荧光原位杂交(FISH)可在细胞内天然环境中检测核酸。本文介绍一种通过FISH同时联合检测RNA和DNA的实验方案,可用于研究小鼠胚胎干细胞中的X染色体失活。
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荧光原位杂交(FISH)可在细胞内天然环境中检测核酸。本文介绍一种通过FISH同时联合检测RNA和DNA的实验方案,可用于研究小鼠胚胎干细胞中的X染色体失活。
荧光原位杂交(FISH)是一种能够在细胞中检测核酸的分子技术。DNA FISH 常用于细胞遗传学和癌症诊断,可检测基因组的异常,这些异常通常具有重要的临床意义。RNA FISH 可用于检测细胞中的 RNA 分子,在基因表达调控研究中提供了重要的见解。在同一细胞中联合进行 DNA 和 RNA FISH 在技术上具有挑战性,因为适用于 DNA FISH 的条件可能对脆弱的单链 RNA 分子过于剧烈。本文介绍了一种易于应用的实验方案,可实现Xist RNA 与 X 染色体编码 DNA 的联合同步检测。该 DNA-RNA 联合 FISH 方案也可能适用于其他需要同时检测 RNA 和 DNA 的研究体系。
通过荧光方法研究细胞与组织 原位 杂交(FISH)自20世纪70年代末引入以来1,使研究人员能够在亚细胞水平上研究基因、染色质结构和基因表达。DNA FISH 常用于细胞遗传学和核型分析2,癌症诊断3 和胚胎植入前遗传学筛查4,并在分子学研究中发挥重要作用5-6 因为它能够在天然环境中检测核酸。通过RNA FISH进行单细胞表达分析,可检测染色体上正在转录的天然初级转录本和非编码RNA,相较于在群体水平上评估基因表达的技术(如定量RT-PCR、全基因组表达分析或Northern印迹)具有优势。通过直接可视化源自其转录位点的RNA转录本,研究人员已发现基因表达具有随机性7,并且有时具有等位基因特异性8该技术的改进甚至实现了对细胞内单个mRNA分子的检测与定量9-11.
荧光原位杂交(FISH)的基本原理是利用高度特异性的沃森-克里克(Watson-Crick)碱基配对,使细胞内的核酸与核酸探针发生杂交。探针可通过直接或间接方式被检测,从而产生可在显微镜下观察到的信号。早期尝试使用放射性标记探针,但存在安全性问题、空间分辨率有限以及每次只能检测一个靶标等缺点12-14。随后发展出的非放射性标记物,包括荧光染料、半抗原和酶,使得FISH得以广泛应用于分子生物学常规实验中。FISH探针可通过化学方法将荧光分子直接连接至核酸序列15,或通过整合荧光标记的核苷酸实现直接标记16-19;也可通过整合半抗原(如生物素和地高辛)后,利用与荧光报告分子偶联的特异性抗半抗原抗体进行免疫学检测,从而实现间接可视化20-21。后一种方法可通过多层荧光标记抗体的级联反应实现信号放大,增强原始信号,从而检测低水平表达的RNA分子。通过结合直接与间接标记技术以及多种不同的半抗原,可在同一细胞内同时可视化多个靶标。
FISH 实验流程中最重要的步骤之一是探针与其靶标的杂交。理论上,探针应仅特异性地结合其靶标,但在实际操作中,这种特异性并不总能实现,因为探针可能结合到同源区域,且杂交条件未必始终适合特定的 DNA 区域或 RNA 分子。因此,杂交后的洗涤步骤尤为重要,因为它可以提高 FISH 实验的严谨性,防止 FISH 探针的非特异性结合,从而避免产生高水平的背景噪音。由于 RNA 分子为单链结构,可直接与 FISH 探针进行杂交;相比之下,双链 DNA 分子则需先经过变性处理,才能使探针结合。这通常通过加热样本实现,从而使 DNA 发生变性。然而,在这种较为剧烈的条件下,脆弱的单链 RNA 分子可能会丢失。因此,联合进行 DNA 与 RNA 的 FISH 检测需要对实验条件进行大量优化,其技术难度明显高于单独检测 RNA 或 DNA 的实验。
