我们开发了一种灵敏的技术,用于标记单个细胞中新合成的线粒体DNA(mtDNA),以研究mtDNA的生物合成。该技术结合了EdU的掺入与酪胺信号放大(TSA)方法,可在神经元的亚细胞区域中可视化mtDNA的复制过程。
我们开发了一种灵敏的技术,用于标记单个细胞中新合成的线粒体DNA(mtDNA),以研究mtDNA的生物合成。该技术结合了EdU的掺入与酪胺信号放大(TSA)方法,可在神经元的亚细胞区域中可视化mtDNA的复制过程。
线粒体是细胞能量的关键调节因子,而线粒体生物发生是健康细胞中调控线粒体数量的重要组成部分1-3监测线粒体生物发生的一种方法是测量线粒体DNA(mtDNA)的复制速率。4我们开发了一种灵敏的技术,用于标记单个细胞中新合成的线粒体DNA(mtDNA),以研究mt游戏副本生成。该技术结合了5-乙炔基-2'-脱氧尿苷(EdU)的掺入5-7 使用酪酰胺信号放大(TSA)8 在神经元亚细胞区室中可视化线粒体DNA复制的方案。EdU优于其他胸苷类似物(如5-溴-2-脱氧尿苷,BrdU),因为标记EdU所需的初始点击反应5-7 无需使用暴露BrdU表位所需的强烈酸处理或酶消化步骤。EdU的标记条件更为温和,可实现其掺入情况与其他细胞标志物的直接比较9-10可视化和定量线粒体DNA(mtDNA)生物合成的能力为研究调控线粒体生物发生的机制提供了重要工具,并有助于深入理解与药物毒性、衰老、癌症及神经退行性疾病相关的发病机制。本技术适用于感觉神经元及其他多种细胞类型。利用该技术测量mtDNA生物合成,对于进一步阐明正常细胞生理功能以及疾病状态下功能障碍的机制具有重要意义。
1. 神经元的制备
Click-iT EdU 微孔板检测试剂盒的制备
Click-iT EdU 微孔板检测试剂盒中的大多数组分均为预配制,储存于 4°C [2x Click-iT 反应缓冲液(10x 组分 E)、CuSO4(100 mM,组分 F)、Click-iT EdU 固定剂(组分 D)和封闭缓冲液(2x 组分 H)]。Click-iT EdU 缓冲液添加剂(10x 组分 G)需储存于 -20°C,以防止其随时间推移变为黄褐色。该组分可耐受多次冻融循环。
应将俄勒冈绿 488 叠氮化物(组分 B)分装成小份(10–20 μL),以尽量减少冻融循环,并在 -20°C 下保存。
配制抗俄勒冈绿HRP结合物(组分I)的储备液时,向小瓶中加入75 μL的Milli Q dH2O。通过轻柔吹打或倒置混匀,避免产生泡沫,并于4°C保存。切勿涡旋振荡。
TSA试剂盒#12的配制,含HRP标记的 Goat Anti-Rabbit IgG 和Alexa Fluor 488酪胺试剂
配制酪胺储备液时,将固体材料(Alexa Fluor 488 酪胺,组分 A)溶于 150 μL DMSO(组分 B)中。反复倒置小瓶数次,以溶解附着在瓶壁上的酪胺。将储备液分装成小份(10–20 μL),于 ≤-20°C 干燥避光保存。
2. Click-iT 5-乙炔基-2-脱氧尿苷 (EdU) 标记
注意:所有溶液均使用带有200 μL吸头的橡胶头移液器轻轻吸除,以避免损失细胞。切勿使用真空管线,因其通常会过于剧烈地移除溶液。使用橡胶头移液器将200–300 μL洗涤液轻柔地覆盖在盖玻片上,以彻底清洗前一步的溶液。
| 2×反应混合液 组分来自Click-iT EdU微孔板检测试剂盒 | 半体积:1280 μL |
| Milli Q dH2O | 1132.8 μL |
| 2× Click-iT反应缓冲液(10×组分E) | 100.3 μL |
| Click-iT EdU缓冲液添加剂(10×组分G) | 25.6 μL |
| CuSO4(100 mM,组分F) | 25.6 μL |
| Oregon Green叠氮化物(组分A) | 6.4 μL |
| 总计 | 1290.7 μL |
3. EdU 信号的酪胺信号放大(TSA)
4. 代表性结果:线粒体DNA复制的可视化作为线粒体生物发生的标志
我们关注感觉神经元(图1)如何调控线粒体的数量。本方案将使用荧光标记物标记新合成的线粒体DNA(mtDNA),以此作为检测新生线粒体的方法。通过掺入合成核苷酸EdU,随后进行Oregon Green-叠氮化物的点击化学反应,并利用Alexa Fluor 488酪胺进行信号放大,最终实现对mtDNA的绿色荧光标记(图2)。若操作正确,放大后的绿色荧光信号将显著高于背景荧光(如细胞自发荧光或HRP-TSA反应的副产物)。
该技术旨在标记新复制的线粒体DNA(mtDNA),以在神经元的亚细胞区室中可视化并定量分析mtDNA的生物合成过程(图3)。EdU标记可用于后续的荧光免疫细胞化学染色,以标记其他细胞标志物,例如神经丝蛋白(图3D)。
TSA 反应也可使用其他荧光 Alexa Fluor 酪胺,例如 Alexa Fluor 594-酪胺。这会导致细胞核中 Oregon Green-叠氮化物点击反应产生绿色荧光信号,但线粒体 DNA(mtDNA)中无绿色信号,因为在 TSA 之前无法检测到该信号。使用 Alexa Fluor 594-酪胺进行扩增可增强细胞核标记,并以红色荧光信号显示掺入 mtDNA 的 EdU(图 4)。类似的扩增程序可用于可视化 BrdU 掺入新合成的 mtDNA(图 5),但该方法需要额外步骤,通过强酸(HCl)或酶消化来恢复 BrdU 抗原表位,而 EdU 标记则无需此步骤。

