细胞系在研究无法在宿主细胞外培养的胞内寄生生物时具有重要应用价值。尽管 Wolbachia感染的细胞系已促成许多重要发现,但这些细胞系内部的异质性可能导致实验结果的不一致。本文介绍一种从单细胞克隆建立连续培养物的实验方案 Wolbachia感染的JW18细胞。
细胞系在研究无法在宿主细胞外培养的胞内寄生生物时具有重要应用价值。尽管 Wolbachia感染的细胞系已促成许多重要发现,但这些细胞系内部的异质性可能导致实验结果的不一致。本文介绍一种从单细胞克隆建立连续培养物的实验方案 Wolbachia感染的JW18细胞。
细胞系是生物学研究中广泛使用的模型,尤其适用于那些在宿主生物体外难以有效增殖的胞内细菌的研究。Wolbachia 是多种无脊椎动物的胞内共生菌,可在其昆虫宿主中诱导强烈的生殖调控和抗病毒效应。感染 Wolbachia 的昆虫细胞已被广泛用于研究 Wolbachia 的表型特征。然而,这些细胞系通常由混合细胞群体组成,其表型及对实验处理的反应可能存在差异。特别是,已有报道指出,携带 Wolbachia 的细胞系在连续传代过程中表现出不稳定的生长速率和波动的 Wolbachia 感染率。为解决这一问题,我们从源自黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)且感染 Wolbachia 的 JW18 细胞系中建立了单克隆细胞系。这些克隆系在不同时间点建立,表现出不同的 Wolbachia 感染状态。这种变异性提示,对亲代 JW18 群体施加的任何处理都可能导致特定亚群被选择性富集,而非均一地影响整个培养物的生理状态。本文中,我们提供了一种从感染 Wolbachia 的昆虫细胞中获得单细胞克隆并建立持续克隆培养物的实验方案,从而实现更精确、可重复的实验研究。
Drosophila melanogaster 细胞被广泛用于遗传学研究、疾病研究以及作为高通量药物筛选的平台1。它们也有助于研究地球上最普遍的胞内微生物之一:Wolbachia。Wolbachia 是一种革兰氏阴性专性胞内细菌,存在于 40–70% 的昆虫物种中2,3,4,可通过母系遗传并在宿主体内诱导生殖调控5,6,7,8。Wolbachia 还可为感染宿主提供抗病毒保护作用9,10,11,12,13,14,15,这些特性与生殖调控机制共同被用于控制蚊媒向人类传播节肢动物病毒16,17。在多种生物系统中,Wolbachia 已被证明能够调控细胞凋亡18、提供必需营养物质19,并改变基因和蛋白质的表达水平20,21,22,23,24,25。
细胞系因其简单的生物学特性、操作便利以及能够大量扩增,已成为研究Wolbachia的模型系统。细胞系已被证明在使Wolbachia预先适应与新宿主建立共生关系26 以及促进Wolbachia积累突变27,28方面具有重要作用。它们还被用于筛选抗Wolbachia化合物,这些化合物在治疗丝虫病方面具有潜在应用价值29 ,并可用于研究Wolbachia与宿主之间的翻译相互作用30。尽管细胞系在Wolbachia共生研究中不可或缺29,30,31,但大多数Wolbachia表型背后的分子机制仍不清楚。这表明细胞培养模型系统仍有改进空间。
Wolbachia-感染的昆虫细胞系源自昆虫胚胎和幼虫。Aa23 来源于 白纹伊蚊 胚胎,是首个稳定的 Wolbachia感染细胞系32,随后被用于多项相关研究 Wolbachia 共生33,34,35JW18细胞系是最早被发现的天然 Wolbachia-由感染株系生成的 D. melanogaster29,36该品系源自1小时至15小时的胚胎, w感染了 Mel 的果蝇也已被用作来源 Wolbachia 用于其他 果蝇 细胞系:1182-4H 和 S2R+37由于胚胎含有较高比例的多能细胞,这些细胞在适应塑料表面生长的过程中可能获得新的特性,且不同细胞谱系间有时表现出差异。这或许可以解释细胞形态的异质性 Wolbachia 在任何特定时间点及多代过程中观察到的这些细胞的感染频率29.
