Summary

人骨髓间充质干细胞细胞外微 rna 的分离、测序和分析

Published: March 08, 2019
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Summary

该协议演示了如何从细胞培养培养基中纯化细胞外微 rna, 用于小型 rna 文库构建和下一代测序。描述了各种质量控制检查点, 以使读者了解在处理低输入样本 (如 exrna) 时的预期结果。

Abstract

细胞外和循环 rna (exrna) 是由身体的许多细胞类型产生的, 并存在于许多体液中, 如唾液、血浆、血清、牛奶和尿液。这些 rna 的一个子集是转录后的调节剂–微 rna (mirna)。为了描述特定细胞类型产生的 mirna, 体外培养系统可用于从一个细胞子集中提取和分析 exrna。骨髓间充质干细胞的分泌因子与减轻多种疾病有关, 并作为本研究的体外模型系统。本文介绍了小 rna 的采集、纯化和细胞外 mirna 序列库的生成过程。培养基中的 exrna 与细胞 rna 的不同之处在于 rna 样本较低, 这就需要优化程序。该协议为来自培养基的小 exrna 测序提供了全面的指南, 显示了 exrna 纯化和测序过程中每个步骤的质量控制检查点。

Introduction

细胞外和循环 rna (exrna) 存在于各种体液中, 并对 rnase1, 2 具有耐药性。它们的高丰度、稳定性和易用性作为诊断和预后标志物 3, 对临床评估很有吸引力。外生殖器的运输方式包括细胞外囊泡 (ev), 与脂蛋白 (如高密度脂蛋白) 的联系;高密度脂蛋白) 和核糖核酸蛋白复合物 (如与 Argonaute2 复合物)4

exrna 的一个子集是微 rna (mirna), 它们是大约22码的小非编码 rna, 调节转录后的基因表达。前 mirna 与细胞通讯和细胞稳态调节有关。例如, hdl 将前 mir-223 传递给内皮细胞, 以抑制细胞间粘附分子 1 (icam-1) 和炎症6。有趣的是, mir-223 也是由细胞外泡从白细胞转移到肺癌细胞, 编程它们采取更具侵入性的表型 7.因此, 从各种体液和细胞培养培养基的前 mirna 转录组将大大提高我们对前 mirna 信号的理解。

小 rna 测序 (小 rna seq) 是一个强大的工具, 可用于了解小 rna 的转录组学。不仅可以在不同表达的已知 rna 中比较不同的样品, 而且还可以检测和表征新的小 rna。因此, 在不同条件下识别差异表达的 mirna 也是一种鲁棒性。然而, 小 rna seq 的障碍之一是难以从低外显侧 nna 输入液 (如脑脊液、唾液、尿液、牛奶、血清和培养基) 产生小的 rna seq 库。来自 illumina 的 truseq 小型 rna 库准备协议需要大约1μg 的高质量总 rna, 而 nebnext 小型 rna 库准备集协议来自新英格兰 biolabs需要100 ng-1μg 的 rna 8,9。对于传统的 uv-vis 分光光度计, 这些样品的总 rna 通常低于检测极限。

来自体液的前 mirna 具有潜在的良好预后和诊断标志物。然而, 为了研究功能效应或确定特定的前 mirna 的起源, 经常使用细胞培养系统。间充质干细胞 (mscs) 已经被广泛的研究, 因为他们的电动车已涉及减轻许多疾病, 包括心肌梗死, 阿尔茨海默病和移植物抗宿主病10。在这里, 我们演示了从骨髓衍生的 mscs (bmscs) 中纯化前 mirna 的方法, 以及用于优化小型 rna 库构建、测序和数据分析的具体步骤 (图 1)。

Protocol

注: 间充质干细胞生长介质 (msc 培养基) 如材料表所示预先制备。 1. 细胞培养 注: 人骨髓间充质干细胞可从骨髓、脂肪组织或其他来源获得 11。或者, 可以通过供应商购买 hmscs。本协议中使用的骨髓间充质干细胞来自患者的骨髓, 并从一家公司购买。 将 1 x 10 6个混合努力链解冻到包含20毫升 msc 介质的 t175 瓶中?…