图1. 用于分析的典型胚胎期(左)和成年期(右)背根神经节(DRG)神经元的代表性微分干涉差(DIC)图像。 标尺 = 10 μm。

图2. 使用绿色荧光信号标记线粒体DNA中EdU的流程示意图。 该示意图展示了使用绿色荧光信号标记线粒体DNA中EdU的三步操作流程。有丝分裂活跃的F11神经母细胞瘤细胞作为阳性对照,显示了EdU在核DNA和线粒体DNA中的掺入标记模式。第一步(P1)是通过在EdU存在下孵育细胞,将胸苷类似物掺入新合成的线粒体DNA中。第二步(P2)基于点击化学反应,使用Oregon Green-叠氮化物标记已掺入的EdU。在复制了核DNA的细胞核中可观察到绿色荧光信号。最后一步(P3)是通过加入HRP偶联的兔抗Oregon Green抗体孵育,随后在过氧化氢(H2O2)存在下与Alexa Fluor 488标记的酪胺进行孵育,从而扩增Oregon Green-叠氮化物的荧光信号,以实现线粒体DNA中绿色信号的可视化。

图3. 背根神经节(DRG)神经元中线粒体DNA的EdU标记。 神经元经EdU孵育后,通过信号放大显示掺入EdU的线粒体DNA。代表性荧光图像叠加于透射光图像上,显示在胚胎期(A)和成年期(B-D)DRG神经元新合成的线粒体DNA中,经放大后呈绿色点状信号(EdU-OG-TSA,绿色)。EdU标记步骤完成后可进一步进行神经元标志物(如神经丝蛋白,D图中αNF,红色)的免疫荧光染色。比例尺 = 10 μm。

图 4. 标记 mtDNA 中 EdU 并产生红色荧光信号的程序示意图。 该示意图展示了在 mtDNA 中通过红色荧光信号标记 EdU 的三步法流程。有丝分裂活跃的 F11 神经母细胞瘤细胞作为阳性对照,用于展示 EdU 在核 DNA 和线粒体 DNA 中掺入后的标记模式。第一步(P1)是通过在 EdU 存在下孵育细胞,将胸苷类似物掺入新合成的 mtDNA 中。第二步(P2)基于“点击化学”反应,使用 Oregon Green-叠氮化物对已掺入的 EdU 进行标记。在复制了核 DNA 的细胞中,可在细胞核内观察到绿色信号。最后一步(P3)是通过加入与 HRP 偶联的兔抗 Oregon Green 抗体,随后在过氧化氢(H2O2)存在下加入 Alexa Fluor 594 标记的酪胺,从而对 Oregon Green-叠氮化物信号进行放大,以在 mtDNA 中可视化红色信号。

