$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
De meest voorkomende toepassing van kraalbelasting is het introduceren van een of meer soorten eiwitten in aanhankelijke menselijke cellen. Om dit te illustreren, werden cellen geladen met een oplossing van een Cy3- en Alexa488-geconjugeerd Fab-eiwit. Hoewel niet elke cel in de microwell was geladen met kralen, hadden de cellen die werden geladen bijna altijd zowel Cy3- als Alexa488-gelabelde eiwitten samen(Figuur 2A). Volgens een eerdere schatting, wanneer 0,5 microgram Fab verdund in 4 microliter wordt geladen met kralen29, zoals in figuur 2A,wordt elke cel geladen met ongeveer 106 Fab-moleculen.
Plasmide DNA coderend voor GFP (1 μg plasmide DNA, 1,8 μL van een 557 ng/μL oplossing) en 0,5 μg Cy3-gelabelde Fab werd ook via kraalbelasting in cellen ingebracht en vervolgens uitgedrukt en gevisualiseerd(Figuur 2B). De GFP-fluorescentie gaf aan dat het GFP-coderende plasmide niet alleen in cellen werd geladen, maar ook tot expressie werd gebracht. In dezelfde cel kan het laden van kralen dus een eiwitsonde (bijv. Cy3-gelabeld Fab) en reporterplasmide (bijv. GFP) introduceren, zoals eerder in dit laboratorium werd uitgevoerd22,23,24. We stelden vast dat 40% van de cellen vol zat met Fab-eiwit en 21% van de met kralen geladen cellen het co-loaded plasmide tot expressie kwam, zoals weergegeven in de representatieve gezichtsvelden in figuur 2B. Meestal is elke kamer geladen met 1-2 μg plasmide, ongeveer dezelfde hoeveelheid als lipofectie.
Cellen met kralen beladen brengen sterk uiteenlopende niveaus van plasmiden tot expressie(figuur 2C,D). Om dit specifiek te meten, gebruikten we de Fisher Ratio-test om de verdelingen van eiwit- en plasmide-intensiteitsgegevens te vergelijken. De resultaten toonden aan dat hoewel eiwitten 1 en 2 vergelijkbare intensiteitsverdelingen hadden (p = ~ 1), elk eiwit een significant kleinere verdeling had dan het plasmide (p = 3,2e-6 en 1,8e-5). Hoewel dit te wijten kan zijn aan variabiliteit in het aantal plasmiden dat per cel wordt geladen, kan de grotere bron van variabiliteit voortkomen uit de vele stappen die nodig zijn voor plasmide-expressie die waarschijnlijk sterk variëren tussen cellen, inclusief geïmporteerd worden in de celkern, transcriptie en translatie. Daarentegen hadden de niveaus van met kralen geladen eiwitten een lichte cel-tot-celvariantie en de niveaus van twee gelijktijdig geladen eiwitten waren sterk met elkaar gecorreleerd (Figuur 2D,E).
Plasmide-expressie kan al 2-4 uur na het laden van de kraal worden gezien, maar kan later optreden, afhankelijk van wanneer optimale plasmide-expressie wordt verkregen. We raden aan om een tijdscursus uit te voeren om het beste expressievenster te bepalen voor een specifiek plasmide dat 2-24 uur na het laden van de kraal overspant. Dit kan worden gedaan in één kamer met beeldvorming met een lang tijdsbestek of door het laden en verspringen van meerdere kamers. Bead-loaded cellen blijven hechtend en zijn gezond genoeg om te groeien en te delen. Bead-geladen menselijke U2OS-cellen werden direct voor, direct na en 24 uur na het laden van kralen in beeld gebracht. Een goede kraalbelasting had bijna geen merkbaar effect op het aantal cellen of hun morfologie, zoals weergegeven in figuur 3A (links, midden).
