在此,我们描述了一种用于可视化水母中具有干细胞特性的增殖细胞的实验方案 枝螅整体荧光标记 原位 利用干细胞标志物进行杂交可检测类干细胞,5-乙炔基-2'-脱氧尿苷标记则可用于鉴定增殖细胞。结合两种方法,可检测处于活跃增殖状态的类干细胞.
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在此,我们描述了一种用于可视化水母中具有干细胞特性的增殖细胞的实验方案 枝螅整体荧光标记 原位 利用干细胞标志物进行杂交可检测类干细胞,5-乙炔基-2'-脱氧尿苷标记则可用于鉴定增殖细胞。结合两种方法,可检测处于活跃增殖状态的类干细胞.
刺胞动物门包括海葵、珊瑚和水母,表现出多样的形态和生活方式,体现在固着生活的水螅体和自由游动的水母体中。这一点在已建立的模式生物中尤为明显,例如 水螅 和 Nematostella,干细胞和/或增殖细胞参与刺胞动物水螅体的发育与再生。然而,大多数水母(尤其是其水母体阶段)中这些过程的潜在细胞机制仍不明确,因此,建立一种可靠的特定细胞类型鉴定方法至关重要。本文介绍了一种用于可视化水螅水母中具有干细胞特征的增殖细胞的实验方案 Cladonema pacificum. 枝螅 水母具有分枝的触手,这些触手在整个成体阶段持续生长并保持再生能力,为研究由增殖细胞和/或干细胞样细胞调控的细胞机制提供了一个独特的平台。整体荧光标记 原位 利用干细胞标记物进行荧光原位杂交(FISH),可检测类干细胞;通过5-乙炔基-2'-脱氧尿苷(EdU)脉冲标记(S期标记物),可识别增殖细胞。结合FISH与EdU标记技术,我们能够在固定样本动物中检测处于活跃增殖状态的类干细胞,该方法可广泛应用于其他动物,包括非模式水母物种。
刺胞动物门被认为是一个基底分支的多细胞动物门类,其动物具有神经和肌肉组织,这使其在理解动物发育和生理进化方面处于独特地位1,2。刺胞动物分为两大类:珊瑚虫纲(例如海葵和珊瑚)仅具有浮浪幼虫和固着生活的水螅体阶段;而水母亚门(包括水螅纲、十字水母纲、钵水母纲和立方水母纲的成员)通常具有自由游泳的水母体,即水母,同时也具有浮浪幼虫和水螅体阶段。刺胞动物通常表现出很强的再生能力,其潜在的细胞机制,特别是成体干细胞和增殖细胞的存在,已受到广泛关注3,4。最初在Hydra中发现的水螅纲干细胞位于外胚层上皮细胞之间的间隙区域,通常被称为间质细胞或i细胞3。
水螅类i-细胞具有一些共同特征,包括多能性以及广泛保守的干细胞标志物的表达(例如, Nanos、Piwi、Vasa)以及迁移潜能3,5,6,7,8作为功能性干细胞,i-细胞广泛参与水螅类动物的发育、生理活动及环境响应,这证明了其具有高度的再生能力和可塑性3尽管类似于i细胞的干细胞在水螅类以外尚未被发现,即使在已确立的模式物种中也是如此 Nematostella增殖细胞仍参与体细胞组织以及生殖系的维持与再生9由于刺胞动物的发育与再生研究主要在水螅型动物上进行,例如 水螅,绿螅 和 Nematostella水母物种中干细胞的细胞动力学及其功能在很大程度上仍未得到研究。
水螅水母 Clytia hemisphaerica 是一种世界性分布的水母物种,栖息地遍布全球,包括地中海和北美洲,已被广泛用作多个发育生物学和进化生物学研究中的实验模式动物10。由于体型小、易于操作且卵子较大,Clytia 适合实验室培养,也便于引入转基因和基因敲除等遗传操作工具——这些技术 recently 已建立11,为深入分析水母生物学背后的细胞与分子机制提供了可能。在 Clytia 水母的触手部位,间充质细胞(i-cells)定位于近端区域,称为球部(bulb);而前体细胞(如刺丝胞母细胞,nematoblasts)则在分化为包括刺细胞(nematocytes)在内的多种细胞类型的过程中,向远端迁移12。
