肠上皮干细胞(ISCs)与潘氏细胞相互混杂。这些潘氏细胞是ISC的分化后代,不仅支持ISC的存活,还提供抗菌保护。本文展示了我们如何利用转基因条件型小鼠模型,证实潘氏细胞在维持肠上皮稳态中发挥关键作用。
肠上皮干细胞(ISCs)与潘氏细胞相互混杂。这些潘氏细胞是ISC的分化后代,不仅支持ISC的存活,还提供抗菌保护。本文展示了我们如何利用转基因条件型小鼠模型,证实潘氏细胞在维持肠上皮稳态中发挥关键作用。
哺乳动物肠道的上皮表面是一种动态组织,每3至7天更新一次。对这一更新过程的研究发现了一群快速循环的肠干细胞(ISCs),其特征是表达Lgr5基因。这群细胞由另一群静息状态的干细胞支持,后者以表达Bmi-1为标志,在损伤情况下能够替代活跃的ISCs。研究这两类细胞群体之间的相互作用,对于理解它们在疾病和癌症中的作用至关重要。ISCs存在于肠表面上的隐窝中,这些微环境为ISCs补充上皮细胞提供了支持。活跃型与静息型ISCs之间的相互作用可能还涉及微环境中的其他已分化细胞,因为已有研究表明,Lgr5阳性ISCs的“干性”与其邻近的潘氏细胞的存在密切相关。我们利用条件性cre-lox小鼠模型,检测了在有或无潘氏细胞的情况下,大量清除活跃ISCs所产生的影响。本文描述了用于表征肠道的实验技术与分析方法,并证明潘氏细胞在ISC微环境中发挥着关键作用,有助于肠道在遭受严重损伤后的恢复。
哺乳动物肠道的腔面具有重复的隐窝结构和指状突起,后者称为绒毛,向肠腔内突出。该表面是一层连续的上皮细胞,大约每3 - 4天完成一次完全的自我更新1。这一动态组织由一群快速增殖的干细胞(ISCs;也称为隐窝基底部柱状细胞)支持,这些细胞最初因其表达Lgr5基因而被识别2,3。这些细胞存在于Lieberkühn隐窝底部的一个特化微环境中。最初,发现ISCs具有快速增殖特性与当时普遍认为干细胞本质上处于静息状态的观点相矛盾。在鉴定出Lgr5+ ISC之前,人们曾推测位于隐窝基底上方+4位置的一群静息性标记滞留细胞才是真正的ISCs1。近年来的研究已调和了这些观察结果,表明每个隐窝中主要存在一群功能等效且处于增殖状态的ISCs,其细胞命运受到邻近细胞的调控4,5。当这些细胞丢失时,原本定型为分泌谱系的静息细胞可逆分化为ISCs,从而补充受损的ISC群体6。
肠干细胞(ISC)的邻近细胞可以是肠干细胞本身,也可以是它们的子代细胞。肠干细胞产生未分化的子代细胞,这些细胞通过增殖并分化为构成肠腔上皮层的各种特化细胞类型1。杯状细胞、肠内分泌细胞、吸收细胞、簇细胞和M细胞向上迁移至肠腔表面,在那里发挥多种吸收和调节功能;而潘氏细胞则停留在隐窝底部,与肠干细胞混杂共存。近年来的研究表明,一部分注定走向分泌谱系的未分化子代细胞属于静息状态的标记滞留型Lgr5lo细胞,能够在组织损伤后逆转为肠干细胞状态6,7。
由于隐窝再生的重要性,研究重点放在了解肠干细胞(ISCs)与其邻近细胞(尤其是潘氏细胞)之间的相互作用上。潘氏细胞在其支持ISCs的微环境中发挥着关键作用8。除了分泌杀菌物质外,潘氏细胞还产生可激活调控ISC自我更新或分化的信号通路的信号分子。先前的研究表明,Lgr5+ ISCs只有在能够与其子代潘氏细胞提供的必需微环境信号进行竞争时才能存活8。这些研究探讨的是潘氏细胞对正常Lgr5+ ISCs的作用,而未涉及ISCs受损后需要由Lgr5lo 细胞群体进行补充的情况。
为了理解肠道生物学并建立疾病模型,我们使用转基因小鼠模型来研究细胞和/或基因的功能作用9,10。这些模型通常采用 cre-lox 技术对基因进行条件性修饰9,10。Cre(Causes recombination,引起重组)重组酶是一种属于整合酶家族的位点特异性重组酶,源自噬菌体 P1。Cre 能够在特定的 34 bp “Lox P”(locus χ of crossover P1)位点之间催化位点特异性的重组。通过基因工程改造的小鼠在其目标区域两侧携带 LoxP 位点,当表达 Cre 重组酶时,这些区域将被切除。将 Cre 基因的表达与特定细胞或发育阶段的启动子相连接,可实现空间特异性的基因修饰9,10,这对于克服胚胎致死性突变尤为有用。进一步将 Cre 的表达与可人工激活的受体通路相连接,则可实现时间特异性的基因调控。
