분리 및 Zebrafish의 배아에서 단일 세포의 특성
Summary
This protocol describes a method for isolating single cells from zebrafish embryos, enriching for cells of interest, capturing zebrafish cells in microfluidic based single cell multiplex systems, and assessing gene expression from single cells.
Abstract
The zebrafish (Danio rerio) is a powerful model organism to study vertebrate development. Though many aspects of zebrafish embryonic development have been described at the morphological level, little is known about the molecular basis of cellular changes that occur as the organism develops. With recent advancements in microfluidics and multiplexing technologies, it is now possible to characterize gene expression in single cells. This allows for investigation of heterogeneity between individual cells of specific cell populations to identify and classify cell subtypes, characterize intermediate states that occur during cell differentiation, and explore differential cellular responses to stimuli. This study describes a protocol to isolate viable, single cells from zebrafish embryos for high throughput multiplexing assays. This method may be rapidly applied to any zebrafish embryonic cell type with fluorescent markers. An extension of this method may also be used in combination with high throughput sequencing technologies to fully characterize the transcriptome of single cells. As proof of principle, the relative abundance of cardiac differentiation markers was assessed in isolated, single cells derived from nkx2.5 positive cardiac progenitors. By evaluation of gene expression at the single cell level and at a single time point, the data support a model in which cardiac progenitors coexist with differentiating progeny. The method and work flow described here is broadly applicable to the zebrafish research community, requiring only a labeled transgenic fish line and access to microfluidics technologies.
Introduction
세포 및 분자 생물학의 현재 대부분의 연구는 인구의 평균을 기준으로합니다. 작은 인구가 생물학적 과정과 질병의 결과에 중요한 역할을 할 수 있기 때문에, 중요한 생물학적 이벤트는 이러한 기존의 인구 기반의 분석에 의해 마스크 될 수있다. 단일 세포 수준에서 이질적인 집단에서 유전자 발현을 이해하는 것은 (그리고있다) 관련 생물학적 및 임상 통찰력 1,2로 이어질 수 있습니다. 배아 발달 과정에 관심 셀의 큰 모집단에서 전구 세포는 종종 소수가있는 도전 결국 세포의 운명 결정 (3)을 개시 유전자 발현의 미묘한 변화를 감지 할 수있다. 마찬가지로, 단일 셀 타입 미세 4에 응답하여 상이한 발현 프로파일을 가질 수있다. 예를 들어, (예., 대동맥 또는 신장) 같은 기관 또는 다른 기관에 거주 내피 세포는 일반적인 morp을 공유에도 불구하고 상당한 이질성을 전시hological 및 기능 기능 5. 또한, 동일한 종양 채우는 암세포는 단일 세포 수준에서 6 분 프로필 또는 돌연변이를 변화 할 수있다.
모델 시스템에서, 하나의 세포에서 transcriptomics 성공적으로 새로운 세포 집단을 식별 세포 분화 동안 발생하는 중간 상태를 특징으로하고, 7, 8, 9를 자극에 차등 세포 반응을 공개했다. 이러한 통찰력은 기존의 인구 기반 연구에서 마스크 된 것이다. 제브라 피쉬 배아 줄기, 전구의 대단히 과소 활용 소스, 그리고 개발 과정에서 단일 세포의 이질성 및 세포 정체성의 분자 규제의 질문을 탐험 세포를 분화. 그들의 매우 틀에 박힌, 생체 개발 및 유전자 조작의 용이성은 그들이 방법 10,11위한 훌륭한 모델 시스템합니다. 특히, 단일 세포 세대의 해석에 큰 제한E 발현 데이터는 개발 중에 신규 중간체 셀 상태의 신뢰성 식별 조직 수집 9 조심 타이밍을 필요로한다는 것이다. 이것은 캡처 세포 이질성 연령 의존적 세포 분화 제시 유전자 발현 한 시점에서 조직 내의 얼룩이보다 이질성을 나타낸다는 것을 보장 할 필요가있다. 마우스에 비해, 제브라 피쉬 배아 발달 정확하게 배아 (12)의 다수를 통해 동기화 될 수있다. 또한, 큰 크기의 클러치, 제브라 피쉬 배아 줄기 세포 및 선조 세포의 풍부한 공급원으로서 사용될 수있다.
이 프로토콜은 제브라 피쉬 배아 세포를 분리하고 QRT-PCR 유전자 발현 분석을위한 시판 통합 마이크로 유체 회로 (IFC) 칩 autoprep 시스템을 사용하여 단일 세포를 포착하는 방법을 설명한다. 이 프로토콜은 전체 처리량을 포함하는 임의의 다중 검정법 빠르게 양도 될 수있다휴대 이질성 (13)의보다 포괄적 인 분석이 가능 사체 서열. 또한, 기존의 유전자 발현 분석에 여러 가지 이점을 제공한다. 단일 세포 분리 프로토콜 하류 어플리케이션에 포함되어 손상된 세포의 비율을 FACS 감소 후 높은 생존율을 산출한다. IFC를 사용하여 캡처 된 세포를 직접 포획 율을 평가하고 세포 형태 학적 상태를 평가하는 것으로 관찰 될 수있다. 또한,이 프로토콜은 미세 유체 세포 캡처 기술 만 표시 형질 전환 어류 라인과 접근을 필요로 제브라 피쉬 연구 커뮤니티에 광범위하게 적용 할 수있다.