在水母 Clytia 口管(manubrium)再生过程中,存在于生殖腺中的 Nanos1+ 间质细胞(i-cells)会迁移至因损伤而缺失口管的区域,并参与口管的再生过程7。这些发现支持了 Clytia 中的间质细胞同样具有功能性干细胞的特性,能够参与形态发生和再生过程。然而,由于间质细胞的特性在水螅型动物(如 Hydra 和 Hydractinia)中存在差异3,水母不同物种间干细胞的特征与功能也可能具有多样性。此外,除 Clytia 外,其他水母物种的实验技术手段仍十分有限,有关增殖细胞和干细胞的详细动态尚不清楚13。
水螅水母 Cladonema pacificum 是一种新兴的模式生物,可在实验室环境中培养,且无需使用水泵或过滤系统。Cladonema 水母具有分枝的触手,这是枝螅水母科(Cladonematidae)的常见特征,其外胚层靠近球状结构处具有一种称为眼点的感光器官14。触手的分枝过程发生在触手近轴侧出现的新分枝位点处。随着时间推移,触手持续伸长并产生分枝,较老的分枝逐渐被推向触手顶端15。此外,Cladonema 的触手在截断后数天内即可再生。近期研究表明,增殖细胞和类干细胞在 Cladonema 触手的分枝与再生过程中发挥重要作用16,17。然而,尽管传统原位杂交(in situ hybridization, ISH)已被用于可视化 Cladonema 中的基因表达,但由于其分辨率较低,目前仍难以在细胞水平上详细观察干细胞的动态行为。
本文介绍了一种通过荧光原位杂交(FISH)结合EdU共染色来可视化Cladonema中类干细胞的方法,其中EdU是细胞增殖的标记物18。我们利用FISH技术可视化干细胞标志物Nanos1的表达模式5,17,从而在单细胞水平上确定类干细胞的分布。此外,Nanos1表达与EdU标记的共染色可进一步区分出处于活跃增殖状态的类干细胞。该同时监测类干细胞和增殖细胞的方法可广泛应用于Cladonema的触手分支、组织稳态及器官再生等多个研究领域,类似方法也可推广至其他水母物种。
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注意:有关本实验方案中使用的所有材料、试剂和设备的详细信息,请参见材料表。
1. 探针合成
2. EdU 掺入与固定
3. 荧光 原位 杂交
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Cladonema 触手已被用作研究形态发生和再生过程中细胞活动的模型15,16,17触手结构由一个上皮管构成,其中干样细胞或称i-细胞位于近端区域,称为触手球;新的分支沿球体远端区域的近轴侧后端依次添加图3A)15先前的报道表明,通过EdU或BrdU标记,细胞增殖在触手基部和新的分枝位点均较为活跃。16,17。然而,由于分辨率的 原位 杂交,目前尚不清楚干细胞样细胞是否真正具有增殖活性。为了在细胞水平上同时可视化干细胞样细胞和增殖细胞,我们对干细胞标志物进行了荧光原位杂交(FISH)Nanos1 或 Piwi以及对同一样本中S期细胞进行EdU标记。
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增殖细胞和干细胞在形态发生、生长和再生等多种过程中是重要的细胞来源21,22。本文描述了一种在枝螅水母(Cladonema)中通过FISH对干细胞标志物Nanos1进行染色并结合EdU标记的共染方法。以往利用EdU或BrdU标记的研究表明,增殖细胞主要定位于触手 bulbs16,17,但其分子特征尚不明确。本研究实现了增殖细胞分布与Nanos1+类干细胞定位的同步检测(图4)。结果显示,部分增殖细胞表达Nanos1,而另一些细胞仅被EdU标记且不表达Nanos1,提示存在干细胞异质性,或可能存在其他类型的增殖细胞。未来进一步解析在枝螅(Cladonema)的不同生物学过程(包括触手分支、组织稳态、器官再生以及生殖细胞维...
