Le succès de la transcriptomique unicellulaire/mononoyau et de la multi-omique dépend en grande partie de la qualité des cellules/noyaux. Par conséquent, l’isolement des cellules/noyaux des tissus et leur purification doivent être hautement standardisés. Ce protocole décrit la préparation des noyaux du cerveau et de la moelle osseuse pour l’essai multiome à noyau unique en aval.
L’analyse unicellulaire est devenue l’approche de choix pour démêler la complexité des processus biologiques qui nécessitent d’évaluer la variabilité des réponses cellulaires individuelles au traitement ou à l’infection avec une résolution unicellulaire.
De nombreuses techniques de profilage moléculaire unicellulaire ont été développées au cours des 10 dernières années, et plusieurs technologies dédiées ont été commercialisées. Le profilage unicellulaire à base de gouttelettes 10X Genomics est une technologie répandue qui offre des réactifs prêts à l’emploi pour le profilage transcriptomique et multi-omique de cellules uniques. La technologie comprend des flux de travail pour le séquençage de l’ARN unicellulaire et mononoyau (scRNA-Seq et snRNA-Seq, respectivement), le scATAC-Seq, le profilage immunitaire unicellulaire (séquençage BCR/TCR) et le multiome. Ce dernier combine des informations transcriptionnelles (scRNA-Seq) et épigénétiques (scATAC-Seq) provenant de la même cellule.
La qualité (viabilité, intégrité, pureté) des suspensions unicellulaires ou mononoyaux isolées des tissus et analysées par l’une ou l’autre de ces approches est essentielle pour générer des données de haute qualité. Par conséquent, les protocoles de préparation des échantillons doivent être adaptés aux particularités de chaque tissu biologique et assurer la génération de suspensions cellulaires et noyaux de haute qualité.
Cet article décrit deux protocoles de préparation d’échantillons de cerveau et de moelle osseuse pour le pipeline multiome 10X Genomics en aval. Les protocoles sont exécutés par étapes et couvrent la dissociation des tissus, le tri cellulaire, l’isolement des noyaux et le contrôle de la qualité de la suspension des noyaux préparés qui est utilisée comme matériau de départ pour le partitionnement cellulaire et le codage à barres, la préparation de la bibliothèque et le séquençage. Ces protocoles standardisés produisent des banques de noyaux de haute qualité et des données robustes et fiables.
Depuis de nombreuses années, les techniques unicellulaires sont la référence en matière d’analyse des processus biologiques. Ils ont d’abord été limités au phénotypage unicellulaire par microscopie, cytométrie en flux et tests similaires. Une percée dans l’analyse unicellulaire est venue avec le développement d’approches pour le profilage moléculaire de cellules uniques, en particulier le séquençage de l’ARN unicellulaire (scRNA-Seq) qui a permis de caractériser l’ensemble du transcriptome des cellules individuelles. Très puissant, scRNA-Seq génère des informations sur l’état transcriptionnel d’une cellule dans une condition et un moment spécifiques. Cependant, il n’offre pas de visibilité sur la régulation des gènes qui régit la transcription, ni sur les modifications moléculaires qui se produisent au fil du temps. Pour surmonter cette limitation, de nombreux efforts ont été investis dans le développement de tests multi-omiques unicellulaires qui permettent l’analyse de plusieurs facteurs et processus à partir d’une même cellule 1,2,3,4. La première mesure réussie de deux modalités au sein de cellules individuelles a été obtenue en reliant des modèles d’expression de protéines de surface multiplex avec le transcriptome complet de cellules individuelles dans l’approche CITE-Seq5. Des évolutions plus récentes combinent l’expression des gènes avec l’accessibilité de la chromatine (Assay for Transposase-Accessible Chromatin using sequencing, ATAC-Seq), capturant ainsi simultanément les modalités transcriptomiques et épigénomiques dans les mêmes cellules (par exemple, sci-CAR)6. Les premières solutions commerciales permettant d’associer la transcriptomique au phénotype cellulaire ou aux modifications épigénétiques d’une même cellule sont issues de 10X Genomics.
