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근육 간 지방 조직(IMAT)의 생물학은 인체 조직의 접근성이 제한되어 있기 때문에 대부분 탐구되지 않았습니다. 여기에서는 이 고유한 지방 저장소의 세포 구성을 식별하기 위해 단일 핵 RNA 염기서열 분석을 위한 냉동 인간 IMAT의 핵 분리 및 라이브러리 준비에 대한 자세한 프로토콜을 제시합니다.
근육 간 지방 조직(IMAT)은 근육 섬유 사이에 위치한 상대적으로 연구가 덜 된 지방 저장소입니다. IMAT 함량은 연령과 BMI에 따라 증가하며 대사 및 근육 퇴행성 질환과 관련이 있습니다. 그러나 IMAT의 생물학적 특성과 주변 근섬유와의 상호 작용에 대한 이해는 심각하게 부족합니다. 최근 몇 년 동안 단세포 및 핵 RNA 염기서열 분석은 여러 인간 조직의 세포 유형 특이적 아틀라스를 제공했습니다. 그러나 인간 IMAT의 세포 구성은 인간의 생검 수집에 대한 접근성의 본질적인 문제로 인해 대부분 탐구되지 않은 상태로 남아 있습니다. 수집되는 조직의 양이 제한되어 있을 뿐만 아니라 인간 IMAT의 처리는 골격근 조직 및 근막에 근접하기 때문에 복잡합니다. 지방세포의 지질이 풍부한 특성으로 인해 단세포 분리와 호환되지 않습니다. 따라서 단일 핵 RNA 염기서열 분석은 단일 세포 분해능에서 고차원 전사체학을 얻는 데 최적이며 IMAT의 정확한 세포 구성을 포함하여 이 저장소의 생물학을 밝힐 수 있는 잠재력을 제공합니다. 여기에서는 단일 핵 RNA 염기서열분석을 위한 냉동 인간 IMAT의 핵 분리 및 라이브러리 준비에 대한 자세한 프로토콜을 제시합니다. 이 프로토콜은 액적 기반 접근 방식을 사용하여 수천 개의 핵을 프로파일링할 수 있도록 하여 희귀하고 풍부하지 않은 세포 유형을 검출할 수 있는 능력을 제공합니다.
근육 간 지방 조직(IMAT)은 근섬유 사이 및 주변에 존재하는 이소성 지방 저장소입니다1. Goodpaster et al.의 최근 문헌고찰에서 자세히 설명한 바와 같이, IMAT는 고해상도 컴퓨터 단층 촬영(CT) 및 자기 공명 영상(MRI)을 사용하여 검출할 수 있으며(그림 1A, B) 전신의 근섬유 주변과 내에서 발견된다1. IMAT의 양은 개인마다 크게 다르며 BMI, 연령, 성별, 인종 및 좌식 생활의 영향을 받습니다 2,3,4. 또한, IMAT 침착은 근육퇴행과 관련된 병리학적 조건에서 흔히 볼 수 있으며5, 수많은 연구에서 비만, 제2형 당뇨병, 대사 증후군 및 인슐린 저항성이 있는 개인에서 IMAT 질량이 증가하는 것을 보고했습니다 6,7,8,9. 그럼에도 불구하고 IMAT의 세포 및 생물학적 특성은 이제 막 밝혀지기 시작했습니다. 제한된 접근성과 IMAT 위치 및 체내 함량의 다양성으로 인해 이 독특한 지방 저장소2에서 샘플을 수집하는 데 어려움을 겪었습니다. 더욱이, 샘플은 채취 시 골격근(SM)에 쉽게 '오염'되어 서로 다른 조직의 생물학적 기여도를 분리하는 것을 해독하기 어렵습니다(그림 1C). 이를 위해 지난 10년 동안 상당한 주목을 받은 단일핵 RNA 염기서열분석(snRNA-seq)은 단세포 분해능으로 IMAT 및 SM 유래 유전자 발현 패턴을 분리할 수 있는 이상적인 방법론입니다. 더욱이, 핵 분리는 지질이 많이 함유된 지방세포가 크기 때문에 지방 조직에 특히 유용하며, 이는 세포의 무결성을 손상시키지 않고 단세포 현탁액으로 해리할 수 없습니다. 마지막으로, 이 기술은 IMAT 특이적 지방세포의 새로운 마커를 발견하고, 다양한 전구 세포 집단의 구성 및 존재를 밝혀내고, 병리학적 및 정상 조건에서 세포 구성의 변화를 연구할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
