JP2020533952A - 高スループット単一細胞トランスクリプトームライブラリーならびにその作製方法および使用方法 - Google Patents
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Abstract
Description
この出願は、2018年6月4日に出願された米国仮出願第62/680,259号、および2019年3月21日に出願された米国仮出願第62/821,678号の利益を主張するもので、これらはそれぞれ参照によって本明細書に組み込まれる。
本発明は、国立衛生研究所により授与された助成金番号DP1 HG007811の下で政府の支援を受けてなされた。政府は本発明に一定の権利を有する。
本開示の態様は、核酸の配列決定に関する。特に、本明細書で提供される方法および組成物の態様は、インデックス付けされた単一細胞トランスクリプトームライブラリーを製造し、そこから配列データを取得することに関する。
本明細書で使用される用語は、特に指定されない限り、関連技術における通常の意味をとると理解されよう。本明細書で使用されるいくつかの用語とその意味を以下に示す。
本明細書で提供される方法は、細胞または複数の細胞から単離された核を提供することを含むことができる(図1、ブロック10、図2、ブロック22)。細胞は、いかなる生物に由来するものでも、任意の細胞タイプまたは生物の任意の組織に由来するものでもあることができる。一態様では、細胞は胚細胞、例えば胚から得られた細胞であることができる。一態様において、細胞または核は、がんまたは病変組織に由来するものであることができる。この方法は、細胞を解離すること、および/または核を単離することをさらに含むことができる。核または細胞の数は少なくとも2つであることができる。上限は、本明細書で説明される方法の他の段階で使用される機器の実用的な制限(例えば、マルチウェルプレート、インデックスの数)に左右される。使用できる核または細胞の数は、制限することを意図したものではなく、数十億の数になることができる。例えば、一態様において、核または細胞の数は、100,000,000以下、10,000,000以下、1,000,000,000以下、100,000,000以下、10,000,000以下、1,000,000以下、100,000以下、10,000以下、1,000以下、500以下、または50以下であることができる。当業者であれば、いくつかの態様において、各核の核酸分子がその核のトランスクリプトーム全体、例えば全トランスクリプトーム、新たに合成されたトランスクリプトーム、またはその両方を表すことを認めるはずである。
本明細書で提供される方法は、単離された核または細胞のサブセットを複数の区画に分配することを含む(図1、ブロック11、図2、ブロック23、図3、ブロック32)。この方法は、単離された核または細胞の集団(本明細書ではプールとも称す)をサブセットにスプリットする複数の分配段階を含むことができる。典型的には、単離された核または細胞のサブセット、例えば、複数の区画に存在するサブセットに、区画に固有のインデックスでインデックス付けし、次いでプールする。したがって、この方法は通常、プールされた単離核または単離細胞を取得し、それらを分配し、区画に固有のインデックスを付加する少なくとも1つの「スプリットおよびプール」段階を含み、「スプリットおよびプール」段階の数は、核酸断片に付加される異なるインデックスの数に依存することができる。インデックス付加前の核または細胞の各初期サブセットは、他のサブセットとは異なるものであることができる。例えば、各初期サブセットは、ユニーク試料から取得したり、ユニーク条件に曝露したりできる。インデックス付け後、十分な数のインデックスが核酸断片に付加されるまで、インデックス付け後にサブセットをプールし、サブセットにスプリットし、インデックス付けし、必要に応じて再度プールすることができる。このプロセスにより、ユニークなインデックスまたはインデックスの組み合わせが各単一細胞または核に割り当てられる。インデックス付けが完了した後、例えば、1つ、2つ、3つ、またはそれ以上のインデックスが付加された後、単離された核または細胞を溶解することができる。いくつかの態様では、インデックスの付加と溶解を同時に行わせることができる。
任意の態様において、細胞の各サブセットは、作用物質または摂動に曝露される(図1、ブロック12)。作用物質は、本質的に細胞に変化を引き起こすものであればいかなるものでもあることができる。例えば、作用物質は、細胞のトランスクリプトームを変更し、細胞のクロマチン構造を変更し、細胞内のタンパク質の活性を変更し、細胞のDNAを変更し、メチル化状態を変更し、細胞のDNA編集を変更し、または他の変更を誘発することができる。作用物質の例には、タンパク質(抗体を含む)、非リボソームタンパク質、ポリケチド、有機分子(900ダルトン以下の有機分子を含む)、無機分子、RNAもしくはRNAi分子、炭水化物、糖タンパク質、核酸、またはそれらの組み合わせなどの化合物が含まれるが、これらに限定されない。一態様では、作用物質は、例えば、CRISPRまたはタレンなどのDNA編集タンパク質などの遺伝的摂動を誘発する。一態様では、作用物質は治療薬である。一態様では、細胞は野生型細胞であることができ、また別の態様では、細胞に対し、例えば遺伝子ノックインまたは遺伝子ノックアウトなどの遺伝的摂動を含むように遺伝子改変を行うことができる(Szlachtaら、Nat Commun., 2018、9:4275)。細胞のサブセットを同じ作用物質に曝露することはできるが、区画全体にわたって異なる変数を変更することができ、単一実験で複数の変数について試験することができる。例えば、単一のマルチウェルプレートにおいて、異なる投与量、異なる曝露時間、および異なる細胞タイプを試験することができる。一態様において、細胞は、既知の活性を有するタンパク質を発現することができ、活性に対する作用物質の効果を、異なる条件下で評価することができる。核酸断片を標識するためのインデックス配列の使用により、例えばマルチウェルプレートの1つのウェルからの、核または細胞の固有のサブセットに由来する核酸を後で識別することが可能になる。
任意の態様においては、細胞によって産生されるRNA、cDNA、またはDNAなどの核酸を標識する(図1、ブロック13)。単一細胞ゲノム技術についての現行方法は、細胞状態のスナップショットを捕捉するため、細胞の移行動態に関する情報を提供することはない。本発明者らは、新しく合成されたRNAを標識することにより、スプリットおよびプールインデックス付け、コンビナトリアルインデックス付け、または任意の単一細胞インデックス付け法を使用して、単一細胞レベルで全トランスクリプトームおよび新規合成トランスクリプトームの両方を捕捉できることを発見した。全トランスクリプトームと新しく合成されたRNAは、同じユニークインデックスまたはインデックスの組み合わせを受け入れることにより、現在の状態(既存など)および新しく合成された核酸を同じ細胞に割り当てることができる。この結果、内因性(例:細胞の内因性細胞周期プログラム)因子および外因性(例:治療薬などの外部刺激に対する細胞の応答)因子によって調節される細胞状態移行動態の特性評価が可能になる。さらに、いくつかの態様において、単一細胞レベルでの全トランスクリプトームおよび新規合成トランスクリプトームの両方の捕捉が、その過去の状態からの劣化トランスクリプトーム情報(過去の状態の記憶)と合わせて可能となる。各細胞の過去の状態の記憶は、2つ以上の時点の間におけるトランスクリプトーム動態によって各細胞について特性評価することができるように、mRNA分解率によって補正(記憶補正)できる。
一態様において、単離された核または細胞のプロセッシングを用いることにより、単離された核または細胞内のDNA核酸を核酸断片に断片化することができる(図1、ブロック14)。核酸の断片化は、本明細書に記載の方法を用いた配列決定に適した長さを有する分子を得るのに有用であることができる。配列決定される標的核酸が核または細胞に存在するDNAに由来する場合、プロセッシングが必要なものであることができる;しかしながら、いくつかの態様ではRNA分子が断片化される必要はないため、いくつかの態様において、配列決定される標的核酸が核または細胞に存在するRNA(例えば、mRNAおよび/または非コーディングRNA)に由来する場合、プロセッシングは任意である。他の態様では、RNA分子に由来する核酸は断片化されている。断片化は、本方法のどの段階でも行われることができる。例えば、図2に示す具体例となる方法には、核酸分子に2つのインデックスを付加した後の断片化が含まれる。
タグまたはバーコードとも呼ばれるインデックス配列は、特定の核酸が存在した区画に特徴的なマーカーとして有用である。したがって、インデックスは、特定の区画に存在する各標的核酸に結合している核酸配列タグであり、その存在は、本方法の特定の段階で単離された核または細胞の集団が存在していた区画を示すものであるか、または識別するために使用される。核酸断片へのインデックスの付加は、異なる区画に分配された単離された核または細胞のサブセットで達成される(図1、ブロック15;図2、ブロック24、26、および30;図3、ブロック33および37)。
一態様では、プロセッシング段階および/またはインデックス付け段階中におけるヌクレオチドの付加により、フラグメントの固定化および配列決定に有用なユニバーサル配列が付加される。別の態様では、インデックス付きの核酸断片をさらにプロセッシングして、核酸断片の固定化および配列決定に有用なユニバーサル配列を付加することができる。当業者であれば、区画が液滴である態様では、核酸断片を固定化するための配列は任意であることを認めるはずである。一態様では、断片の固定化および配列決定に有用なユニバーサル配列の組み込みには、同一のユニバーサルアダプター(「ミスマッチアダプター」とも呼ばれ、その一般的な特徴は、Gormleyら、米国特許第7,741,463号、およびBignellら、米国特許第8,053,192号に記載されている)をインデックス付けされた核酸断片の5’末端および3’末端にライゲーションすることが含まれる。一態様において、ユニバーサルアダプターは、アレイ上にインデックス付きの核酸断片を固定化するための配列を含む、配列決定に必要なすべての配列を含む。
1つ以上の供給源からのインデックス付き断片を基板に付着させる方法は、当技術分野で既知である。一態様において、インデックス付き断片を、該インデックス付き断片に対して特異性を有する複数の捕捉オリゴヌクレオチドを使用して濃縮し、捕捉オリゴヌクレオチドを固体基板の表面に固定化することができる。例えば、捕捉オリゴヌクレオチドは、ユニバーサル結合ペアの第1の構成員を含むことができ、結合ペアの第2の構成員は固体基板の表面に固定化される。同様に、固定化されたデュアルインデックス付き断片を増幅する方法には、ブリッジ増幅および速度論的排除が含まれるが、これらに限定されない。配列決定の前に固定化および増幅する方法は、例えば、Bignellら(米国特許第8,053,192号)、Gundersonら(国際公開第2016/130704号)、Shenら(米国特許第8,895,249号)、およびPipenburgら(米国特許第9,309,502号)に記載されている。
インデックス付き断片の表面への付着に続いて、固定化され、増幅されたインデックス付き断片の配列が決定される。配列決定は、任意の適切な配列決定技術を使用して実行することができ、鎖の再合成を含む固定化および増幅されたインデックス付き断片の配列を決定する方法は、当技術分野で既知であり、例えば、Bignellら(米国特許第8,053,192号)、Gundersonら(国際公開第2016/130704号)、Shenら(米国特許第8,895,249号)、およびPipenburgら(米国特許第9,309,502号)に記載されている。
態様1。複数の単一核または単一細胞からの核酸を含む配列決定ライブラリーを調製する方法であって、
(a)複数の核または細胞を第1の複数の区画に提供すること(ここで、各区画は、核または細胞のサブセットを含む);
(b)細胞または前記細胞から得られた核のサブセットにおいて新しく合成されたRNAを標識すること;
