Zum Anzeigen dieser Inhalte ist ein JoVE-Abonnement erforderlich. Melden Sie sich an oder starten Sie Ihre kostenlose Testversion.
Method Article
Circadiane Uhren funktionieren innerhalb einzelner Zellen, dh sie sind zellautonome. Hier beschreiben wir Verfahren zur Erzeugung von Zell-autonome Uhrenmodelle mit nicht-invasiven, Luciferase-basierte Echtzeit-Biolumineszenz-Technologie. Reporter Zellen bereitzustellen gefügig, funktionales Modell für das Studium zirkadianen Biologie.
Bei Säugetieren sind viele Aspekte des Verhaltens und der Physiologie wie Schlaf-Wach-Zyklen und Leberstoffwechsel durch endogene circadiane Uhren (bewertet 1,2) geregelt. Die circadiane zeithaltenden System ist eine hierarchische Multi-Oszillator-Netzwerk, mit dem zentralen Takt im suprachiasmatischen Nukleus (SCN) zu synchronisieren und koordinieren extra-SCN und peripheren Uhren anderswo 1,2 liegt. Zellen sind die einzelnen Funktionseinheiten für die Erzeugung und Aufrechterhaltung der zirkadianen Rhythmen 3,4 und dieser Oszillatoren verschiedener Gewebetypen im Organismus teilen eine bemerkenswert ähnliche biochemische negativen Rückkopplungsmechanismus. Jedoch aufgrund von Wechselwirkungen an der neuronalen Netzwerk-Ebene im SCN und durch rhythmische, systemischer Cues am organismal Ebene werden Tagesrhythmus am organismal Ebene nicht notwendigerweise zellautonome 5-7. Im Vergleich zu herkömmlichen Studien der lokomotorischen Aktivität in vivo und ex vivo SCN Explantate, cell-basierte in vitro-Assays ermöglichen Entdeckung der Zell-autonome circadiane Mängeln 5,8. Strategisch sind zell-basierte Modelle mehr experimentell handhabbar zur phänotypischen Charakterisierung und schnelle Entdeckung der Grundtakt Mechanismen 5,8-13.
Da zirkadianen Rhythmen dynamisch sind, sind Längs-Messungen mit hoher zeitlicher Auflösung benötigt, um Uhrfunktion beurteilen. In den letzten Jahren hat Echtzeit Biolumineszenz Aufnahme mit Leuchtkäfer-Luciferase als Reporter zu einer gebräuchlichen Methode zur Untersuchung Tagesrhythmus in Säugetieren 14,15, wie es für die Prüfung des Persistenz und Dynamik molekularer Rhythmen ermöglicht. Um Zell-autonome circadiane Rhythmen der Genexpression überwachen, können Luciferase Reporter in Zellen durch transiente Transfektion 13,16,17 oder stabile Transduktion 5,10,18,19 eingeführt werden. Hier beschreiben wir eine stabile Transduktion Protokoll unter Verwendung Lentivirus-vermittelte Gentransfer. Ter Lentivirales Vektorsystem ist den herkömmlichen Methoden wie transiente Transfektion und Keimbahntransmission wegen ihrer Effizienz und Vielseitigkeit: er ermöglicht die effiziente Bereitstellung und stabile Integration in das Wirtsgenom von beiden Teilen und nicht teilende Zellen 20. Sobald ein Reporter-Zelllinie hergestellt ist, kann die Dynamik der Uhr-Funktion durch Biolumineszenz-Aufnahme untersucht werden. Wir beschreiben zunächst die Erzeugung von P (Per2)-d Luc Reporter Linien, und dann vorliegenden Daten aus diesem und anderen circadianen Reportern. In diesen Assays werden 3T3 Mausfibroblasten und U2OS humanen Osteosarkomzellen als zelluläre Modelle verwendet. Wir diskutieren auch verschiedene Möglichkeiten der Verwendung dieser Uhrenmodelle in zirkadianen Studien. Hier beschriebenen Methoden können zu einer Vielzahl von Zelltypen, die zellulären und molekularen Grundlagen von circadianen Uhren studieren angewendet werden, und es kann nützlich sein bei der Bewältigung von Problemen in anderen biologischen Systemen.