图 5. BrdU 标记及通过绿色或红色荧光信号对 mtDNA 进行酪胺信号放大。 示意图展示了利用绿色或红色荧光信号标记新合成 mtDNA 中 BrdU 的操作流程。首先需通过酸(HCl)或酶消化法恢复 BrdU 表位,而 EdU 标记则无需此步骤。接下来,孵育小鼠抗 BrdU 一抗。随后,孵育辣根过氧化物酶(HRP)偶联的山羊抗小鼠抗体。最后,在过氧化氢(H2O2)存在下,使用带有绿色或红色荧光标记的酪胺对信号进行放大,以实现 mtDNA 中信号的可视化。
我们开发了一种灵敏的检测方法,利用EdU的酪酰胺信号放大技术对单个细胞中新合成的线粒体DNA进行标记。在优化本方案的过程中,最大的问题之一是不同盖玻片之间的结果不一致。我们对Invitrogen试剂盒的操作流程进行了修改,避免在单个盖玻片上混合小体积溶液,改为配制统一的母液供所有盖玻片使用。每个12 mm圆形玻璃盖玻片使用75–80 μL的溶液,该体积既能完全覆盖盖玻片表面,又能确保样品间结果的一致性。孵育时间和试剂浓度已进行了优化,但进一步调整可能带来性能提升。
该方案设计为每个步骤仅运行一次。然而,对于首次尝试后失败的样本,部分步骤已使用新的溶液重复进行以回收样本。特别是EdU点击反应步骤(3.4-3.6)可重复进行,且不会显著增加背景荧光。抗俄勒冈绿-HRP抗体孵育步骤(4.1-4.3)和酪胺信号放大步骤(4.4-4.5)也可重复,但往往因背景荧光增强而导致信噪比较差。
最敏感的试剂是 Click-iT EdU 微孔板检测试剂盒中的 Click-iT EdU 缓冲液添加剂(组分 G)和兔抗俄勒冈绿-HRP 抗体(组分 I)。当 Click-iT EdU 缓冲液添加剂在 4°C 下储存时,会随着时间推移逐渐变黄,存放 6 至 12 个月后颜色明显加深。将 Click-iT EdU 缓冲液添加剂储存在 -20°C 可缓解这一问题。兔抗俄勒冈绿-HRP 抗体在使用 MilliQ dH2O 重悬后的 4 至 6 个月内使用,其标记和酪胺信号放大步骤效果最佳。
EdU对线粒体DNA(mtDNA)的温和标记允许与其它细胞标志物进行直接比较9-11,并提升了该技术相较于其他胸苷类似物(如5-溴-2-脱氧尿苷,BrdU)的优势;后者需要经过剧烈处理才能暴露其在DNA中的抗原表位。我们实验室11-12及其他研究团队13-15已成功使用BrdU标记mtDNA。BrdU标记技术与EdU类似,但存在一些重要差异(图5)。在完成上述透化步骤(3.1–3.2)后,需通过变性步骤恢复BrdU抗原表位(使用2 N HCl在37°C处理30分钟,随后用1× PBS洗涤三次)。然后使用抗BrdU的一抗进行标记(Vector Laboratories产品,用TSA试剂盒中的1%封闭液按1:50稀释,4°C孵育过夜)。在进行TSA步骤(上述4.3–4.5)之前,还需进行二抗孵育以放大BrdU信号(使用TSA试剂盒#2和#5中的HRP标记山羊抗小鼠IgG,用1%封闭液按1:100稀释,在室温孵育45分钟)。拥有EdU和BrdU两种胸苷类似物可用于mtDNA标记,有利于开展双重标记实验,可在脉冲标记范式中对mtDNA进行连续标记11。
本实验室利用 EdU 和 BrdU 标记线粒体 DNA(mtDNA),研究糖尿病性神经病变(糖尿病常见并发症)背景下线粒体生物合成的调控机制。我们已成功应用信号放大技术,在单个神经元中检测 mtDNA 生物合成的变化11-12。该技术还可用于探索 mtDNA 复制与转换机制的相关实验,或用于筛选抑制 mtDNA 合成的药物。此外,EdU 与 BrdU 信号放大的基本原理也可应用于其他涉及 DNA 复制或修复的研究。
本研究工作得到了美国国立卫生研究院基金项目 NS-38849 和 DK-076160、青少年糖尿病研究基金会糖尿病并发症研究中心、神经病学研究与发现项目以及密歇根大学 A. Alfred Taubman 医学研究所的资助。本研究使用了密歇根糖尿病研究与培训中心的形态学与图像分析核心设施,该设施由美国国立糖尿病、消化与肾脏疾病研究所资助,基金编号为 5P60 DK-20572。作者感谢分子探针/英杰公司(Molecular Probes/Invitrogen)的 Scott T. Clarke 在多种 Click-iT EdU 标记试剂盒方面提供的宝贵建议,以及为支持 EdU 扩增技术的初步开发而慷慨捐赠的试剂。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 12 mm 盖玻片 | Fisher Scientific | 12-545-82 | |
| 245 mm × 245 mm 生物检测培养皿 | Corning | 431111 | |
| Parafilm M | Fisher Scientific | PM-996 | |
| 多聚甲醛 | Sigma-Aldrich | P6148 | |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T-8532 | |
| 磷酸盐缓冲液 10X 溶液 | Fisher Scientific | BP399 | |
| 移液管 | Fisher Scientific | 13-711-7M | |
| 过氧化氢,30% 水溶液 | Fisher Scientific | BP2633 | |
| Click-iT EdU 微孔板检测试剂盒 | Invitrogen | C10214 | |
| TSA 试剂盒 #12,含 HRP—山羊抗兔 IgG 和 Alexa Fluor 488 酪胺 | Invitrogen | T20922 | |
| TSA 试剂盒 #15,含 HRP–山羊抗兔 IgG 和 Alexa Fluor 594 酪胺 | Invitrogen | T20925 | |
| 含 DAPI 的 ProLong Gold 抗荧光淬灭封片剂 | Invitrogen | P-36931 | |
| 兔多克隆神经丝蛋白抗体 | Chemicon International | AB1981 | |
| 小鼠单克隆抗 BrdU 抗体 | Vector Laboratories | VP-B209 | |
| TSA 试剂盒 #2,含 HRP—山羊抗小鼠 IgG 和 Alexa Fluor 488 酪胺 | Invitrogen | T20912 | |
| TSA 试剂盒 #5,含 HRP—山羊抗小鼠 IgG 和 Alexa Fluor 594 酪胺 | Invitrogen | T20915 |