(c)核または細胞の各サブセットのRNA分子をプロセッシングして、インデックス付きの核または細胞を作製させること(ここで、前記プロセッシングは、核または細胞の各サブセットに存在するRNA核酸に第1の区画に固有のインデックス配列を付加して、インデックス付きの核または細胞に存在するインデックス付けされたDNA核酸をもたらし、前記プロセッシングは、ライゲーション、プライマー伸長、ハイブリダイゼーション、または増幅を含む);および
(d)インデックス付きの核または細胞を組み合わせて、プールされたインデックス付きの核または細胞を作製させること
を含む方法。
サブセットを逆転写酵素およびRNA核酸にアニーリングするプライマーと接触させることにより、前記プライマーおよび鋳型RNA分子の対応するDNAヌクレオチド配列を含む二本鎖DNA核酸を生成させること
を含む、態様1の方法。
(a)複数の核または細胞を複数の第1の区画に提供すること(ここで、各区画は、核または細胞のサブセットを含む);
(b)各サブセットを逆転写酵素および所定のRNA核酸にアニーリングするプライマーと接触させることにより、前記プライマーおよび鋳型RNA核酸の対応するDNAヌクレオチド配列を含む二本鎖DNA核酸を生じさせること;
(c)核または細胞の各サブセットのDNA分子をプロセッシングして、インデックス付きの核または細胞を作製させること(ここで、前記プロセッシングは、核または細胞の各サブセットに存在するDNA核酸に第1の区画に固有のインデックス配列を付加することにより、インデックス付きの核または細胞に存在するインデックス付けされた核酸を得て、前記プロセッシングは、ライゲーション、プライマー伸長、ハイブリダイゼーション、または増幅を含む);および
(d)インデックス付きの核または細胞を組み合わせて、プールされたインデックス付きの核または細胞を作製させること
を含む方法。
プールされたインデックス付きの核または細胞のサブセットを第2の複数の区画に分配し、核または細胞のサブセットに存在するインデックス付きの核酸に第2のインデックス配列を付加することにより、デュアルインデックス付きの核酸断片を含むデュアルインデックス付きの核または細胞を作製させること(ここで、前記付加は、ライゲーション、プライマー伸長、ハイブリダイゼーション、増幅、または転位を含む);および
デュアルインデックス付きの核または細胞を組み合わせて、プールされたデュアルインデックス付きの核または細胞を作製させること
をさらに含む、態様1〜25のいずれか1つの方法。
プールされたデュアルインデックス付きの核または細胞のサブセットを第3の複数の区画に分配し、核または細胞のサブセットに存在するインデックス付きの核酸に第3のインデックス配列を付加することにより、トリプルインデックス付きの核酸断片を含むトリプルインデックス付きの核または細胞を作製させること(ここで、前記付加は、ライゲーション、ハイブリダイゼーション、プライマー伸長、増幅、または転位を含む);
トリプルインデックス付きの核または細胞を組み合わせて、プールされたトリプルインデックス付きの核または細胞を作製させること
をさらに含む、態様1〜26のいずれか1つの方法。
複数の増幅部位を含む表面を提供すること(ここで、前記増幅部位は、遊離3’末端を有する結合した一本鎖捕捉オリゴヌクレオチドの少なくとも2つの集団を含む)、および
増幅部位を含む前記表面を、それぞれが複数のインデックスを含む個々の断片からアンプリコンのクローン集団を含む複数の増幅部位を製造するのに適した条件下で、1つ、2つ、または3つのインデックス配列を含む核酸断片と接触させること
をさらに含む、態様1〜40のいずれか1つの方法。
(a)複数の核または細胞を第1の複数の区画に提供すること(ここで、各区画は、核または細胞のサブセットを含む);
(b)各サブセットを逆転写酵素およびプライマーと接触させることにより、前記プライマーおよび鋳型RNA核酸の対応するDNAヌクレオチド配列を含む二本鎖DNA核酸を生じさせること;
(c)核または細胞の各サブセットにおけるDNA分子をプロセッシングして、インデックス付きの核または細胞を作製させること(ここで、前記プロセッシングは、核または細胞の各サブセットに存在するDNA核酸に第1の区画に固有のインデックス配列を付加することにより、インデックス付きの核または細胞に存在するインデックス付きの核酸を得て、前記プロセッシングは、ライゲーション、プライマー伸長、ハイブリダイゼーション、増幅、または転位を含む);
(d)前記インデックス付きの核または細胞を組み合わせて、プールされたインデックス付きの核または細胞を作製させること;
(e)前記プールされたインデックス付きの核または細胞を第2の複数の区画に分配すること(ここで、各区画は、核または細胞のサブセットを含む);
(f)核または細胞の各サブセット内のDNA分子をプロセッシングして、デュアルインデックス付きの核または細胞を作製させること(ここで、前記プロセッシングは、核または細胞の各サブセットに存在するDNA核酸に第2の区画に固有のインデックス配列を付加することにより、インデックス付きの核または細胞に存在するデュアルインデックス付きの核酸を得て、前記プロセッシングは、ライゲーション、プライマー伸長、ハイブリダイゼーション、増幅、または転位を含む);
(g)前記デュアルインデックス付きの核または細胞を組み合わせて、プールされたデュアルインデックス付きの核または細胞を作製させること;
(h)前記プールされたデュアルインデックス付きの核または細胞を第3の複数の区画に分配すること(ここで、各区画は、核または細胞のサブセットを含む);
(i)核または細胞の各サブセットのDNA分子をプロセッシングして、トリプルインデックス付きの核または細胞を作製させること(ここで、前記プロセッシングは、核または細胞の各サブセットに存在するDNA核酸に第3の区画に固有のインデックス配列を付加することにより、インデックス付きの核または細胞に存在するトリプルインデックス付きの核酸を生じさせ、前記プロセッシングは、ライゲーション、プライマー伸長、ハイブリダイゼーション、増幅、または転位を含む);および
(j)前記トリプルインデックス付きの核または細胞を組み合わせて、プールされたトリプルインデックス付きの核または細胞を作製させること
を含む方法。
(a)複数の核または細胞を提供すること;
(b)前記複数の核または細胞を逆転写酵素およびプライマーと接触させることにより、前記プライマーおよび鋳型RNA核酸の対応するDNAヌクレオチド配列を含む二本鎖DNA核酸を生じさせること;
(c)前記核または細胞を第1の複数の区画に分配すること(ここで、各区画は、核または細胞のサブセットを含む);
(d)核または細胞の各サブセットにおけるDNA分子をプロセッシングして、インデックス付きの核または細胞を作製させること(ここで、前記プロセッシングは、核または細胞の各サブセットに存在するDNA核酸に第1の区画に固有のインデックス配列を付加することにより、インデックス付きの核または細胞に存在するインデックス付きの核酸を生じさせ、前記プロセッシングは、ライゲーション、プライマー伸長、ハイブリダイゼーション、増幅、または転位を含む);
(e)前記インデックス付きの核または細胞を組み合わせて、プールされたインデックス付きの核または細胞を作製させること;
(f)前記プールされたインデックス付きの核または細胞を第2の複数の区画に分配すること(ここで、各区画は、核または細胞のサブセットを含む);
(g)核または細胞の各サブセットにおけるDNA分子をプロセッシングして、デュアルインデックス付きの核または細胞を作製させること(ここで、前記プロセッシングは、核または細胞の各サブセットに存在するDNA核酸に第2の区画に固有のインデックス配列を付加することにより、インデックス付きの核または細胞に存在するデュアルインデックス付きの核酸を得て、前記プロセッシングは、ライゲーション、プライマー伸長、ハイブリダイゼーション、増幅、または転位を含む);
(h)前記デュアルインデックス付きの核または細胞を組み合わせて、プールされたデュアルインデックス付きの核または細胞を作製すること;
(i)前記プールされたデュアルインデックス付きの核または細胞を第3の複数の区画に分配すること(ここで、各区画は、核または細胞のサブセットを含む);
(j)核または細胞の各サブセットのDNA分子をプロセッシングして、トリプルインデックス付きの核または細胞を作製すること(ここで、前記プロセッシングは、核または細胞のサブセットに存在するDNA核酸に第3の区画に固有のインデックス配列を付加することにより、インデックス付きの核または細胞に存在するトリプルインデックス付きの核酸を得て、前記プロセッシングは、ライゲーション、プライマー伸長、ハイブリダイゼーション、増幅、または転位を含む);および
(k)前記トリプルインデックス付きの核または細胞を組み合わせて、プールされたトリプルインデックス付きの核または細胞を作製すること
を含む、方法。
複数の増幅部位を含む表面を提供すること(ここで、前記増幅部位は、遊離3’末端を有する結合した一本鎖捕捉オリゴヌクレオチドの少なくとも2つの集団を含む)、および
前記増幅部位を含む表面を、各々が複数のインデックスを含む個々の断片からのアンプリコンのクローン集団を含む複数の増幅部位を生成させるのに適した条件下でトリプルインデックス付きの核酸断片と接触させること
をさらに含む、態様43〜76のいずれか1つの方法。
(a)複数の細胞から核を提供すること;
(b)核のサブセットを第1の複数の区画に分配し、各サブセットを逆転写酵素およびプライマーと接触させること(ここで、各区画の前記プライマーは、他の区画の第1のインデックス配列とは異なる第1のインデックス配列を含むことで、インデックス付きの核酸断片を含むインデックス付きの核を生成させる);
(c)前記インデックス付きの核を組み合わせて、プールされたインデックス付きの核を生成させること;
(d)前記プールされたインデックス付きの核のサブセットを第2の複数の区画に分配し、第1のインデックス配列を含むインデックス付きの核酸断片の末端へのヘアピンライゲーション二本鎖のライゲーションに適した条件下で各サブセットを前記ヘアピンライゲーション二本鎖と接触させることで、デュアルインデックス付きの核酸断片を含むデュアルインデックス付きの核を生成させること(ここで、前記ヘアピンライゲーション二本鎖は、他の区画の第2のインデックス配列とは異なる第2のインデックス配列を含む);
(e)前記デュアルインデックス付きの核を組み合わせて、プールされたデュアルインデックス付きの核を生成させる;
(f)前記プールされたデュアルインデックス付きの核のサブセットを第3の複数の区画に分配し、前記デュアルインデックス付きの核酸断片を第2鎖合成の条件にかけること;
(g)前記デュアルインデックス付きの核酸断片をトランスポソーム複合体と接触させること(ここで、各区画における前記トランスポソーム複合体は、トランスポザーゼおよびユニバーサル配列を含み、前記接触が、デュアルインデックス付きの核酸断片の断片化およびデュアルインデックス付きの核酸断片へのユニバーサル配列の組み込みに適した条件を含むことで、一方の端に第1および第2のインデックスを、他方の端にユニバーサル配列を含むデュアルインデックス付きの核酸断片を生成させる);
(h)各区画の前記デュアルインデックス付きの核酸断片に第3のインデックス配列を組み込むことで、トリプルインデックス断片を生成させること;および
(i)前記トリプルインデックス断片を組み合わせることにより、複数の単一細胞からのトランスクリプトーム核酸を含む配列決定ライブラリーを作製すること
を含む方法。
(a)複数の細胞からプールされた核を提供すること;
(b)前記プールされた核を逆転写酵素およびmRNAポリ(A)テイルにアニーリングするオリゴdT配列を含むプライマーと接触させることで、核酸断片を含むプールされた核を生成させること;
(c)前記プールされた核のサブセットを複数の区画に分配し、核酸断片の末端へのヘアピンライゲーション二本鎖のライゲーションに適した条件下で各サブセットを前記ヘアピンライゲーション二本鎖と接触させて、インデックス付きの核酸断片を含むインデックス付きの核を生成させること(ここで、前記ヘアピンライゲーション二本鎖は、他の区画のインデックス配列とは異なるインデックス配列を含む);