Ein. Bau Lentivirale Luciferase Reporter
Ein Säuger zirkadianen Reporterkonstrukt enthält üblicherweise eine Expressionskassette in dem eine circadiane Promotor mit dem Luciferase-Gen fusioniert ist. Sowohl Ligations-und Rekombinations-basierte Strategien werden üblicherweise für DNA-Klonierung verwendet. Als ein Beispiel beschreiben wir hier eine Rekombination basierende Gateway-Klonen Verfahren zur Erzeugung eines P (Per2)-d Luc-Reporter lentiviralen, in der die destabilisierte Luciferase (Luc d) unter Kontrolle des Maus Per2 Promotor.
2. Produktion von Lentivirale Partikel
Ein. Seed 293T-Zellen (Tag 1)
3. Ernte Viruspartikel (Tage 3-4)
3. Infektion von Zellen 3T3
Ein. Seed 3T3-Zellen (Tag 3)
Split und Saatgut entsprechende Anzahl (~ 12.000) von 3T3-Zellen auf einer 12-Well-Platte auf 20-30% Konfluenz am nächsten Tag erhalten. Bei 37 ° C über Nacht.
2. Infect 3T3-Zellen (Tag 4)
3. Wählen infizierten Zellen (Tag 5 und höher)
4. Biolumineszenz Aufzeichnung von Reporter Cells
Ein. Seed-Reporter-Zellen
Propagieren Blasticidin-resistente Reporter Zellen und aufgeteilt auf 35-mm-Kulturschalen. Bei 37 ° C bis zur Konfluenz. Wir in der Regel bereiten ≥ 3 Gerichte für jeden Reporter-Zelllinie unter jeder Bedingung für die circadiane Phänotypisierung.
2. Synchronisation und Änderung Aufzeichnungsträger
3. Aufzeichnung der Biolumineszenz Reporterzellen
5. Datenanalyse und Präsentation
Reporter Zellen zu erleichtern hochauflösende quantitative Lumineszenz Aufnahme von entscheidender Bedeutung für die Bestimmung phänotypischen Auswirkungen auf circadiane Uhr-Funktion. Um circadianen Parameter einschließlich Phase Periodenlänge, Rhythmus Amplitude und Dämpfungsrate zu erhalten, verwenden wir die LumiCycle Analyse-Programm (Actimetrics) zu analysieren Biolumineszenz Daten 5,14. Kurz gesagt sind Rohdaten Basislinie taillierter ersten und Baseline-subtrahierten Daten werden an eine Sinuswelle, aus denen die Parameter bestimmt werden angebracht. Für Proben, die persistent Rhythmen, die Güte der Passung von> 90% wird in der Regel erreicht zu zeigen. Aufgrund der hohen transienten Biolumineszenz nach Medium ändern, wir in der Regel auszuschließen den ersten Zyklus von Daten aus der Analyse.
Für Präsentationen, wir in der Regel zeichnen Rohdaten (Biolumineszenz, counts / sec) gegen time (Tage). Wenn nötig, kann basisliniengetrennten subtrahierten Daten aufgetragen, um Amplitude und Phase zu vergleichen.
6. Repräsentative Ergebnisse
Ein. Phase-spezifische circadiane Reporter
Die circadiane Uhr auf einer biochemischen negativen Feedback-Mechanismus 1 basiert. Der Kern besteht aus Rückkopplungsschleife Transkriptionsaktivatoren BMAL1 und CLOCK, und Repressoren PERs und CRYS, die auf den zirkadianen E / E'-Box Enhancerelemente wirken, um rhythmische Genexpression (mit Morgen Phase, z. B. Rev-erb α) zu erzeugen. Der Kern Schleife regelt und integriert mindestens zwei anderen zirkadianen cis-Elemente, die DBP/E4BP4 Bindeelements (D-Box, für Tage Phase, z. B. Per3) und dem ROR / REV-ERB Bindeelements (RRE; für Nachtphase, zB BMAL1) 17. Kombinatorische Regulierung von mehreren circadianen Elementen erzeugen können neuartige Zwischenphasen. Beispielsweise Cry1 Transkriptiontion wird von allen drei zirkadianen Elemente (dh E / E'-Box und D-Kastenelemente im Promotor und RRES im ersten Intron des Gens Cry1), was zu dem unterscheidbaren Cry1 Abend-Zeitphase 13 vermittelt.
