Aislamiento y multiplexación de núcleos de baja entrada con anticuerpos con códigos de barras de ganglios simpáticos de ratón para la secuenciación de ARN de un solo núcleo
Summary
Este protocolo describe la preparación detallada de muestras de bajo aporte para la secuenciación de un solo núcleo, incluida la disección de ganglios cervicales y estrellados superiores de ratón, disociación celular, criopreservación, aislamiento de núcleos y código de barras hashtag.
Abstract
El sistema nervioso autónomo cardíaco es crucial en el control de la función cardíaca, como la frecuencia cardíaca y la contractilidad cardíaca, y se divide en ramas simpáticas y parasimpáticas. Normalmente, existe un equilibrio entre estas dos ramas para mantener la homeostasis. Sin embargo, los estados de enfermedad cardíaca como el infarto de miocardio, la insuficiencia cardíaca y la hipertensión pueden inducir la remodelación de las células involucradas en la inervación cardíaca, que se asocia con un resultado clínico adverso.
Aunque existen grandes cantidades de datos sobre la estructura histológica y la función del sistema nervioso autónomo cardíaco, su arquitectura biológica molecular en salud y enfermedad sigue siendo enigmática en muchos aspectos. Las nuevas tecnologías, como la secuenciación de ARN unicelular (scRNA-seq), son prometedoras para la caracterización genética de tejidos a resolución de una sola célula. Sin embargo, el tamaño relativamente grande de las neuronas puede impedir el uso estandarizado de estas técnicas. Aquí, este protocolo explota la secuenciación de ARN de un solo núcleo basada en gotas (snRNA-seq), un método para caracterizar la arquitectura biológica de las neuronas simpáticas cardíacas en la salud y la enfermedad. Se ha demostrado un enfoque gradual para realizar snRNA-seq de los ganglios cervicales superiores bilaterales (SCG) y estrellados (StG) diseccionados de ratones adultos.
Este método permite la preservación de muestras a largo plazo, manteniendo una calidad de ARN adecuada cuando las muestras de múltiples individuos / experimentos no se pueden recolectar todas a la vez en un corto período de tiempo. El código de barras de los núcleos con oligos de hashtag (HTO) permite el demultiplexo y el rastreo de distintas muestras ganglionares después de la secuenciación. Los análisis posteriores revelaron una captura exitosa de núcleos de células neuronales, gliales satélites y endoteliales de los ganglios simpáticos, según lo validado por snRNA-seq. En resumen, este protocolo proporciona un enfoque gradual para snRNA-seq de ganglios cardíacos extrínsecos simpáticos, un método que tiene el potencial de una aplicación más amplia en estudios de la inervación de otros órganos y tejidos.
Introduction
El sistema nervioso autónomo (SNA) es una parte crucial del sistema nervioso periférico que mantiene la homeostasis corporal, incluida la adaptación a las condiciones ambientales y la patología1. Está involucrado en la regulación de múltiples sistemas de órganos en todo el cuerpo, como los sistemas cardiovascular, respiratorio, digestivo y endocrino. El SNA se divide en ramas simpáticas y parasimpáticas. Las ramas espinales del sistema nervioso simpático hacen sinapsis en los ganglios de la cadena simpática, situadas bilateralmente en posición paravertebral. Los ganglios cervicales y torácicos bilaterales, especialmente el StG, son componentes importantes que participan en la inervación simpática cardíaca. En estados de enfermedad, como la isquemia cardíaca, puede ocurrir una remodelación neuronal, lo que resulta en una sobremarcha simpática2. La remodelación neuronal se ha demostrado en múltiples estudios histológicos en humanos y varias otras especies animales 3,4,5,6. Actualmente falta una caracterización biológica detallada de la remodelación neuronal inducida por isquemia cardíaca en los ganglios simpáticos cardíacos, y las características biológicas fundamentales de los tipos o subtipos de células neuronales especializadas dentro del sistema nervioso simpático cardíaco (SNS) aún no están completamente determinadas en salud y enfermedad7.
Nuevas tecnologías, como scRNA-seq, han abierto puertas de entrada para la caracterización genética de tejidos pequeños a nivel unicelular 8,9. Sin embargo, el tamaño relativamente grande de las neuronas puede impedir el uso optimizado de estas técnicas unicelulares en humanos10. Además, la secuenciación de una sola célula requiere un alto rendimiento de células para recuperar un número suficiente de células debido a una alta pérdida en el proceso de secuenciación. Esto podría resultar desafiante cuando se estudian tejidos pequeños que son difíciles de capturar en una sesión y requieren múltiples muestras para introducir suficientes células individuales para la secuenciación. La tecnología snRNA-seq basada en gotas recientemente desarrollada (es decir, la plataforma 10x Chromium) permite el estudio de las diferencias biológicas entre núcleos individuales11,12. snRNA-seq tiene una ventaja sobre scRNA-seq para células grandes (>30 μm), que pueden no ser capturadas en Gel Bead en Emulsiones (GEMs), así como una mejor compatibilidad con disociación extensa y/o preservación prolongada 13,14,15.
