Summary

Eencellige genexpressie met behulp van Multiplex RT-qPCR heterogeniteit van Rare lymfoïde populaties karakteriseren

Published: January 19, 2017
doi:

Summary

Dit protocol beschrijft hoe de expressie van een groot scala van genen op het klonale niveau te beoordelen. Single-cell RT-qPCR levert zeer betrouwbare resultaten met een sterke gevoeligheid voor honderden monsters en genen.

Abstract

Genexpressie heterogeniteit is een interessante functie om te onderzoeken in lymfoïde populaties. Genexpressie in deze cellen varieert gedurende celactivering, stress of stimulatie. Eencellige multiplex genexpressie gelijktijdige beoordeling van tientallen genen 1, 2, 3. Bij de single-cell niveau, multiplex genexpressie bepaalt bevolking heterogeniteit 4, 5. Het maakt het onderscheid van de bevolking door heterogeniteit om zowel de waarschijnlijke precursor mengsel van verschillende stadia bij rijpe cellen en ook de diversiteit van cel responsen op stimuli.

Aangeboren lymfoïde cellen (ILC) zijn recent beschreven als een populatie van aangeboren effectoren van het immuunrespons 6, 7. In dit protocol, cel heterogeniteit van de ILC hijpatic compartiment is onderzocht tijdens homeostase.

Momenteel is de meest gebruikte techniek om genexpressie te beoordelen is RT-qPCR. Deze methode maatregelen genexpressie slechts één gen per keer. Bovendien kan deze methode niet inschatten heterogeniteit van genexpressie, aangezien meerdere cellen zijn nodig voor één test. Dit leidt tot de meting van de gemiddelde genexpressie van de bevolking. Bij de beoordeling van een groot aantal genen, RT-qPCR wordt een tijd-, reagens- en-sample in beslag methode. Vandaar dat de trade-offs beperking van het aantal genen of celpopulaties die kunnen worden geëvalueerd, waardoor het risico van het missen van de globale beeld.

Dit manuscript beschrijft hoe ééncellige multiplex RT-qPCR kan worden gebruikt om deze beperkingen te overwinnen. Deze techniek heeft geprofiteerd van de recente technologische vooruitgang microfluidics 1, 2. Reacties die zich in multiplex RT-qPCR chips niet exceed de nanoliter-niveau. Derhalve eencellige genexpressie, en gelijktijdige meervoudige genexpressie, kan worden uitgevoerd in een reagens-, bemonster- en kosteneffectieve manier. Het is mogelijk om cellen genen profiel heterogeniteit testen op klonale niveau tussen celsubsets binnen een populatie in verschillende ontwikkelingsstadia of onder verschillende omstandigheden 4, 5. Aan zeldzame populaties met een groot aantal omstandigheden op de single-cell niveau niet langer een beperking.

Introduction

In de afgelopen jaren, aangeboren lymfoïde cellen (ILC) in toenemende mate onderzocht. Ondanks het ontbreken van antigeen-specifieke receptoren, zij behoren tot de lymfoïde afstamming en vormen belangrijke wachters voor weefsel homeostase en ontsteking. ILC's worden momenteel onderverdeeld in drie groepen op basis van hun expressie van specifieke transcriptiefactor en combinaties van hun vermogen om cytokinen 6, 7 produceren.

ILC tot talrijke homeostatische en pathofysiologische situaties in diverse organen via specifieke cytokineproductie 8, 9. Om de rol van deze cellen te begrijpen, is het belangrijk om de verschillende subpopulaties ILC per orgaan bepalen en hun ontwikkeling relaties aan te geven. Bovendien zijn verschijnselen plasticiteit tussen de verschillende subgroepen gerelateerd. Door het bestuderen van de heterogeniteitvan de onderhavige in een orgaan cellen, is het mogelijk om het stadium van rijping te bepalen en hun specifieke functies te onderscheiden.

Om de techniek van single-cell multiplex RT-qPCR te illustreren, werden de lever ILC gekozen, met een bijzondere nadruk op de heterogeniteit binnen dezelfde ILC groep (type 1 ILC) 10. Enerzijds door middel van flowcytometrie, werden drie verschillende populaties ILC kenmerk in de lever. Groep 1 ILC vertegenwoordigt ongeveer 80% van het aangeboren effectoren, terwijl de twee andere populaties zeldzame hepatische ILC populatie (minder dan 5% van het aangeboren effectoren). Die populaties werden gesorteerd met behulp van algemeen voor het celoppervlak markers van ILC populaties. Hierdoor gesorteerd ILC populaties in de lever kijken grote lijnen gelijk aan elkaar.

