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Method Article
Questo protocollo descrive la preparazione dettagliata e a basso input del campione per il sequenziamento a nucleo singolo, compresa la dissezione dei gangli cervicali e stellati superiori del topo, la dissociazione cellulare, la crioconservazione, l'isolamento del nucleo e il codice a barre hashtag.
Il sistema nervoso autonomo cardiaco è cruciale nel controllo della funzione cardiaca, come la frequenza cardiaca e la contrattilità cardiaca, ed è diviso in rami simpatici e parasimpatici. Normalmente, c'è un equilibrio tra questi due rami per mantenere l'omeostasi. Tuttavia, stati di malattia cardiaca come infarto miocardico, insufficienza cardiaca e ipertensione possono indurre il rimodellamento delle cellule coinvolte nell'innervazione cardiaca, che è associata a un esito clinico avverso.
Sebbene ci siano grandi quantità di dati per la struttura istologica e la funzione del sistema nervoso autonomo cardiaco, la sua architettura biologica molecolare in salute e malattia è ancora enigmatica in molti aspetti. Nuove tecnologie come il sequenziamento dell'RNA a singola cellula (scRNA-seq) sono promettenti per la caratterizzazione genetica dei tessuti a risoluzione unicellulare. Tuttavia, le dimensioni relativamente grandi dei neuroni possono impedire l'uso standardizzato di queste tecniche. Qui, questo protocollo sfrutta il sequenziamento dell'RNA a singolo nucleo basato su goccioline (snRNA-seq), un metodo per caratterizzare l'architettura biologica dei neuroni simpatici cardiaci in salute e malattia. È stato dimostrato che un approccio graduale esegue snRNA-seq dei gangli cervicali superiori bilaterali (SCG) e stellati (StG) sezionati da topi adulti.
Questo metodo consente la conservazione del campione a lungo termine, mantenendo un'adeguata qualità dell'RNA quando i campioni di più individui / esperimenti non possono essere raccolti tutti in una volta in un breve periodo di tempo. La codifica a barre dei nuclei con oligo hashtag (HTO) consente il demultiplexing e il trace-back di campioni gangliari distinti dopo il sequenziamento. Analisi successive hanno rivelato la cattura dei nuclei di successo delle cellule neuronali, gliali satelliti ed endoteliali dei gangli simpatici, come convalidato da snRNA-seq. In sintesi, questo protocollo fornisce un approccio graduale per snRNA-seq di gangli cardiaci estrinseci simpatici, un metodo che ha il potenziale per un'applicazione più ampia negli studi sull'innervazione di altri organi e tessuti.
Il sistema nervoso autonomo (ANS) è una parte cruciale del sistema nervoso periferico che mantiene l'omeostasi del corpo, compreso l'adattamento alle condizioni ambientali e alla patologia1. È coinvolto nella regolazione di più sistemi di organi in tutto il corpo come i sistemi cardiovascolare, respiratorio, digestivo ed endocrino. L'ANS è diviso in rami simpatici e parasimpatici. Rami spinali della sinapsi del sistema nervoso simpatico nei gangli della catena simpatica, situati bilateralmente in posizione paravertebrale. I gangli cervicali e toracici bilaterali, in particolare l'StG, sono componenti importanti che partecipano all'innervazione simpatica cardiaca. Negli stati patologici, come l'ischemia cardiaca, può verificarsi un rimodellamento neuronale, con conseguente overdrive simpatico2. Il rimodellamento neuronale è stato dimostrato in molteplici studi istologici sull'uomo e su diverse altre specie animali 3,4,5,6. Attualmente manca una caratterizzazione biologica dettagliata del rimodellamento neuronale indotto da ischemia cardiaca nei gangli simpatici cardiaci e le caratteristiche biologiche fondamentali di tipi o sottotipi di cellule neuronali specializzate all'interno del sistema nervoso simpatico cardiaco (SNS) non sono ancora completamente determinate in salute e malattia7.
Nuove tecnologie, come scRNA-seq, hanno aperto porte per la caratterizzazione genetica di piccoli tessuti a livello di singola cellula 8,9. Tuttavia, le dimensioni relativamente grandi dei neuroni possono impedire l'uso ottimizzato di queste tecniche a singola cellula negli esseri umani10. Inoltre, il sequenziamento a singola cellula richiede un elevato rendimento di cellule per recuperare un numero di cellule sufficiente a causa di un'elevata perdita nel processo di sequenziamento. Ciò potrebbe rivelarsi difficile quando si studiano piccoli tessuti che sono difficili da catturare in una sessione e richiedono più campioni per introdurre abbastanza singole cellule per il sequenziamento. La tecnologia snRNA-seq basata su goccioline recentemente sviluppata (cioè la piattaforma 10x Chromium) consente lo studio delle differenze biologiche tra i singoli nuclei 11,12. snRNA-seq detiene un vantaggio rispetto a scRNA-seq per le cellule di grandi dimensioni (>30 μm), che potrebbero non essere catturate in Gel Bead in Emulsions (GEMs), nonché una migliore compatibilità con dissociazione estesa e / o conservazione prolungata 13,14,15.
