在此,我们描述了用于并行监测人胰岛细胞和原代肌管细胞昼夜节律性生物发光及分泌活性的实验设置。为此,我们采用慢病毒载体递送荧光素酶核心钟基因报告系统,随后 体外 通过连续细胞灌流同步化并收集流出液
方法文章
* These authors contributed equally
在此,我们描述了用于并行监测人胰岛细胞和原代肌管细胞昼夜节律性生物发光及分泌活性的实验设置。为此,我们采用慢病毒载体递送荧光素酶核心钟基因报告系统,随后 体外 通过连续细胞灌流同步化并收集流出液
昼夜节律钟存在于所有感光生物中,通过预测外界环境的每日变化,使生物体能够适应外部世界。在过去十年中,人们对昼夜节律钟与生理学大多数方面之间紧密联系的理解取得了显著进展。然而,揭示人类昼夜节律振荡器功能的分子基础仍面临极高的技术挑战。本文详细描述了一种用于培养中的人原代细胞进行长期(2-5天)生物发光记录及流出液培养基收集的实验方法。为此,我们利用慢病毒载体将一种受核心时钟基因启动子调控的荧光素酶报告系统转导至原代细胞中,从而实现激素分泌与昼夜节律性生物发光的同步检测。此外,我们还描述了通过转染靶向CLOCK基因的siRNA来干扰人原代细胞中昼夜节律钟功能的实验条件。本文展示了该方法在人胰岛细胞胰岛素分泌节律调控以及人骨骼肌细胞肌因子分泌节律研究中的应用实例。该实验体系可用于研究人类外周时钟的分子组成,并分析其在生理或病理生理条件下对原代细胞功能的影响。
昼夜节律系统(源自拉丁文 拉丁文 "Circa diem")作为一种适应地球自转的机制,已在所有感光生物中演化形成。在哺乳动物中,该系统呈层级化组织,包括位于下丘脑腹侧视交叉上核的中枢时钟,以及分布于不同器官中的外周(或称从属)振荡器。此外,这些细胞自主的、可自我维持的振荡器几乎在机体所有细胞中均具有功能1。光信号是视交叉上核神经元主要的同步化刺激(Zeitgeber),而从中枢时钟发出的神经和体液信号则可重置外周时钟。此外,由休息-活动节律所驱动的摄食-禁食周期,也是外周时钟的进一步同步化因素2。根据目前的认识,核心时钟的分子构成基于转录与翻译的负反馈环路,这些机制在不同生物间具有保守性。该系统包括转录激活因子BMAL1和CLOCK,二者共同激活负向核心时钟基因PER和CRY的转录。当PER和CRY蛋白水平升高时,会通过抑制BMAL1/CLOCK复合物而抑制自身的转录。另一个辅助环路由核受体REV-ERBs和RORs组成,它们也调控BMAL1和CLOCK的转录。此外,核心时钟蛋白的翻译后修饰事件,包括磷酸化、SUMO化、乙酰化、O-GlcNAc糖基化、降解以及核转位,构成了建立24小时振荡周期的另一重要调控层次3。
越来越多的证据来自啮齿类动物模型的研究,强调了昼夜节律系统在协调代谢和内分泌功能中的关键作用4-5。多项大规模转录组分析表明,进食–禁食周期在周围振荡器的同步化过程中起着核心作用6-8。与这些研究一致,对啮齿类动物和人类进行的代谢组学和脂质组学分析揭示,大量代谢物在组织、血浆和唾液中均以昼夜节律方式振荡9-11。重要的是,大多数激素在血液中表现出昼夜节律5,12-13。此外,相应激素产生组织的外周生物钟可能在局部调控激素的分泌。已在啮齿类动物和人类胰岛细胞中发现细胞自主性的昼夜振荡器14-16。这些振荡器在调控胰岛转录组及其功能方面发挥着重要作用15,17-18。此外,最近研究证实,人骨骼肌管状细胞分泌的肌因子也呈现昼夜节律模式,该节律由这些细胞内运作的细胞自主性振荡器所调控19。
