식물 세포 유형의 분리 및 전사체 분석
Summary
고처리량 scRNA-seq 분석법의 실현 가능성과 효과는 식물 연구에서 단일 세포 시대를 예고합니다. 여기에 제시된 것은 특정 Arabidopsis thaliana 뿌리 세포 유형을 분리하고 후속 전사체 라이브러리 구성 및 분석을 위한 강력하고 완전한 절차입니다.
Abstract
다세포 유기체에서 발달 프로그래밍 및 환경 반응은 다른 세포 유형 또는 세포 내에서도 매우 다양할 수 있으며, 이를 세포 이질성이라고 합니다. 최근 몇 년 동안 차세대 염기서열 분석(NGS) 기술과 결합된 단일 세포 및 세포 유형 분리는 단일 세포 분해능에서 생물학적 과정을 연구하는 데 중요한 도구가 되었습니다. 그러나 식물 세포를 분리하는 것은 식물 세포벽의 존재로 인해 상대적으로 더 어려우며, 이는 식물에서 단일 세포 접근법의 적용을 제한합니다. 이 프로토콜은 식물 세포를 사용한 형광 활성화 세포 분류(FACS) 기반 단일 세포 및 세포 유형 분리를 위한 강력한 절차를 설명하며, 이는 다운스트림 다중 오믹스 분석 및 기타 연구에 적합합니다. 애기장 대 뿌리 형광 마커 라인을 사용하여 목부-극 페리사이클 세포, 측면 뿌리 초기 세포, 측면 뿌리 캡 세포, 피질 세포 및 내배엽 세포와 같은 특정 세포 유형이 어떻게 분리되는지 보여줍니다. 또한, Smart-seq2를 이용한 효과적인 다운스트림 전사체 분석 방법도 제공된다. 세포 분리 방법 및 전사체 분석 기술은 다른 세포 유형 및 식물 종에 적용할 수 있으며 식물 과학 분야에서 광범위한 응용 가능성을 가지고 있습니다.
Introduction
세포는 모든 생명체의 기본 단위이며 구조적 및 생리적 기능을 수행합니다. 다세포 유기체의 세포는 명백한 동시성을 나타내지만, 다른 유형과 개별 세포의 세포는 발달 및 환경 반응 동안 전사체에 차이를 나타냅니다. 고처리량 단일 세포 RNA 염기서열 분석(scRNA-seq)은 세포 이질성을 이해하는 데 있어 전례 없는 성능을 제공합니다. 식물 과학에 scRNA-seq를 적용하면 식물 세포 아틀라스1을 성공적으로 구성하는 데 기여했으며, 식물 조직2에서 희귀 세포 분류군을 식별하는 데 사용되었으며, 식물 조직의 세포 유형 구성에 대한 통찰력을 제공하고, 식물 발달 및 분화 중에 사용되는 세포 정체성 및 중요한 기능을 식별하는 데 사용되었습니다. 또한, 식물 조직(1,2,3)에서 시공간 발달 궤적을 추론하여 새로운 마커 유전자4를발견하고, scRNA-seq를 사용하여 중요한 전사 인자5의 기능을 연구하여다른 식물3에서 동일한 세포 유형의 진화적 보존을 밝힐 수 있다. 비생물적 스트레스는 식물의 성장과 발달에 가장 중요한 환경적 영향 중 하나입니다. 단일 세포 전사체 시퀀싱을 통해 다양한 치료 조건에서 식물 조직의 세포 유형 구성 변화를 탐색함으로써 비생물적 스트레스 반응 메커니즘도 해결할 수 있습니다6.
scRNA 염기서열 분석을 사용하여 세포 유형 간의 전사 이질성을 해결할 수 있는 가능성은 세포 분리 방법 및 염기서열 분석 플랫폼에 따라 다릅니다. 형광 활성화 세포 분류(FACS)는 광 산란 및 세포의 형광 특성을 기반으로 scRNA-seq를 위해 세포의 하위 집단을 분리하는 데 널리 사용되는 기술입니다. 형질전환 기술에 의한 형광 마커 라인의 개발은 FACS7에 의한 세포 분리의 효율성을 크게 향상시켰습니다. Smart-seq28을 사용하여 scRNA-seq를 수행하면 세포 이질성을 해부하는 능력이 더욱 향상됩니다. Smart-seq2 분석법은 유전자 검출에 대한 민감도가 우수하며, 낮은 전사체 입력(transcript input)에서도 유전자를 검출할 수 있다 9. 벌크 세포 유형 수집 외에도 최신 세포 분류기는 단일 세포 인덱스 분류 형식을 제공하여 Smart-seq210 또는 CEL-seq211과 같은 기타 다중 RNA-seq 방법을 사용하여 단일 세포 분해능으로 전사체 분석을 가능하게 합니다. 단일 세포 또는 세포 유형 분류는 병렬 다중 오믹스 연구(parallel multi-omics studies)와 같은 다른 많은 다운스트림 응용 분야에 잠재적으로 사용될 수 있습니다12,13. 여기에 제시된 것은 FACS에 의해 애기장대 마커 세포주의 뿌리에서 목부-극 페리사이클 세포, 측면 뿌리 캡 세포, 측면 뿌리 초기 세포, 피질 세포 및 내배엽 세포와 같은 식물 세포 유형을 분리하기 위한 강력하고 다재다능한 프로토콜입니다. 이 프로토콜은 또한 다운스트림 전사체 분석을 위한 Smart-seq2 라이브러리 구성을 포함합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
Smart-seq2 기반 프로토콜은 수백개의 셀(8)로부터 신뢰할 수 있는 시퀀싱 라이브러리를 생성할 수 있다. 출발 물질의 품질은 전사체 분석의 정확성에 필수적입니다. FACS는 관심 세포를 준비하기 위한 강력한 도구이지만, 이 절차, 특히 원형질체 단계는 식물 응용 분야에 최적화되어야 합니다. 레이저 포획 미세해부(LCM) 또는 수동 해부된 세포도 입력(25,26)으로서 사…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
우리는 Shanghai Jiao Tong University 농업 및 생물학 학교의 단일 세포 다중 오믹스 시설에서 이 프로토콜을 설정했으며 중국 국립 자연 과학 재단(보조금 번호 32070608), 상하이 푸장 프로그램(보조금 번호 20PJ1405800) 및 상하이 자오퉁 대학교(보조금 번호 Agri-X20200202, 2019TPB05).
