단일 셀 시퀀싱 생물 학적 시스템, genotypic이 보여 하지만 현재 기술 커뮤니티 구성 및 기능의 깊은 프로 파일링에 필요한 처리량 부족. 여기, 우리는 미세 워크플로 시퀀싱에 대 한 설명 > 다양 한에서 50000 단일 셀 게놈 세포 인구.
시퀀싱 기술 생물 학적 시스템에서 세포질이 성분의 역할의 진화 이해에 대 한 응답에서 단일 셀 해상도로 대량에서 패러다임의 변화를 받은. 그러나, 큰 인구의 단일 셀 시퀀싱 게놈 시퀀싱에 대 한 처리에 제한에 의해 방해 되어 있다. 이 종이에 우리는 방법 분리, 증폭, 드롭릿 마이크로 사용 하 여 단일 셀 게놈 시퀀싱 (SiC-seq) 및 바코드 단일 세포의 게놈 설명 합니다. 미세 합병 효율적으로 쌍 각 게놈 독특한 단일 셀 oligonucleotide 바코드와 함께 하는 동안 microgels에 셀 캡슐화 compartmentalized 정화와 DNA의 tagmentation 수 있도록 > 50000 단일 셀 시퀀싱 할 당 실행 합니다. 시퀀싱 데이터는 역다중화 바코드를 생성 하는 단 세포에서 발생 하는 읽기의 그룹에 의해. 단일 셀 시퀀싱의 높은 처리량과 낮은 바이어스 방법으로 SiC-seq는 광범위 한 게놈 연구를 대상으로 다양 한 세포 인구 수 있게 된다.
게놈은 세포 id 및 기능, 전체 유기 체를 포함 하는 청사진의 잠재력을 코딩 있습니다. 게놈 수준에서 세포 생물학의 이해는 다른 유형의 세포 인구에서 관찰 된 phenotypic 다양성을 설명할 수 있다. 이 이종 생물 학적 시스템에서 이며 인류 건강 및 질병에 대 한 광범위 한 의미를 갖는다. 예를 들어 종양 세포 중 유전자 복사 번호 유사 진화 및 암1,2의 확산에 연결 됩니다. 세균 감염, pathogenicity 제도 게놈의 작은 분수에 수평으로 옮겨질 수 있다 하 고 항생제 내성 박테리아3,4의 확산으로 이어질. 단일 셀 수준에서 유전자를 공부 하 고 있는 주요 과제의 DNA, 세포의 수천을 분석할 필요가 genotypes의 전체 다양성을 낮은 수량입니다. 이러한 이유로 실험 처리량에서 제한 단일 셀 연구, 가장 풍부한 셀 쪽으로 결과 바이어 싱의 효과 방해 했습니다. 단일 셀 격리 기법5,6, 광학 핀셋7, 대량 젤8, 및9 마이크로 임베디드 정렬 흐름 등은 시퀀싱;에 대 한 셀의 수백 처리할 수 그러나, 이것은 대부분 샘플의 극히를 일부에 나타냅니다. 실질적으로 더 높은 처리량을 가진 단일 셀 게놈 시퀀싱 하는 방법을 더 깊이 그리고 더 완전 한 세포 인구, 따라서 elucidating genotypic 다양성이 지역이 사회 내에서 역할의 프로 파일링 수 있습니다.
드롭릿 마이크로 셀과 picoliter 스케일 원자로의 수백만에서 생물학 시 약의 높은 처리량 조작 수 있습니다. 날짜 하려면, microdroplet 기술 이질적인 조직10,,1112, 셀 중 차동 식 패턴을 공부 하는 데 사용 되었습니다 깊이 긴 분자13,14 시퀀스 ,15및 단일 셀16행위 chromatin immunoprecipitation 시퀀싱 (칩 seq) 분석. 실제로, microdroplets 높은 처리량, compartmentalized 작업, 그들을 단일 셀 유전체학에 의무가 응용 프로그램 만들기 수 있다. 그러나이 기술 개발 과제가 그것의 자신의 독특한 기술, 있습니다. 셀 lysed 해야 합니다 정화, 고 균일 하 게 샘플 세포 인구를 최소한의 바이어스 증폭. 또한, polyadenylated 포유류 세포에 있는 mRNA 사본는 달리 아무 유사한 분자 모티브 대상 핵 산의 캡처를 촉진 하기 위하여 게놈에서. 이러한 이유로, 단일 셀 게놈 시퀀싱 microdroplet 플랫폼에서 구현 하기 어려운 되었습니다.