利用该技术,我们在肠上皮中失活了CatnB基因11。CatnB基因的产物β-catenin是经典Wnt信号通路的关键调控因子,该通路控制着肠干细胞(ISC)的稳态。此前两项采用该策略的研究得出了相互矛盾的结果12,13。Fevr et al.12 的研究表明,干细胞和肠道稳态均发生丢失;而Ireland et al.14的研究则报告,在细胞活力下降后,隐窝-绒毛轴由表达CatnB的野生型细胞重新填充。这两项研究的主要差异在于用于在肠上皮中表达Cre的启动子。Fevr et al.的研究采用了与雌激素受体连接的绒毛蛋白(villin)基因启动子,该系统可通过给予他莫昔芬(tamoxifen)进行激活(vil-Cre-ERT2)15,16。相比之下,Ireland et al.则利用大鼠细胞色素P450A1(CYP1A1)基因的启动子元件,在异生物质β-萘黄酮(β-naphthoflavone)的诱导下驱动Cre的表达(Ah-cre)。这些不同系统的特性引出了两种假说,以解释上述差异性观察结果。第一种假说认为,与Ah-cre系统相比,vil-Cre-ERT2系统在肠干细胞中对CatnB的删除效率更高,从而将肠干细胞数量减少至无法实现再填充的水平。另一种假说则认为,这是由于在分化细胞群体中CatnB的删除存在差异。vil-Cre-ERT2系统靶向隐窝和绒毛中的所有上皮细胞,而Ah-cre系统仅靶向肠干细胞微环境及隐窝中的非潘氏细胞。这些系统为研究肠干细胞的行为及其与潘氏细胞的相互作用提供了理想的工具。本文介绍了多个详细实验方案,基于我们利用这些系统的研究,证实潘氏细胞在介导肠道对损伤的应答中发挥关键作用17。
所有使用材料的相关信息见表1。所有动物实验均在英国政府内政部项目许可证授权下进行。
1. 使用 Ah-cre 和 vil-Cre-ERT2 系统删除 CatnB
2. 用于报告基因可视化和免疫组织化学(IHC)的肠道解剖
3. 肠道的福尔马林固定
4. 肠道的 Methacarn 固定
5. 全组织LacZ显色观察(改编自El Marjou 等18)
6. 从肠道中提取隐窝
7. 标准免疫组织化学染色
8. 特定肠上皮细胞的组织学鉴定
9. 原位 小鼠肠道中的 RNA 检测19-21
10. 肠道上皮的组织学表征
比较 Ah-cre 与 Vil-Cre-ERT2 系统中 ISC 重组效率
为了评估潘氏细胞在肠道损伤后重建过程中的作用,需表征这些 cre-lox 系统在肠干细胞(ISC)中重组的效率。利用 Rosa26R-lacZ 条件性报告基因系统,我们证明在两种系统中,诱导后3天(d.p.i.)小肠内的重组效率均接近100%(图1a)。通过qPCR定量检测重组等位基因的存在时,由于不同系统间 Cre 表达模式的差异,结果受到干扰。vil-Cre-ERT2 系统的重组等位基因检出量较 Ah-cre 系统高出3.53倍,这是因其在更大比例的上皮细胞中表达16。为克服这一问题,我们采用了一种不同的策略,以直接比较两种系统。我们使用不同的诱导方案处理小鼠,并在诱导后30天(30 d.p.i.)进行分析,此时 LacZ 阳性的隐窝和绒毛代表了ISC中的重组事件。通过该方法,我们发现尽管 vil-Cre-ERT2 系统的初始重组水平显著更高,但在两种系统中,给予三种诱导剂注射(腹腔注射,80 mg/kg,每24小时一次),最终实现重组的ISC数量相当16(图1b-d)。此外,从重组隐窝中提取DNA并进行重组等位基因的qPCR检测,结果显示使用 vil-Cre-ERT2 系统时重组水平略有升高但无统计学意义,这可能归因于 Ah-cre 系统未能检测到潘氏细胞中的重组事件(图1d)。此外,对上皮细胞类型的染色分析未显示分化模式发生改变,所研究的每种细胞类型的代表性图像见于 图2e-2h。
肠道上皮在 CatnB 缺失后的表征
隐窝丢失的定量分析
表征这些 Cre 系统中重组的动态过程,使我们能够在等量的肠干细胞(ISCs)发生重组的情况下分析小鼠肠道。利用 LacZ 报告基因,两种系统均在重组后第3天(3 d.p.i.)显示出重组(蓝色)细胞完全丢失(图2a)。如先前报道,在 CatnB 基因缺失3天后,Ah-cre 小鼠表现出部分隐窝丢失,而 vil-Cre-ERT2 小鼠则表现出隐窝/绒毛轴的完全破坏13,16,24(图2b-d)。
上皮细胞重群动力学
利用上述技术,我们表征了多个参数,以帮助理解这一现象。使用方案7至10分析的参数和细胞类型的代表性图像见(图3a和3b)。简而言之,隐窝的丢失与两种系统中均表现出的凋亡水平升高一致(图3e)。然而,有丝分裂、增殖、隐窝细胞高度、隐窝数量及表达(未显示)等数据表明,Ah-cre系统能够恢复,可能是由于未发生重组的肠干细胞(ISCs)重新填充所致(图3c)。相比之下,尽管vil-Cre-ERT2 系统保留了上皮隐窝细胞,却未能恢复(图3d)。
隐窝内细胞表型的表征
