단일 세포 다중 오믹스 실험을 위한 마우스 경동맥 내강에서 내피 세포 분리
Summary
우리는 단일 세포 체학 실험을 수행하기 위해 안정하거나 방해받는 흐름 조건에 노출 된 마우스 경동맥의 내강에서 내피 세포와 핵을 분리하는 방법을 제시합니다.
Abstract
죽상 동맥 경화증은 방해받은 혈류 (d- 흐름)에 노출 된 동맥 부위의 염증성 질환입니다. D-flow 는 전사체 및 후성유전체 수준에서 내피의 유전자 발현을 조절하여 전동맥경화 반응을 일으킵니다. 최근에는 마우스 부분 경동맥 결찰(PCL) 모델을 사용하여 단일 세포 분해능에서 전사체 및 염색질 접근성 변화를 결정하기 위해 단일 세포 RNA 시퀀싱(scRNAseq) 및 트랜스포아제 접근 가능한 염색질 시퀀싱을 위한 단일 세포 분석(scATACseq) 연구가 수행되었습니다. 내피 세포 (ECs)는 동맥벽의 전체 세포 집단의 작은 부분을 나타내기 때문에 내강 분해 방법을 사용하여 EC가 풍부한 단일 세포 제제를 얻었습니다. 이 연구를 위해 마우스는 오른쪽 경동맥 (RCA)을 대조군으로 사용하면서 왼쪽 경동맥 (LCA)에서 d- 흐름을 유도하기 위해 PCL 수술을 받았다. 경동맥은 PCL 수술 후 2일 또는 2주 후에 해부되었다. 각 경동맥의 내강을 콜라게나제 소화를 거쳐 내피가 풍부한 단일 세포 또는 단일 핵을 얻었다. 이러한 단일 세포 및 단일 핵 제제는 이후 10x Genomics 미세유체 설정을 사용하여 바코드화되었습니다. 그런 다음 바코드된 단일 세포 및 단일 핵을 고처리량 DNA 시퀀서에서 RNA 준비, 라이브러리 생성 및 시퀀싱에 활용했습니다. 생물정보학 처리 후 scRNAseq 및 scATACseq 데이터 세트는 주로 EC로 구성된 내강 분해에서 다양한 세포 유형을 식별했습니다. 평활근 세포, 섬유 아세포 및 면역 세포도 존재했습니다. 이 EC 농축 방법은 전체 동맥 소화 방법으로는 어려울 수 있는 혈류가 내피에 미치는 영향을 이해하는 데 도움이 되었습니다. EC 농축 단일 세포 준비 방법은 이러한 유전자에 대한 혈류의 영향이 연구되지 않은 EC- 녹아웃 및 형질 전환 마우스에서 단일 세포 체학 연구를 수행하는 데 사용할 수 있습니다. 중요하게도, 이 기술은 유사한 기계론적 연구를 수행하기 위해 인간 동맥 외식편으로부터 EC가 풍부한 단일 세포를 분리하도록 조정될 수 있다.
Introduction
이 실험실은 이전에 d-flow의 유도가 고지혈증 마우스 1,2에서 빠르고 견고한 죽상 동맥 경화증 발달로 이어진다는 것을 입증했습니다. d-flow-유도 죽상동맥경화증의 새로운 마우스 모델은 부분 경동맥 결찰(PCL) 수술을 사용하여 가능했습니다3. PCL 수술은 결찰된 좌경동맥(LCA)에서 낮고 진동적인 혈류 상태 또는 d-flow를 유도합니다. 대조적으로, 반대쪽 우경동맥(RCA)은 계속해서 안정적인 층류(s-flow)에 직면합니다. 이전에는 내피 세포에 대한 d-flow의 효과를 이해하기 위해 부분 결찰 수술 후 경동맥을 해부하고 페놀 및 구아니딘 이소티오시아네이트 기반 용해제(내막 RNA/DNA 플러싱 방법)2,4로 플러싱하여 내피가 풍부한 “풀링된 벌크” RNA 또는 DNA를 제공했습니다. 이러한 풀링된 벌크 RNA 또는 DNA는 전사체 연구 또는 후성유전체 DNA 메틸롬 연구를 위해 각각 4,5,6으로 처리되었습니다. 이 연구는 내피 생물학 및 죽상 동맥 경화증에서 역할이 광범위하게 조사 된 여러 흐름에 민감한 유전자와 microRNA를 발견하는 데 도움이되었습니다 4,6,7.
