في هذا البروتوكول ، نصف كيفية تحضير خلايا الثدييات لتحليل البروتينات أحادية الخلية عبر قياس الطيف الكتلي باستخدام الكواشف والمعدات المتاحة تجاريا ، مع خيارات لكل من السحب اليدوي والآلي.
يتطلب تحليل البروتينات أحادية الخلية طرقا حساسة ودقيقة كميا ويمكن الوصول إليها على نطاق واسع وقوية. لتلبية هذه المتطلبات ، تم تطوير بروتوكول ProtEomics أحادي الخلية (SCoPE2) كطريقة من الجيل الثاني لقياس مئات إلى آلاف البروتينات من عينات محدودة ، وصولا إلى مستوى خلية واحدة. حققت التجارب التي تستخدم هذه الطريقة تحديد أكثر من 3000 بروتين عبر 1500 خلية ثديية مفردة (500-1000 بروتين لكل خلية) في 10 أيام من وقت أداة مطياف الكتلة. يستفيد SCoPE2 من دورة التجميد والحرارة لتحلل الخلايا ، مما يغني عن الحاجة إلى تنظيف الخلايا المفردة وبالتالي تقليل فقد العينات ، مع تسريع إعداد العينة وتبسيط أتمتتها. بالإضافة إلى ذلك ، تستخدم الطريقة حاملا متساوي الضغط ، مما يساعد على تحديد البروتين ويقلل من فقد العينات.
يوفر بروتوكول الفيديو هذا إرشادات مفصلة لتمكين اعتماد التحليل الآلي للبروتين أحادي الخلية باستخدام المعدات والكواشف التي يمكن الوصول إليها على نطاق واسع فقط. نوضح الخطوات الحاسمة في إجراء إعداد الخلايا المفردة للتحليل البروتيني ، من الحصاد إلى الحقن إلى تحليل الطيف الكتلي الترادفي اللوني السائل (LC-MS / MS). بالإضافة إلى ذلك ، يتم توجيه المشاهدين من خلال مبادئ التصميم التجريبي مع الناقل متساوي الضغط ، ومراقبة الجودة لكل من الناقل متساوي الضغط والمستحضرات أحادية الخلية ، والنتائج التمثيلية مع مناقشة قيود النهج.
يستخدم تحليل الخلية الواحدة على نطاق واسع لدراسة مستوى عدم التجانس داخل الأنظمة البيولوجية التي لا يمكن تمييزها من خلال القياسات المجمعة1،2،3. يمكن أن يكون لهذا التنوع الخلوي عواقب وظيفية يمكن أن تعزز فهم العمليات البيولوجية المتكاملة ، من المقاومة العلاجية للخلايا السرطانية4،5،6 إلى عدم التجانس من خلية إلى خلية في مرض السكري7،8،9،10. ركزت العديد من التحقيقات على قياس الأحماض النووية في الخلايا المفردة ، عن طريق قياس المستويات الجينية أو النسخية ومكنت من تصنيف أنواع الخلايا وحالاتها. ومع ذلك ، لا يمكن لمثل هذا التقدم في مساحة الحمض النووي سد الفجوة المعرفية في تنظيم ما بعد النسخ11 ، مما يؤدي إلى الحاجة إلى قياسات بروتين عالية الإنتاجية مماثلة في الخلايا المفردة12،13،14،15.