JW18 细胞系中的细胞多样性引发关注,因为对蚊子细胞系(如 Aag2)的研究表明,由于细胞特性存在差异,单克隆细胞系与其亲本细胞系对处理的反应可能不同38。因此,对混合细胞群体施加处理可能导致结果产生误导。为了研究均一细胞群体对处理的反应(而非针对特定细胞类型的筛选), 我们从亲本 JW18 细胞系中建立了单克隆细胞系。此前尚无从这些细胞中建立单克隆细胞系的尝试。该方案包括从亲本 JW18 细胞系中分离单个细胞,随后进行培养并转移至培养瓶,以建立可连续传代的克隆细胞系。我们检测了各单克隆细胞系的 Wolbachia 感染状态,结果显示它们在这一关键特征上存在差异。均一的细胞培养体系对于确保未来实验的准确性与可重复性至关重要。
注意:所有涉及活细胞及其培养基的操作必须在生物安全柜中进行,以避免污染。
1. 培养基制备
2. 96孔板的准备
3. 单细胞鉴定
4. 细胞的传代与维持
5. PCR 鉴定 Wolbachia 感染状态
6. 荧光原位杂交染色以观察细胞系中的Wolbachia感染
我们通过光学显微镜观察了从单细胞悬液制备和铺板(第0天)到建立稳定细胞系(第45天或第77天,图2)的单克隆培养建立过程。首次观察到细胞分裂是在第3天(即铺板后第4天,铺板操作在第0天进行),此时每个孔中已有四个细胞(图2)。第14天时,克隆以单层形式(JW18-B9、C7 和 E5)或球状结构(JW18-G4)生长,后者在传代过程中被破坏。第28天时,不同细胞系之间的生长差异最为明显。JW18-C7 培养物在第45天达到汇合,而其余单克隆培养物直到第77天才建立成功。我们还对建立后经过30次传代的四个不同培养物进行了观察,以记录其细胞形态上的差异(图3)。
为了确定单克隆培养物中Wolbachia的感染状态,我们进行了PCR(图4)和FISH(图5)。观察结果显示,除一个克隆(JW18-C7)外,其余克隆均扩增出wsp基因条带,表明存在Wolbachia感染。FISH结果进一步验证了PCR结果:克隆JW18-B9、JW18-E5和JW18-G4保留了Wolbachia感染,而克隆JW18-C7未检测到Wolbachia。总体而言,从混合的JW18细胞群体中,我们成功建立了四个克隆系,其中三个保留了原始的Wolbachia感染。原始数据可通过Figshare获取:https://figshare.com/s/15fde47ca7338f31dda9。

图1:单克隆细胞系建立的工作流程。(A)在96孔板中进行的一级和二级稀释。(B)连续稀释后获得的单个细胞。(C-E)细胞增殖过程及从96孔板依次转移至24孔板和6孔板。(F)在25 cm2 细胞培养瓶中建立的持续培养细胞系。请点击此处查看该图的高清版本。

图2:JW18克隆细胞系从单个细胞到多细胞培养的发育过程。 克隆细胞系从第0天(铺板日)至第77天的明场图像,此时所有细胞系均已在25 cm2细胞培养瓶中成功建立。比例尺 = 25 µm(第0天)、50 µm(第3天)、150 µm(第14天)、300 µm(第28、45、77天)。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3:JW18单克隆细胞系的形态学特征。 显示各单克隆细胞系在建系后第30代的细胞形态的明场图像。比例尺 = 50 µm。请点击此处查看该图的高清版本。

图 4:通过 PCR 检测克隆培养物的Wolbachia状态。 对 JW18 亲本细胞系及克隆株 JW18-B9、JW18-C7、JW18-E5 和 JW18-G4 在建系后第 11 代进行Wolbachia 的 PCR 检测。Wolbachia wsp 条带表明Wolbachia的存在,而Drosophila rpl32 条带用于 DNA 质量控制 PCR。请点击此处查看此图的放大版本。

图 5: Wolbachia克隆培养物的 FISH 检测状态。JW18 亲本细胞系及克隆 JW18-B9、JW18-C7、JW18-E5、JW18-G4 在建系后第 13 代通过 FISH 染色观察。Wolbachia 使用 Quasar 670 标记的 16s rRNA Stellaris FISH 探针组染成紫红色,核酸使用 Hoechst 33342 染成青色。比例尺 = 25 µm。请点击此处查看该图的放大版本。
补充表 S1:针对 Wolbachia wMel 16S rDNA 设计的寡核苷酸探针及其与 Schneider 等人发表的探针的比较42。 请点击此处下载该表格。
本文概述了一种从 JW18 D.melanogaster 细胞系中生成单细胞克隆的标准化方法,该方法也可应用于其他 Drosophila 及昆虫细胞系。本实验方案通过将制备好的细胞悬液在96孔板中进行连续稀释,以分离单个细胞。随后在最佳条件下培养这些细胞,以建立持续增殖的细胞系。本方案还包括添加20%的条件培养基,以促进细胞存活及单细胞分裂45,46。
在方案中,一个关键步骤是在连续稀释后验证每个孔中是否存在单个细胞。此步骤需要格外仔细,因为这对于整个方案的成功至关重要。为了便于后续确认细胞的单细胞来源,建议从多个角度拍摄所选孔的图像。
另一个关键步骤是在培养皿之间转移细胞。为了成功建立连续培养,只有当细胞达到汇合状态时才能进行转移。如果细胞生长停滞超过两周,更换培养基可促进进一步生长。在细胞达到汇合之前过早转移可能导致细胞死亡。