그러나 내피 농축에도 불구하고 이러한 대량 RNA / DNA 연구는 d- 흐름 유발 죽상 동맥 경화증에서 동맥벽에서 각 세포 유형의 특정 역할을 구별 할 수 없었습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 내피-농축 단일세포(sc) 분리 및 scRNA 및 scATAC 시퀀싱 연구가 수행되었다8. 이를 위해, C57Bl6 마우스는 s-flow가 노출된 RCA를 대조군으로 사용하면서 LCA에서 d-flow를 유도하기 위해 PCL 수술을 실시하였다. PCL 수술 2 일 또는 2 주 후, 마우스를 희생시키고 경동맥을 해부하고 청소했습니다. LCA와 RCA의 내강에는 콜라게나 제가 주입되었고, ECs를 중요한 분획으로 함유하는 내강 콜라게나제 소화물과 다른 동맥 세포가 수집되었습니다. 단일 세포 현탁액(scRNAseq) 또는 단일 핵 현탁액(scATACseq)을 준비하고 10x Genomics 설정을 사용하여 각 세포 또는 핵에 대한 고유 식별자로 바코드화했습니다. RNA를 cDNA 라이브러리 제조를 실시하고 시퀀싱하였다.
scRNAseq 및 scATACseq 데이터 세트는 Cell Ranger Single-Cell Software를 사용하여 처리되었으며 Surat 및 Signac R 패키지 9,10에 의해 추가로 분석되었습니다. 각 세포와 핵은 이러한 분석으로부터 세포 유형을 할당하고 마커 유전자 및 고유 한 유전자 발현 패턴을 기반으로 세포 유형으로 클러스터링되었습니다. scRNAseq 및 scATACseq의 결과는 이러한 단일 세포 제제가 EC가 풍부하고 평활근 세포 (SMC), 섬유 아세포 및 면역 세포를 포함한다는 것을 입증했습니다.
추가 분석에 따르면 내강 소화의 EC 개체군은 매우 발산하고 플라스틱 (8 개의 다른 EC 클러스터)이며 혈류에 반응합니다. 가장 중요한 것은 이러한 결과가 d-flow 가 EC를 죽상 보호 항염증 표현형에서 전염증, 내피에서 중간엽으로의 전이, 내피 줄기/전구 세포 전이, 그리고 가장 놀랍게도 내피에서 면역 세포로의 유사 전이를 포함한 전이동맥 보호 항염증 표현형에서 전이형 동맥경화성 표현형으로 재프로그래밍한다는 것을 입증했습니다. 또한 scATACseq 데이터는 새로운 흐름 의존적 염색질 접근성 변화 및 전사 인자 결합 부위를 게놈 전반에 걸친 방식으로 밝혀 몇 가지 새로운 가설의 기초를 형성합니다. 마우스 경동맥으로부터의 단일 세포 다중 오믹스 연구를 위한 단일 내피 세포를 제조하기 위한 방법론 및 프로토콜은 아래에 자세히 설명되어 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 논문은 마우스 경동맥에서 단일 세포 제제를 분리하는 자세한 프로토콜을 제공합니다. PCL 수술이 올바르게 수행되면 내피 세포에 대한 d-flow 의 영향을 정확하게 연구 할 수 있습니다. 외경동맥, 내경동맥, 후두동맥 및 상갑상선동맥과 같은 총경동맥의 가지를 정확하게 식별하는 것이 중요합니다. 초음파 검사에 의한 유동 패턴의 검증은 d-flow 조건의 성공적인 시작을 더욱 검증합?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작업은 국립 보건원 보조금 HL119798, HL095070 및 HL139757에서 HJ에 대한 자금으로 지원되었습니다. HJ는 또한 Wallace H. Coulter Distinguished Faculty Chair Professorship의 지원을 받고 있습니다. Emory Integrated Genomics Core (EIGC)가 제공 한 서비스는 Emory University School of Medicine의 보조금을 받았으며 National Institutes of Health의 Georgia Clinical and Translational Science Alliance에서도 부분적으로 지원되었습니다. UL1TR002378. 위에 제공된 내용은 전적으로 저자의 책임이며 국립 보건원의 공식 견해를 반영하지 않습니다.
