単一セル配列は生物学的システムにおける遺伝的異質性を明らかに、現在の技術は群集組成と機能の深いプロファイリングに必要なスループットを欠けています。ここでは、配列のためのマイクロ流体ワークフローについて述べる > 多様なから 50,000 の単一細胞ゲノム細胞群。
シーケンス テクノロジーは、生物学的システムの一括から細胞多様性の役割の進化の理解への応答の単一セルの解像度へのパラダイム シフトを受けています。ただし、大規模な集団の単一セル配列をゲノム配列のための処理の制限によって妨げられています。本稿で単一細胞のゲノム液滴マイクロ流体を使用して、分離、増幅、単一細胞のゲノム解読 (SiC seq) とバーコードの手法について述べる。Microgels の電池を封止材により区分された精製と DNA の tagmentation マイクロ合併効率的にユニークな単一セル オリゴヌクレオチド バーコードを各ゲノムのペア間を許可する > シーケンスする 50,000 の単一細胞ごとに実行します。シーケンス データはバーコードで読み取り単一細胞由来のグループを生成する反多重送信します。単一セルの配列の高スループットと低バイアス方法として SiC seq は多様な細胞集団を対象としたゲノム研究の広い範囲を可能になります。
ゲノムは提供しています携帯電話 id および有機体の全体を含む関数の青写真の潜在性をコーディングします。ゲノムのレベルで細胞生物学の理解は、異種細胞集団内で観察される表現型の多様性を説明できます。この不均一性は生物学的システムに明らかで、人間の健康および病気の広範な影響。たとえば、腫瘍細胞の中で遺伝子コピー数変異は進化とガン1,2の普及にリンクされています。細菌感染症で、病原性諸島ゲノムのごく一部に存在は水平方向に転送することができ、抗生物質耐性菌3,4の増殖に 。単一細胞レベルのゲノムの研究に主な課題は、DNA は細胞の何千もを分析する必要性と同様にフル遺伝子型の多様性をサンプルの少量です。これらの理由から、実験的スループットの制限は、単一細胞研究、最も豊富なセルに向かって結果をバイアスの効果を妨げています。5,6、光ピンセット7、一括ゲル8、およびマイクロ9の埋込みを並べ替えの流れなど単一細胞分離技術は、細胞配列の何百もの処理が可能ただし、これはほとんどのサンプルの小さい一部分だけを表します。大幅により高いスループットの単一細胞ゲノムの配列決定法によりこれらのコミュニティ内での遺伝的多様性の役割の解明、細胞集団のより深くより完全なプロファイリングできるようになります。
液滴マイクロ細胞と何百万もピコリットル分原子炉の内で生物学的試薬の高速操作ができます。までに、技術は、異種組織10、11,12, からの細胞の中で発現パターンの研究に使用されている点滴深くシーケンス長い分子1314, ,15、および単一セル16の行為クロマチン免疫沈降シーケンス (チップ seq) 分析。確かに、微小油滴中、高スループット、区分された操作、単一細胞ゲノムで影響を受けやすいアプリケーションを作ることができます。この技術の開発は、しかし独自のユニークな技術課題を提示します。細胞の分離、精製と一様にサンプルの細胞集団に、最小限のバイアスを増幅する必要があります。さらに、哺乳類細胞における polyadenylated mRNA のコピーと異なり無い対等な分子モチーフで、ターゲット核酸の捕獲を促進する遺伝子。これらの理由から、単一細胞ゲノムは液滴のプラットフォームで実装することは困難されています。
この作品は、以前に報告した単一細胞マイクロ取り組み17単一の実験で細胞の数万人のゲノムを配列することができるの詳細なプロトコルを提供します。SiC seq と呼ばれるこの技術は、細菌細胞のミクロン スケール ゲルのカプセル化し個別に溶解し, tagmented, とを介して細胞のゲノム DNA に融着接続はユニークなオリゴヌクレオチド バーコードを含む液滴を吸収合併、シングル オーバー ラップ拡張子ポリメラーゼの連鎖反応 (PCR)。ゲルは、高分子量 DNA 立体包み込まれている、洗剤などにアクセスし、バーコード18前に DNA を浄化する溶菌酵素より小さい分子を許可する分離のコンテナーとして機能します。このプロトコルの処理 > バーコード ライブラリ シーケンスの準備ができて、時間の問題で 50,000 の単一細胞。次のシーケンスは、読み取り、読み取りの数百万から成る細胞インデックスを持つ各データセットの結果、単一セル バーコード順序に従ってデマルチプレクスされました。
SiC seq マイクロ ワークフローは、細菌細胞の数千から単一細胞のゲノム シーケンス データを生成します。マイクロジェル カプセル化細胞のゲノムに融着接続デジタル バーコード バーコード読み取り同じ細胞由来のグループに NGS データのインシリコデコンボリューションを可能にします。知られている組成物の微生物群集と制御実験はバーコード グループの純度を評価するために必要です。低純度のグループの大部分は細胞のカプセル化率が高すぎるまたはマイクロ流体処理手順中に発生した重要な液滴交差汚染があることを示します。ポアソン統計によると複数のカプセル化イベントをすべての非空の液滴の 5% 未満の速度を制限するすべての 10 滴の 1 の粒子の目標比率でバーコードとセルをカプセル化する必要があります。これより高い、カプセル化率 dropmaking プロセス中にカプセル化率の検証は非常に重要ですので指数関数的に、ダブレットの率を増加します。同じバーコード シーケンスを共有して別のセルからの読み取りは、区切られた bioinformatically をすることはできませんので、ユーザーは単一マイクロジェルの複数のセルをカプセル化特に警戒しなければなりません。ケースその 1 セル受信 2 異なるバーコード、バーコード シーケンスで数えるときに豊かさ指標が偏っているが、バーコード グループ純度は影響を受けません。
