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方法文章

通过多重荧光检测染色体间稳定畸变 原位 辐射小鼠中的多重荧光原位杂交(mFISH)与光谱核型分析(SKY)

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DOI:

10.3791/55162

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2017年1月11日

本文内容

摘要

本实验方案描述了多重荧光技术的应用价值 原位 杂交(mFISH)和光谱核型分析(SKY)在识别小鼠全身照射后骨髓细胞中染色体间稳定畸变中的应用

摘要

电离辐射(IR)可诱导产生多种稳定和不稳定的染色体畸变。不稳定的畸变通常表现为染色体形态显著受损,可通过常规染色体染色技术轻松识别。然而,稳定畸变涉及遗传物质的交换或易位,染色体形态变化不大,因此需要依赖复杂的染色体涂染技术进行检测,该技术基于 原位 荧光标记DNA探针的杂交,一种被称为荧光原位杂交的染色体显带技术 原位 杂交(FISH)。FISH探针可针对整条染色体或染色体上的特定亚区域。该方法不仅能够可视化稳定的染色体畸变,还可用于检测参与特定畸变形成的染色体或特定DNA序列。细胞遗传学中存在多种染色体涂染技术;本文介绍两种高灵敏度的方法:多重荧光 原位 杂交(mFISH)和光谱核型分析(SKY)被用于鉴定小鼠全身照射后骨髓细胞中形成的染色体间稳定型畸变。尽管这两种技术均依赖于荧光标记的DNA探针,但其信号检测方法及荧光信号的图像采集过程有所不同。这两种技术已广泛应用于多个研究领域,如辐射生物学、肿瘤细胞遗传学、辐射生物剂量回顾性估算、临床细胞遗传学、进化细胞遗传学以及比较细胞遗传学。

引言

识别辐射诱导的染色体间稳定畸变最可靠的两种方法是多重荧光原位杂交 原位 杂交(mFISH),可同时标记两条或更多条染色体,以及光谱核型分析(SKY),后者为基因组中每一对同源染色体赋予独特的颜色。与不稳定畸变不同,稳定畸变具有持久性,可在受照群体中持续存在并传递至若干代1,被视为辐射诱导的细胞遗传学损伤的关键分子“标志”2多项研究已表明,稳定的染色体畸变与包括癌症在内的多种疾病的发病机制及发展过程相关。3在染色体涂染(也称为分子细胞遗传学)时代之前,传统的G显带技术是检测稳定染色体畸变的唯一方法。然而,染色体显带对细胞遗传学家而言具有挑战性,因为其分辨率有限、重复性不确定、操作过程耗时耗力,且需要高度熟练和经验丰富的细胞遗传学家才能进行可靠的数据解读。4此外,经典的显带技术无法检测复杂的染色体重排,这类重排涉及两个或更多染色体上分布的三个或更多断裂点,是辐射损伤的常见结果。复杂的染色体畸变可在个体中持续多年,因此适用于辐射剂量的回顾性生物估算。5因此,需要采用一种替代方法来克服传统显带技术在检测稳定染色体畸变方面的局限性。

20世纪60年代末,Gall和Pardue(1969年)在利用放射性标记核酸探针进行分子杂交方面的开创性工作,开启了细胞遗传学领域的新纪元,使得染色体上特定DNA序列的检测成为可能6。然而,使用放射性探针进行分子杂交存在若干缺点:放射性探针相对不稳定,其活性依赖于所用同位素的放射性衰变,杂交过程耗时较长,分辨率有限,探针成本相对较高,且放射性材料对健康有害。因此,开发和设计非放射性探针变得十分必要。20世纪80年代和90年代,荧光标记核酸探针的引入克服了放射性探针的局限性,显著提高了杂交技术的安全性、灵敏度和特异性7-10。在配备适当激发和发射滤光片的荧光显微镜下观察时,荧光探针可产生极为明亮的信号。通过该FISH技术,染色体或其部分的任何缺失、增加或重排均能被轻易识别。

