本文提供了一种实用的小鼠锁骨上棕色脂肪组织解剖及其组织学与基因表达分析的操作流程。
本文提供了一种实用的小鼠锁骨上棕色脂肪组织解剖及其组织学与基因表达分析的操作流程。
棕色脂肪组织(BAT)介导的产热在调节代谢过程中发挥着重要作用,其形态和功能会受到环境刺激的显著影响,这在小鼠和人类中均有体现。目前,研究实验室主要利用小鼠肩胛间棕色脂肪组织(iBAT)来研究BAT的功能,该组织位于小鼠背部上方两个肩胛骨之间的区域。最近,研究人员在小鼠中鉴定出若干此前未知的棕色脂肪组织储存部位,其中包括一个类似于人类锁骨上棕色脂肪组织的部位。与iBAT不同,小鼠锁骨上棕色脂肪组织(scBAT)位于颈部的中间层,因此难以直接获取。
为了促进对新鉴定的小鼠scBAT的研究,本文提供了一种详细的操作方案,用于从新生期及成年小鼠中分离完整的scBAT组织。由于scBAT相对于其他脂肪组织库体积较小,相关操作步骤已针对性地进行了修改和优化。其中一项改进是在组织采集过程中使用解剖显微镜,以提高冷冻scBAT样本取材的精确性和均一性,从而提升后续qPCR分析的效率。通过这些优化措施,可在小鼠中实现对scBAT的鉴定、形态学观察及其分子特征的分析。
美国及全球肥胖症患病率的不断上升,引发了人们对了解其病因并寻找潜在治疗方法的极大兴趣1,2。脂肪组织在代谢过程中发挥着关键作用,脂肪组织功能失调可导致肥胖的发生。通常,脂肪组织分为两种类型:白色脂肪组织和棕色脂肪组织。白色脂肪组织(WAT)能够储存化学能并分泌内分泌因子,而棕色脂肪组织(BAT)则能够利用化学能产热,以在寒冷环境中维持体温3,4。由于这一独特功能,激活棕色脂肪组织还可增加能量消耗,并改善胰岛素敏感性5。
棕色脂肪组织(BAT)通过非颤抖性产热发挥作用,该过程由解偶联蛋白1(UCP1)介导6。包括小鼠和人类在内的哺乳动物体内含有数量不等的BAT。传统观点认为,这类脂肪组织在小鼠和婴儿中比在成人中更为丰富。位于肩胛间背部上方的iBAT是小鼠中最常被研究的BAT储存部位。通过放射性同位素成像和活检检测,近期研究在成人人体中鉴定出多个BAT储存部位。其中一些部位,如位于颈部深部和锁骨上区域的BAT,在小鼠或其他模式动物中此前并未发现7,8,9,10,11。在这些BAT储存部位中,锁骨上BAT(scBAT)是成人中最常见的部位。为了更好地理解人类中这些新发现BAT储存部位的起源及其分子贡献,关键在于在小鼠中鉴定出相应的等效部位,以便通过遗传和分子操作来追踪并验证这些部位的功能作用。因此,我们及其他研究者在小鼠不同解剖位置中鉴定出若干此前未知的BAT储存部位,包括scBAT12,13、胸主动脉周围血管BAT14,15、肾周BAT16以及主动脉周围BAT17。小鼠的scBAT在解剖位置上与人类scBAT相似,在形态上则类似于经典的iBAT,并高表达UCP112。
与易于分离的小鼠iBAT不同,scBAT位于小鼠颈部的中间层,处于唾液腺下方并沿颈外静脉分布。对该脂肪库进行组织学和分子分析的分离操作具有挑战性。本文中,我们详细描述了从小鼠出生后及成年小鼠中解剖scBAT并对其进行组织学和基因表达分析处理的实验步骤。
动物实验程序已获得贝勒医学院机构动物护理和使用委员会的批准。所有实验均在3周龄和3月龄的C57BL/6J雄性小鼠上进行。在解剖前,所有小鼠均采用经批准的啮齿类动物二氧化碳安乐死程序实施安乐死。有关本实验方案中使用的所有材料、试剂和仪器的详细信息,请参见材料表。
1. scBAT 的分离
2. scBAT 的处理及苏木精-伊红(H&E)染色(见图2A)
3. scBAT 的基因表达分析
与位于肩胛骨之间背部皮下层的iBAT不同,scBAT位于颈部中间层,随着外颈静脉的走向深入分布于骨骼肌层和唾液腺之间(图1A)。scBAT的解剖比iBAT更为复杂。本文提供了一种详细的解剖方法,包括从新生期及成年小鼠中完整分离scBAT的关键步骤(图1B、C)。按照所提供的方案打开颈部后,可在解剖显微镜下识别出一层薄薄的scBAT组织,并用镊子将其从相连的唾液腺和外颈静脉上剥离(图1D、E)。为评估该脂肪库的形态结构,将新鲜分离的scBAT组织按照所提供的处理流程结合先前发表的H&E染色方法19进行处理(图2A)。如图2B所示,在健康的新生期和成年小鼠中,scBAT具有典型的棕色脂肪组织结构特征,由大量体积较小、多房脂滴的脂肪细胞组成。为检测scBAT中的基因表达水平,采用所提供的方法从分离的scBAT脂肪库中提取RNA(图3A)。随后可通过标准的RT-qPCR方法检测目的基因的表达水平(图3A)。如图3B所示,参与调控scBAT功能的关键基因的差异表达水平可被清晰检测,包括作为棕色脂肪发育主调控因子的Pparg;两个营养物质转运蛋白基因Fabp4和Glut4;以及两个参与产热过程的基因Ucp1和Ppargc1a。作为对照,同样采用所提供的方法从分离的iBAT中提取RNA,并检测上述基因的表达水平(图3A)。结果显示,这两类脂肪库中这些基因的表达水平相对相似(图3B)。