La heterogeneidad, el número de células neuronales y otras células enriquecidas en el SNS cardíaco son aspectos importantes para la caracterización del SNA en estados de salud y enfermedad. Además, la inervación específica del órgano o región por cada ganglio simpático contribuye a la complejidad del SNS. Además, se ha demostrado que los ganglios cervicales, estrellados y torácicos de la cadena simpática inervan diferentes regiones del corazón16. Por lo tanto, es necesario realizar un análisis de núcleo único de células ganglionares derivadas de ganglios individuales para estudiar su arquitectura biológica.
El snRNA-seq basado en gotas permite el perfil de expresión de todo el transcriptoma para un grupo de miles de células de múltiples muestras a la vez con costos más bajos que las plataformas de secuenciación basadas en placas. Este enfoque permite que el snRNA-seq basado en gotas sea más adecuado para la clasificación del fenotipo celular y la identificación de nuevas subpoblaciones de células dentro del SCG y el StG. En particular, este protocolo proporciona un enfoque paso a paso conciso para la identificación, el aislamiento y la secuenciación del ARN de un solo núcleo de los ganglios cardíacos extrínsecos simpáticos, un método que tiene el potencial de una amplia aplicación en estudios de la caracterización de los ganglios que inervan otros órganos y tejidos relacionados en salud y enfermedad.
Protocol
Representative Results
Discussion
Aquí, se describe un protocolo detallado que se centra en i) la disección de los ganglios simpáticos cervicales y estrellados superiores de ratón adulto, ii) el aislamiento y criopreservación de las células ganglionares, iii) el aislamiento del núcleo y iv) el código de barras del núcleo con etiquetado HTO para fines de multiplexación y snRNA-seq.
Con este protocolo, las células ganglionares simpáticas se pueden obtener fácilmente disociando los ganglios individuales utilizando tr…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos a Susan L. Kloet (Departamento de Genética Humana, LUMC, Leiden, Países Bajos) por su ayuda en el diseño experimental y las discusiones útiles. Agradecemos a Emile J. de Meijer (Departamento de Genética Humana, LUMC, Leiden, Países Bajos) por la ayuda con el aislamiento de ARN de un solo núcleo y la preparación de la biblioteca para la secuenciación. Este trabajo cuenta con el apoyo de la Organización Holandesa para la Investigación Científica (NWO) [016.196.346 a M.R.M.J.].
Materials
| Chemicals and reagents | |||
| 0.25% Trypsin-EDTA | Thermo Fisher Scientific | 25200056 | |
| 0.4% trypan blue dye | Bio-Rad | 1450021 | |
| Antibiotic-Antimycotic | Gibco | 15240096 | |
| B-27 | Gibco | A3582801 | |
| Collagenase type 2 | Worthington | LS004176 | use 1,400 U/mL |
| Dimethyl sulfoxide | Sigma Aldrich | 67685 | |
| Ethanol absolute ≥99.5% | VWR | VWRC83813.360 | |
| Fetal bovine serum (low endotoxin) | Biowest | S1810-500 | |
| L-glutamine | Thermo Fisher Scientific | 25030024 | |
| Neurobasal Medium | Gibco | 21103049 | |
| Bovine Serum Albumin 10% | Sigma-Aldrich | A1595-50ML | Cell wash buffer |
| DPBS (Ca2+, Mg2+free) | Gibco | 14190-169 | Cell wash buffer |
| Magnesium Chloride Solution, 1 M | Sigma-Aldrich | M1028 | Nucleus Lysis buffer |
| Nonidet P40 Substitute (nonionic detergent) | Sigma-Aldrich | 74385 | Nucleus Lysis buffer |
| Nuclease free water (not DEPC-treated) | Invitrogen | AM9937 | Nucleus Lysis buffer |
| Protector RNase Inhibitor, 40 U/µL | Sigma-Aldrich | 3335399001 | Nucleus Lysis buffer |
| Sodium Chloride Solution, 5 M | Sigma-Aldrich | 59222C | Nucleus Lysis buffer |
| Trizma Hydrochloride Solution, 1 M, pH 7.4 | Sigma-Aldrich | T2194 | Nucleus Lysis buffer |
