여러 형광에 의한 간 염색체 안정 수차의 검출<em&gt; 현장에서</em&gt; 하이브리드 (mFISH) 및 방사선 조사 마우스의 스펙트럼 핵형 분석 (SKY)

요약

The present protocol describes the usefulness of multiple fluorescence in situ hybridization (mFISH) and spectral karyotyping (SKY) in identifying inter-chromosomal stable aberrations in the bone marrow cells of mice after exposure to total body irradiation.

초록

Ionizing radiation (IR) induces numerous stable and unstable chromosomal aberrations. Unstable aberrations, where chromosome morphology is substantially compromised, can easily be identified by conventional chromosome staining techniques. However, detection of stable aberrations, which involve exchange or translocation of genetic materials without considerable modification in the chromosome morphology, requires sophisticated chromosome painting techniques that rely on in situ hybridization of fluorescently labeled DNA probes, a chromosome painting technique popularly known as fluorescence in situ hybridization (FISH). FISH probes can be specific for whole chromosome/s or precise sub-region on chromosome/s. The method not only allows visualization of stable aberrations, but it can also allow detection of the chromosome/s or specific DNA sequence/s involved in a particular aberration formation. A variety of chromosome painting techniques are available in cytogenetics; here two highly sensitive methods, multiple fluorescence in situ hybridization (mFISH) and spectral karyotyping (SKY), are discussed to identify inter-chromosomal stable aberrations that form in the bone marrow cells of mice after exposure to total body irradiation. Although both techniques rely on fluorescent labeled DNA probes, the method of detection and the process of image acquisition of the fluorescent signals are different. These two techniques have been used in various research areas, such as radiation biology, cancer cytogenetics, retrospective radiation biodosimetry, clinical cytogenetics, evolutionary cytogenetics, and comparative cytogenetics.

서문

The two most reliable methods of identifying radiation-induced inter-chromosomal stable aberrations are multiple fluorescence in situ hybridization (mFISH), which allows the painting of two or more chromosomes simultaneously, and spectral karyotyping (SKY), which imparts a distinct color to each homologous chromosome pair in the genome. Unlike unstable aberrations, stable aberrations are persistent in nature and may be propagated for several generations in irradiated populations¹, and are regarded as critical molecular "signatures" of radiation-induced cytogenetic lesions². Studies by various groups have shown that stable aberrations are associated with the pathogenesis and development of a number of diseases, including cancer³. Before the era of chromosome painting (also referred as molecular cytogenetics), the conventional G-banding technique was the only method for detecting stable chromosomal aberrations. However, chromosome banding is a challenge to cytogeneticists because the resolution is limited, reproducibility is uncertain, it is a labor-intensive procedure, and it requires highly skilled and experienced cytogeneticists for reliable data interpretation⁴. Moreover, the classic banding technique does not allow detection of complex chromosomal rearrangements, which involve the interaction of three or more breaks distributed among two or more chromosomes, a common outcome of radiation damage. Complex aberrations may persist in individuals many years after radiation exposure, making them useful for retrospective biodosimetry⁵. Therefore, an alternate approach was required to overcome the limitations of conventional banding techniques to detect stable chromosomal rearrangements.

In the late 1960s, the pioneering work of Gall and Pardue (1969) on molecular hybridization using nucleic acid probes labeled with radioactive material commenced a new era in the field of cytogenetics, which allowed detection of a specific DNA sequence on chromosomes⁶. However, the use of radioactive probes for molecular hybridization had several drawbacks: radioactive probes are relatively unstable, probe activity depends on radioactive decay of the isotope used, hybridization takes a longer time, the resolution is limited, the probes are relatively costly, and the radioactive materials are a health hazardous. Thus, it became necessary to develop and design non-radioactive probes. The introduction of fluorescent tagged nucleic acid probes in the 1980s and 1990s overcame the limitations of radioactive probes and greatly enhanced the safety, sensitivity, and specificity of the hybridization technique^7-10. Fluorescent probes give rise to extremely bright signals when observed under fluorescence microscopes equipped with the appropriate excitation and emission filters. Any loss, gain, or rearrangement of fluorescent labeled chromosome/s or a part of the chromosome is easily identifiable with this FISH technique.