要了解隐窝为何会从 Ah-cre 小鼠能够重建,而 vil-Cre-ERT2 我们能否在上皮细胞基因敲除三天后对其进行表征 CatnB使用 原位 杂交(第9节)和免疫组化分析(第7、8节) & 10) 我们证明了隐窝细胞在 vil-Cre-ERT2 CatnBflox/flox 小鼠的细胞无增殖活性,且不表达肠干细胞标志物Olfm4,这与隐窝中的情况不同 Ah-cre 小鼠(图 4c & f)。由于初步表征已表明隐窝中的重组效率相当,我们进而探究了潘氏细胞的作用。我们进行了双重荧光免疫组化染色,针对 CatnB 和 Lyz1 以确定哪些细胞失去了β-catenin,以及它们是否为潘氏细胞(图5a-5c)。如先前所述,我们已证明使用该方法可靶向所有隐窝细胞 vil-Cre-ERT2 系统。相比之下, Ah-cre 系统保留了潘氏细胞和绒毛上皮细胞。进一步观察到潘氏细胞仅在发生凋亡后 CatnB 使用以下方法进行缺失 vil-Cre-ERT2 系统图5d & 5e).

图1: 使用 Cre/Lox 系统在肠上皮中重组特异性和效率的比较 Ah-cre 和 Vil-Cre-ERT2 系统。 (a):可视化 Ah-creLacZ 野生型小鼠小肠(S.I.;*远端)和大肠(L.I.;*远端)整体标本中的报告基因表达。(b)qPCR结果,显示重组后的倍数变化 CatnBflox 1 d.p.i. 时的等位基因以比较不同诱导方案 Ah-cre CatnBflox/flox (BNF 诱导)和 vil-Cre-ERT2 CatnBflox/flox (TAM 诱导);*P >0.05(与对照组相比,Mann-Whitney [双尾] 检验)。(c)–(e):显示感染后30天LacZ阳性隐窝的全层小肠组织。图(b)–(e)经Parry修改 等16. 请点击此处以查看此图的放大版本。

图2:在小肠上皮细胞中条件性敲除CatnB所用的Ah-cre与Vil-Cre-ERT2系统的比较。 (a):整装小肠组织显示,在Ah-cre CatnBflox/floxLacZ+ 小鼠中,重组细胞在3天内逐渐丢失。(b):CatnB敲除后3天隐窝丢失的定量分析;*P >0.05(与对照组相比,采用Mann-Whitney双尾检验)。(c&d):经甲醛固定的肠道横切面H&E染色,显示CatnB敲除后隐窝的缺失。(e)–(h) 对照组小鼠中各类细胞的示例:(e) 肠内分泌细胞,(f) 杯状细胞,(g) CatnB免疫组化染色显示一个具有核内β-catenin的肠干细胞(→),以及(h) 潘氏细胞。图(b)经Parry 等16修改。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3:使用Ah-cre和Vil-Cre-ERT2系统在小肠上皮中相似数量的ISCs内条件性敲除CatnB时表型起始的表征。 (a&b) 经甲醛固定并进行H&E染色的切片,显示隐窝高度的位置 ([)、凋亡细胞 (←) 和有丝分裂细胞 (↓)。在三个时间点(感染后天数,d.p.i.)对野生型(蓝色)和CatnBflox(橙色)小鼠每隐窝平均细胞数进行定量分析。(c) 隐窝高度,(d) 有丝分裂,(e) 凋亡(误差条表示标准差)。图(c)-(e)经Parry et al16修改。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 4:使用Ah-cre和Vil-Cre-ERT2系统在小肠上皮中条件性敲除CatnB后对肠干细胞(ISC)特征的比较。 使用Ah-cre(a-c)或vil-Cre-ERT2(d-f)系统敲除CatnB后第3天的上皮隐窝细胞。(a&d)H&E染色切片显示隐窝缺失区域;(b&e)Ki-67免疫组化(IHC)显示使用vil-Cre-ERT2系统后增殖细胞丢失;(c&f)Olfm4原位杂交显示使用Ah-cre系统后功能性肠干细胞(ISC)仍然存在。图(a)-(f)经Parry et al16修改。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 5:使用 Vil-Cre-ERT2 和 Ah-cre 系统删除 CatnB 后潘氏细胞的表征。 (a-c):显示潘氏细胞(红色)、β-连环蛋白(绿色)和细胞核(蓝色)的隐窝免疫荧光图像,箭头指示膜结合的 β-catenin;(d-e) Caspase-3 的免疫组化结果显示,在 Ah-cre (d) 中未见凋亡的潘氏细胞,而在 vil-Cre-ERT2 系统(e)中可见。图 (a)-(e) 经修改自 Parry et al16。请点击此处查看该图的放大版本。
| 乙酸盐缓冲液 | * | * | 配制100 ml:4.8 ml 0.2 M 乙酸,45.2 ml 0.2 M 乙酸钠,以及50 ml 蒸馏水 |