研究人类昼夜节律的多种方法 体内 已被广泛使用。例如,血浆褪黑素或皮质醇水平以及胸部皮肤表面温度(详见参考文献) 3,20) 已被用于评估内源性生物钟。尽管这些方法能够用于研究全身性的昼夜节律振荡 体内,它们远不能提供对不同器官和组织中自由运行的自主昼夜节律的可靠评估。然而,脱离系统性调控的此类研究方法对于理解细胞内分子钟对这些细胞功能的特异性影响而言,将是不可或缺的工具。因此,研究人员已投入大量努力,致力于开发可靠的方法,用于研究在永生化细胞或经同步化的原代培养细胞中的人体生物钟 体外重要的是,已有研究表明,在培养的原代皮肤成纤维细胞中测得的生物钟特征能够很好地反映整个机体的个体化生物钟特性 21荧光和生物发光昼夜节律报告系统的开发极大地推动了这一方法的发展 22-27此外,研究来源于不同外周器官的原代细胞钟,有助于探究人类组织特异性生物钟的分子特性。 3,5,16,19-20,28因此,昼夜节律钟的评估在 体外 利用生物发光报告系统对同步化原代外植体或细胞进行研究,是探索人体外周生物钟的分子构成及其对器官功能影响的极为有效的方法。
本文将介绍评估经同步化处理的人原代胰岛细胞和骨骼肌细胞中昼夜节律基因表达的详细实验方案 体外 以及自主性细胞生物钟紊乱对这些细胞分泌功能的影响。
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伦理声明:本方案中所包含的操作已获得瑞士日内瓦大学医院伦理委员会以及SUD EST IV伦理委员会(协议编号12/111)的批准19。人胰岛是从脑死亡的多器官捐献者的胰腺中分离获得,分离工作在瑞士日内瓦大学医院胰岛移植中心完成,具体方法见我们之前发表的文献16,18;部分人胰岛则购自商业来源。
1. 原代细胞培养的制备
2. 小干扰RNA(siRNA)转染
3. 在活体人类原代细胞中并行进行激素分泌评估的持续长期昼夜节律生物发光记录
4. 同步化人分泌型原代细胞中昼夜节律生物发光记录与激素分泌谱的平行评估
5. 通过连续灌流人原代内分泌细胞获取流出液,测定其中胰岛激素和肌因子水平
6. 生物发光与激素分泌谱的昼夜节律数据集分析
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利用平行生物发光记录评估灌流人胰岛细胞的胰岛激素分泌
在首次提供人类胰岛细胞中运作的生物钟的分子特征描述后 16我们旨在研究生物钟紊乱对胰岛功能和转录的影响 18我们建立了一个高效的 siClock 分散的人类胰岛细胞转染方案(参见 实验方案 (详见方法),导致基因敲低超过80% CLOCK mRNA,以及通过昼夜节律生物发光分析测定的高效时钟基因消融 18葡萄糖刺激的胰岛素分泌(GSIS)分析显示,生物钟紊乱导致基础和刺激状态下的胰岛素分泌显著降低(未展示)。为评估人胰岛细胞在全天候条件下的激素分泌情况,将连续灌流系统连接至发光检测仪(如图所示) 图1B)。人胰岛细胞具有功能性(siControl)或功能障碍的(siClock振荡器被转导了
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本文所述实验设置包括将昼夜节律生物发光报告基因通过慢病毒递送至培养的人原代细胞,随后进行体外同步化处理,并对同一细胞连续数天进行生物发光信号的持续记录,同时平行分析这些细胞的激素分泌情况。该方法为研究人原代细胞中昼夜节律钟的分子机制与功能特性提供了一种高效途径。
供体材料的质量是制备可存活原代组织培养物的重要因素。每次实验开始前都应评估人胰岛的质量。不建议将纯度或/和存活率估计低于70%的胰岛用于此类实验。在解离培养过程中,胰岛细胞倾向于重新建立细胞间连接,这对它们的存活和功能具有重要作用。由于胰岛细胞在培养中不增殖,因此必须以高密度接种,以使细胞能够与邻近细胞形成接触。这可通过将细胞接种于小体积液滴中实现。值得注意的是,低密度胰岛细胞培养中的细胞死亡率更高。请注意,更换培养基时应迅速进行,以避免细胞干燥。
成肌细胞最好在60%融合度时进行传代,因为密度过高可能诱导成肌细胞分化。消化后,应小心重悬并充分分散成肌细胞,以避免形成细胞团块。
在开始灌流实验之...
