Jung Ho Lee;Brian H Lee;Soyoung Jeong;Christine Suh-Yun Joh;Hyo Jeong Nam;Hyun Seung Choi;Henry Sserwadda;Ji Won Oh;Chung-Gyu Park;Seon-Pil Jin;Hyun Je Kim
Genomics & Informatics
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v.21
no.2
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pp.18.1-18.11
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2023
Immunologists have activated T cells in vitro using various stimulation methods, including phorbol myristate acetate (PMA)/ionomycin and αCD3/αCD28 agonistic antibodies. PMA stimulates protein kinase C, activating nuclear factor-κB, and ionomycin increases intracellular calcium levels, resulting in activation of nuclear factor of activated T cell. In contrast, αCD3/αCD28 agonistic antibodies activate T cells through ZAP-70, which phosphorylates linker for activation of T cell and SH2-domain-containing leukocyte protein of 76 kD. However, despite the use of these two different in vitro T cell activation methods for decades, the differential effects of chemical-based and antibody-based activation of primary human T cells have not yet been comprehensively described. Using single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) technologies to analyze gene expression unbiasedly at the single-cell level, we compared the transcriptomic profiles of the non-physiological and physiological activation methods on human peripheral blood mononuclear cell-derived T cells from four independent donors. Remarkable transcriptomic differences in the expression of cytokines and their respective receptors were identified. We also identified activated CD4 T cell subsets (CD55+) enriched specifically by PMA/ionomycin activation. We believe this activated human T cell transcriptome atlas derived from two different activation methods will enhance our understanding, highlight the optimal use of these two in vitro T cell activation assays, and be applied as a reference standard when analyzing activated specific disease-originated T cells through scRNA-seq.
Cryopreservation and thawing of PBMCs are inevitable processes in expanding the scale of experiments in human immunology. Here, we carried out a fundamental study to investigate the detailed effects of PBMC cryopreservation and thawing on transcriptomes. We sorted Tregs from fresh and cryopreserved/thawed PBMCs from an identical donor and performed single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq). We found that the cryopreservation and thawing process minimally affects the key molecular features of Tregs, including FOXP3. However, the cryopreserved and thawed sample had a specific cluster with up-regulation of genes for heat shock proteins. Caution may be warranted in interpreting the character of any cluster of cells with heat shock-related properties when cryopreserved and thawed samples are used for scRNA-seq.
Single-cell research has provided a breakthrough in biology to understand heterogeneous cell groups, such as tissues and organs, in development and disease. Molecular barcoding and subsequent sequencing technology insert a single-cell barcode into isolated single cells, allowing separation cell by cell. Given that multimodal information from a cell defines precise cellular states, recent technical advances in methods focus on simultaneously extracting multimodal data recorded in different biological materials (DNA, RNA, protein, etc.). This review summarizes recently developed single-cell multiomics approaches regarding genome, epigenome, and protein profiles with the transcriptome. In particular, we focus on how to anchor or tag molecules from a cell, improve throughputs with sample multiplexing, and record lineages, and we further discuss the future developments of the technology.
Sphacelaria is a filamentous brown algal genus that can be epibiotic on macroalgae, marine plants, and sea turtles. Its important role in benthic ecosystems, exposure to different stressors (e.g., grazing), and use as a model organism make Sphacelaria ideal for assessing physiological responses of organisms to environmental inputs. Single-cell RNA sequencing is a powerful new probe for understanding environmental responses of organisms at the molecular (transcriptome) level, capable of delineating gene regulation in different cell types. In the case of plants, this technique requires protoplasts ("naked" plant cells). The existing protoplast isolation protocols for Sphacelaria use non-commercial enzymes and are low-yielding. This study is the first to report the production of protoplasts from Sphacelaria fusca (Hudson) S.F. Gray, using a combination of commercial enzymes, chelation, and osmolarity treatment. A simple combination of commercial enzymes (cellulase Onozuka RS, alginate lyase, and driselase) with chelation pretreatment and an increased osmolarity (2512 mOsm/L H2O) gave a protoplast yield of 15.08 ± 5.31 × 104 protoplasts/g fresh weight, with all the Sphacelaria cell types represented. Driselase had no crucial effect on the protoplast isolation. However, the increased osmolarity had a highly significant and positive effect on the protoplast isolation, and chelation pretreatment was essential for optimal protoplast yield. The protocol represents a significant step forward for studies on Sphacelaria by efficiently generating protoplasts suitable for cellular studies, including single-cell RNA sequencing and expression profiling.
