behövs för ett test. Detta leder till mätning av den genomsnittliga genuttryck av befolkningen. Vid bedömningen av ett stort antal gener, blir RT-qPCR en tids-, reagent- och prov krävande metod. Därför kompromisser begränsa antalet gener eller cellpopulationer som kan utvärderas, vilket ökar risken för att missa den globala bilden.

Detta manuskript beskriver hur encelliga multiplex RT-qPCR kan användas för att övervinna dessa begränsningar. Denna teknik har gynnats av de senaste mikrofluidik tekniska framsteg 1, 2. Reaktioner som sker i multiplex RT-qPCR chips inte exkleed den nanoliter-nivå. Hence, encelliga genuttryck, såväl som samtidig multipel genexpression, kan utföras i ett reagent-, prov- och kostnadseffektivt sätt. Det är möjligt att testa cell gen signatur heterogenitet på klonnivå mellan cellgrupper inom en population på olika utvecklingsstadier eller under olika förhållanden 4, 5. Att arbeta på sällsynta populationer med ett stort antal villkor vid encelliga nivå är inte längre en begränsning.

Introduction

Under de senaste åren, medfödda lymfoidceller (ILCS) har blivit allt undersökts. Trots bristen på antigenspecifika receptorer, de tillhör den lymfoida härstamningen och utgör viktiga sentinels för vävnads homeostas och inflammation. ILCS närvarande delas in i tre grupper baserat på deras uttryck av specifika transkriptionsfaktorkombinationer och deras förmåga att producera cytokiner 6, 7.

ILCS bidrar till många homeostatiska och patofysiologiska situationer i olika organ via specifik cytokinproduktion 8, 9. För att kunna förstå vilken roll dessa celler, är det viktigt att bestämma de olika ILC subpopulationer per organ och att identifiera deras utvecklings relationer. Dessutom har fenomenen plasticitet mellan de olika undergrupper varit relaterade. Genom att studera heterogenitetav celler i ett organ, är det möjligt att avgränsa sitt stadium av mognad och att skilja sina specifika funktioner.

För att illustrera tekniken av encelliga multiplex RT-qPCR var lever ILCS valt, med särskild tonvikt på deras heterogenitet inom samma ILC grupp (typ 1 ILC) 10. Först, genom användning av flödescytometri, har tre distinkta ILC populationer kännetecknad av levern. Grupp 1 ILC utgör ca 80% av de medfödda effektenheter, medan de två andra populationer är sällsynta lever ILC populationer (mindre än 5% av de medfödda effektorer). Dessa populationer sorterades med hjälp av allmänt uttryckta på cellytan markörer för ILC populationer. Som ett resultat, sorterade ILC populationer i levern ser i stort sett likadan till en annan.

Encelliga multiplex RT-qPCR har framträtt som en av de bästa teknikerna att snabbt undersöka heterogenitet av dessa populationer 11 </supp>. Två huvudsakliga egenskaper bestäms genom att utnyttja den encelliga multiplex RT-qPCR teknik. Först, genom att titta på klonnivå, är det möjligt att återvinna cellspecifika genuttryck för jämförelse mellan celler som uppenbarligen visar liknande utvecklingsstadier. Sedan, genom att titta på en i förväg utvald kombination av genuttryck, kommer vi bestämma ny gen signaturer baserade på samtidiga genexpressionsmönster vid en tidpunkt. Dessa aspekter medger insamling av en stor mångfald av expressionsdata för ett stort antal celler, även om sällsynta populationer, eftersom den teknik som utförs vid den klonala nivån. Därigenom kan ILC heterogenitet i levern bedömas på lämpligt sätt.

Därefter genom att sortera alla celler med en global ILC fenotyp, är en bred översikt över flera genuttryck i levern ILC populationer erhållas, trots att de utgör ytterst sällsynta populationer. En mikroflödessystem-baserad chip gör experiment med ännuen liten mängd cellmaterial. Som en konsekvens, kan de genuttrycksprofilerna av sällsynta cellpopulationer erhållas. Använda online-gen signaturanalys programvara, cellpopulationen kluster och potentiella cellförhållanden kan undersökas. Följaktligen kan funktionstester utföras för att validera klusterdata vid in vivo nivå.

Tiotals genuttryck kunde bedömas samtidigt på hundratals eller fler enkla celler på samma chip 3, 11, 12. Utformningen av analysen är den längsta och viktigaste delen av experimentet. Bestämningen av de gener som är relevanta för den hypotesen som ska provas är av största vikt för att erhålla relevanta resultat. För det andra behövs för intern kontroll (såsom kända ytmarkörer används för att sortera) och särskilda kontroller. Detta är avgörande för att testa primern amplifieringsspecificitet, effektiviteten i amplifieringen, och tHan frånvaro av föregångare konkurrens. Därför, som arbetar med encelliga multiplex RT-qPCR är en tidsbesparande teknik, såsom multipel-genuttryck hos en cell bedöms på samma gång.

