Summary

Microprobe kapillärelektrofores Mass Spectrometry för Single-cell metabolomik i Live groda (Xenopus laevis) embryon

Published: December 22, 2017
doi:

Summary

Vi beskriver stegen som möjliggör snabb i situ provtagning av en liten del av en enskild cell med hög precision och minimal invasion med kapillär-baserade micro-provtagning, för att underlätta kemisk karakterisering av en ögonblicksbild av metabolisk aktivitet i levande embryon med en specialbyggd enda cell kapillär elektrofores och masspektrometri plattform.

Abstract

Kvantifiering av små molekyler i enstaka celler väcker nya potentialer för att bättre förstå de grundläggande processer som ligger bakom embryonal utveckling. Att aktivera encelliga utredningar direkt i levande embryon, nya analytiska metoder behövs, särskilt de som är känsliga, selektiv, kvantitativa, robust och skalbar till annan cell storlekar. Här presenterar vi ett protokoll som möjliggör de i situ -analysen av metabolism i enstaka celler i fritt utveckla embryon av sydafrikanska kloförsedda grodan (Xenopus laevis), en kraftfull modell i cell- och utvecklingsbiologi. Denna metod använder en kapillär microprobe att aspirera en definierad del från enda identifierade cellerna i embryot, medan angränsande celler intakt för efterföljande analys. Insamlade cellinnehållet analyseras av ett hur provtagningsutrustningen skall kapillärelektrofores elektrospray jonisering (CE-ESI) gränssnitt kopplad till en högupplöst tandem masspektrometer. Detta synsätt är skalbar till olika cell storlekar och kompatibel med komplexa tredimensionella strukturen hos det växande embryot. Som ett exempel visar vi att microprobe encelliga CE-ESI-MS gör förtydligandet av metabola cell heterogenitet som utspelar sig som en progenitor cell ger upphov till ättlingar under embryots utveckling. Förutom cell och utvecklingsbiologi är encelliga analysprotokoll som beskrivs här mottagliga för andra cell storlekar, typer eller modeller.

Introduction

En omfattande förståelse av embryonal utveckling kräver karakterisering av alla molekylära förändringar som utvecklas i varje cell organismens utveckling. Medan nästa generations sekvensering med molekylär förstärkning möjliggör är djupa mätning av encelliga transcriptomes1 i utveckla system2,3, betydligt mindre känt om sviten av mindre molekyler produceras i enstaka embryonala celler, inklusive proteiner och, särskilt, metaboliter (molekylmassa < ~ 1 500 Da). Med snabba och dynamiska svar på inre och yttre händelser fungerar bröstmjölkssammansättningen som en kraftfull deskriptor i cellens molekylär stat. De encelliga bröstmjölkssammansättningen, väcker därför potential att spåra rumsliga och tidsmässiga utvecklingen av cell heterogenitet i det tidiga embryot och att identifiera nya molekyler för funktionella studier. Dock utan molekylära amplifiering tillgänglig för dessa molekyler kräver upptäckt av bröstmjölkssammansättningen enastående känslighet med masspektrometri (MS), som är tekniken för val för metaboliten analys.

Encelliga MS är en samling av tekniker med tillräcklig känslighet att mäta metaboliter i enstaka celler (se recensioner 4,5,6,7,8,9 ,10,11,12,13,14,15). Reproducerbara provtagning av celler och effektiv utvinning av metaboliter är avgörande för framgångsrik påvisning av metaboliter i enstaka celler. Hela-cell dissekering av identifierade celler från embryon som Xenopus har aktiverat karakterisering av små molekyler och peptider16. Andra metoder använder Mikropipetter att prova enskilda levande celler följt av detektering med elektrospray jonisering (ESI) MS. Till exempel mättes metaboliter i växten eller däggdjursceller av encelliga video MS17, trycket sonden18, enda sonden19och fluidic force microscopy20, bland andra tekniker21, 22,23,24. Dessutom förenklar införlivandet av kemisk separation före jonisering i encelliga MS arbetsflödet effektivt de bröstmjölkssammansättningen, således att lindra eventuella störningar under ion generation innan upptäckt. Allt erbjuder separation också förening-specifik information för att hjälpa i molekylär identifieringar. Kapillärelektrofores (CE) har använts för att identifiera metaboliter i enda dissekerade25,26 eller microsampled27nervceller, fånga småmolekylär skillnader mellan neuron fenotyper. Vi anpassade nyligen CE till ESI tandem MS att aktivera spårningsnivå detektion av hundratals metaboliter i enskilda celler som var dissekeras från tidiga embryon Xenopus laevis16,28. Dessa studier visade överraskande metabola skillnader mellan embryonala celler i ett tidigt skede av utvecklingen och ledde till upptäckten av metaboliter med tidigare okänd fosterskadande effekter16.

