Generación y análisis posterior de transcriptomas de una sola célula y de un solo núcleo en organoides cerebrales
Summary
Aquí, presentamos un protocolo integral para la generación y el análisis posterior de organoides cerebrales humanos utilizando la secuenciación de ARN de una sola célula y un solo núcleo.
Abstract
Durante la última década, la transcriptómica de una sola célula ha evolucionado significativamente y se ha convertido en un método de laboratorio estándar para el análisis simultáneo de los perfiles de expresión génica de células individuales, lo que permite la captura de la diversidad celular. Con el fin de superar las limitaciones planteadas por los tipos de células difíciles de aislar, se puede utilizar un enfoque alternativo destinado a recuperar núcleos individuales en lugar de células intactas para la secuenciación, lo que hace que el perfil del transcriptoma de las células individuales sea universalmente aplicable. Estas técnicas se han convertido en una piedra angular en el estudio de los organoides cerebrales, estableciéndolos como modelos del cerebro humano en desarrollo. Aprovechando el potencial de la transcriptómica de una sola célula y de un solo núcleo en la investigación de organoides cerebrales, este protocolo presenta una guía paso a paso que abarca procedimientos clave como la disociación de organoides, el aislamiento de una sola célula o núcleos, la preparación de bibliotecas y la secuenciación. Al implementar estos enfoques alternativos, los investigadores pueden obtener conjuntos de datos de alta calidad, lo que permite la identificación de tipos de células neuronales y no neuronales, perfiles de expresión génica y trayectorias de linaje celular. Esto facilita investigaciones exhaustivas sobre los procesos celulares y los mecanismos moleculares que dan forma al desarrollo del cerebro.
Introduction
En los últimos años, las tecnologías de organoides se han convertido en una herramienta prometedora para el cultivo de tejidos similares a órganos 1,2,3. Especialmente para los órganos a los que no se puede acceder fácilmente, como el cerebro humano, los organoides ofrecen la oportunidad de obtener información sobre el desarrollo y la manifestación de la enfermedad4. Como tal, los organoides cerebrales han sido ampliamente utilizados como modelo experimental para investigar diversos trastornos del cerebro humano, incluidas enfermedades del desarrollo, psiquiátricas o incluso neurodegenerativas 4,5,6.
Con el advenimiento de las tecnologías de perfiles de transcriptoma de una sola célula, los tejidos humanos primarios y los modelos complejos in vitro pudieron estudiarse con un nivel de granularidad sin precedentes, proporcionando información mecanicista sobre los cambios en la expresión génica a nivel de las subpoblaciones celulares en la salud y la enfermedad e informando sobre nuevos objetivos terapéuticos putativos 7,8,9. El campo de los organoides ha progresado mediante la utilización del perfil del transcriptoma de una sola célula para evaluar la composición celular, la reproducibilidad y la fidelidad de las tecnologías de organoides cerebrales 10,11,12. La secuenciación de ARN unicelular (scRNA-seq) permitió la clasificación celular y la identificación de la desregulación genética en organoides enfermos13,14. Es importante destacar que es la complejidad de los tejidos organoides lo que requiere la implementación de técnicas que permitan el perfil de células individuales. La caracterización de organoides utilizando métodos como el perfil del transcriptoma masivo (secuenciación masiva de ARN) conduce a una heterogeneidad celular enmascarada y perfiles de expresión génica que se promedian en todos los tipos de células dentro del tejido complejo, lo que en última instancia limita nuestra comprensión de los procesos en curso durante el desarrollo de organoides en la salud y la enfermedad 15,16,17. A medida que los métodos de scRNA-seq continúan avanzando, se está creando un número cada vez mayor de atlas, ejemplificados por recursos como el Allen Brain Atlas o el Single cell atlas of human brain organoids de Uzquiano et al.18.
El éxito de la scRNA-seq a partir de organoides cerebrales depende del aislamiento y la captura eficaces de las células intactas. Dado que la disociación de los organoides cerebrales para obtener células individuales se basa en la digestión enzimática, puede influir en los patrones de expresión génica al inducir estrés y daño celular19,20. Por lo tanto, la disociación del tejido en células individuales es el paso más crucial. Un enfoque alternativo es la secuenciación de ARN de un solo núcleo (snRNA-seq), que facilita la extracción sin enzimas de núcleos de tejidos, tanto frescos como congelados21,22. Sin embargo, el aislamiento de núcleos de un tejido plantea otros desafíos, como el enriquecimiento de los tipos celulares de interés y el bajo contenido de ARN de los núcleos en comparación con las células.
Los estudios de transcriptoma de organoides cerebrales se realizan comúnmente utilizando scRNA-seq 10,18,23. Sin embargo, el aislamiento de núcleos individuales podría proporcionar un método ortogonal y complementario para investigar el perfil transcriptómico de los organoides. Aquí, presentamos una caja de herramientas para la secuenciación de scRNA y snRNA para organoides cerebrales y discutimos los puntos críticos para obtener datos de secuenciación de la mejor calidad.
Protocol
Representative Results
Discussion
El análisis transcriptómico de células individuales y núcleos individuales se ha convertido en una herramienta fundamental para comprender los mecanismos reguladores de genes dentro de tejidos complejos. Ambos métodos permiten el estudio del transcriptoma de los organoides cerebrales. Para garantizar el éxito general del experimento, la calidad del material de partida es de gran relevancia. Por lo tanto, es necesario cortar los organoides con regularidad para evitar la formación de un núcleo necrótico<sup class=…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos a Valeria Fernández-Vallone por las instrucciones originales para el kit de Disociación Neural Miltenyi. También agradecemos a la Plataforma de Tecnología Genómica del Max Delbrueck Centrum por proporcionar la receta para el tampón de lisis NP40 y por sus valiosos consejos para establecer este protocolo. También agradecemos a Margareta Herzog y Alexandra Tschernycheff por el apoyo organizativo del laboratorio.