Med användning av samma chip och blandning av reagens för alla celler begränsar eventuella fel för manipulation och tillåter reproducerbarhet mellan prover. Sammantaget, de olika aspekterna av encelliga multiplex RT-qPCR möjliggör produktion av mycket tillförlitliga resultat på klonnivå, med en stor grad av känslighet för en mängd olika prover och gener. De erhållna resultaten ger kraftfulla och robusta data för biostatistiska tester.

Detta kan uppnås på grund av den mikroflödes aspekt av förfarandet, som möjliggör arbete med mycket små mängder av material och leder till uttömmande resultat. Slutligen, med hjälp av programvara online, är det möjligt att jämföra de önskade populationer.

Protocol

Alla djurförsök har godkänts av av Pasteurinstitutet säkerhetskommittén i enlighet med den franska jordbruksdepartementet och EU: s riktlinjer. 1. Förbered en 96-håls enkelcellsortering Plate Förbereda pre-amplifiering blandning i en 1,5 ml rör genom tillsats av 5,0 | il av specifika retrotranskriptionsbuffert, 1,3 pl av låg etylendiamintetraättiksyra (EDTA) TE-buffert (10 mM TE-lösning, pH 8, och 0,1 mM EDTA-lösning; 0,2 pM filtrerades ), och 0,2 | il Taq DNA-polymeras per brunn …

Representative Results

Lymfoida populationer visar stora skillnader i genuttryck. I detta protokoll, var levern ILC fack heterogenitet undersöktes med hjälp av encelliga multiplex RT-qPCR genuttryck. Till skillnad från andra gen expressionstekniker, möjliggör encelliga multiplex RT-qPCR genuttryck arbetet med flera populationer, även de mest sällsynta, på samma gång. Denna specificitet, i kombination med en hög känslighet på klonnivå, gör det möjligt att undersöka skillnader i gen signaturer in…

Discussion

Detta protokoll beskriver hur man kan få uttömmande genuttryck uppgifter på klonnivå. Här undersökte vi lever ILC fack heterogenitet. Efter encelliga sortering av olika ILC populationer (baserat på allmänt uttryckta ILC ytmarkörer), prover före förstärktes för specifika förvalda gener. Därefter tillsattes den erhållna cDNA och primers lastas på en multiplex RT-qPCR mikroflödes chip. Slutligen fick vi uttrycket av 48 olika gener från 48 enskilda celler. Genuttryck resultat analyserades via en online-pr…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was supported by the Institut Pasteur, INSERM, Université Paris Diderot and by the Ministère de la Recherche (to S.C.); the Association pour la Recherche sur le Cancer (to S.C. and R.G.); the REVIVE Future Investment Program and the Agence Nationale de Recherche (ANR; grant ”Twothyme” to A.C.); ANR grant ”Myeloten” (to R.G.); and the Institut National du Cancer (Role of the immune microenvironment during liver carcinogenesis, to R.G.). We acknowledge the Center for Human Immunology and Cytometry platform at Institut Pasteur for their support.

