为了可重复地计数单个卵母细胞中mRNA的数量,已针对非贴壁细胞优化了单分子RNA荧光原位杂交(RNA-FISH)技术。卵母细胞被收集后,与特定转录本的探针进行杂交,并使用图像定量软件进行定量分析。
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为了可重复地计数单个卵母细胞中mRNA的数量,已针对非贴壁细胞优化了单分子RNA荧光原位杂交(RNA-FISH)技术。卵母细胞被收集后,与特定转录本的探针进行杂交,并使用图像定量软件进行定量分析。
目前常规用于定量卵母细胞和胚胎中mRNA的方法包括数字逆转录聚合酶链式反应(dPCR)、定量实时RT-PCR(RT-qPCR)以及RNA测序。当这些技术应用于单个卵母细胞或胚胎时,低拷贝数的mRNA难以被可靠检测。为解决这一问题,可将多个卵母细胞或胚胎合并后进行分析;然而,这种方法通常会导致样本间高度变异。在本方案中,我们描述了采用分支DNA化学技术的荧光原位杂交(FISH)方法。该技术可识别单个细胞内mRNA的空间分布模式。当该技术与Spot Finding and Tracking 计算机软件结合使用时,还可对细胞内mRNA的丰度进行定量。采用此方法可显著降低实验组内的变异程度,并减少检测实验组间显著差异所需的卵母细胞和胚胎数量。市面上可购得的分支DNA单分子FISH试剂盒已优化用于检测载玻片上组织切片或贴壁细胞中的mRNA。然而,卵母细胞无法有效贴附于载玻片,且试剂盒中的某些试剂过于剧烈,会导致卵母细胞裂解。为防止此类裂解,我们对FISH试剂盒进行了多项改进:具体而言,采用专为卵母细胞和胚胎免疫荧光设计的卵母细胞透化液和洗涤 缓冲液替代了试剂盒中的专有缓冲液;透化、洗涤以及探针和扩增剂孵育步骤均在6孔板中进行,最后通过封片介质将卵母细胞转移至载玻片上完成制片。这些改进克服了商用试剂盒的主要局限性,特别是卵母细胞裂解问题。为准确且可重复地计数单个卵母细胞中mRNA的数量,本研究采用了计算机软件辅助分析。综上所述,该方案提供了一种可替代PCR和测序的方法,用于比较单细胞中特定转录本的表达水平。
逆转录聚合酶链式反应(PCR)一直是mRNA定量的金标准。目前常用的两种检测方法为数字PCR(dPCR)1和定量实时PCR(qPCR)2。在这两种PCR技术中,dPCR比qPCR具有更高的灵敏度,提示其可能适用于单细胞中mRNA丰度的测定。然而,在我们的实验中,对每个样本包含5至10个卵母细胞的低丰度mRNA进行dPCR分析时,所得数据重复性差且变异程度高3。这可能是由于RNA提取和逆转录效率相关的实验误差所致。此外,已有研究对单个小鼠和人类卵母细胞进行了RNA测序4,5。该技术需要进行cDNA扩增步骤以构建文库,这可能会增加实验组内的变异性。此外,低丰度的转录本可能无法被检测到。尽管近年来测序成本有所下降,但由于生物信息学分析费用较高,整体成本仍可能难以承受。最后,mRNA的定位是一个动态过程,其空间分布的变化有助于蛋白质功能的实现6。因此,我们着手采用一种能够准确、可重复地定量并定位单个卵母细胞中单个mRNA的技术。
分支DNA与荧光原位杂交技术结合,通过放大荧光信号而非RNA/cDNA本身,实现对单个细胞中单个mRNA分子的检测7,8,9。该检测通过一系列杂交、扩增(利用分支DNA)和荧光标记步骤完成,以实现荧光信号的放大7。该技术首先使用18至25个碱基的寡核苷酸探针对,与特定mRNA序列互补结合3,8,10。针对每种转录本设计15至20对探针,以确保对目标转录本的特异性。在mRNA特异性杂交之后,引入预扩增子和扩增子探针,形成分支结构。每个扩增子可结合约400个荧光标记物,使荧光信号增强约8000倍,从而实现对单个mRNA分子的检测(图1)11。

图1:SM-FISH实验流程示意图。 图示为针对目标mRNA的转录本特异性探针、分支DNA扩增子及荧光团的依次杂交过程。请点击此处查看此图的放大版本。
既往研究利用单分子荧光原位杂交技术(SM-FISH)对单个神经元中的β-actin mRNA12以及宫颈癌细胞系中的人乳头瘤病毒DNA7进行了定位。计算机软件Spot Finding and Tracking Program可识别单个点状荧光信号,并已成功用于量化每个细胞中的mRNA数量3,13。