荧光原位杂交染色技术对染色体畸变的分析多年来显著推动了细胞遗传学研究的发展。针对从位点特异性探针到全染色体涂染探针等特定应用设计的荧光标记探针,极大地促进了该领域的发展;同时也使得检测亚显微水平的(“隐匿性”)重排成为可能,而此类重排在传统染色体显带技术下无法被发现。多色荧光原位杂交(mFISH)和光谱核型分析(SKY)已被证实是识别简单及复杂染色体间重排的有力工具。这两种技术的基本原理相似,但在荧光信号的检测与分辨方法上存在差异。 原位 杂交和图像采集过程有所不同。在mFISH中,通过使用窄带通显微镜滤光片,分别捕获四种荧光染料各自的单色图像,然后利用专用软件将这些图像合并。而在SKY中,图像采集基于落射荧光显微镜、电荷耦合器件成像和傅里叶光谱技术的结合,可在一次曝光中对所有图像点的完整发射光谱进行测量。在mFISH和SKY中,均首先独立采集单色图像,随后将图像合并,最后根据连接到每种荧光染料探针上的特异性染料,为单色图像中的染色体分配独特的伪彩色。

多色荧光原位杂交(mFISH)与光谱核型分析(SKY)在辐射生物学领域中的贡献显著,尤其在电离辐射(IR)人体暴露的回顾性剂量估算(辐射生物剂量学)11-14、辐射致癌风险评估15,以及放射治疗相关继发性癌症的检测与风险评估16方面具有重要意义。最近一项针对小鼠的研究表明,基于荧光原位杂交的染色体涂染技术也是评估辐射防护措施有效性的关键工具17。在本研究中,采用mFISH与SKY技术,证实了全身辐射暴露对小鼠骨髓细胞中稳定染色体畸变诱导的影响。

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方案

所有动物实验均严格遵循美国国立卫生研究院《实验动物护理和使用指南》中的建议进行。动物实验方案已获阿肯色大学医学科学分校机构动物护理和使用委员会批准。所有动物均饲养于标准空调动物设施中,温度为 20 ± 2 °C,每小时换气 10 - 15 次,并可自由获取标准啮齿类动物饲料和饮水。动物到达后,小鼠需进行为期 1 周的隔离检疫,并提供经认证的啮齿类动物饲料。

1. 辐射暴露与 体内 中期细胞的阻滞

  1. 将未麻醉的小鼠置于照射室中,接受2 Gy全身辐射。照射期间,将小鼠放入通风良好的固定装置中,确保其不能自由移动,以获得均匀的辐射剂量。
  2. 使用连接1 mL一次性注射器的25 G针头,向小鼠腹腔注射100 µL 0.05%秋水仙素溶液(将秋水仙素粉末溶于无钙无镁的PBS中)。避免将溶液直接注入任何器官。
  3. 注射后将动物在笼中静置2小时,再进行骨髓细胞采集。期间应观察动物是否有疼痛或不适的迹象。

2. 通过密度梯度离心法获取骨髓细胞并分离骨髓单个核细胞

  1. 通过 CO2 窒息法处死小鼠。
  2. 在小鼠背部和腹部喷洒 70% 乙醇。
  3. 用锋利的剪刀在腹部皮肤上做一个 2 cm 的切口。用钝头镊子夹住切口两侧的皮肤,轻轻拉开腹肌。
  4. 用剪刀剪下两只后肢,并立即放入含 4% FBS 的预冷 PBS 中。
  5. 用锋利的剃刀和棉纱布仔细清除附着在后肢上的所有肌肉组织。
  6. 将胫骨与股骨分离。用剃刀修去每根骨头的两端。
  7. 使用连接在 3 mL 注射器上的 23 G 针头,以 3 mL PBS(含 4% FBS)冲洗骨髓内容物,并将冲洗液收集至 15 mL 离心管中。将细胞悬液至少通过针头吹打 10 次,以制成单细胞悬液。
  8. 小心地将细胞悬液叠加到等体积的淋巴细胞分离液(3 mL)上,避免破坏细胞悬液与淋巴细胞分离液之间的界面。在室温下以 400 × g 离心 30 分钟。
  9. 小心收集中间白膜层,避免扰动其他层,转移至新的 15 mL 离心管中。

