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方法文章

邻近连接技术可实现固定组织中蛋白质精氨酸甲基化的检测、定位与定量

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⸱

DOI：

10.3791/64294

⸱

2022年7月20日

 ,  ,  ,  , 
1Université de Lyon, 2Inserm U1052, Centre de Recherche en Cancérologie de Lyon, 3CNRS UMR5286, Centre de Recherche en Cancérologie de Lyon, 4Pathology Department, Centre Leon Bérard, 5Plateforme Anatomopathologie Recherche

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

当修饰的精氨酸残基未知和/或没有特异性抗体可用时，邻近连接实验是一种用于定位和定量特定蛋白质精氨酸甲基化的非常有用的技术。

摘要

精氨酸甲基化作为一种关键的翻译后修饰，正日益受到关注，其参与了多种生物学过程。在组织中对其进行研究常常受限于缺乏能够特异性识别目标精氨酸残基的抗体。邻近连接实验（Proximity ligation assay, PLA）最初被开发用于研究蛋白质与蛋白质之间的相互作用。本文中，我们详细描述了一种专用于检测精氨酸甲基化的PLA实验方案，并以糖皮质激素受体（glucocorticoid receptor, GR）为例进行了应用。此前我们已证实PRMT5可在细胞内对GR进行对称性二甲基化修饰，因此在本研究中，我们联合使用广谱性对称性二甲基化抗体与抗GR抗体，通过PLA技术检测乳腺肿瘤中GR的甲基化水平。我们证明，即使在甲基化位点尚未明确的情况下，PLA仍可提供一种独特的方法来定量检测特定蛋白质的精氨酸甲基化状态。该技术还可拓展至其他存在高效广谱抗体的翻译后修饰研究。因此，本文以GR为例，详细阐述了在固定组织样本中利用PLA技术检测精氨酸甲基化的具体方法。

引言

蛋白质精氨酸甲基转移酶（PRMTs）介导的精氨酸甲基化是一种广泛存在的翻译后修饰（PTM），参与多种生物学过程。PRMTs 催化甲基从 S-腺苷甲硫氨酸转移至精氨酸残基。PRMT 家族包含九个成员，根据其催化的甲基化类型进行分类。所有成员均可催化单甲基化（MMA）。I 型（PRMT1、2、3、4、6 和 8）催化不对称二甲基化（ADMA），II 型（PRMT5 和 9）催化对称二甲基化（SDMA），而 III 型（PRMT7）仅生成 MMA1。通过甲基化大量底物，不同 PRMTs 调控多种重要的细胞过程，如 DNA 修复、转录调控、免疫应答、RNA 加工以及信号转导2,3。在类固醇激素信号通路中尤为如此，PRMTs 不仅甲基化类固醇受体本身，还甲基化其调控因子或组蛋白，从而调节类固醇受体的活性2。

精氨酸甲基化在癌症中被广泛研究，因为大多数蛋白质精氨酸甲基转移酶（PRMTs）在癌组织中的表达水平均高于正常组织，且其表达水平常与不良预后相关4,5精氨酸甲基化的检测 体内 对于理解与此修饰相关的细胞功能至关重要。传统方法是使用特异性识别甲基化精氨酸残基的抗体进行免疫组织化学（IHC）检测。然而，该方法存在较大局限性，因其依赖于对修饰后精氨酸残基的识别，且结果受所用抗体有效性的制约。 原位 邻近连接实验（proximity ligation assay, PLA）最初被开发用于研究固定细胞或组织中的蛋白质/蛋白质相互作用6有趣的是，该技术还可利用针对目标修饰的广谱抗体以及识别靶蛋白的抗体来检测蛋白质翻译后修饰（PTMs）。我们团队此前已对该技术进行改进，用于研究雌激素受体α（ERα）的甲基化，采用抗ERα抗体及特异性识别精氨酸260位点甲基化的抗体7值得注意的是，即使甲基化残基未知，该技术也可扩展至识别特定类型甲基化的抗体。事实上，多家公司提供可特异性识别单甲基精氨酸（MMA）、非对称二甲基精氨酸（ADMA）或对称二甲基精氨酸（SDMA）的广谱抗体，这些抗体可成功用于蛋白质甲基化研究。 体内