Representative Results

本协议中描述的方法经过优化, 可从 msc 培养中收集 exrna, 用于下一代测序。工作流的总体方案在左图1中,相应的质量控制检查点位于右侧。 未分化 (图 3 a) 和分化 (图 3A) 细胞收集当天的形态如下所示。此外, 还显示了7天诱导的细胞 alp 活性的代表性归一化水平 …

Discussion

在这里, 我们描述了一种用于下一代 exrna 测序的协议, 该协议支持从低输入样本进行差异表达式分析。坚持电动汽车和 exRNA 分离的特定协议是很重要的, 因为即使是微小的改变 (即超离心步骤或转子类型的变化) 也会影响转录组和 mirna 水平 13,14.因此, 无论 exrna 是如何分离的, 重要的是应用相同的实验和生物信息程序的所有样本在实验中能够比较的结果。<…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

我们感谢克劳斯·布斯先生和伊纳诺的丽塔·罗森达尔女士的技术援助。特别感谢丹尼尔·奥特森博士允许我们频繁使用他的超离心机。这项研究得到了丹麦创新基金 (教育部项目) 的支持。

Materials

Bone Marrow-Derived Mesenchymal Stem Cells ATCC PCS-500-012 Cells used in this protocol was bought from ATCC
MSCGM BulletKit Lonza PT-3001 Termed as Mesenchymal Stem Cell Growth Medium (MSC media)
Exosome-depleted FBS Gibco A2720801
ExRNA collecting media: MSCGM but with the FBS replaced by exosome-depleted FBS
Trypsin-EDTA Gibco 25200056
T175 Flask Sarstedt 833,912
Penicillin-Streptomycin Gibco 15140122
Phosphate Buffered Saline Sigma 806552
Ultracentrifuge Beckman Coulter
Polycarbonate Bottle with Cap Assembly Beckman Coulter 355618
Beckman Coulter Type 60 Ti Rotor used here
NucleoCounter Chemometec NC-3000 Cell Counter
β-glycerophosphate Calbiochem 35675 Components of the osteogenic differentiation media
Dexamethasone Sigma D4902-25MG Components of the osteogenic differentiation media
2-Phospho-L-ascorbic acid trisodium salt Sigma 49752-10G Components of the osteogenic differentiation media
1α,25-Dihydroxyvitamin D3 Sigma D1530-1MG Components of the osteogenic differentiation media
miRNeasy Mini Kit Qiagen 217004 miRNA and total RNA purification kit for step 4.8
Agilent RNA 6000 Pico Kit Agilent Technologies 5067-1514 Chip-based capillary electrophoresis machine and chips for RNA and DNA analysis
Agilent 2100 Bioanalyzer Agilent Technologies G2939BA Chip-based capillary electrophoresis machine and chips for RNA and DNA analysis
Agilent High Sensitivity DNA Kit Agilent Technologies 5067-4626 Chip-based capillary electrophoresis machine and chips for RNA and DNA analysis
KAPA Library Quantification Kits Roche KK4824 Library quantification kit used here
TruSeq Small RNA Library Prep Kit -Set A (24 rxns) (Set A: indexes 1-12) Illumina RS-200-0012 Small RNA library prepartion kit used in this protocol – used in step 5
Pippin Prep Sage Science Automated DNA gel extractor used in this protocol; manual extraction can be done too
MinElute PCR Purification Kit Qiagen 28004 PCR purification in step 5.17
FASTX_Toolkit Cold Spring Harbor Lab Trimming low-quality reads in step 6
cutadapt Adaptor removal in step 6
Bowtie Mapping of clean reads in step 6
Samtools To make the expression profile in step 6
Bedtools To make the expression profile in step 6

