本文介绍了一种检测方法,该方法结合显微注射与荧光原位杂交技术,以准确测定哺乳动物体细胞中mRNA的核输出动力学。
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本文介绍了一种检测方法,该方法结合显微注射与荧光原位杂交技术,以准确测定哺乳动物体细胞中mRNA的核输出动力学。
在真核生物中,信使RNA(mRNA)在细胞核内转录,必须被转运至细胞质中才能接触翻译机制。尽管mRNA的核输出已在多种体系中被广泛研究 非洲爪蟾卵母细胞1 以及遗传操作简便的生物体,如酵母2 和 果蝇 衍生S2细胞系3,但在哺乳动物细胞中的研究还很少。此外,哺乳动物体细胞中mRNA出核转运的动力学过程只能通过间接方法推断4,5为了测量mRNA在哺乳动物组织培养细胞中的核输出动力学,我们开发了一种检测方法,该方法结合了显微注射与荧光技术的优势 原位 杂交(FISH)。这些检测方法已被用于证明,在哺乳动物细胞中,大多数mRNA以依赖剪接的方式被输出6,7,或以需要特定RNA序列(如信号序列编码区,SSCR)的方式 6在此实验中,细胞被显微注射以下任一物质 体外 含有目的基因的合成mRNA或质粒DNA。显微注射后的细胞在不同时间点孵育后固定,并通过FISH检测RNA的亚细胞定位。与转染技术中核酸加入后数小时才开始转录不同,DNA或mRNA的显微注射可实现快速表达,从而获得精确的动力学数据。
有两种基于显微注射的方法可用于测量哺乳动物细胞中mRNA输出的动力学过程;即注射mRNA 体外 合成的 mRNA 或质粒 DNA,其被转录 体内 转化为mRNA。每种技术都有其优势和局限性。本文将介绍这两种技术,并讨论两种方法之间的差异。
1. 注射材料的准备
| 步骤 # | 加热 | 拉力 | 速度 | 时间 | 压力 |
| 1 | 740 | 100 | 8 | 250 | 500 |
| 2 | 740 | 100 | 8 | 250 | 500 |
| 3 | 740 | 100 | 10 | 250 | 500 |
2. 核内显微注射
| 操作 | 目的与目标 | |
| 1 | 调节焦距以观察针尖全长。 | 判断针头是否存在明显缺陷,或是否有较大颗粒物堵塞针尖。 |
| 2 | 将针尖置于培养皿中漂浮颗粒物旁。 | 若液体从针尖流出,应能扰动颗粒物,而无需针头直接接触。 |
| 3 | 将注射器推杆完全压到底。 | 此瞬时增压应可清除针尖堵塞。释放推杆后,其应能自动回弹;若不能,则说明注射器内压力无法建立,需拧紧连接处和/或添加更多真空润滑脂。 |
| 4 | 将针头从细胞培养液中提起。 | 将针头从水相介质中抽出的力有助于松动针尖堵塞物。 |
| 5 | 将注射器推杆完全取出后重新插入。 | 此额外增压可能有助于清除针尖堵塞。 |
| 6 | 用针尖在盖玻片干净区域轻轻刮擦。 | 进一步扰动针头内部颗粒物,帮助其重新定位以解除针尖堵塞。较强的刮擦可能使针尖末端崩裂,从而使堵塞物排出针外。 |
| 7 | 更换新针头。 |
3. 细胞固定与染色
4. 成像与定量分析

| ANuc | 细胞核面积 |
| ATot | 整个细胞的面积 |
| FNuc | 核区平均荧光强度 |
| FTot | 全细胞区域平均荧光强度 |
| FBack | 未转染细胞的平均荧光强度 |

图1. 显微注射盖玻片。 细胞培养至70-90%融合度后,使用200μl塑料移液枪头在垂直和水平方向制造划痕。从十字形划痕处开始,沿其中一个划痕边缘(箭头所示)进行细胞显微注射。

图 2. 注射器调节器。A) 展示注射器调节器组装方式的流程图。B) 组装完成装置的示意图。C) 组装完成的注射器调节器照片。

图3. α-鹅膏蕈碱对注射质粒DNA转录的影响。 NIH3T3成纤维细胞经不同浓度α-鹅膏蕈碱预处理后,注射t-ftz-Δi质粒DNA和OG标记的70 kDa葡聚糖。注射后的细胞在37°C孵育1小时,随后固定,并使用特异性FISH探针6对t-ftz-Δi mRNA进行染色。每行对应一个视野,分别显示OG-70 kDa葡聚糖和t-ftz-Δi mRNA的成像结果。注意,高浓度药物完全抑制了t-ftz-Δi转录本的生成,而低浓度则无此效应。比例尺 = 15 μm。