| 乙酸 | Fisher Scientific | C/0400/PB17 | |
| 乙酸酐 | Sigma | A6404 | |
| 乙酸酐溶液 | * | * | 2 M 乙酸酐溶于0.1 M 三乙醇胺盐酸盐中 |
| 阿辛蓝 | Sigma | A5268 | |
| 阿辛蓝 pH 2.5 | * | * | 配制500 ml:15 ml 乙酸,5 g 阿辛蓝,以及485 ml 蒸馏水 |
| 抗地高辛碱性磷酸酶偶联抗体 | Abcam | ab119345 | |
| B(β)-萘黄酮 | Sigma | N3633 | BNF,注射前避免溶液过度冷却,否则化合物会析出。溶液可重复使用——使用间储存于-20 °C,加热次数不超过两次。 |
| Bloxall | Vector Labs | SP-6000 | |
| BM 紫色显色液 | Roche | 11442074001 | |
| BSA | Sigma | A4503 | 牛血清白蛋白 |
| 氯仿 | Fisher Scientific | C/4920/17 | |
| 柠檬酸盐缓冲液/抗原修复液 | Vector Labs | H-3300 | |
| 玉米油 | Sigma | C8627 | |
| 去黏液溶液 | * | * | 配制500 ml:50 ml 甘油,50 ml 0.1 M Tris pH 8.8,100 ml 乙醇,300 ml 生理盐水(0.9% NaCl 水溶液),DTT 1.7 g。去黏液溶液可预先配制并储存,但DTT应在孵育前加入(每100 ml加340 mg)。 |
| DEPC处理水 | Life Technologies | 750023 | |
| DTT | Sigma | 101509944 | |
| EDTA | Sigma | O3690 | 0.5 M |
| 乙醇 | Fisher Scientific | E/0650DF/17 | |
| 滤纸 | Whatman | 3000917 | |
| 甲醛 | Sigma | F8775 | |
| 福尔马林 | Sigma | SLBL11382V | 中性缓冲福尔马林 |
| 甲酰胺 | Sigma | F5786 | |
| 戊二醛 | Sigma | G6257 | |
| H2O2 | Sigma | 216763 | |
| 苏木精 | Raymond A Lamb | 12698616 | |
| HBSS | Gibco | 14175-053 | HBSS (-MgCl2+; -CaCl2) |
| 杂交缓冲液 | * | * | 5× SSC,50% 甲酰胺,5% SDS,1 mg/ml 肝素,1 mg/ml 小牛肝tRNA |
| 对苯二酚 | Sigma | H9003 | |
| ImmPACT DAB 过氧化物酶显色试剂 | Vector Labs | SK-4105 | |
| Immpress HRP 抗小鼠IgG试剂盒 | Vector Labs | MP-7402 | |
| Immpress HRP 抗兔IgG试剂盒 | Vector Labs | MP-7401 | |
| 肠道组织粉末 | * | * | 取5只成年小鼠的小肠合并,用最小体积的冰预冷PBS匀浆。向匀浆中加入4倍体积的冰预冷丙酮,充分混匀后冰上孵育30分钟。离心后,沉淀用冰预冷丙酮洗涤。再次离心后,将所得沉淀铺于滤纸上晾干。完全干燥后,用研钵研磨成细粉。 |
| 铁氰化钾 | Sigma | P-3667 | |
| 亚铁氰化钾 | Sigma | P3289 | |
| 左旋咪唑 | Sigma | L0380000 | |
| Methacarn | * | * | 60% 甲醇 : 30% 氯仿 : 10% 乙酸 |
| 甲醇 | Fisher Scientific | M/4000/17 | |
| MgCl2 | Sigma | M8266 | |
| 正常山羊血清 | Vector Labs | S-1012 | NGS |
| 正常兔血清 | Dako | X0902 | NRS |
| NTMT | * | * | 100 mM NaCl,100 mM Tris HCl,50 mM MgCl2,0.1% Tween20,2 mM 左旋咪唑 |
| PAP笔 | Vector | H-400 | |
| 多聚甲醛 | Sigma | P6148 | |
| PBT | * | * | 0.5 M NaCl,10 mM TrisHCl pH 7.5,0.1% Tween 20 |