Här tillhandahåller vi ett protokoll som aktiverat påvisning av metaboliter i enstaka celler direkt i en levande ryggradsdjur embryon som använder microprobe encelliga CE-ESI-MS29,30. Modellen organismen valt är 8–32-cellen till X. laevis embryo, även om metoden är också tillämplig på senare stadier av utveckling och andra typer av modellorganismer. Detta protokoll använder vässade kapillärer med fleraxliga translationell kontroll under vägledning av en högupplöst bildsystem för att aspirera ett ~ 10 nL portionr av identifierade celler i situ i morfologiskt komplexa utvecklande embryot. Detta microprobe är skalbar till mindre celler och fungerar inom sekunder, vilket är tillräckligt snabbt för att spåra cell härstamningar i embryot. Efter utdrager polar eller apolar små molekyler, som metaboliter och peptider, från insamlade stickprovet i ~ 4-5 µL extraktionslösningen, en ~ 10 nL av resulterande extraktet analyseras i en specialbyggd CE-plattformen bindestreck till en ESI masspektrometer. Byggande och drift av CE-ESI-MS plattformen bygger på protokoll som beskrivs på andra ställen. 31 , 32 det co-axial CE-ESI-gränssnittet är konstruerad som beskrivs på andra ställen. 31 denna plattform bibehålls i den kon-jet bespruta regimen att uppnå spårningsnivå känslighet med en kapacitet för kvantifiering över en 4-5 log-order dynamiskt omfång (relativa28,29,30 eller absoluta16). CE-ESI-MS plattformen erbjuder en 60-amol lägre detektionsgräns med 8% Relativ standardavvikelse (RSD) i kvantifiering över ett testade 10 nM till 1 µM för små molekyler16, som är tillräckliga för att karakterisera endogena metaboliter i X. laevis celler. Microprobed celler fortsätter att dela som embryo fortskrider genom utveckling30, möjliggör temporally och rumsligt löst analys av cellulär metabolism. Faktiskt, encelliga CE-ESI-MS kan användas för att hitta metabola skillnader mellan celler som upptar den dorsala-ventrala16,29, djur-vegetal16, vänster-höger28 utvecklingsmässiga axlar samt och celler som bildar den nervvävnad ödesbestämda dorsala härstamning från en gemensam stamfader cell i X. laevis30. Förutom hämtar metabola skillnader mellan enskilda embryonala celler i olika utvecklingsstadier av X. laevis embryo30, vi räknar med att de protokoll som beskrivs här är tillämpliga på ett brett spektrum av biomolekyler och enstaka celler microsampled från olika skeden av embryonal utveckling samt andra typer av celler och modellorganismer. Dessutom skulle microprobe kunna användas för microsampling medan en annan plattform som är kompatibel med minimala prover skulle kunna användas för separation eller karakterisering av biomolekyler.

Protocol

Alla protokoll som avser underhåll och hantering av Xenopus laevis godkändes av institutionella djur vård och användning kommittén vid George Washington University (IACUC ingen. A311). 1. beredning av provtagning instrument, Media, lösningsmedel och provtagning rätter Bered 1 x Steinbergs lösning (SS) genom upplösning följande salterna i ultrarent vatten (~18.2 MΩ.cm vid 25 ° C) i följande ordning och vid de angivna koncentrationer efter en standard protokoll<…

Representative Results

Vi har nyligen anställt microprobe encelliga CE-ESI-MS att karakterisera metaboliter i enskilda identifierade celler i fritt utveckla Xenopus laevis embryon29,30. Microprobe möjliggör snabb (~ 5 sec/cell), i situ aspiration av ~ 10 nL från en enskild cell, flera ambitioner i samma cell, eller flera olika celler i de samma eller senare stadierna av levande fosterutvecklingen (figur 1b</str…

