我们成功将标准的端粒重复扩增方案(TRAP)检测改造为可用于微滴数字聚合酶链式反应。这种新检测方法称为ddTRAP,具有更高的灵敏度和定量能力,可更有效地检测多种人类细胞中的端粒酶活性,并进行更可靠的统计分析。
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我们成功将标准的端粒重复扩增方案(TRAP)检测改造为可用于微滴数字聚合酶链式反应。这种新检测方法称为ddTRAP,具有更高的灵敏度和定量能力,可更有效地检测多种人类细胞中的端粒酶活性,并进行更可靠的统计分析。
端粒重复扩增程序(TRAP)是检测特定样本中端粒酶活性最常用的实验方法。这种基于聚合酶链式反应(PCR)的方法能够对大多数细胞裂解液中的酶活性进行可靠的测定。传统的基于凝胶的TRAP方法使用荧光标记引物,限制了样本通量,且仅能检测酶活性两倍或更大的变化。而液滴数字TRAP(ddTRAP)是一种高灵敏度的方法,由传统TRAP assay改进而来,使用户能够在单次运行中对96个样本进行稳健分析,并实现对每个PCR反应中DNA(即端粒酶延伸产物)输入量的绝对定量。因此,新开发的ddTRAP assay克服了传统凝胶基TRAP assay的局限性,在实验室和临床环境中提供了更高效、更准确和更定量的端粒酶活性检测手段。
端粒是位于线性染色体末端的动态DNA-蛋白质复合物。人类端粒由一系列5'-TTAGGGn六核苷酸重复序列组成,其长度在出生时约为12–15千碱基(kb)1。人类端粒酶是一种维持端粒结构的核糖核蛋白酶,最初在HeLa细胞裂解液(癌细胞系)中被发现2。端粒与端粒酶共同在基因组保护、基因调控以及癌细胞永生化等多种生物学过程中发挥重要作用3,4,5,6。
人类端粒酶主要由两个关键组分构成,即端粒酶逆转录酶和端粒酶RNA(分别为hTERT和hTERC)。其中,蛋白质亚基hTERT是端粒酶中具有催化活性的逆转录酶组分。RNA模板hTERC则为端粒酶提供模板,用于延伸和/或维持端粒。大多数人类体细胞中无法检测到端粒酶活性。由于DNA聚合酶无法延伸DNA滞后链的末端,加之缺乏端粒酶,导致每次细胞分裂后端粒逐渐缩短。这些现象使得大多数体细胞的端粒持续缩短,直至达到临界长度,细胞由此进入复制性衰老状态。细胞可分裂的最大次数由其端粒长度决定,这种对持续分裂的阻断被认为可防止向肿瘤发生发展7。癌细胞能够克服端粒诱导的复制性衰老,通过利用端粒酶维持其端粒长度而持续增殖。大约90%的癌症会激活端粒酶,因此端粒酶活性在癌症的检测与治疗中具有至关重要的意义。
20世纪90年代TRAP检测技术的发展对于鉴定端粒酶所必需的组分,以及在多种正常和癌变细胞与组织中测量端粒酶活性起到了关键作用。最初的基于凝胶的PCR检测方法采用放射性标记的DNA底物来检测端粒酶活性。2006年,该检测被改进为使用荧光标记底物的非放射性形式8,9。通过使用荧光标记的底物,用户可通过将凝胶暴露于适当的激发波长下,观察到端粒酶延伸产物在凝胶上呈现的条带。TRAP检测具有较高的灵敏度,并可在粗制细胞裂解液中检测端粒酶活性,因此成为目前应用最广泛的端粒酶活性检测方法。然而,TRAP检测也存在局限性。该方法依赖凝胶电泳,使得在中高通量研究中难以完成必要的重复实验,因而很少能实现适当的统计学分析。此外,由于无法可靠检测样品间小于两倍的端粒酶活性差异,基于凝胶的检测方法难以进行准确的定量分析。克服上述两项局限性,对于将TRAP等酶活性检测技术应用于临床或工业环境——例如在患者样本分析或药物设计研究中检测端粒酶活性——至关重要。
数字PCR最初于1999年开发,旨在将PCR的指数级模拟特性转化为线性数字化检测方法10。微滴数字PCR(ddPCR)是原始数字PCR技术的最新发展。随着先进微流控技术和水包油乳液化学的进步,能够稳定生成大小均一的微滴,从而实现了ddPCR。与基于凝胶的方法甚至定量PCR(qPCR)不同,ddPCR可对输入材料进行绝对定量。ddPCR的关键在于通过将样品分割成微滴,生成约20,000个独立的反应。在终点PCR完成后,微滴读取仪以类似流式细胞仪的方式逐个扫描每个微滴,计数、测量大小,并记录每个微滴中荧光的有无(即每个微滴中是否存在PCR扩增子)。随后,利用泊松分布,根据阳性微滴数与总微滴数的比例估算输入分子的数量。该数值代表了每个PCR反应中输入分子数量的估计值。此外,ddPCR在96孔板上进行并完成分析,使用户能够同时运行多个样本,并进行生物学重复和技术重复,以实现适当的统计分析。因此,我们将ddPCR强大的定量能力与中等通量特性相结合,并与TRAP检测技术整合,开发出ddTRAP检测方法11。该检测方法旨在帮助用户研究并稳健地定量来自生物样本的端粒酶绝对活性11,12。ddTRAP的高灵敏度使其能够从数量有限且珍贵的样本中定量端粒酶活性,包括单细胞水平的测量。此外,用户还可利用该方法以绝对定量方式研究端粒酶调控和/或药物处理的影响,检测小于两倍的变化(约50%的差异)。ddTRAP是TRAP检测技术顺应现代实验室实验和临床环境中数字化与高通量需求的自然演进。
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1. Buffer preparation and storage
2. Cell lysis
3. Telomerase extension reaction
4. Droplet digital PCR setup
5. Detection of telomerase extension products
6. Data analysis
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利用ddTRAP,在包含以下细胞系的细胞组中检测了端粒酶活性(图1):非小细胞肺癌(H2882、H1299、Calu6、H920、A549 和 H2887)、小细胞肺癌(H82 和 SHP77)以及端粒酶阴性的成纤维细胞(BJ)。每组取一百万个细胞沉淀,用NP-40裂解缓冲液裂解,并进行生物学重复三次的端粒酶延伸反应。一个常用且高度推荐的阴性对照是“NTC”(无模板对照)。该样本通过向端粒酶延伸反应体系中加入NP-40裂解缓冲液(2 µL)制备,并与其他含实际细胞裂解液的样本以完全相同的方式处理延伸产物。该样本可帮助使用者扣除可能存在的背景信号,从而更准确地定量端粒酶活性。尽管本图中未展示,另一种阴性对照方法是在端粒酶延伸反应前将裂解液在95°C下加热失活5分钟。若细胞/样本量充足,建议优先采用此阴性对照方法。
通过测量液滴乳液中每个液滴的荧光强度,液滴读取仪可利用泊松分布估算输入分子的浓度(...