Materials
| 1,4-DITHIO-DL-THREIT-LSG., F. D. MOL.-BIOL., ~1 M IN H2O (DTT) | Sigma | 43816-10ML | |
| 1.5 ml DNA low binding tubes | VWR | 525-0130 | microcentrifuge tube |
| 10x Cellranger pipeline | analysis pipline | ||
| 15 ml Falcon | Falcon | Centrifuge tube | |
| 2-Mercaptoethanol (BME) | Life Technologies | 21985023 | |
| 50 ml Falcon | Falcon | Centrifuge tube | |
| A83-01 | Bio Technologies | 379762 | |
| Antibiotic/Antimycotic Solution (100X) | Life Technologies | 15240062 | |
| B-27 Plus Supplement | Life Technologies | 17504044 | |
| B-27 Supplement without vitamin A | Life Technologies | 12587010 | |
| Bovine serum albumin, fatty acid free (BSA) | Sigma Aldrich | A8806-5G | |
| cAMP | Biogems | 6099240 | |
| cAMP | Biogems | 6099240 | |
| C-CHIP NEUBAUER IMPROVED | VWR | DHC-N01 | |
| Cell strainer 40 µm | Neolab | 352340 | |
| Cell strainer 70 µm (white) Nylon | Sigma | CLS431751-50EA | |
| Chromium Controller & Next GEM Accessory Kit | 10X Genomics | 1000204 | |
| Chromium Next GEM Chip G Single Cell Kit, 16 rxns | 10X Genomics | 1000127 | |
| Chromium Next GEM Single Cell 3' Kit v3.1 | 10X Genomics | 1000268 | |
| Complete, EDTA-free Protease Inhibitor Cocktaill | Roche | 11873580001 | |
| DAPI | MERCK Chemicals | 0000001722 | |
| DMEM/F12 | Life Technologies | 11320074 | |
| Dounce tissue grinder set 2 mL complete | Sigma Aldrich | 10536355 | |
| Essential E8 Flex Medium | Life Technologies | A2858501 | |
| EVE Cell Counting Slides | VWR | EVS-050 ( 734-2676) | |
| Foetal bovine serum tetracycline free (FBS) | PAN Biotech | P30-3602 | |
| Geltrex LDEV-Free (coating) | Life Technologies | A1413302 | |
| gentleMACS | Miltenyi Biotec | dissociation maschine | |
| GlutaMAX supplements | Life Technologies | 35050038 | |
| Heparin sodium cell culture tested | Sigma | H3149-10KU | |
| human recombinant BDNF | StemCell Technologies | 78005.3 | |
| human recombinant GDNF | StemCell Technologies | 78058.3 | |
| Insulin Solution Human | Sigma Aldrich | I2643-25MG | |
| Knockout serum replacement | Life Technologies | 10828028 | |
| LDN193189 Hydrochloride 98% | Sigma Aldrich | 130-106-540 | |
| MEM non-essential amino acid (100x) | Sigma Aldrich | M7145-100ml | |
| MgCl2 Magnesium Chloride (1M) RNAse free | Thermo Scientific | AM9530G | |
| mTeSR Plus | StemCell Technologies | 100-0276 | stem cell medium |
| mTeSR1 | StemCell Technologies | 85850 | stem cell medium |
| N2 Supplement | StemCell Technologies | 17502048 | |
| Neural Tissue Dissociation Kit | Miltenyi Biotec B.V. & Co. KG | 130-092-628 | |
| Neurobasal Plus | Life Technologies | A3582901 | |
| NextSeq500 system | Illumina | Sequencer | |
| NP-40 Surfact-Amps Detergent Solution | Life Technologies | 28324 | |
| PBS Dulbecco’s | Invitrogen | 14190169 | |
| PenStrep (Penicillin – Streptomycin) | Life Technologies | 15140122 | |
| Percoll | Th. Geyer | 10668276 | |
| Pluronic (R) F-127 | Sigma Aldrich | P2443-1KG | |
| RiboLock RNase Inhibitor | Life Technologies | EO0382 | |
| Rock Inhibitor (Y-27632 dihydrochloride) SB | Biomol | Cay10005583-10 | |
| SB 431542 | Biogems | 3014193 | |
| Sodium chloride NaCl (5M), RNase-free-100 mL | Invitrogen | AM9760G | |
| StemFlex Medium | Thermo Scientific | A3349401 | stem cell medium |
| StemMACS iPS-Brew XF | Miltenyi Biotec | 130-104-368 | stem cell medium |
| TC-Platte 96 Well, round bottom | Sarstedt | 83.3925.500 | |
| TISSUi006-A | TissUse GmbH | https://hpscreg.eu/cell-line/TISSUi006-A | |
| Trypan Blue | T8154-20ml | Sigma | |
| TrypLE Express Enzyme, no phenol red | Life Technologies | 12604013 | Trypsin-based reagent |
| UltraPure 1M Tris-HCl Buffer, pH 7.5 | Life Technologies | 15567027 | |
| XAV939 | Enzo Life sciences | BML-WN100-0005 |
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