我们报告了两种细胞同步化方案,可为研究细胞周期特定阶段的相关事件提供背景。我们证明,该方法可用于分析在未受干扰的细胞周期中或在暴露于影响细胞周期的试剂时,特定基因的调控情况。
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* These authors contributed equally
我们报告了两种细胞同步化方案,可为研究细胞周期特定阶段的相关事件提供背景。我们证明,该方法可用于分析在未受干扰的细胞周期中或在暴露于影响细胞周期的试剂时,特定基因的调控情况。
细胞周期的基因表达程序是理解细胞周期依赖性过程及其在癌症等疾病中作用的关键步骤。细胞周期调控的基因表达分析依赖于将细胞同步至特定阶段。本文描述了一种常用的方法,该方法结合了两种互补的同步化方案,用于研究细胞周期中基因表达的周期性变化。这两种方案均基于暂时性地将细胞周期阻滞在某一特定节点。通过羟基脲(hydroxyurea, HU)处理的同步化方案可使细胞停滞在G1晚期/S期早期,解除HU诱导的阻滞后,细胞群体能够均一地进入并行进于S期和G2/M期。通过胸苷和诺考达唑(thymidine and nocodazole, Thy-Noc)处理的同步化方案则将细胞阻滞在有丝分裂早期,解除Thy-Noc诱导的阻滞后,可获得适合用于G1期及S期进入研究的同步化细胞群体。这两种方案的应用均需监测细胞周期分布情况,通常在使用碘化丙啶(propidium iodide, PI)对细胞染色后,通过流式细胞术分析DNA含量来实现。我们表明,联合使用这两种同步化方案是一种可靠的方法,可清晰确定在细胞周期中差异调控的基因(即 E2F1 和 E2F7)的转录谱,从而更深入理解这些基因在细胞周期过程中的作用。此外,我们还表明,该方法适用于基于药物治疗机制的研究(即 丝裂霉素C,一种抗癌剂),因为它能够区分对基因毒性药物有响应的基因与仅受药物所引起的细胞周期扰动影响的基因。
细胞周期各阶段的转换与严格调控的基因表达程序相偶联。这种协调 "开和关" 细胞周期中基因转录的调控被认为由复杂的转录调控系统控制,这些系统不仅调节基因表达的时机,还调控其表达水平。关键细胞周期组分的失调已被证实与多种疾病的发生相关,并且是肿瘤发生的一个明确标志。1,2基因组范围的转录组分析在酵母和哺乳动物细胞中均已表明,大量基因在细胞周期中表现出周期性的基因表达模式,提示细胞周期中的转录波动反映了特定基因产物在精确时相中的时间需求3,4,5.
研究细胞周期调控基因表达的一个主要任务是将细胞同步至特定的细胞周期时相。细胞同步有助于解析基因表达模式与特定细胞周期时相转换之间的关联,从而加深对众多基因调控机制与功能的理解。细胞同步对于研究抗癌药物作用机制也具有重要意义,因为已知化疗药物既会影响基因表达,也会影响细胞周期动力学6,7。然而,通常难以确定经这些药物处理后所导致的基因表达差异是药物处理的直接反应,还是仅仅源于细胞周期分布变化的间接结果。为了区分这两种可能性,应在添加化疗药物之前,先对细胞进行同步化处理,再分析其基因表达情况。
除某些原代细胞(如新分离的淋巴细胞,这类细胞为处于G0期的同质性细胞群体)外8-, 体外 已建立的细胞系在培养中呈异步生长。在常规培养条件下,这些异步增殖的细胞存在于细胞周期的各个时相,但主要集中在G1期。9因此,该背景条件无法为特定细胞周期阶段的功能或基因表达分析提供最佳实验环境。例如 G1、S 等)非转化的永生化细胞系(例如 成纤维细胞)可以通过所谓的生理学方法进行同步化10这些方法基于非转化细胞保留的原始细胞特性,例如细胞接触抑制和生长因子依赖性,以维持持续的细胞周期循环。去除血清并结合接触抑制可使非转化细胞停滞于G0/G1期。然而,细胞周期的同步化进入与进程通常需要进行传代培养,该过程还涉及人为的细胞脱离与重新接种。10最重要的是,该方法不适用于已转化细胞系的同步化,而目前广泛使用的绝大多数细胞系均属于此类,其特征是缺乏细胞接触介导的生长抑制或对生长因子撤除的响应。因此,显然需要采用其他方法来实现细胞周期特定阶段的高效同步化。总体而言,最常用的同步化方法基于使用化学或药物试剂对细胞周期中某一特定节点进行短暂抑制,通常为DNA合成或有丝分裂纺锤体的形成。通过抑制DNA合成可使细胞停滞于G1晚期或S期早期,从而实现细胞同步化。该目的可通过添加如皂苷(mimosine)等核苷酸生物合成抑制剂来实现。11,12,阿糖胞苷(aphidicolin),一种DNA聚合酶抑制剂13,14,羟基脲,一种核糖核苷酸还原酶抑制剂15,16 或过量的胸腺嘧啶核苷17,18另一方面,微管聚合抑制剂(如秋水仙碱或诺考达唑)能够阻断有丝分裂纺锤体的形成,导致细胞在早期M期同步化。19,20,21.