Discussion

Microprobe CE-ESI-MS kan direkt karakterisering av metaboliter i enstaka celler i live, fritt utveckla embryon. Kärnan i metoden är två tekniska delkomponenter, nämligen i situ kapillär microsampling och hög känslighet CE-ESI-MS. jämfört med hela-cell dissektion, kapillär microsampling har fördelen av snabb operation (några sekunder vs. 5 min ”/ cell genom dissektion), kompatibilitet med komplexa tredimensionella morfologi av embryon och skalbarhet till mindre celler som bildar på senare stadier a…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Detta arbete stöds av nationella institut för hälsa bidrag GM114854 (att P.N.) och CA211635 (att P.N.), Arnold och Mabel Beckman Foundation Beckman Young Investigator bevilja (till P.N.), DuPont ung Professor tilldelningen (till P.N.), American Society for Mass Spektrometri Research Award (att P.N.) och COSMOS Club Foundation stipendier (till R.M.O. och E.P.P.). De åsikter och slutsatser som framförs i denna publikation är enbart författarnas och representerar inte nödvändigtvis de officiella utsikt över finansiering källor.

Materials

Reagents for Embryo Culture Media
Potasium chloride Fisher Scientific BP 366-1
Magnesium sulfate Fisher Scientific M 65-3
Calcium nitrate Sigma Aldrich C1396
Cysteine MP Biomedicals 101444
Trizma hydrochloride Sigma Aldrich T3253
Trizma base Sigma Aldrich T1503
Sodium chloride Fisher Scientific 5641-212
Name Company Catalog Number Comments
Metabolite Extraction Solvents
Acetonitrile (LC-MS-grade) Fisher Scientific A955
Methanol (LC-MS-grade) Fisher Scientific A456
Water (LC-MS-grade) Fisher Scientific W6
Name Company Catalog Number Comments
Solvents and Standards for CE-ESI-MS
Formic acid (LC-MS-grade) Fisher Scientific A11710X1-AMP
Methanol (LC-MS-grade) Fisher Scientific A456-4
Water (LC-MS-grade) Fisher Scientific W6
Sodium chloride Fisher Scientific 5641-212
Acetylcholine chloride Acros Organics 159170050
Name Company Catalog Number Comments
Microprobe Fabrication Setup
Micropippette puller Sutter Instrument Co. P-1000
Borosilicate capillaries Sutter Instrument Co. B100-50-10
Fine sharp forceps: Dumont #5, Biologie/Dumoxel Fine Science Tools (USA) Inc 11252-30 Corrosion resitant and autoclavable.
Name Company Catalog Number Comments
Microprobe Sampling Setup
Micromanipulator Eppendorf, Hauppauge, NY TransferMan 4r
Stereomicroscope Nikon SMZ18 Should be vibrationally isolated.
Illuminator e.g. Goosenecks Nikon C-FLED2
Microinjector Warner Instrument, Handem, CT PLI-100A
Transfer pipettes (Plastic, disposable) Fisher Scientific 13-711-7M
Petri dish 60 mm and 80 mm Fisher Scientific S08184
Glass Pasteur Pipets ( Borosilicate, disposable) Fisher Scientific 13-678-20A
Centrifuge Thermo Scientific Sorvall Legend X1R
Name Company Catalog Number Comments
CE-ESI-MS Setup
High voltage power supply Spellman CZE1000R The HVPS may be controlled remotely using a low-voltage program generated by a personal computer. Caution: High voltage presents electrical shock hazard; all connective parts must be grounded or carefully shielded to prevent users from accidental exposure.
Syringe pumps (2) Harvard Apparatus 704506
Stereomicroscope Amscope SM-3BZZ Stereomicroscope capable of 4.5× magnification, equipped with an illuminator to monitor the spraying mode of the CE-ESI interface.
XYZ translation stage Thorlabs PT3
XYZ translation stage Custom-built This platform is capable of loading nanoliter-amounts of sample into the separation capillary via hydrodynamic injection and supplying the BGE for CE. Both interfaces described in this work were able to inject 6–10 nL of sample within 1 min into a 1 m separation capillary
Stainless steel sample vials Custom-built
Stainless steel BGE vial Custom-built
Fused silica capillary (40 µm/105 µm ID/OD; 100 cm) Polymicro technologies TSP040105
Fused silica capillary (75 µm/360 µm ID/OD; 100 cm) Polymicro technologies TSP075375
Stainless steel emitter with blunt tips (130/260 µm ID/OD) Hamilton Co. 21031A For better performance, laser-cleave and fine-polish the emitter tip.
Syringes (gas-tight): 500 – 1000 µL Hamilton Co. 1750TTL
Digital multimeter Fluke Fluke 117
High-resolution Mass Spectrometer Bruker Daltonics Maxis Impact HD High-resolution tandem mass spectrometer equipped with an atmospheric-pressure interface configured for ESI
Tunning mixture for mass spectrometer calibration Agilent technologies ESI-L G1969-85000
Data Analysis ver. 4.3 software Bruker Daltonics
Name Company Catalog Number Comments
Ancillary Equipment
Vacuum concentrator capable of operation at 4–10°C Labconco 7310022
Analytical microbalance (XSE105DU) Fisher Scientific 01911005
Freezer (-20 °C) Fisher Scientific 97-926-1
Freezer (-80 °C) Fisher Scientific 88300ASP
Refrigerated Incubator Fisher Scientific 11475126
Vortex-mixer Benchmark BS-VM-1000