원리 증명으로, 심장 전구 세포로부터 유도 된 단일 세포를 격리시키고, IFC 칩 캡처하고 심장 분화 마커의 상대적인 존재 량 QRT-PCR에 의해 측정 하였다. 단일 세포 수준에서의 유전자 발현 분석은 심장 전구 세포가 differe 공존 것을 증명ntiating 자손. 심장 전구 세포의 단일 셀 프로파일에서 얻은 통찰력은 기존의 인구 기반의 분석에 마스크되었을 수 있습니다 척추 개발하는 동안 심장 전구 세포 간의 유전자 발현 패턴의 이질성에 광명을 비춰 수 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
본원에 기재된 방법은 하나의 심장 유전자 집합의 발현을 평가하기 위해 마이크로 유체 보조 된 단일 셀 캡쳐 시스템에서 사용하기 위해 제브라 배아 심장 선조 세포 집단을 풍부하게하는 세포 형 특이 적 프로모터의 제어하에 형광 단백질의 발현을 사용하여 세포. FACS 레이저 여기 및 발광 기능은 원하는 형광 물질 (들)과 호환되는지 다만,이 방법은 형광 리포터 라인에 대해 사용될 수있다. 많은…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We thank Dr. C. Geoffrey Burns for fish stock. The authors are grateful to UNC Flow Cytometry Core Facility, UNC-CGIBD AAC core for resources enabling this project, and the ZAC facility for animal care. L.S. is supported by NIH T32 grant HL069768-13 (PI, Nobuyo Maeda). N.F. is supported by NSF Graduate Research Fellowship NSF-DGE-1144081. This study was supported by NIH P30DK034987 grant (to UNC Advanced Analytics Core), American Heart Association Scientist Development Grant 13SDG17060010 and Ellison Medical Foundation New Scholar Grant AG-NS-1064-13 (to Dr. Qian), and NIH R00 HL109079 grant (to Dr. Liu).
Materials
| Supplies | |||
| Dumont #5 forceps | Fine Science Tools | 11254-20 | For removing the chorion from embryos |
| Microcentrifuge tube 2 mL | GeneMate | C-3261-1 | |
| 40 um cell strainer | Biobasic | SP104151 | |
| 35 mm culture dish | Falcon | 351008 | |
| FACS tubes topped with 35 um cell strainer | Falcon | 352235 | |
| P1000 and tips | Rainin | 17005089 | |
| P20 and tips | Rainin | 17005091 | |
| IFC chip manufacturer's protocol | Fluidigm | 100-6117 | Version 100-6117 E1 was used in representative experiment |
| Wide bore pastuer glass pippette | VWR | 14673-010 | For transferring embryos |
| Adult wild type zebrafish | N/A | We used AB line | |
| Adult transgenic zebrafish | N/A | We used Tg(nkx2.5:ZsYellow) | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Reagents for cell dissociation | |||
| Double distilled water | N/A | ||
| Instant Ocean Sea Salt | Instant Ocean | SS15-10 | |
| NaCl | FisherScientific | S271-3 | make stock in water and use for de-yolking buffer |
| KCl | Sigma Aldrich | P5405 | make stock in water and use for de-yolking buffer |
| NaHCO3 | Sigma Aldrich | S6014 | make stock in water and use for de-yolking buffer |
| Leibovitz's L-15 | Gibco | 21083-027 | |
| FBS | FisherScientific | 03-600-511 | Heat inactivate; any brand of FBS should be fine |
| Cell Dissociation Reagent 1 -TrypLE | Life Technologies | 12605-010 | Store at room temperature. |
| Cell Dissociation Reagent 2 – FACSmax | Genlantis | T200100 | Store -20; thaw on ice; bring to room temp before use |
| pronase (optional) | Sigma | P5147 | |
| L/D Dye – Sytox Blue | Life Technologies | S34857 | Any live/dead stain suitable for flow cytometry will work |
| Trypan Blue | Gibco | 15250-061 | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Reagents for IFC plate use and qRT-PCR | |||
| Gene-specific probes | Probes will vary by experiment | ||
| TaqMan Probe ef1a | Life Technologies | Dr03432748_m1 | |
| TaqMan Probe gata4 | Life Technologies | Dr03443262_g1 | |
| TaqMan Probe nk2-5 | Life Technologies | Dr03074126_m1 | |
| TaqMan Probe myl7 | Life Technologies | Dr03105700_m1 | |
| TaqMan Probe vmhc | Life Technologies | Dr03431136_m1 | |
| TaqMan Probe isl1 | Life Technologies | Dr03425734_m1 | |
| TaqMan Gene Expression Master Mix | Life Technologies | 4369016 | |
| Reagents listed in IFC manufacturer's protocol | |||
| C1 Reagent Kit | Fluidigm | 100-5319 | Reagents for loading cells onto IFC plate |
| Ambion Single Cell-to-CTTM | Life Technologies | 4458237 | Reagents for reverse transcription and pre-amplification steps |
| Molecular Biology Quality Water | Corning | 46-000CM | |
| C1 IFC for PreAmp (5-10 um) | Fluidigm | 100-5757 | IFC plate for small cells |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Equipment | |||
| C1 AutoPrep machine | Fluidigm | 100-5477 | For IFC plate use |
| Hemocytometer | Sigma Aldrich | Z359629 | For counting cells and assessing cell size |
| Dissecting microscope | For removing embryos from chorion | ||
| Tissue culture microscope | For assessing single cell digestion | ||
| FACS machine | For isolating cells of interest |
References
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