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Method Article
Dieses Protokoll beschreibt die detaillierte, inputarme Probenvorbereitung für die Einzelkernsequenzierung, einschließlich der Dissektion von Maus-Superior-Cervix- und Sternganglien, Zelldissoziation, Kryokonservierung, Nukleusisolierung und Hashtag-Barcoding.
Das kardiale autonome Nervensystem ist entscheidend für die Kontrolle der Herzfunktion wie Herzfrequenz und Herzkontraktilität und ist in sympathische und parasympathische Zweige unterteilt. Normalerweise gibt es ein Gleichgewicht zwischen diesen beiden Zweigen, um die Homöostase aufrechtzuerhalten. Herzerkrankungen wie Myokardinfarkt, Herzinsuffizienz und Bluthochdruck können jedoch den Umbau von Zellen induzieren, die an der Herzinnervation beteiligt sind, was mit einem nachteiligen klinischen Ergebnis verbunden ist.
Obwohl es riesige Datenmengen für die histologische Struktur und Funktion des kardialen autonomen Nervensystems gibt, ist seine molekularbiologische Architektur in Gesundheit und Krankheit in vielerlei Hinsicht immer noch rätselhaft. Neuartige Technologien wie die Einzelzell-RNA-Sequenzierung (scRNA-seq) versprechen die genetische Charakterisierung von Geweben bei Einzelzellauflösung. Die relativ große Größe der Neuronen kann jedoch die standardisierte Verwendung dieser Techniken behindern. Hier nutzt dieses Protokoll die tröpfchenbasierte Single-Nucleus-RNA-Sequenzierung (snRNA-seq), eine Methode zur Charakterisierung der biologischen Architektur von kardialen sympathischen Neuronen in Gesundheit und Krankheit. Es wird gezeigt, dass ein schrittweiser Ansatz snRNA-seq der bilateralen oberen zervikalen (SCG) und stellaten Ganglien (StG) durchführt, die von erwachsenen Mäusen seziert wurden.
Diese Methode ermöglicht eine langfristige Probenkonservierung und hält eine angemessene RNA-Qualität aufrecht, wenn Proben von mehreren Individuen / Experimenten nicht innerhalb kurzer Zeit auf einmal gesammelt werden können. Die Barkodierung der Kerne mit Hashtag-Oligos (HTOs) ermöglicht das Demultiplexing und die Rückverfolgung verschiedener ganglionärer Proben nach der Sequenzierung. Nachfolgende Analysen zeigten eine erfolgreiche Kernerfassung von neuronalen, satellitengestützten Glia- und Endothelzellen der sympathischen Ganglien, wie durch snRNA-seq validiert. Zusammenfassend bietet dieses Protokoll einen schrittweisen Ansatz für snRNA-seq von sympathischen extrinsischen Herzganglien, eine Methode, die das Potenzial für eine breitere Anwendung in Studien der Innervation anderer Organe und Gewebe hat.
Das autonome Nervensystem (ANS) ist ein entscheidender Teil des peripheren Nervensystems, das die Homöostase des Körpers aufrechterhält, einschließlich der Anpassung an Umweltbedingungen und Pathologie1. Es ist an der Regulierung mehrerer Organsysteme im ganzen Körper beteiligt, wie z. B. des Herz-Kreislauf-, Atemwegs-, Verdauungs- und endokrinen Systems. Die ANS ist in sympathische und parasympathische Zweige unterteilt. Spinaläste der Synapse des sympathischen Nervensystems in Ganglien der sympathischen Kette, bilateral in einer paravertebralen Position gelegen. Die bilateralen Hals- und Thoraxganglien, insbesondere das StG, sind wichtige Bestandteile, die an der kardialen sympathischen Innervation beteiligt sind. In Krankheitszuständen, wie z.B. Herzischämie, kann es zu neuronalem Umbau kommen, was zu einem sympathischen Overdriveführt 2. Der neuronale Umbau wurde in mehreren histologischen Studien am Menschen und mehreren anderen Tierartennachgewiesen 3,4,5,6. Eine detaillierte biologische Charakterisierung des kardialen Ischämie-induzierten neuronalen Remodells bei kardialen sympathischen Ganglien fehlt derzeit, und die grundlegenden biologischen Eigenschaften spezialisierter neuronaler Zelltypen oder Subtypen innerhalb des kardialen sympathischen Nervensystems (SNS) sind in Gesundheit und Krankheit noch nicht vollständig bestimmt7.