Materials
| 0.22 µm strainer | Sorfa | 622110 | |
| Agar | Yeasen | 70101ES76 | |
| Agilent fragment analyzer | Aglient | Aglient 5200 | |
| Agilent high-sensitivity DNA kit | Aglient | DNF-474-0500 | |
| Ampure XP beads | BECKMAN | A63881 | |
| Betaine | yuanye | S18046-100g | |
| Bleach | Mr Muscle | FnBn83BK | 20% (v/v) bleach |
| BSA | sigma | 9048-46-8 | |
| CaCl2 | yuanye | S24109-500g | |
| Cellulase R10 | Yakult (Japan) | 9012-54-8 | |
| Cellulase RS | Yakult (Japan) | 9012-54-8 | |
| Centrifuge tube (1.5 mL) | Eppendolf | 30121589 | |
| DNase, RNase, DNA and RNA Away Surface Decontaminants | Beyotime | R0127 | |
| dNTPs (10 mM) | NEB | N0447S | |
| DTT (0.1 M) | invitrogen |
18090050 | |
| Ethanol | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | 100092680 | |
| FACS | BD FACS Melody | BD-65745 | |
| FACS | Sony | SH800S | |
| Filter tip (1000 µL) | Thermo Scientific | TF112-1000-Q | |
| Filter tip (200 µL) | Thermo Scientific | TF140-200-Q | |
| Filter tip (10 µL) | Thermo Scientific | TF104-10-Q | |
| Filter tip (100 µL) | Thermo Scientific | TF113-100-Q | |
| Fluorescent microscope | Nikon | Eclipse Ni-E | |
| Four-Dimensional Rotating Mixer | Kylin -Bell | BE-1100 | |
| Hemicellulase | sigma | 9025-56-3 | |
| IS PCR primer | 5'-AAGCAGTGGTATCAACGCAGAG T-3' |
||
| KAPA HiFi HotStart ReadyMix(2X) | Roche | 7958935001 | |
| KCl | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | 7447-40-7 | |
| Macerozyme R10 | Yakult (Japan) | 9032-75-1 | |
| Magnetic separation stand | invitrogen | 12321D | |
| Mannitol | aladdin | 69-65-8 | |
| MES | aladdin | 145224948 | |
| MgCl2 | yuanye | R21455-500ml | |
| Microcentrifuges | Eppendorf | Centrifuge 5425 | |
| Micro-mini-centrifuge | Titan | Timi-10k | |
| MS | Phytotech | M519 | |
| Nextera XT DNA Library Preparation Kit | illumina | FC-131-1024 | |
| oligo-dT30VN primer | 5'-AAGCAGTGGTATCAACGCAGAG TACTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT TTTTTTTTTTVN-3' |
||
| PCR instrument | Thermal cycler | A24811 | |
| Pectolyase | Yakult (Japan) | 9033-35-6 | |
| Plant marker lines | Nottingham Arabidopsis Stock Centre (NASC) | ||
| Qubit 1x dsDNA HS Assay Kit | invitrogen | Q33231 | |
| Qubit 2.0 fluorometer | invitrogen | Q32866 | |
| RNase inhibitor | Thermo Scientific | EO0382 | |
| RNase-free water | invitrogen | 10977023 | |
| Solution A | 400 mM mannitol, 0.05 % BSA , 20 mM MES (pH5.7), 10 mM CaCl2, 20 mM KCl | ||
| Solution B | 1 % (w/v)cellulase R10, 1 % (w/v) cellulase RS, 1 % (w/v)hemicellulase, 0.5 % (w/v)pectolyase and 1 % (w/v) Macerozyme R10 of in a fresh aliquot of solution A | ||
| Sterile pestle | BIOTREAT | 453463 | |
| Strainer (40 µm ) | Sorfa | 251100 | |
| Superscript enzyme (200 U/µL) | invitrogen | 18090050 | |
| SuperScript VI buffer (5x) | invitrogen | 18090050 | |
| T0est tube (5 mL) | BD Falcon | 352052 | |
| Thin-walled PCR tubes with caps (0.5 mL) | AXYGEN | PCR-05-C | |
| Triton X-100 | Sangon Biotech | A600198-0500 | |
| TSO primer | 5'-AAGCAGTGGTATCAACGCAGAG TACATrGrG+G-3' |
||
| Vortex | Titan | VM-T2 |
References
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