| 青霉素/链霉素 | Gibco | 15140-122 | 100倍溶液。 |
| 磷酸盐缓冲液(10倍浓缩液) | Fisher Scientific | BP3994 | 用蒸馏水1:10稀释成1倍工作液 |
| PLL载玻片 | Sigma | P0425-72EA | 聚-L-赖氨酸载玻片 |
| 蛋白酶K | Sigma | P2308 | |
| 蛋白酶K溶液 | * | * | 将蛋白酶K稀释至50 mM Tris,5 mM EDTA中,终浓度为200 µg/ml。 |
| Ralwax | BDH | 36154 7N | |
| 还原溶液 | * | * | 配制100 ml:1 g 对苯二酚,5 g 亚硫酸钠,以及100 ml 蒸馏水 |
| RNaseA | Sigma | R6148 | |
| 生理盐水 | * | * | 0.9% NaCl 水溶液 |
| SDS | Sigma | I3771 | |
| 绵羊血清 | Sigma | S3772 | |
| 硝酸银 | Sigma | S/1240/46 | |
| 银染溶液 | * | * | 配制100 ml:10 ml 乙酸盐缓冲液,87 ml 蒸馏水,3 ml 1% 硝酸银 |
| 乙酸钠 | Fisher Scientific | S/2120/53 | |
| 氯化钠 | Sigma | S6753 | NaCl |
| 亚硫酸钠 | Sigma | 239321 | |
| SSC | Sigma | 93017 | 20倍柠檬酸钠生理盐水 |
| 外科胶带 | Fisher Scientific | 12960495 | |
| 他莫昔芬 | Sigma | T5648 | TAM,注射前避免溶液过度冷却,否则化合物会析出。溶液可重复使用——使用间储存于-20 °C,加热次数不超过两次。 |
| TBS/T | Cell Signalling | #9997 | |
| 三乙醇胺盐酸盐 | Sigma | T1502 | |
| Tris-HCl | Invitrogen | 15567-027 | |
| Tween20 | Sigma | TP9416 | |
| VectaMount | Vector Labs | H-5000 | |
| 含DAPI的VectaShield Hardset封片剂 | Vector Labs | H-1500 | |
| Vectastain ABC试剂盒 | Vector Labs | PK-4001 | |
| X-gal | Promega | V3941 | |
| X-gal固定液 | * | * | 1×PBS中含2% 甲醛和0.1% 戊二醛 |
| X-gal染色液 | * | * | X-gal染色液:50 ml 溶液B中加入200 μl X-gal(A)(溶液B:500 ml PBS中含0.214 g MgCl2、0.48 g 铁氰化钾、0.734 g 亚铁氰化钾)。溶液B可预先配制并储存于4 °C |
| 二甲苯 | Fisher Scientific | X/0200/21 |
表1: 材料与方法
| 靶标 | beta-Catenin | Lysozyme | Ki67 | Caspase-3 | Villin |
| 一抗商业来源 | Transduction Labs | Neomarkers | Vector Labs | R&D Systems | Santa Cruz |
| 目录编号 | 610154 | RB-372 | VP-K452 | AF835 | SC-7672 |
| 一抗宿主来源 | 小鼠 (mAb) | 兔 (pAb) | 小鼠 (mAb) | 兔 (pAb) | 山羊 (pAb) |
| 抗原修复 | 沸水浴/柠檬酸缓冲液 | 沸水浴/柠檬酸缓冲液 | 沸水浴/柠檬酸缓冲液 | 沸水浴/柠檬酸缓冲液 | 沸水浴/柠檬酸缓冲液 |
| 过氧化物酶封闭 | Bloxall 或 2% H2O2,45 秒 | Bloxall 或 1.5% H2O2,30 分钟 | Bloxall 或 0.5% H2O2,20 分钟 | Bloxall 或 2% H2O2,45 秒 | Bloxall 或 3% H2O2,20 分钟 |
| 血清封闭 | 1% BSA,30 分钟 | 10% NGS,30 分钟 | 20% NRS,20 分钟 | 10% NGS,45 分钟 | 10% NRS,30 分钟 |
| 洗涤缓冲液 | PBS | TBS/T | TBS/T | PBS | TBS/T |