Basierend auf diesen Mechanismen der Genregulation, erzeugten wir vier verschiedenen Reporter-Konstrukte: P (Per2)-d Luc und P (Cry1)-d Luc-Reporter, die sowohl E / E'-Box und D-Boxenelemente in der regulatorischen Region 17, 26,27; P (Cry1) - Intron-d Luc darstellt kombinatorischen Regulierung durch alle drei Elemente (dh E / E'-Box, D-Box, und RRE) 13,17; und P (BMAL1)-d Luc geregelten ausschließlich durch RRE 9,17,19,21. Wir führten diese Reportern in 3T3-Zellen, die zu erwartenden unterschiedlichen Phasen der Reporterexpression (Abbildung 2) zu erzeugen.
2. Gene knockdown mittels RNAi und pharmakologisch aktiviertve Verbindungen
Wenn Transfektionseffizienz hoch ist, können synthetische siRNA transient in Zellen transfiziert werden, um knock down Genexpression. Wenn Transfektion technisch schwierig ist, kann ein Expressionsvektor sein shRNA stabil transduzierten in Zellen über lentiviralen Infektion, so daß shRNA von der Zelle produziert wird, um siRNA zur Gen Knockdown (KD) verarbeitet. Hier findet KD Wirkungen Cry1 und Cry2 Gene mittels siRNA in U2OS Zellen (3A) und shRNA in 3T3 Zellen unter Verwendung eines Gateway-pLL3.7 Expressionsvektor 9 (Abbildung 3B). Neben 3T3-Zellen wurde die U2OS Modell zu einem weiteren Takt herausragende zellulären Modell zuletzt deswegen, weil die wesentlichen Anforderungen für das Hochdurchsatz-Screening von kommerziell erhältlichen humanen siRNA-Bibliotheken (zB menschlichen Ursprungs, geeignet zur Erzeugung robuste zirkadiane Rhythmen, validiert Funktion erfüllt alle bekannten Uhren-Gene und zugänglich hocheffiziente Transfektion undquantitative Lumineszenz-Aufnahme). In beiden Zelltypen führte RNAi-vermittelte KD in clock Phänotypen konsistent mit früheren Maus-Knockout (KO) und zellulären KD Studien 5,10,11,28. Zum Beispiel, Cry1 KD verkürzt Periodenlänge und reduziert Rhythmus Persistenz, während Cry2 KD verlängert Zeitraum. Zusätzlich können ausgewählte kleine Moleküle zu pharmakologisch Target und perturb Proteinfunktion (3C) eingesetzt werden.
Abbildung 1. Das Lentivirus-vermittelte Genliefersystem. (A) Schematische Darstellung von zwei lentiviralen P (Per2)-d Luc Reporter Vektoren und einer CMV-EGFP konstruieren. Nur der Bereich für die Integration in das Genom der Wirtszelle gezeigt ist. In beiden Reporter-Konstrukte, die Transkription von d Luc unter direkter Kontrolle des Per2 Promotor. In der pLV7-BSD-P (Per2)-d Luc Vektor (reKombination-Klonen), erleichtert ein coexprimierten Blasticidin-Resistenzgen (BSD) Auswahl der infizierten Zellen. Im pLV156-P (Per2)-d Luc-Vektors (ligation-Klonen), wird EGFP Übersetzung durch eine interne Ribosomeneintrittsstelle (IRES) stromabwärts d Luc vermittelt, so dass für eine visuelle Beobachtung und FACS-Sortierung von infizierten Zellen. Zusätzlich ist ein SV40-Promotor / Terminator (P / T) als ein Isolator (siehe Diskussion 1.3) verwendet. In der CMV-EGFP Kontrollvektor ist EGFP-Expression unter der Kontrolle eines starken CMV-Promotors. (B) Fluoreszierende Bilder der transfizierten und infizierten GFP-exprimierenden Zellen. Normalerweise erreichen wir eine hohe Effizienz sowohl im transienten Transfektion von 293T-Zellen und in lentivirale Infektion von Zelllinien unseres Interesses, wie GFP-Expression in diesen Zellen angezeigt. Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen .