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作者声明无利益冲突。
本工作由日本医疗研究开发机构(AMED)资助,资助编号为JP22gm6110025(受资助人:Y.N.),以及日本学术振兴会(JSPS)科研费资助,资助编号为22H02762(受资助人:Y.N.)。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 2-巯基乙醇 | Wako | 137-06862 | |
| 3.1 mL 移液管 | Thermo Scientific | 233-20S | |
| 5-溴-4-氯-3-吲哚基-β-D-半乳糖吡喃糖苷(X-Gal) | Wako | 029-15043 | |
| anti-DIG-POD | Roche | 11207733910 | |
| Cladonema pacificum Nanos1 正向引物 | 5’-AAGAGACACAGTCATTATCAAGC GA-3’ | ||
| Cladonema pacificum Nanos1 反向引物 | 5’-CGACGTGTCCAATTTTACGTGCT -3’ | ||
| Cladonema pacificum Piwi 正向引物 | 5’- AAAAGAGCAGCGGCCAGAAAGA AGGC -3’ | ||
| Cladonema pacificum Piwi 反向引物 | 5’- GCGGGTCGCATACTTGTTGGTA CTGGC -3’ | ||
| Click-iT EdU 细胞增殖成像试剂盒,Alexa Fluor 488 染料 | Invitrogen | C10337 | EdU 试剂盒 |
| Coroline off | GEX Co. ltd | N/A | 氯中和剂 |
| DIG 核酸检测试剂盒封闭试剂 | Roche | 11175041910 | 封闭缓冲液 |
| DIG RNA 标记混合物 | Roche | 11277073910 | |
| DTT | Promega | P117B | |
| ECOS 感受态细胞 DH5α | NIPPON GENE | 316-06233 | 感受态细胞 |
| Fast gene 凝胶/PCR 提取试剂盒 | Fast gene | FG-91302 | 凝胶提取试剂盒 |
| Fast gene 质粒小提试剂盒 | Fast gene | FG-90502 | 质粒小量制备 |
| 甲酰胺 | Wako | 068-00426 | |
| 猪来源肝素钠盐 | SIGMA-ALDRICH | H3393-10KU | |
| 异丙基-β-D(-)-硫代半乳糖吡喃糖苷(IPTG) | Wako | 096-05143 | |
| LB 琼脂 | Invitrogen | 22700-025 | 琼脂平板 |
| LB 肉汤基础 | Invitrogen | 12780-052 | LB 培养基 |
| 马来酸 | Wako | 134-00495 | |
| mini Quick spin RNA 柱 | Roche | 11814427001 | 纯化柱 |
| NaCl | Wako | 191-01665 | |
| NanoDrop OneC 微量紫外-可见分光光度计(带 Wi-Fi) | Thermo Scientific | ND-ONEC-W | 分光光度计 |
| 聚氧乙烯(20)失水山梨醇单月桂酸酯(Tween-20) | Wako | 166-21115 | |
| PowerMasher 2 | nippi | 891300 | 匀浆器 |
| 蛋白酶 K | Nacarai Tesque | 29442-14 | |
| RNase 抑制剂 | TaKaRa | 2313A | |
| RNeasy Mini 试剂盒 | Qiagen | 74004 | 总 RNA 提取试剂盒 |
| RQ1 无 RNase 的 DNase | Promega | M6101 | |
| 20 倍盐溶液柠檬酸钠缓冲液粉末(20x SSC) | TaKaRa | T9172 | |
| SEA LIFE | Marin Tech | N/A | 矿物质盐混合物 |
| T3 RNA 聚合酶 | Roche | 11031163001 | |
| T7 RNA 聚合酶 | Roche | 10881767001 | |
| TAITEC HB-100 | TAITEC | 0040534-000 | 杂交孵育器 |
| TaKaRa Ex Taq | TaKaRa | RR001A | Taq DNA 聚合酶 |
| TaKaRa PrimeScript 2 1st 链 cDNA 合成试剂盒 | TaKaRa | 6210A | cDNA 合成试剂盒 |
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