本研究展示了一种基于定量PCR的检测方法,利用SHH激动剂在纤毛发生细胞模型中检测初级纤毛介导的Sonic Hedgehog(SHH)信号通路的激活。
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本研究展示了一种基于定量PCR的检测方法,利用SHH激动剂在纤毛发生细胞模型中检测初级纤毛介导的Sonic Hedgehog(SHH)信号通路的激活。
纤毛病是指由于运动性或非运动性(初级)纤毛结构或功能异常而引起的一组多系统、多基因的人类疾病与障碍。初级纤毛(PC)存在于大多数人类上皮和内皮组织中,作为生理信号转导的中心,包括音猬因子(Sonic Hedgehog, SHH)信号通路。在多种研究情境下需要检测初级纤毛的功能,可通过测量几乎完全由初级纤毛介导的经典SHH信号通路来实现。本文建立了一种基于定量PCR(qPCR)的技术,用于检测处于静息状态且大多含有初级纤毛的hTERT-RPE1(或RPE1)细胞中SHH通路相关基因的转录水平。RPE1细胞的静息状态通过48小时的无血清培养诱导,而SHH通路的激活则通过特异性激动剂促进。该基于细胞培养的检测方法操作简便且灵敏度高。在具纤毛的RPE1细胞中成功实施该检测,表明其作为初级纤毛功能评估工具具有巨大潜力 体外 用于检测单个或多个基因发生遗传或表观遗传改变后,初级纤毛(PC)功能是否正常的实验方法,这些基因改变可能与多种纤毛病相关。
纤毛是一种基于微管且由膜包被的细胞表面突起结构,其在基体上组装形成1。在脊椎动物中,存在两种类型的纤毛,即运动性纤毛和非运动性纤毛。运动性纤毛位于特化组织中,赋予细胞运动能力。非运动性的初级纤毛(PC)存在于大多数脊椎动物细胞中,具有感觉功能,并将来自细胞外环境的关键信号传递至细胞内部2。纤毛一旦组装完成,其伸长过程依赖于纤毛内运输(IFT)系统,该系统是一种双向运输机制,由驱动蛋白(kinesins,负责顺向运输)和动力蛋白-II(dynein-II,负责逆向运输)驱动,携带货物进行运输3,4。运动性纤毛或初级纤毛在结构或功能上的缺陷可能导致多种累及多个系统的遗传性疾病,这类疾病统称为纤毛病(ciliopathies)5,6。
初级纤毛(PC)是多种发育信号通路的核心枢纽,例如Wingless(Wnt)信号、G蛋白偶联受体(GPCR)信号、受体酪氨酸激酶(RTKs)信号、转化生长因子β(TGFβ)信号以及血小板源性生长因子(PDGF)信号7,8。在哺乳动物中,Sonic Hedgehog(SHH)信号通路尤为关键,该信号几乎完全由含有初级纤毛(PC)的细胞通过PC进行转导9,10,11。PC结构或功能异常会导致相关信号通路减弱,进而引发多种疾病,如先天性心脏病、多囊肾病、颅面畸形、视网膜营养不良,以及一些罕见病,包括巴德-比德尔综合征(Bardet-Biedl Syndrome, BBS)、乔伯特综合征(Joubert Syndrome, JBTS)、阿尔斯特伦综合征(Alström Syndrome)和窒息性胸廓发育不良(Jeune Asphyxiating Thoracic Dysplasia, JATD)12,13,14,15。这些疾病大多为上皮或内皮组织的多基因遗传病,给早期诊断和治疗带来巨大挑战。通过细胞培养模型研究这些突变如何导致PC介导的信号通路减弱,不仅有助于揭示该信号通路的分子复杂性,还可能促进多种纤毛病变的诊断,并为治疗干预提供线索。基于此理念,本研究建立了一种基于定量PCR(qPCR)的检测方法,用于评估人端粒酶逆转录酶(hTERT)永生化的视网膜色素上皮细胞(hTERT-RPE1,以下简称RPE1)中PC介导的SHH信号通路的变化。RPE1细胞为接近二倍体、非转化的人类细胞,广泛用作纤毛形成的细胞模型,因为在血清饥饿(即将细胞置于无血清培养基中)24–48小时后,约有75%–80%的RPE1细胞可组装出初级纤毛,而在异步生长的RPE1细胞培养物中,仅有15%–18%的细胞具有纤毛16。
Hedgehog 信号通路(HH)在脊椎动物的胚胎发育过程中具有保守性17。在哺乳动物中,存在三种不同类型的 Hedgehog 信号通路:Sonic(SHH)、Indian(IHH)和 Desert(DHH),其中 SHH 和 IHH 在组织水平上具有功能重叠11。SHH 信号通路在胚胎发育过程中发挥关键作用,调控肢体的模式形成、神经系统中的细胞类型特化,并维持成体组织的稳态10,11,18。尽管 SHH 信号通路较为复杂,但越来越多的证据表明,经典的 SHH 信号通路依赖于 PC7,11,19,该过程由 Gli 转录因子家族(Gli1、Gli2 和 Gli3)的协同作用所介导。有研究提出,HH 信号通路与 PC 共同进化,其关键信号组分集中在纤毛顶端的狭小空间内,从而能够对低配体浓度产生有效响应11。