Abbildung 2. Phase-spezifische Expression von Biolumineszenz Reportern in 3T3-Zellen Die lentiviralen Reportervektoren in diesem Experiment verwendet werden pLV7-BSD-P (Per2)-d Luc, P (Cry1)-d Luc, P (Cry1) -. Intron-d Luc, und P (BMAL1)-d Luc. Jedes Reporterkügelchen durch einen deutlichen Phase der Oszillation, wie durch die Pfeile angedeutet. Während die Per2 und Cry1 Promotoren Laufwerk peak Biolumineszenz am Morgen-Tag Phasen und der BMAL1 Promotors in der Nacht Phase kombinatorischen Regulierung durch die P (Cry1) - Intron beherbergen E-Box, verleiht D-Box und RRE Elementen Abend Phase peak Biolumineszenz . Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen .
Abbildung 3. Genetische und pharmakologische Störung des zirkadianen Biolumineszenz Rhythmen Reporter Zellen. (A) Auswirkungen von Cry1 und Cry2 knockdown von siRNAs auf zelluläre Rhythmen U2OS Reporter Zellen. Die LumiCycle Luminometer wurde für Biolumineszenz Aufnahme von Zellen in 35 mm-Schalen verwendet. Abbildung angepasst ist von Referenz Nr. 10, mit Genehmigung von Elsevier (2009). (B) Auswirkungen von Cry2 knockdown von shRNAs auf zelluläre Rhythmen 3T3 Reporter Zellen. A pLL3.7 Gateway-Vektor, der ein U6-shRNA-Kassette wurde für Cry2 Gen knockdown verwendet. shRNA2 hat einen besseren Wirkungsgrad als Knockdown shRNA1 wie durch Western-Blot-Analyse (Daten nicht gezeigt) bestimmt. Eine Synergie Luminometer wurde für Biolumineszenz Aufnahme von Zellen in einer 96-Well-Platte verwendet. Die Einstellungen für die Aufnahme sind wie folgt:. Inkubatortemperatur, 33 ° C; Integrationszeit, 15 sec; Intervallzeit, 30 min (C) Wirkung von Kleinmolekül-Inhibitoren auf celzellulären Rhythmen U2OS Reporter Zellen. Chir99021 und Roscovitin sind Inhibitoren gegen GSK-3 und CDK gerichtet sind. Die ViewLux System (Chir99021 Assay) und eine Tecan Luminometer (Roscovitine Assay) wurden für Biolumineszenz-Aufnahmen von Zellen in 384-Well-Platten verwendet. Abbildung von Referenz # 19 (Copyright 2008 National Academy of Sciences, USA) angepasst. Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen .
Ein. Änderungen Aktuelle Protocol
1,1 Aufnahmegeräte und Durchsatz Überlegungen
Wegen seiner kommerziellen Verfügbarkeit hat die LumiCycle (Actimetrics) werden die am häufigsten verwendeten automatisierten Luminometer Vorrichtung zur Echtzeit-Aufzeichnung 4,5,9,19,29-31. Die LumiCycle beschäftigt Photomultiplier (PMT) als Licht-Detektoren, die extrem hohe Empfindlichkeit und geringe Geräuschentwicklung 14 bereitzustellen, und deshalb ist b...
Keine Interessenskonflikte erklärt.
Diese Arbeit wurde zum Teil von der National Science Foundation (IOS-0.920.417) (ACL) unterstützt.
Namen Reagenz | Firma | Katalog-Nummer | Kommentare |
DMEM | HyClone | SH30243FS | Für regelmäßige Zellwachstum |
DMEM | Invitrogen | 12100-046 | Für Luminometrie |
FBS | HyClone | SH3091003 | |
Pen / Strep / Gln (100x) | HyClone | SV3008201 | |
B-27 | Invitrogen | 17504-044 | |
D-Luciferin | Biosynth | L-8220 | |
Poly-L-Lysin | Sigma | P4707 | |
Polybrene | Millipore | TR-1003-G | |
Forskolin | Sigma | F6886 | |
Alle anderen Chemikalien | Sigma | ||
Ausrüstung | |||
Gewebekultur-Inkubator | 5% CO2 bei 37 ° C | ||
Gewebekultur Haube | BSL-2 zertifiziert | ||
Light & Fluoreszenzmikroskop | Phasenkontrast optional | ||
LumiCycle | Actimetrics |
Genehmigung beantragen, um den Text oder die Abbildungen dieses JoVE-Artikels zu verwenden
Genehmigung beantragenThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. Alle Rechte vorbehalten