(d)前記インデックス付きの核を組み合わせて、プールされたインデックス付きの核を生成させること;
(e)前記プールされたインデックス付きの核のサブセットを第2の複数の区画に分配し、前記インデックス付きの核酸断片を第2鎖合成の条件にかけること;
(f)前記インデックス付きの核酸断片をトランスポソーム複合体と接触させること(ここで、各区画のトランスポソーム複合体は、トランスポザーゼおよびユニバーサル配列を含み、前記接触が、インデックス付きの核酸断片の断片化およびインデックス付きの核酸断片へのユニバーサル配列の組み込みに適した条件を含むことで、一端に前記インデックスを、他端に前記ユニバーサル配列を含むインデックス付きの核酸断片を生成させる);
(g)各区画のインデックス付きの核酸断片に第2のインデックス配列を組み込むことで、デュアルインデックス断片を生成させること;
(j)前記デュアルインデックス断片を組み合わせることにより、複数の単一細胞からのトランスクリプトーム核酸を含む配列決定ライブラリーを作製すること
を含む方法。
(a)液体窒素中で組織を急速凍結すること;
(b)前記組織のサイズを低減することで、加工された組織を得ること;および
(c)細胞溶解を促進し、1つ以上の外因性酵素の非存在下で核の完全性を保持する緩衝液中でインキュベートすることにより、前記の加工された組織から核を抽出すること
を含む方法。
(e)前記固定核を洗浄すること
をさらに含む、態様82または83の方法。
単一細胞解像度での哺乳類の器官形成の動的転写ランドスケープ
哺乳類の器官形成中に、3つの胚葉の細胞は、ほとんどの主要な内部器官および外部器官を含む胚に変容する。発達異常の鍵を握る調節因子はこの重要な時期に研究することができるが、現在の技術は、急速に多様化し拡大している数の細胞タイプの分子状態と軌跡の全体像を得るためのスループットと解像度に欠けている。本発明者らは、単一細胞解像度で器官形成中にマウスの発達の転写動態を調査することに着手した。改良された単一細胞コンビナトリアルインデックス付けベースのプロトコル(’sci−RNA−seq3’)を使用して、妊娠9.5日間から13.5日間において段階分けされた61個のマウス胚(E9.5からE13.5;1時点につき10〜15複製)に由来する200万個の細胞についてプロファイリングを行った。本発明者らは数百の拡大中、収縮中および一過性の細胞タイプを識別しているが、それらの多くはここで得られた細胞カバレッジの深度により検出されているに過ぎず、また、本発明者らは細胞タイプ特異的マーカー遺伝子の対応するセットを定義しており、それらのうちのいくつかについては全体マウントin situハイブリダイゼーションにより実証している。本発明者らは、外胚葉性頂堤、四肢間葉および骨格筋の集中的分析を含む、細胞タイプ内の経時的な増殖および遺伝子発現の動態を調査する。新しいアルゴリズムを使用して、本発明者らは、マウス器官形成の主要な単一細胞の発達軌跡を識別し、これらの中で、同じ終点に至る異なる経路、つまり分岐と収束の例を発見している。これらのデータは、哺乳類の発生生物学の基礎的なリソースを含み、研究団体による継続的な注釈を容易にする方法で利用可能となる。
哺乳類の器官形成は驚くべきプロセスである。短期間のうちに、3つの胚葉の細胞は、その主要な内部器官と外部器官のほとんどを含む適切な胚に変容する。非常に初期のヒト胚はin vitroで培養および研究することができるが1、ヒト胚発達の後期に対応する材料への接近は限られている。その結果、哺乳類の器官形成のほとんどの研究は、モデル生物、特にマウスに依存している。
sci−RNA−seq3を使用した、5つの発達段階にわたる61個のマウス胚からの200万個の細胞のプロファイリング
主要な細胞タイプを識別するために、本発明者らは、2,058,652個の単一細胞トランスクリプトーム(すなわち、完全に全時点からのすべての胚)をルーバンクラスタリングにかけ、40の異なる群を識別し、t−SNEの視覚化を行った(図8A)。心強いことに、本発明者らは、異なる時点に由来する細胞の間に明確な違いを観察しているが(図9A)、同じ時点の複製胚に由来する細胞は同様に分布している(図10)。これらの40のクラスターのそれぞれに固有の遺伝子セットに基づいて、公開されたマーカー遺伝子との比較により、細胞タイプの割り当てを手動でキュレートした(データは示さず)。37個のクラスターについて、本発明者らは、それらを正確に1つの文献で定義された細胞タイプに確実に割り当てることができたが、2つのクラスターはいずれも決定的な赤血球系統に対応していた。1つのクラスターは異常に高いUMIカウントを有していたが、強くクラスター特異的な遺伝子はなく、これは細胞ダブレットの技術的な人工物であってもよいことを示唆していた。決定的な赤血球系統クラスターをマージし、この推定ダブレットクラスターを破棄することにより、38の主要な細胞タイプが得られた(図8A)。多くのクラスターについて、非常に特異的なマーカー遺伝子により、細胞タイプの識別が簡単になった(図8B、図9B−図9C、データは示さず)。例えば、クラスター6(上皮細胞)は、十分に特性検定されたマーカー遺伝子EpcamおよびTrp6327、28を特異的に発現し、クラスター29(肝細胞)は、AfpおよびAlb発現12によって特異的にマークされた。高度に特殊化された細胞タイプに対応するものを含む、より小さなクラスターにも容易に注釈を付けることができた。例えば、TyrやTrpm1など、網膜の発達中に高度に発現される転写産物がクラスター36では豊富であり、これらがメラニン細胞であることを強く示唆していた29,30。クラスター37は、発達中の水晶体でのみ発現される転写産物が豊富であった。胚間葉および結合組織に対応するクラスターの場合、現在の文献で入手できる高度に特異的なマーカー遺伝子が少ないため、細胞タイプの識別はより困難であった。
詳細なサブタイプの注釈と探査で達成できることの例として、本発明者らは、上皮(クラスター6)、特に外胚葉性頂堤(サブクラスター6.25)に集中した。サブタイプ特異的マーカー遺伝子に基づいて、本発明者らは、29のサブタイプの上皮に注釈を付けた(クラスター6;図17A;図18A、データは示さず)。例えば、サブタイプ6.10の上皮細胞は、耳胞の上皮でのみ発現する遺伝子であるOc90によってマークされたが35、サブタイプ6.25の上皮細胞は、指の発達に関与する高度に特殊化された上皮である、外胚葉性頂堤(AER)に特異的である、十分に特性確認されたマーカー遺伝子Fgf8、Msx2 およびRspo2の発現増加を示した36。すべての上皮サブタイプについて、本発明者らは、これまでマーカーとして知られていなかった遺伝子を特定した。例えば、AERはまた、Fndc3a、Adamts3、Slc16a10、Snap91、およびPou6f2の発現によっても区別された。Fgf8(既知マーカー)およびFndc3a(新規マーカー)のホールマウントin situハイブリダイゼーション(WISH)により、両方の遺伝子がE10.5のAERを表す肢芽の最も遠位の先端に発現していることが確認された(図17B〜図17E)。
次に、本発明者らは、細胞タイプとサブタイプ間の移行を含む、哺乳類の発達のこの重要な時期に細胞タイプが通過する発達の軌跡を調査することにした。偽時的軌跡再構築のための最も現代的なアルゴリズムには、2つの大きな制限がある。第一に、前記アルゴリズムは、細胞が単一の連続多様体上に存在する、すなわち、細胞のサブセット間で不連続性がないと仮定する。しかしながら、初期の胚はE9.5から派生しているため、本発明者らのデータセットが少なくともいくつかの祖先の状態に対応する細胞を含むことはない。第二に、前記アルゴリズムでは、根底にある軌跡は、分岐点が運命決定に対応するツリーであると仮定する。しかしながら、一部の組織は、転写的に異なる系統、すなわち、1つまたはいくつかの分岐事象によって分離された軌跡の収束によってもたらされる、転写的に区別できない細胞を含むことが既知である。
次に、本発明者らは、全データセットにわたって主要な発達系統と細胞軌跡を特定しようとした。Monocle3は、サンプリングされた100,000個の高品質細胞(UMI>400)を、十分に分離された8つの系統に編成した(図24A、図25A)。38の主要な細胞タイプのほぼすべてが、これら8つの群の1つにほぼ排他的に分類される(図24B)。例外は、4つの最小クラスターのうちの3つ、単球/顆粒球(36細胞)、水晶体(125細胞)、および巨核球(287細胞)であり、おそらくそれらの数が少ないためであると思われる。最も複雑な2つの構造は、明らかに、全ての間葉系および筋肉の細胞タイプを含む間葉系軌跡(図24Aおよび図25Aの左)ならびに、脊索、神経管、始原および発達中の神経系およびグリアの細胞タイプを含む神経管/脊索軌跡(図24Aおよび図25Aの右)である。第1の神経堤軌跡(「神経堤1」)にはメラニン細胞とシュワン細胞前駆体が含まれ、第2の神経堤軌跡(「神経堤2」)は感覚ニューロンで構成されている。造血系軌跡には巨核球、赤血球およびリンパ球が含まれ、残りの3つの軌跡(肝臓、内皮、上皮)はそれぞれ単一の主要な細胞タイプに対応する。これらの各系統における1胚あたりの推定細胞数はE9.5〜E13.5で指数関数的に増加するが、その発達ウィンドウ中にその寄与をほぼ10倍に拡大する肝細胞を除き、それらの割合は比較的安定したままである(E9.5で0.3%から、E13.5で2.8%)(図25B〜図25C)。
図24に示されている軌跡、特により複雑な軌跡を構成する細胞タイプとサブタイプの関係を完全に解明するには、かなりのさらなる作業が必要である。可能であってもよいものの代表例として、本発明者らは、器官形成の開始前に形成される異なる中胚葉系統で構成される発達中の筋肉組織をより詳細に調査しようとした。例えば、外眼筋については前脊索中胚葉が寄与し、顔および顎の他のものは咽頭中胚葉によって生成される。骨格筋形成は、上流遺伝子の別個のセットによって活性化される筋原性調節因子(MRF)のコアセットによって推進される59。例えば、Pax3は体幹筋のMyod1を活性化するが、頭部ではPax3は不要であり、MRFはPitx2およびTbx1によって活性化される60〜62。Myod1またはMyf5はミオゲニンを活性化し、収縮性骨格筋に必要とされる多数の遺伝子の発現を推進する。本発明者らは、胚全体の規模で見た場合、筋原性軌跡は、筋管で共有されるコア遺伝子発現プログラムの活性化に対応する共通の経路に細胞を供給する複数のエントリポイントを特徴とするという仮説を立てた。
この研究では、本発明者らは、古典的な器官形成に対応する期間に焦点を合わせて、マウス胚全体の規模で単一細胞のトランスクリプトームをプロファイリングすることにより、哺乳類の発達の特性評価を行おうとした。sci−RNA−seq3を使用した1回の実験で61の個々の胚から2,000,000を超える細胞をプロファイリングすることにより、本発明者らはまた、小規模研究室向けの技術的フレームワークを提供し、前例のないスループットで単一細胞RNA−seqデータセットを生成させる。発達軌跡における分岐、収束、および不連続性を分解するために、本発明者らは、数百万個の細胞にスケーリングする軌跡推論についての新規アルゴリズムであるMonocle 3を提示する。
胚解剖
C57BL/6マウスは、The Jackson Laboratory(バーハーバー、ME)から入手し、プラグ交配を設定した。プラグ実施の日を、胚0.5日目(E)0.5とみなした。前述のように解剖を行い69、すべての胚を液体窒素で即座に急速凍結した。すべての動物の手順は、制度、州、および政府の規制(IACUCプロトコル4378−01)に従った。