Neuartige Technologien wie scRNA-seq haben Gateways für die genetische Charakterisierung kleiner Gewebe auf Einzelzellebene 8,9 geöffnet. Die relativ große Größe der Neuronen kann jedoch den optimierten Einsatz dieser Einzelzelltechniken beim Menschen behindern10. Darüber hinaus erfordert die Einzelzellsequenzierung einen hohen Zelldurchsatz, um aufgrund eines hohen Verlusts im Sequenzierungsprozess eine ausreichende Zellzahl wiederherzustellen. Dies könnte sich bei der Untersuchung kleiner Gewebe, die in einer Sitzung schwer zu erfassen sind und mehrere Proben erfordern, um genügend einzelne Zellen für die Sequenzierung einzuführen, als Herausforderung erweisen. Die kürzlich entwickelte tröpfchenbasierte snRNA-seq-Technologie (d.h. die 10x Chromium-Plattform) ermöglicht die Untersuchung biologischer Unterschiede zwischen einzelnen Kernen11,12. snRNA-seq hat einen Vorteil gegenüber scRNA-seq für große Zellen (>30 μm), die möglicherweise nicht in Gelperlen in Emulsionen (GEMs) eingefangen werden, sowie eine verbesserte Kompatibilität bei extensiver Dissoziation und/oder längerer Konservierung13,14,15.
Heterogenität, die Anzahl der neuronalen Zellen und andere im kardialen SNS angereicherte Zellen sind wichtige Aspekte für die Charakterisierung des ANS in Gesundheits- und Krankheitszuständen. Darüber hinaus trägt die organ- oder regionsspezifische Innervation durch jedes sympathische Ganglion zur Komplexität des SNS bei. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass zervikale, stellare und thorakale Ganglien der sympathischen Kette verschiedene Regionen des Herzens innervieren16. Daher ist es notwendig, eine Einzelkernanalyse von Ganglienzellen durchzuführen, die aus einzelnen Ganglien stammen, um ihre biologische Architektur zu untersuchen.
Tröpfchenbasiertes snRNA-seq ermöglicht eine transkriptomweite Expressionsprofilierung für einen Pool von Tausenden von Zellen aus mehreren Proben gleichzeitig mit geringeren Kosten als plattenbasierte Sequenzierungsplattformen. Dieser Ansatz ermöglicht es, dass tröpfchenbasierte snRNA-seq besser für die zelluläre Phänotypklassifizierung und die Identifizierung neuer Subpopulationen von Zellen innerhalb des SCG und des StG geeignet ist. Insbesondere bietet dieses Protokoll einen prägnanten schrittweisen Ansatz für die Identifizierung, Isolierung und Einzelkern-RNA-Sequenzierung von sympathischen extrinsischen Herzganglien, eine Methode, die das Potenzial für eine breite Anwendung in Studien zur Charakterisierung von Ganglien hat, die andere verwandte Organe und Gewebe in Gesundheit und Krankheit.