그림 1: IMAT 이미지. (A) 마른 중년 여성과 (B) 비만이 있는 중년 남성의 IMAT의 대표적인 자기 공명(MRI) 이미지. 빨간색: 피하 지방 조직, 노란색: 근육 간 지방 조직, 녹색: 골격근, 파란색: 뼈. 이미지 제공: Heather Cornnell, AdventHealth Translational Research Institute. (C) IMAT가 있는 신선한 조직 샘플(검은색 점선으로 둘러싸임). 이미지 제공: Meghan Hopf, AdventHealth Translational Research Institute 및 Bryan Bergman, University of Colorado. 이 그림은 Goodpaster et al.1의 허가를 받아 수정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
단세포(sc) 및 snRNA-seq10를 사용하여 돼지, 닭 및 소의 육류(특히 IMAT)의 마블링을 조사하는 축산업에서 많은 연구가 발표되었습니다. 이러한 연구는 지방 세포의 여러 하위 집단과 IMAT11,12,13의 잠재적 전구 세포의 마커를 확인했습니다. 그러나 이러한 세포 조성이 인간 IMAT로 변환되는지 여부는 알려져 있지 않습니다. 우리가 아는 한, 고관절 골관절염이 있는 남성 환자로부터 얻은 지방 침윤을 동반한 인간 근육의 세포 이질성을 조사한 연구는 단 한 건에 불과하며, snRNA-seq14를 사용했다. 연구자들은 myonuclei14의 큰 집단 내에서 작은 지방 세포 집단과 여러 섬유 지방 원생 전구 세포(FAP) 하위 집단을 보고했습니다. 본 연구는 snRNA-seq를 이용하여 인체 근육에서 수동으로 절개한 IMAT를 세포 조성을 직접 조사하는 방법을 최초로 개발한 것입니다.
중요한 것은 사용 가능한 조직의 양과 특정 조직의 물리적 특성에 따라 최적의 처리 단계가 결정되기 때문에 snRNA-seq 프로토콜은 연구 대상 조직에 맞게 맞춤화되어야 한다는 것입니다. IMAT의 조직 수율은 일반적으로 작으며 초음파 유도 생검을 수행할 때에도 50mg을 초과하지 않는 경우가 많습니다. 따라서 이 희소한 조직을 적절하게 처리하는 것이 필수적입니다. 우리는 이 프로토콜이 인간 IMAT를 연구하는 연구자들에게 귀중한 자원이 될 것이라고 믿습니다.
이 프로토콜에 사용된 샘플은 SOMMA(Study of Muscle, Mobility, and Aging)15의 일부로, WCG(Western IRB-Copernicus Group) Institutional Review Board의 승인을 받았으며 헬싱키 선언에 따라 수행되었습니다. 참가자는 연구 참여에 대해 정보에 입각한 서면 동의서를 제공했습니다.
참고 : 이 프로토콜은 나노웰 기반 플랫폼(16)에서 100mg의 인간 복부 피하 지방 조직을 사용하는 이전 프로토콜에서 조정되었습니다. 현재 프로토콜은 액적 기반 플랫폼을 사용하여 50mg의 인간 IMAT 및 라이브러리 준비에 최적화되어 있습니다. 비인간 IMAT 또는 기타 지방 저장소로부터의 핵 분리를 위해 이 프로토콜의 추가 최적화가 필요할 수 있습니다.
1. 완충액 및 시약의 제조(표 1 및 표 2)
참고: 실험 당일에 완충액을 새로 준비하고 재사용하지 마십시오.
시약 | 부피 (μL) | 최종 농도 (mM) | |
1배 | 2배 | ||
1개 m MgCl2 | 10 | 20 | 5 |
1M 트리스 버퍼, pH 8.0 | 20 | 40 | 10 |
2개 M KCl | 25 | 50 | 25 |
1.5m 자당 (-4oC) | 334 | 668 | 250 |
1mM 디티에이트 | 2 | 4 | 0.001 (~1 μM) |
100x 프로테아제 억제제 | 20 | 40 | 1배 |
슈퍼아신 20 U/μL | 40 | 80 | 0.4 U/μL |
뉴클레아제가 없는 물 | 1549 | 3098 | - |
총 볼륨 | 2000 | 4000 | - |
표 1: 균질화 완충액(HB). 얼음 위에 두십시오. 소용돌이로 섞는다.
