在此,我们介绍一种简单的方法,该方法结合了RNA荧光原位杂交 将RNA原位杂交(RNA-FISH)与免疫荧光结合,用于可视化严重急性呼吸综合征冠状病毒2(SARS-CoV-2)RNA。该方案可能有助于加深理解SARS-CoV-2 RNA与宿主相互作用的分子特征,达到单细胞水平。
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在此,我们介绍一种简单的方法,该方法结合了RNA荧光原位杂交 将RNA原位杂交(RNA-FISH)与免疫荧光结合,用于可视化严重急性呼吸综合征冠状病毒2(SARS-CoV-2)RNA。该方案可能有助于加深理解SARS-CoV-2 RNA与宿主相互作用的分子特征,达到单细胞水平。
本论文提供了一种原位杂交链式反应(HCR)与免疫荧光联合使用的实验方案,用于在细胞系 及人呼吸道上皮三维(3D)培养模型中可视化严重急性呼吸综合征冠状病毒2(SARS-CoV-2)的RNA。该方法依赖于探针定位后启动HCR,从而实现对病毒RNA的高度特异性和高灵敏度成像。分裂引发探针可借助荧光标记的放大分子增强信号,使共聚焦显微镜下的背景荧光几乎可忽略不计。使用不同荧光染料标记放大分子,可实现多种靶标的同步识别。这有助于在组织中绘制感染分布图谱,从而在单细胞水平上更深入地理解病毒的致病机制和复制过程。将该方法与免疫荧光技术结合,有助于进一步阐明宿主与病毒之间的相互作用,包括宿主表观基因组及免疫应答通路的变化。得益于HCR技术的高灵敏度和高特异性,本方案亦可用作诊断工具。还需注意的是,该技术可轻松改造,以适用于检测任何RNA,包括非编码RNA以及未来可能出现的RNA病毒。
SARS-CoV-2 是一种新型的人类β冠状病毒,于2019年底出现,并在数月后引发了一场前所未有的大流行。由于该病毒对科学界而言是全新的,其许多生物学特性及其对宿主细胞的影响仍不明确。因此,若要理解该病毒的基本生物学特征及其对宿主的作用,绘制病毒感染过程中病毒与细胞及组织的嗜性图谱显得尤为重要。目前有多种技术可用于研究病毒与宿主之间的相互作用,包括生化、生物学和物理检测方法。原位杂交是一种常用方法,该方法使用标记的互补DNA、RNA或修饰的核酸探针,使其定位到细胞或组织中的特定DNA或RNA序列。
一种新的RNA荧光原位杂交(RNA-FISH)方法已被开发出来,该方法通过杂交链式反应(HCR1)放大信噪比,从而提高检测灵敏度。HCR技术可用于在单细胞水平上研究RNA的定位。由于其高特异性、高灵敏度和高分辨率,该方法不仅适用于基础科学研究,也适用于应用型项目,例如疾病诊断。最近,该方法已被成功用于检测定位于完全分化的三维人呼吸道上皮(HAE)培养物中纤毛细胞内的SARS-CoV-2 RNA2。HAE培养物是目前用于在“自然感染""”微环境中研究病毒感染的最先进工具之一3,4。
多篇关于人类冠状病毒(HCoV)(包括SARS-CoV-2)的报告强调了表观遗传修饰在HCoV感染及病理生理过程中的重要性[综述见5],例如编码血管紧张素转换酶2(ACE-2)受体的基因甲基化模式6,7。有趣的是,质谱筛选发现多个表观遗传因子可与SARS-CoV-2蛋白组相互作用8。更具体而言,非结构蛋白5(NSP5)可结合表观遗传调控因子组蛋白去乙酰化酶2,而催化失活的NSP5(C145A)则与tRNA甲基转移酶1(24)相互作用。此外,NSP16甲基转移酶活性可被甲基转移酶抑制剂辛fungin(sinefungin)阻断9。然而,这些表观遗传因子在新冠肺炎(COVID-19)中的确切作用仍不明确。HCoV的复制发生在感染细胞的细胞质中,并引发由表观遗传修饰调控的炎症反应10。
例如,HCoV-229E 可精细调控核因子-κB 信号通路,并通过增加特定区域 H3K36 和 H4K5 的乙酰化,显著重编程宿主细胞的染色质景观11。中东呼吸综合征相关冠状病毒感染会提高某些特异性干扰素敏感基因亚群启动子区域 H3K27me3 的水平,同时耗竭 H3K4me312。此外,病毒 RNA 可触发细胞免疫反应,黄病毒13、逆转录病毒14,15 和冠状病毒16 的研究已证实这一点。病毒 RNA 上的表观遗传标记可能在细胞感受器的识别过程中发挥作用,例如人类免疫缺陷病毒-1 RNA 的 m7A 甲基化已有相关证明17。然而,仍存在未解问题:SARS-CoV-2 RNA 对免疫反应有何影响?表观遗传修饰是否参与其中?
