2012年12月10日
一种用于分析染色体复制时间的定量方法。该方法利用溴脱氧尿苷(BrdU)掺入与荧光 原位 杂交(FISH)来评估哺乳动物染色体的复制时序。该技术可在同一细胞内直接比较发生重排与未发生重排的染色体。
该实验方法将BrdU掺入与荧光原位杂交相结合,用于定量分析哺乳动物染色体的复制时间。首先,将BrdU掺入活细胞中,然后收获中期染色体。
然后进行DNA荧光原位杂交(FISH),并结合连续的溴脱氧尿苷(BrdU)抗体染色,以鉴定单个正在复制的染色体。接着,利用光学显微镜拍摄各个有丝分裂相中FISH信号和BrdU掺入的图像。使用CytoVision软件,计算每条分离染色体上由BrdU或DPI信号所代表的像素面积和强度。
结果可以定量并比较单个重排染色体及其对应完整染色体中的BrdU掺入情况。由于本文所述方法针对单个细胞进行评估,因此能够检测出在细胞群体中仅有部分细胞存在的染色体重排事件的复制时序变化,而相比之下,近期发展的高通量微阵列和DNA测序方案则难以实现。该方法允许对同一细胞内的同源染色体进行直接比较。
它还能够明确识别影响染色体复制的染色体重排。演示该实验步骤的将是我的实验室研究助理 Leslie Smith。在150毫米组织培养皿中以约70%的融合度接种细胞,并在适当时间置于细胞培养箱中培养24小时。
收获前的培养时间点。用含有10微克/毫升BrdU的新鲜完全培养基更换培养基。细胞在含BrdU培养基中培养的时间长短取决于细胞类型和物种。
通常,G2期持续两到五小时。从培养板中移除培养基,保留10毫升于15毫升锥形离心管中。用10毫升PBS洗涤细胞,然后通过真空抽吸除去残留的PBS。
然后加入5毫升0.25%胰蛋白酶,在室温下孵育,直至细胞从培养皿上脱落。收集细胞并将悬液转移至含有10毫升保留培养基的容器中。通过离心沉淀细胞,吸除上清液,仅保留0.5毫升培养基。
现在用移液枪充分重悬细胞,以渗透性地使细胞膨胀,加入三滴预热至37摄氏度的75毫摩尔氯化钾溶液,并用移液枪混匀细胞悬液。然后加入额外的0.5毫升低渗溶液。现在将低渗溶液的总体积补至5毫升,并通过移液操作混匀。
根据细胞类型,将细胞悬液在37摄氏度下孵育20至45分钟。将试管倾斜孵育,以保持细胞处于悬浮状态。然后在400 × g下离心10分钟。
吸除上清液,仅保留0.5毫米。使用一次性塑料移液管轻轻重悬细胞团块。此时细胞因渗透压膨胀而较为脆弱,因此需小心操作,避免破坏细胞质膜。接着,加入三滴卡诺固定液(car noise fixative),并轻轻混匀。
加入额外的 0.5 毫升固定液后,将固定液体积补至 5 毫升,并吹打形成均匀的细胞悬液。这些固定的细胞可在避光条件下于负 20 摄氏度保存数月。通过离心收集固定后的细胞,吸除固定液,并将沉淀重悬于 10 倍体积的冰冷固定液中,保持在湿冰上的低温显微镜载片环境中。
以约45度角倾斜载玻片。将细胞悬液逐滴加入,以铺展细胞悬液。用固定液淹没载玻片,然后吸去多余液体。
然后将载玻片平放在纸巾上自然晾干。使用倒置显微镜观察样品中是否存在有丝分裂相。在每张载玻片上加入2微升含有10微克/毫升RNase A的2×SSC溶液,于37摄氏度孵育1小时。
在室温下用2×SSC(pH 7.0)溶液洗涤三次,每次三分钟。然后在室温下通过乙醇系列脱水,每次三分钟。最后将各样品在室温下空气干燥后转移至预冷的微量离心管中。
加入4微克标记了核苷酸的DNA底物、10倍NIC转录缓冲液、dNTP混合物和NIC转录酶。在16摄氏度下孵育反应过夜,然后在70摄氏度加热10分钟以终止反应。随后在冰上冷却5分钟。
现在通过乙醇沉淀DNA,加入48微升3摩尔的醋酸钠、160微升浓度为0.25微克/微升的cot-1 DNA以及1.2毫升100%乙醇。将样品置于-80摄氏度下保存10分钟至过夜,通过离心沉淀DNA,再用70%乙醇洗涤沉淀物,将空气干燥后的DNA探针重悬于40微升双蒸水中,得到终浓度为100纳克/微升的标记后向DNA,用于后向SEP同时杂交。根据随附的手稿详细说明,配制两种不同的含有cot-1 DNA的探针混合液。
将探针混合物在 75 摄氏度下变性 10 分钟。然后在 37 摄氏度下孵育 30 分钟,使 cot-1 DNA 与重复序列结合。现在将反向探针与 S 探针按 3:2 的比例混合,每份样本加入 25 微升。
将载玻片并列以变性样品。将载玻片浸入70%甲酰胺、2×SSC溶液中,在72°C下孵育3分钟。立即在4°C条件下依次通过乙醇系列对样品进行脱水,每次3分钟。
在探针制备即将完成前约10分钟,将各样品于室温下风干。将玻片置于45摄氏度的玻片加热台上平衡,然后加入25 µL的back S探针混合液。
每个载玻片上轻轻盖上盖玻片,并用橡胶胶水将边缘完全密封,以进行杂交步骤。将样本置于湿化 chamber 中,于 37 摄氏度孵育过夜。在 38 至 40 摄氏度条件下,使用 50% IDE 两倍浓度的 SSC 缓冲液(pH 7.0)进行三次杂交后洗涤,每次三分钟。
洗涤的最适温度取决于探针。如果杂交背景较高,则应提高洗涤温度。相反,如果探针信号较弱且无背景,则应降低洗涤温度。
在室温下用PN缓冲液洗涤一次,持续三分钟。进行BRDU检测时,向每张载玻片加入200微升PNM封闭缓冲液。在室温避光条件下孵育10分钟,然后将载玻片在纸巾上沥干。
