Här presenterar vi ett protokoll för att isolera högkvalitativa kärnor från frysta musnjurar som förbättrar representationen av medullära njurcelltyper och undviker genuttrycksartefakter från enzymatisk vävnadsdissociation.
Njurarna reglerar olika biologiska processer såsom vatten, elektrolyt och syra-bas homeostas. Fysiologiska funktioner i njurarna utförs av flera celltyper arrangerade i en komplex arkitektur över organets kortikomedullära axel. Nya framsteg inom encellstranskriptomik har påskyndat förståelsen av celltypspecifikt genuttryck inom njurfysiologi och njursjukdom. Enzymbaserade vävnadsdissociationsprotokoll, som ofta används för encells RNA-sekvensering (scRNA-seq), kräver emellertid mestadels färsk (icke-arkiverad) vävnad, introducerar transkriptionella stressresponser och gynnar valet av rikliga celltyper i njurbarken vilket resulterar i en underrepresentation av celler i medulla.
Här presenterar vi ett protokoll som undviker dessa problem. Protokollet är baserat på kärnisolering vid 4 °C från frusen njurvävnad. Kärnor isoleras från en central del av musnjuren som består av cortex, yttre medulla och inre medulla. Detta minskar överrepresentationen av kortikala celler som är typiska för helnjurprover till förmån för medullära celler så att data kommer att representera hela kortikomedulläraxeln vid tillräcklig överflöd. Protokollet är enkelt, snabbt och anpassningsbart och ger ett steg mot standardisering av transkriptomik med en kärna inom njurforskning.
Njurar visar en mycket komplex vävnadsarkitektur. De består av funktionellt och anatomiskt åtskilda segment längs en kortikomedullära axel och förmedlar biologiska funktioner, som t ex reglering av extracellulär vätskevolym, elektrolytbalans eller syra-bashomeostas1.
Framsteg inom encellstranskriptomik har möjliggjort en djupgående karakterisering av komplexa vävnader och påskyndat förståelsen av segment- och celltypspecifikt genuttryck inom njurfysiologi, utveckling och sjukdom 2,3,4.
De enzymbaserade dissociationsprotokollen som ofta används för scRNA-seq uppvisar emellertid flera nackdelar och begränsningar. Beroende på protokollet genererar de transkriptionella stressreaktioner och vävnadsdissociationsbias mot lättare att dissociera kortikala celltyper 5,6. Även om protokoll som använder kallaktiva proteaser för embryonala njurar kan mildra stressrelaterade transkriptionsförändringar, misslyckas de med att övervinna dissociationsbias mot kortikala celler och kanske inte lätt kan anpassas till olika typer av sjuka njurvävnader7. Dessutom är encellsmetoder inte lätt kompatibla med frysta vävnadsprover, vilket begränsar deras tillämpning mestadels till icke-arkiverad, färsk vävnad, vilket gör vävnadssamlingen till en begränsande faktor6.
RNA-sekvensering med en kärna (snRNA-seq) kan kringgå dessa begränsningar 8,9. Här presenterar vi ett protokoll för kärnisolering från en central skiva av frusen vuxen njurvävnad från möss (Figur 1)10. Vårt protokoll är enkelt och ger ett standardiserat tillvägagångssätt för att erhålla RNA-sekvenseringsbibliotek med en balanserad representation av olika njurcelltyper för experimentella modeller som inte involverar starka regionala vävnadsförändringar. I det senare fallet kan vårt protokoll också utföras med hela njurar.
Encellstranskriptomik främjar förståelsen av celltypspecifikt genuttryck inom njurfysiologi och njursjukdom. Här tillhandahöll vi en enkel och reproducerbar metod för att isolera högkvalitativa enskilda kärnor från frusen musnjurvävnad för snRNA-seq på ett standardiserat sätt.
För snRNA-seq är det viktigt att använda högkvalitativa kärnor som indata för biblioteksgenerering och för att undvika RNA-nedbrytning under vävnadsbearbetning. Därför är inkubation av vävnadsbitar i RNA-stabiliseringslösning omedelbart efter dissektion avgörande för att skydda och stabilisera cellulärt RNA och gör det möjligt att lagra prover vid – 80 ° C på obestämd tid. Vid tillämpning av detta protokoll på fryst vävnad utan RNA-stabiliseringslösningsbehandling, såsom arkivmaterial, krävs en provkörning och RNA-kvaliteten måste bedömas eftersom vi observerade en signifikant förlust av RNA-integritet i snapfryst vävnad utan föregående inkubation i RNA-stabiliseringslösning.
I allmänhet är lämplig provhantering avgörande för att maximera återvinningen av intakta, enskilda kärnor. Alla resuspensionssteg ska utföras genom pipettering försiktigt för att undvika skjuvspänning och fysisk skada. Buffertar för den slutliga kärnresuspensionen och kärnsorteringen bör innehålla BSA för att undvika kärnförlust och aggregering.
Buffertvolymerna i detta protokoll är optimerade för mycket små vävnadsprover (~15 mg). Det är viktigt att säkerställa fullständig celllys och tillräcklig tvättning för att generera högkvalitativa suspensioner. Större vävnadsblock eller hela njurprover kommer att resultera i alltför höga kärnkoncentrationer som leder till klumpning och aggregering, hög överflöd av omgivande RNA och övergripande dålig suspensionskvalitet. Om större prover eller andra vävnader bearbetas rekommenderas det starkt att utföra provkörningar för att bestämma optimala buffertvolymer för minimala omgivande RNA-nivåer. Kärnor och RNA-kvalitet och koncentrationer måste undersökas noggrant eftersom överbelastning resulterar i övergripande dålig prestanda.