Analysis of chromosomal aberrations by FISH painting has led to marked progress in cytogenetic research over the years. Designing fluorescent labeled probes for specific applications ranging from locus-specific probes to whole-chromosome painting probes has advanced the field significantly; this has also facilitated the detection of submicroscopic ("cryptic") rearrangement, which was not possible by conventional chromosome banding. Chromosome painting by mFISH and SKY have proven to be valuable tools for the identification of simple and complex inter-chromosomal rearrangements. The basic principles for both techniques are similar, but the method of detection and discrimination of fluorescent signal after in situ hybridization and the process of image acquisition are different. In mFISH, separate images of each of the four fluorochromes are captured by using narrow bandpass microscope filters; dedicated software is then used to combine the images. While in SKY, image acquirement is based on a combination of epifluorescence microscopy, charge-coupled device imaging, and Fourier spectroscopy, which allows the measurement of the entire emission spectrum with a single exposure at all image points. In both mFISH and SKY, monochrome images are captured independently, then merged, and finally, unique pseudo-colors are assigned to the chromosomes in monochromatic images based on the specific dye attached to each fluorochrome probe.

The contribution of mFISH and SKY analysis in the radiation biology field is remarkable, particularly for retrospective dose estimation of human exposure to IR (radiation biodosimetry)^11-14, radiation carcinogenesis risk assessment¹⁵, as well as detection and risk estimation of radiotherapy-related secondary cancer¹⁶. A recent study on mice has shown that a FISH-based chromosome painting technique is also an important tool for evaluating the efficacy of radiation countermeasure¹⁷. In the present study, the effect of total body radiation exposure on the induction of stable chromosomal aberrations in the bone marrow cells of mice has been demonstrated using mFISH and SKY techniques.

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프로토콜

모든 동물 연구는 국립 보건원 (National Institutes of Health)의 실험 동물의 관리 및 사용에 대한 가이드의 권장 사항을 엄격히 준수하여 수행 하였다. 동물 프로토콜은 의료 과학에 대한 아칸소 대학의 기관 동물 관리 및 사용위원회에 의해 승인되었다. 신선한 공기와 표준 설치류 음식과 물을 무료로 이용할 수의 15 시간당 사이클 - 모든 동물은 10 20 ± 2 ℃에서 표준 에어컨 동물 시설에서 보관 하였다. 도착 후, 마우스 1 주일 동안 격리에서 개최하고 인증 설치류 식사를 제공했다.

1.Radiation 노출 및 중기 세포의 생체 체포에

1. 노출 조사 챔버에서 2 Gy의 전신 방사선에 마우스를 해제는-마취. 조사 기간 동안, 통풍이 잘 유지 챔버의 장소 마우스는 자유롭게 이동하고 균일 한 용량을받지 못한 확인합니다.
2. 0.05 % 콜히친 용액 100 μL를 주입 (c칼슘 및 마그네슘없는 PBS에 용해 olchicine 분말) 복강 내 1 ㎖의 일회용 주사기에 부착 된 25 G 바늘을 사용. 어떤 기관에 직접 분사하지 마십시오.
3. 골수 세포 수확하기 전에 2 시간 동안 케이지에 동물을 둡니다. 통증이나 고통의 흔적에 대한 동물을 관찰한다.

2. 골수 세포 수확 및 밀도 구배 원심 분리하여 골수 단핵 세포의 분리

1. CO ₂ 질식하여 마우스를 안락사.
2. 지느러미와 복부 측면에 70 % 에탄올 스프레이.
3. 날카로운 가위로 복부 피부에 2cm의 절개를합니다. 무딘 핀셋 절개의 양쪽 피부를 잡고 조심스럽게 복부 근육을 잡아 당깁니다.
4. 가위로 양쪽 뒷다리를 잘라 즉시 4 % FBS 사전 냉장 PBS에 배치합니다.
5. 조심스럽게 날카로운 면도칼과면 거즈 붕대로 뒷다리에 연결된 모든 근육을 청소합니다.
6. 대퇴골의 경골을 분리합니다. 면도칼 각 뼈의 양쪽 끝을 낸다.
7. 3 mL의 주사기에 부착 된 23 G 바늘을 사용하여 (4 % FBS)와 3 mL의 PBS와 함께 골수의 컨텐츠를 플러싱하고, 15 mL의 원심 분리 튜브 내의 컨텐츠를 수집한다. 단일 세포 현탁액을 만들기 위해 바늘을 통해 세포 현탁액을 10 배 이상을 합격.
8. 조심스럽게 세포 현탁액 및 림프구 분리 매질 간의 인터페이스를 방해하지 않고 림프구 분리 매질 (3 mL)을 동일 부피의 세포 현탁액을 오버레이. 실온에서 30 분 동안 400 × g으로 원심 분리기.
9. 새로운 15 mL의 원심 분리 튜브 내의 다른 계층과 전송을 방해하지 않고 조심스럽게 버피 코트를 수집한다.