3. 中期细胞涂片的制备

  1. 向含有血沉棕黄层的试管中加入 10 mL PBS。
  2. 在室温下以 400 × g 离心 5 分钟。
  3. 小心移除上清液,然后轻轻敲击试管使细胞沉淀重悬,再加入 10 mL PBS。
  4. 在室温下以 400 × g 离心 5 分钟。
  5. 移除上清液时避免扰动细胞沉淀,将沉淀轻轻敲散后,加入 4 mL 预热的低渗 0.075 M 氯化钾溶液,并在轻柔持续振荡下逐滴加入低渗溶液。
  6. 将细胞在 37 °C 水浴中孵育 20 分钟。
  7. 低渗处理后,在 15 mL 试管中加入等体积(4 mL)固定液(甲醇:冰醋酸,3:1 v/v),通过轻轻颠倒试管混合均匀。
  8. 在室温下以 400 × g 离心 5 分钟,弃去上清液。
  9. 轻敲试管使细胞沉淀分散,随后轻轻涡旋数秒,再在持续振荡下逐滴加入 3 mL 固定液,充分混匀。
  10. 室温孵育 30 分钟,然后以 400 × g 离心 5 分钟。
  11. 移除上清液,轻敲试管使细胞沉淀重悬,再加入 3 mL 新鲜固定液。
  12. 在室温下以 400 × g 离心 5 分钟,移除上清液;轻敲试管使沉淀重悬,再加入 3 mL 新鲜固定液。
  13. 重复步骤 3.12 两次。
  14. 在室温下以 400 × g 离心 5 分钟,移除上清液时避免扰动细胞沉淀;然后加入 400 至 600 µL 固定液,用移液器充分混匀。
  15. 取 30 µL 固定后的细胞悬液滴加到预先清洁并润湿、倾斜成 45° 角的载玻片上,室温静置过夜使其完全自然干燥。

4. 通过mFISH进行小鼠染色体涂染

  1. 染色体变性
    1. 将含有中期细胞 spreads 的载玻片置于 2x SSC 溶液中,室温下孵育 2 分钟。
    2. 依次用 70%、80% 和 100% 乙醇洗涤载玻片,每次 2 分钟,进行脱水处理。随后在 65 °C 下孵育 60 分钟。
    3. 在玻璃染色缸中,将 40 mL 变性液(70% 甲酰胺 / 2x SSC;pH 7.0)预热至 70 °C(± 2 °C),持续 30 分钟。将载玻片放入预热的变性液中,孵育 1 至 1.5 分钟,以实现染色体变性。
    4. 立即在冰浴的 70% 乙醇中淬灭载玻片,持续 2 分钟,以终止变性过程并防止变性后的染色体复性。随后用 80% 乙醇洗涤 2 分钟。再用 100% 乙醇重复洗涤一次,持续 2 分钟。最后在室温下完全干燥载玻片。
  2. 探针混合物的变性与杂交
    1. 短暂离心生产商提供的探针混合物,取 10 µL 探针混合物转移至 500 µL 带螺帽的离心管中,在水浴中于 80 °C(± 2 °C)孵育 7 分钟以进行变性。
    2. 将含有探针混合物的离心管置于 37 °C 水浴中孵育 10 分钟。
    3. 将变性后的探针混合物滴加到已变性的染色体载玻片上。
    4. 小心地用 18 mm × 18 mm 的玻璃盖玻片覆盖杂交区域,并通过轻轻按压盖玻片以去除可见气泡。用橡胶胶水密封盖玻片四周,在 37 °C 湿润的杂交盒中避光孵育 12 至 16 小时,以完成杂交。
  3. 杂交后洗涤与信号检测
    1. 小心去除橡胶胶水和盖玻片。
    2. 将载玻片放入预热至 74 °C(± 2 °C)的 0.4x SSC 溶液中,孵育 5 分钟。
    3. 在洗涤液 II(4x SSC / 0.1% Tween-20)中洗涤载玻片 2 分钟。
    4. 滴加 20 µL 含 DAPI 复染剂(1.5 µg/mL)的抗荧光淬灭封片剂,盖上玻璃盖玻片。用实验室纸巾轻轻按压盖玻片以去除气泡和多余封片剂。用指甲油密封盖玻片边缘。
    5. 使用配备适当滤光片的荧光显微镜观察载玻片。

