本方案描述了利用溴脱氧尿苷(BrdU)掺入来追踪在特定时间点处于S期的细胞的时序动态。通过添加DNA染料和抗体标记,可对S期细胞在后续时间点的命运进行详细分析。
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本方案描述了利用溴脱氧尿苷(BrdU)掺入来追踪在特定时间点处于S期的细胞的时序动态。通过添加DNA染料和抗体标记,可对S期细胞在后续时间点的命运进行详细分析。
本方案描述了一种无需对细胞进行同步化即可追踪细胞周期进程的方法。对于许多细胞体系而言,实现细胞同步化具有挑战性。常规做法是在细胞周期的特定阶段阻断其进程,随后释放被累积的细胞,从而产生一批同步推进的细胞群体。然而,某些细胞类型对这种阻断具有毒性反应,可能导致细胞周期异常甚至大量死亡。溴脱氧尿苷(BrdU)掺入法可用于追踪单个细胞所处的细胞周期阶段。在S期合成新DNA时,细胞会将这种合成的胸苷类似物BrdU整合入DNA中。通过短暂提供BrdU,可以标记出在BrdU存在期间正处于S期的一群细胞。随后可追踪这些细胞完成后续细胞周期进程并进入下一轮DNA复制,从而在无需施加潜在毒性细胞周期阻断的情况下,确定各细胞周期时相的持续时间。此外,还可检测并关联细胞周期后续各阶段中细胞内外蛋白的表达情况。这些信息可用于进一步精确判定细胞所处的周期阶段,或评估对其他细胞功能(如检查点激活或细胞死亡)的影响。
评估细胞周期进程中细胞所表现出的特征及其变化,对于理解生物学的诸多方面(尤其是癌症生物学)至关重要。目前许多处于研发阶段的恶性肿瘤治疗药物,对细胞周期进程具有显著影响,或通过依赖细胞周期的机制诱导细胞死亡。为了研究细胞周期动态或处于细胞周期特定阶段的细胞,通常需要对细胞进行同步化处理。然而,同步化方法可能对被研究细胞产生不利影响,从而潜在地干扰实验结果。1 近年来,利用仅在细胞周期特定阶段存在的荧光标记蛋白,已可实现随时间对单个细胞的细胞周期进程进行分析2,但该方法需要对细胞进行遗传操作以表达这些标记蛋白,因此其应用仅限于易于实现此类操作的实验体系。
细胞周期包含两个活跃阶段:合成(S)期,在此期间DNA进行复制;以及有丝分裂(M)期,在此期间发生细胞分裂。这两个阶段之间由三个间隙期(G0、G1和G2)分隔。G0期又称静息期,是细胞退出细胞周期后的休止状态;G1期是细胞在DNA复制前体积增大的阶段;G2期则是DNA复制完成后、细胞分裂开始前继续生长的阶段。细胞周期的进程受到多个检查点的调控。当环境条件不利于DNA合成时,G1检查点被激活,阻止细胞进入S期。S期内部检查点或延迟机制可由DNA损伤触发,此类损伤可能导致复制叉停滞。在G2期,细胞会确认复制后的DNA保真度;若检测到损伤,则激活G2检查点,以便在细胞分裂前完成DNA修复。有丝分裂过程中的最后一个检查点确保染色单体已正确排列在赤道板上,从而使细胞分裂得以顺利完成3。这些检查点的激活常被用于实现细胞群体的同步化。多种因素均可激活细胞周期检查点,但在癌症生物学中,最常见的激活原因是DNA损伤的检测。DNA损伤反应由一类类似PI3激酶的蛋白激酶启动,主要包括毛细血管扩张性共济失调症相关激酶(ATR)和毛细血管扩张性共济失调症突变蛋白(ATM),它们分别激活下游效应激酶Chk1和Chk23。多种事件可激活Chk1,包括复制叉停滞、DNA交联以及紫外线辐射造成的损伤,而Chk2则主要由DNA双链断裂激活。
研究改变条件对细胞周期长度影响的常用方法是将细胞在细胞周期的特定阶段进行同步化1。这可以通过多种方法实现。可根据细胞的大小、密度、侧向散射(颗粒度)以及细胞表面标志物表达情况进行物理分离。更常用的方法是采用化学手段进行同步化。多种试剂如胸腺嘧啶核苷、羟基脲和阿糖胞苷可用于抑制细胞周期S期的DNA合成,导致细胞在S期积聚,当去除这些试剂后,细胞可继续进行周期循环。用诺考达唑处理细胞可阻止有丝分裂纺锤体的形成,使细胞停滞在G2期或M期,并具有相应的DNA含量。从培养基中去除血清可导致细胞在G0期积聚;重新添加血清中的营养成分则可恢复细胞的正常周期进程。然而,所有这些同步化方法都会干扰细胞的正常周期进程和生长,并可能导致显著的细胞死亡。
