細胞株は短時間で培養でき、実験解析に必要な細胞型を増殖可能であるため、生医学実験に頻繁に利用されます。初代細胞と同様の条件下で培養されますが、いくつかの重要な基本的な相違点があります。: (1) 各細胞株には特殊なサプリメントが必要となります。(2) 細胞株は突然変異により無限に増殖可能であり異常増殖が起こりやすいため、初代細胞に比べ厳密にモニターしなければなりません。そのため細胞株が培養容器の底面をほとんど覆う、あるいは約90%コンフルエントの状態になったら、細胞を再懸濁し、洗浄して実験に用います。後で使用するために冷凍保存、又は新たに増殖させるため新しい培養容器に播種することもできます。
このビデオでは、細胞の健康状態を確認するための指示薬の使い方、接着細胞を培地から剥離するための適切な試薬、器具の説明、適切に増殖させた細胞を実験用に準備するための様々な方法をご覧いただけます。さらに、支持細胞(細胞株へ必須成長因子を提供する役割をもつ)の培養方法、一度に大量の細胞株を増殖させる方法も紹介しています。
分子クローニングとは、原核生物又は真核生物由来の組み換えDNAを”運び屋”となるプラスミドやウイルスベクターに挿入し宿主内で複製させる一連のテクニックです。クローニングとは、目的遺伝子のDNA断片を大量にコピーすることを意味します。このビデオでは、分子クローニングの様々な工程のセットアップ方法、またこのツールのいろいろな応用例を紹介していきます。
クローニング開始にあたり、少なくとも2つのDNA分子が必要となります。一つ目は、最も重要となる、クローニング対象のDNA断片です。これはインサートと呼ばれます。原核生物、真核生物、また絶滅した生物に由来するもの、あるいは実験用に人工的に作られたものがあります。分子クローニング法は、特定遺伝子の役割解明につながります。
二つ目は、ベクターです。ベクターとはプラスミドDNAであり、分子生物学では、大量のコピーを作製し、遺伝子からタンパク質を生成するためのツールとして利用されます。プラスミドは、環状の過剰染色体DNAでありバクテリアによって複製されます。
通常、プラスミドにはマルチクローニングサイト、MCSがあり、複数の制限エンドヌクレアーゼ、又は制限酵素の認識部位領域を持っています。ライゲーションにより、複数のインサートをプラスミドに組み込むことができます。またプラスミドベクターには、複製起点があり、バクテリアに導入後ここから複製が開始されます。さらにプラスミドには抗生物質耐性遺伝子が含まれています。バクテリアがプラスミドを取り込んでいれば、抗生物質を添加した培地でも生育できます。これにより形質転換に成功したバクテリアの選別が可能になります。
インサートとベクターを宿主生物内でクローニングします。分子クローニングで最も頻繁に利用される宿主は大腸菌です。増殖が速いため利用しやすく、様々なクローニングベクターが購入可能です。また、酵母などの真核生物も宿主生物として利用できます。
一般的な分子クローニング法の最初のステップは、目的のインサートを獲得することです。これはあらゆる細胞のDNA又はメッセンジャーRNAから得られます。次にインサートの種類と最終目的に応じて最適なベクターと宿主生物を選択します。そしてポリメラーゼ連鎖反応又はPCRを利用しインサートの複製を行います。
次に一連の酵素反応により、インサートをベクターに組み込み、宿主細胞に導入すると、大量複製を開始できます。複製されたベクターをバクテリアから精製し、ゲル解析を行います。ゲルから精製したDNA断片のシークエンシングを行い、インサートが目的のDNA断片であることを確認します。
それでは実際に分子クローニングの工程を見ていきましょう。実験室で実際にクローニングを試みる前に、まずは各自で実験戦略を立てて下さい。例えば必ずと言っていいほどプラスミドベクターにはマルチクローニングサイトの認識部位に限りがあります。そのためインサートと適合せず、うまく挿入されない場合があります。また、平滑末端を突出末端に連結させなければならない状況に直面するかもしれません。その場合は、クレノウ断片で平滑化を行った後にライゲーションをすることで、インサートを目的のベクターに組み込めるようになります。クローニング実験開始前の入念な計画と共に、様々な分子クローニングのツールを知っておくことが、膨大な時間の節約につながります。
分子クローニングの目的となるDNAは、ほとんどの細胞又は組織サンプルから、単純な抽出テクニックを使って単離できます。単離後はPCRで目的のインサートを増幅します。
増幅後、そのインサートとベクターを制限酵素又は制限エンドヌクレアーゼで処理します。
酵素処理後、インサートとベクターのゲル電気泳動を行い、その後ゲルから精製します。ベクターに関しては、この工程により、 線上化プラスミドを高分子量の領域に現れる切断されていないプラスミドから精製することができます。
ゲルから精製後は、 DNAリガーゼという酵素を利用し、インサートをプラスミドに連結します。
一般的に、インサートとベクターを3対1の比率で混合すると効率的にライゲーションが行えます。この比率で、ベクターのセルフライゲーション確率を下げることができます。ライゲーション反応は氷上で開始し、14-25℃で1時間から一晩インキュベートします。
次の工程は形質転換です。プラスミドベクターを宿主内に導入し、複製させます。
形質転換したバクテリアを抗生物質を添加した寒天培地に播種したら、一晩、37℃でインキュベートします。プラスミドには抗生物質耐性遺伝子が含まれているため、抗生物質が存在する寒天培地では、形質転換に成功したバクテリアのみがコロニーを形成します。そのコロニーを形質転換用培地から番号を付けたチューブ内の液体増殖培地に移し、シェーカーを使ってインキュベートし増殖させます。少量の液体培地を番号を書いた寒天培地に加え、残りの培地はプラスミドの精製工程に進みます。
番号を付けておくことで、バクテリアが形成したコロニーがどのプラスミド由来のものかが分かり、その後のプラスミド精製工程に役立ちます。
