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Research Article
Marc Herb1, Alina Farid1, Alexander Gluschko1, Martin Krönke1,2,3,4, Michael Schramm1
1Institute for Medical Microbiology, Immunology and Hygiene, Faculty of Medicine and University Hospital Cologne,University of Cologne, 2Center for Molecular Medicine Cologne, 3Cologne Cluster of Excellence on Cellular Stress Responses in Aging-associated Diseases (CECAD), 4German Center for Infection Research (DZIF)
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
巨噬细胞,特别是原发性巨噬细胞,由于它们专门检测非自源分子,因此很难转染。我们描述了一种协议,它允许使用从DNA模板(如质粒)生成的mRNA对原性巨噬细胞进行高效的转染。
巨噬细胞是专门检测非自源分子的噬菌体。为此,他们配备了大量模式识别受体(PRRs)。不幸的是,这也使得巨噬细胞特别难以转染,因为转染试剂和转染的核酸经常被PR识别为非自体。因此,转染通常会导致巨噬细胞活化和转染核酸的降解,甚至导致巨噬细胞的自杀。在这里,我们描述了一个协议,它允许高效转染鼠原性巨噬细胞,如围肠巨噬细胞(PM)和骨髓衍生巨噬细胞(BMDM),在体外转录从DNA模板(如质粒)的mRNA。通过这种简单的方案,在未观察到细胞毒性或免疫原性的情况下,PM和BMDM的转染率约为50-65%,BMDM约为85%。我们详细描述了从DNA结构(如质粒和转染过程)转染的mRNA的生成。
巨噬细胞是噬菌体,专门检测、摄取和降解微生物、凋亡细胞和细胞碎片。此外,它们通过分泌细胞因子和化学因子,以及向T细胞和B细胞提供抗原,帮助协调免疫反应。巨噬细胞在许多其他过程中也起着重要作用,如伤口愈合、动脉粥样硬化、肿瘤发生和肥胖。
为了能够检测非自分子,如病原体相关的分子模式(PAMPs)和不合时宜的分子,如损伤相关分子模式(DAMPs),巨噬细胞配备了大量模式识别受体(PRR)1。不幸的是,这也使得巨噬细胞特别难以转染2作为转染试剂3和转染核酸4,5,6,7经常被PR识别为非自体。因此,使用化学或物理方法的巨噬细胞转染通常会导致大噬细胞活化和转染核酸的降解,甚至导致巨噬细胞通过热膜病自杀,这是一种在识别细胞环管PAMPs/DAMPs(如DNA或外来RNA9)后触发的细胞细胞死亡。使用腺病毒或扁病毒等病毒作为载体的巨噬细胞的生物转染通常效率更高,但构建这种病毒载体却非常耗时,需要生物安全2级设备10、11。
因此,虽然巨噬细胞是深入研究的主题,但由于分子生物学最重要的工具之一,核酸构造的转染,用于外源性表达,因此在分子水平上对其功能的分析受到了阻碍。蛋白质,是很难适用的。这经常迫使研究人员使用类似巨噬细胞的细胞系,而不是真正的巨噬细胞。核酸构造转染的应用包括突变或标记蛋白的表达、特定蛋白质的过度表达、在各自敲除背景中的蛋白质重新表达以及来自其他物种的蛋白质的表达(例如。,Cre 重组酶或指导 RNA 和 Cas9 用于靶向基因敲除)。
在这里,我们描述了一个协议,允许高效转染(通常难以转染)原体噬菌体,即鼠围管巨噬细胞(PM)和骨髓衍生巨噬细胞(BMDM)与MRNA产生的DNA模板,如质粒。重要的是,使用该协议产生的体外转录mRNA含有自然产生的修饰核苷5-甲基-CTP和伪UTP,降低免疫原性,增强稳定性4,6,7,12,13。此外,在体外转录的mRNA的5'端被南极磷酸酶去磷化,以防止RIG-I复合体14、15的识别。这最大限度地减少了体外转录mRNA的先天免疫识别。通过我们易于执行的协议,转染率在50-65%(围脑巨噬细胞(PM))和85%(BMDM)之间,而重要的是,没有观察到细胞毒性或免疫原性。我们详细描述 (i) 如何从DNA结构(如质粒)和 (ii) 转染程序本身生成用于转染的免疫沉默的 mRNA。