然后加入100微升浓度为50微克/毫升的抗B-R-D-U-F-E偶联抗体,在37摄氏度孵育30分钟。在室温下用PN缓冲液洗涤三次,每次3分钟。移除每张载玻片上多余的PN缓冲液。
然后加入 20 µL 的 DAPI 抗荧光淬灭封片液。用纸巾覆盖载玻片,并轻压盖玻片以排出气泡和多余的封片液。使用连接 CCD 相机的荧光显微镜采集图像。
使用100倍物镜、自动滤光轮和Cyto Vision软件,通过Fitzy滤光片捕获BrdU信号,使用Side Three或Texas Red滤光片捕获染色体涂染探针和着丝粒探针信号。同时使用Dappy滤光片进行细胞核染色。在Cyto Vision软件中,利用Back EP或染色体特异性涂染探针识别目标染色体。
将中期 spreads 中每条目标染色体整体剪下。将 DPI 和 FITZY 染色体图像复制并粘贴到新窗口中。在工具菜单中选择图表图标,该功能可生成一条曲线图,显示 Fitz 和 dappy 染色在每条单个染色体上的面积和强度分布情况。
通过从染色体的短臂到长臂沿其长度画一条线来完成此操作。在工具菜单中,选择数据图标并生成一个表格,显示 ZI 和 dpi 计算出的面积和强度。接下来,选择目标染色体的 ZI 和 DPI 信号。
然后点击表格图标上的强度和面积按钮。软件会为每个信号生成每平方英寸像素数的数值测量结果。接下来,将每条染色体的平均像素强度乘以这些像素所占的面积。
为了获得用于可视化染色体最新复制区域的总像素数,需评估染色体活跃复制区域中BrdU掺入的带型模式。然后根据BrdU带型模式的差异,计算染色体对之间复制时间的差异。哺乳动物细胞中的染色体按照时间程序进行复制,早期复制和晚期复制分别发生在S期的起始和末期。
在哺乳动物细胞中,一个典型的S期持续八到十小时,而G2期通常为两到五小时。在此实验系统中,加入BrdU的时间逐渐延长,以标记染色体中最后复制的部分。这些细胞缺失了位于6q16.1的人源ASAR6基因。经过五小时的BrdU处理后,收集有丝分裂期细胞,并对其进行BrdU掺入检测以及使用6号染色体全染探针的荧光原位杂交分析,结果显示两条6号染色体均显示出三个荧光信号标记。
BrdU带型模式的显著差异与其中一条六号染色体复制时间延迟超过两小时的结果一致。Cyto Vison软件显示了两条六号染色体上DPI和BrdU的信号强度分布存在差异,提示复制不同步。此外,与DPI染色的类似分析相比,BrdU掺入总量也存在显著差异。
包含人类AR六号基因的反向探针显示出该细胞中单条六号染色体在其长臂上存在缺失。有趣的是,与非ED六号染色体相比,BRDU掺入信号更强,且BRDU掺入的带型分布更广泛。对来自七个不同细胞的有丝分裂铺展样本进行处理,以定量分析六号染色体之间的复制时间差异。
BrdU 水平显示,缺失和非 ED 的六号染色体之间的总像素值差异超过两倍。一旦掌握,该技术可在三天内正确完成。希望您现在已经充分理解如何测量位于同一细胞内的同源染色体的复制及其复制时序,并能够明确鉴定与复制改变相关的染色体重排。
整条染色体的计时。
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本文描述了一种定量方法,用于分析染色体复制时间,使用BrdU结合和荧光原位杂交(FISH)。该技术能够直接比较同一细胞内重排和未重排的染色体。
Quantitative analysis of chromosome replication timing using BRDU incorporation and FISH enables direct, cell-by-cell comparison of homologous and rearranged chromosomes, supporting mechanistic de-risking in early discovery. This approach provides predictive confidence for identifying chromosomal alterations that impact replication dynamics, which is critical for understanding genome stability in disease-relevant systems. The method's single-cell resolution and ability to detect rare chromosomal events enhance its value for portfolio triage and translational research.
This method integrates into the discovery-to-preclinical continuum by enabling hypothesis testing of replication timing, supporting lead identification, and informing translational biomarker strategies when chromosomal alterations are implicated.