本文介绍了一种联合、同步进行的DNA-RNA荧光原位杂交(FISH)详细实验方案,该方法使我们能够在分化中的雌性小鼠胚胎干细胞中研究X染色体失活(XCI)过程。22-24XCI 是女性胚胎发育的关键表观遗传机制25,导致雌性个体中两条X染色体之一发生异染色质化,从而使其失活26-27这一过程的关键是非编码RNA Xist28-30,该过程受RNF12调控22-23 和 REX124 蛋白质 Xist 在胚胎发育过程中或胚胎干细胞分化时,该基因在未来的失活X染色体(Xi)上表达上调 在 体外,并可沿X染色体扩散,从而招募染色质重塑酶,导致X染色体的转录失活31这种扩散 Xist RNA 可通过 RNA FISH 显示为 X 染色体上的包被,也称为 Xist 云。由于雌性胚胎干细胞可能因基因组不稳定而丢失其中一条X染色体,我们及其他研究者已采用DNA-RNA联合荧光原位杂交技术(FISH)来研究X染色体失活(XCI),以确保仅对核型稳定的细胞进行这一重要过程的分析22,32-34与所有分子生物学技术一样,已有多种不同的优秀实验方案被发表35-38在此,我们介绍我们的方法,该方法从诱导小鼠胚胎干细胞分化开始,随后对细胞进行固定,通过缺口平移法对FISH探针进行标记,对固定后的细胞进行预处理以增强通透性并促进探针摄取,将探针与靶序列杂交,最后利用荧光标记的抗体对探针进行检测。本方案可实现对目标序列的准确检测 Xist 两天内对RNA和X染色体进行研究,该技术的基本原理可能适用于其他系统和研究领域。
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1. 诱导雌性胚胎干细胞分化以启动X染色体失活
注意:雌性小鼠胚胎干细胞(可应要求提供)在经明胶包被并接种小鼠胚胎成纤维细胞(MEFs)的标准胚胎干细胞培养条件下培养。本文假设读者已熟悉标准的细胞培养技术39-41。为诱导分化,将在T25培养瓶中培养的胚胎干细胞从MEFs中分离,并接种至分化培养基中。
2. 用于后续 DNA-RNA FISH 分析的分化 ES 细胞固定
3. FISH 实验中DNA探针的标记
注意:获取目的基因的 DNA 片段(RNA FISH 的最小长度需 >2 kb,DNA FISH 则需 >20 kb),或覆盖目的基因的 BAC 克隆。对于 RNA 检测,探针可比 DNA 检测更短,因为转录通常会产生多个转录本,可被同时检测到。而对于单拷贝 DNA 链上的强信号检测,则需要更长的探针,以确保掺入足够数量的半抗原从而实现有效检测。建议选择非转录的基因组区域来设计 DNA 探针。此外,在联合 DNA-RNA FISH 实验中,使用较短的探针检测 RNA 有助于避免同时检测到 RNA 的转录位点,尽管这种情况仍不能完全排除。为检测小鼠 Xist,曾使用一段 5.5 kb 的 cDNA 探针。对于 X 染色体的检测,可使用多个 BAC 探针,例如 BAC RP23-100E1 与 BAC CT7-474E4 的混合物,这两个 BAC 位于 Xist 位点附近,已获得良好的检测结果。根据具体的目标基因或染色体,可能需要尝试多种不同的探针组合以获得最佳效果。凡涉及 RNA-FISH 所用材料的操作,均应使用无菌滤芯吸头、无 RNA 酶的 H2O,并在洁净环境中进行。
4. 固定细胞的通透化、预处理及用于DNA-RNA联合荧光原位杂交的杂交
5. 杂交后洗涤及探针的抗体介导检测
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利用上述联合DNA-RNA荧光原位杂交(FISH)方案,我们已能够在分化中的雌性胚胎干细胞中可视化X染色体失活过程。图1展示了一个典型的DNA-RNA FISH实验示例,其中我们同时检测到了Xist(在失活X染色体上表现为所谓的Xist RNA云状信号,在活性X染色体上则表现为基础转录的点状信号)以及X染色体上的一个区域,该区域呈现为点状信号。请注意,其中一个点状信号位于Xist云状信号内部,表明Xist云确实沿X染色体定位并包被其表面。使用本方案时,在超过99%的细胞中均可检测到正确的DNA信号(数据未显示)。与单独的RNA-FISH相比,采用联合DNA-RNA FISH方法所观察到的Xist云状信号有时显得更大,这可能是由于变性的DNA占据的空间更大所致。我们已在人类胚胎干细胞、人类淋巴细胞以及多种物种来源的不同成纤维细胞系中获得类似结果,并且该相同方案已被用于研究多个X染色体连锁位点的基因表达,包括Rnf12。此外,当该方案应用于未分化的雌性胚胎干细胞时,可检测到两个X染色体上均存在基础水平...