이 작품에서는, 우리는 단일 실험17셀의 수천 수만의 게놈을 시퀀싱 할 수 이전에 보고 된 단일 셀 미세 접근의 상세한 프로토콜을 제공 합니다. 이 기술로, SiC-seq 라는 세균 세포 미크론 규모 hydrogels에 개별적으로 lysed, tagmented, 그리고 독특한 oligonucleotide 바코드를 통해 세포의 게놈 DNA에 접합 되는 포함 하는 microdroplet와 합병 한 단일 중복 확장 중 합 효소 연쇄 반응 (PCR). hydrogels는 높은 분자 무게 genomic DNA sterically 쌌 다, 세제 및 액세스 하 여 DNA barcoding18전에 정화 용균성 효소와 같은 작은 분자를 허용 하는 절연된 컨테이너 역할을 합니다. 이 프로토콜 처리 > 결과 바코드 라이브러리 시퀀싱에 대 한 준비에 시간의 문제에 50000 단일 셀. 시퀀싱, 따라 읽기는 셀룰러 인덱스와 각 데이터 집합의 읽기, 수백만의 구성의 결과로 그들의 단일 셀 바코드 순서 대로 역다중화.
SiC-seq 미세 워크플로 세균성 세포의 수천에서 단일 셀 게놈 시퀀싱 데이터를 생성합니다. Microgel-캡슐화 된 세포의 유전자에 접합 하는 디지털 바코드는 철에 deconvolution NGS 데이터의 바코드 읽기 같은 셀에서 발생의 그룹으로 허용 합니다. 알려진된 구성의 미생물 지역 사회와 함께 제어 실험은 바코드 그룹의 순도 평가 하는 데 필요 합니다. 저 순도 그룹의 큰 분수 셀 캡슐화 속도가 너무 높습니다 하거나 중요 한 물방울 교차 오염을 미세 처리 단계 동안 발생 하는 나타냅니다. 통계에 따르면 푸아송, 바코드와 셀 모든 비어 있지 않은 물방울의 5% 미만에 다중 캡슐화 이벤트의 속도 제한에 모든 10 드랍 스에 대 한 1 입자의 대상 비에 캡슐화 한다. Dropmaking 과정에서 캡슐화 비율의 확인은 매우 중요 하므로 이것 보다 더 높은 요금을 캡슐화 기 하 급수적으로, 남자의 속도 증가 시킵니다. 사용자가 읽기 같은 바코드 순서를 공유 하는 다른 세포에서 분리 된 bioinformatically 수 없습니다 하기 때문에 단일 microgel에 여러 셀의 캡슐화의 특히 신중 해야 합니다. 경우에는 1 셀 수신 2 다른 바코드, 바코드 그룹 순수성 비록 풍부한 통계는 비뚤어진 바코드 시퀀스에 의해 계산 하는 때 영향을 받지 않습니다.
드롭릿 교차 오염 또한 차선 합병 조건으로 인해 발생할 수 있습니다. 성공적인 작업 중 미세 합병 장치 (그림 5) 1 microgel와 1 바코드 물방울과 PCR 시 약의 볼륨 controllably 쌍 수 있습니다. 비-이상적인 흐름 속도 잘못 된 비율에서 쌍 방울 귀 착될 것 이다: 1 바코드 예 2 microgels와 결합 수 있습니다. 프로토콜에 나열 된 모든 흐름 율 추정 될 것입니다 그리고 장치 형상과 방울 크기에 약간의 변화에 따라 조정 해야 할 수 있습니다. 고속 녹화 기능으로 카메라에 액세스할 수 있는 사용자 (> 10000 프레임/s) 시작 및 미세 작업의 과정을 통해 올바른 드롭릿 합병을 확인 해야 합니다. 고속 카메라에 액세스 하지 않고 사용자가 병합 된 출력의 작은 볼륨을 수집 하 고 수동으로 측정 현미경으로 작은 물방울 크기 수 있습니다. 작은 물방울 크기 균일 해야: 병합 되지 않은 바코드 또는 microgel 상품의 초과 나타냅니다 reinjection 요금 따라 감소 되어야 한다.
몇 가지 일반적인 예방 조치 취해야 한다 microgels와 microdroplets를 처리 하는 때 그들의 무결성을 유지 하. Microgels, 비록 기계적으로 강력 하 고, 해야 될 충분히 냉각 침입 및 완전 한 겔 화 되도록 조치를 세척 하기 전에. 비 구형 microgels는 표시는 agarose을 강화 하기 위해 충분 한 시간을 주어진. Microgels 세척 할 경우 제품의 손실을 방지 하기 위해 필요한 속도에서 정지 아래로 회전 합니다. Agarose 히드로 밀접 하 게 일치는 물의 굴절률 있으며 사용자가 신중 하 게 포부 전에 젤-액체 경계를 식별 해야 하므로 튜브22볼 하기 어려울 수 있습니다. 물에 기름 방울 정적 세력23 실험실 장갑과 튜브에의 하 여 접착을 따르게 됩니다. 이러한 이유로, 맨 손으로 물방울 reinjection 주사기를 로드 하 고 모든 reinjection 라인 펌프 못쓰게 하기 전에 정전기 방지 총을 치료 하는 것이 좋습니다. 큰 병합된 방울 주사기에 유화 액을 천천히 회전 하 고 수동으로 그들의 더 큰 부 력 힘 때문에 위쪽에 축적 큰 방울을 발음 하 여 제거할 수 있습니다.