لقد طورنا SCoPE216,17 لتلبية الطلب على البروتينات أحادية الخلية الصارمة والقوية لأنظمة الثدييات. إنها طريقة متعددة الإرسال ، مما يسمح بزيادة الإنتاجية عن طريق وضع العلامات على العديد من الخلايا وتحليلها بالتوازي18 ، على عكس mthods الخالية من الملصقات التي تحلل خلية واحدة في وقت19,20. تسمح منهجية تحضير العينات ونهج قياس الطيف الكتلي وخطوات تحليل البيانات اللاحقة بالتحديد الكمي الدقيق لمئات إلى آلاف البروتينات لكل خلية واحدة. تجعل هذه الطريقة تحليل مطياف الكتلة للخلايا المفردة ممكنا من خلال الناقلمتساوي الضغط 21 ، وهي عينة صغيرة من الخلايا (عادة 25-200) تشبه بيولوجيا مجموعة الخلايا الواحدة ذات الاهتمام. يتم مضاعفة هذه المادة الحاملة في مجموعة ذات قناة مرجعية لنفس المادة وخلايا مفردة من خلال استخدام علامات الكتلة الترادفية (ملصقات TMT). تقلل القناة الحاملة من فقد العينة إلى المناطق السطحية وتوفر شظايا العمود الفقري الأيوني لتحديد الببتيد بنجاح. تساعد القناة المرجعية ، التي يتم تحضيرها بكميات كبيرة ثم تخفيفها لاحقا إلى 5-10 مكافئات خلية لكل مجموعة أحادية الخلية ، على التحكم في التباين الفني في التحليل. على وجه التحديد ، يسمح المرجع بتطبيع التباين الناجم عن التأثيرات المرتبطة ب LC-MS / MS ، مثل أخذ العينات الأيونية وكفاءة التأين. عادة ، يتم إجراء المرجع والقنوات الحاملة من نفس عدد الخلايا.
بروتوكول تحضير العينات هذا هو طريقة من الجيل الثاني تعتمد على SCoPE-MS22 من خلال تحسينات تآزرية متعددة. تتضمن التحسينات طريقة تحلل الخلايا التي تتجنب تنظيف العينات ، وهي خطوة شائعة في مستحضرات البروتينات MS. يستخدم mPOP (الحد الأدنى من تحضير عينة ProteOmic)23 ، وهي طريقة تحلل الحرارة بالتجميد. مكنت هذه الطريقة من تحلل الخلايا المفردة بأحجام أصغر وفي ألواح متعددة الآبار بدلا من القوارير ، مما يسهل معدل إنتاجية أعلى وأتمتة بواسطة الدراجات الحرارية. إجمالا ، خفضت هذه الطريقة التكلفة لكل خلية واحدة وزادت من الدقة الكمية مقارنة ب SCoPE-MS16,24.
يصف هذا البروتوكول كيفية تحضير الخلايا المفردة للتحليل البروتيني ، بما في ذلك كيفية تحضير الناقل والقنوات المرجعية باستخدام ملصقات TMTpro 18-plex متساوية الضغط. من المحتمل أن تكون خلايا الثدييات الموجودة في تعليق أحادي الخلية والتي يمكن عزلها إلى 384 لوحة بئر قابلة لهذا البروتوكول. كما تم تضمين نتائج تمثيلية لمجموعات ناجحة أحادية الخلية ، تعرض العديد من مخططات مراقبة الجودة التي تم إنشاؤها بواسطة تطبيق R Shiny ، DO-MS25. أدت أدوات البرامج المنشورة الأخرى 26,27 والمبادئ التوجيهية التجريبية 17,21 إلى تحسين اعتماد هذا البروتوكول. نأمل أن يساعد هذا الدليل المرئي الباحثين على إجراء تجارب البروتينات أحادية الخلية.
أحد مفاتيح التحضير والتحليل الناجح للخلايا المفردة بواسطة SCoPE2 هو إعداد القنوات الحاملة والمرجعية. حجم الناقل المقترح هو 100 إلى 200 خلية ؛ ومع ذلك ، يمكن تحديد عدد الخلايا اللازمة لتجربة خلية واحدة معينة بناء على المبادئ كما تمت مناقشته في مكان آخر21. بالنسبة للحجم المقترح ، هناك حاجة إلى ~ 11,275 خلية على الأقل لكل لوحة 384 بئرا ، مما يسمح بحامل 200 خلية ومرجع 5 خلايا في كل مجموعة. قد يكون من المفيد عزل المزيد من الخلايا إذا لم تكن مجموعات الخلايا المرغوبة عاملا مقيدا ، لمجرد الحصول على مواد إضافية في حالة حدوث أخطاء (كما حدث في هذا البروتوكول ، عزل 22000 خلية بدلا من 11275 خلية). يجب تحضير مقدار الناقل والمرجع اللازم لعدد الألواح المطلوبة في دفعة واحدة لتقليل أي اختلاف من دفعة إلى أخرى يمكن أن يتسبب في اختلاف تحديد الببتيد أو القياس الكمي بين الدفعات.