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联合DNA-RNA荧光原位杂交(FISH)在技术上具有挑战性,因为适用于DNA FISH的条件可能对稳定性较差的RNA分子过于剧烈。已有多种方法被用于在同一个细胞中同时研究DNA和RNA,从而避免了必须在同一时间使用探针同时检测DNA和RNA的需求。例如,在叠加法中,首先进行RNA FISH,对细胞成像并记录坐标;随后,使用同一张载玻片进行DNA FISH,此过程中RNA FISH的信号会丢失;完成DNA FISH后再次对细胞成像,然后将RNA FISH和DNA FISH获得的图像进行叠加。尽管该方法在几乎所有情况下均可行,因为固定后的细胞DNA较为稳定,不会受到初始RNA FISH处理的影响,但该方法非常耗时,至少需要四天时间。另一种方法是先进行RNA FISH,然后通过添加固定剂来固定RNA FISH信号,再进行DNA FISH。虽然这种方法也可行,但在固定过程中可能会损失部分来自RNA FISH的荧光信号,这尤其会影响低水平表达转录本的检测。本文所介绍的方法经过优化,可在一次FISH实验中同时检测一个RNA靶标和一个DNA靶标,其优势在于仅需两天即可在单次实验中获得可靠的结果。
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢过去和现在伊拉斯姆斯医学中心生殖与发育系所有成员在过去几年中提供的有益且富有启发性的讨论。我们还要感谢三位匿名审稿人提供的宝贵反馈意见。Gribnau 实验室的工作得到了荷兰研究委员会(NWO-VICI)资助以及欧洲研究理事会(ERC)启动基金的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 雌性小鼠胚胎干细胞 | 可根据要求提供 | ||
| 小鼠胚胎成纤维细胞 | 可从E13.5胚胎中分离获得,或通过商业来源获取 例如 Millipore | ||
| 胚胎干细胞培养基 | DMEM、15% 胎牛血清、100 U/ml 青霉素、100 mg/ml 链霉素、非必需氨基酸、0.1 mM γ-巯基乙醇和 1,000 U/ml LIF。过滤除菌后于 4 °C 保存,最多保存 2 周。 | ||
| LIF | Chemicon | ESG1107 | |
| DMEM | Invitrogen | 11960085 | |
| 胎牛血清 | Invitrogen | 10099141 | |
| 青霉素–链霉素 (100x) | Invitrogen | 15140-122 | |
| 非必需氨基酸 | Invitrogen | 11140-050 | |
| γ-巯基乙醇 | Sigma-Aldrich | M7522 | |
| 胚胎干细胞分化培养基 | IMDM-Glutamax、15% 热灭活胎牛血清、100 U/ml 青霉素、100 mg/ml 链霉素、非必需氨基酸、37.8 μl/L 单硫代甘油和 50 μg/ml 抗坏血酸 | ||
| IMDM-Glutamax | Invitrogen | 31980-030 | |
| 抗坏血酸 (50 mg/ml) | Sigma-Aldrich | A4403 | |
| 单硫代甘油 | Sigma-Aldrich | M6145 | |
| T25 细胞培养皿 | Greiner Bio-one | 690160 | |
| 6 孔细胞培养板 | Greiner Bio-one | 662160 | |
| 细胞培养级 PBS | Sigma-Aldrich | D8537 | |
| 胰蛋白酶-EDTA 0.25% (v/v) 胰蛋白酶/0.2% (w/v) EDTA 的 PBS 溶液 | Gibco | 25200-056 | |
| Falcon 管 | Falcon | 352196 | |
| 24 × 24 mm 盖玻片 | Menzle | 780882 | |
| 明胶 | Sigma-Aldrich | G1890-100G | 配制 0.2% 明胶/细胞培养 PBS 溶液,并进行高压灭菌 |
| 胃蛋白酶 | Sigma-Aldrich | P7000 | 用 0.01 M HCl (pH 2.0) 稀释至 0.2% |