Riferimenti

  1. Tang, F. C., Lao, K. Q., Surani, M. A. Development and applications of single-cell transcriptome analysis. Nat. Methods. 8 (4), S6-S11 (2011).
  2. Veselovska, L., et al. Deep sequencing and de novo assembly of the mouse oocyte transcriptome define the contribution of transcription to the DNA methylation landscape. Genome Biol. 16 (209), (2015).
  3. Tran, D. A., Bai, A. Y., Singh, P., Wu, X. W., Szabo, P. E. Characterization of the imprinting signature of mouse embryo fibroblasts by RNA deep sequencing. Nucleic Acids Res. 42 (3), 1772-1783 (2014).
  4. Wang, D. J., Bodovitz, S. Single cell analysis: the new frontier in ‘omics’. Trends Biotechnol. 28 (6), 281-290 (2010).
  5. Svatos, A. Single-cell metabolomics comes of age: new developments in mass spectrometry profiling and imaging. Anal. Chem. 83 (13), 5037-5044 (2011).
  6. Rubakhin, S. S., Romanova, E. V., Nemes, P., Sweedler, J. V. Profiling metabolites and peptides in single cells. Nat. Methods. 8 (4), S20-S29 (2011).
  7. Bodenmiller, B., et al. Multiplexed mass cytometry profiling of cellular states perturbed by small-molecule regulators. Nat. Biotechnol. 30 (9), 858-889 (2012).
  8. Rubakhin, S. S., Lanni, E. J., Sweedler, J. V. Progress toward single cell metabolomics. Curr. Opin. Biotechnol. 24 (1), 95-104 (2013).
  9. Kleparnik, K., Foret, F. Recent advances in the development of single cell analysis: A review. Anal. Chim. Acta. 800, 12-21 (2013).
  10. Zenobi, R. Single-cell metabolomics: Analytical and biological perspectives. Science. 342 (6163), 1243259 (2013).
  11. Gholipour, Y., Erra-Balsells, R., Nonami, H. In situ pressure probe sampling and UV-MALDI MS for profiling metabolites in living single cells. Mass Spectrom (Tokyo). 1 (1), A0003 (2012).
  12. Comi, T. J., Do, T. D., Rubakhin, S. S., Sweedler, J. V. Categorizing cells on the basis of their chemical profiles: progress in single-cell mass spectrometry. J. Am. Chem. Soc. 139 (11), 3920-3929 (2017).
  13. Lombard-Banek, C., Portero, E. P., Onjiko, R. M., Nemes, P. New-generation mass spectrometry expands the toolbox of cell and developmental biology. Genesis. 55, e23012 (2017).
  14. Yang, Y. Y., et al. Single-cell analysis by ambient mass spectrometry. Trac-Trends Anal. Chem. 90, 14-26 (2017).
  15. Lanni, E. J., Rubakhin, S. S., Sweedler, J. V. Mass spectrometry imaging and profiling of single cells. J. Proteomics. 75 (16), 5036-5051 (2012).
  16. Onjiko, R. M., Moody, S. A., Nemes, P. Single-cell mass spectrometry reveals small molecules that affect cell fates in the 16-cell embryo. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 112 (21), 6545-6550 (2015).
  17. Mizuno, H., Tsuyama, N., Harada, T., Masujima, T. Live single-cell video-mass spectrometry for cellular and subcellular molecular detection and cell classification. J. Mass Spectrom. 43 (12), 1692-1700 (2008).
  18. Nakashima, T., et al. Single-cell metabolite profiling of stalk and glandular cells of intact trichomes with internal electrode capillary pressure probe electrospray ionization mass spectrometry. Anal. Chem. 88 (6), 3049-3057 (2016).