液滴クロスコンタミネーションも次善の合併の条件が原因で起こる可能性があります。成功した操作中にマイクロ合併デバイス (図 5) することができます制御用対 1 マイクロジェル 1 バーコード液滴と PCR 試薬の量。不適切な比率でのペアリング液滴の非理想的な流量になります: 1 バーコードはたとえば 2 microgels を組み合わせることができます。プロトコルに記載されているすべての流量は、見積もりをしてデバイスのジオメトリと液滴のサイズのわずかな変化によって調整する必要があります。高速録画機能カメラへのアクセスを持つユーザー (> 10,000 フレーム/秒) 正しい液滴合併先頭およびマイクロ操作の経過を確認してください。高速カメラへのアクセスのないユーザーは、マージされた出力の小さいボリュームを収集でき、顕微鏡液滴サイズを手動で測定します。液滴サイズを均一にする必要があります: 未反映バーコードまたはマイクロジェル滴の過剰は、還元率を小さく必要がありますを示します。
いくつかの一般的な注意事項は、それらの整合性を維持するために microgels および微小油滴中の処理にすべき。機械的に堅牢なのに Microgels は破壊と完全なゲル化を確保するための手順を洗浄する前に十分に冷却する必要があります。非球面 microgels が agarose がなかったことを示す固化する十分な時間を与えられました。Microgels を洗濯の際は、ダウン懸濁液を製品の損失を避けるために必要な速度で回転します。Agarose のゲルは密接に一致する水の屈折し、管22, ユーザーが吸引前にゲル-液晶境界を慎重に識別する必要がありますので見にくい場合があります。研究室手袋、チューブを静的な力23のビルドアップで合体に水に油滴が受けます。この理由から、読み込み素手液滴還元注射器とポンプのプライミングの前に帯電防止銃を持つすべての還元ラインを治療することをお勧めします。大規模な結合された液滴は、ゆっくりと注射器のエマルジョンを回転と手動で彼らのより大きい浮力のため上部に蓄積するより大きい低下を吸引によって削除できます。
SiC seq の単一細胞ゲノム配列を示す最初の技術 > 50,000 細菌細胞。このプラットフォームは、既存のアプローチに比べてスループットの重要な利点を提供していて、深く異種微生物サンプリングします。日には、マイクロ流体技術による単一細胞ゲノム microchambers9マイクロウェル24電池隔離および増幅が数十数百のセルのみの範囲において両者を採用しています。Wellplates5,6に単一のセルの並べ替え流専門マイクロ流体計測は必要ありませんが、同様に低いスループットを所有しています。環境から採取された土壌・水は一般のアルファ多様性を持つ > 種で 1,000 レベル25,26, SiC seq は有機体のはるかに大きな数をサンプルにその能力のおかげで非常に有利です。SiC seq ワークフローは、研究室文化、自然環境、またはホストの生活からのセル入力に適応可能です。セルのサンプル必要がありますのみ水性懸濁液でできる、無料の大きな粒子の (> 10 μ m) マイクロ カプセル化に適していること。たとえば、メソッドは、以前海水洗浄の一連を使用して、フィルター処理のカプセル化17前に細胞を前処理する手順のサンプルに適用されています。
SiC seq プロトコルは、各単一セルから比較的疎配列データ量を生成し、すべてのアプリケーションに適していない場合があります。呼び出すゲノムのde novoアセンブリまたは単一のヌクレオチドのバリアント (SNV) などいくつかのバイオインフォマティクス アルゴリズムには、効果的に動作する高いカバレッジの深さが必要があります。代わりに、バーコード グループことができますにあるクラスター化インシリコ分類合算方法27によって、読み取りのより大きなセットでアルゴリズムを適用することができます。SiC シーケンシャル ワークフローの比較的低い全体的なバーコード効率は、入力サンプルの可用性が低い場合に課題を提示可能性がありますも。SiC seq ポアソン分布のバーコードのカプセル化手順に依存している、したがって細胞の約 10% は分子バーコードを受け取るし、最後のライブラリの準備手順の間に増幅されます。これは他の点滴ベースのバーコード方式10に匹敵する、貴重な細胞サンプルを操作するユーザー シーケンスの適切なライブラリの利回りを達成する難しさがあります。、最終的に PCR のサイクル数を増やす必要があります。拡大のステップ。マイクロ流体の専門知識を持つユーザーのための別の潜在的なソリューション デジタル PCR のステップのためバーコード化効率をもたらす後正バーコード液滴をソートすることです > 8528。
SiC seq 技術の潜在的な将来の方向性は、哺乳類細胞、臨床的単一細胞研究の新しい道を舗装を使用するワークフローを適応されています。たとえば、1 つの癌の間でのコピー数変動の解析細胞 5 月癌病理学2の不均質性の役割の理解を深めます。また、subpopulations の対象となる単一セル配列またはセルの珍しい系統は、プローブし、利息29の dna 塩基配列を豊かに既存のメソッドと SiC seq の統合が有効にします。環境試料とには、知られている代謝経路内から遺伝子が対象指定および隣接する新規遺伝子領を識別する遺伝子と一緒にコンテンツ分析します。人間のホスト環境内で低価病原細菌サンプル隔離されかねないから密接に病原性の遺伝的起源の詳細を確認する単一細胞レベルでシーケンス処理します。
The authors have nothing to disclose.
この作品は全米科学財団のキャリア賞 (許可番号 DBI 1253293) を支えられ国立衛生研究所 (NIH) (許可番号 HG007233-01、R01-EB019453-01、1R21HG007233、DP2-AR068129-01、R01 HG008978);防衛先端研究プロジェクト庁生活ファウンドリ プログラム (契約番号 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 |