E9.5〜E11.5マウス胚におけるmRNA発現について、クローン化遺伝子特異的プローブから転写されたジゴキシゲニン標識アンチセンスリボプローブ(PCR DIG Probe Synthesis Kit、Roche)を使用したホールマウントin situハイブリダイゼーション(WISH)により評価した。全胚を4%PFA/PBSで一晩固定した。胚をPBST(0.1%Tween)で洗浄し、25%、50%、75%メタノール/PBSTで段階的に脱水し、最終的に−20℃で100%メタノールに保存した。WISHプロトコルは次のとおりであった:1日目)胚を、逆メタノール/PBST段階で氷上にて再水和し、PBSTで洗浄し、6%H2O2/PBSTで1時間漂白し、PBSTで洗浄した。次に、胚を10μg/mlプロテイナーゼK/PBSTで3分間処理し、グリシン/PBSTでインキュベートし、PBSTで洗浄し、最後に4%PFA/PBS、0.2%グルタルアルデヒド、0.1%Tween 20で20分間再固定した。PBSTによるさらなる洗浄段階の後、胚を、L1緩衝液(DEPC中、50%脱イオン化ホルムアミド、5xSSC、1%SDS、0.1%Tween 20;pH4.5)中68℃で10分間インキュベートした。次に、胚をハイブリダイゼーション緩衝液1(0.1%tRNAおよび0.05%ヘパリンを含むL1)中68℃で2時間インキュベートした。その後、胚を68℃で一晩、ハイブリダイゼーション緩衝液2(0.1%tRNAおよび0.05%ヘパリンおよび1:500 DIGプローブを含むハイブリダイゼーション緩衝液1)でインキュベートした。2日目)非結合プローブの除去を、68℃でそれぞれ3x30分、L1、L2(50%脱イオン化ホルムアミド、2xSSC pH4.5、0.1%Tween 20、DEPC中;pH4.5)およびL3(2x SSC pH4.5、0.1%Tween 20、DEPC中;pH4.5)による一連の洗浄段階で行った。その後、胚をRNase溶液(0.1M NaCl、0.01M Tris pH 7.5、0.2%Tween 20、H2O中100μg/ml RNase A)で1時間処理した後、TBST 1(140mM NaCl、2.7mM KCl、25mM Tris−HCl、1%Tween 20;pH 7.5)で洗浄した。次に、胚をブロッキング溶液(2%ウシ血清および0.2%BSAを含むTBST 1)にてRTで2時間ブロックした後、1:5000抗ジゴキシゲニンAPを含むブロッキング溶液中4℃でインキュベートした。3日目)未結合抗体の除去を、TBST 2(0.1%Tween 20、および0.05%レバミソール/テトラミソールを含むTBST)にてRTで8×30分間、一連の洗浄段階で行い、4℃で一晩放置した。4日目)胚の染色は、RTでアルカリ性リン酸緩衝液(0.02M NaCl、0.05M MgCl2、0.1%Tween 20、0.1M Tris−HCl、および0.05%レバミゾール/テトラミソール、H2O中)により3回20分間洗浄し、続いてBMパープルAP基質(Roche)で染色することにより開始された。染色された胚を、Zeiss Discovery V.12顕微鏡とLeica DFC420デジタルカメラを使用して撮像した。
哺乳類細胞を全て、5%CO2、37℃で培養し、10%FBSおよび1X Pen/Strep(Gibcoカタログ番号15140122;100U/mlペニシリン、100μg/mlストレプトマイシン)が両方追加された、HEK293T細胞およびNIH/3T3細胞用の高グルコースDMEM(Gibcoカタログ番号11965)中で維持した。細胞を0.25%トリプシン(typsin)−EDTA(Gibcoカタログ番号25200−056)でトリプシン処理し、週に3回1:10に分割した。
バッチ効果を減らすために、異なる発達段階からのマウス胚を一緒に処理した。各マウス胚を、1mLの氷冷細胞溶解緩衝液(10mM Tris−HCl、pH7.4、10mM NaCl、3mM MgCl2および0.1%IGEPAL CA−630、70から、また1%SUPERase Inおよび1%BSAを含むように修飾)中で刃により小片に細分化し、40umセルストレーナー(Falcon)の上部に移した。組織を、4mlの細胞溶解緩衝液中のシリンジプランジャー(5ml、BD)のゴムチップで均質化した。次に、ろ過した核を新しい15mlチューブ(Falcon)に移し、500xgで5分間遠心分離してペレットにし、1mlの細胞溶解緩衝液で1回洗浄した。核を氷上で15分間、4mlの氷冷4%パラホルムアルデヒド(EMS)で固定した。固定後、核を1mlの核洗浄緩衝液(IGEPALを含まない細胞溶解緩衝液)で2回洗浄し、500ulの核洗浄緩衝液に再懸濁した。試料を2つのチューブに分割し、各チューブに250ulを入れ、液体窒素で急速凍結した。
解凍した核を、氷上で3分間0.2%tritonX−100(核洗浄緩衝液中)で透過処理し、核の凝集を減らすために短時間超音波処理(Diagenode、低電力モードで12秒)にかけた。次いで、核を核洗浄緩衝液で1回洗浄し、1ml Flowmiセルストレーナー(Flowmi)に通して濾過した。ろ過した核を500xgで5分間スピンダウンし、核洗浄緩衝液に再懸濁した。
ベースコールを、Illuminaのbcl2fastqを使用してfastq形式に変換し、デフォルト設定の最尤逆多重化パッケージdeML71を使用してPCR i5およびi7バーコードに基づいて逆多重化した。RTインデックスをヘアピンアダプターインデックスと組み合わせ、すなわち、RTインデックスとライゲーション(ED<2、挿入と削除を含む)の両方を使用してリードを逆多重化することにより、マッピングされたリードを構成細胞インデックスに分割したことを除いて、下流配列プロセッシングと単一細胞デジタル発現マトリックス生成はsci−RNA−seq19と同様であった。簡単に述べると、逆多重化されたリードを、RTインデックスとライゲーションインデックス(ED<2、挿入と削除を含む)に基づいてフィルタリングし、アダプターをデフォルト設定でtrim_galore/0.4.1を使用してクリップした。デフォルト設定および遺伝子注釈とともにSTAR/v 2.5.2b72を使用して、トリミングされたリードを、マウス胚核のマウス参照ゲノム(mm10)、またはHEK293TおよびNIH/3T3混合核のヒトhg19およびマウスmm10のキメラ参照ゲノムにマッピングした(ヒト用のGENCODE V19、マウス用のGENCODE VM11)。ユニークマッピングリードを抽出し、ユニーク分子識別子(UMI)配列、逆転写(RT)インデックス、ヘアピンライゲーションアダプターインデックスおよびリード2エンド座標を用いて重複を除去した(すなわち、同一のUMI、RTインデックス、ライゲーションアダプターインデックスおよびタグ付け部位は重複していると見なした)。最後に、RTインデックスおよびライゲーションヘアピン(ED<2、挿入および削除を含む)を使用してリードをさらに逆多重化することにより、マッピングされたリードを構成細胞インデックスに分割した。混合種の実験では、各種のゲノムのユニークマッピングリードのパーセンテージを計算した。1つの種に割り当てられたUMIの85%を超える細胞は種特異的細胞と見なされ、残りの細胞は混合細胞または「衝突」として分類された。デジタル発現マトリックスを生成するため、本発明者らは、Python HTseqパッケージ73を使用して、各遺伝子のエクソン領域およびイントロン領域にマッピングする各細胞の鎖固有のUMIの数を計算した。多重マッピングリードの場合、リードは最も近い遺伝子に割り当てられたが、交差する別の遺伝子が最も近い遺伝子の終わりまで100bp以内に収まる場合は例外で、その場合はリードは破棄された。ほとんどの分析について、本発明者らは、遺伝子ごとの単一細胞発現マトリックスに予想される鎖のイントロンとエクソンの両方のUMIを含めた。
単一細胞の遺伝子カウントマトリックスが生成された後、各細胞をRTバーコードに基づいて元のマウス胚に割り当てた。各胚へマッピングされるリードを集約して、各胚の「バルクRNA−seq」を生成した。胚の性別分離のために、本発明者らは、雌性特異的非コーディングRNA(Xist)遺伝子またはchr Y遺伝子(chr Xとchr Yの両方にある遺伝子Erdr1を除く)にマッピングされたリードを数えた。胚は、容易に雌性集団(より多くのリードがchr Y遺伝子よりもXist遺伝子にマッピングされる)と雄性集団(より多くのリードがXist遺伝子よりもchr Y遺伝子にマッピングされる)に分離された。
デジタル遺伝子発現マトリックスは、上記の生の配列決定データから構築された。UMIが200未満の細胞は破棄した。Monocle274およびPythonパッケージscanpy75を使用して、下流分析を実行した。簡単に述べると、クラスタリングと次元削減の前に、性染色体へマッピングされた遺伝子カウントを削除した。前処理段階は、scanpy75で「zheng17レシピ」関数(n_top__genes=2,000)によってZhengら22により使用されたアプローチに似ている。データの次元を、最初にPCA(30構成要素)、次にt−SNE、その後30の主成分で実行されたルーバンクラスタリング(解像度=1.5)によって削減した。40個のクラスターが特定された。次に、本発明者らは、各クラスターから1,000個の細胞をサンプリングし、Monocle274のDifferentialGeneTest関数を使用して、異なるクラスター間で差次的に発現される遺伝子を特定した。各クラスターに特異的な遺伝子は、以前同様に特定された76。クラスターは、クラスター特異的マーカーに基づいて既知の細胞タイプに割り当てられた(表1)。1つのクラスターは異常に高いUMIカウントを有していたが、クラスター特異的遺伝子は強くないことから、これは細胞ダブレットの技術的人工物であり、したがって除去されてもよいことを示唆している。別の2つのクラスターは両方とも決定的な赤血球系統に対応すると思われ、マージされる。各細胞タイプについての共通発現プロファイルを、76にあるように構築した。細胞タイプ特異的遺伝子マーカーを特定するために、本発明者らは、異なる細胞タイプ(5%のFDR、尤度比検定)で差次的に発現され、また、2番目の最大発現を有する他の細胞タイプと比較して少なくとも2倍増加を伴う各細胞タイプにおける最大発現を有する遺伝子を選択した。
AER細胞、前肢または後肢(hidnlimb)の偽時系列解析を、Monocle 274によって行った。簡単に述べると、Monocle274のDifferentialGeneTest機能を使用して、5つの発達段階にわたって差次的に発現される遺伝子が特定された。最小q値を有する上位500個の遺伝子を使用して、Monocle 274を用いて偽時間軌跡を構築し、細胞ごとのUMIカウントをツリー構築における共変量として使用した。各細胞には、軌跡ツリーに沿った位置に基づいて偽時間値を割り当てた。Monocle274のplot_genes_in_pseudotim関数によって、偽時間に沿って滑らかになった遺伝子マーカー発現の変化が生成された。軌跡内の細胞を、77と同じ方法でグループ分けした。簡単に述べると、偽時間軸(k=10)に沿ってクラスタリングするk−meansにより、まず偽時間における同様の位置で細胞をグループ分けした。これらのクラスターを、少なくとも50個かつ100個を超えない細胞を含むグループに細分化した。次に、本発明者らは、各グループ内の細胞のトランスクリプトームプロファイルを集約した。偽時間に沿った遺伝子発現を、77と同じアプローチで計算した。簡単に述べると、異なる処理条件にわたる有意差検定(5%のFDR)に合格した遺伝子を選択し、自然のスプラインを使用して、mean_number_genesを共変量として偽時間に沿った遺伝子発現に適合させた。各遺伝子の遺伝子発現から最低の発現を引き、それを最高の発現で割った。偽時間の初期の20%以内に最大発現を示す遺伝子は、活性化遺伝子として標識された。偽時間の最後の20%で最大発現を示す遺伝子は、抑制された遺伝子として標識された。他の遺伝子は一過性遺伝子として標識された。EnrichRパッケージ78を使用して、濃縮されたリアクトームターム(Reactome_2016)および転写因子(ChEA_2016)が特定された。
Monocle 3のワークフローは、細胞を潜在的に不連続な軌跡に編成する3つのコア段階、次いでそれらの軌跡にわたって発現が変化する遺伝子を見つけるための任意の統計テストにより構成される。Monocle 3には、3次元の軌跡を探索するのに役立つ視覚化ツールも含まれている。