根据在神经元中检测mRNA的结果12,我们推测单分子荧光原位杂交(SM-FISH)可作为定量小鼠卵母细胞和胚胎中转录本水平的有效工具,包括丰度较低的mRNA。然而,该技术通常针对贴壁固定的细胞以及甲醛固定石蜡包埋(FFPE)组织切片进行优化。卵母细胞即使在涂有聚-L-赖氨酸的载玻片上也无法贴附。此外,与体细胞和组织切片相比,卵母细胞更为脆弱,在接触商业试剂盒中某些专有缓冲液时容易发生细胞裂解3。为克服这些挑战,卵母细胞经固定后通过人工方式在不同缓冲液液滴之间转移。此外,试剂盒中的透化和洗涤缓冲液被替换,以减少细胞裂解的发生。预设计的探针可随FISH试剂盒一并购买,也可根据需要定制特定转录本的探针。每套专有探针均可提供三种荧光通道(C1、C2和C3)中的一种,以实现多重检测。在本实验中,小鼠卵母细胞使用C2通道的Nanog探针和C3通道的Pou5f1探针进行双重染色并定量。选择这些探针是基于Nanog和Pou5f1在卵母细胞和胚胎中已有报道的表达情况。完成杂交步骤后,将卵母细胞置于抗荧光淬灭封片介质的液滴中,随后转移至组织学载玻片上。采用共聚焦显微镜图像对代表单个mRNA的点状荧光信号数量进行定量。除了定量mRNA外,成像还可显示特定mRNA在细胞内的空间分布,这是其他RNA定量方法无法实现的。该技术在实验组内表现出较低的变异性,因此可在每个实验组中使用较少数量的卵母细胞即可识别出实验组间的显著差异3。
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动物实验经内布拉斯加大学林肯分校机构动物护理和使用委员会审查并批准,所有方法均按照相关指南和法规进行。本研究中,CD-1远交系小鼠可自由摄取正常啮齿类动物饲料和水,并维持在12小时光照:12小时黑暗的循环环境中。
1. 所需培养基的制备
2. 从小鼠雌性个体收集排卵后的卵母细胞

图 2:用于转移卵母细胞的口吸移液器的组成部分。(A)口吸端 (B)0.22 μm、4 mm 滤膜 (C)抽吸管路 (D)1000 μL 移液枪头 (E)9 英寸巴斯德移液管。请点击此处查看该图的放大版本。
3. 卵母细胞的SM-FISH染色
4. 图像处理

图 3:卵母细胞共聚焦 z 序列图像的拼接。(A)Fiji 中用于生成卵母细胞复合图像的插件“网格/集合”(Grid/Collection)工具的截图。(B)“顺序图像”(Sequential Images)利用连续 .TIFF 文件之间的荧光重叠生成复合图像。(C)复合图像以 32 位 .TIFF 文件格式保存。请点击此处查看该图的放大版本。

图 4:使用 Spot Finder 和 Tracking 对 mRNA 进行定量分析。(A) 按照图 3所述方法将单个 z 系列图像拼接,并保存为 32 位最大投影的 .TIFF 文件。(B) 在 Spot Finder 和 Tracking 中打开复合图像,使用“Localize”功能计数荧光点(红框所示)。带通滤波和光子阈值由蓝框标示。(C) 蓝色箭头指向高于阈值的阳性信号,白色箭头显示低于阈值的荧光点,因此未被计数。请点击此处查看该图的放大版本。
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完成本方案后,将获得共聚焦z系列的单个图像(图4A和图5)、拼接图像(图4C)以及mRNA计数结果(图4B)。进行多重检测时,还将获得显示两种不同mRNA标记的合并图像(图5)。mRNA计数基于使用Fiji生成的拼接图像(图3),并通过斑点识别与追踪程序对点状荧光信号进行计数而获得(图4B)。
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实验方案中的若干细微步骤将确保 mRNA 荧光标记成功并实现准确计数。首先,必须在卵母细胞收集和固定后立即开始实验操作。请注意,在 4% 多聚甲醛固定液中添加了聚乙烯吡咯烷酮(PVP),以防止卵母细胞相互粘连。我们发现,必须在卵母细胞收集和固定后立即开展实验,任何延迟都会导致荧光信号显著减弱,从而造成转录本计数偏低,部分原因是 RNA 发生了降解。每次向 6 孔板的一个孔中转移的卵母细胞不应超过 20 个,且每个孔仅可使用一次。各孵育步骤的时间必须严格遵守,不得缩短或延长,洗涤缓冲液步骤除外;卵母细胞可在洗涤缓冲液中停留较长时间,不会影响实验结果。单分子荧光原位杂交(SM-FISH)探针提供三种荧光通道:C1、C2 和 C3。进行多重检测时,不得混合使用相同通道标记的探针,否则两种探针将在同一发射波长下发出荧光,导致无法区分探针组,使分析无法进行。针对看家基因设计的阳性对照探针在三个通道中均有提供。阴性对照探针(例如 DapB)也以预混形式提供,包含三种通道的标记。实验应在弱光条件下进行,因为卵母细胞自输卵管取出后对光敏感17,