Background and Objectives: Osteoblasts are derived from bone marrow mesenchymal stem cells (BMMSCs) and play important role in bone remodeling. While our previous studies have investigated the cell subtypes and heterogeneity in osteoblasts and BMMSCs separately, cell-to-cell communications between osteoblasts and BMMSCs in vivo in humans have not been characterized. The aim of this study was to investigate the cellular communication between human primary osteoblasts and bone marrow mesenchymal stem cells. Methods and Results: To investigate the cell-to-cell communications between osteoblasts and BMMSCs and identify new cell subtypes, we performed a systematic integration analysis with our single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) transcriptomes data from BMMSCs and osteoblasts. We successfully identified a novel preosteoblasts subtype which highly expressed ATF3, CCL2, CXCL2 and IRF1. Biological functional annotations of the transcriptomes suggested that the novel preosteoblasts subtype may inhibit osteoblasts differentiation, maintain cells to a less differentiated status and recruit osteoclasts. Ligand-receptor interaction analysis showed strong interaction between mature osteoblasts and BMMSCs. Meanwhile, we found FZD1 was highly expressed in BMMSCs of osteogenic differentiation direction. WIF1 and SFRP4, which were highly expressed in mature osteoblasts were reported to inhibit osteogenic differentiation. We speculated that WIF1 and sFRP4 expressed in mature osteoblasts inhibited the binding of FZD1 to Wnt ligand in BMMSCs, thereby further inhibiting osteogenic differentiation of BMMSCs. Conclusions: Our study provided a more systematic and comprehensive understanding of the heterogeneity of osteogenic cells. At the single cell level, this study provided insights into the cell-to-cell communications between BMMSCs and osteoblasts and mature osteoblasts may mediate negative feedback regulation of osteogenesis process.
Park, Kyunghyuk;Jeon, Min Chul;Kim, Bokyung;Cha, Bukyoung;Kim, Jong-Il
Genomics & Informatics
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v.20
no.1
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pp.2.1-2.11
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2022
The method of single-cell RNA sequencing has been rapidly developed, and numerous experiments have been conducted over the past decade. Their results allow us to recognize various subpopulations and rare cell states in tissues, tumors, and immune systems that are previously unidentified, and guide us to understand fundamental biological processes that determine cell identity based on single-cell gene expression profiles. However, it is still challenging to understand the principle of comprehensive gene regulation that determines the cell fate only with transcriptome, a consequential output of the gene expression program. To elucidate the mechanisms related to the origin and maintenance of comprehensive single-cell transcriptome, we require a corresponding single-cell epigenome, which is a differentiated information of each cell with an identical genome. This review deals with the current development of single-cell epigenomic library construction methods, including multi-omics tools with crucial factors and additional requirements in the future focusing on DNA methylation, chromatin accessibility, and histone post-translational modifications. The study of cellular differentiation and the disease occurrence at a single-cell level has taken the first step with single-cell transcriptome and is now taking the next step with single-cell epigenome.