Monocle 3は、最初にデータを低次元空間に投影し、これにより、細胞がトランスクリプトーム状態の間をどのように移行するかを説明する主グラフの学習が容易になる。Monocle3は、リーマン幾何学と代数トポロジーに基づいて最近提案されたアルゴリズムであるUMAPでこれを行い、次元削減とデータ視覚化79を実行する。その視覚化の品質は、単一細胞トランスクリプトミクスで広く使用されている一般的なt−SNE(t−確率的近傍埋め込み)方法と競合する。しかしながら、t−SNEが主に低次元空間の同じ領域に非常に類似した細胞を配置することを目的としている場合、UMAPの方は長距離の距離関係も保持する。また、UMAPアルゴリズム自体もより効率的である(UMAPのアルゴリズムの複雑さは、t−SNEの場合
最近、Wolfと同僚は、単一細胞トランスクリプトームデータを、発達的に互いに関連していてもよい細胞のクラスターを関連付ける「アブストラクト分割グラフ」(AGA)にまとめ上げるというアイデアを提案した。簡単に述べると、彼らのアルゴリズムは、細胞のk最近傍グラフを構築し、次いでCyTOFまたは単一セルRNA−seqデータを分析する従来の方法80と同様に、ルーバン法を介して細胞の「コミュニティ」を特定する。次いで、AGAは、頂点がルーバンコミュニティであるグラフを構築する。それぞれのコミュニティの細胞がkNNグラフの近傍のものである場合、単純な二項モデル81で予想されるよりも頻繁に2つの頂点がAGAグラフのエッジにリンクされる。同様の方法も最近開発され、ゼブラフィッシュとアフリカツメガエルの細胞アトラスデータセットの分析に適用された82、83。
Monocle 3は、データと同じ低次元空間に存在する主グラフを学習し、細胞が発達するにつれて採ることができる可能な経路を表示する。Monocle 3は、L1グラフアルゴリズム84の強化された実装を使用して、主グラフを学習する。Maoらは、L1グラフアプローチの2つのバージョンを報告した84。最初(「アルゴリズム1」)には、データセット内のすべての個々のデータポイントに関して最適化を行う。以前、本発明者らは、L1グラフを単一細胞RNA配列データに適用することはできるが、ダウンサンプリングに対してロバストではない非常にノイズの多いグラフを学習する傾向があり、このアプローチが数百細胞を超えるデータセットに有効にはスケーリングしないことを示した85。Qiuらでは、K−meansクラスタリングアルゴリズムを使用して「ランドマーク」データポイントのセットを最初に選択する「アルゴリズム2」を検討しなかった。次いで、アルゴリズムは、この非常に小さいデータのサンプルに対して最適化を行う。Monocle 3はこのアプローチを使用するもので、このアプローチは、UMAP空間にある細胞に適用すると、ロバストであり、かついくつかの重要な変更を加えることで数百万の細胞に合わせて調整することができる。
発達軌跡上で発現が変化する遺伝子を特定するために、空間データの分析で一般的に使用される統計的検定を借りる。Moran’s I統計は、多方向および多次元の空間自己相関の尺度である。この統計は、最近傍グラフを介してデータポイント間の空間的関係をエンコードするため、大規模な単一細胞RNA−seqデータセットの分析に特に適している。
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組織核の抽出と固定化の新しい手法(sc−RNA−seq)
試薬。BSA(分子生物学グレード、NEB、#B9000S);SuperRnase阻害剤(Thermo、#AM2696);EMS 157−4−100 4%パラホルムアルデヒド(ホルムアルデヒド)水溶液、EMグレード、100mL(Amazon)。
組織を1mLの氷冷細胞溶解緩衝液(10mM Tris−HCl、pH7.4、10mM NaCl、3mM MgCl2および0.1%IGEPAL CA−630、1%SUPERase Inおよび1%BSA)中で刃により小片に細分化し、40umセルストレーナー(Falcon)の上部に移した。
核を氷上で15分間、4mlの氷冷4%パラホルムアルデヒド(EMS)で固定した。
Sci−Fateによる単一細胞状態移行動態の特性評価
発達の美しさは、厳密に組織化された時間的順序での多様な細胞状態の生成にある。単一細胞ゲノム技術の増殖にもかかわらず、細胞状態移行動態を定量的に決定することは依然として困難である。ここで本発明者らは、数千の単一細胞のそれぞれで全トランスクリプトームおよび新しく合成されたトランスクリプトームの両方をプロファイリングするためのコンビナトリアルインデックス付け方式ハイスループットアッセイであるsci−fateを紹介する。概念実証として、本発明者らは、コルチゾール応答のモデル系にsci−fateを適用し、糖質コルチコイド受容体活性化時の既知の細胞周期動態と一致する、6,000を超える単一細胞状態移行事象にわたって特性評価を行った。その分析から、本発明者らは、細胞の状態移行の方向と確率が状態間距離と状態不安定性のランドスケープによって規制されていることを示した。この手法と計算アプローチは、細胞状態の動態を定量的に特性評価し、細胞運命決定の内部メカニズムを解読するために、他の生物系に容易に適用することができる。
sci−fateは次の段階に依存する(図30A):(i)最初に、新しく合成されたRNAを標識するために広く使用されているチミジン類似体である、4−チオウリジン(S4U)と細胞をインキュベートした(7−13)。(ii)細胞を採取し、4%パラホルムアルデヒドで固定した後、求核置換によりカルボキシアミドメチル基をS4Uに共有結合させるチオール(SH)結合アルキル化反応を行う(4)。(iii)4x96ウェルプレートの各ウェルに細胞をバルクで分配した。最初のRNA−seq分子インデックスは、ウェル固有のバーコードと縮重ユニーク分子識別子(UMI)の両方を保持するポリ(T)プライマーを使用したin situ逆転写(RT)により、各ウェルの細胞のmRNAに導入される。cDNA合成中、修飾S4Uで標識されたmRNAはチミンからシトシンへの(T>C)変換を模倣し、変異した第1鎖cDNAをもたらす。(iv)すべてのウェルからの細胞をプールし、次いで蛍光活性化細胞選別法(FACS)によって複数の96ウェルプレートに再分配する。細胞を、DAPI(4’,6−ジアミジノ−2−フェニルインドール)染色でゲーティングし、選別中に単一細胞をダブレットと区別する。二本鎖cDNAはRNA分解と第2鎖合成により生成され、Tn5による転位を受ける。次に、5’末端のTn5アダプターと3’末端のRTプライマーを認識するプライマーの組み合わせを使用して、ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)によりcDNAを増幅する。これらのプライマーには、第2のRNA−seq分子インデックスを導入する十分に特異的なバーコードも付いている。(v)PCRからのアンプリコンをプールし、超並列配列決定にかける。他の「sci−」プロトコル(14〜21)と同様に、ほとんどの核はウェルのユニークな組み合わせを通過するため、各細胞の内容物は、同じ細胞に由来するリードをグループ分けするのに使用できるバーコードのユニークな組み合わせでマークされる。全トランスクリプトームから新しく合成されたmRNAは、バックグラウンドエラーを補正した「T>C」変換(方法)によって特定される。
次に、本発明者らはコルチゾール応答のモデルにsci−fateを適用したが、コルチゾールの合成模倣物であるデキサメタゾン(DEX)は、糖質コルチコイド受容体(GR)を活性化し、これがゲノム全体における数千の場所に結合し、細胞状態を短期間のうちに著しく変えてしまう(22〜25)。本発明者らは、肺腺がん由来のA549細胞を0時間、2時間、4時間、6時間、8時間、または10時間100nM DEXで処理した。各条件において、384x192ウェルのsci−fateについての採取前の最後の2時間、細胞をS4U(200nM)とインキュベートした(図30B)。6つの条件は、各細胞の第1のインデックスに基づいて処理条件を回復できるように、インデックス付けの最初のラウンド中に64のウェルでそれぞれ提示された。
次に、本発明者らは、細胞状態の移行を推進するTFモジュールの特性評価を試みた。転写因子(TF)とその調節遺伝子間のリンクは、2つの段階で特定された:各遺伝子について、本発明者らは、LASSO(最小絶対収縮および選択演算子)を使用して、過去2時間のmRNA合成率と6,000を超える細胞のTF発現レベルとの相関を計算した。これらの特定されたリンクは、公開されたCHIP−seqデータ(28)またはモチーフ濃縮分析(29)(方法)によってさらにフィルタリングされた。合計で、TF遺伝子の共分散に基づき、DNA結合データによって検証された29のTFと532の遺伝子(図33A、表S1)の間で986のリンクを特定した。リンクが正則化回帰のアーティファクトである可能性を評価するために、TF発現マトリックスのサンプルIDを並べ替え、同じ分析を実行した。この並べ替えの後、リンクは特定されなかった。
各細胞について特性評価された全トランスクリプトームと新しく合成されたトランスクリプトームの両方で、本発明者らは、S4U標識前の単一細胞トランスクリプトームの状態を推測することができる(図36A)。過去の細胞トランスクリプトームの回復は、2つのパラメータ:sci−fateで新たに合成されたリードの検出率、および各mRNAの分解速度(または半減期)に左右される(方法)。2つのパラメータは、両方ともsci−fateにおける同じ実験から推定することができる。
細胞状態移行確率を調節する因子の特性評価を行うために、本発明者らはまず、各状態ペア間の集約トランスクリプトーム(全体および新しく合成された)のピアソンの距離によって、細胞状態距離を計算した。予想どおり、細胞状態の移行確率は移行距離と負の相関がある(スピアマンの相関係数=−0.38、図39A)。本発明者らはまた、2時間以内に状態の移行を示す細胞の割合によって定義される状態の不安定性も計算した(図39B)。状態の不安定性のランドスケープは、細胞の移行方向と十分に一致する(図39B):GR応答の無い状態は、高いGR応答状態と比較して高い不安定性を示す。高いGR応答状態では、初期G1期の細胞は最も不安定性が低く、G1/S中間状態の細胞は高い不安定なピークを示し、後期DEX処理におけるG1期停止と一致する。
ここで本発明者らは、全トランスクリプトームレベルで細胞状態移行の動態の特性評価を行う最初の戦略を開発した。この戦略は、数千個の細胞で全トランスクリプトームと新規合成トランスクリプトームの両方をプロファイリングできる、新規のコンビナトリアルインデックス付けベースの高スループット単一細胞RNA−seq手法であるsci−fateに依存している。他の「Sci−」技術と同様に、Sci−fateは、数百万個の細胞に容易に拡大でき(39)、トランスクリプトームとエピゲノムの両方のプロファイリングと潜在的に適合性がある(40)。これにより、何百もの細胞タイプへの実際の細胞移行経路がまだ不明である非常に複雑な系(すなわち、胚全体の発達)で、sci−fateが細胞状態の動態の特性評価を行うことが可能となる。さらに本発明者らは、計算パイプラインを開発して、新たに合成されたRNA捕捉率と遺伝子分解率をsci−fateデータ(記憶補正)から推定し、各時点で共有された過去および現在のトランスクリプトーム状態によってリンクされた各単一細胞の数千の示差的軌跡を推測する。
哺乳類細胞培養
すべての哺乳類細胞を、5%CO2、37℃で培養し、HEK293T細胞およびNIH/3T3細胞の場合は高グルコースDMEM培地(Gibco カタログ番号11965)、A549細胞の場合はDMEM/F12培地で、両方とも10%FBSおよび1X Pen/Strep(Gibcoカタログ番号15140122;100U/mlペニシリン、100g/mlストレプトマイシン)を補って維持した。細胞を0.25%トリプシン(typsin)−EDTA(Gibcoカタログ番号25200−056)でトリプシン処理し、週に3回1:10に分割した。
A549細胞を100nM DEXで0時間、2時間、4時間、6時間、8時間および10時間処理した。すべての処理条件での細胞を、細胞採取の前の最後の2時間、200uM S4Uとインキュベートした。HEK293T細胞およびNIH/3T3細胞については、細胞を採取する前に、細胞を200uM S4Uとともに6時間インキュベートした。