중기 세포 스프레드 3. 준비

1. 버피 코트를 포함하는 튜브에 10 mL의 PBS를 추가합니다.
2. 실온에서 5 분 동안 400 × g으로 원심 분리기.
3. 조심스럽게 뜨는을 제거합니다. 그런 t을 휴식그는 부드러운 도청과 펠렛 셀, ​​10 mL의 PBS를 추가합니다.
4. 실온에서 5 분 동안 400 × g으로 원심 분리기.
5. , 세포 펠렛을 방해하지 않고 뜨는을 제거 펠렛을 중단하고 미리 예열 저장성 0.075 M 염화칼륨 용액 4 mL를 넣고. 부드러운 일정한 흔들림과 강하에 의한 저장성 용액 방울을 추가합니다.
6. 수욕에서 37 ℃에서 20 분 동안 세포를 인큐베이션.
7. (: 빙초산 3 : 메탄올 1 v / v)의 저장성 처리 후, 고정액 동량 (4 ml)에 추가 15ml의 튜브와 상기 튜브를 반전시켜 부드럽게 혼합한다.
8. 실온에서 5 분 동안 400 × g으로 원심 분리하고 상층 액을 제거한다.
9. 몇 초 동안 부드러운 소용돌이 다음 탭핑과 세포 펠렛을 휴식과 일정한 흔들림와 드롭으로 정착 솔루션 드롭 3 mL를 넣고.
10. 실온에서 30 분 동안 배양 한 다음 5 분 동안 400 × g으로 원심 분리기.
11. , 상층 액을 제거 신사와 세포 펠렛을 휴식제작 : 도청, 3 mL의 신선한 정착액을 추가합니다.
12. 실온에서 5 분 동안 400 × g으로 원심 분리하고 상층 액을 제거한다. 부드러운 도청과 세포 펠렛을 휴식, 신선한 3 ML의 정착액을 추가합니다.
13. 단계를 반복 3.12 배 더.
14. 실온에서 5 분 동안 400 × g으로 원심 분리하고 세포 펠렛을 교란시키지 않고 상층 액을 제거한다. 그 후 600 μL의 정착에 400를 추가하고 피펫으로 잘 혼합한다.
15. 45 ° 각도로 기울어 미리 청소하고 젖은 슬라이드에 30 μL에게 고정 된 세포를 삭제하고 완전히 밤새 공기 건조에 슬라이드를 할 수 있습니다.

mFISH 4. 마우스 염색체 페인팅

1. 염색체 변성
   1. 실온에서 2 분 동안 2 × SSC에서 중기 세포의 퍼짐을 포함하는 슬라이드를 놓는다.
   2. 70 %에서 2 분 각각 80 %, 100 %를 직렬 에탄올 세척하여 슬라이드를 탈수. 65 ° C에서 60 분 동안 품어.
   3. 데우고 40 ㎖의 변성 용액 (70 % 포름 아미드 / 2 × SS기음; 30 분 동안 유리 코 플린 항아리에 70 ° C (± 2 ° C)로 pH를 7.0). 1.5 분 - 1 예열 변성 용액 슬라이드를 배양하여 염색체 변성.
   4. 2 분 변성 과정을 중단뿐만 아니라, 재 어닐링에서 염색체 변성을 방지하기위한 빙냉 70 % 에탄올 중에 슬라이드를 즉시 급냉. 그 다음 2 분 동안 80 % 에탄올로 세척하여 탈수. 2 분 동안 100 %의 에탄올과 에탄올 세척을 반복합니다. 완전히 실온에서 슬라이드를 건조.
2. 변성 및 프로브 혼합물의 하이브리드
   1. 간단히 제조자에 의해 공급되는 프로브 혼합물을 원심 분리하여, 7 분 동안 수욕에서 80 ℃ (± 2 ℃)에서 배양 캡 원심 분리 튜브 스냅 500 μL로 프로브 액 10 μL를 전송하고, 변성.
   2. 10 분 동안 37 ℃에서 수욕 프로브 혼합물 원심 튜브를 놓는다.
   3. 변성 chromoso와 슬라이드에 변성 프로브 혼합물을 적용MES.
   4. 조심스럽게 18mm X 18mm 유리 커버 슬립으로 영역을 커버하고 매우 부드럽게 밀어 커버 슬립을 눌러 눈에 보이는 기포를 제거한다. 고무 시멘트와 커버 슬립의 네면을 밀봉 및 하이브리드에 대한 가습 챔버에서 37 ° C에서 어둠 속에서 16 시간에 12 시간 동안 배양.
3. 포스트 하이브리드 세척 및 검출
   1. 조심스럽게 고무 시멘트와 커버 슬립을 제거합니다.
   2. 5 분 동안 74 ° C (± 2 ° C)에서 미리 예열 0.4 배의 SSC의 장소 슬라이드.
   3. 2 분 동안 세척 용액 II (4 배 SSC / 0.1 % 트윈 20)에서 세척 슬라이드.
   4. DAPI의 Counterstain과 (1.5 μg의 / mL)로 안티 - 페이드 장착 매체의 20 μL를 놓고 유리 커버 슬립으로 다룹니다. 부드럽게 실험실 조직과 coverslip에 눌러 공기 거품과 초과 장착 솔루션을 제거합니다. 매니큐어로 커버 슬립의 가장자리를 밀봉합니다.
   5. 적절한 필터가 장착 된 형광 현미경을 사용하여 볼 슬라이드.

