本方案提供了一种实用且可重复的实验流程,用于同步培养细胞,在24–72小时期间进行交错的时间序列取样(无需过夜收集),并分析昼夜节律钟基因的表达。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本方案提供了一种实用且可重复的实验流程,用于同步培养细胞,在24–72小时期间进行交错的时间序列取样(无需过夜收集),并分析昼夜节律钟基因的表达。
昼夜节律是由机体内源驱动的大约24小时的振荡,可调控广泛的细胞和生理过程,包括基因表达、代谢和行为。这些节律源于相互关联的转录-翻译反馈环路,能够响应时间信号和环境线索。由于昼夜节律调控具有高度动态性,即使微小的实验差异也可能影响节律的相位、振幅和周期性,因此标准化的实验流程对于获得可靠且可重复的结果至关重要。本实验方案旨在提供一种实用且可重复的工作流程,用于在标准实验室条件下对培养细胞进行同步化、时间序列取样以及分析昼夜节律基因的表达。该方案详细描述了基于血清冲击的细胞同步化方法、在24–72小时内分阶段采集样本以避免夜间取样的操作、核糖核酸提取、互补脱氧核糖核酸合成、定量实时聚合酶链式反应,以及采用适当的统计方法进行昼夜节律分析。该工作流程还强调了若干关键实验注意事项,包括同步化条件、样本质量评估、参考基因选择和数据分析,以提高不同实验间的可重复性。本方法为研究分子水平的昼夜节律机制以及评估培养细胞中基因的节律性表达提供了便捷的途径,有助于在生理和疾病相关实验模型中开展昼夜节律调控的研究。
昼夜节律是由机体内源性驱动的、周期约为24小时的生物节律,可调控广泛的生理、代谢及细胞过程1在哺乳动物系统中,这些节律由下丘脑视交叉上核(SCN)中的中枢生物钟以及细胞水平上的自持分子钟共同协调。这些生物钟由核心钟基因构成的相互关联的转录-翻译反馈环路组成,包括昼夜节律运动输出周期蛋白缺失基因(circadian locomotor output cycles protein kaput,时钟),碱性螺旋-环-螺旋芳香烃受体核转位酶样蛋白1(Bmal1),周期 (Per),以及隐花色素(cryptochrome)冷冻)2鉴于昼夜节律钟在多种生物过程中的核心作用, 体外 细胞模型已成为在受控实验条件下研究时间调控分子机制的重要工具。
本实验方案旨在提供一种可靠、实用且可重复的工作流程,用于通过血清冲击法同步培养细胞,进行交错的时间序列取样,并在避免夜间采集样本的情况下分析昼夜节律基因的表达。该工作流程在不降低数据质量的前提下提高了昼夜节律取样操作的可行性,旨在利用常规实验室技术促进对节律性生物过程的研究。
昼夜节律研究已在多种生物和系统中开展 体外 模型,包括人类癌细胞系3大鼠-1成纤维细胞4,SCN 外植体5和类器官6尽管大多数哺乳动物细胞都具有功能性的昼夜节律钟,但在缺乏光等同步化信号的情况下,体外培养中的细胞会迅速出现节律失同步,从而限制了对昼夜节律的研究。 体外7因此,同步化技术对于研究分子钟机制及其在健康与疾病中的意义至关重要。
已开发出多种用于培养的哺乳动物细胞的同步化策略。其中,基于糖皮质激素的同步化方法(使用地塞米松)是应用最广泛的方法之一,因为它能在多种细胞类型中有效重置昼夜节律,同时减少与血清刺激相关的一些变异性8。类似地,通过佛司可林介导的环磷酸腺苷信号通路激活,已在特定细胞模型中成功用于同步外周生物钟9。其他方法包括使用血液传播信号4、不同化学化合物8,10、培养基更换3、温度冲击11、氧气循环12以及机械刺激13。总体而言,这些方法极大地推动了昼夜节律研究的发展;然而,它们可能需要专用设备、特定实验条件或额外优化,因此针对每种生物模型和实验应用验证所选的同步化策略至关重要14。
血清冲击是最常用的细胞同步化方法之一,其原理是将培养的细胞暴露于短期的高浓度血清刺激中4由于刺激是瞬时的,因此可最大限度地减少对细胞信号通路的长期干扰4,从而减少对下游分析的潜在混杂影响。因此,血清冲击法特别适用于昼夜节律基因表达和分子钟功能的研究。此外,该实验操作简便,无需特殊设备,便于在不同实验室间推广并实现可重复性。然而,血清冲击实验的一个实际局限在于,为准确表征昼夜节律,需要密集的取样安排。可靠的节律分析通常要求在一次或多次昼夜周期(24–72 小时)内以固定时间间隔取样,一般每 2–6 小时采集一次样本。14,通常需要过夜收集。
