本方案描述了一种优化的方法,用于从拟南芥(Arabidopsis thaliana)叶片中分离细胞外囊泡(EVs),以支持后续的分子和功能分析。
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本方案描述了一种优化的方法,用于从拟南芥(Arabidopsis thaliana)叶片中分离细胞外囊泡(EVs),以支持后续的分子和功能分析。
细胞外囊泡(EVs)是由多种生物体和细胞类型分泌的膜结合纳米颗粒,现已被广泛认为是细胞间及跨物种通讯的重要介质。尽管在哺乳动物系统中EV的生物学研究已较为成熟,但植物EV的研究起步较晚,近年来正迅速发展,部分原因在于已有证据表明植物EV可递送参与免疫反应及植物-微生物互作的小RNA、mRNA、蛋白质及其他 cargo 分子。然而,由于植物具有坚硬的细胞壁、富含次生代谢物,以及在收集质外体液过程中易发生胞质污染,因此高纯度植物EV的分离在技术上仍具挑战性。本实验方案提供了一种从拟南芥(Arabidopsis thaliana)叶片组织中分离和纯化植物EV的简化流程。采用温和的注射器浸润步骤以最大限度减少细胞损伤和胞质泄漏,同时使用单个叶片(去除叶柄和维管组织)有助于降低维管相关成分及细胞内含物的污染。EV首先通过差速离心进行富集,随后可进一步采用蔗糖密度梯度分离或尺寸排阻色谱法(SEC)进行纯化。该方案通过纳米颗粒追踪分析和透射电子显微镜评估,证实所获得的EV具有良好的结构完整性,并因在质外体液收集过程中有效减少细胞损伤和胞质泄漏而显著降低了细胞污染。所得EV样品适用于多种下游应用,包括RNA谱型分析、蛋白质组学以及植物-微生物互作的功能性实验。总体而言,该方法为获取高质量植物EV提供了一种可重复且可灵活调整的技术路径。
细胞外囊泡(EVs)是由从细菌到人类等多种生物分泌的、具有脂质双分子层的膜性颗粒1,2。在动物系统中,EVs通常根据其生物发生途径和大小分为外泌体、微囊泡和凋亡小体3。外泌体(直径约30–150 nm)来源于多泡体(MVBs)与细胞膜的融合,从而释放腔内小泡4,而微囊泡(直径约100–1000 nm)则直接从细胞膜出芽形成5。除外泌体和微囊泡外,哺乳动物细胞还会在程序性细胞死亡过程中释放凋亡小体6。这些囊泡已被证实参与免疫调节、肿瘤进展及治疗递送,因而成为生物医学研究的热点7,8。在植物中,EV的分类尚不如动物中明确。Arabidopsis thaliana的研究已根据蛋白标志物、大小及推测的生物发生途径的差异,鉴定出多种植物EV亚型。这些亚型包括四跨膜蛋白(TET)阳性的EVs,被认为是来源于多泡体的类外泌体囊泡9,10,syntaxin蛋白PEN1(Penetration 1)阳性的EVs11,外泌复合体阳性细胞器(EXPO)来源的EVs12,13,以及其他EV群体,如与自噬相关的EVs14和花粉体(pollensomes)15。
越来越多的证据表明,植物会分泌细胞外囊泡(EVs),作为其抵御病原体的防御策略的一部分。植物EVs可递送多种分子货物,包括小RNA、mRNA以及其他调控分子,从而抑制真菌和卵菌病原体的毒力10,16,17,18,19。这些发现凸显了EVs作为“RNA战”"RNA warfare"载体的作用,使植物能够直接抑制病原体的基因表达,这一机制对作物保护具有深远意义20。除了免疫功能外,植物EVs还可能参与细胞壁重塑、应激反应以及发育信号传导21。与动物EV研究相比,后者已有广泛建立的标准分离与表征流程22,而植物EV领域仍处于发展初期。这限制了不同研究之间的可重复性和可比性,迫切需要建立可靠且标准化的方法来分离和研究这些囊泡。
分离植物细胞外囊泡(EVs)面临在动物系统中未曾遇到的独特技术挑战。受损的植物组织含有大量次生代谢物、细胞壁碎片以及细胞器片段,这些物质可能与EVs共同纯化,从而增加后续表征的复杂性23。此外,通常作为植物EVs分离与纯化起始材料的质外体洗脱液(AWF),往往产生囊泡与污染物的异质混合物24。尽管差速离心法仍是一种广泛使用的基础性方法,但它无法完全区分不同的EV亚群,也不能将EVs与共纯化的高分子复合物有效分离25,26。近年来的综述和方法学研究为植物EVs的分离与表征提供了重要的指导和最佳实践建议27,28,29,30,31。然而,这些方法的实际应用与整合仍具挑战性,通常需要额外的纯化步骤,如密度梯度离心和尺寸排阻色谱,以提高EVs的纯度和不同研究间的可重复性。
本文介绍了一种利用多步纯化策略从拟南芥(Arabidopsis)质外体洗脱液中分离细胞外囊泡(EVs)的简化实验方案。与常用的依赖真空泵对整株植物进行渗透的植物EV分离方法11相比,本方案避免了叶柄和维管组织的参与,从而减少了来自维管结构的污染。取而代之的是,采用分离的叶片并结合温和的注射器渗透法,以提高质外体液的收集效率,同时最大限度地减少组织损伤。通过谨慎的叶片操作、正确的叶片方向以及优化的离心条件,可进一步降低细胞内组分的污染,从而为EV的分离提供更纯净的起始材料。在完成差速离心后,可进一步采用蔗糖密度梯度分离或尺寸排阻色谱法对EV进行纯化,以获得更高的囊泡纯度和分离分辨率。所获得的EV样品适用于多种下游应用,包括RNA测序、蛋白质组学分析,以及病原体相互作用和EV摄取等功能性实验,从而提升植物EV研究的可重复性和结果的可解释性。