SiC-seq는의 단일 셀 게놈 시퀀싱을 보여 주기 위해 첫 번째 기술 > 50000 세균성 세포. 이 플랫폼 기존 접근에 비해 처리량에 상당한 이점을 제공 하 고 이기종 미생물 커뮤니티의 깊은 샘플링을 수 있습니다. 날짜 하려면, 단일 셀 게놈 시퀀싱에 대 한 미세 기술 microchambers9 와 microwells24 셀 절연 및 증폭, 하지만 처리량만 수십 수백 개의 셀의 범위에서 고용 했다. Wellplates5,6 으로 단일 셀의 흐름 정렬 없음 특수 미세 계측을 필요 하지만 마찬가지로 낮은 처리량을 소유한 다. 토양 및 물 샘플 환경에서 일반적으로 있다의 알파 다양성을 감안할 때 > 종에 1, 000 레벨25,26, SiC seq 생물의 훨씬 더 큰 수를 샘플링 하는 기능 덕택으로 매우 유리 하다. SiC-seq 워크플로 실험실 문화, 자연 환경 또는 생활 호스트에서 셀 입력을 적응할 수 있습니다. 셀 샘플 필요만 수성 현 탁 액 및 큰 입자의 무료 (> 10 µ m) 미세 캡슐화에 대 한 적합 하다. 예를 들어 메서드는 세척의 시리즈를 사용 하 여 및 캡슐화17이전 셀을 전처리 하는 단계를 필터링 해 수의 샘플에 이전 적용 되었다.
SiC-seq 프로토콜 각 단일 셀에서 시퀀싱 데이터의 상대적으로 부족 한 금액을 생성 하 고 모든 응용 프로그램에 적합 하지 않을 수 있습니다. 전화 드 노 보 게놈 어셈블리 또는 단일 뉴클레오티드 변종 (SNV) 같은 생물 정보학 알고리즘 일부 높은 범위 깊이 효과적으로 작동 하려면 필요 합니다. 대신, 바코드 그룹은 클러스터 된 철에 의해 분류학 범주화 방법27 알고리즘 읽기의 큰 세트에 적용 될 수 있도록 수 있습니다. SiC-seq 워크플로의 상대적으로 낮은 전반적인 barcoding 효율성 또한 입력된 샘플의 가용성 낮은 경우에서 과제를 선물 수 있습니다. SiC-seq 포아송 분포 바코드 캡슐화 단계에 의존, 따라서 세포의 약 10% 분자 바코드를 받을 마지막 라이브러리 준비 단계 중에 증폭 됩니다. 이것은 다른 microdroplet 기반 바코드 제도10, 소중한 셀 샘플을 사용 하는 사용자가 시퀀싱에 대 한 적절 한 라이브러리 수익률을 달성 하는 어려움이 있을 수 있습니다. 고 마지막에 PCR 사이클의 수를 늘려야 할 수 있습니다. 증폭 단계입니다. 미세 전문 기술 사용자를 위한 또 다른 잠재적인 솔루션 디지털 PCR 단계, 따라서 전체 바코드 효율 가져온 후 긍정적인 바코드 방울을 정렬 하는 > 8528.
SiC-seq 기술에 대 한 잠재적인 미래 방향을 새로운 임상 연구는 단일 셀에 대 한 방법을 포장 하는 포유류 세포와 함께 사용 하기 위해 워크플로 적응 이다. 예를 들어, 단일 암 중 복사 번호 유사의 분석 5 월 세포 암 병 리2에서 성분의 역할에 대 한 우리의 이해를 더. 또는 관심29 의 DNA 시퀀스를 풍부 하 게 조사 하는 기존의 방법 SiC-seq를 통합 모집단의 대상으로 단일 셀 시퀀싱 또는 셀의 희귀 한 변종 사용할 것. 환경 샘플, 알려진된 신진 대사 통로 내에서 유전자는 대상 고 소설 게놈 제도 식별 하는 유전자를 이웃과 함께 콘텐츠 분석 될 수 있습니다. 인간의 호스트 환경 내에서 낮은 titer 병원 성 박테리아 샘플 격리 될 수 있습니다 및 더 많은 검사를 단일 세포 수준에서 밀접 하 게 시퀀싱 독성의 genotypic 그들의 기원.
