我们提供了一种详细的实验方案,利用基因编码的BAS FRET传感器在活细胞中研究胆汁酸动态。该胆汁酸传感器是一种独特的工具,可用于在多种细胞类型中研究胆汁酸转运及其调控以及FXR的激活。
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我们提供了一种详细的实验方案,利用基因编码的BAS FRET传感器在活细胞中研究胆汁酸动态。该胆汁酸传感器是一种独特的工具,可用于在多种细胞类型中研究胆汁酸转运及其调控以及FXR的激活。
荧光共振能量转移(FRET)已成为监测单个细胞中蛋白质折叠、相互作用和定位的有力工具。基于FRET原理的生物传感器实现了在活细胞中以高时间和空间分辨率实时可视化亚细胞信号事件。本文介绍了基因编码的胆汁酸传感器(BAS)的应用,该传感器由两个荧光团与法尼醇X受体配体结合域(FXR-LBD)融合而成,从而形成一种可被多种胆汁酸及其他(合成)FXR配体激活的胆汁酸传感器。该传感器可靶向至不同的细胞区室,包括细胞核(NucleoBAS)和细胞质(CytoBAS),以实现对局部胆汁酸浓度的测量。该方法无需使用荧光标记或放射性核素,即可快速、简便地定量细胞内胆汁酸的流入、流出以及内源性胆汁酸的亚细胞分布。此外,BAS FRET传感器还可用于监测FXR配体的结合情况。最后,我们展示了该FRET生物传感器可与其他光谱不同的荧光团成像相结合,从而在同一细胞中联合分析细胞内胆汁酸动态变化与i)目标蛋白的定位和/或丰度,或ii)细胞内信号传导过程。
荧光共振能量转移(Förster Resonance Energy Transfer, FRET)被广泛用于以高时间和空间分辨率深入理解活细胞中的细胞功能1。在FRET过程中,激发态的供体荧光团的能量会转移至受体荧光团。FRET效率高度依赖于供体与受体荧光团之间的距离及其相对取向,因此可灵敏地反映影响这两个荧光团的构象变化。该现象被用于构建基于FRET的生物传感器,以实现对小分子的成像。其浓度变化可通过受体与供体荧光团发射光强度比值的升高或降低进行监测2。例如,基于FRET的钙离子生物传感器可实现对活细胞内游离钙离子浓度的快速且稳定的检测3。基于FRET的生物传感器其他优势还包括可在单个活细胞中进行成像、具有非侵入性、并可靶向不同类型的细胞及细胞器4。
细胞内胆汁酸动态的许多方面目前仍知之甚少。例如,关于结合型与非结合型胆汁酸转运调控机制的研究仍十分有限。现有的监测该转运过程的技术主要依赖基于荧光素酶的报告系统、放射性标记的胆汁酸或荧光标记的胆汁酸类似物。其中,后者需要对胆汁酸进行化学修饰,可能影响其原有性质;基于荧光素酶的报告系统则时间分辨率较差。此外,这些技术通常导致样本损耗,且不适用于单细胞成像。因此,若能采用基于FRET生物传感器的方法实现活体单细胞水平的转运活性成像将具有显著优势,尤其是该方法具备比例检测(ratiometric detection)的优点5,6。尽管CFP/YFP变体是最常用的FRET配对组合,但近年来利用携带自缔合诱导突变的mOrange和mCherry所开发的新策略,已拓展了FRET工具箱,催生了包括红移胆汁酸传感器在内的多种新型传感器7。
我们先前构建了一种基因编码的FRET胆汁酸传感器(BAS),该传感器由供体荧光蛋白(cerulean)和受体荧光蛋白(citrine)组成,二者与法尼醇X受体(FXR)的配体结合结构域(FXR-LBD)以及一段含有LXXLL基序的肽段融合8。该肽段以胆汁酸依赖的方式与FXR-LBD结合。当FXR被激活时,由于发生构象变化,citrine与cerulean之间的距离会发生改变。在哺乳动物细胞系中,FXR激活会导致citrine/cerulean比值显著升高,而纯化的传感器则表现出相反的趋势,即FXR激活后FRET比值下降。该传感器(CytoBAS)可用于监测细胞质中胆汁酸的动态变化。通过在羧基末端添加亚细胞定位基序,可将BAS构建体靶向定位于细胞核(NucleoBAS)和过氧化物酶体(PeroxiBAS),从而实现对不同细胞区室中胆汁酸浓度的测量。尽管添加过氧化物酶体靶向基序并未影响其对胆汁酸的响应能力,但细胞可渗透的FXR配体并未引起过氧化物酶体内PeroxiBAS的任何FRET信号变化8。由于这一差异的原因尚不明确,本实验方案主要聚焦于CytoBAS和NucleoBAS。