Daarentegen is een slechte kraalbelasting met te veel kralen en overmatige tikkracht weergegeven in figuur 3B. Dit veroorzaakte veel celverlies (grote delen van het afdekglas zonder cellen en losse, zwevende, onscherp gemaakte cellen), slechte celmorfologie (cellen die naar boven afgerond en slecht gehecht lijken) en clusters van kralen die na het laden van de kraal op het dekglas achterbleven. Hoewel wordt gedacht dat cellen mechanische schade ondergaan tijdens het laden van kralen, groeiden en prolifereerden cellen in de goed met kralen geladen kamer, zoals blijkt uit het toegenomen aantal cellen 24 uur na het laden van kralen(figuur 3A,rechts). Het effect op de levensvatbaarheid van cellen kan worden beoordeeld door middel van verschillende assays, zoals een 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide (MTT) assay, om kralen geladen met mock-loaded cellen te vergelijken30. Verder tonen dit en eerder werk aan dat de met kralen geladen cellen celdeling ondergaan (Figuur 3C en Aanvullende Video 1), en de timing van mitose wordt niet beïnvloed door kraalbelasting31, wat dient als verder bewijs voor aanhoudende celgezondheid na het laden van kralen.
Kraalbelasting is een veelzijdige techniek, die plaats biedt aan verschillende aanhangende cellijnen en verschillende macromoleculen. Hier is deze variëteit aangetoond door RPE1- en HeLa-cellijnen te laden met Fab(Figuur 4A,B). Tabel 1 geeft verdere voorbeelden van het laden van kralen in verschillende cellijnen, in dit laboratorium en daarbuiten, en wijst op enkele van de genuanceerde verschillen tussen protocollen voor het laden van kralen uit andere laboratoria. Van belang is dat de diameter van glaskralen die worden gebruikt voor het laden sterk varieert tussen laboratoria, hoewel de meest efficiënte belasting werd gevonden voor kleine kralen met een diameter van 75 μm in verschillende cellijnen14. Verder is dit laboratorium ook begonnen met het laden van RNA (gegevens niet getoond). Figuur 4C toont een representatieve U2OS-celkraal geladen met een Cy5-RNA 9mer en Cy3-DNA 28mer samen.

Figuur 1: Kraal laadapparaat, techniek en tijdlijn Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2. Kraalbelasting introduceert lage variabiliteit in eiwitconcentratie, maar hoge variabiliteit in plasmide-expressie. (A) Cellen werden geladen met 0,5 μg van elk van Alexa488-geconjugeerde anti-H3K27 acetyl Fab (groen) en Cy3-geconjugeerde anti-RNAPII-Serine 5-gefosforyleerde Fab (rood) in 4 μL kralenbelastingsoplossing. Cellen werden DAPI-gekleurd (blauw) en vervolgens onmiddellijk live-gebeeld. Schaalstaven = 20 μm. (B) Cellen werden geladen met 0,5 μg Fab-eiwit (Cy3-geconjugeerd anti-RNAPII-Serine 5-gefosforyleerd eiwit, rood) en 1 μg plasmidecodering supermap GFP-H2B (groen) in 4 μL kralenbelastingsoplossing. Na 24 uur werden cellen DAPI-gekleurd (blauw) en live in beeld gesteld. Schaalstaven = 30 μm. (C-E) Eiwit 1 (JF646-HaloLigand-gelabeld HaloTag-MCP), eiwit 2 (Cy3-geconjugeerd anti-FLAG Fab) en een plasmide dat codeerde voor EGFP (λN-EGFP-LacZ) werden samen in cellen geladen. De totale intensiteit in elk fluorescerend kanaal werd gemeten in een pleister van 1,3 x 1,3 μm in het cytoplasma van elke cel. N = 25 cellen. (C) Representatieve cellen die het met kralen geladen plasmide, λN-EGFP-LacZ, tot expressie brengen. Voor alle cellen werden dezelfde beeldvormende omstandigheden en intensiteiten