在此，作为一个概念验证，我们展示了使用SDMA抗体对人类乳腺肿瘤中GR甲基化的详细分析，涵盖了从实验设计到数据分析的全过程。

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方案

已获得每位患者的书面知情同意。该研究方案已通过里昂癌症研究中心机构伦理委员会的批准。

1. 抗体的选择

  1. 使用经免疫组化（IHC）或免疫荧光（IF）验证的一抗。
    ​注意：所选的一抗对PLA实验的成功至关重要，尤其是在固定组织中的应用。使用经IHC或IF验证的一抗可提高实验成功率。在开展实验前，必须对抗体进行优化和特异性验证，理想情况下可通过在不表达目标蛋白的细胞中进行对照实验，并使用针对相关甲基转移酶酶活性的特异性抑制剂来实现。此处的实验条件此前已优化完成10。

2. 石蜡包埋细胞系团块制备

注意：将样本包埋于凝胶中，随后置于自动组织处理仪中进行样本脱水及石蜡包埋。

  1. 使用胰蛋白酶消化法在1.5 mL微量离心管中制备细胞沉淀。
    注意：切勿刮取细胞以收获细胞。
  2. 将细胞沉淀重悬于1.5 mL磷酸盐缓冲液（PBS）中。
  3. 在室温（RT）下以200 × g 离心细胞，吸除PBS上清液。
  4. 将沉淀重悬于1 mL 4%甲醛溶液中，于4 °C保存3小时。
  5. 用1× Tris缓冲盐水（TBS）洗涤细胞。
    注意：请勿使用基于磷酸盐的溶液，因其会导致凝胶解聚。
  6. 加入1 mL TBS，涡旋振荡30秒以充分匀浆，然后以200 × g 离心5分钟，弃去上清液。
  7. 重复步骤2.5至2.7两次。
  8. 按照以下特定程序，在自动组织处理仪中进行组织包埋：
    甲醛         1 h      37 °C
    蒸馏水 2 min  RT
    EtOH 70%    40 min  45 °C
    EtOH 80%    40 min  45 °C
    EtOH 95%    40 min  45 °C
    EtOH 100%  40 min  45 °C
    EtOH 100%  40 min  45 °C
    EtOH 100%  40 min  45 °C
    二甲苯          40 min  45 °C
    二甲苯          40 min  45 °C
    二甲苯          40 min  45 °C
    石蜡          1 h       60 °C
    石蜡          1 h       60 °C
    石蜡          1 h 30 min  60 °C

3. 组织固定与切片制备

  1. 在包埋前，用4%甲醛固定组织24小时。
  2. 使用切片机对含有组织的蜡块进行连续切片，厚度为3 μm。
  3. 通过自动染色机进行脱蜡处理，将切片依次浸入二甲苯（两次，每次10分钟）、100%乙醇（5分钟）、95%乙醇（5分钟）和水（5分钟）。
  4. 在适当的pH值（通常为6–9）下，使用水浴于10 mM柠檬酸缓冲液中进行加热诱导表位修复，98 °C处理40分钟。
    注意：两种抗体必须在同一pH值下工作，方法才能成功。在确定本研究中所用的最佳pH值前，已进行了多次测试。本研究使用的抗体为SDMA抗体和GR抗体。
  5. 让切片冷却20分钟，然后在1×PBS中洗涤20分钟。

4. 免疫组化实验

注意：免疫组织化学实验采用 Discovery XT 研究仪器（材料表）进行自动化操作和确保可重复性。

  1. 为避免过氧化物酶淬灭，使用二氨基联苯胺（DAB）试剂盒中包含的抑制剂。
  2. 将切片与用抗体稀释液稀释的两种一抗在室温下孵育60分钟。
  3. 将切片与二抗——抗兔辣根过氧化物酶（HRP）抗体孵育16分钟，或抗鼠抗体孵育30分钟。
    注意：建议使用商用二氨基联苯胺（DAB）试剂盒（材料表）进行免疫组化检测。
  4. 向样本中加入苏木精（每张切片100 µL，孵育8分钟）和返蓝液（每张切片100 µL，孵育4分钟），以对细胞核进行染色。
  5. 用温热的洗涤剂水清洗切片，然后使用自动染色机进行脱水，并在自动盖玻片机上用封片介质进行封片。

5. 邻近连接实验反应

注意：所有使用的试剂均包含在 PLA 试剂盒中（材料表）。建议每 1 cm2 组织使用 40 μL 试剂。所有孵育步骤均需在湿润环境中进行，以防止过度蒸发。切勿让样本干燥，否则可能导致背景噪音升高。建议在广口瓶中洗涤时使用 1x 缓冲液 A（原位 洗涤缓冲液，材料表）。当样本在振荡条件下孵育时，广口瓶中的液体体积应至少为 70 mL。样本在使用前应置于室温保存。