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注意:为保持细胞外囊泡(EV)的完整性,所有离心步骤均须在4 °C的冷藏离心机中进行。应使用无菌离心管。所有样本操作步骤应快速高效地完成,理想情况下由多名人员并行操作,以尽量减少组织损伤,并防止可能影响EV质量的污染。
1. 叶片准备与浸润
2. 胞间洗涤液(AWF)的收集
3. 通过差速离心法从拟南芥无细胞渗出液中分离细胞外囊泡
4. 使用蔗糖密度梯度分离法进行细胞外囊泡纯化
注意:仅超速离心会共同沉淀多种类型的囊泡。为了获得更高的分辨率,可采用密度梯度分离法,根据囊泡的浮力密度和漂浮特性进行分离。该方法中,可使用蔗糖梯度以富集特定的细胞外囊泡亚群。 alternatively,也可使用碘克沙醇梯度。
5. 使用尺寸排阻色谱法(35 nm 柱)纯化细胞外囊泡(EVs)
6. 细胞外囊泡的验证、定量及大小/形态评估
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为了评估优化后的离体液(AWF)采集方案是否能够减少组织损伤和胞质污染,我们直接比较了使用本方法(方法1)与基于全植株真空泵浸润的替代方法(方法2)所获得的AWF11。通过台盼蓝染色评估浸润后的细胞损伤,结果显示,采用方法1处理的叶片染色显著减少,表明细胞破裂程度较低(图3A)。为进一步评估所收集AWF中的胞质污染情况,检测了叶绿素含量以及叶绿体标记蛋白RBCL。使用方法1收集的AWF中叶绿素含量显著更低,RBCL信号也较使用替代方法获得的AWF明显减弱(图3B、C)。综上所述,这些结果表明,优化后的AWF采集方案可最大限度地减少细胞损伤和胞内物质泄漏,从而为后续细胞外囊泡的分离提供更纯净的起始材料。
为评估分离得到的细胞外囊泡(EVs)的浓度和粒径分布,采用纳米颗粒追踪分析(NTA)对样品进行了检测。如图4A所示,EV制剂...
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植物细胞外囊泡(EVs)在植物免疫中发挥着关键作用,特别是在介导与真菌病原体的跨界通信方面32。越来越多的证据表明,植物会将EVs分泌到质外体中,通过递送小RNA(sRNAs)、mRNA和蛋白质来抑制入侵病原体的毒力,例如Botrytis cinerea、Rhizoctonia solani以及卵菌病原体Phytophthora capsici10,18,33。然而,由于植物组织结构复杂,并且存在大量细胞壁碎片和蛋白质聚集体等污染物,高纯度植物EVs的可重复分离在技术上仍具挑战性31。因此,建立标准化且可放大的方法以分离完整且具有功能活性的EVs,对于推动植物-微生物互作中EVs的研究至关重要。
本方案中有多个关键步骤,对于确保成功且可重复地分离出污...
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作者声明不存在利益冲突。
B.D. 获得德克萨斯农工大学博士之路奖学金的资助&M大学。B.H.由德克萨斯A&M 大学及美国农业部 HATCH 7009138 项目编号:TEX08074。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.45 µm 尼龙滤膜 | VWR | 76479-032 | |
| 1 ml 无针注射器 | BD Biosciences | 309659 | |
| 100 kDa 超滤离心管 | Amicon | UFC 910008 | |
| 100 ml 无针注射器 | BD Biosciences | 551721050 | |
| 15 ml 锥形管 | VWR | 89039-664 | |
| 50 ml 锥形管 | VWR | 89039-656 | |
| Arabidopsis thaliana (Col-0) | 实验室保种品系 | 不适用 | |
| 300目碳膜铜网 | TED PELLA | 01753-F | |
| 透明胶带 | Scotch Magic Tape | S-9783 | |
| 封口膜 | Fisher Scientific | 13-374-12 | |
| PBS 缓冲液 | 实验室自制 | 不适用 | |
| qEV original column Gen2 35 nm | IZON Science | ICO-35 | |
| 冷冻离心机 | Eppendorf | 5810R | |
| 冷冻离心机固定角转子 | Eppendorf | F-34-6-38 | |
| 冷冻离心机水平转子 | Eppendorf | A-4-62 | |
| 蔗糖 | VWR | 470302-810 | |
| 超速离心机 | Beckman Coulter | XPN-100 | |
| 超速离心管 | Beckman Coulter | 337986 | |
| UranyLess 染色液 | Electron Microscopy Sciences | 250218-01 |
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