Dessutom påverkar stora mängder cellskräp, som orsakar höga nivåer av omgivande RNA som inte är associerade med enskilda kärnor, sekvenseringsresultaten negativt. Förtydligande av kärnsuspensionen genom centrifugering genom en sackaroskudde mildrar detta problem till viss del, men det kan också leda till bias i celltypsrepresentation genom motselektion mot täta, små kärnor som till exempel finns i immunceller16. Om detta är oroande bör sackarosgradienten utelämnas. Däremot fann vi att flödescytometri baserad på DAPI-färgning var avgörande för att minska mängden cellskräp för att producera en högkvalitativ enkärnig suspension.
Isoleringen av enstaka kärnor har betydande fördelar jämfört med encellsmetoder8. Den är kompatibel med korrekt frusen vävnad, vilket gör vävnadssamlingen mer flexibel och kringgår behovet av enzymbaserad vävnadsdissociation, vilket kan införa transkriptionella stressreaktioner 6,17. Dessutom övervinner den dissociationsförspänningen som gynnar valet av lätt dissocierbara celltyper i njurbarken, vilket kan leda till en underrepresentation av medullära celltyper i vissa enzymbaserade tillvägagångssätt 5,6,10.
Att använda en central njurbit istället för hel njurvävnad sparar ytterligare resurser och korrigerar för överrepresentation av rikliga celltyper som beskrivits tidigare10. Beroende på vilken musmodell eller fenotyp som undersöks kan det dock vara fördelaktigt att använda hela njurprover istället för en enda mittskiva. Hela njurprover kan vara mer representativa för sanna cellproportioner eller förändringar som förekommer i hela njuren, medan en trimmad mittskiva visade sig vara fördelaktig för medullära fenotyper eller när provmaterialet var begränsat. Detta beslut är därför mycket användarspecifikt och bör övervägas noggrant.
The authors have nothing to disclose.
Vi tackar Scientific Genomics Platform vid Max Delbrück Center for Molecular Medicine i Helmholtz Association, Berlin för teknisk support.
JL och KMSO stöddes av den tyska forskningsstiftelsen (DFG) Research Training Group GRK 2318 och av Research Unit FOR 2841. KMSO stöddes av Collaborative Research Grant 1365. AB stöddes av finansiering från DFG:s Gottfried Wilhelm Leibniz-pris som tilldelades NR.
Cell sorter | – | – | For fluorescence-activated cell sorting (FACS); e.g. BD FACSAria Cell Sorter. |
Centrifuge 5810 R | Eppendorf | 5811000015 | |
Countess Cell Counting Chamber Slides | Invitrogen | C10228 | |
Countess II FL Automated Cell Counter | Invitrogen | AMQAF1000 | Needs to contain DAPI light cube to count nuclei. Alternatively, nuclei can be counted manually under fluorescence microscope. |
4′,6-Diamidino-2-phenyl-indol-dihydrochlorid (DAPI) | Biotrend | 40043/b | Stock solution prepared with a concentration of 100 µM. Used for nuclei staining in a final concentration of 2 µM. |
D(+)-Sucrose ≥99.9%, ultrapure DNAse-, RNAse-free | VWR | 0335-500G | |
DNA LoBind Microcentrifuge Tubes (1.5 mL) | Eppendorf | 22431021 | |
Ethanol, 70 % | – | – | |
FACS tubes | pluriSelect | 43-10100-46 | |
KIMBLE Dounce tissue grinder set 2 mL complete | Sigma-Aldrich | D8938-1SET | |
Minisart Syringe Filters 0.2 µm | Sartorius | 16534-GUK | |
Nuclease-free Water | Invitrogen | AM9937 | |
Nuclei EZ Prep Nuclei Isolation Kit | Sigma-Aldrich | NUC-101 | Nuclei EZ Lysis Buffer (Product No. N3408) needed for buffer preparation. |
PBS (Phosphate-Buffered Saline) 1X without calcium or magnesium | Corning | 21-040-CV | |
Petri dishes, polystyrene 60 mm | Sigma-Aldrich | P5481 | |
Phosphate-Buffered Saline (PBS) with 10% Bovine Albumin | Sigma-Aldrich | SRE0036 | |
pluriStrainer Mini 100 µm | pluriSelect | 43-10100-46 | |
pluriStrainer Mini 20 µm | pluriSelect | 43-10020-40 | |
pluriStrainer Mini 40 µm | pluriSelect | 43-10040-40 | |
Polystyrene Centrifuge Tube (15 mL) | Falcon | 352099 | |
Razor blades | – | – | |
RiboLock RNase Inhibitor (40 U/µL) | Thermo Fisher | EO0384 | |
Ribonucleoside-vanadyl complex | New England Biolabs | S1402S | Follow manufacturer's instructions (https://international.neb.com/products/s1402-ribonucleoside-vanadyl-complex#Product%20Information). Upon use the 200 mM stock solution is reconstituted to a green-black clear solution by incubating at 65 °C. |
RNAlater Stabilization Solution | Invitrogen | AM7020 | |
RNase AWAY | Fisher Scientific | 11952385 |