  19. Pan, N., et al. The single-probe: A miniaturized multifunctional device for single cell mass spectrometry analysis. Anal. Chem. 86 (19), 9376-9380 (2014).
  20. Guillaume-Gentil, O., et al. Single-cell mass spectrometry of metabolites extracted from live cells by fluidic force microscopy. Anal. Chem. 89 (9), 5017-5023 (2017).
  21. Saha-Shah, A., Green, C. M., Abraham, D. H., Baker, L. A. Segmented flow sampling with push-pull theta pipettes. Analyst. 141 (6), 1958-1965 (2016).
  22. Hu, J., et al. Synchronized polarization induced electrospray: Comprehensively profiling biomolecules in single cells by combining both positive-ion and negative-ion mass spectra. Anal. Chem. 88 (14), 7245-7251 (2016).
  23. Zhang, L. W., Vertes, A. Energy charge, redox state, and metabolite turnover in single human hepatocytes revealed by capillary microsampling mass spectrometry. Anal. Chem. 87 (20), 10397-10405 (2015).
  24. Zhang, L. W., et al. In Situ metabolic analysis of single plant cells by capillary microsampling and electrospray ionization mass spectrometry with ion mobility separation. Analyst. 139 (20), 5079-5085 (2014).
  25. Lapainis, T., Rubakhin, S. S., Sweedler, J. V. Capillary electrophoresis with electrospray ionization mass spectrometric detection for single-cell metabolomics. Anal. Chem. 81 (14), 5858-5864 (2009).
  26. Nemes, P., Knolhoff, A. M., Rubakhin, S. S., Sweedler, J. V. Metabolic differentiation of neuronal phenotypes by single-cell capillary electrophoresis electrospray ionization mass spectrometry. Anal. Chem. 83 (17), 6810-6817 (2011).
  27. Aerts, J. T., et al. Patch clamp electrophysiology and capillary electrophoresis mass spectrometry metabolomics for single cell characterization. Anal. Chem. 86 (6), 3203-3208 (2014).
  28. Onjiko, R. M., Morris, S. E., Moody, S. A., Nemes, P. Single-cell mass spectrometry with multi-solvent extraction identifies metabolic differences between left and right blastomeres in the 8-cell frog (Xenopus) embryo. Analyst. 141 (12), 3648-3656 (2016).
  29. Onjiko, R. M., Plotnick, D. O., Moody, S. A., Nemes, P. Metabolic comparison of dorsal versus ventral cells directly in the live 8-cell frog embryo by microprobe single-cell CE-ESI-MS. Anal. Methods. , (2017).
  30. Onjiko, R. M., Portero, E. P., Moody, S. A., Nemes, P. In situ microprobe single-cell capillary electrophoresis mass spectrometry: Metabolic reorganization in single differentiating cells in the live vertebrate (Xenopus laevis) embryo. Anal. Chem. 89, 7069-7076 (2017).
  31. Nemes, P., Rubakhin, S. S., Aerts, J. T., Sweedler, J. V. Qualitative and quantitative metabolomic investigation of single neurons by capillary electrophoresis electrospray ionization mass spectrometry. Nat. Protoc. 8 (4), 783-799 (2013).
  32. Knolhoff, A. M., Nemes, P., Rubakhin, S. S., Sweedler, J. V., Wevers, R., Lutz, N., Sweedler, J. V. . Methodologies for Metabolomics. , 119-139 (2013).
  33. Sive, H. L., Grainger, R. M., Harland, R. M. . Early development of Xenopus laevis: a laboratory manual. , (2000).
  34. Moody, S. A. Cell lineage analysis in Xenopus embryos. Methods Mol Biol. 135, 331-347 (2000).