最近在表达肝胆汁酸转运蛋白Na+/牛磺胆酸共转运多肽(NTCP)和有机溶质转运蛋白α/β(OSTαβ)的细胞中验证了这种基因编码的FRET传感器的应用8。NTCP是肝脏胆汁酸主要的摄入转运蛋白,而OSTαβ是一种位于肠上皮基底侧的胆汁酸转运蛋白,可根据电化学梯度作为摄入或外排转运蛋白发挥作用9,10。最新数据显示,在NTCP和/或OSTαβ介导胆汁酸转运后,可观察到由配体-FXR-LBD相互作用引起的FRET比值显著且快速的变化。
本文详细描述了用于测量FRET的方法,包括共聚焦显微镜分析和荧光激活细胞分选(FACS)的实验方案,重点说明了关键步骤,讨论了可能遇到的问题,并介绍了替代方法。利用这种基因编码的FRET传感器,可在活细胞中直接定量并监测胆汁酸与FXR-LBD的相互作用,为实时观察胆汁酸的转运与动态变化提供了一种快速而简便的方法。编码CytoBAS和NucleoBAS的哺乳动物表达质粒可商业获取。因此,该生物传感器有望进一步促进对胆汁酸转运蛋白或FXR激活化合物的研究,加深对胆汁酸生物学及其信号通路的理解。
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1. 瞬时转染
注意:CytoBAS 和 NucleoBAS(参见材料表)已在多种细胞类型中成功使用(U2OS、Huh7、HepG2、H69、MDCK 和 HEK293T 细胞)。使用该传感器的主要要求是其必须在细胞内表达,因此编码该传感器的 DNA 需进入细胞。
2. 稳定转染
3. 慢病毒转导
注意:某些细胞系使用聚乙烯亚胺(PEI)等传统方法转染较为困难。病毒转导细胞是基因递送和稳定外源基因表达的一种高效替代方法。
4. 胆汁酸传感器的活细胞成像
注意:含有胆汁酸转运蛋白的细胞可在含1-10%活性炭过滤血清的培养基中培养,该处理可去除疏水性化合物。普通血清常含有胆汁酸,可能导致细胞内胆汁酸蓄积并使胆汁酸传感器饱和。
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本研究中展示的FRET-BAS传感器基于法尼醇X受体(FXR)的配体结合结构域(LBD-FXR),其上连接有两种荧光蛋白(citrine和cerulean)以及一个LXXLL基序。该传感器可用于在活细胞中以高时空分辨率研究胆汁酸的转运过程(图1A)。通过对citrine和cerulean引入突变,促进分子内复合物的形成(图1B)。胆汁酸及其他FXR配体结合至FXR后,通过构象变化改变citrine与cerulean之间的距离。在活体哺乳动物细胞中,这导致FRET效率升高(citrine信号增强,cerulean信号减弱)(图1C、图1D)。在利用共聚焦显微镜进行的活细胞定量强度型FRET实验中观察到,表达缺乏胆汁酸转运蛋白的NucleoBAS的U2OS细胞经牛磺鹅去氧胆酸(TCDCA,30 µM)处理后未出现FRET变化,而经GW4064(5 µM)处理后,其平均citrine/cerulean比值显著升高(图1C
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本文介绍了一种新型遗传编码胆汁酸传感器的详细使用方案,该传感器能够监测活细胞中胆汁酸转运的时空动态。该生物传感器由青色荧光蛋白(cerulean)和黄色荧光蛋白(citrine)组成,二者与FXR-LBD融合,从而形成基于荧光共振能量转移(FRET)的胆汁酸传感器(BAS)。
