结肠干细胞突变定量

摘要

我们报告了小鼠暴露于潜在 DNA 损伤剂后体细胞结肠干细胞突变的可重复测量的显着改善。

摘要

测量干细胞突变的能力是一个强有力的工具中的一个关键的细胞群进行量化如果，以及在何种程度，化学可诱导的突变可能导致癌症。使用的酶测定法来量化干细胞突变在X连接的葡萄糖-6-磷酸脱氢酶基因已被报道 ^。1此方法要求与反应混合物能够产生一个在制备冰冻切片的切片组织和培养如果细胞产生功能葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PD）酶的蓝色。如果不是，该细胞出现发白。我们已修改代替聚乙烯醇使用最佳切削温度化合物（OCT）中的反应混合物中。这有利于pH测量，提高了G6PD染色成分的溶解和限制G6PD酶的扩散。为了证明突变发生在干细胞中，整个隐窝必须缺乏G6PD酶促活动。只有当一个干细胞藏着表型G6PD基因突变都会在地下室的后代缺乏G6PD酶的活性。要确定隐窝干细胞突变，连续四个相邻的冰冻切片（A级）切成7微米的厚度。使得相邻削减这种方法提供了构象地穴充分突变，因为相同的突变隐窝将相邻路段进行观察。幻灯片与组织样本均大于50μm相距已准备共> 10 ⁴每只小鼠隐窝来评估。突变频率是所观察到的突变的（白色）由野生型（蓝色）隐窝中一个治​​疗组的数量÷隐窝数。

引言

结肠癌被认为涉及暴露于环境剂和膳食成分，可以破坏DNA和产生激活体细胞突变在致癌基因（例如，β-catenin的）或失活突变的肿瘤抑制基因（例如，APC）。据推测，这些关键突变发生在结肠的干细胞。由于结肠上皮的独特隐窝结构的，有可能让动物接触与结肠癌的发生​​相关联的化学品之后测量干细胞突变在结肠。几个X连锁酶可作为指标发生在干细胞突变，如突变将存在于一个隐窝内的所有细胞。

以前，一个过程被出版表明化学品诱导结肠肿瘤小鼠也通过在X连接的葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PD）基因突变的分析生成体干细胞突变在结肠^1-3该方法量化了结肠干细胞随机体细胞突变的发生没有任何选择压力。该过程涉及从处理的小鼠和对照小鼠未固定的冷冻切片结肠癌的生产和隐窝缺乏产生官能G6PD活性细胞的鉴定。这些突变隐窝，呈现白色，表明突变发生在给人们带来的后代也携带突变基因G6PD干细胞。在酶测定中，葡萄糖-6-磷酸脱氢酶缺陷突变隐窝不能氧化葡萄糖-6-磷酸，这是需要的硝基四氮唑蓝（NBT）的还原。当G6PD酶是功能性的，在NBT在染色混合物降低到不溶性甲臜和沉淀物，积累在酶和"染色"细胞蓝色的位置。细胞，葡萄糖-6-磷酸脱氢酶突变体仍然发白而相比之下，蓝染野生型隐窝。这种方法测量的是有一个"空"的表型变异。因为恩P450酶活，如葡萄糖-6-磷酸脱氢酶，可以扩散上，如果节放在水溶液未定影组织部分的细胞出来，有必要稳定酶在组织切片进行分析^。4，在酶的稳定化组织不得干扰必需的G6PD酶反应试剂的小分子的扩散。

我们已经取得了一些显着的变化，以原来的程序。用于关键酶染色的介质已从聚乙烯醇到最佳切削温度化合物（OCT），这有利于控制pH值，并在测定中使用的组分的增溶。 0.5 ml的井由钢制成的垫圈，以便每个组织部分接收的葡萄糖-6-磷酸脱氢酶反应混合物相同体积的 - 使用0.4进行染色。的程序被开发来估计在成像的部分，它提供了结肠组织的大采样，而无需隐窝数手动计数> 10 ⁵隐窝每个冒号。相邻的7微米的组织切片的分析，得到的突变体隐窝可视化多个幻灯片，这减少了潜在的染色工件。这些变化使程序更加高效和可重复性。

使用这个修订协议，我们已量化结肠干细胞的突变频率之C57B1 / 6小鼠，以氧化偶氮甲烷，在啮齿类动物中公知的结肠的致癌物质的暴露后^5-7

方案

实验过程和善待动物组织批准匹兹堡IACUC大学（协议＃1104674）。

1.制备G6PD染色混合

注:确保每个试剂的最终浓度如下: 5mM葡萄糖-6-磷酸（G6P）; 2mM的NADP，5mM的_MgCl 2的，0.35毫1-甲氧基-5-甲基吩甲基硫酸（MMPMS）和0.8mM的^NBT。1,8,9-对于每个试剂的初始浓度推导对于40 ml的终体积。解决方案新鲜制备，每天使用。