| Bovine Serum Albumin 10% | Sigma-Aldrich | A1595-50ML | Nucleus wash |
| DPBS (Ca2+, Mg2+free) | Gibco | 14190-169 | Nucleus wash |
| Protector RNase Inhibitor,40 U/µL | Sigma-Aldrich | 3335399001 | Nucleus wash |
| Bovine Serum Albumin 10% | Sigma-Aldrich | A1595-50ML | ST staining buffer (ST-SB) |
| Calcium chloride solution, 1 M | Sigma-Aldrich | 21115-100ML | ST staining buffer (ST-SB) |
| Magnesium Chloride Solution, 1 M | Sigma-Aldrich | M1028 | ST staining buffer (ST-SB) |
| Nuclease free water (not DEPC treated) | Invitrogen | AM9937 | ST staining buffer (ST-SB) |
| Sodium Chloride Solution, 5M | Sigma-Aldrich | 59222C | ST staining buffer (ST-SB) |
| Trizma Hydrochloride Solution, 1M, pH 7.4 | Sigma-Aldrich | T2194 | ST staining buffer (ST-SB) |
| Tween-20 | Merck Millipore | 822184 | ST staining buffer (ST-SB) |
| TotalSeq-A0451 anti-Nuclear Pore Complex Proteins Hashtag 1 Antibody | Biolegend | 682205 | Hashtag antibody |
| TotalSeq-A0452 anti-Nuclear Pore Complex Proteins Hashtag 2 Antibody | Biolegend | 682207 | Hashtag antibody |
| TotalSeq-A0453 anti-Nuclear Pore Complex Proteins Hashtag 3 Antibody | Biolegend | 682209 | Hashtag antibody |
| TotalSeq-A0461 anti-Nuclear Pore Complex Proteins Hashtag 11 Antibody | Biolegend | 682225 | Hashtag antibody |
| TotalSeq-A0462 anti-Nuclear Pore Complex Proteins Hashtag 12 Antibody | Biolegend | 682227 | Hashtag antibody |
| TotalSeq-A0463 anti-Nuclear Pore Complex Proteins Hashtag 13 Antibody | Biolegend | 682229 | Hashtag antibody |
| TotalSeq-A0464 anti-Nuclear Pore Complex Proteins Hashtag 14 Antibody | Biolegend | 682231 | Hashtag antibody |
| TotalSeq-A0465 anti-Nuclear Pore Complex Proteins Hashtag 15 Antibody | Biolegend | 682233 | Hashtag antibody |
| TruStain FcX (human) | Biolegend | 422302 | FC receptor blocking solution |
| Equipment and consumables | |||
| Bright-Line Hemacytometer | Merck | Z359629-1EA | |
| Centrifuge 5702/R A-4-38 | Eppendorf | EP022629905 | |
| CoolCell LX Cell Freezing Container | Corning | CLS432003-1EA | |
| Cryovial | Thermo Scientific | 479-6840 | |
| DNA LoBind 0.5 mL Eppendorf tube | Eppendorf | EP0030108035-250EA | |
| Eppendorf Safe-Lock Tubes 1.5 mL | Eppendorf | 30121872 | |
| Falcon 35 mm Not TC-treated Petri dish | Corning | 351008 | |
| Falcon 15 mL Conical Centrifuge Tubes | Fisher scientific | 10773501 | |
| Forceps Dumont #5 | Fine science tools | 11252-40 | |
| Hardened Fine Scissors | Fine science tools | 14091-09 | |
| Ice Pan, rectangular 4 L Orange | Corning | CLS432106-1EA | |
| Leica MS5 | Leica | Microscope | |
| Moria MC50 Scissors | Fine science tools | 15370-50 | |
| Noyes Spring Scissors | Fine science tools | 15012-12 | |
| Olympus CK2 ULWCD | Olympus | Microscope | |
| P10 | Gilson | F144802 | |
| P1000 | Gilson | F123602 | |
| P200 | Gilson | F123601 | |
| Preseparation Filters (30 µm) | Miltenyi biotec | Miltenyi biotec130-041-407 | |
| Shaking water bath | GFL | 1083 | |
| Silicon plate | RubberBV | 3530 | Dissection board |
| Software and packages | |||
| Cell ranger | V4.0.0 | ||
| R programming | V4.1.1 | ||
| R sudio | V1.3.1073 | ||
| Seurat | V4.0 | ||
| tydiverse | V1.3.1 | ||
| Animals | |||
| B6.Cg-Tg(Wnt1-cre)2Sor/J mouse | The Jackson Laboratory | JAX stock #022501 | |
| B6.129(Cg)-Gt(ROSA)26Sortm4(ACTB-tdTomato,-EGFP)Luo/J mouse | The Jackson Laboratory | JAX stock #007576 | |
| C57BL/6J mice | Charles River | ||
| Code for the data analysis | |||
| https://github.com/rubenmethorst/Single-cell-SCG_JoVE |
References
- McCorry, L. K. Physiology of the autonomic nervous system. American Journal of Pharmaceutical Education. 71 (4), 78 (2007).