References

  1. Etheridge, A., Gomes, C. P., Pereira, R. W., Galas, D., Wang, K. The complexity, function and applications of RNA in circulation. Frontiers in Genetics. 4, 115 (2013).
  2. Koberle, V., et al. Differential Stability of Cell-Free Circulating microRNAs: Implications for Their Utilization as Biomarkers. Plos One. 8 (9), e75184 (2013).
  3. Anfossi, S., Babayan, A., Pantel, K., Calin, G. A. Clinical utility of circulating non-coding RNAs – an update. Nature Reviews Clinical Oncology. , (2018).
  4. Li, K., et al. Advances, challenges, and opportunities in extracellular RNA biology: insights from the NIH exRNA Strategic Workshop. JCI Insight. 3 (7), (2018).
  5. Turchinovich, A., Samatov, T. R., Tonevitsky, A. G., Burwinkel, B. Circulating miRNAs: cell-cell communication function. Frontiers in Genetics. 4, 119 (2013).
  6. Tabet, F., et al. HDL-transferred microRNA-223 regulates ICAM-1 expression in endothelial cells. Nature Communications. 5, 3292 (2014).
  7. Zangari, J., et al. Rapid decay of engulfed extracellular miRNA by XRN1 exonuclease promotes transient epithelial-mesenchymal transition. Nucleic Acids Research. 45 (7), 4131-4141 (2017).
  8. . TruSeq RNA Sample Prep Kit v2 Support Input Requirements Available from: https://support.illumina.com/sequencing/sequencing_kits/truseq_rna_sample_prep_kit_v2/input_req.html (2018)
  9. . NEBNext Multiplex Small RNA Library Prep Set for Illumina Set 1, Set 2, Index Primers 1–48 and Multiplex Compatible Instruction Manual Available from: https://www.neb.com/-/media/catalog/datacards-or-manuals/manuale7300_e7330_e7560_e7580.pdf (2018)
  10. Heldring, N., Mager, I., Wood, M. J. A., Le Blanc, K., Andaloussi, S. E. L. Therapeutic Potential of Multipotent Mesenchymal Stromal Cells and Their Extracellular Vesicles. Human Gene Therapy. 26 (8), 506-517 (2015).
  11. Ullah, I., Subbarao, R. B., Rho, G. J. Human mesenchymal stem cells – current trends and future prospective. Bioscience Reports. 35 (2), (2015).
  12. Szatanek, R., et al. The Methods of Choice for Extracellular Vesicles (EVs) Characterization. International Journal of Molecular Sciences. 18 (6), (2017).
  13. Gardiner, C., et al. Techniques used for the isolation and characterization of extracellular vesicles: results of a worldwide survey. Journal of Extracellular Vesicles. 5, 32945 (2016).
  14. Van Deun, J., et al. EV-TRACK: transparent reporting and centralizing knowledge in extracellular vesicle research. Nature Methods. 14 (3), 228-232 (2017).
  15. Raabe, C. A., Tang, T. H., Brosius, J., Rozhdestvensky, T. S. Biases in small RNA deep sequencing data. Nucleic Acids Research. 42 (3), 1414-1426 (2014).
  16. Reza, A. M., Choi, Y. J., Yasuda, H., Kim, J. H. Human adipose mesenchymal stem cell-derived exosomal-miRNAs are critical factors for inducing anti-proliferation signalling to A2780 and SKOV-3 ovarian cancer cells. Scientific Reports. 6, 38498 (2016).
  17. Gyorgy, B., et al. Membrane vesicles, current state-of-the-art: emerging role of extracellular vesicles. Cellular and Molecular Life Sciences. 68 (16), 2667-2688 (2011).
  18. Asghar, M. T., et al. Sphingomonas sp is a Novel Cell Culture Contaminant. Journal of Cellular Biochemistry. 116 (6), 934-942 (2015).
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Cite This Article
Yan, Y., Chang, C., Venø, M. T., Mothershead, C. R., Su, J., Kjems, J. Isolating, Sequencing and Analyzing Extracellular MicroRNAs from Human Mesenchymal Stem Cells. J. Vis. Exp. (145), e58655, doi:10.3791/58655 (2019).

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