该方法可用于定量分析贴壁依赖性细胞在纤连蛋白上的早期黏附和铺展动态。此外,该实验还可用于研究氧化还原稳态改变对细胞铺展和/或细胞黏附相关胞内信号通路的影响。
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该方法可用于定量分析贴壁依赖性细胞在纤连蛋白上的早期黏附和铺展动态。此外,该实验还可用于研究氧化还原稳态改变对细胞铺展和/或细胞黏附相关胞内信号通路的影响。
细胞在细胞外基质(ECM)上的黏附与铺展是生物体发育过程中以及成体组织稳态维持所必需的基本细胞过程。有趣的是,氧化应激可改变这些过程,从而参与转移性癌症等疾病的病理生理机制。因此,了解在氧化还原状态发生扰动时细胞如何在ECM上黏附和铺展的机制,有助于深入理解正常生理状态及疾病状态。下文所述是一种分步实验方案,利用基于免疫荧光的检测方法,在体外定量分析永生化成纤维细胞在纤连蛋白(FN)上的细胞黏附与铺展。简言之,将依赖贴壁生长的细胞保持在悬浮状态,并用ATM激酶抑制剂Ku55933处理以诱导氧化应激。随后将细胞接种于FN包被的表面,在预设的时间段内使其黏附。对仍保持黏附的细胞进行固定,并使用基于荧光的抗体标记物对黏附(如paxillin)和铺展(如F-actin)进行标记。数据的采集与分析采用实验室常见的设备完成,包括落射荧光显微镜和免费开源的Fiji软件。该方法具有高度的可变通性,可根据需要调整用于多种细胞系、ECM蛋白或抑制剂,以探究广泛的生物学问题。
细胞-基质黏附(即局灶性黏附)是介导细胞黏附和铺展的大型动态多分子蛋白复合物。这些过程对于组织发育、维持及生理功能至关重要。局灶性黏附由膜结合受体(如整合素)以及将细胞骨架肌动蛋白与细胞外基质(ECM)连接起来的支架蛋白组成1。这些复合物能够通过激活多种信号转导通路,响应细胞外环境中存在的理化信号。因此,局灶性黏附作为信号传导中心,将细胞外机械信号传递至多种细胞过程,包括定向迁移、细胞周期调控、分化和存活1,2。其中一组调控并参与局灶性黏附的信号分子是小GTP酶Rho家族成员。Rho GTP酶是通过其特定时空激活来调控细胞迁移和黏附动态的关键蛋白3。毫不奇怪,Rho蛋白功能失调已被证实与多种人类病理过程相关,如转移、血管生成等。特别值得关注的是,细胞氧化还原状态在调控细胞迁移和黏附中起主导作用。在多种细胞类型和人类疾病中,氧化还原稳态的改变(如活性氧(ROS)水平升高)已被证明可调控Rho蛋白活性以及细胞黏附行为4,5,6,7,8。例如,患有神经退行性疾病共济失调-毛细血管扩张症(A-T)的个体,由于DNA损伤修复相关的丝氨酸/苏氨酸激酶ATM(A-T突变型)发生突变,其发生转移性癌症的风险显著增加9,10。在这些患者或细胞系中,无论是由于基因突变还是化学抑制导致ATM激酶活性丧失,均会引起戊糖磷酸途径功能障碍,从而导致高水平的氧化应激7,11,12。此外,实验室近期研究已揭示ROS在A-T中的病理生理作用:通过体外激活Rho家族GTP酶,直接改变细胞骨架动态(即黏附和铺展)5。最终,由Rho家族激活引起的细胞骨架动态改变可能导致A-T患者中观察到的转移性癌症风险升高5,13。因此,深入理解氧化应激条件下细胞-基质相互作用之间的相互关系,有助于揭示黏附和铺展的调控机制。这些研究也为进一步探索Rho家族GTP酶在这些信号通路中可能发挥的作用奠定了基础。