Les expériences de profilage moléculaire unicellulaire comportent les étapes suivantes : (1) dissociation tissulaire ou préparation de suspensions unicellulaires ; (2) la purification cellulaire et/ou l’isolement des noyaux ; (3) le cloisonnement et les codes à barres ; (4) la construction de bibliothèques et le contrôle de la qualité ; (5) le séquençage de nouvelle génération ; (6) Analyse des données. Bien que les étapes (3) à (6) puissent varier considérablement en fonction de la technologie utilisée, les étapes initiales sont généralement communes à toutes. La qualité de la suspension cellule/noyaux préparée déterminera le résultat global de l’expérience. Selon le type de tissu, il peut être difficile d’obtenir des suspensions unicellulaires/noyaux de haute qualité. Les particularités de certains tissus, tels que le cœur, le muscle, le cerveau, le poumon, l’intestin, etc., nécessitent des méthodes de rupture tissulaire et d’isolement des noyaux adaptées à chaque type d’échantillon afin de garantir la production de noyaux de haute qualité pour l’analyse moléculaire 7,8,9,10 . Les méthodes de perturbation tissulaire et les protocoles de dissociation peuvent être mécaniques, enzymatiques (par exemple, un mélange de collagénases et de DNase) ou une combinaison des deux, et peuvent être effectués manuellement ou par des instruments (par exemple, Qiagen DSC-400, gentleMACS).
Les techniques unicellulaires sont devenues un outil de choix pour la recherche biomédicale. En neurobiologie, la diversité cellulaire dans le cerveau et la complexité de leurs fonctions nécessitent une analyse à haute résolution et à haut débit pour la visualisation des populations de cellules rares et pour l’évaluation de leur hétérogénéité 11,12,13,14. Le lien entre l’identité cellulaire et les mécanismes de régulation des gènes des cellules individuelles permet de mieux comprendre le développement et la physiologie du cerveau. Un autre exemple est celui des études sur la réponse immunitaire dans le contexte des maladies infectieuses, auto-immunes ou cancéreuses, qui reposent fortement sur des analyses unicellulaires. L’hétérogénéité des sous-ensembles de cellules immunitaires et la complexité de leur activité et de leurs interactions avec d’autres types de cellules nécessitent une résolution unicellulaire pour déchiffrer les mécanismes sous-jacents à la réponse immunitaire. Les cellules immunitaires proviennent de la moelle osseuse, où les progéniteurs hématopoïétiques sont composés de cellules qui se différencient progressivement et qui acquièrent et perdent des marqueurs de surface cellulaire tout au long d’un processus par étapes avant de quitter la moelle osseuse pour s’installer à la périphérie. L’analyse unicellulaire permet une caractérisation minutieuse des stades de développement cellulaire. Il peut être obtenu par phénotypage unicellulaire, classiquement réalisé par cytométrie en flux multiparamétrique. Cependant, il a été démontré que les signatures transcriptomiques d’une seule cellule révèlent une identification plus précise des sous-types de cellules progénitrices, car ces cellules sont distribuées en grappes qui s’imbriquent les unes dans les autres et peuvent donc être mal identifiées lors de l’utilisation d’une approche de marqueur de surface cellulaire grossière15. De plus en plus d’études mettent en évidence les modifications épigénétiques que les cellules souches et progénitrices hématopoïétiques (HSPC) peuvent acquérir lors de l’exposition à divers agents, ce qui a un impact significatif sur la réactivité à long terme du système immunitaire 16,17,18,19. Les nouvelles technologies multi-omiques permettent d’étudier ces processus avec une résolution à cellule unique.
De nombreux protocoles d’isolement de cellules et de noyaux ont été décrits pour les échantillons de cerveau 11,20,21,22 et de moelle osseuse 23,24. Pour minimiser les biais dus à la variabilité expérimentale, il est nécessaire de valider des protocoles optimisés de préparation de noyaux uniques pour le séquençage transcriptomique et épigénomique unicellulaire conjoint, assurant ainsi la reproductibilité des tests multiomiques unicellulaires.
Ici, deux protocoles robustes pour la préparation de noyaux à partir (1) de tissus cérébraux frais congelés et (2) de HSPC de moelle osseuse fraîche pour l’analyse Multiome unicellulaire en aval sont décrits (Figure 1).
Figure 1 : Représentation schématique des protocoles d’isolement des noyaux à partir de tissus de cerveau et de moelle osseuse fraîchement congelés. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
La préparation d’une suspension cellulaire ou noyautaire de haute qualité est d’une importance cruciale pour le succès des analyses RNA-Seq et multi-omiques unicellulaires ou mononoyaux 29,30,31. Ici, nous avons décrit les protocoles de préparation des échantillons et d’isolement des noyaux pour les dosages multiomes de deux types de tissus : le cerveau et la moelle osseuse.
