Bu protokolde, memeli hücrelerinin, hem manuel hem de otomatik pipetleme seçenekleriyle, ticari olarak temin edilebilen reaktifler ve ekipmanlar kullanılarak kütle spektrometresi yoluyla tek hücreli proteomik analiz için nasıl hazırlanacağını açıklıyoruz.
Tek hücreli proteomik analiz, hassas, nicel olarak doğru, yaygın olarak erişilebilir ve sağlam yöntemler gerektirir. Bu gereksinimleri karşılamak için, Tek Hücreli ProtEomics (SCoPE2) protokolü, sınırlı örneklerden yüzlerce ila binlerce proteini tek bir hücre seviyesine kadar ölçmek için ikinci nesil bir yöntem olarak geliştirilmiştir. Bu yöntemi kullanan deneyler, 10 günlük kütle spektrometresi enstrüman süresinde 1.500 tek memeli hücresinde (hücre başına 500-1.000 protein) 3.000’den fazla proteinin nicelleştirilmesini sağlamıştır. SCoPE2, hücre lizisi için dondurarak ısı döngüsünden yararlanır, tek hücrelerin temizlenmesi ihtiyacını ortadan kaldırır ve sonuç olarak numune kayıplarını azaltırken, numune hazırlamayı hızlandırır ve otomasyonunu basitleştirir. Ek olarak, yöntem protein tanımlamaya yardımcı olan ve numune kayıplarını azaltan izobarik bir taşıyıcı kullanır.
Bu video protokolü, yalnızca yaygın olarak erişilebilen ekipman ve reaktifleri kullanarak otomatik tek hücreli protein analizinin benimsenmesini sağlamak için ayrıntılı rehberlik sağlar. Proteomik analiz için tek hücrelerin hazırlanması prosedüründe, hasattan enjeksiyona, sıvı kromatografisi-tandem kütle spektrometresi (LC-MS / MS) analizine kadar kritik adımları gösteriyoruz. Ek olarak, izleyiciler izobarik taşıyıcı ile deneysel tasarım ilkeleri, hem izobarik taşıyıcı hem de tek hücreli preparatlar için kalite kontrolü ve yaklaşımın sınırlamalarının tartışılmasıyla temsili sonuçlar hakkında yönlendirilir.
Tek hücreli analiz, biyolojik sistemler içindeki heterojenlik seviyesini incelemek için yaygın olarak kullanılır ve aksi takdirdetoplu ölçümlerle ayırt edilemez 1,2,3. Bu tür hücresel çeşitlilik, kanser hücresi terapötik direnci 4,5,6’dan diyabette hücreden hücreye heterojenliğe kadar integral biyolojik süreçlerin anlaşılmasını daha da ileri götürebilecek fonksiyonel sonuçlara sahip olabilir 7,8,9,10. Birçok araştırma, genetik veya transkriptomik seviyeleri ölçerek tek hücrelerdeki nükleik asitlerin ölçülmesine odaklanmış ve hücre tiplerinin ve durumlarının sınıflandırılmasını sağlamıştır. Bununla birlikte, nükleik asit uzayındaki bu tür bir ilerleme, transkripsiyon sonrası düzenleme11’in bilgi boşluğunu dolduramaz ve tek hücrelerde benzer şekilde yüksek verimli protein ölçümlerine olan ihtiyacı artırmaktadır12,13,14,15.
