本方案将细胞周期检测方法适配于质谱流式细胞技术平台。利用质谱流式细胞技术的多参数检测能力,通过直接测量碘的掺入可识别处于S期的细胞,同时借助细胞内周期标志物,能够在多种实验条件下对各细胞周期时相进行表征。
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本方案将细胞周期检测方法适配于质谱流式细胞技术平台。利用质谱流式细胞技术的多参数检测能力,通过直接测量碘的掺入可识别处于S期的细胞,同时借助细胞内周期标志物,能够在多种实验条件下对各细胞周期时相进行表征。
细胞周期时相的调控是细胞增殖与稳态维持的重要方面。细胞周期调控机制的失调是包括癌症在内的多种疾病的特征之一。对细胞周期的研究需要能够明确界定处于细胞周期各个阶段的细胞数量,并清晰区分各细胞周期时相。质谱流式细胞术(MCM)的出现,通过直接检测元素同位素,为高通量单细胞分析提供了巨大潜力;而建立一种利用MCM测量细胞周期状态的方法,进一步拓展了MCM的应用价值。本文描述了一种在MCM系统中直接检测5-碘-2′-脱氧尿嘧啶核苷(IdU)的方法,其原理类似于5-溴-2′-脱氧尿嘧啶核苷(BrdU)。该基于IdU的MCM方法具有多项优势:第一,IdU在DNA合成过程中可快速掺入,因此仅需10–15分钟的孵育即可可靠地检测处于S期的细胞;第二,IdU的检测无需使用二抗或DNA降解步骤;第三,IdU染色可轻松与细胞周期蛋白B1(cyclin B1)、磷酸化视网膜母细胞瘤蛋白(pRb)以及磷酸化组蛋白H3(pHH3)的检测相结合,从而共同实现对五个细胞周期时相的清晰划分。将这些细胞周期标志物与MCM所能实现的高参数数量相结合,可同时兼容多种其他检测指标。
质谱流式细胞术利用质谱技术的高分辨率和定量特性,可实现约40个参数的检测。该技术采用金属标记抗体,取代传统荧光素偶联抗体,从而提供更多的检测通道,并显著减少信号溢出。1,2与流式细胞术相比,质谱流式细胞术(MCM)在细胞周期分析方面具有优势和局限性。MCM 的主要优势在于其能够通过大量参数,同时检测高度异质性样本中多种免疫表型不同的T细胞类型的细胞周期状态。MCM 已成功应用于检测人类骨髓中正常造血过程中的细胞周期状态。3 端粒酶缺陷的转基因小鼠模型4急性髓系白血病(AML)的细胞周期状态分析表明,细胞周期与已知的临床治疗反应相关,为体内功能特征提供了深入见解,有助于指导治疗方案的选择5质谱流式细胞周期分析的第二个优势在于能够同时检测大量其他功能性标志物,这些标志物可能与细胞周期状态相关。近期研究已通过使用碘脱氧尿苷(IdU)以及针对BRU和rRNA的金属标记抗体,实现了蛋白质和RNA合成水平与细胞周期状态之间的关联分析。6这种高度参数化的分析需要在连续分化过程中的多个细胞群体中测量细胞周期状态,而使用当前的流式细胞术技术几乎无法实现。质谱流式细胞术(MCM)的主要缺点是缺乏与荧光流式细胞术中常用的DNA或RNA染料(如DAPI、Hoechst、Pyronin Y等)相类似的染色剂。荧光染料能够相对精确地测量DNA和RNA含量,这种精确性之所以实现,是因为这些染料在插入核苷酸碱基之间时其荧光特性会发生改变。因此,MCM分析无法以同等精度直接测定DNA或RNA含量。相反,质谱流式细胞术的细胞周期分析依赖于对与细胞周期状态相关的蛋白质的检测,例如周期蛋白B1(cyclin B1)、磷酸化视网膜母细胞瘤蛋白(pRb)和磷酸化组蛋白H3(pHH3),并结合对S期细胞中碘脱氧尿苷(IdU)掺入后所含碘原子的直接测量。这两种测量方法在正常细胞增殖过程中结果高度一致,但在细胞周期进程受到干扰时可能出现差异。
测定各细胞周期时相中的细胞数量,对于理解正常细胞周期发育以及细胞周期紊乱(常见于癌症和免疫系统疾病)具有重要意义。质谱流式细胞术(MCM)利用金属标记抗体可对细胞外和细胞内因子进行可靠检测;然而,由于基于铱的DNA嵌入染料无法区分2N与4N DNA,导致S期的检测受到限制。为明确界定细胞周期各时相,Behbehani开发了一种利用质量为127的碘脱氧尿嘧啶核苷(IdU)的方法,该质量处于质谱流式细胞仪的检测范围内,可直接测定处于S期的细胞3。这种直接检测方法避免了使用二抗或DNA变性试剂(如酸或DNase)的需要。结合细胞内周期标志物,该方法可在实验模型中实现对细胞周期分布的高分辨率分析。
本方案将常规流式细胞术用于MCM的细胞周期检测进行了改进。我们的方法提供了一种便捷且简单的手段,可将细胞周期参数纳入实验分析。体外样本的IdU掺入仅需在37 °C孵育10至15分钟,时间短于大多数BrdU染色方案,后者通常建议孵育数小时3,7。掺入IdU或BrdU的样本可使用蛋白质组稳定剂进行固定,随后可在-80 °C冰箱中长期保存。这使得大量IdU染色样本能够被归档并进行批次分析,且不会降低样本质量。
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1. IdU 储存液的制备
2. IdU 孵育与样品保存
3. 质谱流式细胞术样本染色
4. 质谱流式细胞仪操作
注意:质谱流式细胞术的操作可能因仪器型号而异。操作前务必查阅CyTOF用户手册。此外,目前JoVE已有两篇关于仪器启动和维护的文章9,11。
5. 数据分析
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利用HL-60细胞和人骨髓穿刺液,可以展示实验条件如何影响细胞周期分布及分析。首先,必须建立设门策略,以说明细胞周期各时相是如何确定的。在 图1 我们展示了单细胞门控的建立,该步骤对于分离细胞碎片和双联体细胞、获得单细胞群体至关重要。对于细胞系而言,建立单细胞门控后即可直接进行细胞周期分析。图 2a)。对于人源样本,通常需要在细胞周期分析之前确定免疫表型群体,因为不同细胞类型的各个细胞周期门控边界可能有所不同。一旦确定了目标群体(通常通过设门特定表面标志物来定义该群体),就需要建立相应的细胞周期门控。 图2b 在IdU与CyclinB1双轴图上展示S期的确定方法。该图还用于确定G2/M期门控的边界图 2f)。一旦确立G2/M期,其余部分即为G0/G1期门控(图 2f)。IdU 与 pRb 的比较用于确定 pRb+ 通过建...
