利用5-乙炔基-2'-脱氧尿苷(EdU)和磷酸化组蛋白H3(pH3)标记进行细胞周期分析是一种多步骤实验流程,可能需要进行大量优化。本文提供了一个详细方案,描述了该流程的全部步骤,包括图像分析和定量方法,以区分处于不同细胞周期阶段的细胞。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
利用5-乙炔基-2'-脱氧尿苷(EdU)和磷酸化组蛋白H3(pH3)标记进行细胞周期分析是一种多步骤实验流程,可能需要进行大量优化。本文提供了一个详细方案,描述了该流程的全部步骤,包括图像分析和定量方法,以区分处于不同细胞周期阶段的细胞。
体内细胞周期进程分析通常用于研究调控有丝分裂和DNA复制的基因。5-乙炔基-2'-脱氧尿苷(EdU)被用来研究复制期/S期的进程,而抗磷酸化组蛋白H3的抗体则被用来标记有丝分裂期的细胞核和细胞。结合这两种标记方法,可将细胞周期分为G0/G1期(间隙期)、S期(复制期)和M期(有丝分裂期),并作为评估有丝分裂相关基因敲低或无效突变体对细胞周期进程影响的重要工具。然而,用于标记EdU标记细胞的试剂与多种荧光标记的二抗不兼容,这使得使用一抗和标记的二抗来标记pH3阳性有丝分裂细胞的免疫染色变得复杂。本文介绍了一种在果蝇(Drosophila)幼虫神经干细胞中对EdU和pH3进行双重标记的逐步实验方案,该系统被广泛用于研究有丝分裂因子。此外,还提供了一套图像分析与定量方法的流程,用于将标记的细胞划分为三个不同类别:G0/G1期、S期、S>G2/M期(从S期向G2/M期的进程)以及M期。
细胞分裂周期包括G1期(第一间隙期)、复制/S期、G2期(第二间隙期)和M期(有丝分裂期)。在经历这些阶段的过程中,细胞在转录、翻译以及细胞骨架系统的重组方面会发生显著变化1,2。响应发育和环境信号,细胞可能暂时停止分裂而进入静息状态(G0期),或发生分化并永久停止分裂3。其他情况,如DNA损伤,可能导致细胞过早分化或发生凋亡3,4。此类信号的响应由细胞周期检查点介导,这些检查点作为监控系统,确保在细胞进入分裂周期下一阶段之前,关键的细胞过程保持完整5。因此,针对调控DNA复制、检查点及有丝分裂机制的基因研究,需要分析突变细胞或通过siRNA敲低这些基因时可能出现的细胞周期进程异常。此外,此类分析也可用于评估细胞整体健康状况以及细胞对药物处理的反应。
5-溴-2'-脱氧尿苷(BrdU)是一种胸苷类似物,可在DNA复制过程中掺入DNA中6。该方法曾被广泛用于鉴定处于S期的细胞。然而,后续需要进行强烈的DNA变性处理,以便利用抗BrdU抗体检测BrdU6。这种剧烈处理可能破坏细胞表位,从而阻碍通过免疫染色对样本进行进一步表征。EdU的掺入及其随后通过铜催化的“点击反应”与小分子、可穿透细胞膜的荧光标记叠氮染料进行检测,避免了剧烈变性步骤的需要7。因此,该方法成为比BrdU掺入更为实用的替代方案。
此外,已有文献将pH3描述为有丝分裂期/M期细胞的可靠标志物8。组蛋白H3是一种与DNA结合的核心组蛋白蛋白,在G2晚期至M期早期发生磷酸化,并在后期末期去磷酸化8。目前已有多种商用抗体可用于通过标准免疫染色方案检测pH3。因此,对EdU和pH3进行双重染色可同时检测处于S期和M期的细胞。此外,处于G1期和G2早期的细胞对这两种标志物均不会呈现阳性染色。
果蝇 神经干细胞或成神经细胞(NBs)提供了一个特征明确的干细胞模型,其中细胞通过不对称分裂产生一个与母细胞相同的自我更新的成神经细胞和一个注定分化的神经节母细胞(GMC)。9此外,多种遗传工具和神经母细胞特异性抗体使该系统适用于遗传操作和活细胞成像。因此,已有多个研究利用神经母细胞研究调控不对称分裂和细胞命运决定的基因9在幼虫大脑的中央脑(CB)和视叶(OL)中存在不同的神经母细胞群体9用于本研究的是 CB 神经母细胞(NBs)。这些三龄幼虫期的 CB 神经母细胞是体积较大的细胞,也适用于研究调控有丝分裂纺锤体组装的因素。分析细胞周期进程缺陷的实验方案将为这类研究提供重要的工具。