急性淋巴细胞白血病细胞的同步化尤其困难,且这些细胞不易进行遗传操作。本文所述方法能够在无需传统同步化或基因修饰的情况下,评估细胞周期动态并研究处于细胞周期特定阶段的细胞。该方法也可能适用于其他难以实现基因修饰和传统同步化操作的细胞类型。该方法基于长期确立的溴脱氧尿苷(BrdU)掺入技术,其对细胞的短期生长和增殖影响极小。4 现有的BrdU实验方案利用BrdU在S期掺入新合成的DNA中,从而永久标记在BrdU暴露期间处于S期的细胞。通过后续的BrdU掺入染色,可在之后的时间点识别该细胞群体,使其作为同步化群体被追踪和评估,从而实现对药物对细胞周期进程影响的研究。6,7 BrdU检测前需进行抗体染色前处理,通常通过DNase或酸处理实现。利用流式细胞术检测掺入的BrdU,可同时结合其他标记物进行分析。其中最重要的是使用染料测定DNA含量,从而评估在研究开始时处于S期的细胞的细胞周期时相分布。8 此外,还可同时研究其他表面或细胞内抗原。9 这些抗原可能与细胞周期事件相关,例如Ki67,也可能与看似无关的细胞特征相关,例如凋亡标志物如裂解型caspase-3。该方法的潜在应用仅受限于研究者的想象力。
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本方案采用急性淋巴细胞白血病细胞系 NALM6,但也可应用于其他细胞类型。
1. 溶液与试剂
2. 细胞
注意:细胞培养时间不超过6个月。本方法可直接适用于任何非贴壁细胞系,只需调整细胞密度和培养基。实验开始时应使用处于指数生长期的细胞。
3. 使用 BrdU 对细胞进行脉冲标记
注意:BrdU 可能具有致突变性和致畸性,操作时需小心谨慎。
4. 细胞染色
注意:如果需要对细胞进行表面染色,应在固定前完成,并确保整个过程中细胞始终保存在 4 °C。
5. 流式细胞术数据的采集
注意:所需的仪器取决于所用荧光染料的数量和性质。
6. 流式细胞术数据分析
注意:本研究使用 FlowJo 进行流式细胞术数据分析,但也可使用其他软件包。门控策略如图1所示。

图1:设门策略。左图:未设门的细胞显示在FSC-A 与 SSC-A 散点图上。通过所示门控圈定活细胞群体。中图:来自左图门控的细胞显示在FSC-A 与 FSC-H 散点图上(FSC-W 可替代高度参数使用)。双联体和聚集体通过所示门控被识别并排除。右图:来自中图双联体排除后门控的细胞显示在7-AAD 与 APC-A 散点图上。BrdU 抗体以 APC 标记,可用于识别在脉冲标记期间掺入了 BrdU 的细胞。7-AAD 提供有关 DNA 含量的信息。上方门控定义在 BrdU 脉冲时处于 S 期且 BrdU 阳性的细胞,左下门控为处于 G0/1 期的细胞,右下门控为处于 G2/M 期的细胞。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:细胞周期进程。 第一个图(所有细胞)基于双细胞排除门控选定了细胞群体。该群体以 7-AAD 为 X 轴绘制直方图。G0/1 期峰的位置由轴线下方的箭头指示。在后续各图中,如图 1所示,已对 BrdU 阳性细胞进行了门控。当在 FlowJo 细胞周期分析软件中对 BrdU 阳性门控细胞应用双细胞排除门控时,获得 G0/1 期的位置值。后续每个图均如图 1所示对 BrdU 阳性细胞群体进行门控,并依据前两个图中分析整个细胞群体时所得的 G0/1 峰位置来确定峰位。利用同一样本中 BrdU 阴性组分确定 BrdU 阳性细胞的 G0/1 群体位置,可校正不同样本间 DNA 染色强度的微小差异。各图中标注的数字表示 BrdU 脉冲标记结束后的培养时间。计算得到的细胞周期各时相以绿色阴影区域显示。请点击此处查看该图的放大版本。
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该方法可用于获取多种信息,此处概述了几个应用实例。
细胞周期持续时间的评估
为确定细胞通过细胞周期所需的时间,在溴脱氧尿苷(BrdU)脉冲标记后不同时间点收集细胞。评估的时间间隔可根据所分析的特定细胞类型进行调整。在未添加任何药物处理的条件下,对造血细胞系在24小时内每小时进行一次检测,以确定标准培养条件下细胞周期各时相的持续时间。 图2 展示了在24小时期间对NALM6细胞进行的一系列快照分析。在BrdU脉冲时处于S期的细胞(即 在 BrdU 阳性门控范围内 图1) 进入 G 期2/M,细胞周期该时相的细胞比例在BrdU脉冲后10小时达到峰值。S期中BrdU标记细胞的比例在脉冲后14小时降至最低,几乎所有细胞均已重新进入G1 17小时后。到24小时时,部分BrdU标记的细胞已重新进入S期,作为其下一个细胞周期的一部分,表明这些细胞可在24小时内完成一个细胞周期;然而,大多数细胞尚未进入第二轮复制,...