当具备细胞培养以及FACS或(共聚焦)显微镜操作的基本经验时,胆汁酸传感器的使用相对简单且便捷。然而,某些方面可能需要进行故障排查。当将胆汁酸传感器与胆汁酸转运蛋白联合使用时,建议使用经活性炭过滤处理的血清培养细胞。活性炭可通过吸附作用进一步降低血清中的胆汁酸水平。特别是在表达诸如NTCP等摄取转运蛋白的情况下,这一点至关重要,可防止在培养过程中传感器被饱和,因为这是实验中传感器灵敏度降低最常见的原因。因此,研究人员构建了另一种传感器(NucleoBAS N354K/I372V),其含有可改变胆汁酸敏感性的突变,从而扩大了动态检测范围8。为了判断传感器是否已经饱和,可将实验细胞中的黄荧光蛋白/青色荧光蛋白(citrine/cerulean)比值与未表达任何胆汁酸转运蛋白的对照细胞中的比值...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本工作得到了欧洲研究理事会启动基金(ERC-2011-StG 280255 和 ERC-2013-StG 337479)以及荷兰健康研究与发展组织(Vidi 91713319)的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| CytoBAS | Addgene | 62860 | |
| NucleoBAS | Addgene | 62861 | |
| 杜氏改良伊格尔培养基(DMEM) | Lonza | BE12-614F | 高糖,不含L-谷氨酰胺 |
| 青霉素-链霉素(pen/strep) | Lonza | 17-602E | |
| L-谷氨酰胺(200 mM) | Lonza | 17-605E | |
| 胎牛血清(FBS) | Invitrogen | 102-70 | |
| 胰蛋白酶-EDTA(10倍浓度) | Lonza | CC-5012 | |
| T-25 细胞培养瓶 | VWR international | 392-0253 | 层粘连蛋白包被 |
| T-175 细胞培养瓶 | VWR international | 392-0238 | 层粘连蛋白包被 |
| 6孔板 | VWR international | 734-0229 | 聚-L-赖氨酸和层粘连蛋白包被 |
| 10 cm 培养皿 | VWR international | 392-0243 | 层粘连蛋白包被 |
| 二乙氨基乙基(DEAE)-葡聚糖 | Sigma-Aldrich | D9885 | |
| 聚乙烯亚胺(PEI) | Brunschwig | 23966-2 | |
| G418(遗传霉素)50 mg/ml | Invitrogen | 10131-027 | |
| 潮霉素B,50 mg/ml | Invitrogen | 10687-010 | |
| 克隆环(6 × 8 mm) | Bellco | 2090-00608 | |
| L-15 莱博维茨培养基 | Invitrogen | 21083-027 | 不含酚红 |
| 聚苯乙烯圆底管(5 ml),流式管 | Falcon BD | 352008 | 无盖,非无菌 |
| Falcon 2,063 管(5 ml) | Falcon BD | 352063 | snap cap,无菌 |
| Nunc Lab-Tek 8孔盖玻片 | Thermo scientific | 155409 | 无菌 |
| 活性炭处理的FBS | Life technologies | 12676011 | |
| GW4064 | Sigma-Aldrich | G5172 | |
| TCDCA | Sigma-Aldrich | T6260 | |
| CDCA | Sigma-Aldrich | C9377 | |
| 其他化学品 | Sigma-Aldrich | n.v.t. |
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