本文介绍了一种优化的RNA-FISH方法,并结合了细胞系和三维组织(完全分化的人支气管上皮HAE)的免疫荧光分析。尽管细胞学方法如FISH和免疫荧光已被广泛使用,但基于HCR的这一新一代原位杂交方法此前从未用于病毒检测(最近一篇文献除外)2。通常,免疫染色和FISH需要以下步骤:通透化处理以允许探针或抗体进入细胞;固定以稳定和保存细胞成分;检测步骤中加入抗体或核酸探针;最后,将样品封片以便观察。
尽管现有方案具有这些总体特征,但在所涉及的参数方面存在显著差异。本文介绍了一种经过优化的、简单的免疫-RNA-FISH方案,用于检测人呼吸道上皮(HAE)培养物和Vero细胞中的SARS-CoV-2 RNA。该技术包括以下步骤:(1)使用多聚甲醛固定细胞;(2)使用去垢剂或甲醇(MeOH)进行透化处理;(3)通过梯度甲醇溶液重新水化(仅适用于HAE培养物);(4)检测;(5)利用HCR技术对SARS-CoV-2 RNA进行信号放大;(6)免疫染色;以及(7)在共聚焦显微镜下成像。
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1. 缓冲液的配制
2. 靶标定义、探针和扩增子
3. 细胞培养及SARS-CoV-2感染
4. 在盖玻片上培养的Vero细胞中进行SARS-CoV-2 RNA-FISH
第1天
5. HAE 培养物中 SARS-CoV-2 RNA-FISH
第1天
第2天
6. Vero 细胞和 HAE 培养物的免疫荧光分析
注意:对于细胞系,在第3天进行免疫荧光检测;对于HAE培养物,则在第4天进行。每种模型采用不同的方法,所有差异均已明确标出。
7. 共聚焦显微镜
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本研究中描述的免疫RNA-FISH方案使用了两种细胞体系:Vero细胞系和三维人源化气道上皮(3D HAE)培养物。两种细胞模型的主要步骤如表2所示。在HAE培养物中用于可视化SARS-CoV-2的RNA-FISH方案包含适用于组织样本的典型步骤,即使用100%甲醇进行通透化处理,并通过梯度甲醇-PBS及含0.1% Tween的溶液进行再水化。在完成RNA-FISH后进行免疫荧光染色。采集并处理Z轴层扫图像。
图1显示了模拟接种的对照Vero细胞或感染SARS-CoV-2的细胞中的免疫RNA荧光原位杂交结果。图2显示了模拟接种的对照HAE培养物或感染SARS-CoV-2的培养物中的免疫RNA荧光原位杂交结果。图3展示了Vero细胞中通透化方案...
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免疫-RNA-FISH 是一种用于 RNA 与细胞蛋白双重染色的可靠方法。本文描述了一种改良的免疫-RNA-FISH 实验方案,可用于在细胞系和人源气道上皮(HAE)培养物中检测 SARS-CoV-2 RNA 及细胞蛋白。该方案可适用于不同的细胞模型,包括单层细胞或特定组织。该方法基于由特异性探针定位引发的杂交链式反应(HCR)原理。随后,利用分裂引发探针启动荧光标记扩增子对信号进行扩增,在共聚焦显微镜下观察时几乎不产生背景荧光。扩增子可标记不同的荧光染料,并可与针对不同靶标的探针兼容,因此可同时使用。本方案所述操作步骤较为简便,但耗时较长(3–4 天)。然而,其结果具有较低的信噪比,优于使用直接标记荧光探针的其他实验方案。
本研究使用了 Vero 细胞和 HAE 培养物。对于载玻片上的细胞和组织培养中的细胞,需要采用不同的实验方案。主要差异体现在细胞处理方式(无论是在载玻片上还是在膜上)以及所用试剂的用量方面。常规的 RNA-FISH 实验方案需要使用乙醇或甲醇溶液进行通透化处理,并在 -20 °C 下孵育过夜。重要的是,使用去污剂进行通透化处理对免疫荧光更为有利,可将实验流程缩...