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分析细胞周期的能力对于理解癌症生物学以及影响细胞增殖和生长的药物与基因的作用机制至关重要。尽管已有多种据称可测量细胞增殖的检测方法,但大多数方法仅能提供反映细胞数量的指标。这些方法包括通过直接显微观察和计数、代谢活性或ATP浓度来测定细胞数量。这些方法的主要优势在于操作相对简便,适用于微孔板格式并可实现自动化,因此适用于大量条件或化合物的筛选。然而,这些方法的不足之处在于未考虑因细胞死亡导致的细胞丢失,可能导致对细胞增殖程度的低估。此外,这些方法检测的是细胞群体的整体情况,无法用于单个细胞的研究,也无法追踪细胞在细胞周期中的进程。
在常用的增殖检测方法中,可能最可靠且准确的是那些测量DNA合成的方法。传统的细胞增殖检测通常将细胞与3H-胸腺嘧啶共同孵育数小时至过夜,后者会被整合到新合成的DNA中13。该方法明显的问题是使用了放射性物质,另一个局限性在于结果仅反映细胞群体的平均增殖水平。BrdU可在避免辐射问题的情况下实现类似应用,尽管需要额外的实验步骤,且BrdU本身具有潜在的致突变性。然而,BrdU的优势在于可与流式细胞术兼容,从而实现...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本工作由美国白血病与淋巴瘤协会(6105-08)、新南威尔士州癌症理事会资助(13-02)、澳大利亚国家健康与医学研究委员会高级研究员基金(LJB)(1042305)以及项目基金(1041614)资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| APC BrdU 流式检测试剂盒 | BD Biosciences | 552598 | 包含 BrdU 抗体、7-AAD 和 BD Cytofix/Cytoperm 缓冲液(称为固定缓冲液) |
| BD Cytoperm 增强通透缓冲液 Plus | BD Biosciences | 561651 | 称为通透缓冲液 |
| BD Perm/Wash 缓冲液 | BD Biosciences | 554723 | 称为洗涤缓冲液 |
| DNase | Sigma | D-4513 | |
| BD Falcon 12 x 75 mm FACS 管 | BD Biosciences | 352008 | |
| BD Pharmingen 染色缓冲液 | BD Biosciences | 554656 | |
| BD LSR FORTESSA 流式细胞仪 | BD Biosciences | FORTESSA | |
| Pipetman | Gilson | P2, P20, P100, P1000 | |
| RPMI 1640 不含 L-谷氨酰胺 500 ml | Lonza | 12-167F | |
| DPBS | Lonza | 17-512F | |
| 胎牛血清 | FisherBiotec | FBS-7100113 | |
| L-谷氨酰胺 | Sigma | G7513-100ML | |
| 5-溴-2′-脱氧尿苷 | Sigma | B5002-1G | |
| Falcon TC 150 cm2 透气培养瓶 | BD Biosciences | 355001 | |
| 移液管 25 ml | Greiner | 760180 | |
| 气溶胶移液器 200 µl | Interpath | 24700 | |
| 气溶胶移液器 1 ml | Interpath | 24800 | |
| 离心机 | Spintron | GT-175R | |
| CO2 培养箱 | Binder | C 150 | |
| AF488 抗磷酸化组蛋白 H3(Ser10)抗体 | Cell Signalling | 9708S | |
| 磷酸化 Chk2(Thr68)(C13C1) 兔单克隆抗体 | Cell Signalling | 2197S | |
| 磷酸化 Chk1(Ser345)(133D3) 兔单克隆抗体 | Cell Signalling | 2348S | |
| NALM6 | DSMZ | ACC-128 |
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