قبل عزل الخلايا المفردة في آبار من لوحة 384 بئر ، من المهم مراعاة تصميم تخطيط اللوحة. داخل كل لوحة من 384 بئرا ، يوصى بتنفيذ كل من الضوابط الإيجابية والسلبية. الضوابط السلبية هي الآبار التي لا تضاف فيها خلايا ولكنها تخضع لنفس إضافات وإجراءات الكاشف مثل الآبار أحادية الخلية. الضوابط الإيجابية هي الآبار التي يتم فيها إضافة محللة الخلية المخففة إلى 2-5 خلايا / ميكرولتر بدلا من الخلايا المفردة. هذا مهم بشكل خاص للتنفيذ عندما لا يتم التحقق من صحة طرق عزل الخلية الواحدة بشكل جيد. يجب أن تحتوي كل لوحة من 384 بئرا بشكل مثالي على توزيع عشوائي للخلايا المفردة والضوابط (على سبيل المثال ، لا تحتوي على عناصر تحكم سلبية أو إيجابية في صف واحد فقط). يجب أن يكون لكل صفيحة توزيع متساو لجميع مجموعات الخلايا ذات الاهتمام ، بدلا من عزل نوع خلية واحد في لوحة واحدة ونوع خلية ثان في لوحة ثانية. سيؤدي ذلك إلى تجنب ربط تأثيرات الدفعات بأنواع الخلايا ذات الأهمية. بالإضافة إلى ذلك ، إذا كانت هناك حاجة إلى أكثر من لوحة واحدة من 384 بئرا للتحليل ، فمن المستحسن عزل الخلايا في جلسة واحدة ، بدلا من نشر خطوة العزل على مدار عدة أيام ، إن أمكن.
يحدث تحلل كل من الخلايا المفردة والناقل / المرجع في الماء من خلال دورة التجميد والحرارة23. من المتوقع أن تكون معظم البروتياز قد تم تغيير طبيعتها خلال هذه الخطوة. ثم يضاف التربسين مباشرة بعد خطوة التمسخ بتركيز عال ، والعديد من أوامر الحجم أكبر في التركيز حتى من البروتياز الخلوي الأكثر وفرة. من خلال العمل الجماعي ، فإن معظم منتجات نشاط البروتياز ستكون بسبب التربسين.
لا يتم إجراء تقليل / ألكلة بقايا السيستين في هذا البروتوكول قبل هضم التربسين. تمثل الببتيدات المحتوية على السيستين حوالي 10٪ من الببتيدات التربتية من البروتين البشري. نلاحظ عددا أقل من الببتيدات المحتوية على السيستين باستخدام نهج بدون اختزال / ألكلة. تستخدم هذه الخطوات الكواشف التي لا تتوافق مع وضع العلامات بواسطة TMT (كيمياء NHS-ester) مباشرة بعد الهضم.
في استراتيجية وضع العلامات TMT هذه ، يتم تمييز الناقل والمراجع ب 126 و 127N ، على التوالي ، بينما يتم تمييز آبار الخلية الواحدة والتحكم ب 128C حتى 135N. لا يتم استخدام التسميتين بعد المرجع ، 127C و 128N ، بسبب التلوث المتبادل النظيري الناشئ عن القنوات الحاملة والمرجعية ، والتي من الواضح أنها أكثر وفرة في مادة الببتيد من الخلايا المفردة. في المجموع ، هناك 12 قناة TMT لكل مجموعة يمكن استخدامها لوضع العلامات على الخلايا المفردة أو التحكم في الآبار باستخدام TMTpro-16plex ، أو 14 قناة TMT لكل مجموعة باستخدام TMTpro-18plex.
تشمل الخطوات الحاسمة في البروتوكول لإجراء قياسات البروتينات أحادية الخلية باستخدام هذا البروتوكول تحضير الناقل ، وعزل الخلية الواحدة ، والتحلل ، والهضم ، ووضع العلامات على الباركود ، ومعلمات قياس الطيف الكتلي المناسبة. تم توضيح هذه الخطوات في هذه الوثيقة وتم تفصيلها على نطاق واسع في مكان آخر17،21،25. تحتوي كل خطوة على مخطط مطابق أو مجموعة من المؤامرات في DO-MS تسمح بمراقبة الجودة بسهولة. على سبيل المثال ، في حالة الإنشاء الناجح للناقل ، تسمح المؤامرات التي تصور عدد الببتيدات المحددة ، وكفاءة وضع العلامات ، والنسبة المئوية لمعدل الانشقاق بالتحقق من تحضيرها بنجاح. يتم تضمين تقارير DO-MS التمثيلية في هذا المنشور ويمكن الاطلاع عليها في http://scope2.slavovlab.net/ للحصول على البيانات الأصلية16. تسمح تقارير DO-MS هذه بتقييم تحسين الطريقة في الاتجاهات التي لم يتم التحقيق فيها بعد من قبل المؤلفين ، مثل تدرجات LC الأطول ، أو إنزيمات الهضم المختلفة ، أو الرموز الشريطية الكيميائية البديلة.