Acute myeloid leukemia (AML) is a heterogeneous disease caused by distinctive mutations in individual patients; therefore, each patient may display different cell-type compositions. Although most patients with AML achieve complete remission (CR) through intensive chemotherapy, the likelihood of relapse remains high. Several studies have attempted to characterize the genetic and cellular heterogeneity of AML; however, our understanding of the cellular heterogeneity of AML remains limited. In this study, we performed single-cell RNA sequencing (scRNAseq) of bone marrow-derived mononuclear cells obtained from same patients at different AML stages (diagnosis, CR, and relapse). We found that hematopoietic stem cells (HSCs) at diagnosis were abnormal compared to normal HSCs. By improving the detection of the DNMT3A R882 mutation with targeted scRNAseq, we identified that DNMT3A-mutant cells that mainly remained were granulocyte-monocyte progenitors (GMPs) or lymphoid-primed multipotential progenitors (LMPPs) from CR to relapse and that DNMT3A-mutant cells have gene signatures related to AML and leukemic cells. Copy number variation analysis at the single-cell level indicated that the cell type that possesses DNMT3A mutations is an important factor in AML relapse and that GMP and LMPP cells can affect relapse in patients with AML. This study advances our understanding of the role of DNMT3A in AML relapse and our approach can be applied to predict treatment outcomes.
The brain is an organ that consists of various cell types. As our knowledge of the structure and function of the brain progresses, cell type-specific research is gaining importance. Together with advances in sequencing technology and bioinformatics, cell type-specific transcriptome studies are providing important insights into brain cell function. In this review, we discuss 3 different cell type-specific transcriptome analyses i.e., Laser Capture Microdissection (LCM), Translating Ribosome Affinity Purification (TRAP)/RiboTag, and single cell RNA-Seq, that are widely used in the field of neuroscience. [BMB Reports 2015; 48(7): 388-394]
Objective: We tried to analyze allele-specific expression in the pig neocortex using bioinformatic analysis of high-throughput sequencing results from the parental genomes and offspring transcriptomes from reciprocal crosses between Korean Native and Landrace pigs. Methods: We carried out sequencing of parental genomes and offspring transcriptomes using next generation sequencing. We subsequently carried out genome scale identification of single nucleotide polymorphisms (SNPs) in two different ways using either individual genome mapping or joint genome mapping of the same breed parents that were used for the reciprocal crosses. Using parent-specific SNPs, allele-specifically expressed genes were analyzed. Results: Because of the low genome coverage (${\sim}4{\times}$) of the sequencing results, most SNPs were non-informative for parental lineage determination of the expressed alleles in the offspring and were thus excluded from our analysis. Consequently, 436 SNPs covering 336 genes were applicable to measure the imbalanced expression of paternal alleles in the offspring. By calculating the read ratios of parental alleles in the offspring, we identified seven genes showing allele-biased expression (p<0.05) including three previously reported and four newly identified genes in this study. Conclusion: The newly identified allele-specifically expressing genes in the neocortex of pigs should contribute to improving our knowledge on genomic imprinting in pigs. To our knowledge, this is the first study of allelic imbalance using high throughput analysis of both parental genomes and offspring transcriptomes of the reciprocal cross in outbred animals. Our study also showed the effect of the number of informative animals on the genome level investigation of allele-specific expression using RNA-seq analysis in livestock species.
Tracking the fate of individual cells and their progeny through lineage tracing has been widely used to investigate various biological processes including embryonic development, homeostatic tissue turnover, and stem cell function in regeneration and disease. Conventional lineage tracing involves the marking of cells either with dyes or nucleoside analogues or genetic marking with fluorescent and/or colorimetric protein reporters. Both are imaging-based approaches that have played a crucial role in the field of developmental biology as well as adult stem cell biology. However, imaging-based lineage tracing approaches are limited by their scalability and the lack of molecular information underlying fate transitions. Recently, computational biology approaches have been combined with diverse tracing methods to overcome these limitations and so provide high-order scalability and a wealth of molecular information. In this review, we will introduce such novel computational methods, starting from single-cell RNA sequencing-based lineage analysis to DNA barcoding or genetic scar analysis. These novel approaches are complementary to conventional imaging-based approaches and enable us to study the lineage relationships of numerous cell types during vertebrate, and in particular human, development and disease.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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