1. 加入2毫升200毫pH 7.4的磷酸盐缓冲液（PB）到35 ml的十月培养基的50ml管中，并剧烈振荡。确认用pH试纸，该溶液是pH为〜7.4。如果不丢弃溶液。
2. 加入61毫克G6P溶解在0.94毫升200mM的PB，61毫克NADP溶解在0.94毫升200mM的PB和41毫克的MgCl ₂溶于毫升100mM的0.96 PB。再次确认该pH值为7.4〜机智^ h pH试纸。如果没有〜7.4，丢弃的解决方案。
3. 添加5毫克MMPMS溶解在0.25毫升200mM的PB（pH 7.4）中的。用力摇动所得的反应混合物以产生一种清晰的暗红色匀浆。如果溶液混浊，使混合物应该被丢弃。被包裹在箔含有反应混合物的管，以尽量减少暴露于光。在室温储存的反应混合物，而最后一个组件，NBT，制备。
4. 通过加入0.4 ml的无水二甲甲酰胺（DMF）和0.4 ml的无水乙醇，以164毫克的NBT在2 ml管的O形环盖单独准备5mM的NBT溶液。松散盖上盖子（未密封），并把该溶液到剧烈沸腾的油浴中，直到NBT是在溶液中^。8
5. 允许溶解的NBT冷却至RT，然后加入所有溶液到OCT反应混合物并剧烈振荡，获得澄清的溶液。观察到的暗红色或purp从初始橙红色的溶液的颜色变化乐颜色随着时间的推移。这是正常的。
6. 在37℃的温暖的室内使用前1小时将最终G6PD染色的混合物。

2.动物处理和组织收集

1. 治疗6周龄的C57BL / 6雄性小鼠与DNA损伤剂，例如，10mg / kg的氧化偶氮甲烷（AOM）的体积为200μl的PBS腹腔注射。治疗的对照组小鼠用200微升PBS腹腔注射。
2. 90日，由二氧化碳安乐死小鼠₂窒息颈椎脱位批准的IACUC协议。
3. 手术从刚肛门到胸骨的基部上方打开腹腔。移动小肠出体腔，但不切除它。切除肠的下部，正下方的盲肠到直肠^。10
4. 用微型剪刀解剖沿结肠的一侧仔细切片和通过用干净无菌PBS洗涤除去从打开结肠的粪便。瑞士卷消费税ð结肠与腔侧朝外，并置于组织模具¹⁰
5. 完全沉浸在OCT中，地方模具结肠中含_液态氮杜瓦。保持所述模具以使塑料底仅仅与液体_N 2接触，直到在OCT介质被冻结固体。
6. 存放冷冻组织块在-80至切割冰冻切片。不使用任何固定剂，这将导致在G6PD酶的失活。

3.准备冰冻切片的

1. 切冰冻组织切片在使用低温恒温器在-25℃的厚度为7微米。 4切连续7微米的部分，并把他们两个人在同一张幻灯片（ 图1）。准备2幻灯片，或四个连续的7微米的部分来表示结肠（图1）中的一个级别。
2. 对于一个新的水平> 50微米来自PR的最后一节的最小距离重复evious水平。这个距离保证了评估每个级别隐窝不重复彼此。
3. 经常擦拭低温恒温器刀片和100％的乙醇以除去OCT的残余物在切割期间积聚。切片被恢复之前，将干叶片擦拭用抗静电干燥器片消散累积静电荷。存储幻灯片冰冻切片在^-80℃。

4.染色冰冻切片组织

1. 请在37℃温暖的室内高湿度组织化学反应。
   注意:试图在孵化烤箱或幻灯片上温暖的酶促反应导致穷人和不一致的G6PD染色。
2. 建井使用两个1.5厘米×0.15厘米钢垫圈（内径×高），该键合在一起使用硅脂（图1）组织染色。切断封口膜，以适应井与中心的底座切出和阱地方ð在幻灯片上的组织切片。
   注:在垫圈的底部的封口膜将创建幻灯片和维持对组织切片粘性G6PD染色混合物垫圈之间形成密封。该构建给出了一个很好地与一个0.4 - 0.5 ml的体积，使得在研究中的每个组织部分接收G6PD反应染色混合物相同体积。
3. 在温暖的房间10分钟孵育冷冻组织切片在^37℃。在37℃，45-50分钟的葡萄糖-6-磷酸脱氢酶染色反应混合物添加到每个组织切片以及（每张幻灯片2段）。从温暖的房间中取出的幻灯片，并小心地将不锈钢油井关闭的幻灯片。
4. 在其长边组幻灯片，以使反应介质排出。在100mM的PB（pH 7.4）中为30〜60分钟的地方滑动以除去来自组织的葡萄糖-6-磷酸脱氢酶染色反应混合物，而不会干扰组织染色。淹没在蒸馏水中的幻灯片5-10分钟，以除去铅盐
5. 密封由加载组织从滴管荷兰国际集团氟 - 凝胶到组织上并等待〜30分钟它干。避免气泡可以混淆突变隐窝的识别。
   注意:如果形成气泡，该过程可以去除氟 - 凝胶后重复，通过浸泡在蒸馏水中。不要使用盖玻片，因为他们往往​​陷阱气泡。