  1. 过氧化物酶淬灭
    1. 使用疏水笔划定反应区域，以防止实验过程中溶液过度蒸发。每 1 cm2 样品加入一滴过氧化氢溶液。在室温下孵育 5 分钟。
      注意：建议根据所用样品/抗体优化孵育时间。
  2. 封闭
    1. 将缓冲液 A 轻柔滴加至样品上，在室温下以 50 rpm 振荡洗涤 5 分钟。
    2. 吸除残留的缓冲液 A，每 1 cm2 加入一滴封闭液（包含在 PLA 试剂盒中）。在 37 °C 下孵育 30 分钟。
  3. 一抗孵育
    1. 用抗体稀释液将两种一抗稀释至适当浓度。
    2. 从载玻片上去除封闭液，并立即加入一抗溶液（包含在 PLA 试剂盒中）。在 37 °C 湿润环境中孵育 1 小时。
  4. PLA 探针孵育
    1. 在抗体稀释液中将 PLA 探针 PLUS（1:5）与 PLA 探针 MINUS（1:5）混合稀释。
      注意：建议为 40 µL 反应体系加入 8 µL PLA 探针 MINUS 原液（5x）、8 µL PLA 探针 PLUS 原液（5x）以及 24 µL 抗体稀释液。
    2. 将缓冲液 A 轻柔滴加至样品上，在室温下以 50 rpm 洗涤 5 分钟。
    3. 吸除残留的缓冲液 A，将 PLA 探针溶液（包含在 PLA 试剂盒中）加至样品上。在 37 °C 下孵育 1 小时。
  5. 连接反应
    1. 在进行后续步骤前，提前解冻连接缓冲液（包含在 PLA 试剂盒中）。
    2. 将缓冲液 A 轻柔滴加至样品上，在室温下以 50 rpm 洗涤 5 分钟。
    3. 用高纯度水将 5x 连接缓冲液（1:5）稀释（包含在 PLA 试剂盒中）。在加入样品前立即加入连接酶（1:40）（包含在 PLA 试剂盒中）。
      注意：建议为 40 µL 反应体系将 8 µL 5x 连接缓冲液加入 31 µL 高纯度水中，然后加入 1 µL 连接酶。
    4. 吸除残留的缓冲液 A，将连接酶溶液加至样品上。在 37 °C 下孵育 30 分钟。
  6. 扩增
    1. 在进行后续步骤前，提前解冻扩增缓冲液。
    2. 将缓冲液 A 轻柔滴加至样品上，在室温下以 50 rpm 洗涤 2 分钟。
    3. 用高纯度水将 5x 扩增缓冲液（1:5）稀释（包含在 PLA 试剂盒中）。在轻柔滴加至样品前立即加入聚合酶（1:80）（包含在 PLA 试剂盒中）。
      注意：建议为 40 µL 反应体系将 8 µL 5x 连接缓冲液加入 31.5 µL 高纯度水中，然后加入 0.5 µL 聚合酶。
    4. 吸除残留的缓冲液 A，将扩增溶液加至样品上。在 37 °C 下孵育 2 小时。
  7. 检测
    1. 将缓冲液 A 轻柔滴加至样品上，在室温下以 50 rpm 洗涤 2 分钟。
    2. 用高纯度水将 5x 显色缓冲液（1:5）稀释（适用于明场检测，包含在 PLA 试剂盒中）。
      注意：建议为 40 µL 反应体系将 8 µL 5x 检测缓冲液加入 32 µL 高纯度水中。
    3. 吸除残留的缓冲液 A，将检测溶液加至样品上。在室温下孵育 1 小时。
  8. 底物显色
    1. 将缓冲液 A 轻柔滴加至样品上，在室温下以 50 rpm 洗涤 2 分钟。
    2. 用高纯度水将底物溶液稀释，分别将底物试剂 A（1:70）、B（1:100）、C（1:100）和 D（1:50）（均包含在 PLA 试剂盒中）加入水中。
      注意：建议为 40 µL 反应体系在 37.8 µL 高纯度水中加入 0.6 µL 底物 A、0.4 µL 底物 B、0.4 µL 底物 C 和 0.8 µL 底物 D。
    3. 吸除残留的缓冲液 A，将扩增溶液加至样品上。在室温下孵育 10 分钟。
  9. 细胞核染色
    1. 将蒸馏水轻柔滴加至样品上，在室温下以 50 rpm 用蒸馏水洗涤 2 分钟。
    2. 吸除残留的蒸馏水。每 1 cm2 样品加入一滴核染液（包含在 PLA 试剂盒中），在室温下孵育 2 分钟。
    3. 将载玻片置于流动自来水下冲洗 10 分钟，使染色充分成熟并呈现蓝色。切勿使用静置自来水。
  10. 脱水
    1. 将载玻片在含 96% 乙醇的溶液中孵育两次，每次 2 分钟。随后将载玻片在含 99.7% 乙醇的溶液中孵育两次，每次 2 分钟。
    2. 将载玻片在二甲苯中孵育 10 分钟，然后转移至新鲜二甲苯中。
  11. 封片
    1. 使用最小体积的非水性封片介质，将盖玻片覆盖于样品上，确保盖玻片下无气泡产生。
    2. 在明场显微镜观察前让载玻片充分干燥。