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作者声明无任何利益冲突
我们感谢 Daniel R. Larson 博士在斑点识别与追踪程序 13 的安装与使用方面提供的大力支持,以及内布拉斯加大学林肯分校显微技术中心在共聚焦显微成像方面提供的技术协助。本研究是内布拉斯加大学林肯分校农业研究部的贡献之一,由联合国林肯分校哈奇基金(UNL Hatch Funds)资助(项目编号 NEB-26-206/登录号 232435 和 NEB-26-231/登录号 1013511)。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| (±)-α硫辛酸 | Sigma-Aldrich | T1395 | α-硫辛酸 |
| 牛血清白蛋白,低脂肪酸 | MP Biomedicals, LLC | 199899 | FAF BSA |
| BD 10 mL 结核菌素注射器 | Becton, Dickinson and Company | 309659 | 10 mL 注射器 |
| BD PrecisionGlide 针头 | Becton, Dickinson and Company | 305109 | 27½ 号针头 |
| 二水合氯化钙 | Sigma-Aldrich | C7902 | CaCl2-2H2O |
| 柠檬酸 | Sigma-Aldrich | C2404 | 柠檬酸盐 |
| D-(+)-葡萄糖 | Sigma-Aldrich | G6152 | 葡萄糖 |
| 磷酸氢二钠 | Na2HPO4 | ||
| 易持型培养皿 | Falcon Corning | 351008 | 35 mm 培养皿 |
| 乙二胺四乙酸二钠 | Avantor | 8994-01 | EDTA |
| 超细邦剪 | Fine Science Tools | 14084-08 | 直剪,锐/锐,无锯齿,13毫米刃口剪刀 |
| 胎牛血清 | 亚特兰大生物制品 | S10250 | FBS |
| 庆大霉素试剂溶液 | gibco | 15710-064 | 庆大霉素 |
| GlutaMAX-I(100倍浓度) | gibco | 35050-061 | Glutamax |
| Gold Seal 微型载玻片 | 金印 | 3039 | 25 x 75 mm 载玻片 |
| 孕马血清促性腺激素 | Sigma | G4877 | eCG |
| hCG 重组蛋白 | NHPP | AFP8456A | hCG |
| 透明质酸酶,IV-S型:源自牛睾丸 | Sigma-Aldrich | H3884 | 透明质酸酶 |
| 珠宝匠风格镊子 | Integra | 17-305X | 4-3/8 号镊子",5F型,直型,超细钳口 |
| L-(+)-乳酸,游离酸 | MP Biomedicals, LLC | 190228 | L-乳酸 |
| 七水合硫酸镁 | Sigma-Aldrich | M2773 | MgSO4-7H2O |
| MEM非必需氨基酸 | 康宁 | 25-025-Cl | 非必需氨基酸 |
| 显微镜盖玻片 | Fisher Scientific | 12-542-C | 25 × 25 × 0.15 mm 盖玻片 |
| Mm-Nanog-O2-C2 RNAscope 探针 | Advanced Cell Diagnostics | 501891-C2 | Nanog 探针 |
| Mm-Pou5f1-O1-C3 RNAscope 探针 | Advanced Cell Diagnostics | 501611-C3 | Pou5f1 探针 |