시약 | 부피 (μL) | 최종 농도 (mM) | |
1배 | 2배 | ||
에디타 | 0.4 | 0.8 | 0.1 |
Ribolock RNAse 억제제(40U/μL) | 40 | 80 | 0.8 U/μL |
1% BSA-PBS(-/-) | 1959.6 | 3919.2 | - |
총 볼륨 | 2000 | 4000 | - |
표 2: 핵 분리 매체(NIM). 얼음 위에 두십시오. 소용돌이로 섞는다.
2. 동결 조직의 분쇄 (그림 2A)
3. 분쇄된 조직의 균질화
4. 핵 분리 및 청소(그림 2B)
5. 핵 염색 및 계수(그림 2C 및 그림 3)
참고 : 카운팅을 용이하게 하려면 자동 셀 카운터에서 '핵 카운팅' 프로토콜을 설정하십시오. 이는 명시야와 DAPI 채널을 조정하면 카운팅에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 파편이 아닌 핵만 포집되도록 채널을 조정합니다. 명시야 채널이 DAPI 염색이 있는 '물체'만 표시하는지 확인하십시오.
그림 3: 분리된 핵의 염색. NucBlue/DAPI로 염색된 핵의 세포 계수기 이미지(왼쪽 이미지) 및 해당 명시야 이미지(오른쪽 이미지). 소량의 파편이 존재한다는 것은 명시야 이미지에서 분명합니다. 여기에 사용된 자동화된 셀 카운터에는 축척 막대를 포함할 수 있는 옵션이 없습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
6. 라이브러리 준비 및 염기서열분석 파라미터
그림 2: 프로토콜 워크플로우. 프로토콜의 (A) 2단계 및 3단계, (B) 4단계 및 (C) 5단계의 워크플로우를 도식화한 그림입니다. 피규어는 BioRender.com 로 만들어졌습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
7. 데이터 처리 및 분석
참고 : 이 프로토콜에서는 결과 시퀀싱 데이터를 처리하는 데 사용되는 권장 소프트웨어 및 R 패키지 중 일부를 간략하게 소개하고 초기 전처리 이후의 단계에 초점을 맞춥니다(표 3). 이 연구는 그림 4에서 일반적인 품질 관리(QC) 메트릭과 UMAP(Uniform Manifold Approximation and Projection)의 예를 제공합니다. 그러나 생물정보학적 분석에 대한 심층적인 설명은 이 프로토콜의 범위를 벗어납니다. 따라서 독자는 Heumos et al.18의 단일 세포 분석 모범 사례에 대한 최근 검토를 참조할 수 있습니다.
데이터 워크플로우에 사용되는 소프트웨어/R 패키지 | 대체 소프트웨어/패키지 | 처리 단계 |
셀레인저 | STARsolo, 칼리스토 | 트리밍, 정렬, 매핑 |
쇠라(Seurat) | SingleCellExperiment, 셀레인저 | QC, 분석 및 데이터 탐색 |
더블릿파인더 | scds, scdblFinder, 스크러블릿 | 이중선 검출 |
디콘트엑스 | 수프X, 셀벤더 | 주변 RNA 조정 |
표 3: 데이터 워크플로우를 위한 소프트웨어/도구.
이 워크플로우는 단일 핵 분해능에서 유전자 발현 프로필을 얻기 위해 냉동된 인간 IMAT 샘플을 처리하도록 설계되어 세포 유형 식별을 가능하게 합니다. 여기에서는 SOMMA 연구 참가자의 대표적인 IMAT 샘플 하나를 제시합니다.
snRNA-seq 데이터 분석의 첫 번째 단계는 데이터 세트에서 잠재적으로 제거해야 하는 저품질 핵을 식별하기 위해 데이터의 품질을 평가하는 것입니다. 중?...
IMAT를 사용하는 데에는 몇 가지 내재된 과제가 있습니다. 접근성이 제한적인 것 외에도 시료 물질의 수율이 매우 드문 경우가 많으며 골격근의 "오염"을 피하는 것은 거의 불가능합니다. 최고 품질의 검체를 얻기 위해서는 생검 바늘을 삽입할 때 근육 근막을 관통하고(피하 지방 조직이 수집되지 않도록 주의) 채취 직후 현미경으로 검체를 절개하여 가능한 한 많은 근육 조직을 제거한 후 조직학, ?...
저자는 밝힐 것이 없습니다.