SCoPE2 16,17’yi, memeli sistemlerinin titiz ve sağlam tek hücreli proteomiklerine olan talebi karşılamak için geliştirdik. 19,20 zamanında bir hücreyi analiz eden etiketsiz mthod’ların aksine, birçok hücreyi paralel18’de etiketleyerek ve analiz ederek verimin artmasına izin veren çoklanmış bir yöntemdir. Numune hazırlama metodolojisi, kütle spektrometresi yaklaşımı ve sonraki veri analizi adımları, tek bir hücre başına yüz ila binlerce proteinin doğru bir şekilde ölçülmesini sağlar. Bu yöntem, biyolojik olarak ilgilenilen tek hücreli popülasyona benzeyen küçük bir hücre toplu örneği (genellikle 25-200) olan izobarik taşıyıcı21 aracılığıyla tek hücrelerin kütle spektrometrisi analizini mümkün kılar. Bu taşıyıcı malzeme, tandem kütle etiketleri (TMT etiketleri) kullanılarak aynı malzemenin referans kanalına ve tek hücrelere sahip bir sette çoğaltılır. Taşıyıcı kanal, yüzey alanlarındaki numune kaybını azaltır ve başarılı peptit tanımlaması için iyon omurga parçaları sağlar. Toplu olarak hazırlanan ve daha sonra her bir tek hücreli set için 5-10 hücre eşdeğerine kadar seyreltilen referans kanalı, analizdeki teknik değişkenliğin kontrol edilmesine yardımcı olur. Özellikle, referans, iyon örneklemesi ve iyonizasyon verimlilikleri gibi LC-MS / MS ile ilgili etkilerin neden olduğu değişkenliğin normalleştirilmesine izin verir. Genellikle, referans ve taşıyıcı kanallar aynı hücre popülasyonundan yapılır.
Bu örnek hazırlama protokolü, SCoPE-MS22 üzerine inşa edilen ve çoklu sinerjik iyileştirmeler yapılan ikinci nesil bir yöntemdir. İyileştirmeler, MS proteomik preparatlarının ortak bir adımı olan numune temizliğini önleyen bir hücre lizis yöntemini içerir. Dondurarak ısı lizizi yöntemi olan mPOP (minimal ProteOmic numune hazırlama)23 kullanır. Bu yöntem, tek hücrelerin şişeler yerine daha küçük hacimlerde ve çok kuyulu plakalarda lizisini sağlayarak termal döngücüler tarafından daha yüksek bir verim oranı ve otomasyon sağladı. Toplamda, bu yöntem tek hücre başına maliyeti düşürdü ve SCoPE-MS 16,24’e kıyasla nicel doğruluğu artırdı.
Bu protokol, TMTpro 18-plex izobarik etiketleri kullanarak taşıyıcı ve referans kanallarının nasıl hazırlanacağı da dahil olmak üzere proteomik analiz için tek hücrelerin nasıl hazırlanacağını açıklar. Tek hücreli süspansiyonda olan ve 384 kuyucuklu plakalara izole edilebilen memeli hücreleri muhtemelen bu protokole uygundur. Ayrıca, bir R Shiny uygulaması olan DO-MS25 tarafından oluşturulan çeşitli kalite kontrol grafiklerini görüntüleyen başarılı tek hücreli setlerin temsili sonuçları da dahildir. Yayınlanan diğer yazılım araçları26,27 ve deneysel kılavuzlar 17,21, bu protokolün benimsenmesini geliştirmiştir. Bu görsel kılavuzun, araştırmacıların tek hücreli proteomik deneyler yapmalarına yardımcı olacağını umuyoruz.
SCoPE2 ile tek hücrelerin başarılı bir şekilde hazırlanması ve analizinin anahtarlarından biri, taşıyıcı ve referans kanallarının hazırlanmasıdır. Önerilen taşıyıcı boyutu 100 ila 200 hücredir; Bununla birlikte, belirli bir tek hücreli deney için gereken hücre sayısı, başka bir yerde tartışıldığı gibi ilkelere dayanarak belirlenebilir21. Önerilen boyut için, 384 kuyucuklu plaka başına en az ~ 11.275 hücreye ihtiyaç duyulur ve bu da her kümede 200 hücreli bir taşıyıcı ve 5 hücreli referansa izin verir. İstenilen hücre popülasyonları sınırlayıcı bir faktör değilse, hata durumunda fazladan materyale sahip olmak için daha fazla hücreyi izole etmek avantajlı olabilir (bu protokolde yapıldığı gibi, 11.275 hücre yerine 22.000 hücreyi izole etmek). İstenilen plakaların sayısı için gereken taşıyıcı ve referans miktarı, peptit tanımlamasının veya niceliğinin partiler arasında farklılık göstermesine neden olabilecek herhangi bir partiden partiye varyasyonu en aza indirmek için tek bir partide hazırlanmalıdır.