图1:scBAT的解剖位置及其分离过程。(A)scBAT位于颈部中间层的位置。(B)去除皮肤前后颈部浅层的图像。比例尺 = 250 μm。黄色虚线标示出U形切口后应暴露的区域。(C)将小鼠尸体置于体视显微镜下拍摄的图像,以提高解剖过程中的视觉清晰度。(D、E)3周龄和3月龄小鼠在移除scBAT前后颈部中间层的代表性图像。比例尺 = 250 μm。黄色虚线标示出暴露的双侧scBAT脂肪库;n = 2。缩写:scBAT = 锁骨上棕色脂肪组织;sfi = 浅层;sg = 唾液腺;tr = 气管;jv = 颈外静脉;sm = 骨骼肌。请点击此处查看该图的放大版本。

图2:scBAT的H&E染色处理流程。(A)scBAT组织进行H&E染色的主要步骤流程图。组织经解剖后,依次进行固定、脱水、包埋、切片和染色。(B)3周龄和3月龄小鼠scBAT的H&E染色代表性图像;每个发育阶段n = 3;低倍镜图像比例尺 = 250 µm;高倍镜图像比例尺 = 50 µm。缩写:scBAT = 锁骨上棕色脂肪组织;PFA = 多聚甲醛;H&E = 苏木精和伊红。请点击此处查看该图的高清版本。

图3: 用于基因表达分析的scBAT RNA制备 (A) 流程图展示了scBAT基因表达的RNA提取及RT-qPCR分析各阶段。由于scBAT组织体积小且质地柔软,将其脂肪库迅速冷冻并在液氮中研磨,对成功提取RNA至关重要。 (B) 标记基因的相对表达水平,包括 Pparg, Fabp4, Glut4, Ucp1,以及 Ppargc1a,来自3月龄雄性小鼠的scBAT和iBAT,n = 5。数据以均值 ± 标准误表示。 36B4 用作标准化的看家基因。缩写:scBAT = 锁骨上棕色脂肪组织;RT-qPCR = 反转录定量 PCR;LN2 = 液氮 请点击此处以查看此图的放大版本。
在本实验方案中,我们详细介绍了用于H&E染色和基因表达分析的scBAT解剖与处理步骤。由于scBAT位于颈部的中间层,并沿大静脉分布,因此分离该脂肪组织需要精确的操作技术。具体而言,为清晰观察该组织,建议在打开小鼠颈部后,将其置于体视显微镜下进行操作。使用超细尖镊子将scBAT从唾液腺及周围静脉上剥离时,应小心避免刺破静脉,过度出血会增加定位scBAT的难度。为进行H&E染色处理,我们参考了一项已发表的方案19,并稍作修改,包括在组织处理过程中使用4%多聚甲醛(PFA)、脱水用醇类以及有机溶剂甲苯,具体步骤见方案部分。整个流程约需6天完成,染色结束后次日即可对H&E染色切片进行成像。
以RNA为起始材料的逆转录定量聚合酶链式反应(RT-qPCR)是脂肪组织生物学领域中最常用的基因表达分析方法。由于肩胛下棕色脂肪组织(scBAT)相对于肩胛间棕色脂肪组织(iBAT)体积较小,获取足量RNA用于基因表达分析较为困难。为提高RNA得率,我们建议按照本方案部分所述,采用逐步裂解液制备步骤,首先在组织仍处于冷冻状态时使用研钵和研杵将其研磨成粉。通过该裂解液制备方法,我们已成功从一只成年小鼠的scBAT中获得高产量、高质量的RNA样本,可用于基因表达分析。该裂解液制备方法也可用于制备高质量的scBAT蛋白裂解液,只需使用蛋白裂解缓冲液,即可用于后续的蛋白质印迹(western blotting)分析。
利用小鼠的肩胛间棕色脂肪组织(iBAT),研究人员已深入了解棕色脂肪组织在产热和代谢中的功能。近期在小鼠和人类中发现了一些先前未被识别的棕色脂肪组织库,包括皮下棕色脂肪组织(scBAT),这表明在全面理解棕色脂肪组织在小鼠和成年人体内的生理作用之前,仍需开展更多研究。特别是,有必要开展研究阐明这些新发现的棕色脂肪组织库的起源、功能及其在产热以及局部或全身代谢中的参与机制。
作者声明无利益冲突。
本研究由美国国立卫生研究院国家糖尿病、消化及肾脏疾病研究所(NIDDK)资助项目编号 R01DK116899、美国农业部/农业研究局(USDA/ARS)资助项目编号 3092-51000-064-000D,以及贝勒医学院心血管研究所的试点项目资助。流程图使用 BioRender 软件制作。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 95% 脱水酒精(Flex 95) | Epredia | 8201 | |
| 100% 脱水酒精(Flex 100) | Epredia | 8101 | |