Materials

Cells Direct One Step qRT-PCR kit Applied Biosystems  11753100 Primer probe detection kit.Contains 2x reaction mix, SSIII Platinium enzyme.
Low TE EDTA Buffer Affymetrix 75793 100ML
96-well plates Thermofisher Scientific AB 1100 96-well plates adapted for cell sorting and thermocycling
Cover film Dominique Dutscher 106570 aluminium cover film; avoid contamination and evaporation
Actb Thermofisher Scientific Mm00607939_s1 20X primer
Aes Thermofisher Scientific Mm01148854_s1 20X primer
Ahr Thermofisher Scientific Mm00478932_s1 20X primer
Bcl2 Thermofisher Scientific Mm00477631_s1 20X primer
c-myc Thermofisher Scientific Mm00487804_s1 20X primer
Cbfb Thermofisher Scientific Mm01251026_s1 20X primer
Cd27 Thermofisher Scientific Mm01185212_s1 20X primer
Cd49a Thermofisher Scientific Mm01306375_s1 20X primer
CD49b Thermofisher Scientific Mm00434371_s1 20X primer
Cxcr5 Thermofisher Scientific Mm00432086_s1 20X primer
Cxcr6 Thermofisher Scientific Mm02620517_s1 20X primer
Eomes Thermofisher Scientific Mm01351985_s1 20X primer
Ets1 Thermofisher Scientific Mm01175819_s1 20X primer
Foxo1 Thermofisher Scientific Mm00490672_s1 20X primer
Gapdh Thermofisher Scientific Mm03302249_s1 20X primer
Gata3 Thermofisher Scientific Mm00484683_s1 20X primer
Gm-csf Thermofisher Scientific Mm01136644_s1 20X primer
Hes1 Thermofisher Scientific Mm01342805_s1 20X primer
Hprt Thermofisher Scientific Mm00446968_s1 20X primer
Id2 Thermofisher Scientific Mm01293217_s1 20X primer
Il-12rb2 Thermofisher Scientific Mm00711781_s1 20X primer
Il-18r1 Thermofisher Scientific Mm00515178_s1 20X primer
Il-1rl1 Thermofisher Scientific Mm00434237_s1 20X primer
Il-22 Thermofisher Scientific Mm001226722_s1 20X primer
Il-23r Thermofisher Scientific Mm00519943_s1 20X primer
Il-2ra Thermofisher Scientific Mm01340213_s1 20X primer
Il-2rb Thermofisher Scientific Mm01195267_s1 20X primer
IL-7r Thermofisher Scientific Mm00434295_s1 20X primer
Klr5 Thermofisher Scientific Mm04207528_s1 20X primer
Lef1 Thermofisher Scientific Mm00550265_s1 20X primer
Ncr1 Thermofisher Scientific Mm01337324_s1 20X primer
Nfil3 Thermofisher Scientific Mm01339838_s1 20X primer
Notch1 Thermofisher Scientific Mm00435249_s1 20X primer
Notch2 Thermofisher Scientific Mm00803069_s1 20X primer
Rora Thermofisher Scientific Mm01173766_s1 20X primer
Rorc Thermofisher Scientific Mm01261022_s1 20X primer
Runx3 Thermofisher Scientific Mm00490666_s1 20X primer
Tbx21 Thermofisher Scientific Mm01299453_s1 20X primer
Tcf3 Thermofisher Scientific Mm01175588_s1 20X primer
Tcf7 Thermofisher Scientific Mm00493445_s1 20X primer
Tle1 Thermofisher Scientific Mm00495643_s1 20X primer
Tle3 Thermofisher Scientific Mm00437097_s1 20X primer
Tsc22d3 Thermofisher Scientific Mm01306210_s1 20X primer
Tnfrsf11a Thermofisher Scientific Mm00437132_s1 20X primer
Tox Thermofisher Scientific Mm00455231_s1 20X primer
Zbtb16 Thermofisher Scientific Mm01176868_s1 20X primer
Zbtb7b Thermofisher Scientific Mm00784709_s1 20X primer
qPCR Master mix  Applied BioSystems P/N 4304437
2X Assay Loading Reagent Fluidigm P/N 85000736 Specific density medium to load assays in multiplex RT-qPCR microfluidic chip. 
2X Sample Loading Reagent Fluidigm P/N 85000735 Specific density medium to load samples in multiplex RT-qPCR microfluidic chip. 
48.48 mutliplex RT qPCR microfluidic chip Fluidigm BMK-M-48.48 48.48 Dynamic Array IFC for Gene Expression;chip for single cell multiplex RT-qPCR reaction
48.48 mutliplex RT qPCR microfluidic chip controller Fluidigm 89000020 48.48 IFC Controller; control the chip internal fluidic system, load samples and assays in reaction chambers
mutliplex RT qPCR microfluidic thermocycler Fluidigm GE48.48 48.48 Dynamic Array IFC thermocycler
96-well plates Thermofisher Scientific AB 1100 96-well plates adapted for cell sorting and thermocycling
C57Bl/6 mice Janvier C57Bl/6 miceJ@RJ
10 mL syringe BD Biosciences 309639
PBS Life Technologies 14040174
HBSS Life Technologies 24020133
RPMI Life Technologies 61870044
FCS CVFSVF000U Eurobio Abcys Standard fœtal calf serum
Potter tube N/A
15 mL tube Corning 352097
1.5 mL tube Sigma-Aldrich T9661-1000EA
Facs machine N/A
centrifuge  Thermofisher Scientific 75004538
1000 µL tips Fisher Scientific 10313272
P1000  Gilson F123602
Percoll Dominique Dutscher 17-0891-01
Facs tube Falcon 352235
anti-CD8 Biotin mouse antibody Sony 1103520 lineage antibody
anti-CD19 Biotin mouse antibody Sony 1177520 lineage antibody
anti-TCRab Biotin mouse antibody BioLegend 109204 lineage antibody
anti-TCRgd Biotin mouse antibody BD Biosciences 553176 lineage antibody
anti-Ter119 Biotin mouse antibody BD Biosciences 553672 lineage antibody
anti-Gr1 Biotin mouse antibody BD Biosciences 553125 lineage antibody
anti-CD45.2 PerCPCy5.5 mouse antibody BioLegend 109828
anti-IL7ra PeCy7 mouse antibody ebioSciences 25-1271-82
anti-CD3 BV510 mouse antibody BD Biosciences 563024
anti-CD4 BV786 mouse antibody BD Biosciences 563727
anti-NKp46 PE mouse antibody ebioSciences 12-3351-82
Streptavidin Sony 2626025
Propidium Iodide Sigma-Aldrich P4864-10ML
Electronic pipette Eppendorf 4986000017
Combitips 0.1 mL Eppendorf 30089405
Multichannel pipette Rainin L8-10XLS+
Accudrop BD Biosciences 345249 verification beads for FACS