| 一抗孵育条件 | 1/300,室温 2 小时 | 1/100,室温 1 小时 | 1/50,室温 1 小时 | 1/750,4°C 过夜 | 1/500,室温 1 小时 |
| 二抗 | Immpress HRP Anti-Mouse IgG Kit | Immpress HRP Anti-Rabbit IgG Kit | Biotinylated Rabbit anti-Mouse | Biotinylated Goat anti-Rabbit | Biotinylated Rabbit anti-Goat |
| 二抗孵育条件 | 室温 1 小时 | 室温 30 分钟 | 1/200,室温 30 分钟 | 1/200,室温 30 分钟 | 1/200,室温 30 分钟 |
| 信号放大 | N/A | N/A | ABC 试剂盒 | ABC 试剂盒 | ABC 试剂盒 |
| 信号检测 | ImmPACT DAB Peroxidase | ImmPACT DAB Peroxidase | ImmPACT DAB Peroxidase | ImmPACT DAB Peroxidase | ImmPACT DAB Peroxidase |
| 免疫荧光抗体 | Alexafluor 488 | Alexafluor 594 | N/A | N/A | N/A |
| 免疫荧光特性 | 激发最大值 488 / 发射最大值 525 | 激发最大值 595 / 发射最大值 617 | |||
| 常用滤光片组 | FITC | Texas Red |
表2:免疫组化抗体及实验条件
利用条件性 cre-lox 转基因小鼠来解析基因和细胞的功能是一种常用的方法。这些模型已在肠道研究中成功应用于鉴定和表征干细胞2,4-6,并阐明其在疾病中的作用25。要充分运用这些模型,必须对系统进行全面表征,以确保数据能够被正确解读。由于基因很少仅特异性地表达于单一细胞类型或特定位置,加之生物学知识的缺乏以及诱导 Cre 表达系统的效率有限,全面理解这些系统往往具有挑战性。本文所述方法展示了我们如何通过实验设计并结合已有知识来克服这些问题。尽管我们使用这些方法回答了一个特定的研究问题,但所介绍的技术具有通用性,可应用于任何针对小鼠肠道的研究。
肠道组织的制备
确保获得可靠结果的关键步骤在于组织的采集与处理,必须及时进行处理,并严格遵守固定方案。几乎所有后续出现的重大问题都可归因于组织干燥和/或固定不完全所导致的假象。时间控制至关重要,以防止组织结构和/或核酸与蛋白质发生降解。固定不充分或过度均可能导致组织化学分辨率的丧失。若因固定时间不足或组织切片过厚而影响固定液渗透,会造成肠隐窝内部分辨率下降,在免疫组化分析中表现为“潮汐线”样改变。此外,固定时间也不可过长,因为在福尔马林固定后若未立即进行后续处理和石蜡包埋,核内β-catenin可能从细胞核中扩散出来。
潘氏细胞在肠干细胞微环境中的作用
本文所展示的数据有效地表明了潘氏细胞在成年肠道肠干细胞丢失后隐窝再生过程中的重要性。然而,仍存在一种可能性,即Ah-cre 系统可能保留了一部分肠干细胞群体,而这些群体可被vil-Cre-ERT2 靶向。Tian et al.26 精妙地证明了Lgr5hi 肠干细胞会被一群Lgr5lo 的备用肠干细胞所取代。目前看来,在Ah-cre 系统中这些肠干细胞可能因备用群体已被确认为分泌细胞前体而得以保留6,7。当这些分泌细胞前体需要逆转为肠干细胞状态时,成熟潘氏细胞在支持这一过程中的作用仍有待阐明。由于潘氏细胞构成了肠干细胞微环境8,并在调节肠干细胞对热量摄入27和炎症反应28中发挥重要作用,因此它们的滋养功能很可能也延伸至其自身的前体细胞。
有效建模人类结直肠癌的新方法与新技术
ISC 的发现促使了相关基因的鉴定,这些基因现正被用于构建新的小鼠模型,以研究基因和细胞在肠道生物学与疾病中的作用,详见 Clarke 的综述 等9该技术的唯一局限在于确定表达Cre蛋白的基因。目前,肠干细胞(ISCs)通常利用基于 Lgr5 基因表达模式。表达该基因的小鼠 Cre 从 Lgr5 启动子已被用于删除 Apc,结直肠癌(CRC)中最常发生突变的基因,证明了肠干细胞(ISC)是该肿瘤的起源细胞25选择性地删除这些细胞中的其他结直肠癌相关基因,有助于揭示疾病进展和扩散的机制 例如. PTEN29通过特异性消融进一步揭示ISC功能 Lgr5-利用将人源白喉毒素受体(DTR)基因敲入小鼠基因组的方法标记表达特定基因的细胞 Lgr5 位点26其他策略采用 Tet-O 系统,可实现突变蛋白的持续可逆表达30利用这些工具在不同细胞中对基因进行修饰31 和位置32,33 用于了解癌症如何发生、发展和转移34或者,利用睡美人转座子系统进行的诱变正在识别结直肠癌(CRC)新的驱动因子。小鼠模型、技术及基因改造策略的持续发展,正不断推动建立更贴近患者情况的模型。