尽管该方案比其他常用方法(如荧光激活细胞分选,FACS)38,46 更耗时且劳动强度更大,但它具有多项优势,包括成本效益高、对细胞损伤风险极小、无需使用荧光标记物、昂贵仪器以及优化时间。总体而言,该方案非常适合从连续细胞系中获得均一的昆虫细胞群体。
单克隆培养物的特性
我们的结果表明,单克隆培养物在建立速度方面存在差异 Wolbachia 感染状态(图2, 图4,以及 图5). Wolbachia无载体克隆JW18-C7在我们的单细胞分离实验方案中是最快达到汇合的。 Wolbachia 可能是一直未存在于该细胞系中,也可能是由于无法跟上宿主细胞的分裂速度而丢失。此外,也可能由于我们克隆方案中初始细胞密度较低而导致其丢失。然而,由于其他克隆细胞系并未出现这种情况,我们认为这种可能性较小。对JW18-C7进行实验性感染时 Wolbachia (与其他经四环素处理的克隆并列)可回答该细胞系是否对共生菌具有易感性。
细胞异质性并非JW18细胞系所独有,此前已有报道指出其他感染Wolbachia的细胞系也存在类似现象32,47,48,49,50,51,52。此前曾有研究尝试通过将Wolbachia从D. simulans卵或Aa23细胞转移至C7-10型A. albopictus细胞系来改善这一问题53。然而,C7-10细胞系在Wolbachia转移发生多年之前就已经被克隆54,55,且这些转移操作并不构成我们拟研究的自然感染状态。
Wolbachia 感染状态以及单克隆培养建立时间(反映细胞分裂速率的差异)在不同 JW18 克隆个体间的差异,可能对以往将 Wolbachia 滴度与昆虫细胞生长速率关联起来的研究产生深远影响。处理后观察到的细胞数量变化、共生体密度改变或基因表达变化,可能是由于筛选出具有特定特性的细胞类型所致,而非混合细胞群体中所有细胞状态的普遍改变。因此,在关键特征存在变异的情况下,对混合细胞群体施加处理可能导致结果出现偏差且不可重复。
作者声明无利益冲突。
我们感谢美国加利福尼亚大学圣克鲁兹分校的 William Sullivan、美国佛罗里达国际大学的 Laura Serbus 以及葡萄牙里斯本天主教大学的 Luis Teixeira 提供 JW18 细胞系以及关于如何使用该细胞系的宝贵建议。我们感谢波兰克拉科夫雅盖隆大学的 Nidhi Krishna Shrivastava 对实验方案提出的有益建议。我们感谢波兰克拉科夫雅盖隆大学的 Yuliya Chykunova 对稿件进行校对。
图1 使用 BioRender 创建(Chrostek, E. (2024) https://BioRender.com/o69b306)。
本工作由授予 EC 的欧洲研究理事会(ERC)启动资助(资助协议编号:101040311)以及授予 NF 的精确与自然科学博士学校(雅盖隆大学)博士奖学金资助。然而,文中表达的观点和意见仅为作者自身观点,不一定反映欧盟或欧洲研究理事会执行机构的观点和意见。欧盟或资助机构均不对这些观点承担任何责任。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.22 µm 注射器滤器 | TPP | 99722 | 无菌 |
| 10倍磷酸盐缓冲液(PBS) | ThermoFisher Scientific | 70011044 | 无菌 |
| 12 或 18 mm 圆形盖玻片 | 任意品牌 | ||
| 15 mL Falcon 管 | Genoplast | 601052 | 无菌 |
| 24 孔板 | CytoOne | CC7682-7524 | 组织培养处理 |
| 5 µm 注射器滤膜 | Whatman | 10462000 | 无菌 |
| 6 孔板 | CytoOne | CC7682-7506 | 组织培养处理 |
| 96 孔板 | CytoOne | CC7682-7596 | 组织培养处理 |
| 琼脂糖 | ThermoFisher Scientific | J66501.30 | |
| 细胞培养瓶,25 cm2 | Greiner Bio-one | 391-3103 | 无菌 |
| 细胞刮刀 | Greiner Bio-one | 391-3010 | 无菌 |
| 透明指甲油 | 任意品牌 | ||
| CryoPure 冻存管 | Sarstedt | 72.379 | 无菌 |
| DMSO,细胞培养级 | Merck | D2650-100ML | 无菌 |
| DreamTaq PCR 主混合液 | ThermoFisher Scientific | K1081 | |
| EDTA | Merck | 324503-100GM | 无菌 |
| 电泳电源 | Merck | PS 251-2 | |
| Eppendorf Concentrator Plus | Merck | EP5305000509 | 可使用任意品牌的真空浓缩仪替代。 |
| 乙醇 | Merck | 1009861000 | |
| EVOS M5000 成像系统 | ThermoFisher Scientific | AMF5000 | 可使用任意品牌的倒置显微镜监测克隆生长情况。观察FISH需使用荧光显微镜。 |
| 胎牛血清 | Merck | F9665 | 热灭活 |