References

  1. Sun, H., et al. A Bead-Based Microfluidic Approach to Integrated Single-Cell Gene Expression Analysis by Quantitative RT-PCR. RSC Adv. 5, 4886-4893 (2015).
  2. Kellogg, R. A., Berg, R. G., Leyrat, A. A., Tay, S. High-throughput microfluidic single-cell analysis pipeline for studies of signaling dynamics. Nat. Protoc. 9 (7), 1713-1726 (2014).
  3. Moignard, V., Macaulay, I. C., Swiers, G., Buettner, F., Schütte, J. Characterisation of transcriptional networks in blood stem and progenitor cells using high-throughput single cell gene expression analysis. Nat. Cell Biol. 15 (4), 363-372 (2013).
  4. Chea, S., Schmutz, S., et al. Single-Cell Gene Expression Analyses Reveal Heterogeneous Responsiveness of Fetal Innate Lymphoid Progenitors to Notch Signaling. Cell Rep. 14 (6), 1500-1516 (2016).
  5. Ishizuka, I. E., Chea, S., et al. Single-cell analysis defines the divergence between the innate lymphoid cell lineage and lymphoid tissue – inducer cell lineage. Nat. Immunol. 17, 1-9 (2016).
  6. Spits, H., Artis, D., et al. Innate lymphoid cells – a proposal for uniform nomenclature. Nat.Rev. Immunol. 13 (2), 145-149 (2013).
  7. Walker, J. A., Barlow, J. L., McKenzie, A. N. J. Innate lymphoid cells- how did we miss them. Nat. Rev. Immunol. 13 (2), 75-87 (2013).
  8. Vallentin, B., Barlogis, V., et al. Innate Lymphoid Cells in Cancer. Cancer Immunol. Res. 3 (10), 1109-1114 (2015).
  9. Monticelli, L. a., Artis, D. Innate lymphoid cells promote lung tissue homeostasis following acute influenza virus infection. Nat. Immunol. 12 (11), 1045-1054 (2012).
  10. Tang, L., et al. Differential phenotypic and functional properties of liver-resident NK cells and mucosal ILC1s. J. Autoimmun. 67, 29-35 (2015).
  11. Durum, K., Gilfillan, S., Colonna, M., Consortium, G. Transcriptional Programs Define Molecular Characteristics of Innate Lymphoid Cell Classes and Subsets. Nat. Immunol. 16 (3), 306-317 (2015).
  12. Wang, H., Ramakrishnan, A., Fletcher, S., Prochownik, E. V., Genetics, M. Clonal dynamics of native haematopoiesis. Nature. 2 (2), 322-327 (2015).
  13. Samsa, L. A., Fleming, N., Magness, S., Qian, L., Liu, J. Isolation and Characterization of Single Cells from Zebrafish Embryos. J. Vis. Exp. (109), e1-e10 (2016).
  14. Klose, C., Flach, M., et al. Differentiation of Type 1 ILCs from a Common Progenitor to All Helper-like Innate Lymhpoid Cell Lineages. Cell. 157, 340-356 (2014).
  15. Dicle, Y., et al. Bioinformatics Approaches to Single-Cell Analysis in Developmental Biology. MHR. 22, 182-192 (2016).
  16. Setty, M., et al. Wishbone identifies bifurcating developmental trajectories from single-cell data. Nat Biotechnol. 34, 637-645 (2016).

Play Video

Cite This Article
Perchet, T., Chea, S., Hasan, M., Cumano, A., Golub, R. Single-cell Gene Expression Using Multiplex RT-qPCR to Characterize Heterogeneity of Rare Lymphoid Populations. J. Vis. Exp. (119), e54858, doi:10.3791/54858 (2017).

View Video