5. 스펙트럼 핵형 마우스 염색체의 (SKY)

1. 염색체와 프로브 변성
   1. 흔들림없이, 2 분 동안 실온에서 2 × SSC에서 슬라이드 평형.
   2. 실온에서 2 분마다 에탄올 시리즈 슬라이드 (70 %, 80 %, 100 % 에탄올)을 탈수. 완전히 에탄올을 제거 할 수있는 슬라이드를 공기 - 건조.
   3. 따뜻한 40 ML의 변성 용액 (70 % 포름 아미드 / 2 × SSC, 산도 7.0) 30 분 동안 유리 코 플린 항아리입니다.
   4. 1 ~ 1.5 분 동안 예열 변성 솔루션에 슬라이드를 품어.
   5. 2 분 변성 과정을 중단뿐만 아니라, 재 어닐링에서 염색체 변성을 방지하기 위해 즉시 빙냉 70 % 에탄올로 슬라이드 젖어.
   6. 실온에서 2 분 동안 100 % 에탄올로 2 분 후, 80 % 에탄올로 배치 의해 슬라이드 탈수.
   7. 80 ° C (± 2 ° C)로 설정 수욕에서 SKY 프로브 (제조사에서 제공 한 유리 병 # 1) 변성7 분 후 즉시 10 분간 37 ° C로 설정 다른 수조에 놓는다.
2. 프로브 하이브리드
   1. 변성 염색체에 변성 SKY 프로브의 10 μL를 추가합니다.
   2. 기포가 커버 슬립 아래에 갇혀되지 않도록 조심스럽게 SKY 프로브 상에 18mm X 18mm 유리 coverslip에 배치합니다.
   3. 고무 시멘트와 커버 슬립의 가장자리를 밀봉합니다.
   4. 가습 차광판 챔버에 슬라이드를 넣고 36 시간 ~ 24 시간 동안 37 ℃에서 어둠 속에서 배양한다.
3. 포스트 하이브리드 세척 및 형광 검출
   1. 커버 슬립을 방해하지 않고 매우 신중 고무 시멘트를 제거합니다.
   2. 일정한 흔들림 5 분 동안 72 ° C (± 2 ° C)에서 미리 예열 빠른 세척 용액 (0.4 배의 SSC)에 슬라이드를 놓습니다. 세척 용액 III (4 배 SSC / 0.1 % 트윈 20)에 슬라이드를 담그고 흔들어 섞으면 서 1 분 동안 품어.
   3. 옵션 : 차단 시약 80 μL를 추가하이브리드의 영역 상 (제조사에서 제공 한 유리 병 # 2)와, 24mm X 60mm 플라스틱 커버 슬립을 배치하고, 가습 실에서 30 분 동안 37 ° C에서 어둠 속에 품어.
   4. 조심스럽게 플라스틱 커버 슬립을 제거하고 5 분간 예열 (45 ° C) 세척 용액 III와 슬라이드를 씻는다.
   5. 80 μL Cy5에 염색 시약 (제조사에서 제공 한 유리 병 # 3)를 적용하는 24mm X 60mm 플라스틱 커버 슬립을 배치하고, 가습 실에서 40 분 동안 어둠 속에서 37 ° C에서 품어.
   6. 함유하는 유리 코 플린 항아리에 슬라이드를 담근 예열 (45 ºC) 세정액 III (4X SSC / 0.1 % 트윈 20)와 진탕하면서 2 분 동안 수욕에서 45 ℃에서 배양한다. 이 세척 단계를 3 번 ​​반복합니다.
   7. 80 μL Cy5.5의 염색 시약 (제조사에서 제공 한 유리 병 # 4)를 적용하는 24mm X 60mm 플라스틱 커버 슬립을 배치하고, 가습 실에서 40 분 동안 어둠 속에서 37 ° C에서 품어.
   8. (미리 예열과 슬라이드 3 회 반복한다45 ºC) 세정액 III.
   9. 초과 액체를 배출하기 위해 종이 타월에 대하여 기울어 진 위치에 슬라이드를 잡습니다. 20 μL 안티 페이드 DAPI 시약 (제조업체에서 제공 유리 병 # 5)를 추가하고 조심스럽게 기포를 도입하지 않고 24mm X 60mm 유리 coverslip에 배치합니다. 매니큐어로 커버 슬립의 가장자리를 밀봉 SKY 이미지를 캡처 장착 된 표면 형광 현미경으로 관찰한다.