本文所述的工作流程通过在多个培养板之间错开同步化启动时间,解决了这一操作上的难题,从而能够在标准工作时间内完成整个昼夜节律取样,避免了夜间取样。本方案并非引入新的同步化策略,而是对已建立的血清冲击法进行了详细且可重复的实施,并结合了实用的取样时间表和下游基因表达分析。该工作流程特别适用于利用广泛可用的实验室技术,在培养细胞中开展昼夜节律基因表达的研究。当将该方案应用于其他细胞模型时,应针对特定细胞类型优化并验证实验参数,包括细胞密度、同步化条件、取样间隔以及参考基因的选择,然后方可实施。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
以下方案描述了一种经过验证的mHypoE-42小鼠胚胎下丘脑细胞系的同步化方法。在将该同步化方案应用于其他培养细胞类型之前,需先对其进行独立验证和优化。工作流程概览见图1,每周取样时间安排见补充图1。本方案中使用的所有试剂、设备和仪器详见材料表。所有细胞培养操作均须在经过认证的生物安全柜中进行,并使用无菌试剂和设备。

图1.错时血清冲击同步化方案的示意图。该示意图展示了通过错时血清冲击法对mHypoE-42细胞进行同步化的实验流程,共分为两组错时进行的实验。这种错时设计可在正常工作时间内完成昼夜节律样本的采集,避免了夜间取样。随后对采集的样本进行RNA提取、定量实时聚合酶链式反应(qRT-PCR)以及昼夜节律分析。图示由Biorender.com制作。请点击此处查看此图的放大版本。
1. 细胞培养
2. mHypoE-42 细胞系的同步化
3. 样品处理:RNA 提取
注意:实验方案可能因实验条件和应用而异。以下流程描述了一种有效的RNA提取、互补DNA(cDNA)合成以及定量实时聚合酶链式反应(qRT-PCR)的操作示例。采用基于苯酚的裂解与相位分离联合方法提取总RNA,随后使用二氧化硅离心柱进行纯化。
4. 样本处理:cDNA 合成
注意:使用第一链 cDNA 合成试剂盒,从 1 μg 总 RNA 中合成 cDNA。根据制造商说明书调整反应体积和孵育条件。
5. 样品处理:实时定量聚合酶链式反应(qRT-PCR)
注意:使用 qRT-PCR 检测昼夜节律钟基因的表达。验证过的引物序列、退火温度和引物浓度详见补充表 2。
6. 数据分析
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
在对照条件下,若分析的钟基因表现出统计学上显著的昼夜节律性(p < 0.05),则表明同步成功。本研究共进行了三次独立的生物学实验,以0.1%二甲基亚砜作为阴性对照。Bmal1 和 Per2 被选为典型的昼夜节律标志物,因为它们是分子昼夜节律钟的核心组分,并表现出明确的反相表达模式。同步后获得的代表性节律性表达谱如图2所示。相应的昼夜节律参数,包括节律性、中值水平(MESOR)、振幅和峰值时间,总结于表1中,而Bmal1与Per2之间的成对比较结果则列于表2中。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
昼夜节律是由保守的分子生物钟机制调控的内源性周期,周期约为24小时,可调节多种生理、代谢和细胞过程1,2。体外同步化模型为研究这些机制提供了可控的实验环境,已成为研究正常和病理条件下昼夜节律调控的有力工具,包括暴露于环境污染物及其他实验性干扰因素的情况25。本文所述方案介绍了一种通过血清冲击法同步培养细胞、采用交错取样策略收集时间序列样本,并通过qRT-PCR定量分析昼夜节律基因表达的实用工作流程。该工作流程特别适用于需要进行时间依赖性基因表达谱分析,同时尽量减少夜间连续取样带来的操作困难的研究。该方案的成功与可重复性取决于多个关键步骤。细胞汇合度、血清饥饿处理、血清冲击持续时间及同步化条件的适当控制至关重要,因为同步化不足可能导致节律性信号微弱甚至无法检测14。保持一致的细胞接种密度、使用同一细胞悬液制备所有实验培养板,以及在各组交错实验组中维持相同的培养条件,可进一步降低技术性变异。RNA质量、cDNA合...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
作者声明无利益冲突。