在本研究中,我们描述了一种基于瞬时化学抑制的双互补同步化方案,用于在 mRNA 水平上研究细胞周期调控基因的表达。该方法对于明确细胞周期相关基因在特定细胞周期过程中的作用至关重要。此外,该方案为研究抗癌治疗的影响提供了一个通用框架,可准确检测药物响应基因,并最大限度地减少因药物引起的细胞周期进程扰动而产生的误判。
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1. 细胞周期同步化、释放及细胞周期进程监测
2. 基因表达分析的样品采集与处理
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细胞同步化的 Thy-Noc 和 HU 基本方案示意图。
图1 总结了为实现U2OS细胞同步化并随后进行样品收集所需的步骤,以验证细胞周期的进程并开展基因表达分析。
磷酸化H3和PI染色是选择同步化方法的良好评估参数。
由于培养细胞固有的异质性,每种细胞系均需评估并优化细胞同步化方案。有丝分裂的同步化通常采用胸苷-诺考达唑(Thy-Noc)法,通过诺考达唑处理后,可利用特异性识别磷酸化组蛋白H3(pH3)的抗体检测有丝分裂细胞的富集情况,pH3是一种典型的有丝分裂标志物。鉴定pH3阳性细胞有助于区分处于有丝分裂期的细胞与具有4C DNA含量但未进入有丝分裂的细胞(后者在碘化丙啶(PI)染色中...
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分析在细胞周期中具有短暂且特定作用的精细调控基因,需要使用均一的细胞群体。许多研究人员通常使用长期建立的肿瘤细胞系来实现这一目的,并已开发出多种方法以获得同步(或部分同步)的细胞群体,旨在将尽可能多的细胞富集于特定的细胞周期阶段。此外,人们已投入大量努力以改进和优化这些成熟的同步化方法。然而,所有细胞同步化方案均存在局限性,这些局限性可能源于细胞培养物的异质性、同步化操作效率欠佳,或化学同步剂对细胞功能产生的继发性影响等。在应用细胞同步化方案时,必须充分考虑这些限制因素。研究人员需要为其特定的细胞类型或实验选择最合适的同步化方法。即使以完全相同的方式培养不同的细胞系,其最终的同步化效果也可能因多种原因而存在差异。一方面,细胞周期的长度可能因所选细胞系的不同而有所变化;另一方面,由于各细胞系自身的特性不同,同一种抑制剂可能在不同细胞系中产生截然不同的效应25。此外,所选用的抑制剂浓度和处理时间必须针对每种细胞系进行优化,以避免或最小化非预期的细胞毒性副作用26。即使在对上述所有因素进行优化之后,也无法实现100%的细胞在某一特定细胞周期阶段的富...
