在本实验方案中,我们介绍了基于活细胞显微镜技术的细胞铺展实验的操作步骤。我们提供了一个开源的计算工具,用于对荧光标记的细胞进行无偏分割,并对细胞铺展过程中的片状伪足动态进行定量分析。
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在本实验方案中,我们介绍了基于活细胞显微镜技术的细胞铺展实验的操作步骤。我们提供了一个开源的计算工具,用于对荧光标记的细胞进行无偏分割,并对细胞铺展过程中的片状伪足动态进行定量分析。
细胞铺展是一个动态过程,指悬浮在培养基中的细胞附着于基质后,从圆球状逐渐变平,形成扁平且伸展的形态。在细胞与基质附着之后,细胞会从胞体向外延伸形成一层薄的片状伪足。在片状伪足中,球状肌动蛋白(G-actin)单体聚合形成致密的丝状肌动蛋白(F-actin)网状结构,该结构对细胞质膜产生推力,从而为细胞铺展提供所需的机械力。值得注意的是,调控片状伪足中肌动蛋白聚合的分子因子在许多其他细胞过程中也发挥关键作用,例如细胞迁移和内吞作用。
由于铺展细胞会形成跨越整个细胞周边并持续向外扩展的片状伪足,细胞铺展实验已成为评估片状伪足突出动力学的有效工具。尽管已有多种细胞铺展实验的技术实现方法被开发出来,但目前仍缺乏对实验流程的详细描述,尤其是包含逐步操作方案及用于数据分析的计算工具的完整流程。本文中,我们详细描述了细胞铺展实验的操作步骤,并提供了一个开源工具,用于对细胞铺展过程中细胞边缘动态进行定量且无偏倚的分析。当该方案与药理学干预和/或基因沉默技术相结合时,适用于大规模筛选调控片状伪足突出的分子因子。
片状伪足是迁移细胞前端形成的显著细胞骨架结构。在片状伪足中,肌动蛋白在Arp2/3复合物和formins 的协助下发生聚合,形成快速生长的分支状肌动蛋白网络,该网络对质膜产生推力1,2。这种由肌动蛋白网络产生的推力在物理上推动细胞向前移动1,3,4,5。Arp2/3复合物的缺失或对片状伪足形成至关重要的信号通路的破坏,通常会损害细胞迁移能力6, 7。尽管也有报道显示缺乏片状伪足的细胞仍可迁移8,9,但片状伪足在细胞迁移中的重要性是明确的,因为缺失这一突出结构会干扰细胞在 复杂的生物微环境中移动的能力6,10。
研究迁移细胞中片状伪足调控机制的主要障碍在于片状伪足突出动力学、大小和形状存在天然变异性11,12,13,14。此外,近期研究表明,片状伪足表现出复杂的突出行为,包括波动性、周期性和加速性突出14,15。与迁移细胞中高度可变的片状伪足相比6,16,细胞铺展过程中形成的片状伪足更为均一12。由于铺展细胞与迁移细胞的突出活动均由相同的大型分子复合物驱动,这些复合物包括分支状肌动蛋白网络、收缩性肌动蛋白-肌球蛋白束以及基于整合素的细胞-基质黏附结构17,18,因此铺展细胞被广泛用作研究片状伪足动态调控的模型。
细胞铺展是一个动态的力化学过程,悬浮状态的细胞首先通过整合素介导的黏附作用附着于基质表面17,19,20,随后通过延伸由肌动蛋白驱动的突起而铺展开来21,22,23。在铺展阶段,从细胞体发出的片状伪足呈各向同性且持续地向外延伸,几乎不发生回缩或停滞现象12。目前最常用的细胞铺展实验方案是终点法检测,即在接种后不同时间点固定正在铺展的细胞19,24。这类方法虽然快速简便,但在检测片状伪足动态特征变化方面的诊断能力有限。为了揭示调控片状伪足动态行为的分子机制,Sheetz 研究组率先采用对活细胞铺展过程进行定量分析的方法,发现了细胞边缘突起的诸多基本特性11,12,22。这些研究证明,活细胞铺展实验是细胞生物学实验室中一种稳健且强大的技术手段。然而,目前细胞生物学领域尚缺乏详细的活细胞铺展实验操作流程以及开源的计算分析工具。为此,本实验方案详细描述了活细胞铺展过程的成像步骤,并提供了一套自动化的图像分析工具。为验证该方法的有效性,我们采用抑制 Arp2/3 复合物活性作为实验处理,结果表明,抑制 Arp2/3 复合物功能并不会完全阻断细胞铺展,但会显著降低细胞突起的推进速度以及细胞边缘突起的稳定性,导致细胞边缘呈现锯齿状形态。这些数据表明,结合活细胞成像与自动化图像分析,是研究细胞边缘动态行为及鉴定调控片状伪足分子组分的有效手段。
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1. 细胞接种
注意:所述的细胞铺展实验方案使用表达 PH-Akt-GFP(PIP3/PI(3,4)P2 的荧光标记物)的小鼠胚胎成纤维细胞(MEFs)进行。该细胞系通过 CRISPR 介导的基因编辑技术,将 PH-Akt-GFP 表达载体(Addgene #21218)在基因组中稳定整合而获得。然而,本实验也可使用其他瞬时表达或基因组整合的荧光标记物。为了获得最佳的图像分割效果,我们推荐使用在细胞质中均匀分布的荧光标记物,例如,胞质 GFP。
2. 药物孵育与细胞回收
3. 磁室制备
4. 图像采集
5. 细胞铺展过程中细胞面积、圆度及突起动态的分析
6. 利用显微轨迹图量化细胞铺展过程中的细胞边缘动态
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上述方案描述了活细胞成像观察细胞铺展的实验步骤,以及用于定量分析细胞铺展动态的计算工具。该计算工具可用于低通量或高通量模式,以鉴定调控细胞前缘肌动蛋白聚合机制的分子参与者。