本工作由欧盟(EU)复苏与韧性基金以及葡萄牙国家基金通过FCT(科学技术基金会)资助,项目编号为LA/P/0058/2020(DOI: 10.54499/LA/P/0058/2020)、UID/04539/2025、UID/PRR/04539/2025(DOI: 10.54499/UID/PRR/04539/2025)和UID/PRR2/04539/2025(DOI: 10.54499/UID/PRR2/04539/2025);由欧洲区域发展基金(ERDF)通过Centro 2030区域运行计划项目CENTRO2030-FEDER-02360200资助;以及由葡萄牙国家基金通过FCT资助的以下项目:2023.17896.ICDT(DOI: 10.54499/2023.17896.ICDT)、2023.12355.PEX(DOI: 10.54499/2023.12355.PEX)、2021.02220.CEECIND/CP1656/CT0008(DOI: 10.54499/2021.02220.CEECIND/CP1656/CT0008)、2020.04850.BD(DOI: 10.54499/2020.04850.BD)和2021.05334.BD(DOI: 10.54499/2021.05334.BD)。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 6孔细胞培养板 | Nest Biotechnology | 15140122 | 细胞培养板 |
| 琼脂糖 | NZYtech | MB02702 | RNA质量评估 |
| 抗生素混合液(青霉素/链霉素) | Gibco, Thermo Fisher Scientific | D5648 | 细胞培养添加剂 |
| cDNA合成试剂盒(第一链) | NZYtech | MB12502 | 逆转录 |
| 氯仿 | Sigma-Aldrich | A5256701 | 相分离试剂 |
| DMEM高糖培养基(4500 mg/L葡萄糖,L-谷氨酰胺) | Sigma-Aldrich | 26050088 | 细胞培养基 |
| Eppendorf微量离心管 | Eppendorf | 30120086 | 样品储存 |
| 乙醇(96%) | Fisher Bioreagents | 15552393 | RNA纯化 |
| 胎牛血清,热灭活 | Gibco, Thermo Fisher Scientific | J62692.K7 | 细胞培养添加剂 |
| 硬壳96孔PCR板 | Bio-Rad Laboratories | HSP9601 | qRT-PCR板 |
| 马血清,热灭活 | Gibco, Thermo Fisher Scientific | 15400054 | 血清冲击同步化 |
| mHypoE-42细胞系 (CVCL_D443) | CELLutions Biosystems Inc. | MB13402 | 小鼠胚胎下丘脑细胞系 |
| 寡核苷酸引物 | NZYtech | MB12501 | qRT-PCR引物 |
| 磷酸盐缓冲液 (PBS) | Thermo Fisher Scientific | MB18502 | 细胞洗涤 |
| qPCR Green Master Mix (2×) | NZYtech | MB22403 | qRT-PCR试剂 |
| 实时PCR检测系统 | Bio-Rad Laboratories | EP0030108116 | qRT-PCR仪器 |
| RNA提取试剂盒 | NZYtech | 288306 | 硅胶柱离心纯化 |
| RNA裂解试剂 | NZYtech | MB18502 | 酚类RNA提取试剂 |
| 碳酸氢钠 | Sigma-Aldrich | MB22401 | 细胞培养基添加剂 |
| 无菌35 mm培养皿 | Thermo Fisher Scientific | 121V | 细胞培养皿 |
| T100梯度PCR仪 | Bio-Rad Laboratories | 1861096 | cDNA合成 |
| T75组织培养瓶 | Corning | 430641U | 细胞培养容器 |
| 台盼蓝溶液 (0.4%) | Gibco, Thermo Fisher Scientific | 15250061 | 细胞计数 |
| 胰蛋白酶-EDTA (0.5%) | Gibco, Thermo Fisher Scientific | 15400054 | 细胞解离 |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
本文已发表
视频即将推出