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作者声明无利益冲突。
本工作得到了科学与高等教育部对SARS-CoV-2研究的支持,以及国家科学中心资助项目(资助号 UMO2017/27/B/NZ6/02488 致 K.P.,资助号 UMO-2018/30/E/NZ1/00874 致 A.K.-P.)的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 设备 | |||
| 共聚焦显微镜 LSM 880 | ZEISS | ||
| Grant Bio 微型摇床-振荡器 | Fisher Scientific | 12965501 | |
| Galaxy170R 型培养箱 | New Brunswick | CO170R-230-1000 | |
| Thermomixer Comfort 恒温混匀仪 | Eppendorf | 5355 000 011 | |
| 材料 | |||
| 15 mm × 15 mm 1号盖玻片 | LabSolute | 7695022 | |
| 1.5 mL 离心管 | FL-MEDICAL | 5.350.023.053 | |
| 12孔板 | TTP | 92412 | |
| 锥形离心管 | Sarstedt | 5.332.547.254 | |
| 封口膜(parafilm) | Sigma | P7793-1EA | |
| 移液管(serological pipets) | VWR Collection | 612-5523P, 612-5827P | |
| 载玻片(slide glass) | PTH CHEMLAND | 04-296.202.03 | |
| Transwell ThinCerts 细胞培养小室 | Grainer bio-one | 665641 | |
| 试剂 | |||
| Alexa Fluor 488 标记的二抗 | Invitrogen | ||
| β5-微管蛋白 | Santa Cruz Biotechnology | sc-134234 | |
| DAPI | Thermo Scientific | D1306 | |
| 磷酸氢二钠 | Sigma | S51136-500G | |
| EGTA | BioShop | EGT101.25 | |
| HCR 扩增缓冲液 | Molecular Instruments, Inc. | BAM01522 | 缓冲液也可自行配制,参见 doi:10.1242/dev.165753:补充信息 |
| HCR 放大剂 B1-h1 Alexa Fluor 647 | Molecular Instruments, Inc. | S013922 | |
| HCR 放大剂 B1-h2 Alexa Fluor 647 | Molecular Instruments, Inc. | S012522 | |
| HCR 探针杂交缓冲液 | Molecular Instruments, Inc. | BPH03821 | 缓冲液也可自行配制,参见 doi:10.1242/dev.165753:补充信息 |
| 针对 SARS-CoV-2 核衣壳蛋白的 HCR 探针组 | Molecular Instruments, Inc. | PRE134 | |
| HCR 探针洗涤缓冲液 | Molecular Instruments, Inc. | BPW01522 | 缓冲液也可自行配制,参见 doi:10.1242/dev.165753:补充信息 |
| HEPES | BioShop | HEP001.100 | |
| 七水合硫酸镁 | Sigma | 63138-250G | |
| 甲醇 | Sigma | 32213-1L-M | |
| 磷酸二氢钾 | Sigma | P5655-100G | |
| 多聚甲醛 | Sigma | P6148-1KG | |
| PIPES | BioShop | PIP666.100 | |
| 氯化钾 | Sigma | P5405-250G | |
| Prolong Diamond 抗荧光淬灭封片剂 | Invitrogen | P36970 | |
| 氯化钠 | BioShop | SOD001.5 | |
| 二水合柠檬酸三钠 | POCH | 6132-04-3 | |
| Tween-20 | BioShop | TWN580.500 | |
| 软件 | |||
| 荧光光谱查看器(Fluorescence Spectraviewer) | 光谱参数建模 | ||
| ImageJ Fiji | 获取和处理 z-stack 图像 |
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