实验流程的示意图如图1所示。细胞铺展实验在稳定表达Akt蛋白激酶pleckstrin同源(PH)结构域(与eGFP标记融合)的永生化小鼠胚胎成纤维细胞上进行25。细胞用胰蛋白酶-EDTA消化后,于悬浮状态下恢复45分钟。在恢复期间,细胞在质膜上重新补充了整合素受体,这由恢复后的细胞快速且同步地附着于纤连蛋白包被的盖玻片所证实(图2)。若无恢复期,铺展细胞表现出广泛的细胞大小分布,表明细胞铺展起始存在高度变异性(图2A 和B)。随后,将细胞接种于带有定位标记的盖玻片上,并通过转盘共聚焦显微镜观察其铺展动态(示意图见
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本研究所述的细胞铺展实验能够持续追踪细胞形态变化(例如,细胞大小和形状)以及细胞边缘运动(即,突出速度和回缩频率),而这些特征在大多数细胞铺展实验方案中均未被涵盖19,24。尽管常用的终点法细胞铺展实验可用于测定细胞铺展速度,但这类实验无法解析细胞边缘运动的时间动态过程。缺乏时间分辨信息限制了对片状伪足突出-回缩周期中变化的检测与定量分析能力。
我们的图像处理与分析软件可对铺展细胞进行高效分析,从细胞分割到数据量化均可完成。传统的细胞铺展手动图像分析通常需要人为设定阈值或应用自动分割算法,这种方法在需要分析大量图像的高通量实验中存在选择偏差,难以适用。因此,本软件被设计用于以自动化 方式检测和分割铺展细胞,并可同时量化细胞突起的动态行为及形态学参数。上述功能使得本方案适用于对调控片状伪足的信号通路及分子因子进行高通量筛选。
为确保对铺展细胞的分析具有稳健性和准确性,...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本工作获得了以下资助:S.P. 获得康诺特基金新研究者奖、加拿大创新基金会、加拿大自然科学与工程研究委员会发现基金项目(项目编号 RGPIN-2015-05114 和 RGPIN-2020-05881)、曼彻斯特大学与多伦多大学联合研究基金以及多伦多大学 XSeed 计划。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.05% 胰蛋白酶 (0.05%),0.53 mM EDTA | Wisent Bioproducts | 325-042-CL | |
| 10.0 cm 培养皿,聚苯乙烯,组织培养处理,带通气孔 | Starstedt | 83.3902 | |
| 15 mL 高透明度聚丙烯离心管,锥底,带圆顶密封螺帽,无菌 | Falcon | 352097 | |
| 适用于 22 mm × 22 mm 盖玻片的 1 孔 Chamlide CMS | Quorum Technologies | CM-S22-1 | |
| 35 mm 组织培养处理易握式细胞培养皿 | Falcon | 353001 | |
| 50 mL 离心管,透明,插塞密封 | Nest | 602002 | |
| 6.0 cm 细胞培养皿,经处理以增强细胞贴附,无菌 | VWR | 10861-658 | |
| Arp2/3 复合物抑制剂 I,CK-666 | Millipore Sigma | 182515 | |
| 相机,Prime 95B-25MM | Photometrics | ||
| 二甲基亚砜,无菌 | BioShop | DMS666 | |
| DMEM,1×,4.5 g/L 葡萄糖,含 L-谷氨酰胺、丙酮酸钠和酚红 | Wisent Bioproducts | 319-005 CL | |
| DMEM/F-12,含 HEPES,无酚红 | Gibco | 11039021 | |
| D-PBS,1× | Wisent Bioproducts | 311-425 CL | |
| 胎牛血清 | Wisent Bioproducts | 080-110 | |
| Fiji 软件 | ImageJ | ||
| HEPES (1 M) | Gibco | 15630080 | |
| 人血浆纤维连接蛋白纯化蛋白,1 mg | Millipore Sigma | FC010 | |
| 浸油 | Cargille | 16241 | |
| L-谷氨酰胺溶液 (200 mM) | Wisent Bioproducts | 609-065-EL | |
| MEM 非必需氨基酸溶液 (100×) | Gibco | 11140050 | |
| 显微盖玻片,方形,No. 11/2,22 × 22 mm | VWR | CA48366-227-1 | |
| 显微镜主体,Eclipse Ti2-E | Nikon | ||
| 物镜,CFI Plan Apo Lambda 60X 油 | Nikon | MRD01605 | |
| 青霉素-链霉素 | Sigma | P4333 | |
| 转盘装置,Crest Light V2 | CrestOptics | ||
| Spyder | Anaconda | ||
| 载物台培养箱 | Tokai Hit | ||
| 统计分析软件,Prism | GraphPad | ||
| 镊子,Style 2 | Electron Microscopy Sciences | 78326-42 |
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