5.测定葡萄糖-6-磷酸脱氢酶突变隐窝和突变频率

1. 在光学显微镜下分析幻灯片G6PD突变隐窝。
   注意:用于识别一个完全突变体隐窝的标准是:（i）该整个隐窝是缺乏蓝色; （ii）所述隐窝的外结构完整，（ⅲ）的突变体隐窝上观察到相邻的7微米的部分和，（ⅳ）两个观察者不得不标识相同隐窝作为突变体。上相邻的7微米的部分观察到的突变体计为一个突变。
2. 采用500万像素的摄像头，图像中的每个葡萄糖-6-磷酸脱氢酶突变隐窝放大40倍和目录的图像图像处理软件。
3. 通过选择有代表性的部分，用于每只小鼠从具有最小表面面积和图像它在10倍的放大倍率（图1C）的水平量化隐窝检查在小鼠的总数。
   注:A级代表四个连续7微米的部分（ 图1D），这是由于他们的接近常表现突变隐窝上的多个部分。的水平通过>50μm的分离，以可视化从结肠的不同区域隐窝。
4. 打开每个图像文件和视觉通过分析文件（ 图 1C中示出为框）依靠一个水平隐窝数。图像文件将在从低至20至> 300隐窝在一个文件中观察到隐窝的数目而变化。
5. 通过筛选突变体的G6PD隐窝每个结肠级别数相乘从所选择的水平（图1C）对每只小鼠隐窝的总数。例如，总计数每个选定的级别1250隐窝乘以8级筛选突变隐窝等于10000隐窝的总计数。评价最低的万隐窝每个结肠进行统计分析。
6. 组合由隐窝筛选以计算对MF每个治疗的总数在所有动物的观察突变体的数量。未处理小鼠背景干细胞的MF水平是<0.1×10 ^-4（表1），这是接近先前在C57BL / 6小鼠的报道^。11

结果

衡量结肠干细胞基因突变的动物的能力提供了一个独特的方式来关联突变诱发癌症。通常情况下，假定在癌变的关键步骤包括激活突变在癌基因和/或失活的肿瘤抑制基因的突变。我们注射C57BL / 6小鼠用200μl的PBS或10mg / kg的急性中耳炎在200μlPBS中。 AOM是一种已知的致癌物质冒号^5-7在90日进行了结肠干细胞基因突变分析。这个时间是必需的，以允许干细胞能够充分填充隐窝，只有当整个隐窝中不产生葡萄糖-6-磷酸脱氢酶是鉴定为干细胞突变一个隐窝。完全突变体隐窝例子示于图2中 。该图显示了两个不同的方位发生在冷冻切片的制备隐窝（垂直和水平）。垂直视图俯视隐窝的长轴，而水平提供了侧视图。该哭点是野生型葡萄糖-6-磷酸脱氢酶染色蓝与白一些是由于来自杯状细胞粘液生产。通过计数上滑动（图1）和突变隐窝数隐窝的总数，对MF为突变隐窝可以计算出来。没有突变隐窝任何检查对照的> 100,000野生型隐窝观察（PBS处理）的小鼠。我们设置MF为对照小鼠为<0.1×10 ^-4，这是接近之前对C57BL / 6小鼠的报道

讨论

常的化合物的基因毒性作用是通过其来修改DNA的能力来确定。这通常是通过分离组织和测量DNA加合物的全球水平上进行。对于AOM，这将涉及量化^O 6 -甲基鸟嘌呤加合物在结肠。上使用的特定细胞类型，如在干细胞小生境中的损害此方法的信息，将丢失。此外，DNA加合物的是不一样的突变，因为加合物的只有一小部分被最终转化成固定的突变^。12我们提供本文所述细节基于由格里菲思所述的初始方法可再现地量化干细胞突变在结肠等人 ^1和基于由VanNorden开发G6PD染色^{。4,8,9,13,14}

有这种酶组织化学方法产生可量化的结果是几个关键步骤。一个是在组织的切片。显著更多的组织宗派离子必须产生，并且比将典型的做法用H＆E组织学分析来分析。我们确定，7微米的部分，得到最好的葡萄糖-6-磷酸脱氢酶染色的5，6，7，8和10微米厚的切片评估后。

其次，染色的有价值的组织切片的必要数量需要可再现的反应混合物中。我们发现，使用在原始协议中使用聚乙烯醇...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
试剂
硝基蓝四唑
NADP
葡萄糖-6-磷酸
1-甲氧基-5-甲基吩嗪 甲基硫酸
二甲基甲酰胺
磷酸盐缓冲液 （pH 7.4
最佳切割温度化合物 （OCT）
设备
光学显微镜 配备 5 MP 相机
低温恒
器 温暖室