5. 小鼠染色体的光谱核型分析(SKY)

  1. 染色体与探针变性
    1. 将载玻片在室温下置于2x SSC中平衡2分钟,不振荡。
    2. 将载玻片依次在70%、80%和100%乙醇系列中各脱水2分钟(室温)。空气干燥以彻底去除乙醇。
    3. 将40 mL变性溶液(70%甲酰胺/2x SSC;pH 7.0)置于玻璃染色缸中,在水浴中预热30分钟。
    4. 将载玻片放入预热的变性溶液中孵育1至1.5分钟。
    5. 立即把载玻片浸入冰浴的70%乙醇中2分钟,以终止变性过程,并防止变性的染色体重新退火。
    6. 将载玻片依次放入80%乙醇中2分钟,再放入100%乙醇中2分钟(室温)进行脱水。
    7. 将SKY探针(厂家提供的第1管)在80 °C(± 2 °C)水浴中变性7分钟,随后立即转移至37 °C水浴中孵育10分钟。
  2. 探针杂交
    1. 将10 µL变性后的SKY探针加至变性染色体区域。
    2. 小心地将一块18 mm × 18 mm的玻璃盖玻片覆盖在SKY探针上,确保无气泡产生。
    3. 用橡胶胶水密封盖玻片边缘。
    4. 将载玻片置于湿润避光的杂交盒中,在37 °C黑暗条件下孵育24至36小时。
  3. 杂交后洗涤与荧光检测
    1. 小心去除橡胶胶水,避免扰动盖玻片。
    2. 将载玻片放入预热的快速洗涤液(0.4x SSC)中,在72 °C(± 2 °C)水浴中持续振荡5分钟。随后将载玻片浸入洗涤液III(4x SSC/0.1% Tween 20)中,振荡孵育1分钟。
    3. 可选步骤:在杂交区域加入80 µL封闭试剂(厂家提供的第2管),覆盖24 mm × 60 mm塑料盖玻片,在湿润的避光环境中37 °C孵育30分钟。
    4. 轻轻移除塑料盖玻片,并用预热(45 ºC)的洗涤液III洗涤载玻片5分钟。
    5. 加入80 µL Cy5染色试剂(厂家提供的第3管),覆盖24 mm × 60 mm塑料盖玻片,在湿润避光环境中37 °C孵育40分钟。
    6. 将载玻片浸入盛有预热(45 ºC)洗涤液III(4x SSC/0.1% Tween 20)的玻璃染色缸中,在45 °C水浴中振荡孵育2分钟。重复此洗涤步骤3次。
    7. 加入80 µL Cy5.5染色试剂(厂家提供的第4管),覆盖24 mm × 60 mm塑料盖玻片,在湿润避光环境中37 °C孵育40分钟。
    8. 用预热(45 ºC)的洗涤液III洗涤载玻片3次。
    9. 将载玻片倾斜靠在纸巾上以去除多余液体。加入20 µL抗荧光淬灭DAPI试剂(厂家提供的第5管),小心覆盖24 mm × 60 mm玻璃盖玻片,避免引入气泡。用指甲油密封盖玻片边缘,并使用配备SKY图像采集功能的落射荧光显微镜观察。

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结果

全身照射会在受照小鼠的骨髓细胞中诱导出大量染色体畸变。本方案已针对以下方面进行了优化: 体内 辐射暴露后骨髓细胞的有丝分裂阻滞,从受照小鼠后肢采集骨髓细胞,通过密度梯度离心法分离骨髓单个核细胞,制备中期细胞涂片,随后利用mFISH和SKY技术检测辐射诱导的稳定型染色体畸变。采用这些技术进行染色体显带可用于检测并评估多种病理生理状况的风险。

图1 显示了具有正常和异常小鼠1号、2号及3号染色体对的代表性有丝分裂中期细胞展片。图2 显示了正常和异常小鼠有丝分裂中期染色体的光谱核型分析。这些结果表明,电离辐射可在增殖的小鼠骨髓细胞中诱导染色体间稳定型畸变,而骨髓细胞主要由负责自我更新并分化为多种细胞类型的干细胞和祖细胞组成。干细胞和祖细胞中的细胞遗传学改变已被证实与多种临床疾病(包括癌症)相关,并被认为是疾病严重程度和总体生存率的最强预测指标。因此,可以合理推断,电离辐射诱...