gebruikt. Vlekken zijn aggregaten van het tot expressie gebrachte eiwit. Schaalstaven = 10 μm. (D) De grafiek toont de totale intensiteit van elke cel van eiwit 1, eiwit 2 of EGFP uitgedrukt uit het plasmide. Elk kanaal werd genormaliseerd naar de mediaan. Bonferroni-gecorrigeerde P-waarden werden berekend met de Fisher Ratio-test om te bepalen of de verdeling van eiwit- of plasmide-intensiteitsgegevens dezelfde variabiliteit heeft. Elk punt vertegenwoordigt een cel. (E) De totale intensiteiten voor beide eiwitten, eiwit 1 en het plasmide, of eiwit 2 en het plasmide, worden tegen elkaar uitgezet. Berekende R2-waarden worden weergegeven. Elk punt vertegenwoordigt een cel. Afkortingen: DAPI = 4′,6-diamidino-2-phenylindole; EGFP = verbeterd groen fluorescerend eiwit; A.U. = willekeurige eenheden; MCP = MS2-vachteiwit; RNAPII = RNA polymerase II. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3: Bead-loaded cellen blijven hechtend en zijn gezond genoeg om te groeien en te delen. (A) U2OS-cellen werden geladen met 0,5 μg Cy3-geconjugeerde anti-FLAG Fab in 4 μL kraalbelastingsoplossing. De cellen werden direct voor, direct na het laden van de kraal en 24 uur na het laden van de kraal in beeld gebracht. Oranje pijlen identificeren gebieden waar cellen afbladderden tijdens het laden van kralen. Schaalbalken = 2 mm. (B) Representatief beeld van U2OS-cellen die zijn geladen met componenten van (A) maar met hard tikken en te veel kralen. De rode pijl identificeert extra glasparels. Schaalbalk = 2 mm. (C) U2OS-cellen werden geladen met 1,5 μg van de 14,4 kbp plasmide smFLAG-KDM5B-15xBoxB-24xMS2, 0,5 μg Cy3-geconjugeerde anti-FLAG Fab (groen), 130 ng HaloTag-MCP (magenta) in 8 μL kralenlaadoplossing. Vlak voor de beeldvorming werd de HaloTag gekleurd met JF646-HaloLigand. De MS2-stengellussen van het mRNA getranscribeerd uit het reporterplasmide worden gelabeld door MCP (magenta-vlekken) en FLAG-tagged vertaald reporter-eiwit wordt gelabeld door anti-FLAG Fab (groene colocalisatie naar mRNA). Volwassen Fab-gelabeld eiwit lokaliseert naar de kern. Deze cel werd 4-15 uur na het laden van de kraal in beeld gebracht. Gele pijlen identificeren de celkern voor en kernen na celdeling. Schaalbalken = 5 μm. Afkorting: MCP = MS2 coat protein. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 4: Variaties in het celtype laadmateriaal van het kraalbelastingsprotocol. (A-B) RPE1 (A) en HeLa (B) cellen werden geladen met 1,5 μg van een nucleair Fab-eiwit (anti-RNAPII-Serine 5-fosforylering) in 4 μL laadoplossing. De kern van elke cel (nuc) en cytoplasma (cyto) zijn gemarkeerd. Cellen werden 6 uur na het laden van kralen in beeld gebracht. Schaalstaven = 5 μm. (C) Menselijke U2OS-cellen werden geladen met zowel Cy5-RNA 9mer (magenta) als Cy3-DNA 28mer (groene) oligo's, 10 picomol van elk, in 4 μL parelladingsoplossing. Cellen werden 4 uur na het laden van kralen in beeld gebracht. Alle celkernen worden gemarkeerd door een stippellijn. Schaalbalken = 5 μm. Afkortingen: RNAPII = RNA polymerase II. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Cellijn | Celtype | Effectiviteit van het laden van kralen | Opmerkingen/referentie |
| Stamcellen (menselijk) | Embryonale stamcellen | Moeilijk | * Veel cellen pellen af tijdens het laden van kralen als ze op met gelatine beklede platen worden geplateerd |