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作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢Zubiaga实验室和Altmeyer实验室成员提供的有益讨论和技术支持。本工作得到了西班牙教育部基金(SAF2015-67562-R,MINECO/FEDER,UE)、巴斯克政府(IT634-13 和 KK-2015/89)以及巴斯克大学 UPV/EHU(UFI11/20)的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| DMEM,高糖,含GutaMAX补充剂 | Thermo Fisher Scientific | 61965-059 | |
| FBS,经鉴定合格,欧盟批准,南美来源 | Thermo Fisher Scientific | 10270-106 | |
| 青霉素-链霉素(10,000 U/mL) | Thermo Fisher Scientific | 15140-122 | |
| 0.25% 胰蛋白酶-EDTA(1×),含酚红 | Thermo Fisher Scientific | 25200-072 | |
| 胸苷 | SIGMA | T1895-5G | 现配现用。轻微加热有助于溶解胸苷。 |
| 诺考达唑 | SIGMA | M-1404 | 以DMSO配制储存液,分装成小份,-20 ºC保存 |
| 羟基脲 | SIGMA | H8627 | 现配现用 |
| 来自头状链霉菌(Streptomyces caespitosus)的丝裂霉素C | SIGMA | M4287 | 以无菌H2O配制1.5 mM储存液,避光,4 ºC保存 |
| 二甲基亚砜 | SIGMA | D2650 | |
| 碘化丙啶 | SIGMA | P4170 | 以无菌PBS配制5 mg/mL储存液,4 ºC避光保存 |
| PBS,pH 7.6 | 实验室自配 | ||
| 乙醇 | PANREAC | A3678,2500 | |
| 氯仿 | SIGMA | C2432 | |
| 柠檬酸钠 | PANREAC | 131655 | |
| 吐温X-100 | SIGMA | T8787 | |
| RNase A | Thermo Fisher Scientific | EN0531 | |
| TRIzol试剂 | LifeTechnologies | 15596018 | |
| RNeasy Mini试剂盒 | QIAGEN | 74106 | |
| 高容量cDNA反转录试剂盒 | Thermo Fisher Scientific | 4368814 | |
| 抗Cyclin E1抗体 | Cell Signaling | 4129 | 以5%脱脂牛奶稀释1:1000,4 ºC过夜孵育 |
| 抗Cyclin B1抗体 | Cell Signaling | 4135 | 以5%脱脂牛奶稀释1:1000,4 ºC过夜孵育 |
| 抗-β-肌动蛋白抗体 | SIGMA | A-5441 | 以5%脱脂牛奶稀释1:3000,室温孵育1小时 |
| 抗pH3(Ser 10)抗体 | Millipore | 06-570 | 按实验方案说明使用 |
| 二抗:抗兔IgG-AlexaFluor 488 | Invitrogen | R37116 | 按实验方案说明使用 |
| 二抗:抗鼠IgG-HRP | Santa Cruz Biotechnology | sc-3697 | 以5%脱脂牛奶稀释1:3000,室温孵育1小时 |
| 人E2F1引物(正向) TGACATCACCAACGTCCTTGA | Biolegio | 使用PrimerQuest工具设计(https://eu.idtdna.com/site) | |
| 人E2F1引物(反向) CTGTGCGAGGTCCTGGGTC | Biolegio | 使用PrimerQuest工具设计(https://eu.idtdna.com/site) | |
| 人E2F7引物(正向) GGAAAGGCAACAGCAAACTCT | Biolegio | 使用PrimerQuest工具设计(https://eu.idtdna.com/site) | |
| 人E2F7引物(反向) TGGGAGAGCACCAAGAGTAGAAGA | Biolegio | 使用PrimerQuest工具设计(https://eu.idtdna.com/site) | |
| 人p21Cip1 引物(正向) AGCAGAGGAAGACCATGTGGAC | Biolegio | 使用PrimerQuest工具设计(https://eu.idtdna.com/site) | |
| 人p21Cip1 引物(反向) TTTCGACCCTGAGAGTCTCCAG | Biolegio | 使用PrimerQuest工具设计(https://eu.idtdna.com/site) | |
| 人TBP引物(正向),内参基因 | Biolegio | 使用PrimerQuest工具设计(https://eu.idtdna.com/site) | |
| 人TBP引物(反向) | Biolegio | 使用PrimerQuest工具设计(https://eu.idtdna.com/site) | |
| 人Oxa1L引物(正向),内参基因 CACTTGCCAGAGATCCAGAAG | Biolegio | 使用PrimerQuest工具设计(https://eu.idtdna.com/site) | |
| 人Oxa1L引物(反向) CACAGGGAGAATGAGAGGTTTATAG | Biolegio | 使用PrimerQuest工具设计(https://eu.idtdna.com/site) | |
| Power SYBR Green PCR主混合液 | Thermo Fisher Scientific | 4368702 | |
| FACS管 | Sarstedt | 551578 | |
| MicroAmp光学96孔反应板 | Thermo Fisher Scientific | N8010560 | |
| Corning 100 mm TC处理培养皿 | Corning | ||
| Corning Costar 6孔细胞培养板 | Corning | 3506 | |
| 台式制冷微量离心机 | Eppendorf | 5415 R | |
| 台式制冷离心机Jouan CR3.12 | Jouan | 743205604 | |
| NanoDrop Lite分光光度计 | Thermo Scientific | ND-LITE-PR | |
| BD FACSCalibur流式细胞仪 | BD Bioscience | ||
| QuantStudio 3实时荧光定量PCR系统 | Thermo Fisher Scientific | A28567 |
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