حاليا ، يحد التحليل التسلسلي للببتيدات بواسطة خوارزميات الاستحواذ المعتمدة على البيانات من عدد الببتيدات التي يمكن تحليلها في تشغيل LC بطول معقول. ويرجع ذلك جزئيا إلى أوقات التعبئة الأطول المطلوبة للاكتساب الناجح لأيونات كافية لقياس كمية خلية واحدة موثوقبها 21. أحد القيود المتأصلة في استخدام الناقل هو عدم وجود تقييم مباشر لعملية الهضم وكفاءة وضع العلامات للخلايا المفردة. حاليا ، يتمثل أحد الحلول لهذا القيد في إجراء مراقبة الجودة على عينة أكبر تتم معالجتها جنبا إلى جنب مع الخلايا المفردة.
اقترحنا عددا من الفرص لتحسين البروتينات أحادية الخلية ، مثل بناء مطياف الكتلة مع أجهزة تحليل متعددة. تسمح الطريقة الحالية بتحديد كمية آلاف البروتينات من خلايا الثدييات المفردة بسرعة حوالي 100 خلية يوميا باستخدام الكواشف والمعدات المتاحة تجاريا. وقد تحسن الجيل الثاني من نهج SCoPE-MS بشكل كبير مقارنة بسابقه فيما يتعلق بعدد الخلايا القابلة للتحليل لكل وحدة زمنية، وعدد البروتينات القابلة للتحليل لكل وحدة زمنية، والوقت اللازم لإعداد العينات، وإمكانية الوصول إلى الكواشف والمعدات، والتكلفة الإجمالية للتحضير والتحليل لكل خلية واحدة. يمكن الوصول إلى البروتينات المرتبطة بالغشاء باستخدام تحلل الحرارة بالتجميد وهضم البروتياز ، كما هو موضح بالمقارنة مع تحلل اليوريا23. تحدد الطريقة العديد من البروتينات من الثلث العلوي من البروتين فيما يتعلق بالوفرة16. إذا كان البروتيوفورم المعدل في الثلث العلوي من البروتين ، وكان الببتيد المعدل قابلا لتحليل قياس الطيف الكتلي (يتأين جيدا ، وله فرق كتلة عن الببتيد غير المعدل) ، فمن المرجح أن يكون قابلا لهذا البروتوكول. يمكن تطبيق هذه الطريقة بشكل مثمر في الأنظمة البيولوجية حيث يوجد عدم تجانس ذي مغزى بين الخلايا ، كما هو الحال في التمايز أو الشيخوخة أو الاستجابات المناعية (أي البلعمة).
The authors have nothing to disclose.
نود أن نعترف بجائزة برنامج NSF I-Corps لخريف 2021 (موقع جامعة نورث إيسترن) التي مولت هذا المنشور.