- Li, C. -. Y., Li, Y. -. G. Cardiac sympathetic nerve sprouting and susceptibility to ventricular arrhythmias after myocardial infarction. Cardiology Research and Practice. 2015, 698368 (2015).
- Ajijola, O. A., et al. Extracardiac neural remodeling in humans with cardiomyopathy. Circulation: Arrhythmia and Electrophysiology. 5 (5), 1010 (2012).
- Nguyen, B. L., et al. Acute myocardial infarction induces bilateral stellate ganglia neural remodeling in rabbits. Cardiovascular Pathology. 21 (3), 143-148 (2012).
- Ajijola, O. A., et al. Remodeling of stellate ganglion neurons after spatially targeted myocardial infarction: Neuropeptide and morphologic changes. Heart Rhythm. 12 (5), 1027-1035 (2015).
- Han, S., et al. Electroanatomic remodeling of the left stellate ganglion after myocardial infarction. Journals of the American College of Cardiology. 59 (10), 954-961 (2012).
- Zeisel, A., et al. Molecular architecture of the mouse nervous system. Cell. 174 (4), 999-1014 (2018).
- Svensson, V., Vento-Tormo, R., Teichmann, S. A. Exponential scaling of single-cell RNA-seq in the past decade. Nature Protocols. 13 (4), 599-604 (2018).
- Li, C. L., et al. Somatosensory neuron types identified by high-coverage single-cell RNA-sequencing and functional heterogeneity. Cell Research. 26 (8), 967 (2016).
- Kokubun, S., et al. Distribution of TRPV1 and TRPV2 in the human stellate ganglion and spinal cord. Neuroscience Letters. 590, 6-11 (2015).
- Lake, B. B., et al. A single-nucleus RNA-sequencing pipeline to decipher the molecular anatomy and pathophysiology of human kidneys. Nature Communication. 10 (1), 2832 (2019).
- Petrany, M. J., et al. Single-nucleus RNA-seq identifies transcriptional heterogeneity in multinucleated skeletal myofibers. Nature Communication. 11 (1), 6374 (2020).
- Wu, H., Kirita, Y., Donnelly, E. L., Humphreys, B. D. Advantages of single-nucleus over single-cell RNA sequencing of adult kidney: rare cell types and novel cell states revealed in fibrosis. Journal of the American Society of Nephrology. 30 (1), 23-32 (2019).
- Bakken, T. E., et al. Single-nucleus and single-cell transcriptomes compared in matched cortical cell types. PLoS One. 13 (12), 0209648 (2018).
- Gaublomme, J. T., et al. Nuclei multiplexing with barcoded antibodies for single-nucleus genomics. Nature Communications. 10 (1), 2907 (2019).
- Zandstra, T. E., et al. Asymmetry and heterogeneity: part and parcel in cardiac autonomic innervation and function. Frontiers in Physiology. 12, 665298 (2021).
- Lewis, A. E., Vasudevan, H. N., O’Neill, A. K., Soriano, P., Bush, J. O. The widely used Wnt1-Cre transgene causes developmental phenotypes by ectopic activation of Wnt signaling. 발생학. 379 (2), 229-234 (2013).
- Muzumdar, M. D., Tasic, B., Miyamichi, K., Li, L., Luo, L. A global double-fluorescent Cre reporter mouse. Genesis. 45 (9), 593-605 (2007).
- Stuart, T., et al. Comprehensive integration of single cell data. bioRxiv. , (2018).
- Avraham, O., et al. Satellite glial cells promote regenerative growth in sensory neurons. Nature Communications. 11 (1), 4891 (2020).
- Stoeckius, M., et al. Cell Hashing with barcoded antibodies enables multiplexing and doublet detection for single cell genomics. Genome Biology. 19 (1), 224 (2018).
- Lacar, B., et al. Nuclear RNA-seq of single neurons reveals molecular signatures of activation. Nature Communications. 7 (1), 11022 (2016).
- Lake, B. B., et al. A comparative strategy for single-nucleus and single-cell transcriptomes confirms accuracy in predicted cell-type expression from nuclear RNA. Scientific Reports. 7 (1), 6031 (2017).
- Grindberg, R. V., et al. RNA-sequencing from single nuclei. Proceedings of the National Academy of Sciences. 110 (49), 19802-19807 (2013).