Tek hücreleri 384 kuyucuklu bir plakanın kuyularına izole etmeden önce, plaka düzeninin tasarımını dikkate almak önemlidir. Her 384 kuyucuklu plaka içinde hem pozitif hem de negatif kontrollerin uygulanması tavsiye edilir. Negatif kontroller, hiçbir hücrenin eklenmediği, ancak tek hücreli kuyucuklarla aynı reaktif ilavelerine ve prosedürlerine tabi tutulduğu kuyulardır. Pozitif kontroller, tek hücreler yerine 2-5 hücreye / μL’ye seyreltilmiş hücre lizatının eklendiği kuyulardır. Bu, tek hücreli izolasyon yöntemlerinin iyi doğrulanmadığı durumlarda uygulanması özellikle önemlidir. Her 384 kuyucuklu plaka ideal olarak tek hücrelerin ve kontrollerin rastgele dağılımına sahip olmalıdır (örneğin, sadece bir satırda negatif veya pozitif kontrollere sahip olmamalıdır). Her plaka, bir plakada bir hücre tipini ve ikinci bir plakada ikinci bir hücre tipini izole etmek yerine, ilgilenilen tüm hücre popülasyonlarının eşit dağılımına sahip olmalıdır. Bu, toplu iş efektlerinin ilgilenilen hücre türleriyle ilişkilendirilmesini önleyecektir. Ek olarak, analiz için birden fazla 384 kuyucuklu plakaya ihtiyaç duyulursa, mümkünse izolasyon adımını birkaç güne yaymak yerine, hücrelerin tek bir seansta izole edilmesi önerilir.
Hem tek hücrelerin hem de taşıyıcı / referansın parçalanması, dondurucu-ısı döngüsü23 aracılığıyla suda gerçekleşir. Bu aşamada çoğu proteazın denatüre edildiği tahmin edilmektedir. Tripsin daha sonra yüksek konsantrasyonda denatürasyon adımından hemen sonra eklenir, konsantrasyonda en bol hücresel proteazlardan bile daha büyük büyüklük sıraları vardır. Kitle etkisiyle, proteaz aktivitesinin çoğu ürünü tripsin nedeniyle olacaktır.
Bu protokolde tripsin sindiriminden önce sistein kalıntılarının azaltılması/alkillenmesi yapılmaz. Sistein içeren peptitler, insan proteomundan triptik peptitlerin kabaca% 10’unu temsil eder. İndirgeme/alkilasyon içermeyen bir yaklaşım kullanarak daha az sistein içeren peptit gözlemliyoruz. Bu adımlar, sindirimden hemen sonra TMT (NHS-ester kimyası) ile etiketleme ile uyumlu olmayan reaktifleri kullanır.
Bu TMT etiketleme stratejisinde, taşıyıcı ve referanslar sırasıyla 126 ve 127N ile etiketlenirken, tek hücreli ve kontrol kuyuları 128C ila 135N ile etiketlenmiştir. Referanstan sonraki iki etiket, 127C ve 128N, peptid materyalinde tek hücrelerden çok daha bol miktarda bulunan taşıyıcı ve referans kanallarından kaynaklanan izotopik çapraz kontaminasyon nedeniyle kullanılmaz. Toplamda, TMTpro-16plex ile tek hücreleri etiketlemek veya kuyuları kontrol etmek için kullanılabilecek set başına 12 TMT kanalı veya TMTpro-18plex ile set başına 14 TMT kanalı vardır.