在没有SHH配体的情况下,定位于初级纤毛(PC)膜上的Patched1(Ptch1)通过一种尚不完全清楚的机制抑制Smoothened(Smo)的活性,该机制可能涉及脂质转运,从而保持信号通路处于抑制状态7,20。组成性活跃的纤毛G蛋白偶联受体GPR161是该系统的负调控因子,它通过维持纤毛内环磷酸腺苷(cAMP)的高水平来增强蛋白激酶A(PKA)的活性21,并促进PKA在纤毛内的定位7,从而确保通路持续被抑制。蛋白激酶A(PKA)与酪蛋白激酶1(CK1)以及糖原合酶激酶3β(GSK3β)共同作用,在初级纤毛内对Gli蛋白Gli2和Gli3的多个位点进行磷酸化。Gli2和Gli3均可作为靶基因转录的激活因子或抑制因子。PKA介导的磷酸化会抑制Gli2的激活功能,而磷酸化的Gli3则被蛋白酶切割,生成抑制性形式Gli3R22。总体而言,在这些条件下,SHH靶基因的表达受到抑制。
当存在SHH配体时,Ptch1会与其结合,GPR161离开纤毛,而Smo在G蛋白偶联受体(GPCR)激酶2(GPRK2)和CK1的磷酸化作用下,与β-arrestin及微管马达蛋白KIF3A一起被转运至纤毛23。这些事件协同促进Gli2/3、融合抑制因子(Supressor of Fused, SUFU)和Kif7在纤毛尖端的定位,从而减少Gli2/3的剪切,增强Gli2/3的激活功能24,25。一旦被激活,Gli2/3可诱导仅具有激活功能的Gli1表达,从而放大SHH信号通路的响应22。SHH与Ptch1的结合由与CAM相关/癌基因下调蛋白(CDO)、CDO同源蛋白(BOC)、生长停滞特异性蛋白1(GAS1)以及低密度脂蛋白受体相关蛋白2(LRP2)共同促进。相反,Hedgehog相互作用蛋白(HHIP)可通过直接与SHH结合将其隔离,并竞争性地阻止Ptch1与SHH相互作用26。重要的是,GLI1、HHIP和PTCH1在SHH通路激活后被转录,其中后两者参与SHH通路的负向调控。
既往研究表明,可通过检测SHH靶基因的转录水平来评估SHH通路活性,但其在不同细胞类型中可能存在显著差异27,28。SHH通路反应的这种差异可能归因于由原纤毛(PC)介导的SHH信号与由细胞膜介导的SHH信号(可能在缺乏PC的情况下)之间的不同组合。SAG是一种Smo激动剂,在本方法中用于模拟在主要具有纤毛的血清饥饿RPE1细胞中SHH信号的激活。通过qPCR检测对照组和SAG处理组细胞中SHH靶基因(如HHIP、GLI1和PTCH1)以及非靶基因SMO的转录水平,并进行比较以确定SHH通路的激活情况。成功建立这种基于细胞培养的高灵敏度检测方法用于测量PC介导的SHH信号,表明其在与原纤毛功能相关的生物医学研究中具有广阔的应用前景。
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1. 细胞培养
2. 细胞培养、血清饥饿处理及SAG处理
3. 细胞收集
4. 总RNA和cDNA的制备
5. 定量 PCR
6. 使用荧光显微镜进行免疫染色与图像采集
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激活PC介导的SHH信号转导通路是理解PC7正常功能的一种方法。在此,通过RT-qPCR检测法测定在主要具有纤毛的RPE1细胞中,经SAG激活SHH通路后其靶基因的相对表达水平。SHH通路的直接转录输出基因GLI1和PTCH1常被用于评估该通路的活性11。本方案还包括受SHH通路调控的HHIP转录本。由于SMO并非SHH通路的直接靶基因,其转录水平在SHH通路激活后不应发生变化,因此被用作对照。β-ACTIN用于数据归一化,因其在血清饥饿处理的RPE1细胞中经SAG刺激后表达水平无变化(数据未显示)。
本实验中,RPE1细胞在无血清培养基中孵育48小时以诱导纤毛生成。在最后24小时,细胞分别用SAG或对照溶剂DMSO处理(图1A)。qPCR按照图1B所示程序进行。如图1C所示,与DMSO处理组相比,SAG处理组...