  35. Bowes, J. B., et al. Xenbase: a Xenopus biology and genomics resource. Nucleic Acids Res. 36, D761-D767 (2008).
  36. Karpinka, J. B., et al. Xenbase, the Xenopus model organism database; new virtualized system, data types and genomes. Nucleic Acids Res. 43 (D1), D756-D763 (2015).
  37. James-Zorn, C., et al. Xenbase: expansion and updates of the Xenopus model organism database. Nucleic Acids Res. 41 (D1), D865-D870 (2013).
  38. Moody, S. A. Fates of the blastomeres of the 16-cell stage Xenopus embryo. Dev. Biol. 119 (2), 560-578 (1987).
  39. Moody, S. A. Fates of the blastomeres of the 32-cell-stage Xenopus embryo. Dev. Biol. 122 (2), 300-319 (1987).
  40. Dale, L., Slack, J. M. W. Fate map for the 32-cell stage of Xenopus laevis. Development. 99 (4), 527-551 (1987).
  41. Klein, S. L. The first cleavage furrow demarcates the dorsal-ventral axis in Xenopus embryos. Dev. Biol. 120 (1), 299-304 (1987).
  42. Rollman, C. M., Moini, M. Ultrafast capillary electrophoresis/mass spectrometry of controlled substances with optical isomer separation in about a minute. Rapid Commun. Mass Spectrom. 30 (18), 2070-2076 (2016).
  43. Moini, M., Martinez, B. Ultrafast capillary electrophoresis/mass spectrometry with adjustable porous tip for a rapid analysis of protein digest in about a minute. Rapid Commun. Mass Spectrom. 28 (3), 305-310 (2014).
  44. Huhn, C., Ramautar, R., Wuhrer, M., Somsen, G. W. Relevance and use of capillary coatings in capillary electrophoresis-mass spectrometry. Anal. Bioanal. Chem. 396 (1), 297-314 (2010).
  45. Nemes, P., Marginean, I., Vertes, A. Spraying mode effect on droplet formation and ion chemistry in electrosprays. Anal. Chem. 79 (8), 3105-3116 (2007).
  46. Zhu, Z. J., et al. Liquid chromatography quadrupole time-of-flight mass spectrometry characterization of metabolites guided by the METLIN database. Nat. Protoc. 8 (3), 451-460 (2013).
  47. Wishart, D. S., et al. HMDB 3.0 The Human Metabolome Database in 2013. Nucleic Acids Res. 41 (D1), D801-D807 (2013).
  48. Liu, J. X., Aerts, J. T., Rubakhin, S. S., Zhang, X. X., Sweedler, J. V. Analysis of endogenous nucleotides by single cell capillary electrophoresis-mass spectrometry. Analyst. 139 (22), 5835-5842 (2014).
  49. Hubrecht, L., Nieuwkoop, P. D., Faber, J. . Normal table of Xenopus laevis (Daudin). A systematical and chronological survey of the development from the fertilized egg till the end of metamorphosis. , (1967).
  50. Grant, P. A., Herold, M. B., Moody, S. A. Blastomere explants to test for cell fate commitment during embryonic development. J. Vis. Exp. (71), (2013).
  51. Sellick, C. A., Hansen, R., Stephens, G. M., Goodacre, R., Dickson, A. J. Metabolite extraction from suspension-cultured mammalian cells for global metabolite profiling. Nat. Protoc. 6 (8), 1241-1249 (2011).
check_url/it/56956?article_type=t

Play Video

Citazione di questo articolo
Onjiko, R. M., Portero, E. P., Moody, S. A., Nemes, P. Microprobe Capillary Electrophoresis Mass Spectrometry for Single-cell Metabolomics in Live Frog (Xenopus laevis) Embryos. J. Vis. Exp. (130), e56956, doi:10.3791/56956 (2017).

View Video