本方法介绍了一种免疫荧光实验方案及定量分析流程,用于评估在具有不同核结构模式的人类T淋巴细胞中蛋白质的分布情况。该方案提供了从样品制备开始,到在Fiji中进行半自动化分析操作,最后通过Google Colab笔记本进行数据处理的逐步指导。
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本方法介绍了一种免疫荧光实验方案及定量分析流程,用于评估在具有不同核结构模式的人类T淋巴细胞中蛋白质的分布情况。该方案提供了从样品制备开始,到在Fiji中进行半自动化分析操作,最后通过Google Colab笔记本进行数据处理的逐步指导。
多种核内过程(如转录调控)发生在被称为“焦点”(foci)的特定结构中,这些结构可通过免疫荧光技术加以识别。通过显微镜研究这些焦点在不同细胞条件下的动态变化,可深入揭示调控细胞身份与功能的分子机制。然而,在不同类型细胞中开展免疫荧光实验,并评估这些焦点在组装、扩散和分布上的改变,仍面临诸多挑战。这些挑战包括样本制备的复杂性、成像数据分析参数的确定,以及大量数据的管理。此外,现有的成像工作流程通常面向熟练用户设计,限制了更广泛研究人员的使用。
本研究介绍了一种优化的免疫荧光实验方案,专为研究不同类型人原代T细胞中的核蛋白而设计,该方案可针对任何感兴趣的蛋白和细胞类型进行定制。此外,我们还提出了一种无偏定量分析蛋白染色的方法,无论这些蛋白形成明确的焦点结构,还是呈现弥散的核内分布均可适用。
我们提出的方法提供了一套完整的操作指南,从细胞染色到数据分析,利用在Jython中开发并可在Fiji中运行的半自动化流程实现。此外,我们还提供了一个用户友好的Python脚本,用于简化数据管理,并已在Google Colab笔记本中公开共享。本方法已证明能够高效地对在不同 背景下具有多样化核内组织模式的蛋白质进行高信息量的免疫荧光分析。
真核生物基因组的组织结构受多种表观遗传修饰层次的调控1,这些修饰协调着在称为核体或凝聚物的特殊区室中发生的多种核功能2。在这些结构中,发生着转录起始3、RNA 加工4,5,6、DNA 修复7,8、核糖体生物合成9,10,11以及异染色质调控12,13等过程。核体的调控随空间和时间维度动态变化,以适应细胞的需求,这一过程受相分离原理的指导14,15。因此,这些核体作为瞬时的功能“工厂”,功能性组分可在其中组装和解聚,并发生大小和空间分布的变化。因此,通过显微镜研究核蛋白的特征,包括其形成核体的倾向性以及在不同细胞条件下其空间排布方式,可为理解其功能角色提供重要线索。荧光显微镜是研究核蛋白的常用方法,可通过荧光标记抗体检测目标蛋白,或通过荧光蛋白报告系统直接表达目标蛋白进行观察16,17。
在此背景下,核体表现为明亮的焦点或点状结构,具有明显的球形特征,因而可轻易地与周围环境相区分16,18。STORM 和 PALM 等超分辨率技术通过提供更高的分辨率(可达 10 nm)19,能够更精确地表征特定凝聚体的结构与组成20。然而,由于设备成本高昂以及数据分析所需的专门技能,这些技术的普及受到限制。因此,共聚焦显微镜因其在分辨率与广泛应用性之间的良好平衡而仍广受欢迎。这种普及性得益于其固有的去除离焦光的能力,从而降低了对复杂后期处理步骤以实现准确分割的需求;此外,共聚焦显微镜在研究机构中广泛可用、图像采集效率高,且样品制备通常较为高效。然而,在不同细胞条件下利用免疫荧光检测准确测量蛋白质分布、组装或扩散仍面临挑战,因为许多现有方法缺乏针对具有不同分布模式的蛋白质选择合适参数的指导21。此外,对于数据分析经验有限的用户而言,处理由此产生的大量数据可能十分困难,进而可能影响结果的生物学意义。