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检测初级纤毛(PC)的功能是理解纤毛形成动态及其相关疾病或功能障碍的关键步骤。除了通过免疫荧光染色检测纤毛标志物或荧光蛋白标记的纤毛结构组分来评估纤毛形成外,PC功能通常通过检测经典SHH信号通路的激活来确定,具体方法是利用荧光显微镜观察Smo在组织和细胞中的纤毛转位27,31。本文所述的基于RT-qPCR的检测方法通过测量SAG刺激下PC介导的SHH信号通路变化,来评估纤毛功能是否正常。显然,这是本实验方案中最关键的步骤。已有类似方法用于检测细胞培养中SHH信号通路的转录水平,结果表明该通路在不同细胞类型中存在差异,并可在NIH3T3小鼠成纤维细胞和人RPE1细胞系中稳定检测;当这些细胞在无血清培养基中饥饿培养48小时后,含有初级纤毛的细胞比例最高27。本方法的目标是定量测定由PC介导的SHH通路激活,因此选用RPE1细胞。预计该检测方法在饥饿培养的NIH3T3小鼠细胞中也能良好适用。尽管这两种细胞均广泛用于纤毛生物学研究,但RPE1细胞在评估与多种纤毛病相关的人类基因突...
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作者声明不存在任何竞争性经济利益。
本工作由印度政府生物技术部(DBT)授予SM的拉马林加斯瓦米研究员项目以及印度政府科学与工程研究委员会(SERB)向SM提供的研究资助(CRG/2020/004042)支持。PH的奖学金由印度政府大学拨款委员会(UGC)资助。作者诚挚感谢印度总统大学健康科学研究所RNABio实验室的Chandrama Mukherjee博士和Avik Mukherjee先生,分别提供了qPCR仪器的使用机会以及仪器操作培训。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| DMSO,无菌过滤 | Sigma | D2650 | |
| 驴抗小鼠IgG(H+L)Alexa Fluor 488 | ThermoFisher Scientific | A21202 | |
| 驴抗兔IgG(H+L)Alexa Fluor 568 | ThermoFisher Scientific | A10042 | |
| 杜尔贝科改良伊格尔培养基(DMEM) | Gibco, ThermoFisher Scientific | 41965039 | |
| 杜尔贝科磷酸盐缓冲液(DPBS) | Gibco, ThermoFisher Scientific | 14190144 | |
| 胎牛血清(FBS) | Himedia | RM1112 | |
| 配备60倍物镜的荧光显微镜 | Carl Zeiss | Axio observer colibri 5 | |
| hTERT-RPE1细胞 | ATCC | CRL-4000 | |
| iScript cDNA合成试剂盒 | Bio-Rad Laboratories | 1708891 | |
| 小鼠单克隆抗乙酰化微管蛋白抗体 | Milipore Sigma-Aldrich | T7451 | 最终稀释比例1:1000 |
| 青霉素-链霉素,100倍浓缩液 | Gibco, ThermoFisher Scientific | 15140122 | |
| 定量PCR仪,CFX 96 | Bio-Rad Laboratories | ||
| 兔多克隆Arl13B抗体 | ProteinTech | 17711-1-AP | 最终稀释比例1:250 |
| 兔多克隆Cep135抗体 | ProteinTech | 24428-1-AP | 最终稀释比例1:500 |
| SlowFade Gold抗荧光淬灭封片剂 | ThermoFisher Scientific | S36940 | |
| 平滑受体激动剂(SAG) | Abmole | M4865 | 储存液:溶于DMSO,5 mM |
| SsoAdvanced Universal SYBR Green Supermix | Bio-Rad Laboratories | 1725271 | |
| TRIzol试剂 | Invitrogen | 15596026 | |
| TrypLE | Gibco, ThermoFisher Scientific | 12605028 |
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