| Hek 293 | Menselijke embryonale niercellen | Moeilijk | * Noodzaak om een gelmatrix op het oppervlak van de beeldvormingskamer te leggen voordat de kraal wordt geladen. Tik zachtjes wanneer de kraal in het begin wordt geladen. |
| Neuronen (rat) | Primaire embryonale neuronen (e-18), gedissocieerd | Zeer inefficiënt | * Efficiënte kraalbelasting van neuronen werd niet waargenomen met behulp van dit standaard protocol voor het laden van kralen. Dit kan te wijten zijn aan de niet-adherente aard van neuronen of aan de daaruit voortvloeiende schade aan neurale processen. |
| MDCK (hond) | Madin-Darby canine niercellen | Zie McNeil en Warder (1987)14
| * Laag-efficiëntie kraal laden14
|
| U2OS (menselijk) | Osteosarcoom | Standaard protocol voor het laden van kralen | |
| HeLa (mens) | Baarmoederhalskanker | Standaard protocol voor het laden van kralen | |
| RPE1 (menselijk) | Epitheelcellen vereeuwigd met hTERT | Standaard protocol voor het laden van kralen | |
| HFF (menselijk) | Primaire voorhuidfiblasten | Zie Besteiro et al. (2009)31 | *Aangepast protocol van kantelen in plaats van tikken31
|
| BALB/c 3T3, NIH 3T3 en Swiss 3T3 (muis) | Embryonale fibroblasten | Zie Gilmore en Romer (1996)32, Emerson et al. (2014)33 en McNeil en Warder (1987)14
| *425-600 μm glasparels gemeld32
|
| * Gebruikte 200-300 μm glaskralen33
|
| *75 μm glasparels gaven betere resultaten dan 400 μm14
|
| DM (Indiase muntjac) | Huidfibroblasten | Zie Manders, Kimura en Cook (1999)34
| |
| CHO (hamster) | Epitheliale-achtige eierstokcellen | Zie Memedula en Belmont (2003)35
| * Gebruikte 425-600 μm glaskralen35
|
| BAE (rund) | Runderaorta-endotheelcellen (BAEC-11) | Zie McNeil en Warder (1987)14
| *75 μm glasparels gaven betere resultaten dan 400 μm14
|
| PtK-2 (Potomus tridaclylis) | Epitheliale niercellen | Zie McNeil en Warder (1987)14
| *75 μm glasparels gaven betere resultaten dan 400 μm14
|
| HUVEC (menselijk) | Navelstreng endotheliale cellen | Zie Gilmore en Romer (1996)32
| * Gebruikte 425-600 μm glasparels32
|
| J774 en J774.2 (muis) | monocyte macrofaagcellen | Zie Becker et al. (2005)36 en McNeil en Warder (1987)14
| * Zachte agitatie (in plaats van tikken) en 425-600 μm glaskralen36
|
| MS-5 (muis) | beenmerg stromale cellen | Zie Molenaar et al. (2003)37
| |
| WPE1-NB11 (menselijk) | prostaat epitheelcellen | Zie Gilmore en Romer (1996)32 en | * Gebruikte 425-600 μm glasparels32
|
| Emerson et al. (2014)33
| * Gebruikte 200-300 μm glaskralen33
|
Tabel 1: Kraalbelasting in verschillende cellijnen. Voor de cellijnen die in dit laboratorium nog niet zijn geladen, worden referenties en opmerkingen over variaties in het protocol verstrekt.
Aanvullende video 1: Voorbeeld van een met kralen geladen cel die celdeling ondergaat. U2OS-cellen werden geladen met 1,5 μg van het 14,4 kbp plasmide smFLAG-KDM5B-15xBoxB-24xMS2, 0,5 μg Cy3-geconjugeerde anti-FLAG Fab (groen), 130 ng HaloTag-MCP (magenta) in 8 μL kraallaadoplossing. Vlak voor de beeldvorming werd de HaloTag gekleurd met JF646-HaloLigand. De MS2-stengellussen van het mRNA getranscribeerd uit het reporter plasmide worden gelabeld door MCP (magenta spots), en FLAG-tagged vertaald reporter eiwit wordt gelabeld via anti-FLAG Fab (groene colocalisatie naar mRNA). Volwassen Fab-gelabeld eiwit lokaliseert naar de kern. Deze cel werd 4-15 uur na het laden van de kraal in beeld gebracht. Schaalbalk = 10 μm. Afkorting: MCP = MS2 coat protein. Klik hier om deze video te downloaden.