Le protocole cérébral décrit dans cet article permet la récupération de noyaux de haute qualité à partir de tissus cérébraux fraîchement congelés. Il comprend les étapes suivantes : la perturbation des tissus congelés, l’isolement des noyaux, la purification des noyaux et le contrôle de la qualité du matériel préparé. Le tissu cérébral est composé de nombreux types de cellules différentes, et la procédure de dissociation tissulaire et d’isolement des noyaux doit préserver les proportions de populations cellulaires telles qu’elles sont présentes dans le tissu initial. Ici, la composition du tampon de lyse et le temps d’incubation ont été optimisés pour permettre une lyse complète et douce de toutes les populations cellulaires qui composent le tissu.
Le protocole HSPCs de la moelle osseuse est quelque peu différent puisqu’il nécessite une étape supplémentaire au début de l’expérience pour isoler la population cellulaire d’intérêt d’une suspension cellulaire hétérogène. Après le prélèvement de tissus frais, les globules rouges sont lysés et l’échantillon est enrichi pour le sous-ensemble cellulaire d’intérêt. Les cellules ciblées sont lysées, les noyaux sont isolés et la qualité du matériel préparé est contrôlée.
10X Genomics fournit plusieurs protocoles validés pour l’isolement des noyaux dans de nombreux tissus différents32,33. La société commercialise également un kit d’isolement de noyaux avec un pipeline simple pour isoler les noyaux de tissus validés34. Cependant, ces protocoles nécessitent une optimisation supplémentaire pour adapter les particularités de certains échantillons. Un exemple est celui des échantillons qui nécessitent de travailler avec une faible entrée de cellule. Pour ces échantillons, les étapes les plus difficiles sont les centrifugations qui doivent être suffisamment strictes pour nettoyer l’échantillon et suffisamment douces pour éviter la perte de cellules/noyaux. Avec le protocole décrit ici, nous avons adapté le protocole 10X Genomics Demonstration Protocol – Nuclei Isolation for Single Cell Multiome ATAC + GEX Sequencing (CG000365 – Rev C)27 pour trouver un équilibre subtil entre ces deux exigences. Comme le montre l’exemple de la préparation de noyaux à partir de HSPC triés, nous avons amélioré la récupération des noyaux sans impact sur la qualité de l’échantillon.
Un défi supplémentaire est l’étape de lyse des cellules purifiées pour l’isolement des noyaux. Des conditions de lyse plus difficiles et des temps d’incubation plus longs peuvent endommager les noyaux et ainsi avoir un impact sur la qualité des données de séquençage. La figure 5 montre l’imagerie de noyaux représentatifs à partir d’échantillons de moelle osseuse à différents temps d’incubation avec un tampon de lyse et illustre à quel point l’état des noyaux peut être différent en fonction de la lyse cellulaire. Dans l’exemple des HSPC, nous avons identifié la lyse de 3 min comme la condition qui se traduit par la plus forte proportion de noyaux intacts d’apparence saine et la plus faible proportion de noyaux endommagés. Les temps d’incubation de la lyse doivent être optimisés pour chaque nouveau type d’échantillon.
Figure 5 : Contrôle de la qualité des noyaux par microscopie. Des images en fond clair sont représentatives de noyaux isolés de la moelle osseuse de souris avec (A) des noyaux intacts et (B) endommagés. Barre d’échelle 5 μm. Les images ont été prises à l’aide d’un microscope inversé à l’aide d’un objectif ELWD NA 0,60 40x et d’un zoom numérique 1,5x. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Les deux protocoles détaillés dans ce travail reposent sur la purification de cellules ou de noyaux ciblés par des instruments FACS à haut débit. Cette étape est d’une importance cruciale pour les protocoles de préparation de cellules uniques/noyaux où de rares sous-ensembles de cellules doivent être isolés de suspensions hétérogènes. Dans ceux-ci, comme dans l’exemple présenté ici pour le tri des HSPC, un panel de cytométrie en flux de grande dimension peut être nécessaire pour activer le « gating » sur la population cellulaire d’intérêt. Le tri est extrêmement rapide et précis, ce qui permet d’obtenir une pureté de plus de 95 % des sous-ensembles de cellules triées. Cette approche expose la suspension cellulaire à une pression allant jusqu’à 70 psi et peut donc être limitante pour le tri des cellules fragiles (par exemple, les cellules dendritiques, les neutrophiles) car elle peut provoquer la rupture de leur membrane cellulaire. Dans ces cas, des solutions alternatives doivent être sélectionnées pour la purification cellulaire, y compris le tri magnétique, l’application d’instruments de nouvelle génération (par exemple, CellenOne, Cellenion ; MACSQuant Tyto, Miltenyi)35,36, ou des systèmes à base de gouttelettes (par exemple, ODIN, Sensific)37. Néanmoins, la lenteur de la vitesse de tri de ces technologies, avec un tri cellulaire qui dure des heures au lieu de quelques minutes, est un facteur limitant important pour l’application de ces approches dans la préparation de cellules viables pour Multiome et d’autres applications unicellulaires basées sur l’analyse de grands nombres de cellules.