Bu protokolü kullanarak tek hücreli proteomik ölçümler yapmak için protokoldeki kritik adımlar, taşıyıcının hazırlanması, tek hücreli izolasyon, lizis, çürüme, barkod etiketleme ve uygun kütle spektrometrisi parametrelerini içerir. Bu adımlar bu belgede özetlenmiştir ve17,21,25 başka bir yerde kapsamlı bir şekilde detaylandırılmıştır. Her adım, DO-MS’de kolay kalite kontrolüne izin veren karşılık gelen bir arsa veya arsa setine sahiptir. Örneğin, taşıyıcının başarılı bir şekilde oluşturulması durumunda, tanımlanan peptitlerin sayısını, etiketleme verimliliğini ve yanlış bölünme oranının yüzdesini gösteren grafikler, başarılı bir şekilde hazırlanmasının doğrulanmasına izin verir. Temsili DO-MS raporları bu yayına dahil edilmiştir ve orijinal veriler için http://scope2.slavovlab.net/ görülebilir16. Bu DO-MS raporları, yöntemin optimizasyonunu, daha uzun LC gradyanları, farklı sindirim enzimleri veya alternatif kimyasal barkodlar gibi yazarlar tarafından henüz araştırılmamış yönlerde değerlendirmeye izin verir.
Şu anda, veriye bağımlı toplama algoritmaları ile peptitlerin seri analizi, makul uzunlukta bir LC çalışmasında analiz edilebilecek peptitlerin sayısını sınırlamaktadır. Bu kısmen, güvenilir tek hücreli niceleme için yeterli iyonun başarılı bir şekilde elde edilmesi için gereken daha uzun dolum sürelerinden kaynaklanmaktadır21. Taşıyıcıyı kullanmanın doğal bir sınırlaması, tek hücrelerin sindirim ve etiketleme verimliliğinin doğrudan değerlendirilmemesidir. Şu anda, bu sınırlamanın bir çözümü, tek hücrelerle birlikte işlenen daha büyük bir numune üzerinde kalite kontrolü yapmaktır.
Tek hücreli proteomikleri geliştirmek için, çoklu analizörlerle kütle spektrometreleri oluşturmak gibi bir dizi fırsat önerdik. Mevcut yöntem, tek memeli hücrelerinden binlerce proteinin, ticari olarak temin edilebilen reaktifler ve ekipmanlarla günde yaklaşık 100 hücre hızında miktarının belirlenmesine izin vermektedir. SCoPE-MS yaklaşımının ikinci nesli olan SCoPE2, birim zaman başına analiz edilebilir hücre sayısı, birim zaman başına analiz edilebilir protein sayısı, numune hazırlama için gereken süre, reaktiflerin ve ekipmanın erişilebilirliği ve tek hücre başına toplam hazırlama ve analiz maliyeti açısından selefine göre önemli ölçüde iyileşmiştir. Membrana bağlı proteinlere, üre lizisi23’e kıyasla gösterildiği gibi, dondurarak ısı lizisi ve proteaz sindirimi kullanılarak erişilebilir. Yöntem, proteomun üst üçte birinden bolluk16’ya göre birçok proteini tanımlar. Modifiye proteoform proteomun ilk üçte birindeyse ve modifiye peptid kütle spektrometri analizine uygunsa (iyi iyonize olur, modifiye edilmemiş peptidden kütle farkı vardır), bu protokole uygun olması daha olasıdır. Bu yöntem, farklılaşma, yaşlanma veya immünolojik yanıtlar (yani fagositoz) gibi hücreler arasında anlamlı heterojenliğin olduğu biyolojik sistemlerde verimli bir şekilde uygulanabilir.
The authors have nothing to disclose.
Bu yayını finanse eden Güz 2021 NSF I-Corps Programı (Northeastern Üniversitesi sitesi) ödülüne teşekkür ederiz.
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 . |