为应对这些挑战,我们提出了一种详细的免疫荧光样品制备与数据分析的分步操作方案,旨在提供一种无偏倚的方法,用于量化具有不同组织模式的蛋白质染色信号(图1)。该半自动化分析流程专为在计算和成像分析方面经验有限的用户设计,整合了两个成熟的Fiji插件功能:FindFoci22 和 3D suite23。通过将FindFoci精确识别焦点的能力与3D suite在三维空间中进行目标识别和分割的功能相结合,本方法为每次采集视野中的每个通道生成两个CSV文件。这些文件包含互补信息,有助于计算适用于多种信号分布类型的量化指标,例如每细胞的焦点数量、焦点到细胞核中心的距离,以及我们为弥散性蛋白染色所引入的非均一性系数(IC)。此外,我们认识到,对于数据处理能力有限的用户而言,数据外推可能耗时费力。为简化该过程,我们提供了一个Python脚本,可自动将所有采集的测量数据汇总为每个实验的单个文件。用户无需安装任何编程语言软件即可运行该脚本。我们已在Google Colab(一种基于云的平台,支持直接在浏览器中编写Python脚本)上提供了可执行代码,确保本方法直观且易于立即投入使用。
我们通过分析和量化两种核蛋白信号分布的变化,展示了本实验方案的有效性:含溴结构域蛋白4(BRD4)和zeste-12抑制因子(SUZ12)。BRD4是中介体复合物中一种已被充分研究的共激活蛋白,已知可形成与RNA聚合酶II依赖性转录起始相关的凝聚体24,25。SUZ12是多梳抑制复合物2(PRC2)的组成蛋白,负责调控组蛋白修饰H3K27me3的沉积26,27。这两种蛋白在两种不同类型的细胞中表现出不同的分布模式:新分离的人外周血CD4+初始T细胞(处于静息状态,转录活性较低)以及体外分化的TH1型CD4+细胞(为特化的增殖性效应T细胞,转录活性增强)28。
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使用人类样本进行研究已获得米兰基金会科学特征医疗护理研究所(IRCCS)Cà Granda Maggiore综合医院伦理委员会的批准,并已从所有受试者获得知情同意(授权编号:708_2020)。该方案分为三个主要部分:免疫荧光实验、图像采集和图像分析。平均需要4个工作日完成(图1)。
1. 免疫荧光样品制备
注意:通过调整固定和通透条件,该免疫荧光实验方案可轻松适用于多种细胞类型和靶蛋白。免疫荧光样品制备通常可在3天内完成,其中一抗孵育时间的长短取决于抗体质量和靶蛋白的特性(图1)。
2. 图像采集
注意:图像采集的持续时间取决于仪器和所选设置。
3. 图像分析
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本方法中所述方案有助于可视化并定量分析人原代T细胞中核蛋白染色的变化,且可针对不同细胞类型和蛋白靶标进行定制。作为案例研究,我们对初始型和TH1型CD4+细胞中的BRD4和SUZ12染色进行了实验与分析。
BRD4 在静息的初始型和分化的 TH1 CD4+ 细胞中均呈现点状分布的染色模式,因此可采用相同的设计参数对两种细胞类型的焦点进行识别(图 3A)。我们的分析流程可定量多种参数,包括 BRD4 焦点的数量、体积、荧光信号强度(以平均荧光强度(MFI)表示)、覆盖范围及其在细胞核内的空间排布(图 3B-F)。此外,我们引入了自动计算方法,用于确定焦点占细胞核体积的百分比,从而便于在细胞核大小不同的细胞之间进行比较(图 3E)。
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本研究中,我们介绍了一种在人T淋巴细胞中对核蛋白进行免疫荧光实验的方法。通过在固定和透化步骤中进行微小调整,该方法可灵活适用于多种细胞类型,如先前所述30,31。
我们的成像工作流程基于文献中已建立的技术,特别是 FindFoci 和 3D Suite22,23。与以往的研究不同,我们提供了一个集成在 Fiji 中的可执行 Jython 代码,构建了一条半自动化的分析流程,能够精确追踪参数并进行可视化质量检查。值得注意的是,我们在方案第 3.5.3.5 节中引入了可选的核分割质量调控功能,并在第 3.5.5 节中实施了校正步骤。该脚本可在 Google Colab 上运行,用户可由此获取全面的测量数据,并根据其特定的生物学场景选择最合适的参数。
所提供的分析流程使用 Jython(Java + ...