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결과

전신 방사선 조사 된 마우스의 골수 세포에서 다수의 염색체 수차를 유도한다. 현재 프로토콜은 방사선 조사 후 골수 세포의 생체 유사 분열 정지를 위해 최적화되고, 밀도 구배 원심 분리, 중기 세포 퍼짐의 제조 및 후속 의해 조사 생쥐 골수 단핵 세포의 분리의 뒷다리 골수 세포의 수확 mFISH과 SKY 기술에 의해 방사선 유발 안정적인 염색체 이상 검출. 염색체 이들 ...

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토론

몇 가지 중요한 단계는 mFISH과 SKY의 성공을 결정합니다. 첫번째 가장 중요한 단계는 골수 단핵 세포의 생체 유사 분열 정지를위한 콜히친 처리를 최적화한다. 콜히친 농도와 처리 시간을 개별적으로 또는 콘서트에 효과적인 염색체 그림의 유사 분열 지수뿐만 아니라 염색체 응축 - 두 가지 중요한 전제 조건을 결정한다. 높은 콜히친 농도 이상 처리 시간은 적절한 변성과 하이브리드에 대한...

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자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
Formamide	Sigma-Aldrich	221198-100ML
SSC Buffer 20× Concentrate	Sigma-Aldrich	S6639-1L
SKY Laboratory Reagent for Mouse	Applied Spectral Imaging	FPRPR0030/M40
CAD - Concentrated Antibody Detection Kit	Applied Spectral Imaging	FPRPR0033
Single Paints Customized - 3 Colors; Mouse chromosome 1: Red, Mouse chromosome 2: Green, Mouse chromosome 3: Aqua	Applied Spectral Imaging	FPRPR0182/10
Glass coverslips	Fisher Scientific	12-545B
Tween 20	Fisher Scientific	BP337-100
Hydrochloric acid, 37%, Acros Organics	Fisher Scientific	AC45055-0025
Fisherbrand Glass Staining Dishes  with Screw Cap	Fisher Scientific	08-816
KaryoMAX Potassium Chloride Solution	Life Technologies	10575-090
Fisherbrand Superfrost Plus Microscope Slides	Fisher Scientific	12-550-15
Colcemid powder	Fisher Scientific	50-464-757
Histopaque-1083	Sigma-Aldrich	10831
Shepherd Mark I, model 25 137Cs irradiator	J. L. Shepherd & Associates	Model 484B
Syringe 1 mL	BD Biosciences	647911
Ethyl Alcohol, 200 Proof	Fisher Scientific	MEX02761
PBS, (1x PBS Liq.), w/o Calcium and Magnesium	Fisher Scientific	ICN1860454
Fetal Bovine Serum	Fisher Scientific	10-437-010
Methanol	Fisher Scientific	A454SK-4
Glacial acetic acid	Fisher Scientific	AC295320010
Zeiss Microscope	Zeiss	AXIO Imager.Z2