저자들은 MoTrIMAT 연구(R01AG077956)에서 그림 1C의 IMAT 생검 이미지를 제공한 콜로라도 대학의 Bryan Bergman 박사에게 감사를 표합니다. 우리는 근육, 이동성 및 노화 연구(Study of Muscle, Mobility and Aging)에서 대표 결과 섹션에 데이터가 표시되는 IMAT 샘플을 제공해 주셔서 감사합니다. 미국 국립노화연구소(National Institute on Aging, NIA)는 근육, 이동성 및 노화 연구(SOMMA; R01AG059416) 및 그 보조 연구인 SOMMA AT(R01AG066474) 및 SOMMA Knee OA(R01AG070647). 연구 인프라 지원은 피츠버그 대학교(P30AG024827) 및 웨이크 포레스트 대학교(P30AG021332)의 NIA Claude D. Pepper Older American Independence Centers와 웨이크 포레스트 대학교(UL1 0TR001420)의 National Center for Advancing Translational Science의 자금 지원을 받는 임상 및 중개 과학 연구소(Clinical and Translational Science Institutes)에서 부분적으로 자금을 지원했습니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.2 µm corning syringe filters | Millipore Sigma | CLS431229 | |
1.7 mL DNA LoBind tubes | Eppendorf | 22431021 | low-bind tubes |
10% Tween 20 | Bio-Rad | 1662404 | |
100x protease inhibitor | Thermo Fisher Scientific | 78437 | |
10X Magnetic Separator | 10X Genomics | 230003 | |
10X Vortex Adapter | 10X Genomics | 330002 | |
15 mL canonical tubes | Sarstedt | 6,25,54,502 | |
2100 Bioanalyzer | Agilent | G2939BA | |
50 mL conical tubes | Sarstedt | 6,25,47,254 | |
CellRanger | Genomics | N/A | |
Chromium iX accesory kit | 10X Genomics | PN1000323 | |
Chromium iX Controller | 10X Genomics | PN1000326 | |
Chromium Next GEM Chip G Single Cell Kit | 10X Genomics | PN1000127 | |
Chromium Next GEM Single Cell 3' Kit v 3.1 | 10X Genomics | PN1000269 | |
Chromium Next GEM Single Cell 3' Gel Bead Kit v3.1 | 10X Genomics | PN1000129 | |
Chromium Next GEM Single Cell GEM Kit v3.1 | 10X Genomics | PN1000130 | |
Countess 3 Automated Cell Counter | Thermo Fisher Scientific | AMQAX2000 | Automated cell counter |
Countess cell counting chamber slides | Thermo Fisher Scientific | C10228 | |
DoubletFinder | R | N/A | |
DPBS (no calcium, no magnesium) | Thermo Fisher Scientific | 14190144 | |
DTT | Thermo Fisher Scientific | R0861 | |
Dual Index Kit TT Set A, 96 rxns | 10X Genomics | PN1000215 | |
Dynabeads MyOne SILANE | 10X Genomics | PN2000048 | |
Falcon 100 µm Cell strainer | Corning Life Science | 352360 | |
Falcon 40 µm Cell strainer | Corning Life Science | 352340 | |
Glycerin (glycerol), 50% (v/v) Aqueous Solution | Ricca Chemical Company | 3290-32 | |
KCL | Thermo Fisher Scientific | AM9640G | |
Library Construction Kit v3.1 | 10X Genomics | PN1000196 | |
MACS SmartStrainers (30µm) | Miltenyi Biotec | 130-098-458 | |
Mastercycler Nexus Gradient Thermal cycler | Eppendorf | 6331000017 | |
MgCl2 | Ambion | AM9530G | |
Mortar and pestel | Health care logistics | 14075 | |
NucBlue Live Ready Probes Reagent | Thermo Fisher Scientific | R37605 | |
Nuclease Free Water (not DEPC treated) | Thermo Fisher Scientific | AM9930 | |
Probumin Bovine Serum Albumin Fatty Acid Free, Powder | Sigma-Aldrich | 820024 | |
Qiagen Buffer EB | Qiagen | 19086 | |
Ribolock RNAse inhibitor | Thermo Fisher Scientific | EO0382 | |
Seurat | R | N/A | |
Sucrose | Sigma-Aldrich | S0389 | |
SUPERasin 20 U/µL | Thermo Fisher Scientific | AM2695 | |
ThermoMixer C | Eppendorf | 5382000015 | |
Tissue homogenizer | Glass-Col | 099C K54 | |
Tris buffer pH 8.0 | Thermo Fisher Scientific | AM9855G | |
Triton X-100 | Thermo Fisher Scientific | AC327372500 | |
UltraPure 0.5M EDTA pH 8.0 | Gibco | 15575020 |
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