6. 定位成像

  1. 使用正置显微镜获取图像。
    注意：本研究中，载玻片的成像在正置明场显微镜下进行（材料表）。图像以40倍放大倍数，在至少10个随机选择的视野中，以相同条件自动采集。建议每种条件下分析不少于500个细胞。

7. 定量分析

注意：使用 ImageJ 软件进行样本的定量分析8。后续分析采用 FIJI 进行，FIJI 是包含 ImageJ 及其他预装插件的发行版本9,10。

  1. 确定点的数量：
    1. 打开图像。
    2. 执行颜色解卷积。操作方法为点击图像 > 颜色 > 颜色解卷积。
    3. 选择文件名中带有 (color_1) 的图像。
    4. 使用寻找最大值命令来确定点的数量（处理 > 寻找最大值）。
  2. 确定细胞数量：
    1. 打开图像。
    2. 执行颜色解卷积。操作方法为点击图像 > 颜色 > 颜色解卷积。
    3. 选择文件名中带有 (color_1) 的图像。
    4. 调整阈值以显示最大数量的细胞核。操作方法为点击图像 > 亮度/对比度 > 阈值。
    5. 点击处理 > 二值化 > 填充孔洞，以填充孔洞。
    6. 使用分水岭命令将相连的组分分割为独立个体。点击处理 > 二值化 > 分水岭。
    7. 点击分析 > 分析颗粒，以分析颗粒并确定细胞核数量。

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结果

通过上述方法，可以检测并定量目标蛋白的甲基化水平。本文以PRMT5介导的GR甲基化为例进行说明。此前，PLA实验中所用的抗体及实验条件已应用于细胞检测10。简言之，针对GR和SDMA的一抗会与连接有互补寡核苷酸的邻近探针结合；当两种蛋白彼此靠近时，环状DNA探针发生杂交，随后通过HRP在明场显微镜下可视化DNA的扩增信号（图1）。我们首先在多个乳腺肿瘤组织中分析了用于IHC检测GR和PRMT5的理想条件（图2）。为检测GR的甲基化，我们选用不同物种来源的一抗分别识别GR（小鼠源）和广谱SDMA（兔源）；随后按照前述方法进行PLA实验，并采集图像（图3A）。使用ImageJ软件对每细胞内的信号点数进行定量分析（图3B）。

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讨论

精氨酸甲基化与其他翻译后修饰类似，有助于蛋白质功能的精细调控。然而，由于缺乏有效的检测工具，这种修饰的影响常被低估，这在研究甲基化时尤为突出。 体内，而测量精氨酸甲基化的唯一方法是拥有能够识别目标蛋白甲基化位点的特异性抗体。这显然存在局限性，因为必须事先知晓发生甲基化的精氨酸位点，且必须存在适用于免疫组化（IHC）的高效特异性抗体，但这种情况极为罕见。

本文介绍了一种利用针对不同类型甲基化（单甲基精氨酸，MMA；对称二甲基精氨酸，SDMA；非对称二甲基精氨酸，ADMA）产生的广谱甲基化抗体来克服上述障碍的方法。我们先前已证明，将广谱甲基化抗体与识别目标蛋白的抗体偶联，不仅可在固定细胞中有效检测甲基化水平10，也可用于固定组织中的甲基化检测。

然而，尽管这项技术十分强大，但在开始实验之前，仍有一些局限性需要了解。在细胞以及尤其是在组织中进行 PLA 时，一抗的选择至关重要。为了提高成功率，应选择经过免疫组化（IHC）验证的抗体，并遵循推荐的稀释比例。优化实验条件时...

