我々は、イメージングを用いて低酸素症のグローバルRNA合成の分析のための手法を記載している。 RNAのクリック化学標識は、以前は、低酸素下で実施し、単一細胞レベルでのグローバルRNAの変化の視覚化を可能にされていない。このアプローチは、世界的なRNA合成における細胞間の変更の直接可視化を可能にし、既存の平均化されたRNAの技術を補完します。
我々は、イメージングを用いて低酸素症のグローバルRNA合成の分析のための手法を記載している。 RNAのクリック化学標識は、以前は、低酸素下で実施し、単一細胞レベルでのグローバルRNAの変化の視覚化を可能にされていない。このアプローチは、世界的なRNA合成における細胞間の変更の直接可視化を可能にし、既存の平均化されたRNAの技術を補完します。
低酸素または酸素利用の低下は、多くの生理学的および病理学的過程に関与している。分子レベルでは、細胞は、適切かつ協調的な細胞応答をマウントするために、特定の転写プログラムを開始する。細胞は、それらの活性のための補因子として分子状酸素を必要とする複数の酸素センサ酵素を有する。プロリル-ヒドロキシラーゼからヒストン脱メチル化酵素に対するこれらの範囲。低酸素に対する細胞応答を解析する研究の大部分は、細胞集団の平均的研究に基づいており、低酸素細胞のような単一細胞解析などめったに行われません。ここでは、顕微鏡分析および定量に続く酸素制御ワークステーション、クリック·イットRNAイメージング用キットを用いて、低酸素状態での単一細胞レベルでグローバルなRNA合成の分析の方法について説明します。異なる長さの時間、低酸素に曝露された癌細胞を用いて、RNAを、各セルに標識し、測定される。この分析はできます低酸素ストレス次のグローバルRNA合成における時間的および細胞間の変化の可視化。
低酸素(低酸素圧)は、組織への通常の酸素供給が乱れた場合に発生します。環境酸素が多くの細胞型のための重要な手がかりを提供し、栄養素およびシグナル伝達分子の両方である。酸素環境の変化は、低酸素誘導因子(HIFS)として知られている必須の転写因子ファミリーの活性を制御するジオキシゲナーゼのグループによって感知される。 HIFSは2つのサブユニットαとβから構成されている。 3つの既知のHIF-αのアイソフォーム(1,2、および3)およびHIF-1βの多数のスプライスバリアントが存在する。 HIF-1βは、構成的に発現し、環境の酸素レベル1によって調節されない。 HIF-αファミリーのメンバーを動的にプロリル-ヒドロキシラーゼ(PHDは)および因子阻害HIF(FIH)のクラスによって制御されている。 HIF-αのヒドロキシル化2,3を触媒する補因子として酸素を必要とし、どちらも。酸素正常状態におけるHIF-αファミリーのメンバーは、ヒドロキシル化され、proteosomのためにタグ付けされたE3-リガーゼ、フォン·ヒッペル·リンドウ(VHL)アラバマ劣化。低酸素ではPHDはとFIHは非アクティブであるか、減少した活性を有する。 HIF-αアイソフォームは、安定するHIF-1βとヘテロダイマーを形成し、低酸素環境( 図1A)に対する細胞応答を提供する遺伝子の転写をもたらす4。
RNA解析のための現在の技術は、所定の細胞集団全体の平均値の定量化に焦点を当てています。細胞は、彼らの厳しい環境5に適応することができ、遺伝子の無数の転写を開始することにより、低酸素刺激に応答します。しかし、低酸素症は、多くの場合、グラデーションのように存在し、低酸素環境下で細胞が均一な低酸素刺激を受けない。我々は、低酸素状態での単一細胞レベルでグローバルなRNA合成を調べるために、酸素制御ステーション内をクリックイットRNAイメージングキットの実装について説明します。
RNAイメージングキットは、αを使用してlkyne修飾ヌクレオシド、5 -エチニルウリジン(EU)、細胞および組織6に時間的かつ空間的にグローバルなRNA合成の検出を可能にする化学選択的ライゲーション。簡単に述べると、細胞を、EUの存在下で低酸素培養で処理される。次いで、それらを固定し、透過性にし、新生RNAへのEUの取り込みは、染料を含有するアジ化、EUの化学選択的連結反応によって検出されています。この反応のための一般的なワークフローは、 図1Bに示されている。我々は、低酸素状態での治療から生じた単一細胞レベルでのRNA合成を調べるためにRNA撮像キットを使用した。