本文所述方案旨在研究 ATM 激酶活性受抑制后,氧化应激条件下细胞黏附组装及铺展过程中的早期细胞动态。该实验基于锚定依赖性细胞与细胞外基质蛋白纤连蛋白(FN)黏附的经典机制。当悬浮培养的细胞接种至 FN 表面时,多种 Rho GTP 酶协同调控肌动蛋白细胞骨架的重塑过程3,14。随着细胞由初始的圆形形态转变为扁平并扩展,可观察到明显的形态学变化。与此同时,细胞与细胞外基质之间形成大量黏附结构。这些变化归因于细胞黏附和铺展的最初一小时内,RhoA 与 Rac1 的双相激活作用15,16。
已有多种方法被用于研究黏附形态、动态过程以及细胞铺展。然而,这些方法依赖于复杂的长期活细胞成像系统,如全内反射荧光(TIRF)显微镜或共聚焦显微镜。因此,使用者必须能够获得专用的仪器和软件。此外,这些生物成像系统的设置耗时较长,使得捕捉早期黏附事件变得困难,尤其是在同时测试多种抑制剂或多组处理条件的情况下。
本文详细描述的方法提供了一种简单、经济但可定量的方式,用于评估体外条件下调控细胞黏附组装和铺展的参数。该实验方案使用实验室常见的设备即可完成,例如落射荧光显微镜和CCD相机。该检测方法涉及在通过化学抑制ATM激酶活性诱导氧化应激一段时间后,将依赖锚定的细胞接种到纤维连接蛋白(FN)包被的表面5。接种后,让细胞在指定时间内贴附和黏附。未贴附的细胞被洗去,而已贴附的细胞则被固定,并用基于荧光的抗体标记黏附标志物(如paxillin)和铺展标志物(如F-actin)2,5。随后利用落射荧光显微镜对这些蛋白进行观察和成像。后续数据分析使用免费开源的Fiji软件完成。此外,该方法可经调整用于在多种不同条件下研究黏附动态过程,包括使用不同的细胞外基质蛋白、施加各种氧化剂/细胞培养条件,或采用多种依赖锚定的细胞系,以回答广泛的生物学问题。
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1. 准备工作
注意:以下所述方案已针对 REF52 细胞以及 ATM+/+ 或 ATM-/- 人成纤维细胞的使用进行了优化。其他细胞类型可能需要进一步优化,具体请参见下文的注意事项与故障排除部分。
2. 使用细胞外基质蛋白纤连蛋白包被细胞培养板
注意:本步骤需在二级生物安全水平(BSL-2)认证的超净工作台中,采用无菌技术并使用无菌试剂进行操作。开始前,请参见图1A以了解关键步骤的概览。
3. 为黏附实验准备贴壁依赖性细胞
注意:在 BSL-2 认证的超净工作台中,使用无菌技术和无菌试剂进行本部分操作。
4. 免疫荧光的细胞固定与抗体染色
注意:以下步骤除非另有说明,均在非无菌条件下于室温进行。
5. 应力纤维、细胞圆度和黏着斑形成的定量分析
注意:以下图像分析使用开源图像处理软件 Fiji(Fiji Is Just ImageJ)的最新版本进行,该软件可免费下载,网址为(http://fiji.sc/)。

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实验设置的通用示意图
图1展示了从REF52细胞的血清饥饿开始,到获取荧光图像后的计算分析结束的细胞黏附与铺展实验的整体流程示意图。该流程中的关键步骤在时间轴上进行了图示说明。值得注意的是,步骤2描述了纤连蛋白(FN)包被盖玻片的制备,应与步骤3同时进行:即在将REF52细胞置于悬浮状态之前对其进行血清饥饿处理(图1A)。图中还给出了一个模拟标记的24孔板示例,用于指示固定样品进行荧光显微镜观察前的不同处理分组及细胞黏附持续时间(图1B)。
用于黏着斑定量的免疫荧光图像处理
将REF52细胞悬浮培养90分钟,然后接种于纤连蛋白(FN)表面,继续黏附15分钟。固定后使用抗paxillin抗体进行染色,获取细胞的荧光8位灰度图像。图像处理分析按照步骤5中所述方案进行。图中展示了各关键处理步骤的代表性图像,包...