Materials
| Chemicals, Peptides, and Recombinant Proteins | |||
| 1x PBS (Cell Culture Grade) | Corning | 21040CMX12 | |
| 1.5 mL Protein LoBind Microcentrifuge Tubes | Eppendorf | 022-43-108-1 | |
| 15 mL Centrifuge Tube – Foam Rack, Sterile | Fablab | FL4022 | |
| 50 mL SuperClear Centrifuge Tubes | Labcon | 3191-335-028 | |
| 6-0 Silk Suture Sterile | Covidien | s-1172 c2 | |
| 70 µm Cell Strainer, White, Sterile, Individually Packaged | Thermo Fisher Scientic | 08-771-2 | |
| Accutase solution,sterile-filtered | Sigma-Aldrich | A6964-100ML | or equivalent |
| ATAC Buffer (Component I of Transposition Mix) | 10x Genomics | 2000122 | |
| ATAC Enzyme (Component II of Transposition Mix) | 10x Genomics | 2000123/ 2000138 | |
| Bovine Serum albumin | Sigma-Aldrich | A7906-500G | |
| Buprenorphine | Med-Vet International | RXBUPRENOR5-V | |
| Chromium Controller & Next GEM Accessory Kit | 10X Genomics | 1000204 | |
| Chromium Next GEM Single Cell 3' Reagent Kits v3.1 | 10X Genomics | 1000121 | |
| Chromium Next GEM Single Cell ATAC Reagent Kits v1.1 | 10X Genomics | 1000175 | |
| Collagenase II | MP Biomedicals | 2100502.5 | |
| Digitonin | Sigma-Aldrich | D141-100MG | |
| Dissecting Forceps | Roboz Surgical Instruments Co | RS-5005 | |
| Dnase1 | New England Biolabs Inc | M0303S | |
| Centrifuge (Benchtop-Model # 5425) | Eppendorf | 22620444230VR | |
| Fetal Bovine Serum – Premium Select | R&D systems | S11550 | |
| Fixed Angle Rotor | Eppendorf | FA-45-24-11-Kit Rotor | |
| HEPES buffered saline | Millipore Sigma | 51558 | |
| Insulin syringe (3/10 mL 29 G syringe) | BD | 305932 | |
| Isoflurane | Patterson vet | 789 313 89 | |
| MACs Smart Strainers (30 µm) | Miltenyi Biotec | 130-098-458 | |
| MACS SmartStrainers (100 µm) | Miltenyi Biotec | 130-098-463 | |
| Normal Saline (0.9% sodium chloride) | Baxter International Inc | 2B1323 | |
| Nuclei Buffer (20x) | 10x Genomics | PN 2000153/2000207 | |
| PBS (10x), pH 7.4 | Thermo Fisher Scientic | 70011-044 | |
| Small scissors | Roboz Surgical Instruments Co | RS-5675 | |
| Stainless Steel Micro Clip Applying Forceps With Lock | Roboz Surgical Instruments Co. | RS-5480 | or similar |
| Tissue Mend II | Webster Veteinanry | 07-856-7946 | |
| Type II Collagenase | MP biomedicals | 2100502.1 | |
| Deposited Data | |||
| scATACseq FastQ files | NCBI | www.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject Accession # PRJNA646233 | |
| scRNAseq FastQ files | NCBI | www.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject Accession # PRJNA646233 | |
| Software and Algorithms | |||
| Cell Ranger 3.1.0 | 10X Genomics | https://support.10xgenomics.com/ single-cell-gene-exp | |
| Cicero | Pliner et al., 2018 | https://cole-trapnell-lab.github.io/cicero-release/ | |
| Ggplot2 v3.2.1 | Hadley Wickham | https://cran.r-project.org | |
| Harmony | Korsunsky et al., 2019 | https://github.com/immunogenomics/harmony | |
| ImageJ | Schneider et al., 2012 | https://imagej.nih.gov | |
| Monocle 2.8.0 | Qiu et al., 2017 | https://github.com/cole-trapnell-lab/ monocle-release | |
| R version 3.6.2 | R Foundation | https://www.r-project.org | |
| Seurat 3.1.3 | Stuart et al., 2019 | https://github.com/satijalab/seurat | |
| Signac 0.2.5 | Stuart et al., 2019 | https://github.com/timoast/signac |
References
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