| 甲醛 | ThermoFisher Scientific | 047377.9L | |
| 甲酰胺 | Merck | F7503-100ML | |
| 凝胶电泳槽 | Cleaver Scientific | MSMIDI | |
| 凝胶成像仪 | BioRad | 12009077 | GelDoc Go 凝胶成像系统 |
| GeneRuler 100 bp DNA 标准品 | ThermoFisher Scientific | SM0243 | |
| 加热金属块 | ThermoFisher Scientific | 88870005 | |
| Herasafe 2025 II 级生物安全柜 | ThermoFisher Scientific | 51033314 | 只要能维持内部无菌环境,可使用任意品牌的生物安全柜。 |
| Hoechst 33342 溶液(20 mM)5 mL | ThermoFisher Scientific | 62249 | 避光保存。 |
| 盐酸 | Merck | 258148-2.5L | |
| Integra Biosciences Corp PIPETBOY acu 2 移液辅助器 | Fisher Scientific | NC0085686 | 可使用任意品牌的移液控制器。 |
| 异丙醇 | Merck | I9516-1L | |
| 实验室冰箱 | Liebherr | LGUex 1500 MediLine | 任何能够维持恒定温度的冰箱均可使用。 |
| 液氮罐 | ThermoFisher Scientific | CY50985 | |
| 显微镜载玻片 | Merck | CLS294875X25-72EA | |
| 分子级水 | |||
| 多通道移液器 | Eppendorf | 3125000036 | |
| Nanodrop | Peqlab | ND-1000 | |
| Neubauer 血细胞计数板 | Merck | BR717810-1EA | |
| Parafilm M 封口膜 | Merck | HS234526B-1EA | |
| 帕尔贴控温培养箱 | Memmert | IPP55plus | 任何能够维持恒定 25?C 的培养箱均可使用。JW18 细胞系或其克隆无需 CO2 控制。 |
| 苯酚/氯仿/异戊醇(25:24:1) | ThermoFisher Scientific | 327115000 | |
| 移液器套装 | Eppendorf | EP2231300008 | |
| 乙酸钾 | Merck | P1190-500G | 无菌 |
| Quasar 670 标记的 16S rRNA FISH 探针组 | Biosearch Technologies | 定制合成,探针序列见表1。 | |
| 制冷微量离心机 | Labnet | C2500-R | |
| rpl32 正向引物 5'-CCGCTTCAAGGGACAGTATC-3' | Eurofins genomics | 根据文中引用的参考文献定制合成 | |
| rpl32 反向引物 5'-CAATCTCCTTGCGCTTCTTG-3' | Eurofins genomics | 根据文中引用的参考文献定制合成 | |
| SDS | ThermoFisher Scientific | AM9823 | 无菌 |
| 血清移液管 | Corning | 357771 | |
| Shields 和 Sang M3 昆虫培养基 | Merck | S8398 | 无菌 |
| Stellaris RNA FISH 杂交缓冲液 | Biosearch Technologies | SMF-HB1-10 | 无菌 |
| Stellaris RNA FISH 洗涤缓冲液 A | Biosearch Technologies | SMF-WA1-60 | 无菌 |
| Stellaris RNA FISH 洗涤缓冲液 B | Biosearch Technologies | SMF-WB1-20 | 无菌 |
| 无菌试剂储液槽 | ThermoFisher Scientific | 8094 | 无菌 |
| TAE 缓冲液 | Merck | 1061741000 | 1x |
| TE 缓冲液 | Merck | 93283 | 无菌 |
| PCR 仪 | Syngen Biotech | Thermoblock 96 | 可使用任意品牌的 PCR 仪替代。 |
| Tris 碱 | Merck | 10708976001 | 无菌 |
| 超低温冰箱 | PHC corporation | MDF-DU502VH-PE | 任何可维持 -80 ?C 的实验室冰箱均可使用。 |
| Vectashield 封片剂 | Vector Laboratories | H-1000-10 | |
| wsp 正向引物 5'-TGGTCCAATAAGTGATGAAGAAAC-3' | Eurofins genomics | 根据文中引用的参考文献定制合成 | |
| wsp 反向引物 5'-AAAAATTAAACGCTACTCCA-3' | Eurofins genomics | 根据文中引用的参考文献定制合成 |