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本文所述方案是一种快速、经济且用途广泛的方法,可用于筛选多种贴壁依赖性细胞在铺展过程中细胞骨架动态重塑的情况。特别是,该方法可定量分析细胞在黏附于纤连蛋白(FN)时,氧化应激条件下应力纤维和黏着斑的形成情况(图1A)。此外,这些细胞表型可能提示Rho家族小GTP酶成员具有调控作用,因为已有文献报道其在细胞黏附与铺展过程中发挥功能15,16,22。然而,仍需借助其他生化技术来确定GTP结合态的活性Rho家族蛋白是否可能参与其中。
本方案采用F-actin和paxillin的免疫荧光检测,以特异性观察ATM激酶抑制诱导氧化应激后,永生化成纤维细胞在纤连蛋白(FN)上的细胞黏附与铺展情况(图2、 图3
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作者声明不存在任何竞争性经济利益。
作者感谢 Scott R. Hutton 博士和 Meghan S. Blackledge 博士对稿件的审阅。 本研究由高点大学研究与资助项目(MCS)以及北卡罗来纳州立大学生物技术项目(MCS)提供资金支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.05% 胰蛋白酶-EDTA (1x) | Gibco by Life Technologies | 25300-054 | 细胞解离 |
| 10 cm² 培养皿 | Cell Treat | 229620 | 无菌,组织培养处理 |
| 15 mL 圆锥形离心管 | Fisher Scientific | 05-539-5 | 无菌 |
| 1× 磷酸盐缓冲液 | Corning Cellgro | 21-031-CV | PBS,无菌,不含 Mg²⁺ 和 Ca²⁺ |
| 24 孔细胞培养板 | Fisher Scientific | 07-200-740 | 无菌,组织培养处理 |
| 4°C 冰箱 | Fisher Scientific | ||
| 小鼠 IgG 抗 paxillin 一抗(克隆 165) | BD Transduction Laboratories | 610620 | 黏着斑标记物 |
| 吸液器 | Argos | EV310 | |
| 生物安全柜 | Nuair | NU-477-400 | II 级,A 型,series 5 |
| 去脂牛血清白蛋白(无脂肪酸)粉末 | Fisher Scientific | BP9704-100 | dlBSA |
| 二甲基亚砜 | Fisher Scientific | BP231-100 | 溶解 Ku55933 的有机溶剂 |
| 杜尔贝科改良伊格尔培养基,高糖 | Fisher Scientific | 11965092 | REF52 基础细胞培养基 |
| 胎牛血清 | Fisher Scientific | 16000044 | 经认证的细胞培养基补充剂 |
| Fiji | 美国国立卫生研究院 | http://fiji.sc/ | 图像分析程序 |
| 滤器注射器 | Fisher Scientific | 6900-2502 | 0.2 µm,无菌 |
| 玻璃盖玻片 (12-Cir-1.5) | Fisher Scientific | 12-545-81 | 用铝箔包裹后高压灭菌 |
| 山羊抗小鼠 IgG 二抗 Alexa Fluor 488 | Invitrogen | A11001 | 荧光二抗,避光 |
| 山羊血清 | Gibco by Life Technologies | 16210-064 | 免疫荧光封闭液组分 |
| 血细胞计数板 | Fisher Scientific | 22-600-107 | 用于细胞计数 |
| 人血浆纤连蛋白 | Gibco by Life Technologies | 33016-015 | FN |
| IX73 荧光倒置显微镜 | Olympus | 用于观察荧光、细胞形态、计数和解离 | |
| Ku55933 | Sigma-Aldrich | SML1109-25MG | ATM 激酶抑制剂,活性氧诱导剂 |
| L-谷氨酰胺 | Fisher Scientific | 25-030-081 | 细胞培养基补充剂 |
| 单色 CMOS 16 位相机 | Optimos | ||
| 多聚甲醛 | Sigma-Aldrich | P6148-500G | PFA,免疫荧光固定剂 |
| 青霉素-链霉素 | Fisher Scientific | 15-140-122 | P/S,培养基用抗生素溶液 |
| Alexa Fluor 594 鬼笔环肽(F-肌动蛋白探针) | Invitrogen | A12381 | F-肌动蛋白标记物,避光 |
| 含 DAPI 的 ProLong Gold 抗荧光淬灭封片剂 | Invitrogen | P36941 | 含细胞核染料 DAPI 的封片介质,避光 |
| REF52 细胞 | Graham, D.M. 等,Journal of Cell Biology 2018 | ||
| 带加热控制的搅拌板 | Corning Incorporated | PC-420D | |
| 注射器 | BD Biosciences | 309653 | 60 mL 注射器 |
| 组织培养孵箱 | Nuair | ||
| 曲拉通 X-100 | Fisher Scientific | BP151-500 | 用于细胞膜通透的去垢剂 |
| 台盼蓝溶液 | Fisher Scientific | 15-250-061 | 用于细胞计数 |
| 胰蛋白酶中和液 (1x) | Gibco by Life Technologies | R-002-100 | TNS,用于中和胰蛋白酶,替代胎牛血清 |
| 管式旋转仪 | Fisher Scientific | 11-676-341 | |
| 水浴锅 | Fisher Scientific | FSGPD02 |
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