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讨论

决定mFISH和SKY成功的关键步骤有多个。第一步也是最关键的一步是优化秋水仙素处理,以 体内 骨髓单个核细胞的有丝分裂阻滞。秋水仙素的浓度和处理时间各自或共同作用,决定了有丝分裂指数以及染色体的凝缩程度——这是实现有效染色体涂染的两个重要前提。过高的秋水仙素浓度或过长的处理时间会导致染色体高度凝缩,不利于后续的变性与杂交。此外,在染色体高度凝缩的中期细胞铺片中准确识别复杂的染色体重排并非易事。对体重在22至26 g的小鼠腹腔注射100 µL 0.05%秋水仙素,处理2 h,可获得数量充足且染色体凝缩程度适中的中期细胞铺片。第二个关键步骤是低渗处理。低渗溶液的体积、处理时间及温度均会影响染色体形态及其在载玻片上的铺展效果。若低渗处理时间过短或温度未达最佳条件,则可能导致染色体铺展不充分,形成染色体重叠的中期细胞铺片。染色体重叠会干扰后续分析 原位 杂交过程、荧光信号的特异性以及重排的正确识别。

第三,低渗后的固定是避免细胞结块形成的重要步骤。应沿离心管壁缓慢加入固定液,并持续轻轻振荡,以获得单细胞悬液。否则,中期细胞 spreads 会困在细胞团...

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披露

作者声明不存在任何竞争性经济利益。

致谢

本研究由阿肯色州空间资助联盟和国家航空航天局资助的国家空间生物医学研究所通过以下项目资助:NNX15AK32A(RP)、RE03701(MH-J)、P20 GM109005(MH-J)以及美国退伍军人事务部(MH-J)。我们感谢阿肯色大学医学科学学院环境与职业健康系项目协调员Christopher Fettes在稿件准备过程中提供的编辑协助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
甲酰胺Sigma-Aldrich221198-100ML
SSC缓冲液 20× 浓缩液Sigma-AldrichS6639-1L
小鼠SKY实验试剂Applied Spectral ImagingFPRPR0030/M40
CAD—浓缩抗体检测试剂盒Applied Spectral ImagingFPRPR0033
定制单色探针—3种颜色;小鼠1号染色体:红色,小鼠2号染色体:绿色,小鼠3号染色体:青色Applied Spectral ImagingFPRPR0182/10
玻璃盖玻片Fisher Scientific12-545B
吐温20Fisher ScientificBP337-100
盐酸,37%,Acros OrganicsFisher ScientificAC45055-0025 
Fisherbrand带螺旋盖的玻璃染色缸 Fisher Scientific08-816
KaryoMAX氯化钾溶液 Life Technologies10575-090
Fisherbrand Superfrost Plus显微镜载玻片Fisher Scientific12-550-15
秋水仙胺粉末Fisher Scientific50-464-757 
Histopaque-1083 Sigma-Aldrich10831
Shepherd Mark I,型号25137Cs 照射仪J. L. Shepherd & AssociatesModel 484B
1 mL注射器BD Biosciences647911
乙醇,200度Fisher ScientificMEX02761
PBS(1× PBS 液体),不含钙和镁Fisher ScientificICN1860454
胎牛血清Fisher Scientific10-437-010
甲醇Fisher ScientificA454SK-4
冰醋酸Fisher ScientificAC295320010
蔡司显微镜ZeissAXIO Imager.Z2

参考文献

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骨髓细胞全身照射中期细胞铺片荧光显微镜染色体显带细胞遗传学分析辐射生物学