384-well plate, standard PCR plate | Thermo Fisher Scientific | AB1384 | Polypropylene plates should be used, if need to substitute. If substituted, levels of potential polymer contamination from other plates should be assessed prior to SCoPE2 preparation. |
Acetonitrile (for preparation of buffers), Optima LC-MS/MS grade | Fisher Scientific | A955-1 | This acetonitrile is used for any buffers, namely the 50% acetonitrile that is used to pass through wells after passing through the carrier and reference when combining SCoPE2 sets. Caution: Acetonitrile is a flammable liquid. It can irritate skin, eyes, respiratory tract, and central nervous system. Be sure to wear personal protective equipment. Handle under a chemical fume hood. |
Acetonitrile (for preparation of TMT ), anhydrous, 99.8% | Sigma Aldrich | 271004-100ML | This acetonitrile is used to resuspend TMT labels at the manufacturer concentration. Caution: Acetonitrile is a flammable liquid. It can irritate skin, eyes, respiratory tract, and central nervous system. Be sure to wear personal protective equipment. Handle under a chemical fume hood. |
Adhesive PCR plate foils | Thermo Fisher Scientific | AB0626 | |
Autosampler vial screw thread caps | Thermo Fisher Scientific | C5000-51B | |
Autosampler vial spinner (i.e. myFuge 5) | MTC Bio | C2595 | This model does not have any speed control. It is simply used to colelct liquid at the bottom of autosampler vials. |
Benzonase nuclease | Sigma Aldrich | E1014-25KU | |
Clear glass screw thread vials, 9 mm | Thermo Fisher Scientific | 60180-509 | |
Formic Acid, Pierce, LC-MS/MS grade | Thermo Fisher Scientific | 85178 | Caution: Formic acid is a flammable liquid. It can cause serious eye damage or skin burns. Be sure to wear personal protective equipment. Handle in a well-ventilated area. |
Glass autosampler inserts, 9 mm | Thermo Fisher Scientific | C4010-630 | |
Hydroxylamine (HA), 50% wt/vol | Sigma Aldrich | 467804-50ML | Caution: Hydroxylamine can cause skin irritation. Be sure to wear personal protective equipment. |
Mantis microfluidic chips, low-volume 3PFE chips | Formulatrix | MCLVPR2 | These chips are meant to be used with the Mantis microfluidics liquid handler to dispense organic solutions. These can be used to dispense TMT labels. |
Mantis microfluidic chips, low-volume silicone chips | Formulatrix | MCLVS12 | These chips are meant to be used with the Mantis microfluidics liquid handler to dispense aqueous solutions. These cannot be used to dispense TMT labels. |
Mantis microfluidic liquid handler | Formulatrix | Liquid handler can be substituted. However, it is important to check if the system is compatible with 100% acetonitrile (as in the case of TMT labels), and that the system does not introduce polymer contamination or other type of contamination into the samples. | |
Mantis PCR plate adapter with wide conical pins for automated plate handling | Formulatrix | 232400 | |
MassPREP peptide mixture | Waters | 186002337 | Mixture of nine nontryptic peptides |
PCR tube spinner (i.e., 16-place microcentrifuge for 0.2 mL tubes) | USA Scientific | 2621-0016 | This model does not have any speed control. It is simply used to collect liquid at the bottom of tubes. |
PCR tubes: TempAssure 0.2 mL PCR 8-tube strips | USA Scientific | 1402-3900 | If substituted, levels of potential polymer contamination from other plates should be assessed prior to SCoPE2 preparation. |
Phosphate-buffered saline (PBS), 10x, pH 7.4, RNase-free | Thermo Fisher Scientific | AM9625 | |
Plate spinner (i.e., PlateFuge microcentrifuge) | Benchmark Scientific | Model C2000 | This model does not have any speed control. It is simply used to collect liquid at the bottom of wells. |
Thermal Cycler (i.e., C1000 Touch with 384-well module) | Biorad | 1851138 | |
TMTpro 16plex Label Reagent Set, 1 x 5 mg | Thermo Fisher Scientific | A44520 | |
Triethylammonium bicarbonate (TEAB), 1 M, pH 8.5 | Sigma Aldrich | T7408100ML | |
Trypsin Gold Mass Spectrometry Grade | Promega | V5280 | This is trypsin is of very high purity. Other trypsin reagents can vary in their levels of purity. Level of purity is important for achieving positive SCoPE2 results. Caution: Trypsin can cause skin, respiratory, and eye irritation. Be sure to wear personal protective equipment. Handle under a chemical fume hood. |
Vortex (Analog vortex mixer) | VWR | Model 58816-121 | |
Water bath sonicator (i.e., 2.8 L ultrasonic cleaner with digital timer) | VWR | 97043964 | |
Water, Optima LC-MS/MS grade | Fisher Scientific | W6-1 | All solutions that need to be diluted or made are recommended to be made with mass-spectrometry grade water. Any dilutions and/or master mixes should be made fresh. Contamination resulting from lower-grade water can negatively affect peptide detection and single-cell data quality . |