次にプラスミド精製を行ったサンプルを制限酵素で切断後、ゲルにロードし、電気泳動を行います。バクテリアのコロニーがセルフライゲーションプラスミドでなく、目的のインサートを含むプラスミドで形質転換されていることを確認します。インサートを含むプラスミドによる形質転換の成功が確認されたら、そのバクテリアはさらなるプラスミド精製のために増殖させます。最終ステップでは、シークエンシングを利用し、目的の遺伝子がクローニングされていることを確認します。
分子クローニングは、数多くの研究に利用されています。鋳型mRNAから逆転写酵素を用いた反応によりcDNA、又は相補的DNAを合成します。そのcDNAをPCR法で増幅し、特定の細胞で発現させ、cDNAライブラリーを作成するために分子クローニングが利用されています。
また、ある菌種の遺伝子配列や遺伝子群を取り出し、プラスミド内で再編成したものを他の菌種に導入する場合にも分子クローニングが利用されます。
これにより生合成経路を完全に作り替え、複合分子を生成することが可能となります。
ある特定の温度での培養により変異性ポリメラーゼを使う特別な菌種内に目的プラスミドを組み込み発現させることで、変異体ライブラリーを作成するときにも分子クローニングが利用できます。突然変異はシークエンシングにより解析できます。突然変異遺伝子により形質転換されたバクテリアを様々な薬剤や化学物質で試験し、薬剤耐性菌の研究が成されています。
さらに、分子クローニングを利用し、レポーター遺伝子をプラスミドDNAに組み込むことが可能です。一般的なのは緑色蛍光タンパク質、GFPです。これはUV光照射により緑色の蛍光を発します。レポーター遺伝子をアルファウイルスに挿入することで、蚊への感染や細胞内での感染力も研究できます。
ここまでJoVE分子クローニング編をご覧いただきました。分子クローニングの役割と分子生物学研究での応用例を紹介しました。ご覧いただきありがとうございました。
Passaging, or subculturing, of cells, is a common procedure wherein cells from a given culture are divided, or “split”, into new cultures and fed with fresh media to facilitate further expansion. While the concept itself is relatively simple, in this video we will discuss some of the more important steps for the successful maintenance and expansion of cell lines.
Toxic metabolites accumulate in cell culture media over time. When expanding cells, it is particularly important to change the media regularly to maintain cell health and to monitor the cell expansion to avoid cell overgrowth.
Generally, two main types of cells are subcultured: immortalized cell lines and stem cell lines
Immortalized cell lines are cells that are derived from multicellular organisms that have experienced some type of mutation affecting their cell cycle regulation, allowing them to proliferate indefinitely. Perhaps the most famous immortalized cell line is the HeLa cell line, which was derived from a cervical cancer lesion found on a biopsy taken from Ms. Henrietta Lacks in 1951.
In contrast to cell lines immortalized by cancer, stem cell lines are generated by isolating self-renewing and multipotent cells from a variety of tissues both from adult and embryonic tissues. Under the right conditions these cells, like the human embryonic stem cells you see here, can be maintained in culture indefinitely.
Cells are either optimally cultured in suspension, like immortalized cells isolated from blood, or they grow best when adhered to a surface, as is the case for many tissue-derived cells.
The growth of these adherent cells must be closely monitored to ensure cell health. Depending on the cell type, most adherent cells need to be passaged when they are 70-90% confluent, that is, when they cover 70-90% of the culture container surface.