アルキンタグのサイズが小さいので、特にRNAに修飾ヌクレオシドの効率的な取り込みを可能にします。化学選択的連結または「クリック」反応は非常に効率的、高速で7月10日 、特定のです。反応成分のすべては、生体不活性であり、反応は極端な温度または溶媒を必要としない。クリック反応は否定従来の放射性標識し、出力が軽いので、結果を直接可視化を可能にするための要件。また、検出分子が容易にRNA-インタラクティブタンパク質の検出のための抗体を含む多重分析を可能にする複雑なサンプルに浸透することができる。このRNAイメージングアッセイは、アレクサフルーアとフルオレセイン(FITC)を含む有機染料と互換性があります。
私たちは、リモートオブジェクトのオープン顕微鏡環境(OMERO)の実装を使用して我々の細胞の治療後のRNA合成の変化を測定した。 OMEROは、利用可能なオープンソースのソフトウェアですhttp://openmicroscopy.org/ 。この顕微鏡画像の可視化と解析ソフトウェアへのアクセス、および多次元、異種のデータセットの管理を含む生物学的データ、広い範囲の使用を可能にします。クライアント·アプリケーションは、複雑な生物学的画像データ11の遠隔可視化および分析を可能にする;我々は、グローバルな単一細胞RNA合成の視覚的変化を定量化するためにそれを使用した。この顕微鏡画像の可視化および解析ソフトウェアを使用して、これらのデータは、我々のRNAイメージング実験を解析するために必要な手順を以下に示す。
私たちは、最大24時間のための低酸素症にヒト骨肉腫(U2OS)細胞の処理は、次のグローバルRNA合成の変化を見た。全ての条件では、RNA産生のレベルにおける細胞間の変動を検出した。低酸素暴露の短い時間は、細胞内の新生RNAのレベルに大幅な変更をもたらさなかった。しかしながら、低酸素状態の24時間の曝露は、細胞内で産生されるRNAの量の有意な増加をもたらした。低酸素に対する細胞応答の大部分は、例えば、4〜24時間である露光長期間、続いて測定される。しかし、いくつかの機構が、例えば、かなり早い場所に置かれる; NF-κB活性化は、低酸素曝露12の5〜15分以内に発生します。短いハイポを調査夏の露光時間が保証され、したがって、そのような細胞周期およびアポトーシスのようなより複雑な応答を損なう可能性がある。
1。細胞培養および治療
注意:
ヘキスト33342は、既知の変異原物質である。
DMSOは、組織への有機分子の進入を容易にすることが知られている。
NaOHが腐食性である。
HClが腐食性である。
ホルムアルデヒドは、すべての動物に非常に毒性であり、ヒトに死を引き起こす可能性があります。
TRITON X-100は、直接接触後の皮膚刺激を引き起こす可能性があります。
皮膚に接触したり飲み込んだときアクチノマイシンDは有毒である。
すべての有害化学物質を取り扱う場合は、適切な予防措置をとる。
2。クリックイットアッセイ
3。光学顕微鏡
4。データ解析
RNAイメージングキットの反応の概略を、 図1Bに示されている。私たちは、定量的に、個々の(単セル)およびグローバルレベル(細胞の集団)の両方に低酸素で処理した後のU2OS細胞の総RNA合成を決定するために、この反応を使用していました。細胞が低酸素症とEUの存在下で培養して処理した。そして、彼らは、固定、膜透過し、EUの取り込みは、アジド含有する染料と、EUの化学選択的連結反応により検出されたされた。これは、検出された蛍光顕微鏡を用いて定量化することができる蛍光発光の反応結果を「クリック」。 図2Aは、この実験からの典型的な結果を示している。蛍光標識された細胞が赤く疑似カラーされ、画像は、リモートオブジェクト(OMERO)オープン顕微鏡環境で開かれている。この顕微鏡画像の可視化および分析ソフトウェアが内蔵しており、個々の細胞下構造を選択するために使用することができるROIツール量的トゥーレス、選択した領域内の画像強度を解析する。クライアントプログラムでは、このツールを使用する次のデータ出力の典型的な例は図2Bに見られる;個々のセル強度は、データの妥当性を確保するための視覚的なチェックとして機能した実験からの代表的な画像と一緒に表示されます。