単一細胞RNA−seqのためのリードアラインメントと遺伝子カウントマトリックスの生成を、僅かな修正を加えたsci−RNA−seq(48)用に開発したパイプラインを使用して実行した。まず、リードをSTAR/v2.5.2b(49)により参照ゲノムにマッピングし、ヒトの場合はGENCODE V19、およびマウスの場合はGENCODE VM11からの遺伝子注釈を付けた。HEK293T細胞およびNIH/3T3細胞を使用した実験において、本発明者らは、ヒト(hg19)とおよびマウス(mm10)の両方の染色体を組み合わせたインデックスを使用した。A549実験では、本発明者らは、ヒトゲノムビルドhg19を使用した。
本発明者らは、TFと調節された遺伝子との間のリンクをそれらの共分散に基づいて特定することを目指した。10,000を超えるUMIが検出された細胞、およびすべての細胞の10%超で新規合成リードが検出された遺伝子を選択した。完全な遺伝子発現と1細胞あたりの新たに合成された遺伝子カウントは、Monocle 3(56、57)のestimateSizeFactorsによって完全な遺伝子発現マトリックスで計算された細胞特異的ライブラリーサイズ係数によって正規化され、対数変換され、中央に配置され、次いでRのスケーリング()関数によりスケーリングされた。検出された各遺伝子について、下記のモデルを適合させることにより、パッケージRcisTarget(29)からの「motifAnnotations_hgnc」データに注釈が付けられた853のTFの正規化された発現に基づいて、パッケージglmnet(58)でLASSO回帰モデルが構築され、正規化発現レベルが予測された:
各細胞におけるTF活性を計算するために、標的TFモジュール内の遺伝子についての新しく合成されたUMIカウントは、ライブラリーサイズによってスケーリングされ、対数変換され、集約され、次いでZスコアにマッピングされた。高度に相関した、または反相関した活性を伴うTFは、それらがリンクされた生物学的プロセスで機能してもよいことを示唆するため、本発明者らは、TF活性の各ペア間のピアソンの絶対相関係数を計算し、これに基づいて、パッケージpheatmap/1.0.12(60)におけるward.d2クラスタリング方法によりTFをクラスター化した。5つの機能的TFモジュールが特定され、それらの機能に基づいて注釈が付けられた。
過去のトランスクリプトーム状態(S4U標識付け前の細胞状態)を識別するため、本発明者らは、mRNAの半減期がさまざまなDEX処理(treatmentment)条件にわたって安定していると想定している。この仮定は、後で自己整合性チェックによってさらに検証される。この仮定の下では、2時間のS4U標識前の部分的に分解されたバルクトランスクリプトームは、無DEX処理細胞と2時間のDEX処理細胞との間で同じであるべきである。したがって、全トランスクリプトーム(バルク)の差異は、テクニック検出率によって修正された、新しく合成されたトランスクリプトーム(バルク)の差異と等しいはずである:
リンケージ解析により、本発明者らは、同じ細胞軌跡でリンクされた親細胞および子細胞を特定することを目指している。技術的には、t1での細胞について、本発明者らは、過去の状態のトランスクリプトーム状態(S4U標識付け前、本発明者らの実験ではt1の2時間前)を1つの群1として、t0の完全トランスクリプトーム状態(t1の2時間前)を別の群2として組み合わせる。明らかな細胞アポトーシスがないと仮定すると、これらの2つの群は類似した細胞状態分布を有するべきである。本発明者らは、多様体アライメント戦略を適用して、共通の変動要因に基づいて、2つのデータセット間の共通の細胞状態を特定した(27)。この解析は、各細胞(開始時点と終了時点の細胞を除く)の過去と現在の状態が包括的に検出されるという別の仮定に基づくもので、これは、6,000を超える細胞(1条件につき1,000を超える細胞)または細胞周期中1分未満で1細胞がプロファイリングされているため、本発明者らのデータセットに当てはまる。パイプラインの結果として、t0からの細胞状態とt1からの過去の細胞状態が同じUMAP空間で整列した形となる。上記の仮定に違反するものは、2つのデータセットの整列中に外れ値によって検出することができる。t1における各細胞Aについて、本発明者らは、アライメントUMAP空間における親状態としてt0における最も近い隣接細胞を選択した。同様に、t0における各細胞について、本発明者らは、その子細胞状態としてt1における最も近い隣接細胞を選択した。注目すべきは、リンクが双方向である必要はないことである:1つの細胞の親状態は、異なる子細胞にリンクされていてもよい。親状態と子状態が各細胞(0時間と10時間での細胞を除く)について識別されたため、本発明者らは、各細胞の親のリンクされた親細胞と、同様に各細胞の子のリンクされた子細胞を特定した。したがって、各単一細胞について、10時間にわたる5つの時点すべてにわたる単一細胞状態移行経路によって特性評価を行うことができる。複数の細胞(>50)が各細胞状態でプロファイリングされるため、確率的な細胞状態移行プロセスも捉えることもできる。
単一細胞トランスクリプトーム動態での次元削減のために、完全なトランスクリプトームの上位5つのPCおよび新しく合成されたトランスクリプトームの上位5つのPCを各状態に対して選択し、UMAP解析の単一細胞状態の軌跡に沿って時間順に結合させた。主要な細胞軌跡タイプは、密度ピーククラスタリングアルゴリズムによって特定された(61)。
細胞状態の不安定性は、2時間後に各状態が他の状態に移行する確率として定義される。細胞状態の距離を計算するために、本発明者らは、まず各状態で等しい数(n=50)の細胞をサンプリングし、状態内のすべての細胞の完全なトランスクリプトームと新しく合成されたトランスクリプトームを集約した。各細胞の状態については、全トランスクリプトームと新しく合成されたトランスクリプトームを組み合わせた結合情報によって定義することができる。細胞状態距離は、2つの状態の間における結合情報のピアソンの相関係数として計算される。
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マルチプレックス転写物捕捉
ほとんどの単一細胞RNA配列決定法は、1細胞あたり15,000から50,000のユニークリードのカバレッジで飽和するが(Ziegenhainら、2017)、単一細胞の総mRNA含有量は50,000分子から300,000分子の範囲であることができる(Marinovら、2014)。さらに、これらの方法のほとんどは逆転写(RT)にオリゴ(dT)プライミングを使用し、RNAの3’末端での配列決定に焦点を当てている。すなわち、これらの方法では、所定の転写物の存在量の変化を検出する能力が限られている。多数の細胞のプロファイルを作成した最近の研究(Gasperiniら、2019;Caoら、2019)では、非常に高い配列決定深度が必要とされた:これらの研究で使用されるIllumina NovaSeqの実行にはそれぞれ30,000ドルの費用がかかるため、かかる実験はほとんどのグループにとって全く手が届くものではない。
1.標的とされている遺伝子から全エクソンについての配列を収集。
考えられるところでは、RNA−seqライブラリー生成プロトコル中におけるいくつかの段階で、マルチプレックス標的捕捉を行うことができる。しかしながら、本発明者らは、逆転写が最も簡単に並列化できると考えている。高度のマルチプレックスPCR反応は、正常に実行することが非常に困難である。PCR反応には、多くの(10〜20)サイクルが含まれる。これは、オフターゲットアニーリングの問題が、所望の標的の成長を上回ることが多い、これらのサイクルを通した指数関数的な成長の後に悪化することを意味する。マルチプレックスPCRでは、各標的に2つの特異的PCRプライマーが与えられる。目標は、これら2つのプライマーが標的のみを特異的に増幅させることである。しかしながら、プライマーの大きなプールでは、プール内の他のプライマーにアニーリングするいくつかの組み合わせが存在することになる。プライマーの濃度は鋳型分子の濃度よりもはるかに高いため、これらのプライマー二量体はPCRの終了までにプールの大半を占めることになる。高度に多重化されたPCRが実行不可能であることは、エクソーム配列決定法などの多くの標的化増幅プロトコルが、分子内反転プローブを利用して標的を捕捉することが多い理由である(Hiattら、2013)。かかるプロトコルでは、プローブと標的との間における単一のアニーリング段階を通じて標的の特異性が達成される。標的特異的プローブはPCRハンドルを付加し、次いで標的の一般的なPCR増幅で使用される。単一細胞コンビナトリアルインデックス付け方法は、ライブラリー生成中におけるいくつかの段階でのインデックス付けに依存している:cDNAから標的を捕捉するための反転プローブ法では、十分なインデックス付け段階が行えない。
図40〜図42に示すすべての結果は、K562細胞におけるLMO2遺伝子座の遺伝子を標的とするRTプライマーのプールを使用して作製されたバルク(単一細胞コンビナトリアルインデックス付け無し)in situ(すべての段階はパラホルムアルデヒド固定核で実行)ライブラリーからのものである。
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Claims (86)
- 複数の単一核または単一細胞からの核酸を含む配列決定ライブラリーを調製する方法であって、
(a)複数の核または細胞を第1の複数の区画に提供すること、
ここで、各区画は、核または細胞のサブセットを含み;
(b)細胞または前記細胞から得られた核のサブセットにおいて新しく合成されたRNAを標識すること;
(c)核または細胞の各サブセットのRNA分子をプロセッシングして、インデックス付きの核または細胞を作製させること、
ここで、前記プロセッシングは、核または細胞の各サブセットに存在するRNA核酸に第1の区画に固有のインデックス配列を付加して、インデックス付きの核または細胞に存在するインデックス付けされたDNA核酸をもたらし、
前記プロセッシングは、ライゲーション、プライマー伸長、ハイブリダイゼーション、または増幅を含み;および
(d)前記インデックス付きの核または細胞を組み合わせて、プールされたインデックス付きの核または細胞を作製させること
を含む、方法。 - 前記プロセッシングが:
サブセットを逆転写酵素およびRNA核酸にアニーリングするプライマーと接触させることにより、前記プライマーおよび鋳型RNA分子の対応するDNAヌクレオチド配列を含む二本鎖DNA核酸を生成させること
を含む、請求項1に記載の方法。 - 前記プライマーが、mRNAポリ(A)テイルにアニーリングするポリTヌクレオチド配列を含む、請求項2に記載の方法。
- 前記プロセッシングが、サブセットを第2のプライマーと接触させることをさらに含み、前記第2のプライマーが所定のDNA核酸にアニーリングする配列を含む、請求項3に記載の方法。
- 前記第2のプライマーが区画に固有のインデックスを含む、請求項4に記載の方法。
- 前記プライマーが、所定のRNA核酸にアニーリングする配列を含む、請求項2に記載の方法。
- 前記方法が、同じ所定のRNA核酸の異なるヌクレオチドにアニーリングする異なる区画にプライマーを含む、請求項6に記載の方法。
- 前記プライマーが鋳型スイッチプライマーを含む、請求項2に記載の方法。
- 第1の区画に固有のインデックス配列を付加する前記プロセッシングが、ユニバーサル配列を含むヌクレオチド配列を前記RNA核酸に付加することによりDNA核酸を得、次いで、前記第1の区画に固有のインデックス配列を前記DNA核酸に付加するという2段階プロセスを含む、請求項1に記載の方法。
- 複数の単一核または単一細胞からの核酸を含む配列決定ライブラリーを調製する方法であって、
(a)複数の核または細胞を第1の複数の区画に提供すること、
ここで、各区画は、核または細胞のサブセットを含み;
(b)各サブセットを逆転写酵素および所定のRNA核酸にアニーリングするプライマーと接触させることにより、前記プライマーおよび鋳型RNA核酸の対応するDNAヌクレオチド配列を含む二本鎖DNA核酸を生じさせること;
(c)核または細胞の各サブセットのDNA分子をプロセッシングして、インデックス付きの核または細胞を作製させること、