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本文展示的示例说明了如何使用 MCM 平台分析细胞周期分布。同时已证明,细胞周期分析对实验条件(如时间和温度)具有敏感性,这是研究人员在考虑将 MCM 用于细胞周期分析时必须重视的因素14。样本在储存条件下停留较短时间(不超过一小时)时,其 IdU 掺入水平与正常状态相当;而在密闭系统中长时间存放(约两小时)的样本,其 IdU 掺入量会降低,但循环与非循环细胞的比例仍保持不变,因此仍可进行粗略的细胞周期分析。深低温储存及后续的解冻过程会在较长时间内显著干扰正常的细胞周期分布。此前已有报道指出深低温储存会破坏蛋白质和 RNA 的分布,而最近的研究进一步表明其同样会干扰细胞周期14,15,16,17。综上所述,若预计需要长期储存或采用深低温保存样本,则最好在储存或深低温冷冻前先用 IdU 对细胞进行染色,随后固定细胞并保存,直至进行分析。由...
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Behbehani 博士获得 Fluidigm 提供的差旅资助。Fluidigm 还为实验室采购了试剂和材料。
作者谨此感谢Palak Sekhri、Hussam Alkhalaileh、Hsiaochi Chang和Justin Lyeberger在实验方面提供的支持。本研究由Pelotonia研究员项目资助。本文所表达的观点、发现和结论均为作者(们)的观点,不一定反映Pelotonia研究员项目的立场。"
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 牛血清白蛋白(BSA) | Sigma | A3059 | CSM 的组分 |
| 离心机 | Thermo Scientific | 75-217-420 | 样品离心 |
| 裂解-PARP(D214) | BD Biosciences | F21-852 | 凋亡细胞的鉴定 |
| 细胞周期蛋白 B1 | BD Biosciences | GNS-1 | G2 期解析 |
| 二甲基亚砜(DMSO) | Sigma | D2650 | 冷冻保护剂 |
| EQ 四元素校准微球 | Fluidigm | 201078 | CyTOF 性能的内部金属标准品 |
| 带滤网的 FACS 管 | Corning | 08-771-23 | 在 CyTOF 运行前去除细胞团块/碎片的细胞滤器 |
| 胎牛血清(FBS) | VWR | 97068-085 | 细胞培养生长补充剂 |
| Helios | Fluidigm | CyTOF 系统/平台 | |
| 肝素 | Sigma | H3393 | 防止非特异性染色的染色添加剂 |
| IdU(5-碘-2′-脱氧尿苷) | Sigma | I7125 | 在 S 期掺入 DNA |
| Ki-67 | eBiosciences | SolA15 | 确认 G0/G1 期 |
| MaxPar 多重标记试剂盒 | Fluidigm | 201300 | 金属标记试剂盒,用于将金属连接至抗体 |
| 微孔板振荡器 | Thermo Scientific | 88880023 | 染色过程中混合样品 |
| 多聚甲醛(PFA) | Electron Microscopy Services | 15710 | 固定剂 |
| 五甲基环戊二烯基-铱(III)-二吡啶并菲嗪 | Fluidigm | 201192 | CyTOF 检测过程中的细胞识别 |
| p-H2AX(S139) | Millipore | JBW301 | DNA 损伤检测 |
| p-HH3(S28) | Biolegend | HTA28 | M 期解析 |
| 磷酸盐缓冲液(PBS) | Gibco | 14190-144 | 细胞培养洗涤液及固定液组分 |
| p-Rb(S807/811) | BD Biosciences | J112906 | G0/G1 期解析 |
| 蛋白质组稳定剂 | SmartTube Inc | PROT1 | 样品固定剂 |
| RPMI 1640 | Gibco | 21870-076 | 细胞培养生长培养基 |
| 叠氮化钠 | Acros Organics | AC447810250 | CSM/抗体缓冲液组分,杀菌剂 |
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