個々の細胞の蛍光強度は、処理された細胞集団内の個々の細胞の強度の分布を示す散布図としてプロットすることができる。このタイプのグラフの一例が図2Cに見られる。それは治療結果の迅速な比較を可能にし、明らかに他の標準的なデータ表現を使用して隠される処置細胞集団内に有意な異質性を実証するため、この方法で強度データをプロットすると便利である。応答の不均一性は、この実験で興味深い均一な低酸素刺激であったがために細胞にpplied、同じ単層集団からのすべての細胞がこの刺激に対して異なる応答することが明らかである。
図2Dは 、我々の実験からの全体的な結果を示している。治療集団内のすべてのセルからの蛍光強度を平均し、この棒グラフにプロットした。スチューデントt検定は、対照と有意に異なる各処置群の統計的な確率を計算するために使用されている。興味深いことに、これらのデータは、U2OS細胞を1時間30分を超える時間で(低酸素状態で処理される経時的なグローバルRNA合成の統計的に有意な増加があることを示す*はp <0.01、**はp <0.05と***のp <0.001およびN> 30)。これらのデータは、低酸素症の治療の長い期間後、細胞はさらに、この敵対的な低酸素環境におけるRNAの生産に力をフォーカスすることを示している。アクチノマイシンD処理は、完全に予想されるように蛍光強度を切除する。

図1。A.ザ·HIFシステムは、細胞の酸素の変化に応答します。この簡略化した回路の低酸素にフォン·ヒッペルリンダウタンパク質(VHL)でプロリルヒドロキシラーゼ酵素(PHDの)とその後のpolyubquitinationによって、HIF-αのヒドロキシル化(-OH)を防止することにより、HIFのヘテロ二量体を安定化させる。セルラー低酸素に対する細胞応答を助ける無数の遺伝子の活性化におけるHIF安定化をもたらすB. RNA合成は、文脈-ITアッセイを用いて検出することができ;細胞は、クリック反応は蛍光強度と光学顕微鏡により定量することができるRNA合成を検出し処理した後に、EUが付されている。 大きなVERSを表示するには、こちらをクリックしてください。この図のイオン。

図2。OMEROからA.スクリーンショットは、RNA標識後の典型的なミクロな出力が表示されます。この顕微鏡画像の可視化および解析ソフトウェアは、迅速に作り付けのROIマクロを使用して個々の細胞レベルでの強度データを抽出することができる。このコマンドの出力のスクリーンショットは、B.グローバルRNA合成において示されている個々の細胞の強度から推測することができ、これらの集約データの散布図C. A正式な表現で見ることができるの範囲は、D. *はp見ることができる<0.01; ** P <0.05、***はP <0.001であり、n> 30。 拡大画像を表示するにはここをクリックしてください。
表1。U2OS細胞の培養に必要な試薬および器具。
| 反応成分 | カバースリップの数 | |||||
| 1 | 2 | 4 | 5 | 6 | 10 | |
| クリックイットのRNA反応バッファー(成分C) | 428μL | 856μL | 1.7ミリリットル | 2.1ミリリットル | 2.58ミリリットル | 4.3ミリリットル |
| 硫酸銅(成分D) | 20μL | 40μL | 80μL | 100μL | 120μL | 200μL |
| アレクサフルーアアジド(ステップ2.3で製造) | 1.8μL | 3.7μL | 7.4μL | 9.3μL | 11.28μL | 18.8μL |
| (ステップ2.3で作成)をクリックし、それを反応バッファー添加剤 | 50μL | 100μL | 200μL | 250μL | 300μL | 500μL |
| おおよその総容積 | 500μL | 1ミリリットル | 2ミリリットル | 2.5ミリリットル | 1.5ミリリットル | 5ミリリットル |
表2 RNAイメージングキットの反応カクテル:染色されるカバースリップの数に従ってRNAイメージングキットの反応のためのマスターミックス成 分の比率を詳細に参照するテーブル。