根据德国《动物保护法》,根据科隆大学伦理委员会对小鼠进行巨噬菌体分离。
注:戴上手套执行所有步骤。在层流罩下执行所有转染步骤,以防止细胞受到污染。在使用 mRNA 之前,使用 70% 乙醇和/或 RNAe 降解表面活性剂(材料表)清洁所有仪器,如移液器和每个表面。确保所有反应管无RNA酶和无菌。只使用无菌的无RNA酶水进行稀释。专门使用带过滤器的移液器吸头。在每个移液步骤后更换移液器提示。
1. DNA模板的生成
注:使用该协议的体外mRNA转录的DNA模板必须包含T7前运动序列,以允许RNA聚合酶的对接。如果含有感兴趣的蛋白质的DNA序列的质粒已经包含一个正确定向的T7运动序列,则需要对质粒进行线性化(参见步骤1.1.)。否则,通过聚合酶链反应将 T7 前马达连接到兴趣序列(PCR,参见步骤 1.2.)。
2. mRNA 生成
3. mRNA 纯化
4. 巨噬菌体准备
5. 巨噬细胞与mRNA的转染
我们已经成功地使用该协议为FLAG标记的NEMO和IKK+变体生成mRNA编码,用于转染原巨噬细胞16。FLAG 标记野生型 (NEMOWT) 和 C54/347A 突变 NEMO (NEMOC54/374A)(见材料表)的质粒编码已经包含方向正确的 T7 前电机 (图 1A)。因此,我们只需要线性化质粒,以生成体外转录的DNA模板。为此,用5μL Xbal消化10μg质粒DNA,由于停止科顿的单切3',导致质粒线性化。质粒DNA的完全线性化通过胶质凝胶电泳验证(图1B)。
FLAG 标记野生型 (IKK+WT)和 S177/181E 突变 IKK® (IKK+S177/181E)的质粒编码不包含 T7 前动机。因此,我们附加了PCR的T7前动机,以生成体外转录的DNA模板(图2A)。通过阿加辛胶电泳(图2B)验证了特定PCR产品的生成,即尺寸正确的单一产品。
在使用各自的DNA模板进行体外转录后,我们验证了在变性条件下通过阿加松凝胶电泳生成了一种尺寸正确的和多(A)尾的单个mRNA产物(图3)。
为了验证使用该协议生成的mRNA确实能够进行原性巨噬细胞的转染(参见图4A,B,用于对PM的免疫磁富集和BMDM的分化状态进行流式细胞测定分析),我们为eGFP生成了mRNA编码(图5A-C),并通过流细胞测定法分析了转染效率(图6A)。 100,000 PM 或 50,000 BMDM 每孔未经处理的微蒂剂板转染 50、100 或 200 ng eGFP mRNA,时间为 6、9 或 24 小时。在PM和BMDM中,在转染后6小时可检测到高水平的eGFP表达。转染率随转染mRNA的量而增加,200纳克RNA最高(图6B,C)。对于PM,转染率在转染后6至9小时达到约50-65%(图6B)。转染后24小时,转染率明显较低,表明eGFP表达即将到期。因此,PM 不应在一夜之间转染。对于BMDM,转染率达到约80-85%(图6C)。24小时后转染率的下降在BMDM中明显。因此,BMDM 可以在一夜之间转染。在PM(图6D,E)和BMDM(图6F,G)中,转染细胞中的eGFP表达水平以时间与剂量相关的方式增加。重要的是,转染程序没有诱发溶酶或凋亡细胞死亡,因为转染后碘化阳性(PI)或附件五阳性巨噬细胞没有增加(图7A,B)。
免疫荧光显微镜对FLAG标记NEMO或IKK®变异的mRNA编码的转染效率进行了分析。12孔板每孔30000PM转染300纳克相应mRNA6小时。NEMO mRNA的转染率约为60%,IKK®mRNA约为55%(图8A,B)。因此,它们的转染率与eGFP mRNA相似,表明PM的一般转染率约为55%。
我们还使用该协议为Cre重组酶生成mRNA编码。从NEMOflox/flox小鼠中转染400,000BMDM,每孔17孔,含有400纳克的Cre重组酶mRNA,在48小时(图9)后,NEMO蛋白几乎完全耗尽,表明BMDM的高效转染。
PM和BMDM在转染后未分泌任何可检测到的IL-1、IL-6和TNF(图10A,B)。此外,NF-kB和MAPK信号通路在转染16后未激活,表明转染过程不激活前列腺炎信号。与未转染的巨噬细胞16相比,我们也没有观察到转染巨噬细胞的任何功能变化。