Eencellige multiplex RT-qPCR heeft ontpopt als een van de beste technieken om onmiddellijk een onderzoek in de heterogeniteit van deze populaties 11 </sup>. Twee belangrijke eigenschappen worden bepaald door gebruik te maken van de eencellige multiplex RT-qPCR techniek. Ten eerste, door naar de klonale niveau, is het mogelijk om cel-specifieke genexpressie herstellen gedurende vergelijking van cellen die blijkbaar vergelijkbaar ontwikkelingsstadia geven. Vervolgens, door naar een vooraf geselecteerde combinatie van genexpressie, zullen we nieuwe genen handtekeningen bepalen gebaseerd op de gelijktijdige genexpressie patronen op één tijdstip. Deze aspecten staat hem toe allerlei expressie gegevens voor een groot aantal cellen, zelfs op zeldzame populatie, omdat de techniek wordt uitgevoerd op klonale niveau. Daardoor kan ILC heterogeniteit in de lever voldoende beoordeeld.

Vervolgens sorteert alle cellen met een globaal ILC fenotype, een breed overzicht van de meervoudige genexpressie van de lever ILC populaties wordt verkregen, hoewel ze vertegenwoordigen uiterst zeldzaam populaties. A-microfluïdische gebaseerde chip maakt het mogelijk experimenteren met nogeen kleine hoeveelheid celmateriaal. Bijgevolg kan de genexpressieprofielen van zeldzame celpopulaties worden verkregen. Met behulp van online gen handtekening analyse software, mobiele bevolking clusters en potentiële cel relaties kunnen worden onderzocht. Bijgevolg kunnen functionele tests worden uitgevoerd om de clustering gegevens op in vivo niveau valideren.

Tientallen genexpressies kunnen gelijktijdig worden beoordeeld op honderden of meerdere elementaire cellen op dezelfde chip 3, 11, 12. Uitvoering van de test is het langste en belangrijkste deel van het experiment. De bepaling van de genen voor de hypothese relevant beproeven essentieel om relevante resultaten te verkrijgen. Ten tweede, interne controle (zoals bekend oppervlaktemerkers gebruikt voor sorteren) en specifieke controles nodig. Dit is belangrijk om de primer amplificatie specificiteit, de efficiëntie van de amplificatie en t testenHij afwezigheid van primer concurrentie. Daarom werken met eencellige multiplex RT-qPCR is een tijdbesparende techniek als meervoudige genexpressie van een cel wordt beoordeeld tegelijkertijd.

Met dezelfde chip en mengeling van reagentia voor alle cellen beperkt de mogelijke fouten van manipulatie en maakt reproduceerbaarheid tussen monsters. Geheel, de verschillende aspecten van eencellige multiplex RT-qPCR maakt de productie van zeer betrouwbare resultaten op klonale niveau met een grote mate van gevoeligheid voor diverse monsters en genen. De behaalde resultaten bieden krachtige en betrouwbare gegevens voor biostatistical testen.

Dit kan worden bereikt door de microfluïdische aspect van de methode, waarmee het werk aan zeer kleine hoeveelheden materiaal en leidt tot uitgebreide gegevens. Bovendien zullen, met online software, is het mogelijk om de gewenste populaties vergelijken.

Protocol

Alle dierproeven werden goedgekeurd door het Pasteur Instituut commissie Veiligheid in overeenstemming met het Franse Ministerie van Landbouw en de EU-richtlijnen. 1. Maak een 96-well Single-cell sorteren Plate Bereid voorversterking mix in een 1,5 ml buis door het toevoegen van 5,0 pi specifieke retro-transcriptie buffer, 1,3 pl lage ethyleendiaminetetraazijnzuur (EDTA) TE-buffer (10 mM TE, pH 8, en 0,1 mM EDTA oplossing, 0,2 uM gefiltreerd ) en 0,2 pi Taq DNA polymerase per putje (figuur 1a)…

Representative Results

Lymfoïde populatie weer grote diversiteit in genexpressie. In dit protocol, werd de lever ILC compartiment heterogeniteit onderzocht met behulp van single-cell multiplex RT-qPCR genexpressie. In tegenstelling tot andere genexpressie technieken eencellige multiplex RT-qPCR genexpressie laat werken op verschillende populaties, zelfs de meest zeldzame, tegelijkertijd. Deze specificiteit in combinatie met een hoge gevoeligheid op klonale niveau maakt het onderzoek van verschillen in gen han…

Discussion

Dit protocol beschrijft hoe uitputtend genexpressie informatie op het klonale niveau te verkrijgen. Hier, onderzochten we de lever ILC compartiment heterogeniteit. Na eencellige sorteren van de verschillende ILC populaties (gebaseerd op algemeen voor ILC oppervlak markers), monsters werden voorversterkte voor specifieke vooraf geselecteerde genen. Vervolgens worden de verkregen cDNA en primers werden op een multiplex RT-qPCR microfluïdische chip. Tenslotte kregen we de expressie van 48 genen van verschillende 48 indivi…

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