| 无水乙醇(100%) | Sigma-Aldrich | 32221-2.5L | 使用无水乙醇和无 RNA 酶水配制 70% 和 90% 的乙醇溶液 |
| 无 RNA 酶水 | Baxter | TKF7114 | |
| 无菌滤芯吸头 | Rainin Bio Clean | GP-L10F, GP-L200F, RT-1000F | |
| 地高辛标记试剂盒(DIG-缺口平移法) | Roche | 11745816910 | |
| 生物素标记试剂盒(生物素-缺口平移法) | Roche | 11745824910 | |
| Sephadex G50 | Sigma-Aldrich | G5080 | |
| 2 ml 注射器 | BD Plastipak | 300013 | |
| 灭菌棉 | |||
| Eppendorf 管 | Eppendorf | 30120086 | |
| 酵母 tRNA 10 mg/ml | Invitrogen | 15401-029 | |
| 鲑鱼精 DNA 10 mg/ml | Invitrogen | 15632-011 | |
| 小鼠 cot-1 DNA 1 mg/ml | Invitrogen | 18440-016 | |
| Eppendorf 台式微量离心机 | Eppendorf | Model 5417R | |
| Eppendorf 冷冻离心机 | Eppendorf | Model 5810R | |
| 2 M NaAc, pH 5.6 | Sigma-Aldrich | S7670 | |
| 50+ 杂交溶液 | 50% 甲酰胺、2x SSC、50 mM 磷酸盐缓冲液 pH 7、10% 硫酸葡聚糖 pH 7 | ||
| 甲酰胺 | Acros organics | 3272350000 | |
| 硫酸葡聚糖 | Fluka | 31403 | |
| 10 mM 磷酸盐缓冲液, pH 7 | 加入 57.7 ml 1 M Na2HPO4 和 42.3 ml 1 M NaH2PO4;使用 DEPC 处理水并进行高压灭菌 | ||
| 变性缓冲液 | 70% 甲酰胺/2x SSC/10 mM 磷酸盐缓冲液 pH 7 | ||
| Tween-20 | Sigma-Aldrich | P2287 | |
| 2 M Tris pH 7.5 溶液 | |||
| Tris-生理盐水-Tween 洗涤液 (TST) | 100 ml 10x 生理盐水、50 ml 2 M Tris、500 μl Tween-20,加无 RNA 酶水至 1 L | ||
| 10x 生理盐水溶液 | 将 85 g NaCl 溶解于 1 L 无 RNA 酶 H2O 中,高压灭菌 | ||
| Tris-生理盐水-BSA (TSBSA) | 500 μl 10x 生理盐水、250 μl 2 M Tris、1 ml 100x BSA、3.25 ml 无 RNA 酶 H2O | ||
| BSA,纯化,100x | New England Biolabs | B9001S | |
| 羊抗地高辛抗体 | Roche diagnostics | 用 TSBSA 以 1:500 稀释使用 | |
| 与 FITC 偶联的兔抗羊抗体 | Jackson labs | 用 TSBSA 以 1:250 稀释使用 | |
| 与 FITC 偶联的山羊抗兔抗体 | Jackson labs | 用 TSBSA 以 1:250 稀释使用 | |
| 鼠抗生物素抗体 | Roche diagnostics | 用 TSBSA 以 1:200 稀释使用 | |
| 与罗丹明偶联的驴抗鼠抗体 | Jackson labs | 用 TSBSA 以 1:250 稀释使用 | |
| 与罗丹明偶联的山羊抗马抗体 | Jackson labs | 用 TSBSA 以 1:250 稀释使用 | |
| Tris-生理盐水洗涤液 (TS) | 10 ml 10x 生理盐水、5 ml 2 M Tris、85 ml 无 RNA 酶 H2O | ||
| 含 DAPI 的 Vectashield 封片剂 | Vectorlabs | H-1200 | |
| 指甲油 | |||
| 荧光显微镜 |
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