图1:NEMO编码质粒的线性化已经包含了正确方向的T7前马达。(A) 为 FLAG 标记的 NEMOWT或 NEMOC54/347A的质粒编码序列摘录。T7 前电机方向正确且接近 KOZAK 序列并启动科顿。T7 前电机区域、FLAG 标记和 NEMO 的编码序列 (CDS)、开始和停止密码子以及 XbaI 线性化的限制站点都是颜色编码的。(B) 代表1%的角胶凝胶,显示与Xbal线性化前后的质粒;每个通道加载1μL未经处理、线性或纯化的线性质粒DNA。请点击此处查看此图的较大版本。

图2:T7 Promotor附件通过PCR对IKK®编码质粒。(A) FLAG 标记 IKK®WT或 IKK®S177/181E的质粒编码序列摘录。质粒不包含合适的T7前马达,因此由PCR连接。前进底漆的位置、方向和顺序(包含要添加的 T7 前运动序列)和反向引漆由箭头指示。T7 前电机区域、FLAG 标记和 IKK+ 的 CDS 以及启动和停止密码子均以颜色编码。(B) 代表1%甘草凝胶验证产生一个正确大小的单PCR产品使用上述引色。每通道加载 1 μL 的纯化 PCR 产品。请点击此处查看此图的较大版本。

图3:来自NEMO和IKK+编码DNA模板的mRNA合成。(A) 代表性变性1.2%的甘草糖凝胶含有0.7%甲醛,显示NEMO和IKK®在聚(A)尾矿前后的纯化mRNA。2 μL 的 NEMOWT、 NEMOC54/347A、 IKK®WT和 IKK®S177/181E mRNA 每条通道均加载。装载了32μL ssRNA阶梯,用于确定RNA长度。请点击此处查看此图的较大版本。

图4:PM免疫磁富集和BMDM分化状态的流式细胞测定分析。(A) 通过流式细胞测定法分析免疫磁富集前后的围肠洗漱中F4/80+/CD11b+ PM的百分比。(B) BMDM在分化6天后对F4/80和CD11b的表达,通过流式细胞学验证。每个样本分别计算10,000或5,000个细胞。数据显示为 n = 3 个独立实验的均值 = SEM,每个实验。• P < 0.05, = P < 0.01, = P < 0.001 按学生 t 测试进行。 请点击此处查看此图的较大版本。

图5:mRNA合成与eGFP的聚(A)尾矿。(A) eGFP 的质粒编码序列摘录.质粒不包含合适的T7前马达,因此由PCR连接。前进底漆的位置、方向和顺序(包含要添加的 T7 前运动序列)和反向引漆由箭头指示。T7 前电机区域、用于 eGFP 的 CDS 以及启动和停止密码子均以颜色编码。(B) 代表1%的甘蔗凝胶,使用上述引物在PCR后显示纯化的阿曲龙。每通道加载 1 μL 的纯化 PCR 产品。(C) 代表变性1.2%的甘露胶含有0.7%甲醛,显示聚(A)尾矿前后eGFP的纯化mRNA。每条通道加载2μL的eGFP mRNA。装载了32μL ssRNA阶梯,用于确定RNA长度。请点击此处查看此图的较大版本。