图 4. mRNA 核输出的时间进程。 将 t-ftz-Δi 质粒 DNA 和 OG 标记的 70 kD 葡聚糖显微注射入 COS-7 细胞。注射后 30 分钟,用 α-鹅膏蕈碱处理细胞,并在 37°C 下孵育指定时间。随后固定细胞,并用针对 t-ftz-Δi mRNA 的探针以及针对内质网标志物 TRAPα 的抗体进行染色。每一行对应一个单独的细胞视野。A) 显微注射后不同时间点的 mRNA 分布情况。B) 图 (A) 中 120 分钟时间点的放大图像,显示 t-ftz-Δi mRNA 与内质网的共定位。右侧图显示 t-ftz-Δi mRNA(绿色)与 TRAPα(红色)染色的叠加图像。比例尺 = 15 μm。
显微注射是一种强大的工具,可用于研究多种不同的细胞过程。与传统的细胞转染不同,显微注射使研究人员能够在极短的时间内将核酸有效地导入细胞核内。因此,可以进行动力学分析,例如测定mRNA输出速率、mRNA定位以及蛋白质合成速率。此外,由于实验时间相对较短,可以在短时间内使细胞暴露于有毒化合物而不引发多效性效应。而且,抑制性或刺激性化合物(如显性负性蛋白)可与核酸共同注射。最后,显微注射避免了使用转染试剂的需求,而这些试剂通常对细胞具有毒性,并可能干扰不同的细胞功能。
mRNA 与质粒 DNA 注射
注射何种核酸取决于多种因素。在注射质粒DNA后,RNA聚合酶II不仅合成mRNA,还会募集蛋白质因子至新生转录本12,13由于这些因素调控着mRNA加工、核输出和细胞质定位等事件,因此可通过质粒DNA注射来评估转录如何与下游过程相偶联。尽管转录可能与核输出相偶联14,我们发现注射的mRNA比 体内 转录的mRNA6目前尚不清楚其具体原因,但这一结果可能表明,新合成的mRNA在从RNA聚合酶II上释放后,可能被结合在某些复合物中,从而阻碍了其核输出。
mRNA注射具有一些优势。首先,研究人员无需使用RNA聚合酶抑制剂,这类抑制剂可能会影响细胞对RNA整体代谢的调控。其次,RNA可以进行修饰 体外 注射前。例如,可通过合成带有不同5'帽类似物或不同长度poly(A)尾的mRNA,以评估这些特征对核输出的影响6第三,所注射的 RNA 确切数量可进行粗略估计。根据上述方案,我们估计每个细胞核中大约注射了 20,000 至 50,000 个分子,与典型哺乳动物细胞中转录本的总数(400,000 至 850,000 个分子)相比,这一数量相对较少。15mRNA注射的主要缺点是在显微注射过程中,注射液不可避免地会部分泄漏到细胞质中。由于直接注入细胞质的mRNA在较长时间内保持稳定(A. Palazzo,未发表观察),因此必须格外谨慎地选择用于定量分析的细胞。通常我们分析那些接受 >通过OG-葡聚糖的分布评估,90%的注射液位于细胞核内。
未声明任何利益冲突。
我们感谢 E. Gomes 提供的有益建议,以及 A. Wilde 允许我们使用各种设备。本研究得到了加拿大卫生研究院(FRN 102725)向 A.F.P. 提供的资助支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 注射缓冲液 | Sigma-Aldrich | 140 mM KCl 和 10 mM HEPES,pH 7.4 | |
| Oregon Green 488-70kD 右旋糖酐 | Invitrogen | D7173 | 在注射缓冲液中配制成 10 mg/ml 的储存液,可在 -80°C 长期保存 |
| 硼硅酸盐毛细管 | World Precision Instruments, Inc. | 1B100F-4 | |
| 用于填充注射针头的凝胶加样枪头 | Eppendorf | 022351656 | |
| 显微镜 | Nikon Instruments | Eclipse Ti-S | |
| 显微操作器 | Narishige International | NT-88-V3MSH | |
| 注射用注射器 | BD Biosciences | 512311 | |
| PBS 缓冲液 | Sigma-Aldrich | 137 mM NaCl, 2.7 mM KCl, 10 mM Na2HPO4, 2 mM KH2PO4, pH 7.4 | |
| SSC 缓冲液 | Sigma-Aldrich | 150 mM NaCl, 15 mM 柠檬酸钠, pH 7.4 | |
| 4% 多聚甲醛 | Electron Microscopy Sciences | 15686 | 将 37% 多聚甲醛储存液用 PBS 稀释 |
| 0.1% Triton X-100(Surfact-Amps) | Thermo Fisher Scientific, Inc. | 28314 | 将 10% Triton X-100 储存液用 PBS 稀释 |
| 甲酰胺 | Fisher Scientific | F84-1 | |
| 硫酸葡聚糖 | Fisher Scientific | BP1585-100 | |
| E. coli tRNA | Sigma-Aldrich | R1753 | |
| 钒酰核糖核苷复合物(VRC) | Sigma-Aldrich | R3380 | |
| Whatman 滤纸 | VWR international | 28298-020 | |
| 防振台 | Kinetic Systems | 5702E-3036-21 | |
| Fluoromount G | SouthernBiotech | 0100-20 | |
| α-鹅膏蕈碱 | Sigma-Aldrich | A2263 | |
| Parafilm 封口膜 | Fisher Scientific | 13-374-12 | |
| Flaming/Brown 微量移液器拉制仪 | Sutter Instrument Co. | P-97 | |
| 真空润滑脂 | Dow Corning | 695400008 | |
| T7 RNA 聚合酶 | New England Biolabs | M0251S | |
| 聚(A)聚合酶 | Ambion | AM1350 | |
| 杂交缓冲液 | Sigma-Aldrich | 100 mg/ml 硫酸葡聚糖, 5 mM VRC, 150 mM NaCl, 15 mM 柠檬酸钠, 0.5 mg/ml E. coli tRNA, 60% 甲酰胺 |
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