已开发出用于表征肠上皮细胞和肠干细胞(ISCs)的新方法。通过凝集素和CD24的差异表达,可利用流式细胞术实现对不同类型上皮细胞比例的表征。35. 有望通过以下方法在理解ISC生物学及其在疾病中的作用方面取得最大进展 离体 类器官培养系统36该系统可使正常和恶性肠干细胞在三维环境中培养,在此环境中它们能够以更接近生理条件的方式进行增殖和分化。有望利用该系统对患者样本直接进行药物测试。 体外 为个性化医疗铺平道路37.
作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢 Mark Bishop、Mathew Zverev、Victoria Marsh-Durban、Adam Blackwood 和 Sylvie Robine 的贡献。本工作由英国癌症研究基金会的项目资助支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 乙酸盐缓冲液 | * | * | 配制100 ml溶液:0.2 M 乙酸4.8 ml,0.2 M 乙酸钠45.2 ml &和 50 ml 蒸馏水 |
| 乙酸 | Fisher Scientific | C/0400/PB17 | |
| 乙酸酐 | Sigma | A6404 | |
| 乙酸酐溶液 | * | * | 0.1 M 盐酸三乙醇胺中的 2 M 乙酸酐 |
| 阿利新蓝 | Sigma | A5268 | |
| 阿尔新蓝 pH 2.5 | * | * | 配制500 ml溶液:15 ml 乙酸,5 g 阿利新蓝 & 485 ml 蒸馏水 |
| 抗地高辛碱性磷酸酶偶联抗体 | Abcam | ab119345 | |
| B(β)-萘黄酮 | Sigma | N3633 | BNF,注入时避免溶液过度冷却,否则化合物会析出。溶液可重复使用 – -20 保存 °使用间隙需冷却至室温,加热次数不得超过两次。 |
| Bloxall | Vector Labs | SP-6000 | |
| BM 紫色 | 罗氏 | 11442074001 | |
| BSA | Sigma | A4503 | 牛血清白蛋白 |
| 氯仿 | Fisher Scientific | C/4920/17 | |
| 柠檬酸盐缓冲液/抗原修复液 | Vector Laboratories | H-3300 | |
| 玉米油 | Sigma | C8627 | |
| 去黏液溶液 | * | * | 500 ml 配方:50 ml 甘油,50 ml 0.1 M Tris(pH 8.8),100 ml 乙醇,300 ml 生理盐水(0.9% NaCl 水溶液),DTT 1.7 g 去黏液溶液可预先配制并储存,但DTT应在孵育前添加(340 mg/100 ml)。 |
| DEPC处理水 | Life Technologies | 750023 | |
| DTT | Sigma | 101509944 | |
| EDTA | Sigma | O3690 | 0.5 M |
| 乙醇 | Fisher Scientific | E/0650DF/17 | |
| 滤纸 | Whatman | 3000917 | |
| 甲醛 | Sigma | F8775 | |
| 甲醛 | Sigma | SLBL11382V | 中性缓冲甲醛 |
| 甲酰胺 | Sigma | F5786 | |
| 戊二醛 | Sigma | G6257 | |
| H2O2 | Sigma | 216763 | |
| 苏木精 | Raymond A Lamb | 12698616 | |
| HBSS | Gibco | 14175-053 | HBSS(-MgCl₂ +;-CaCl₂) |
| 杂交缓冲液 | * | * | 5× SSC、50% 甲酰胺、5% SDS、1 mg/ml 肝素、1 mg/ml 小牛肝 tRNA |
| 氢醌 | Sigma | H9003 | |
| ImmPACT DAB 过氧化物酶 | Vector Laboratories | SK-4105 | |
| Immpress HRP Anti-Mouse IgG 试剂盒 | Vector Labs | MP-7402 | |
| Immpress HRP 抗兔 IgG 试剂盒 | Vector Laboratories | MP-7401 | |