L'eterogeneità, il numero di cellule neuronali e altre cellule arricchite nel SNS cardiaco sono aspetti importanti per la caratterizzazione dell'ANS negli stati di salute e malattia. Inoltre, l'innervazione specifica dell'organo o della regione da parte di ciascun ganglio simpatico contribuisce alla complessità del SNS. Inoltre, i gangli cervicali, stellati e toracici della catena simpatica hanno dimostrato di innervare diverse regioni del cuore16. Pertanto, è necessario eseguire l'analisi a nucleo singolo di cellule gangliari derivate da singoli gangli per studiare la loro architettura biologica.
Lo snRNA-seq basato su goccioline consente la profilazione dell'espressione a livello di trascrittoma per un pool di migliaia di cellule da più campioni contemporaneamente con costi inferiori rispetto alle piattaforme di sequenziamento basate su piastre. Questo approccio consente a snRNA-seq basato su goccioline di essere più adatto per la classificazione del fenotipo cellulare e l'identificazione di nuove sottopopolazioni di cellule all'interno del SCG e del StG. In particolare, questo protocollo fornisce un approccio graduale conciso per l'identificazione, l'isolamento e il sequenziamento dell'RNA a nucleo singolo dei gangli cardiaci estrinseci simpatici, un metodo che ha il potenziale per un'ampia applicazione negli studi sulla caratterizzazione dei gangli che innervano altri organi e tessuti correlati in salute e malattia.
Questo protocollo descrive tutti i passaggi necessari per lo snRNA-seq dei gangli murini cervicali e/o cervicotoracici (stellati). Sono stati utilizzati topi C57BL / 6J femminili e maschili (15 settimane, n = 2 per ogni sesso). Un ulteriore mouse Wnt1-Cre;mT/mG è stato utilizzato per visualizzare i gangli per scopi di dissezione17,18. Questo mouse aggiuntivo è stato generato dall'incrocio di un mouse B6.Cg-Tg(Wnt1-cre)2Sor/J e di un mouse B6.129(Cg)-Gt(ROSA)26Sortm4(ACTB-tdTomato,-EGFP)Luo/J. Tutti gli esperimenti sugli animali sono stati condotti secondo la Guida per la cura e l'uso degli animali da laboratorio pubblicata dal NIH e approvata dal Comitato etico animale dell'Università di Leida (numero di licenza AVD1160020185325, Leida, Paesi Bassi). Vedere la Tabella dei materiali per i dettagli relativi a tutti i materiali, le attrezzature, il software e gli animali utilizzati nel protocollo.
1. Preparativi
NOTA: tutti i passaggi vengono eseguiti in un armadio del flusso di coltura cellulare.
2. Dissezione dei gangli cervicali superiori del topo adulto (SCG)
3. Dissezione dei gangli stellati del topo adulto (StG)
4. Isolamento e crioconservazione delle cellule gangliari di topo
I passaggi da 4 a 6 sono riepilogati nella Figura 2.
5. Isolamento del nucleo
NOTA: L'SCG sinistro e destro isolati da quattro topi (in totale 8 campioni) sono stati utilizzati come esempio nella seguente preparazione all'isolamento del nucleo e al sequenziamento. Tenere tutto sul ghiaccio durante l'intera procedura. A causa dell'invisibilità dei piccoli pellet a nucleo, una centrifuga con secchi oscillanti è altamente raccomandata per facilitare la rimozione del surnatante durante l'intera procedura.
6. Nucleus barcoding con hashtag oligos (HTO) e multiplexing
NOTA: le fasi di colorazione HTO sono state modificate e ottimizzate per l'etichettatura nucleare di quantità molto basse di nuclei (gangliari) secondo la precedente applicazione nel tessuto corticale di Gaublomme et al.15.
Analisi del controllo qualità della preparazione della libreria di cDNA a nucleo singolo e snRNA-seq
I risultati rappresentativi descrivono i risultati del sequenziamento di 10.000 nuclei catturati in un singolo pool con una libreria di espressione genica di 25.000 letture / nucleo e una libreria di hashtag di 5.000 letture / nucleo. La Figura 3B illustra i risultati del controllo di qualità del cDNA del 1° filamento, della libreria di espressione genica (GE...
Qui, viene descritto un protocollo dettagliato che si concentra su i) la dissezione dei gangli simpatici cervicali e stellati superiori del topo adulto, ii) l'isolamento e la crioconservazione delle cellule gangliari, iii) l'isolamento del nucleo e iv) il nucleo-barcoding con etichettatura HTO per scopi multiplexing e snRNA-seq.
Con questo protocollo, le cellule gangliari simpatiche possono essere facilmente ottenute dissociando i singoli gangli usando tripsina e collagenasi comunemente usate....
Gli autori non hanno conflitti di interesse da divulgare.
Ringraziamo Susan L. Kloet (Dipartimento di Genetica Umana, LUMC, Leida, Paesi Bassi) per il suo aiuto nella progettazione sperimentale e nelle discussioni utili. Ringraziamo Emile J. de Meijer (Dipartimento di Genetica Umana, LUMC, Leida, Paesi Bassi) per l'aiuto con l'isolamento dell'RNA a nucleo singolo e la preparazione della libreria per il sequenziamento. Questo lavoro è supportato dall'Organizzazione olandese per la ricerca scientifica (NWO) [016.196.346 to 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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