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端粒酶活性的测定对于众多研究领域至关重要,包括但不限于癌症、端粒生物学、衰老、再生医学以及基于结构的药物设计。即使在癌细胞中,端粒酶核糖核蛋白复合物(telomerase RNPs)的丰度也很低,这使得该酶的检测与研究具有挑战性。本文中,我们详细描述了新开发的数字液滴式TRAP(ddTRAP)检测技术的逐步操作流程,以可靠地定量细胞中的端粒酶活性。通过将传统的端粒酶延伸反应与数字液滴PCR(ddPCR)相结合,我们能够在肺癌细胞中定量检测端粒酶活性(即端粒酶延伸产物)。
ddTRAP 检测基于与 TRAP 检测相同的原理。通过在非离子型去污剂(NP-40)裂解缓冲液中裂解细胞获得细胞裂解物,以保持端粒酶活性,随后用于对“TS”底物/引物进行端粒酶延伸反应。ddTRAP 的创新之处在于 PCR 前形成微滴。将样本分割成微滴可实现对每个细胞中端粒酶活性的绝对定量。
使用数字液滴式TRAP(ddTRAP)检测了肺癌细胞系中的端粒酶活性。基于凝胶的TRAP检测方法的一个主要局限性是单次可处理的样本数量。大多数凝胶梳子最多只能容纳20个...
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢美国国立卫生研究院(NIH)(NCI-R00-CA197672-01A1)提供的经费支持。小细胞肺癌细胞系(SHP77 和 H82)由德克萨斯大学西南医学中心的 John Minna 博士和 Adi Gazdar 博士慷慨惠赠。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1 M Tris-HCl pH 8.0 | Ambion | AM9855G | 无RNA酶/DNA酶 |
| 1 M MgCl2 | Ambion | AM9530G | 无RNA酶/DNA酶 |
| 0.5 M EDTA pH 8.0 | Ambion | AM9261 | 无RNA酶/DNA酶 |
| Surfact- Amps NP-40 | Thermo Scientific | 28324 | |
| 100% 超纯甘油 | Invitrogen | 15514011 | 无RNA酶/DNA酶 |
| 苯甲基磺酰氟 | Thermo Scientific | 36978 | 粉末 |
| 2-巯基乙醇 | SIGMA-ALDRICH | 516732 | |
| 无核酸酶水(Nuclease Free H20) | Ambion | AM9932 | 无RNA酶/DNA酶 |
| 2.5 mM dNTP 混合液 | Thermo Scientific | R72501 | 每种dATP、dCTP、dGTP和dTTP各2.5 mM |
| 2 M KCl | Ambion | AM9640G | 无RNA酶/DNA酶 |
| 100% Tween-20 | Fisher | 9005-64-5 | |
| 0.5 M EGTA pH 8.0 | Fisher | 50-255-956 | 无RNA酶/DNA酶 |
| 端粒酶底物(TS)引物 | Integrated DNA Technology (IDT) | 定制引物(HPLC纯化) | 5'- AATCCGTCGAGCAGAGTT-3' |
| ACX(反向)引物 | Integrated DNA Technology (IDT) | 定制引物(HPLC纯化) | 5'- GCGCGGCTTACCCTTACCCTTACCCTAACC -3' |
| 薄壁(250 µl)PCR级管 | USA Scientific | 1402-2900 | 条板、板、管等 |
| QX200 ddPCR EvaGreen Supermix | Bio Rad | 1864034 | |
| Twin-Tec 96孔板 | Fisher | Eppendorf 951020362 | |
| 可穿刺铝箔热封膜 | Bio Rad | 1814040 | |
| 液滴生成器芯片(DG8) | Bio Rad | 1863008 | |
| 液滴生成油 | Bio Rad | 1863005 | |
| 液滴生成器垫圈 | Bio Rad | 1863009 | |
| 96孔热循环仪 T100 | Bio Rad | 1861096 | |
| PX1 PCR板封膜机 | Bio Rad | 1814000 | |
| QX200 液滴读取仪及Quantasoft软件 | Bio Rad | 1864001 和 1864003 | |
| ddPCR液滴读取仪用油 | Bio Rad | 1863004 | |
| 无核酸酶滤芯吸头 | Thermo Scientific | 10 µl、20 µl、200 µl 和 1000 µl |
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