图6:利用eGFP mRNA对围肠巨噬细胞和BMDM进行高效转染。巨噬细胞孵育6、9或24小时,与50、100或200纳克的eGFP mRNA复合到jetMESSENGER或单独使用jetMESSENGER(模拟),然后通过流式细胞学进行分析。(A) 用于定义活的巨噬细胞、可行的 eGFP+巨噬细胞和 PI= (即死亡)巨噬细胞的种群的定格策略。显示了6小时200纳克mRNA转染的代表性数据。(B,C)通过通过流动细胞测定(n = 5-7和n = 4-5独立实验)分析活的eGFP阳性细胞的百分比,确定了(B)PM和(C)BMDM的转染率。(D-G)eGFP的表达水平是通过分析活 (D) PM 和 (F) BMDM 的平均荧光强度 (MFI) 以及(E) PM 和 (G) BMDM (n = 5-7 和 n = 4-5 独立实验) 的活和 eGFP 阳性亚群来确定的。每个样本计算了10,000个细胞。数据显示为均值 = SEM. n.s. = 不显著;• P < 0.05, = P < 0.01, = P < 0.001 按学生 t 测试进行。 请点击此处查看此图的较大版本。

图7:转染不导致溶血细胞死亡或凋亡细胞死亡。通过分析PI阳性和附件V阳性细胞的百分比(n= 5-7和n= 4-5独立实验),确定了BMDM的转染诱导细胞死亡。未转染样本中存在的死巨噬细胞的百分比(某种程度的细胞死亡是由于使用未经处理的板体,但巨噬细胞从井中物理分离引起),在相应的转染样本中减去,只考虑到转染程序引起的细胞死亡。显示用于定义 PI+、附件 V+和 PI+/附件 V=巨噬细胞的浇注策略,用于用 200 ng mRNA 转染的具有代表性的 PM 数据集,6 小时。施陶罗斯波林(50 μM,1小时)用作正对照。每个样本计算了10,000个细胞。数据显示为均值 = SEM. n.d. = 不可检测。请点击此处查看此图的较大版本。

图8:NEMO和IKK构造使用mRNA编码的转染率。使用mRNA编码的NEMO构造和(B)IKK结构的转染率通过免疫荧光显微镜(n = 4个独立实验)进行量化。比例条 = 4 μm. 数据显示为平均值 = SEM. n.t. = 未转染,n.s. = 不显著;• P < 0.05, = P < 0.01, = P < 0.001 按学生 t 测试进行。 请点击此处查看此图的较大版本。

图9:对NeMOfl/fl BMDM的转染,用mRNA编码进行Cre重组酶,导致NEMO几乎完全缺乏。NEMOfl/fl小鼠的BMDM用mRNA编码Cre重组酶转染48小时。数据显示为平均值 = SEM. = P < 0.05, = P < 0.01, = P < 0.001 和 = P < 0.0001 通过学生 t 测试。请点击此处查看此图的较大版本。