Pour la purification des noyaux isolés du tissu, FACS est la méthode de choix en raison de son débit et de la pureté du matériau isolé. Les noyaux ne sont pas sensibles à la pression et les isolats de tissus filtrés peuvent facilement être purifiés par le trieur de cellules. Si le laboratoire n’est pas équipé d’un instrument FACS, d’autres alternatives existent, un peu moins performantes mais suffisamment performantes. Il s’agit par exemple de l’ultracentrifugation ou de l’utilisation de petits équipements tels que MARS (Applied Cell) qui sépare les particules en fonction de leur différence de taille, à l’aide d’ondes acoustiques ; Rondelle laminaire CURIOX qui utilise les propriétés hydrophobes des suspensions cellules/noyaux ; ou LEVITAS bio qui s’appuie sur les propriétés physiques des cellules (lévitation) pour les séparer des débris.
Ici, nous décrivons les protocoles permettant d’obtenir un nombre élevé de noyaux et la meilleure pureté pour le protocole Multiome en aval. Le tri FACS et les étapes répétées de centrifugation entraînent une perte substantielle de la matière initiale. Pour cette raison, dans le protocole de préparation des noyaux à partir du cerveau que nous décrivons ici, il faut un matériau de départ suffisamment abondant pour aboutir à la collecte d’au moins 500 000 noyaux après le tri FACS. D’autres protocoles doivent être appliqués si ce critère ne peut pas être respecté. Lorsque l’on travaille avec des populations de cellules rares ou de petites coupes de tissus, la quantité de matériel initial disponible peut être un facteur limitant. Pour résoudre ce problème, il est possible d’améliorer la récupération des noyaux en (a) réduisant le volume de lyse, (b) en réduisant le volume de lavage, (c) en utilisant un seul lavage avec un temps de centrifugation prolongé pour essayer d’améliorer la récupération comme indiqué dans les protocoles 10X Genomics pour l’isolement des noyaux à faible entrée cellulaire. Pour l’analyse multiomique de matériaux à faible teneur, il vaut la peine d’envisager des applications à base de plaques telles que scNMT, SNARE-seq et Paired-seq38 qui nécessitent beaucoup moins d’échantillons d’entrée.
En résumé, nous avons décrit deux protocoles robustes pour la préparation des noyaux des HSPC du cerveau et de la moelle osseuse pour l’analyse Multiome en aval. Ces protocoles sont applicables dans tout projet scientifique qui nécessite des suspensions de noyaux uniques de haute qualité à partir de ces deux types de tissus, quelle que soit la question scientifique posée. Notre groupe a appliqué le protocole d’isolement des noyaux cérébraux dans des études sur le développement du cerveau lors de l’inactivation de divers gènes ciblés et dans des études sur la réponse immunitaire dans le contexte de maladies neurologiques. Nous utilisons le protocole d’isolement des noyaux de moelle osseuse pour décrypter la participation de diverses sous-populations hématopoïétiques à la mise en place du système immunitaire.
The authors have nothing to disclose.
Ana Jeemin Choi a bénéficié d’une bourse du programme de doctorat international Pasteur – Université de Paris (PPU).