| 肠道组织粉末 | * | * | 将5只成年小鼠的小肠合并,在最小体积的冰冻PBS中匀浆。向匀浆后的肠道组织中加入4倍体积的冰冻丙酮,充分混匀后于冰上孵育30分钟。随后进行离心,沉淀用冰冻丙酮洗涤。再次离心后,将所得沉淀铺于滤纸上,静置干燥。待样品完全干燥后,用研钵和研杵研磨成细粉。 |
| K-铁氰化钾 | Sigma | P-3667 | |
| K-亚铁氰化物 | Sigma | P3289 | |
| 左旋咪唑 | Sigma | L0380000 | |
| Methacarn | * | * | 60% 甲醇 : 30% 氯仿 : 10% 乙酸 |
| 甲醇 | Fisher Scientific | M/4000/17 | |
| MgCl2 | Sigma | M8266 | |
| 正常山羊血清 | Vector Laboratories | S-1012 | NGS |
| 正常兔血清 | Dako | X0902 | NRS |
| NTMT | * | * | 100 mM NaCl,100 mM Tris HCl,50 mM MgCl2,0.1% Tween20,2 mM 左旋咪唑 |
| PAP笔 | 载体 | H-400 | |
| 多聚甲醛 | Sigma | P6148 | |
| PBT | * | * | 0.5 M NaCl,10 mM TrisHCl pH 7.5,0.1% Tween 20 |
| 青霉素/链霉素 | Gibco | 15140-122 | 100倍浓缩液 |
| 磷酸盐缓冲液(10倍浓度) | Fisher Scientific | BP3994 | 用蒸馏水按1:10比例稀释,配制成1x溶液 |
| PLL载玻片 | Sigma | P0425-72EA | 多聚-L-赖氨酸载玻片 |
| 蛋白酶K | Sigma | P2308 | |
| 蛋白酶K溶液 | * | * | 稀释蛋白酶K至200 µg/ml,溶于50 mM Tris、5 mM EDTA中。 |
| Ralwax | BDH | 36154 7N | |
| 还原剂溶液 | * | * | 配制100 ml溶液:1 g 氢醌,5 g 亚硫酸钠 && 100 ml 蒸馏水 |
| RnaseA | Sigma | R6148 | |
| 生理盐水 | * | * | 蒸馏水中0.9% NaCl |
| SDS | Sigma | I3771 | |
| 羊血清 | Sigma | S3772 | |
| 硝酸银 | Sigma | S/1240/46 | |
| 银溶液 | * | * | 配制100 ml溶液:10 ml 乙酸盐缓冲液,87 ml 蒸馏水,3 ml 1% 硝酸银 |
| 乙酸钠 | Fisher Scientific | S/2120/53 | |
| 氯化钠 | Sigma | S6753 | NaCl |
| 亚硫酸钠 | Sigma | 239321 | |
| SSC | Sigma | 93017 | 20x 柠檬酸钠盐水 |
| 手术胶带 | Fisher Scientific | 12960495 | |
| 他莫昔芬 | Sigma | T5648 | TAM,在溶液未过度冷却前进行注射,以免化合物析出。溶液可重复使用 – -20储存 °使用间隙需冷却至室温,且加热次数不得超过两次。 |
| TBS/T | 细胞信号传导 | #9997 | |
| 三乙醇胺盐酸盐 | Sigma | T1502 | |
| Tris-HCl | Invitrogen | 15567-027 | |
| Tween 20 | Sigma | TP9416 | |
| VectaMount | Vector Laboratories | H-5000 | |
| 含DAPI的VectaShield封片剂 | Vector Labs | H-1500 | |
| Vectastain ABC试剂盒 | Vector Labs | PK-4001 | |
| X-gal | Promega | V3941 | |
| X-gal 固定液 | * | * | 2% 甲醛,0.1% 戊二醛,溶于 1x PBS 中 |
| X-gal 染色 | * | * | X-gal 染色;200 μl X-gal(A)溶于50 ml溶液B(0.214 g MgCl₂、0.48 g 铁氰化钾、0.734 g 亚铁氰化钾溶于500 ml PBS中)。 溶液B可预先配制,并在4℃保存 °C |
| 二甲苯 | Fisher Scientific | X/0200/21 |