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作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢来自日内瓦大学的同事们:Jacques Philippe 对本研究提出的建设性意见,Ueli Schibler 在灌流系统开发及科学启发方面提供的宝贵帮助,André Liani 对灌流系统的设计、制造和调试工作的构思,Lesa-Technology LTD 公司在灌流系统及 Drip-biolumicorder 软件开发方面的协助,George Severi 在灌流实验中的帮助,Ursula Loizides-Mangold 对稿件的审阅,以及 Anne-Marie Makhlouf 提供的慢病毒制备;感谢 Etienne Lefai、Stéphanie Chanon 和 Hubert Vidal(法国国家健康与医学研究院,里昂)提供人原代成肌细胞;感谢 Domenico Bosco 和 Thierry Berney(日内瓦大学医院人胰岛移植中心)提供人胰岛。本研究由瑞士国家科学基金会资助项目 No. 31003A_146475/1、瑞士国家科学基金会 Sinergia 项目 No. CRSII3-154405、罗曼德糖尿病研究基金会、Bo Hjelt 基金会、Ernst 与 Lucie Schmidheiny 基金会以及日内瓦学术学会(CD)资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 胰蛋白酶-EDTA | Invitrogen | 25300-054 | 用于肌肉活检消化 |
| 不含钙不含镁的DPBS | Invitrogen | 14190-094 | |
| HAM F-10 | Invitrogen | 41550-021 | 成肌细胞培养 |
| FBS | Invitrogen | 10270 | 培养基补充剂 |
| 青霉素-链霉素 | Sigma | P0781-100 | 培养基补充剂 |
| 庆大霉素 | 轴突 | A1492.0001 | 培养基补充剂 |
| Fungizone | Invitrogen | 15290-026 | 两性霉素B,培养基添加剂 |
| DMEM 1 g/L 葡萄糖 + 丙酮酸钠 + GlutaMAX | Invitrogen | 21885-025 | 用于成肌细胞培养 |
| DMEM 1 g/L 葡萄糖 - Na丙酮酸盐 - 谷氨酰胺替代物 | Invitrogen | 11880-028 | LumiCycle 记录培养基 |
| Glutamax | Invitrogen | 35050-028 | L-丙氨酰-L-谷氨酰二肽,培养基添加物 |
| Accutase | 创新细胞技术 | AT-104 | 用于胰岛细胞解离的细胞解离液 |
| CMRL | Gibco | 21530-027 | 胰岛细胞培养基 |
| 丙酮酸钠 | Gibco | 11360-039 | 培养基补充剂 |
| 15 ml 高透明度聚丙烯锥形管 | Falcon | 352096 | |
| F75 培养瓶 | BD Falcon | 353136 | |
| 3.5 cm 培养皿 | BD Falcon | 353001 | |
| Foskolin | Sigma | F6886 | 腺苷酸环化酶激活剂,用于同步化 |
| 荧光素 | Prolume LTD | 260150 | 记录培养基的补充剂 |
| OptiMEM | Invitrogen | 51985-026 | 用于人胰岛细胞转染的无血清最低限度必需培养基(MEM) |
| Lipofectamine RNAiMAX 试剂 | Invitrogen | 13778-150 | 转染试剂 |
| HiPerFect 试剂 | Qiagen | 301705 | 转染试剂 |
| ON-TARGET plus siCLOCK smartpool | Dharmacon | L-008212-00 | |
| ON-TARGETplus 非靶向 siRNA #1(siControl) | Dharmacon | D-001810-01 | |
| DNeasy 血液 & 组织试剂盒 | Qiagen | 69504 | 用于肌管的DNA提取 |
| RNeasy Plus Mini 试剂盒 | Qiagen | 74104 | 用于成肌细胞融合成管状结构的RNA提取 |
| QIAshredder | Qiagen | 79654 | 用于成肌管的RNA提取 |
| 2 ml 收集管 | Axygen | 311-10-051 | 收集灌流液 |
| 6孔组织培养板 | BD Falcon | 353046 | 收集灌流液 |
| RNeasy Plus Micro 试剂盒 | Qiagen | 74034 | 用于胰岛RNA提取 |
| 人IL-6即用型ELISA试剂盒 | eBioscience | 88-7066-22 | |
| 人胰岛素试剂盒 Mercodia | Mercodia | 10-1113-01 | |
| 盐酸,最小含量37%,p.a. | Acros Organics | 124630010 | 用于裂解缓冲液的配制(375 ml 乙醇 + 7.5% HCl + 117.5% H2O |
| 乙醇(>99.8%) | Fluka 分析 | 02860-1L | 用于裂解缓冲液的制备(375 ml 乙醇 + 7.5% HCl + 117.5% H2O |
| 用于研究的人类胰岛 | Prodo Laboratories | ||
| <强>名称 | <强>公司 | <强>货号 | <强>评论 |
| <强>设备: | |||
| 离心 | Heraeus | Megafuge 1.0R | |
| 水浴锅 | VWR | 1112A | 37℃ °C |
| 组织培养罩 | 更快 | SafeFastElite | |
| 组织培养箱 | Heraeus | HeraCell 150 | 5% CO2 37℃ °C,由于LumiCycle安装导致无水 |
| 组织培养箱 | Heraeus | HeraCell 150 | 5% CO₂2 37℃ °C,由于安装了LumiCycle,无水 |
| 组织培养箱 | 赛默飞世尔科技 | Hera Cell 150i | 5% CO2 37℃ °C |
| 摇床 | Heidolph Instruments | Unimax 1010 | 用于siRNA混合物的振荡 |
| LumiCycle | Actimetrics | ||
| LumiCycle 软件 | Actimetrics | ||
| CosinorJ 软件 | 洛桑联邦理工学院 | 自由获取地址:http://bigwww.epfl.ch/algorithms/cosinorj/ | |
| Rheodyne titan MX | ERC GmbH | 控制自动化开关时序的控制软件 |
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