Dieses Protokoll beschreibt alle Schritte, die für den snRNA-seq von murinen zervikalen und/oder zervikothorakalen (stellaten) Ganglien erforderlich sind. Weibliche und männliche C57BL/6J-Mäuse (15 Wochen alt, n = 2 für jedes Geschlecht) wurden verwendet. Eine zusätzliche Wnt1-Cre;mT/mG-Maus wurde verwendet, um die Ganglien zu Dissektionszwecken zu visualisieren17,18. Diese zusätzliche Maus wurde durch die Kreuzung einer B6.Cg-Tg(Wnt1-cre)2Sor/J-Maus und einer B6.129(Cg)-Gt(ROSA)26Sortm4(ACTB-tdTomato,-EGFP)Luo/J-Maus erzeugt. Alle Tierversuche wurden gemäß dem vom NIH veröffentlichten und von der Tierethikkommission der Universität Leiden genehmigten Leitfaden für die Pflege und Verwendung von Versuchstieren durchgeführt (Lizenznummer AVD1160020185325, Leiden, Niederlande). In der Materialtabelle finden Sie Details zu allen Materialien, Geräten, Software und Tieren, die im Protokoll verwendet werden.
1. Vorbereitungen
HINWEIS: Alle Schritte werden in einem Zellkultur-Durchflussschrank durchgeführt.
2. Dissektion von adulten Maus-Hirnganglien (SCG)
3. Dissektion von adulten Maus-Sternganglien (StG)
4. Isolierung und Kryokonservierung von Ganglienzellen der Maus
Die Schritte 4 bis 6 sind in Abbildung 2 zusammengefasst.
5. Nukleus-Isolierung
HINWEIS: Linkes und rechtes SCG, das aus vier Mäusen (insgesamt 8 Proben) isoliert wurde, wurde als Beispiel für die folgende Nukleusisolierung und Sequenzierungsvorbereitung verwendet. Halten Sie alles während des gesamten Eingriffs auf Eis. Aufgrund der Unsichtbarkeit von kleinen Kernpellets wird eine Zentrifuge mit schwingenden Eimern dringend empfohlen, um die Entfernung von Überständen während des gesamten Verfahrens zu erleichtern.
6. Nucleus Barcoding mit Hashtag-Oligos (HTOs) und Multiplexing
HINWEIS: HTO-Färbeschritte wurden modifiziert und optimiert für die nukleare Markierung sehr geringer Mengen von (ganglionischen) Kernen gemäß der vorherigen Anwendung in kortikalem Gewebe durch Gaublomme et al.15.
Qualitätskontrollanalyse der Einzelkern-cDNA-Bibliotheksvorbereitung und snRNA-seq
Repräsentative Ergebnisse beschreiben Sequenzierungsergebnisse von 10.000 erfassten Kernen in einem einzigen Pool mit einer Genexpressionsbibliothek mit 25.000 Lesevorgängen / Kern und einer Hashtag-Bibliothek mit 5.000 Lesevorgängen / Kernen. Abbildung 3B zeigt die Qualitätskontrollergebnisse des 1. Strangs cDNA, der Genexpressionsbibliothek (GEX) und der HTO-Bibliothek, die mit dem B...
Hier wird ein detailliertes Protokoll beschrieben, das sich auf i) die Dissektion von adulten Maus-Superior-zervikalen und stellaten sympathischen Ganglien, ii) die Isolierung und Kryokonservierung der Ganglienzellen, iii) Nukleusisolierung und iv) Nukleus-Barcoding mit HTO-Markierung für Multiplexing-Zwecke und snRNA-seq konzentriert.
Mit diesem Protokoll können sympathische Ganglienzellen leicht erhalten werden, indem einzelne Ganglien unter Verwendung von häufig verwendetem Trypsin und K...
Die Autoren haben keine Interessenkonflikte offenzulegen.
Wir danken Susan L. Kloet (Department of Human Genetics, LUMC, Leiden, Niederlande) für ihre Hilfe bei der Versuchsplanung und nützliche Diskussionen. Wir danken Emile J. de Meijer (Department of Human Genetics, LUMC, Leiden, Niederlande) für die Hilfe bei der Single-Nucleus-RNA-Isolierung und Bibliotheksvorbereitung für die Sequenzierung. Diese Arbeit wird von der Niederländischen Organisation für wissenschaftliche Forschung (NWO) unterstützt [016.196.346 bis M.R.M.J.].
Name | Company | Catalog Number | Comments |
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 |
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