早期发表的实验方案采用了商业试剂盒,例如Click-iT EdU Alexa Fluor细胞增殖检测试剂盒,该试剂盒提供多种反应组分以及与不同Alexa Fluor染料标记的叠氮染料,用于EdU的掺入与检测10。然而,此类试剂盒所提供的试剂与常用于二抗的一些荧光标签不兼容。本研究测试了该EdU检测试剂盒(Click-iT EdU Alexa Fluor细胞增殖检测试剂盒,配备Alexa Fluor 647偶联的叠氮染料),在黑腹果蝇(Drosophila)三龄幼虫神经母细胞(NBs)中进行应用,并尝试与抗pH3抗体及Miranda抗体(神经母细胞标记物)进行共染色。此外,使用Alexa Fluor 568或Cy3标记的二抗来检测神经母细胞质膜上的Miranda信号11。然而,在完成EdU检测后再进行免疫染色时,这些二抗未能观察到预期的信号强度和染色模式(未发表结果)。
对于EdU掺入实验,Daul及其同事所描述的方案需要将幼虫喂食含有EdU和溴酚蓝(BPB)的Kankel-White培养基10。幼虫摄取添加了EdU和BPB的食物后,可在其肠道中观察到蓝色,从而确认摄食行为。尽管该方法曾用于Mms19功能缺失型(Mms19P)三龄幼虫的EdU掺入实验,但Mms19P幼虫似乎并未有效进食,因其肠道中几乎未检测到蓝色(未发表结果)。Mms19P幼虫表现出严重的发育畸形,并最终停滞在三龄阶段。这可能在某种程度上影响了三龄幼虫的摄食行为,从而使EdU喂食方案不适用于此类情况。
在系统研读现有文献并深入开展关键步骤标准化工作的基础上,本文提出了一种无需通过饲喂幼虫EdU即可实现果蝇(Drosophila)神经母细胞(NBs)EdU/pH3双标记的替代方法。此前虽有研究采用EdU与pH3双染色法分析NBs的细胞周期,但未提供详细的实验方案4,这为其他实验室重复该技术带来了不必要的障碍。此外,评估不同试剂与EdU检测试剂盒的兼容性并进行进一步优化,往往是一个耗时的过程。本文提供了一套详尽的分步操作流程,涵盖幼虫脑组织解剖后EdU的体外掺入、抗pH3抗体免疫染色,以及后续的共聚焦显微镜成像与图像分析,从而将NBs划分为四个明确的细胞周期阶段:G0/G1期、S期、S>G2/M期(从S期向G2/M期过渡)以及M期。文中明确了需要优化的关键步骤,并提供了针对大规模图像数据集进行图像分析的实用建议。此外,本文还分析并比较了野生型NBs与近期报道存在细胞周期延迟的Mms19P NBs中的EdU/pH3检测结果11。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
1. Click-it EdU 检测所需试剂与储备液的制备
注意:有关试剂盒及其所含试剂的详细信息,请参见材料表和表1。
2. 三龄幼虫大脑的解剖及EdU掺入
注意:脑组织解剖方案此前已有描述12。开始解剖前,请确保按照 2.6 和 3.1 节所述,已配制并充分解冻足量的 EdU 溶液和 PFA 溶液。
3. 固定与免疫染色
4. EdU 检测、DNA 染色和封片
5. 成像
注意:有关本实验方案中使用的激光扫描显微镜和油浸物镜的详细信息,请参见材料表。
6. 图像分析
注意:以下步骤描述了如何使用 ImageJ 软件对已获取的图像进行分析,并将细胞分选为 G0/G1 期、S 期、S>G2/M 期(从 S 期进展到 G2/M 期)以及 M 期。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
双叶型的Drosophila三龄幼虫脑已被用作研究基本细胞和发育过程的模型系统9。本研究的重点是介绍一种用于分析CB区域EdU和pH3标记的神经母细胞(NB)细胞周期进程的实验方案(图1)。CB区域的神经母细胞分为I型和II型,表现出典型的不对称分裂模式9。每次I型神经母细胞分裂产生一个具有自我更新能力的神经母细胞和一个注定分化的中间神经前体细胞(GMC)9。相比之下,II型神经母细胞产生可进行过渡性扩增的未成熟神经前体细胞(INP),这些细胞能够自我更新并进一步生成2个GMC9。尽管在OL区域存在一个独立的神经母细胞群体,但本研究聚焦于CB区域的神经母细胞,因其体积较大且可通过神经母细胞特异性标记物轻松识别。
本研究中,使用Miranda来识别和分析中央脑神经母细胞(CB NBs)(
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