| 蛍光色素分子 | 励起(NM) | エミッション(NM) |
| アレクサフルーア488 | 495 | 519 |
| DNAに結合し、ヘキスト33342、 | 350 | 461 |
表3蛍光/励起発光極大:アレクサフルーア色素およびDNAに結合し、ヘキスト33342のためのおおよその蛍光/励起発光最大。
我々は、骨肉腫(U2OS)細胞におけるRNA合成に対する低酸素の効果を調べるためにRNA撮像キットの私達の使用を記載している。この技術は、比較的簡単であり、単一細胞レベルでの包括的な転写に関するデータを提供する。我々は、低酸素室でのラベリングを組み込むために、このキットのための従来のプロトコルを変更しました。我々の知る限り、これは低酸素状態でのRNA合成の変化を測定するこの技術の使用の最初の報告である。それは、放射性同位元素を必要とせず、制御された雰囲気のワークステーションでの作業の制限が技術的に互換性があるので、我々が使用するRNAイメージングキットは、低酸素状態での実験に適しています。この手法の問題、効率的な固定とサンプルのラベリングに関する一般的な問題。それは、PFAが新鮮で説明したように「クリック」反応を追跡の洗浄工程は、試料の低いバックグラウンド染色を確保するために実施されているサンプルを固定するために使用されることが非常に重要です。 Bの場合ackground蛍光は、ステップ2.7.4の後に1ミリリットルセンスRNAイメージングキットの反応リンス緩衝液で1回以上洗浄することをお勧めし問題となる。
ここでいうRNAイメージングキットは、使用および反応の特異性及び速度の容易さの観点からRNAイメージング技術の著しい進歩を表す。この技術は、主に、試料を標識するのにかかる時間によって制限される。 RNAイメージングキットは通常、この期間内に発生するグローバルRNAの急速な変化の検査を妨げる1時間の標識期間を必要とします。それは私たちの最初の時点で1時間と15分に制限されているのはこのためである。技術は、主に、たとえば、このRNAイメージングキットはファロイジン染色と互換性がありません、他の蛍光マーカーとの互換性を試薬に関連するいくつかの他の制限に関連している。
細胞内のRNA合成を研究するすべての既存のアプローチはに修飾されたヌクレオシドの取り込みに基づいている新生RNAと異なる手段によって援用標識の検出。先駆的なアプローチは、オートラジオグラフィーによる検出が続く放射性標識されたRNA前駆体を使用してに基づいていた。この方法は、細胞周期の段階および他の重要な知見の発見につながった。しかしながら、そのような放射能作業、長時間露光時間およびオートラジオグラフィー6の低解像度画像の面倒な性質の欠点の多くを有する。フィールド内の次の進歩は、放射能の必要性を排除するために免疫化学の手段を利用した。 RNAは、免疫化学検出が続くのBrUの取り込みにより標識した。しかしながら、効率的な抗体は、細胞形態の喪失を引き起こし、多くのタンパク質のエピトープを損傷し、蛍光標識抗体13とそれらのさらなる検出を防止DNAまたはRNAへのアクセスを向上させるために必要な核酸変性の結合。 「クリックケミストリー」技術の導入は、検出ステップとTを簡素化彼手続きオートラジオグラフィーおよび免疫化学と比較。技術は5-ethyniluridineの末端アルキンは、Cu(I)の存在下で蛍光団と接合し、アジと特異的に結合するアジド - アルキン付加環の環化反応に基づいています。反応は、急速に、固有のもので、追加の手順を必要とせず、他の細胞成分の免疫化学的検出と簡単に互換性があります。
このRNAイメージング技術を用いて、我々は、細胞は、同じ単層集団で、低酸素に応答して異なるRNA合成のレベルを有することを示した。我々は、RNAの生産のみの影響を調べるために我々の実験を制限し;しかし、RNA産生のより複雑な分析を可能に変更され、追加の多重反応を実行するには、このRNAイメージングキットで完全に可能です。例えば、リン酸化RNAポリメラーゼII又は換算は偶数成分のレベルとしての活性、転写のマーカーに特異的な抗体を用いた二次染色タンパク質に変換され、この新たに生成したRNAの量の指標を得たTiON機構が可能である。このようなアクチン、低酸素症によって大きく変化してはならないタンパク質などの追加のタンパク質は、追加のコントロールとしてテストすることができる。それは、異なるセルが異なるRNA合成速度および低酸素症にさえ異なる応答を有する可能性が非常に高いようにさらに、異なる細胞型は、テストすることができる。