The authors have nothing to disclose.
이 작품 경력 수상 (DBI-1253293 번호 부여);를 통해 국립 과학 재단에 의해 지원 되었다 국립 보건원 (NIH) (보조금 번호 HG007233-01, R01-EB019453-01, 1R21HG007233, DP2-AR068129-01, R01-HG008978); 그리고 방위 고급 연구 프로젝트 기관 생활 파운드리 프로그램 (계약 번호 HR0011-12-C-0065, N66001-12-C-4211, HR0011-12-C-0066).
3" silicon wafers, P type, virgin test grade | University Wafers | 447 | |
SU-8 3025 photoresist | Microchem | 17030192 | |
Spin coater | Specialty Coating Systems | G3P-8 | |
Photomasks | CadArt Servcies | (custom) | See Supplemental Files for mask designs |
PGMEA developer | Sigma-Aldrich | 484431 | |
Isopropanol | Sigma-Aldrich | 109827 | |
Sylgard 184 silicone elastomer kit | Krayden | 4019862 | |
Degassing chamber | Bel-Art | 42025 | |
0.75 mm biopsy punch | World Precision Instruments | 504529 | |
Glass microscope slides (75 mm x 50 mm) | Corning | 294775X50 | |
Aquapel (hydrophobic glass treatment) | Pittsburgh Glass Works | 47100 | |
PE-2 polyethylene tubing | Scientific Commodities | B31695-PE/2 | |
1 mL syringes | BD | 309628 | |
27 gauge needles | BD | 305109 | |
Syringe pump | New Era Pump Systems | NE-501 | |
Novec HFE-7500 fluorinated oil (HFE) | 3M | 98-0212-2928-5 | |
FC-40 fluorinated oil | Sigma-Aldrich | F9755 | |
PEG-PFPE surfactant | Ran Biotechnologies | 008-FluoroSurfactant | |
Space heater | Lasko | CD09250 | |
Agarose, low gelling temperature | Sigma-Aldrich | a9414 | |
TE (10X) | Rockland | mb-007 | |
PBS 1X, pH 7.4 | E&K Scientific Products | EK-65083 | |
OptiPrep (density gradient medium) | Sigma-Aldrich | d1556 | |
1H,1H,2H-Perfluoro-1-Octanol (PFO) | Sigma-Aldrich | 370533 | |
Span 80 (sorbitane monooleate) | Sigma-Aldrich | s6760 | |
Hexane | Sigma-Aldrich | 139386 | |
Tween 20 (polysorbate 20) | Sigma-Aldrich | p2287 | |
Lysozyme Type IV | MP Biomedicals | 195303 | |
Mutanolysin | Sigma-Aldrich | M9901 | |
Zymolyase (yeast lytic enzyme) | Zymo Research | e1004 | |
Lysostaphin | Sigma-Aldrich | L7386 | |
Sodium chloride | Sigma-Aldrich | S9888 | |
EDTA | Sigma-Aldrich | E6758 | |
Tris-HCl, pH 7.5, 1M | Invitrogen | 15567-027 | |
Dithiothreitol (DTT) | Teknova | d9750 | |
Lithium dodecyl sulfate | Sigma-Aldrich | L9781 | |
Proteinase K | New England Biosciences | P8107S | |
Ethanol, 200 Proof (100%) | Koptec | V1001 | |
SYBR Green I (nucleic acid stain) | Invitrogen | S7563 | |
PEG 6k | Sigma-Aldrich | 81260 | |
Triton X-100 (octylphenol ethoxylate) | Sigma-Aldrich | t8787 | |
Nextera DNA Library Prep Kit | Illumina | FC-121-1030 | |
Phusion Hot Start Flex Master Mix (High-Fidelity Hot Start Master Mix) | New England Biosciences | m05365 | |
Platinum Multiplex PCR Master Mix (Taq Master Mix) | Applied Biosystems | 4464263 | |
Warmstart 2.0 Bst Polymerase (isothermal polymerase) | New England Biosciences | m0538m | |
NT buffer from Nextera XT kit (neutralization buffer) | Illumina | FC-131-1024 | |
Cold cathode fluorescent inverter | (custom) | (custom) | |
DC power supply | Mastech | HY1503D | |
Zerostat 3 anti-static gun | Milty | 5036694022153 | |
3D-printed centrifuge syringe holder | (custom) | (custom) | See Supplemental Files for 3D print file |
Zymo DNA Clean & Concentrator-5 | Zymo Research | D4003 |