18 G x 1 ½ (1.2 mm x 38 mm) Agani needles | Terumo | AN*1838S1 | |
15 mL tubes | Falcon | 352097 | |
5 mL round bottom FACS tube with cell strainer cap 35 µm | falcon | 352235 | |
50 mL tubes | Falcon | 352070 | |
7-AAD | BD pharmagen | 559925 | |
ACK Lysing Buffer | Gibco | A10492-01 | |
APC anti-mouse CD117 (c-Kit) | BioLegend | 105812 | Clone: 2B8 |
APC/Cyanine 7 anti-mouse CD16/32 (FcγR) | BioLegend | 101328 | Clone: 93 |
BD FACSAria III | BD Biosciences | non-applicable | |
BD FACSDiva Software v8.0.1 | BD Biosciences | non-applicable | |
Bovine Serum Albumin stock solution 10% | Miltenyi Biotec | 130-091-376 | |
Cell staining buffer | Biolegend | 420201 | |
CFI Suprplan Fluor ELWD 40XC ON 0.6 | Nikon | non-applicable | |
CMOS camera Prime 95B 25 mm | Photometrix | non-applicable | |
Countess II FL Automated Cell Counter | Invitrogen | AMQAF1000 | |
Countess cell counting chamber slide | Invitrogen | C10283 | |
Coverglass 24 mm x 24 mm 0.13-0.17 mm | Brand | BR470819 | |
Digitonine 5% | Invitrogen | BN2006 | |
Disposable Scalpels | Swann-Morton | 0508 | |
DMEM (1x) + GlutaMAX-I | Gibco | 31966-021 | |
DPBS (10x) | Gibco | 14200-067 | |
DTT | Sigma aldrich | 646563 | |
Epifluorescence inverted microscope Nikon Ti2 -E | Nikon | non-applicable | |
Eppendorf Safe-Lock Tubes 0.5 mL | Eppendorf | 30123603 | |
Ethanol 70% | VWR | 83801.290 | |
FITC anti-mouse CD34 | Invitrogen | 11-0341-85 | Clone: RAM34 |
Forceps for dissection | FST | 11152-10 | |
Heat-inactivated Fetal Bovine Serum (FBS) | Gibco | 11533387 | |
Dounce Homogeniser 2 mL | Bellco glass | 1984-10002 | Pestle “A” Large Clearance: .0030-.0050″ and Pestle “B” Small Clearance: .0005-.0025″ |
LIVE/DEAD fixable aqua dead cell stain kit | Invitrogen | L34957 | |
Magnesium chloride solution 1 M | Sigma aldrich | M1028 | |
Microcentrifuge | Eppendorf | 5424R | |
Mounting medium Fluoromount-G | invitrogen | 00-4958-02 | |
Nonidet P40 substitute | Sigma aldrich | 74385 | |
Nuclease free water | ThermoFischer | AM9932 | |
Nuclei buffer 20x | 10X Genomics | 2000153/2000207 | |
Nuclei isolation kit EZ prep | Sigma Aldrich | NUC-101 | |
OneComp eBeads compensation beads | Invitrogen | 01-1111-41 | |
Pacific Blue anti-mouse lineage cocktail (including anti-mouse CD3, Ly-6G/Ly-6C, CD11b, CD45R/B220, TER-119) |
BioLegend | 133310 | Clones (in the same order as the antibodies listed): 17A2, RB6-8C5, M1/70, RA3-6B2, Ter-119 |
PCR Tube Strips 0.2 mL | Eppendorf | 951010022 | |
PE anti-mouse Ly-6A/E (Sca-1) | BioLegend | 122507 | Clone: E13-161.7 |
Petri dish 100 mm x 20 mm OPTILUX | Falcon | 353003 | |
Ply-L-lysine 0.01% sterile-filtered suitable for cell culture | Sigma | P4707 | |
Printed microscope slides 8 well 6 mm numbered | Epredia | ER-301B-CE24 | |
Protein LoBind Tubes 1.5 mL | Eppendorf | 30108116 | |
Recombinant Rnase inhibitor 5000 U | Takara | 2313A | |
Scissors for dissection | FST | 14090-09 | |
Sodium chloride solution 5 M | Sigma aldrich | 59222C | |
Syringe filters, PES, 0.2 µm | Fisher Scientific | 15206869 | |
Transparent nail polish | any | non-applicable | |
Trizma Hydrochloride solution pH 7.4 | Sigma aldrich | T2194 | |
Trypan Blue 0.4% | gibco | 15250061 | |
Tween 20 | Biorad | 1662404 | |
UltraPure Distilated Water Dnase/Rnase Free | Invitrogen | 10977-035 |