このRNAイメージングキットの使用が記載されるようにステップが実行される設け非常に簡単である。プロトコルにおける重要なステップは、細胞播種、細胞の固定および染色および画像取得を伴う。それが大幅に結果に影響を与えるであろう実験で上や合流点の下に防ぐために説明した密度で細胞をプレートすることが重要です。これは、セルの最高の "スナップショット"を確保することがBACを低減するために取得され、細胞を洗浄したときに染色した後、世話をするために、新鮮な固定液を使用することも重要である効率的な解析のための許容可能なレベルまでkground。最後に、画像取得の方法は、その後の分析のために十分によい品質である画像を実現するために極めて重要である。私たちは、光学的にこのような世界的にほとんどの研究集約的なセンターで提供されています。このプロトコルで使用される顕微鏡などの試料を検査するために利用可能な最良の光学顕微鏡を使用することをお勧めします。
JRSはグレンコー·ソフトウェア株式会社、OMEROに貢献するオープンソースの米国を拠点とする営利企業の創設者である。
JBは、ウェルカムトラスト博士課程の学生で、SRラボがCRUK主任研究フェローシップ(C99667/A12918)によって資金を供給されているされているように、CRUK臨床仲間です。この作品は、2ウェルカムトラスト戦略アワード(097945/B/11/Zと095931/Z/11/Z)によってサポートされていました。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| U2OS初代細胞 | ヨーロッパ細胞培養コレクション | 92022711 | |
| PBS | Gibco | 14190094 | |
| DMEM | Gibco | 41966029 | |
| FCS | Gibco | 10270106 | |
| ペニシリン/ストレプトマイシン | ロンザ | DE17-603E | |
| L-グルタミン | ザ | BE17-605E | |
| 0.05% トリプシン-EDTA (1%) | Gibco | 25300062 | |
| 低酸素チャンバー | Ruskinn | InVivo2 300 | |
| Click-iT assay Kit | Invitrogen | C-10329/C10330 | |
| pFA | Sigma | 76240 | |
| Triton X-100 | Sigma | X-100 | |
| 10 M NaOH | Sigma | 72068 | |
| 37% HCl | VWR | 20252.335 | |
| VectaShield Mounting Medium | Vector Laboratories | H-1400 | |
| Actinomycin D | Sigma | A9415 | |
| Deltavision Core Microscope | Applied Precision | N/A | |
| softWoRx | Applied Precision | N/A | テキストでは画像処理ソフトウェアと呼ばれています。 |
| CoolSnap HQ2 CCD カメラ | フォトメトリクス | N/A | |
| Open Microscopy Environment for Remote Objects (OMERO) | OME | N/A | テキストでは顕微鏡画像の視覚化および分析ソフトウェアと呼ばれています。 |
| SigmaPlot v12.0 | Systatソフトウェア株式会社 | N/A | 本文ではデータグラフ作成ソフトウェアと呼ばれます。 |
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