Bear in mind that cell lines retain many characteristics of the original cell culture, but with each successive passage they can also begin to acquire characteristics unique to the expanded culture. Therefore, consider limiting the number of times you continue to passage an individual cell culture.
When passaging cells, it is important to use sterile technique and the appropriate reagents and equipment.
It is essential to use the appropriate media for the optimal growth and expansion of your cell line. Each cell line will require a specific growth supplement cocktail, however, most cell lines at minimum require supplementation with the following: Serum, such as Fetal Bovine Serum, which must be heat-treated to inactivate the bovine complement and which provides vital growth factors for the cells, antibiotics, like penicillin and streptomycin, which help limit contaminating growth in the culture, and other growth factors, like fibroblast growth factor, to help prolong the growth and expansion of the cell lines. Store the supplemented, or “complete”, cell culture media at 4 C when you’re not using it.
First, take note of the color of the tissue culture media. Fresh, cell culture media is rich in nutrients and appears a clear, orange color, partly due to the addition of the pH indicator, phenol red.
As cells begin to use up nutrients in the media, waste and acid begin to build up in the cell culture, lowering the pH. For this reason, many tissue culture medias contain phenol red, which turns the media from orange to yellow when cells turn the culture acidic. Change the media before it turns this color!
When the phenol red turns the media a pinkish color, indicating that the pH has become too basic for healthy cell growth, it may be time to change your CO2 tank as well as your media.
Most adherent cell lines attach naturally to uncoated plastic. Therefore plastic cell culture plates, like petri dishes or 6 well plates, are frequently used for subculturing cells.
Plastic cell culture flasks are also used. The T25 cell culture flask, for example, is often used to expand small cell line populations or to start the growth of a slowly expanding cell line. T75 culture flasks are commonly used for cell lines that proliferate more quickly or to generate larger numbers of cells than can fit in a T25 flask.
When removing adherent cells, the proteins that bind the cells to the plastic must first be cleaved. For this purpose, the digestive enzyme trypsin is frequently used. It is important to carefully time the trypsin exposure, as treatment for too long can result in damage to other cell surface proteins.
Cell culture media can contain trypsin neutralizers. Therefore, phosphate buffered saline, or PBS, is often used to wash the cells before trypsinization.
EDTA, a calcium chelator, is sometimes also used to enhance the proteolytic function of trypsin.
For expansion of the cell colony, the freshly-passaged cells are then grown in a cell culture incubator under the conditions appropriate to that cell line, typically at about 37 C, 5% CO2, and 95% humidity.
Before you begin, it is important to understand how frequently your cells should be monitored, which will depend on how fast your cells proliferate.
Now that your media is a happy orange color, observe the other culture conditions, such as whether or not the culture is cloudy – possibly indicating contamination — the size and density of the cell colonies, and the overall quality of the cells.
If the cells have reached about 90% confluency, remove the tissue culture media and wash the cells with calcium- and magnesium-free PBS.
Now add trypsin to the cells and then incubate them at 37 C. After about 5 minutes, confirm that the cells have detached, and then stop the proteolysis by adding fresh tissue culture media.
Transfer the cell suspension into a conical tube for centrifugation. Then, after spinning down the cells, carefully remove the supernatant without disturbing the pellet and resuspend the cells in fresh media. Count how many cells you’ve collected and then seed the cells according to the density appropriate for immediate or later expansion.
Now that you know how to passage cells, let’s look at some different applications of the method.
As mentioned earlier, human embryonic stem cells are a type of cell that must be passaged. They are typically cocultured with mouse embryonic fibroblasts, or MEFs, which provide factors that help stem cells retain their pluripotent state.
Stem cell colonies grown on feeder cells need to be “picked” once they’ve reached the proper stage of development. They can be selected by micropipette or by gentle scraping with a glass picking tool and then plated in a new culture for expansion.
Some cell lines are sensitive to enzymatic digest or they are so tightly adherent they can’t be resuspended with trypsin treatment alone. A cell scraper can be used to gently remove the cells from the bottom of the culture plate. If the cells are particularly adherent, try moving a serological pipette in a firm scraping motion while rinsing the bottom of the cell container with media or another appropriate solution. Take care with this method, as delicate cells can be damaged by this mechanical method of dissociation.
To more quickly and reproducibly scale up the expansion of your cells than can be achieved in single layer flasks, multilayer flasks, which can expand cell cultures 3-5 fold compared to single layer flasks, can be used.
You’ve just watched JoVE’s introduction to passaging cells. In this video we reviewed what a cell line is, how to subculture one, and some different applications of passaging cells. Thanks for watching and remember to keep your media fresh!
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