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R.V. 与初创公司 T-One Therapeutics Srl 存在科研合作;B.B. 和 F.M. 是初创公司 T-One Therapeutics Srl 的联合创始人;E.P. 目前受雇于 T-One Therapeutics Srl;其余所有作者声明均无竞争利益。
我们感谢INGM成像平台的科学与技术协助,特别是C. Cordiglieri和A. Fasciani,以及INGM FACS分选平台特别是M.C Crosti(意大利米兰国家分子遗传学研究所“Romeo ed Enrica Invernizzi”(INGM))。我们感谢M. Giannaccari提供的信息技术支持。本研究由以下基金资助:Fondazione Cariplo(青年项目,资助编号2018-0321)和Fondazione AIRC(资助编号MFAG 29165),资助对象为F.M.;Ricerca Finalizzata(资助编号GR-2018-12365280)、Fondazione AIRC(资助编号2022 27066)、Fondazione Cariplo(资助编号2019-3416)、伦巴第生物医学研究基金会(FRRB CP2_12/2018)、国家复苏与韧性计划(PNRR)(资助编号G43C22002620007)以及国家重要项目计划(PRIN)(资助编号2022PKF9S),资助对象为B.B.。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1.5 mL 安全锁扣管 | Eppendord | #0030121503 | 实验方案第1节 |
| 10 mL 血清移液管 | VWR | #612-3700 | 实验方案第1节 |
| 20 µL 防污染移液器吸头 | Thermo Scientific | #2149P-HR | 实验方案第1节 |
| 50 mL 聚丙烯锥形管 | Falcon | #352070 | 实验方案第1节 |
| 200 µL 防污染移液器吸头 | Thermo Scientific | #2069-HR | 实验方案第1节 |
| 抗荧光淬灭封片剂 - ProlongGlass | Invitrogen | #P36984 | 步骤 1.3.12 |
| BSA(牛血清白蛋白) | Sigma | #A7030 | 步骤 1.3.6、1.3.8 |
| CD4+ T 细胞分离试剂盒 | Miltenyi Biotec | #130-096-533 | 步骤 1.1.2 |
| DAPI(4,6-二脒基-2-苯基吲哚) | Invitrogen | 货号#D1306 | 步骤 1.3.10 |
| 干冰 | 步骤 1.3.1 | ||
| Dynabeads 人 T 细胞激活剂抗 CD3/抗 CD28 磁珠 | Life Technologies | #1131D | 磁珠步骤 1.1.4 |
| EtOH | Carlo Erba | #4146320 | 步骤 1.2.1.1 |
| FACSAria SORP | BD Biosciences | 步骤 1.1.3,配备 BD FACSDiva 软件 8.0.3 版本 | |
| FBS(胎牛血清) | Life Technologies | #10270106 | 步骤 1.1.4 |
| FICOLL PAQUE PLUS | Euroclone | GEH17144003F32 | 步骤 1.1.1 |
| FIJI 软件 2.14.0 版本 | - | - | 实验方案第3节 |
| 玻璃盖玻片(10 mm,厚度 1.5 H) | Electron Microscopy Sciences | #72298-13 | 步骤 1.2.1 |
| 甘油 | Sigma | #G5516 | 步骤 1.2.7–1.3.1 |
| 山羊抗兔 AF568 二抗 | Invitrogen | A11036 | 步骤 1.3.8 |
| HCl | Sigma | #320331 | 步骤 1.3.4 |
| 人源中和性抗 IL-4 抗体 | Miltenyi Biotec | 货号#130-095-753 | 步骤 1.1.4 |
| 人重组 IL-12 | Miltenyi Biotec | 货号#130-096-704 | 步骤 1.1.4 |
| 人重组 IL-2 | Miltenyi Biotec | 货号#130-097-744 | 步骤 1.1.4 |
| Leica TCS SP5 共聚焦显微镜 | Leica Microsystems | - | 实验方案第2节,配备 HCX PL APO 63x、1.40 NA 油浸物镜,额外放大 3 倍。针孔大小:0.8 AU。扫描线平均 2×。图像帧尺寸 1024×1024 像素。 |
| MEM 非必需氨基酸溶液 | Life Technologies | #11140035 | 步骤 1.1.4 |
| 显微镜载玻片 | VWR | #631-1552 | 步骤 1.3.12 |
| 小鼠单克隆抗人 CD4 APC-Cy7 抗体(RPA-T4 克隆) | BD Bioscience | #557871 | 步骤 1.1.3 |
| 小鼠单克隆抗人 CD45RA PECy5 抗体(5H9 克隆) | BD Bioscience | #552888 | 步骤 1.1.3 |
| 小鼠单克隆抗人 CD45RO APC 抗体(UCHL1 克隆) | Miltenyi Biotec | #130-113-546 | 步骤 1.1.3 |
| 24 孔多孔板 | Falcon | #353047 | 实验方案第1节 |
| 正常山羊血清 | Invitrogen | PCN5000 | 步骤 1.3.6、1.3.8 |
| PBS | Life Technologies | #14190094 | 实验方案第1节 |
| 青霉素/链霉素溶液 | Life Technologies | #15070063 | 步骤 1.1.4 |
| PFA | Sigma | #P6148 | 步骤 1.2.4 |
| 聚-L-赖氨酸 | Sigma | #P8920 | 1.2.1 |
| 一抗 - BRD4 | Abcam | #ab128874 | 步骤 1.3.6 |
| 一抗 - SUZ12 | Cel Signalling | 单克隆抗体 #3737 | 步骤 1.3.6 |
| RPMI 1640 培养基(含 GLUTAMAX-I) | Life Technologies | #61870010 | 步骤 1.1.4 |
| 丙酮酸钠 | Life Technologies | #11360039 | 步骤 1.1.4 |
| Triton X-100 | Sigma | #T8787 | 步骤 1.2、1.3 |
| TWEEN 20 | Sigma | #P9416 | 步骤 1.3 |
| 镊子 | - | - | 实验方案第1节 |
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