| 96 孔 PCR 板 | Bio-Rad | MLL9601 | |
| Aurum 结合微型离心柱 | Bio-Rad | 7326826 | |
| Aurum 高严谨性洗涤液 | Bio-Rad | 7326803 | |
| Aurum 低严谨性洗涤液 | Bio-Rad | 7326804 | |
| 包埋用基础模具(Base Molds) | Tissue-Tek | 4122 | |
| BD PrecisionGlide 针头 21g x 1 1/2" | Becton Dickinson | 305167 | |
| C1000 Touch 梯度 PCR 仪 | Bio-Rad | 1840148 | |
| 无盖微量离心管 2 mL | Fisherbrand | 02-681-453 | |
| 离心机 | Eppendorf | 5430R | |
| CFX Opus 96 实时荧光定量 PCR 仪 | Bio-Rad | 12011319 | |
| 氯仿 | Thermo Scientific Chemicals | 383760010 | |
| Cytoseal 60 低黏度封片介质 | Epredia | 83104 | |
| DEPC 处理水 | Ambion | AM 9906 | |
| 解剖显微镜 | Nikon | SMZ1500 | |
| DNase 稀释液 | Bio-Rad | 7326805 | |
| DNase I | Bio-Rad | 7326828 | |
| dNTPs | Invitrogen | 18427013 | |
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| EM 400 包埋介质石蜡 | Leica Biosystems | 3801320 | |
| 伊红 Y(0.5% w/v) | RICCA | 2858-16 | |
| Formula R 浸润介质石蜡 | Leica Biosystems | 3801470 | |
| Genemark Nutator Gyromixer 349 | Bio Express | S-3200-2 | |
| Gill #3 苏木精 | Sigma-Aldrich | GHS332-1L | |
| HCl(用于 HCl-乙醇) | Fisher Chemical | A142212 | |
| IP VI 包埋盒 | Leica Biosystems | 39LC-550-5-L | |
| Koptec 纯乙醇 - 200 证明(用于 70% 乙醇) | Decon Labs | V1001 | |
| MgCl2(25 mM) | Thermo Fisher Scientific | R0971 | |
| 微量离心管 1.7 mL | Avantor | 87003-294 | |
| Microseal 'B' 密封膜(粘性密封) | Bio-Rad | MSB1001 | |
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| 分子生物学级水 | Corning | 46-000-CM | |
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| NaCl(用于 0.85% 生理盐水) | Fisher Bioreagents | BP358-212 | |
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| 引物:36B4 (正向)10 μM 5' TGA AGT GCT CGA CAT CAC AGA GCA 3’ | Chen 实验室寡核苷酸数据库 | ||
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| SUR-VET 注射器配 25G x 5/8" 针头,1 mL | Terumo | 100281 | |
| SYBR Green(qPCR 酶预混液) | Applied Biosystems | A25778 | |
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| 甲苯 | Fisher Chemical | T324-1 | |
| 移液吸头 | Avantor | 414004-005 | |
| 二甲苯 | Fisher Chemical | X3P-1GAL |