ここで、前記プロセッシングは、核または細胞の各サブセットに存在するDNA核酸に第1の区画に固有のインデックス配列を付加することにより、インデックス付きの核または細胞に存在するインデックス付けされた核酸を得て、前記プロセッシングは、ライゲーション、プライマー伸長、ハイブリダイゼーション、または増幅を含み;および
(d)前記インデックス付きの核または細胞を組み合わせて、プールされたインデックス付きの核または細胞を作製させること
を含む、方法。 - 前記プライマーが前記第1の区画に固有のインデックス配列を含む、請求項10に記載の方法。
- 前記接触の前に、細胞または前記細胞から得られた核の前記サブセットにおける新たに合成されたRNAを標識することをさらに含む、請求項10に記載の方法。
- 前記第1区画に固有のインデックス配列を付加するプロセッシングが、ユニバーサル配列を含むヌクレオチド配列を前記核酸に付加し、次いで前記第1区画に固有のインデックス配列を前記核酸に付加するという2段階プロセスを含む、請求項10に記載の方法。
- 前記所定のRNA核酸がmRNAである、請求項6または10に記載の方法。
- 既存のRNA核酸および新たに合成されたRNA核酸が同じ区画内において同じインデックスで標識される、請求項1または12に記載の方法。
- 前記標識することが、ヌクレオチド標識を含む組成物において複数の核または細胞をインキュベートすることを含み、前記ヌクレオチド標識が前記新たに合成されたRNAに組み込まれる、請求項1または12に記載の方法。
- 前記ヌクレオチド標識が、ヌクレオチド類似体、ハプテン標識ヌクレオチド、変異誘発性ヌクレオチド、または化学反応により修飾することができるヌクレオチドを含む、請求項16に記載の方法。
- 2以上のヌクレオチド標識が前記新たに合成されたRNAに組み込まれる、請求項16に記載の方法。
- 1つまたは複数の前記ヌクレオチド標識の比率が、異なる区画または時点の場合には異なる、請求項18に記載の方法。
- 前記標識することの前に、核または細胞のサブセットを所定の条件に曝露することをさらに含む、請求項1または12に記載の方法。
- 前記所定の条件が、作用物質への曝露を含む、請求項20に記載の方法。
- 前記作用物質が、タンパク質、非リボソームタンパク質、ポリケチド、有機分子、無機分子、RNAもしくはRNAi分子、炭水化物、糖タンパク質、核酸、またはそれらの組み合わせを含む、請求項21に記載の方法。
- 前記作用物質が治療薬を含む、請求項21に記載の方法。
- 2つ以上の区画の前記所定の条件が異なる、請求項20に記載の方法。
- 前記曝露することおよび前記標識することが同時に起こるか、または前記曝露することが前記標識することの前に起こる、請求項20に記載の方法。
- 前記プールされたインデックス付きの核または細胞のサブセットを第2の複数の区画に分配し、核または細胞のサブセットに存在するインデックス付きの核酸に第2のインデックス配列を付加することにより、デュアルインデックス付きの核酸断片を含むデュアルインデックス付きの核または細胞を作製させること、ここで、前記付加することは、ライゲーション、プライマー伸長、ハイブリダイゼーション、増幅、または転位を含み;および
前記デュアルインデックス付きの核または細胞を組み合わせて、プールされたデュアルインデックス付きの核または細胞を作製させること
をさらに含む、請求項1または10に記載の方法。 - 前記プールされたデュアルインデックス付きの核または細胞のサブセットを第3の複数の区画に分配し、核または細胞のサブセットに存在するインデックス付きの核酸に第3のインデックス配列を付加することにより、トリプルインデックス付きの核酸断片を含むトリプルインデックス付きの核または細胞を作製させること、ここで、前記付加することは、ライゲーション、ハイブリダイゼーション、プライマー伸長、増幅、または転位を含み;
前記トリプルインデックス付きの核または細胞を組み合わせて、プールされたトリプルインデックス付きの核または細胞を作製させること
をさらに含む、請求項26に記載の方法。 - 分配することが希釈を含む、請求項26または27に記載の方法。
- 分配することが選別することを含む、請求項26または27に記載の方法。
- 前記付加することが、1つまたは2つのインデックス配列を含む核酸断片の末端へのヘアピンライゲーション二本鎖のライゲーションに適した条件下でサブセットを前記ヘアピンライゲーション二本鎖と接触させることを含む、請求項26または27に記載の方法。
- 前記付加することが、1つ以上のインデックス配列を含む核酸断片をトランスポソーム複合体と接触させることを含み、区画内の前記トランスポソーム複合体が、トランスポザーゼおよびユニバーサル配列を含むものとし、前記接触させることは、前記核酸断片の断片化および核酸断片への前記ユニバーサル配列の組み込みに適した条件をさらに含むものとする、請求項26または27に記載の方法。
- 前記付加することが前記第1の区画に固有のインデックス配列のライゲーションを含み、第2のインデックス配列を付加することにより、デュアルインデックス付きの核酸断片を含むデュアルインデックス付きの核または細胞を作製させることをさらに含み、前記付加することは転位を含むものとする、請求項1または10に記載の方法。
- 前記付加することが、前記第2の区画に固有のインデックス配列のライゲーションを含み、第3のインデックス配列を付加することにより、トリプルインデックス核酸断片を含むトリプルインデックス付きの核または細胞を作製させることをさらに含み、前記付加することは転位を含むものとする、請求項26に記載の方法。
- 前記区画がウェルまたは液滴を含む、請求項1、26または27に記載の方法。
- 前記第1の複数の区画の区画が、50個から100,000,000個の核または細胞を含む、請求項1、26または27に記載の方法。
- 前記第2の複数の区画の区画が、50個から100,000,000個の核または細胞を含む、請求項26に記載の方法。
- 前記第3の複数の区画の区画が、50個から100,000,000個の核または細胞を含む、請求項27に記載の方法。
- プールされたインデックス付きの核または細胞からインデックス付きの核酸を得ることにより、複数の核または細胞から配列決定ライブラリーを作製することをさらに含む、請求項1または10に記載の方法。
- 前記プールされたデュアルインデックス付きの核または細胞から前記デュアルインデックス付きの核酸を得ることにより、前記複数の核または細胞から配列決定ライブラリーを作製することをさらに含む、請求項26に記載の方法。
- 前記プールされたトリプルインデックス付きの核または細胞から前記トリプルインデックス付きの核酸を得ることにより、前記複数の核または細胞から配列決定ライブラリーを作製することをさらに含む、請求項27に記載の方法。
- 複数の増幅部位を含む表面を提供すること、
ただし、前記増幅部位は、遊離3’末端を有する結合した一本鎖捕捉オリゴヌクレオチドの少なくとも2つの集団を含むものとし、および
前記増幅部位を含む表面を、それぞれが複数のインデックスを含む個々の断片からアンプリコンのクローン集団を含む複数の増幅部位を製造するのに適した条件下で、1つ、2つまたは3つのインデックス配列を含む核酸断片と接触させること
をさらに含む、請求項1から33のいずれか一項に記載の方法。 - 前記区画に固有のインデックス配列を付加することが、ユニバーサル配列を含むヌクレオチド配列を前記核酸に付加し、次いで前記区画に固有のインデックス配列を前記核酸に付加するという2段階プロセスを含む、請求項26または27に記載の方法。
- 複数の単一核または単一細胞からの核酸を含む配列決定ライブラリーを調製する方法であって:
(a)複数の核または細胞を第1の複数の区画に提供すること、
ここで、各区画は、核または細胞のサブセットを含み;
(b)各サブセットを逆転写酵素およびプライマーと接触させることにより、前記プライマーおよび鋳型RNA核酸の対応するDNAヌクレオチド配列を含む二本鎖DNA核酸を生じさせること;
(c)核または細胞の各サブセットにおけるDNA分子をプロセッシングして、インデックス付きの核または細胞を作製させること、
ここで、前記プロセッシングは、核または細胞の各サブセットに存在するDNA核酸に第1の区画に固有のインデックス配列を付加することにより、インデックス付きの核または細胞に存在するインデックス付きの核酸を得て、
前記プロセッシングは、ライゲーション、プライマー伸長、ハイブリダイゼーション、増幅、または転位を含み;および
(d)前記インデックス付きの核または細胞を組み合わせて、プールされたインデックス付きの核または細胞を作製させること;
(e)前記プールされたインデックス付きの核または細胞を第2の複数の区画に分配すること、
ここで、各区画は、核または細胞のサブセットを含み;
(f)核または細胞の各サブセット内のDNA分子をプロセッシングして、デュアルインデックス付きの核または細胞を作製させること、
ここで、前記プロセッシングは、核または細胞の各サブセットに存在するDNA核酸に第2の区画に固有のインデックス配列を付加することにより、インデックス付きの核または細胞に存在するデュアルインデックス付きの核酸を得で、
前記プロセッシングは、ライゲーション、プライマー伸長、ハイブリダイゼーション、増幅、または転位を含み;および
(g)前記デュアルインデックス付きの核または細胞を組み合わせて、プールされたデュアルインデックス付きの核または細胞を作製させること;
(h)前記プールされたデュアルインデックス付きの核または細胞を第3の複数の区画に分配すること、
ここで、各区画は、核または細胞のサブセットを含み;
(i)核または細胞の各サブセットのDNA分子をプロセッシングして、トリプルインデックス付きの核または細胞を作製させること、
ここで、前記プロセッシングは、核または細胞の各サブセットに存在するDNA核酸に第3の区画に固有のインデックス配列を付加することにより、インデックス付きの核または細胞に存在するトリプルインデックス付きの核酸を生じさせ、
前記プロセッシングは、ライゲーション、プライマー伸長、ハイブリダイゼーション、増幅、または転位を含み;および
(j)前記トリプルインデックス付きの核または細胞を組み合わせて、プールされたトリプルインデックス付きの核または細胞を作製させること
を含む、方法。 - 複数の単一核または単一細胞からの核酸を含む配列決定ライブラリーを調製する方法であって、
(a)複数の核または細胞を提供すること;
(b)前記複数の核または細胞を逆転写酵素およびプライマーと接触させることにより、前記プライマーおよび鋳型RNA核酸の対応するDNAヌクレオチド配列を含む二本鎖DNA核酸を生じさせること;
(c)前記核または細胞を第1の複数の区画に分配すること、
ただし、各区画は、核または細胞のサブセットを含むものとする;
(d)核または細胞の各サブセットにおけるDNA分子をプロセッシングして、インデックス付きの核または細胞を作製させること、
ここで、前記プロセッシングは、核または細胞の各サブセットに存在するDNA核酸に第1の区画に固有のインデックス配列を付加することにより、インデックス付きの核または細胞に存在するインデックス付きの核酸を生じさせ、
前記プロセッシングは、ライゲーション、プライマー伸長、ハイブリダイゼーション、増幅、または転位を含み;および
(e)前記インデックス付きの核または細胞を組み合わせて、プールされたインデックス付きの核または細胞を作製させること;
(f)前記プールされたインデックス付きの核または細胞を第2の複数の区画に分配すること、
ここで、各区画は、核または細胞のサブセットを含み;
(g)核または細胞の各サブセットにおけるDNA分子をプロセッシングして、デュアルインデックス付きの核または細胞を作製させること、
ここで、前記プロセッシングは、核または細胞の各サブセットに存在するDNA核酸に第2の区画に固有のインデックス配列を付加して、インデックス付きの核または細胞に存在するデュアルインデックス付きの核酸をもたらし、
前記プロセッシングは、ライゲーション、プライマー伸長、ハイブリダイゼーション、増幅、または転位を含み;
(h)前記デュアルインデックス付きの核または細胞を組み合わせて、プールされたデュアルインデックス付きの核または細胞を作製すること;