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披露

作者声明不存在利益冲突

致谢

我们感谢 B. Manship 对手稿的校对。我们承认 劳拉·弗朗科尔（Laura Francols）、克莱芒坦·勒内韦（Clémentine Le Nevé）、研究病理学平台（CRCL）提供的技术协助。图1使用Servier医学艺术工具制作。本研究由法国抗癌联盟（Ligue Inter-r地区抗癌联盟与协会：“乳腺癌，让我们来谈谈。”

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
Adhesion slides TOMO 90°，x100VWR631-1239
抗GR抗体（小鼠）Santa Cruzsc393232
抗GR抗体（小鼠）santa cruzsc393232
抗PRMT5抗体（兔）Merck07-405
抗SDMA抗体（兔）CST13222
自动包埋机LeicaASP 6025石蜡浸润与组织块制备
Autostainer XLLeicaST5010自动染色机
Cassettes Q path macrostar III  x1500VWR720-2233
CC1Roche5279801001
柠檬酸盐缓冲液 pH 6 10x，100 mLMMFF/T0050
Dako抗体稀释液Dako AgilentS202230-2抗体稀释液
Discovery ChromoMap二氨基联苯胺（DAB）试剂盒Roche760-159二氨基联苯胺（DAB）试剂盒
Discovery WashRoche7311079001
Duolink insitu  PLA探针 抗小鼠负向Sigma-AldrichDUO92004PLA 试剂盒（抗兔探针负向）
Duolink insitu 显色检测试剂（明场）Sigma-AldrichDUO92012PLA 试剂盒（原位检测试剂）
Duolink insitu PLA探针 抗兔正向Sigma-AldrichDUO92002PLA 试剂盒（抗兔探针正向）
Duolink insitu 洗涤缓冲液（明场）Sigma-AldrichDUO82047PLA 试剂盒（原位洗涤缓冲液）
乙醇 96% VOL TECHNISOLV，5 LVWR83804.360
无水乙醇 ≥99.8%，AnalaR NORMAPUR ACS， 5 LVWR20821.365
EZ Prep 10xRoche5279771001
福尔马林，即用型，5 LMMFF/40877-36甲醛
全自动封片机LeicaCV5030自动封片机
盖玻片 24 x 40Dutscher100037
苏木精Ventana760-2021
IHC仪器RocheDISCOVERY XTIHC自动化设备
LCSRoche5264839001
切片机Thermo ScientificMicrom HM340E组织切片（包括包埋块切片）
Pertex封片介质Histolab00801-FR
免疫组化用PAP笔Sigma-AldrichZ672548-1EA
石蜡 Wax tek III，4 x 2.5 kgSakura4511
一次性巴斯德吸管Fisher Scientific12583237
PBS缓冲液 10x，100 mLMMFF/T0020
反应缓冲液 10xRoche5353955001
Ribo Wash 10xRoche5266262001
RiboCC1Roche5266297001
二抗 抗小鼠Abcamab133469
二抗 OmniMap 抗兔 HRPRoche760-4311
组织包埋中心MMFEC 350
二甲苯（异构体混合物）≥98.5%，AnalaR NORMAPUR ACS，5 LVWR28975.360
Zeiss Axio Imager M2显微镜正置明场显微镜

参考文献

  1. Blanc, R. S., Richard, S. Arginine methylation: The coming of age. Molecular Cell. 65 (1), 8-24 (2017).
  2. Malbeteau, L., et al. How protein methylation regulates steroid receptor function. Endocrine Reviews. 43 (1), 160-197 (2021).
  3. Guccione, E., Richard, S. The regulation, functions and clinical relevance of arginine methylation. Nature Reviews. Molecular Cell Biology. 20 (10), 642-657 (2019).
  4. Poulard, C., Corbo, L., Le Romancer, M. Protein arginine methylation/demethylation and cancer. Oncotarget. 7 (41), 67532-67550 (2016).
  5. Hwang, J. W., et al. Protein arginine methyltransferases: promising targets for cancer therapy. Experimental & Molecular Medicine. 53 (5), 788-808 (2021).
  6. Söderberg, O., et al. Direct observation of individual endogenous protein complexes in situ by proximity ligation. Nature Methods. 3 (12), 995-1000 (2006).
  7. Poulard, C., et al. Activation of rapid oestrogen signalling in aggressive human breast cancers. EMBO Molecular Medicine. 4 (11), 1200-1213 (2012).
  8. Schneider, C. A., Rasband, W. S., Eliceiri, K. W. NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis. Nature Methods. 9 (7), 671-675 (2012).
  9. Schindelin, J., et al. Fiji: an open-source platform for biological-image analysis. Nature Methods. 9 (7), 676-682 (2012).
  10. Poulard, C., Jacquemetton, J., Pham, T. H., Le Romancer, M. Using proximity ligation assay to detect protein arginine methylation. Methods. 175, 66-71 (2020).

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