| MOPS | Sigma-Aldrich | M3183 | |
| 多聚甲醛 | Sigma-Aldrich | P6148 | 多聚甲醛 |
| PES 0.22 微米膜 - 无菌 | Millex-GP | SLGP033RS | 0.22 微米滤器 |
| 聚乙烯吡咯烷酮 | Sigma-Aldrich | P0930 | 聚乙烯吡咯烷酮 |
| 氯化钾 | Sigma-Aldrich | 60128 | KCl |
| 磷酸二氢钾 | Sigma-Aldrich | 60218 | KH2PO4 |
| Prolong Gold 抗荧光淬灭剂 | invitrogen | P36934 | 不含DAPI的抗荧光淬灭剂 |
| RNAscope DAPI | Advanced Cell Diagnostics | 320858 | DAPI |
| RNAscope FL AMP 1 | Advanced Cell Diagnostics | 320852 | 放大器 1 |
| RNAscope FL AMP 2 | Advanced Cell Diagnostics | 320853 | 放大器 2 |
| RNAscope FL AMP 3 | Advanced Cell Diagnostics | 320854 | 放大器 3 |
| RNAscope FL AMP 4 ALT A | Advanced Cell Diagnostics | 320855 | 放大器 4 ALT A |
| RNAscope FL AMP 4 ALT B | Advanced Cell Diagnostics | 320856 | 放大器 4 ALT B |
| RNAscope FL AMP 4 ALT C | Advanced Cell Diagnostics | 320857 | 放大器 4 ALT C |
| RNAscope 荧光多重检测试剂盒 | Advanced Cell Diagnostics | 320851 | FISH 试剂盒 |
| RNAscope探针 三重阴性对照探针 | Advanced Cell Diagnostics | 320871 | 阴性对照 |
| RNAscope探针三重阳性对照 | Advanced Cell Diagnostics | 320881 | 阳性对照 |
| RNAscope 探针稀释液 | Advanced Cell Diagnostics | 300041 | 探针稀释液 |
| RNAscope 蛋白酶 III | Advanced Cell Diagnostics | 322337 | 蛋白酶 III |
| RNAscope蛋白酶III & IV 试剂盒 | Advanced Cell Diagnostics | 322340 | FISH 蛋白酶试剂盒 |
| RNAscope蛋白酶IV | Advanced Cell Diagnostics | 322336 | 蛋白酶IV |
| S/S 针头,带鲁尔接头,30G | Component Supply 公司 | NE-301PL-50 | 钝头30号针头 |
| 碳酸氢钠 | Sigma-Aldrich | S6297 | NaHCO₃ |
| 氯化钠 | Sigma-Aldrich | S6191 | NaCl |
| 氢氧化钠 | Sigma-Aldrich | 306576 | NaOH |
| 丙酮酸钠, >= 99% | Sigma-Aldrich | P5280 | 丙酮酸 |
| 溶液6孔板 | Agtechinc | D18 | 6孔板 |
| 牛磺酸 | Sigma-Aldrich | T8691 | 牛磺酸 |
| 组织培养皿 | Falcon Corning | 353002 | 60 mm 培养皿 |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | X100 | Triton X-100 |
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