图10:转染不引起前列腺炎反应。(A) PM 和 (B) BMDM 用 mRNA 编码转染为 NEMOWT或 NEMOC54/347A。作为积极对照,巨噬细胞在1倍感染时感染李斯特菌单细胞基因,或用5μg/mL LPS或聚(I:C)刺激5小时(PM)或24小时(BMDM)。ELISA(n = 3个独立实验)对将IL-1α、IL-6和TNF分泌到上清液中进行了量化。数据显示为均值 = SEM.n.t. = 不可转染,n.d. = 不可检测。请点击此处查看此图的较大版本。
作者没有什么可透露的。
巨噬细胞,特别是原发性巨噬细胞,由于它们专门检测非自源分子,因此很难转染。我们描述了一种协议,它允许使用从DNA模板(如质粒)生成的mRNA对原性巨噬细胞进行高效的转染。
这项工作得到了德国福森斯金舍夫(SFB 670)的支持。
| 5-甲基-CTP (100 mM) | Jena Biosience | NU-1138S | 储存在 -20 °C;C |
| 南极磷酸酶 | New England BioLabs | M0289 | 储存在 -20 °C |
| 南极磷酸酶反应缓冲液 (10x) | New England BioLabs | B0289 | 储存在 -20 °C;C |
| 抗 NEMO/IKKγ 抗体 | Invitrogen | MA1-41046 | 储存在 -20 °;C |
| 抗 β;-肌动蛋白抗体 | Sigma-Aldrich | A2228 | 储存在 -20 °C;C |
| 培养皿 92,16 mm,带凸轮, | Sarstedt | 821,473 | ,储存在 RT |
| CD11b,微珠小鼠和人 | Miltenyi Biotec | 130-049-601 | ,储存在 4 °C |
| Cre 重组酶 + T7-启动子正向引物 | Sigma-Aldrich | 5′-GAAATTAATACGACTCACTATA GGGGCAGCCGCCACCATGTCC AATTTACTGACCGTAC-3´,储存在 -20 °C | |
| Cre 重组酶 + T7-启动子反向引物 | Sigma-Aldrich | 5′-CTAATCGCCATCTTCCAGCAGG C-3′,储存在 -20 °C | |
| DNA 纯化试剂盒:QIAquick PCR 纯化试剂盒 | Qiagen | 28104 | 储存在 RT |
| eGFP + T7-启动子正向引物 | Sigma-Aldrich | 5´-GAAATTAATACGACTCACTATA GGGATCCATCGCCACCATGGTG AGCAAGG-3´,储存在 -20 °C;C | |
| eGFP + T7-启动子反向引物 | Sigma-Aldrich | 5´-TGGTATGGCTGATTA TGATCTAGAGTCG-3´,储存在 -20 °C | |
| 快速酶解缓冲液 (10x) | Thermo Scientific | B64 | 在 -20 °C 下储存;C |
| FastDigest XbaI | Thermo Scientific | FD0684 | 储存在 -20 &°;C |
| 带校正的高保真聚合酶:Q5 高保真 DNA 聚合酶 | New England Biolabs Inc | M0491S | 储存在 -20 °C;C |
| IKKβ + T7-启动子正向引物 | Sigma-Aldrich | 5′-GAAATTAATACGACTCACTATA GGGTTGATCTACCATGGACTACA AAGACG-3′,储存在 -20 °C | |
| IKKβ + T7-启动子反向引物 | Sigma-Aldrich | 5′-GAGGAAGCGAGAGCT-CCATCTG-3′,储存在 -20 °C | |
| 体外 mRNA 转录试剂盒:HiScribe T7 ARCA mRNA 试剂盒(带 polyA 尾矿) | New England BioLabs | E2060 | 储存在 -20 °C |
| LS 色谱柱 | Miltenyi Biotec | 130-042-401 | 储存在 RT |
| MACS MultiStand | Miltenyi Biotec | 130-042-303 | 储存在 RT |
| mRNA 转染缓冲液和试剂:jetMESSENGER | Polyplus 转染 | 409-0001DE | 储存在 4 °C |
| 突变体 IKKβIKK-2S177/181E 质粒 | Addgene | 11105 | 储存在 -20 °;C |
| 突变体 NEMOC54/347A 质粒 | Addgene | 27268 | 储存在 -20 °;C |
| pEGFP-N3 质粒 | Addgene | 62043 | 储存在 -20 °;C |
| poly(I:C) | Calbiochem | 528906 | 储存在 -20 °C |
| pPGK-Cre 质粒 | F.T. Wunderlich、H. Wildner、K. Rajewsky、F. Edenhofer,诱导型 Cre 重组酶的新变体:Cre-PR 融合蛋白的新型突变体表现出增强的敏感性和更大的诱导范围。核酸研究 29, 47e (2001)。在 -20 &°C 下储存;C | ||
| pseudo-UTP (100 mM) | Jena Biosience | NU-1139S | 储存在 -20 °C |
| QuadroMACS 分离器 | Miltenyi Biotec | 130-090-976 | 储存在 RT |
| 大鼠抗小鼠 CD11b 抗体,APC 偶联的 | BioLegend | 101212 | 储存在 4 &°;C |
| 大鼠抗小鼠 F4/80 抗体,PE 偶联的 | eBioscience | 12-4801-82 | ,储存在 4 °;C |
| 重组 M-CSF | Peprotech | 315-02 | 储存在 -20 °C;C |
| RNA 纯化试剂盒:MEGAclear 转录纯化试剂盒 | ThermoFisher Scientific | AM1908 | 储存在 4 °C |
| RNAse 降解表面活性剂:RnaseZAP | Sigma-Aldrich | R2020 | 储存在 RT |
| 超纯 LPS 中,来自大肠杆菌 O111:B4 | Invivogen | 储存在 -20 °C | |
| 野生型 IKKβ 质粒 | Addgene | 11103 | 储存在 -20 °C;C |
| 野生型 NEMO 质粒 | Addgene | 27268 | 储存在 -20 °;丙 |