EdU 掺入及其随后与细胞通透性叠氮化物发生的“点击”反应,相较于早期使用的 BrdU 方法具有实际优势7。然而,该反应由 Cu(I) 离子催化,某些染料在此铜催化剂存在下可能不稳定,这一点已被 Click-it EdU 试剂盒制造商明确警示。当在完成 EdU 检测步骤后进行免疫染色实验时,红光通道染料 Alexa Fluor 568 和 Cy3 未观察到预期的信号强度。然而,若在 EdU 检测步骤之前完成免疫染色反应,则实验结果良好。采用该方案,使用四个通道分别可视化 Hoechst、pH3、Miranda 和 EdU。
本方案中另一个优化的步骤是采用分离的脑组织直接摄取EdU,而不是通过向幼虫喂食添加EdU的果蝇食物。由于完整的黑腹果蝇(Drosophila)神经母细胞周期持续约2–2.5小时16,因此本方案中脑组织在EdU中孵育2.5小时,可实现对神经母细胞一个完整细胞周期的追踪。对EdU和pH3均无阳性染色的细胞为静息细胞。在三龄幼虫中,由于神经母细胞正处于活跃...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
作者声明不存在任何竞争利益。
本研究由瑞士国家科学基金会(项目资助号 31003A_173188;www.snf.ch)和伯尔尼大学(www.unibe.ch)为 BS 提供资助。资助机构在研究设计、数据收集与分析、发表决定以及稿件撰写过程中均未发挥任何作用。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 果蝇品系 | |||
| P{EPgy2}Mms19EY00797/TM3, Sb1 Ser1 (Mms19p) | 布卢明顿果蝇资源中心 | #15477 | Mms19 基因第三外显子中的P元件插入突变品系 |
| +; Mms19::eGFP, Mms19p | 本实验室构建 | Mms19p 背景下表达eGFP标记的Mms19蛋白 | |
| w1118 | 布卢明顿果蝇资源中心 | #3605 | 野生型品系 (w;+;+) |
| 一抗 | 稀释比例 | ||
| 大鼠抗Miranda抗体 | Abcam | Ab197788 | 1/250 |
| 兔抗pH3抗体 | Cell Signaling | 9701 | 1/200 |
| 二抗 | |||
| 山羊抗大鼠Cy3抗体 | Jackson Immuno | 112-165-167 | 1/150 |
| 山羊抗大鼠Alexa Fluor 568抗体 | Invitrogen | A11077 | 1/500 |
| 山羊抗兔Alexa Fluor 488抗体 | Invitrogen | A27034 | 1/500 |
| 试剂/试剂盒 | |||
| Aqua Poly/Mount 封片剂 | Polysciences Inc | 18606-20 | |
| Click-it EdU 标记试剂盒,Alexa Fluor 647 | Thermo Fischer Scientific | C10340 | |
| Schneider’s 果蝇培养基 | Thermo Fischer Scientific | 21720-024 | |
| 牛血清白蛋白(BSA)第五组分 | Merck | 10735078001 | |
| Triton X-100 | Fischer Scientific | 9002-93-1 | 非离子型去垢剂 |
| 软件 | |||
| Fiji (ImageJ) | https://imagej.net/Fiji | ||
| Leica Application Suite (LAS X) | Leica Microsystems | ||
| PRISM | GraphPad 软件 | 版本 5 | |
| Microsoft Excel | Microsoft Office | 2016 | |
| 仪器 | |||
| Leica TCS SP8 激光共聚焦显微镜,配备63倍油镜、1.4 NA 平场复消色差物镜 | |||
| 材料 | |||
| Aqua Poly/Mount 封片剂 | 水溶性、无自发荧光的封片介质 | ||
| Pyrex 3孔或9孔玻璃凹板 | |||
| Whatman 滤纸 |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。