(i)前記プールされたデュアルインデックス付きの核または細胞を第3の複数の区画に分配すること、
ここで、各区画は、核または細胞のサブセットを含み;
(j)核または細胞の各サブセットのDNA分子をプロセッシングして、トリプルインデックス付きの核または細胞を作製すること、
ここで、前記プロセッシングは、核または細胞のサブセットに存在するDNA核酸に第3の区画に固有のインデックス配列を付加することにより、インデックス付きの核または細胞に存在するトリプルインデックス付きの核酸を得て、
前記プロセッシングは、ライゲーション、プライマー伸長、ハイブリダイゼーション、増幅、または転位を含み;および
(k)前記トリプルインデックス付きの核または細胞を組み合わせて、プールされたトリプルインデックス付きの核または細胞を作製すること
を含む、方法。 - 前記プライマーがRNA核酸にアニーリングすることにより、前記プライマーおよび鋳型RNA分子の対応するDNAヌクレオチド配列を含む二本鎖DNA核酸を生じさせる、請求項43または44に記載の方法。
- 前記プライマーが、mRNAポリ(A)テイルにアニーリングするポリTヌクレオチド配列を含む、請求項45に記載の方法。
- 前記接触させることがサブセットを第2のプライマーと接触させることをさらに含み、前記第2のプライマーが所定のDNA核酸にアニーリングする配列を含む、請求項46に記載の方法。
- 前記第2のプライマーが区画に固有のインデックスを含む、請求項47に記載の方法。
- 前記プライマーが、所定のRNA核酸にアニーリングする配列を含む、請求項45に記載の方法。
- 前記所定のRNA核酸がmRNAである、請求項49に記載の方法。
- 前記プライマーが鋳型スイッチプライマーを含む、請求項43または44に記載の方法。
- 前記第1の区画、第2の区画、または第3の区画に固有のインデックス配列の1つ以上を付加するプロセッシングが、ユニバーサル配列を含むヌクレオチド配列を前記核酸に付加し、次いで前記第1の区画に固有のインデックス配列を前記DNA核酸に付加するという2段階プロセスを含む、請求項43または44に記載の方法。
- 前記プライマーが前記第1の区画に固有のインデックス配列を含む、請求項43または44に記載の方法。
- 前記接触させることの前に、細胞または該細胞から得られた核のサブセットにおける新たに合成されたRNAを標識することをさらに含む、請求項43または44に記載の方法。
- 既存のRNA核酸および新たに合成されたRNA核酸が同じ区画内において同じインデックスで標識される、請求項54に記載の方法。
- 前記標識することが、ヌクレオチド標識を含む組成物中において複数の核または細胞をインキュベートすることを含み、前記ヌクレオチド標識が新たに合成されたRNAに組み込まれる、請求項54に記載の方法。
- 前記ヌクレオチド標識が、ヌクレオチド類似体、ハプテン標識ヌクレオチド、変異誘発性ヌクレオチド、または化学反応により修飾することができるヌクレオチドを含む、請求項54に記載の方法。
- 2以上のヌクレオチド標識が新たに合成されたRNAに組み込まれる、請求項54に記載の方法。
- 1つまたは複数の前記ヌクレオチド標識の比率が、異なる区画または時点について異なる、請求項58に記載の方法。
- 前記の区画の核または細胞のサブセットを、前記標識することの前に所定の条件に曝露することをさらに含む、請求項54に記載の方法。
- 前記所定の条件が、作用物質への曝露を含む、請求項60に記載の方法。
- 前記作用物質が、タンパク質、非リボソームタンパク質、ポリケチド、有機分子、無機分子、RNAもしくはRNAi分子、炭水化物、糖タンパク質、核酸、またはそれらの組み合わせを含む、請求項61に記載の方法。
- 前記作用物質が治療薬を含む、請求項61に記載の方法。
- 2つ以上の区画の前記所定の条件が異なる、請求項60に記載の方法。
- 前記曝露することおよび前記標識することが同時に起こるか、または前記曝露することが前記標識することの前に起こる、請求項60に記載の方法。
- 1回以上の分配が希釈を含む、請求項43または44に記載の方法。
- 1回以上の分配が選別することを含む、請求項43または44に記載の方法。
- 第1の区画、第2の区画または第3の区画に固有のインデックス配列の1つ以上を付加することが、核酸断片の末端へのヘアピンライゲーション二本鎖のライゲーションに適した条件下でサブセットを前記ヘアピンライゲーション二本鎖と接触させることを含む、請求項43または44に記載の方法。
- 第1の区画、第2の区画または第3の区画に固有のインデックス配列の1つ以上を付加することが、核酸断片をトランスポソーム複合体と接触させることを含み、区画中の前記トランスポソーム複合体がトランスポザーゼおよびユニバーサル配列を含むものとし、前記接触が、核酸断片の断片化および核酸断片へのヌクレオチド配列の組み込みに適した条件をさらに含むものとする、請求項43または44に記載の方法。
- 前記第1の区画または第2の区画に固有のインデックスを付加することがライゲーションを含み、後続の区画に固有のインデックス配列を付加することが転位を含む、請求項43または44に記載の方法。
- 前記区画がウェルまたは液滴を含む、請求項43または44に記載の方法。
- 前記第1の複数の区画の区画が、50個から100,000,000個の核または細胞を含む、請求項43または44に記載の方法。
- 前記第2の複数の区画の区画が、50個から100,000,000個の核または細胞を含む、請求項43または44に記載の方法。
- 前記第3の複数の区画の区画が、50個から100,000,000個の核または細胞を含む、請求項43または44に記載の方法。
- 前記プールされたトリプルインデックス付きの核または細胞からトリプルインデックス付きの核酸を得ることにより、前記複数の核または細胞から配列決定ライブラリーを生成することをさらに含む、請求項43または44に記載の方法。
- 複数の増幅部位を含む表面を提供すること、
ここで、前記増幅部位は、遊離3’末端を有する結合した一本鎖捕捉オリゴヌクレオチドの少なくとも2つの集団を含み、および
前記増幅部位を含む表面を、各々が複数のインデックスを含む個々の断片からのアンプリコンのクローン集団を含む複数の増幅部位を生成させるのに適した条件下でトリプルインデックス付きの核酸断片と接触させること
をさらに含む、請求項43または44に記載の方法。 - 複数の単一細胞からの核酸を含む配列決定ライブラリーを調製する方法であって、
(a)複数の細胞から核を提供すること;
(b)前記核のサブセットを第1の複数の区画に分配し、各サブセットを逆転写酵素およびプライマーと接触させること、
ここで、各区画の前記プライマーは、他の区画の第1のインデックス配列とは異なる第1のインデックス配列を含むことで、インデックス付きの核酸断片を含むインデックス付きの核を生成させ;
(c)前記インデックス付きの核を組み合わせて、プールされたインデックス付きの核を生成させること;
(d)前記プールされたインデックス付きの核のサブセットを第2の複数の区画に分配し、第1のインデックス配列を含むインデックス付きの核酸断片の末端へのヘアピンライゲーション二本鎖のライゲーションに適した条件下で各サブセットを前記ヘアピンライゲーション二本鎖と接触させることで、デュアルインデックス付きの核酸断片を含むデュアルインデックス付きの核を生成させること、
ここで、前記ヘアピンライゲーション二本鎖は、他の区画の第2のインデックス配列とは異なる第2のインデックス配列を含み;
(e)前記デュアルインデックス付きの核を組み合わせて、プールされたデュアルインデックス付きの核を生成させること;
(f)前記プールされたデュアルインデックス付きの核のサブセットを第3の複数の区画に分配し、前記デュアルインデックス付きの核酸断片を第2鎖合成の条件にかけること;
(g)前記デュアルインデックス付きの核酸断片をトランスポソーム複合体と接触させること、
ここで、各区画における前記トランスポソーム複合体は、トランスポザーゼおよびユニバーサル配列を含み、前記接触させることが、デュアルインデックス付きの核酸断片の断片化およびデュアルインデックス付きの核酸断片へのユニバーサル配列の組み込みに適した条件を含むことで、一方の端に第1および第2のインデックスを、他方の端にユニバーサル配列を含むデュアルインデックス付きの核酸断片を生成させ;
(i)各区画の前記デュアルインデックス付きの核酸断片に第3のインデックス配列を組み込むことで、トリプルインデックス断片を生成させること;
(j)前記トリプルインデックス断片を組み合わせることにより、複数の単一細胞からのトランスクリプトーム核酸を含む配列決定ライブラリーを作製すること
を含む、方法。 - 前記プライマーが、mRNAポリ(A)テイルにアニーリングするポリT配列を含む、請求項77に記載の方法。
- 各区画の前記プライマーが、所定のmRNAにアニーリングする配列を含む、請求項77に記載の方法。
- 前記方法が、同じ所定のmRNAの異なるヌクレオチドにアニーリングする異なる区画におけるプライマーを含む、請求項79に記載の方法。
- 複数の単一細胞からの核酸を含むトランスクリプトーム配列決定ライブラリーを調製する方法であって:
(a)複数の細胞からプールされた核を提供すること;
(b)前記プールされた核を逆転写酵素およびmRNAポリ(A)テイルにアニーリングするオリゴdT配列を含むプライマーと接触させることで、核酸断片を含むプールされた核を生成させること;
(c)前記プールされた核のサブセットを複数の区画に分配し、核酸断片の末端へのヘアピンライゲーション二本鎖のライゲーションに適した条件下で各サブセットを前記ヘアピンライゲーション二本鎖と接触させて、インデックス付きの核酸断片を含むインデックス付きの核を生成させること、
ここで、前記ヘアピンライゲーション二本鎖が、他の区画のインデックス配列とは異なるインデックス配列を含み;
(d)前記インデックス付きの核を組み合わせて、プールされたインデックス付きの核を生成させること;
(e)前記プールされたインデックス付きの核のサブセットを第2の複数の区画に分配し、前記インデックス付きの核酸断片を第2鎖合成の条件にかけること;
(f)前記インデックス付きの核酸断片をトランスポソーム複合体と接触させること、
ここで、各区画の前記トランスポソーム複合体は、トランスポザーゼおよびユニバーサル配列を含むものとし、前記接触が、インデックス付きの核酸断片の断片化およびインデックス付きの核酸断片へのユニバーサル配列の組み込みに適した条件を含むことで、一端に前記インデックスを、他端に前記ユニバーサル配列を含むインデックス付きの核酸断片を生成させ;
(i)各区画の前記インデックス付きの核酸断片に第2のインデックス配列を組み込むことで、デュアルインデックス断片を生成させること;および
(j)前記デュアルインデックス断片を組み合わせることにより、複数の単一細胞からのトランスクリプトーム核酸を含む配列決定ライブラリーを作製すること
を含む、方法。 - 核を単離する方法であって:
(a)液体窒素中で組織を急速凍結すること;
(b)前記組織のサイズを低減することで、加工された組織を得ること;および
(c)細胞溶解を促進し、1つ以上の外因性酵素の非存在下で核の完全性を保持する緩衝液中でインキュベートすることにより、前記の加工された組織から核を抽出すること
を含む、方法。 - 前記低減することが、組織を細かく刻むこと、組織に鈍力を加えること、またはそれらの組み合わせを含む、請求項82に記載の方法。
- (d)前記の抽出された核を架橋剤に曝露して、固定核を得ること;および
(e)前記固定核を洗浄すること
をさらに含む、請求項82に記載の方法。 - 配列決定ライブラリーの調製に用いるキットであって、請求項16または56に記載のヌクレオチド標識と、ライゲーション、プライマー伸長、または増幅に介在する少なくとも1つの酵素とを含む、キット。
- 配列決定ライブラリーの調製に用いるキットであって、所定の核酸にアニーリングする請求項4、6または10に記載のプライマーと、ライゲーション、プライマー伸長、または増幅に介在する少なくとも1つの酵素とを含む、キット。
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