Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.
Method Article
Bu protokol, üç boyutlu bir hücre kültürü sisteminin, kromatin modifikasyonlarını fizyolojik bir durumda modellemek, tedavi etmek ve analiz etmek için nasıl kullanılabileceğini özetlemektedir.
Memeli hücrelerinin düz kültürleri, hücre fizyolojisini anlamak için yaygın olarak kullanılan in vitro bir yaklaşımdır, ancak bu sistem doğal olmayan hızlı hücre replikasyonu nedeniyle katı dokuların modellenmesinde sınırlıdır. Bu, olgun kromatini modellerken özellikle zordur, çünkü hızlı çoğalan hücreler sıklıkla DNA replikasyonuna katılır ve heterojen bir poliploid popülasyona sahiptir. Aşağıda, üç boyutlu (3B) bir hücre kültürü sistemi kullanarak sessiz kromatin modifikasyonlarının modellenmesi, işlenmesi ve analiz edilmesi için bir iş akışı sunulmaktadır. Bu protokolü kullanarak, hepatosellüler karsinom hücre hatları, aktif besin difüzyonu ve düşük kesme kuvvetleri sağlayan bir inkübatörde tekrarlanabilir 3D sferoidler olarak yetiştirilir. Sodyum bütirat ve sodyum süksinat ile tedavi, sırasıyla histon asetilasyon ve süksinilasyonda bir artışa neden oldu. Histon asetilasyon ve süksinilasyon seviyelerindeki artışlar daha açık kromatin durumu ile ilişkilidir. Sferoidler daha sonra hücre çekirdeklerinin izolasyonu için toplanır ve histon proteinleri translasyonel modifikasyonlarının analizi için ekstrakte edilir. Histon analizi, tandem kütle spektrometrisi ile çevrimiçi olarak birleştirilmiş sıvı kromatografisi ve ardından şirket içi hesaplamalı bir boru hattı ile gerçekleştirilir. Son olarak, kombinatoryal histon işaretlerinin sıklığını ve oluşumunu araştırmak için veri gösterimi örnekleri gösterilmiştir.
19. yüzyılın sonlarından bu yana, hücre kültürü sistemleri, insan vücudunun dışındaki hücrelerin büyümesini ve gelişmesini incelemek için bir model olarak kullanılmıştır 1,2. Kullanımları, dokuların ve organların hem sağlıklı hem de hastalıklı bağlamlarda nasıl çalıştığını incelemek için genişletilmiştir 1,3. Süspansiyon hücreleri (örneğin, kan hücreleri) Petri kaplarında veya şişelerinde sorunsuz ve birbirinin yerine büyür, çünkü in vivo üç boyutlu (3B) yapılarda bir araya gelmezler. Katı organlardan türetilen hücreler iki boyutlu (2B) veya 3B kültür sistemlerinde büyüyebilir. 2D kültürde, hücreler düz bir yüzeye yapışan tek katmanlı bir tabakada yetiştirilir 2,4. 2D hücre kültürü sistemleri, üstel büyüme ve hızlı bir iki katına çıkma süresi, tipik olarak 24 saat ila birkaç gün5 ile karakterize edilir. 3B sistemlerdeki hücreler, doku benzeri konglomeraları daha yakından modelleyen karmaşık hücre-hücre etkileşimleri oluşturmak için büyürler ve iki katına çıkma sürelerinin 1 aya veya daha uzun bir süreye ulaşabileceği dinamik bir dengeye ulaşma yetenekleri ile karakterize edilirler5.
Bu yazıda, azaltılmış yerçekimini simüle eden dönen hücre kültürü sistemlerinde 3D sferoidleri büyütmek için yenilikçi bir metodolojisunulmaktadır 6. Bu, NASA tarafından 1990'lardatanıtılan bir hücre kültürü sisteminin basitleştirilmiş bir türevidir 7. Bu yaklaşım, eğirme şişeleri gibi mevcut yöntemlerde ortaya çıkan kesme kuvvetlerini en aza indirir ve küresel tekrarlanabilirliğiarttırır 6. Ek olarak, dönen biyoreaktör aktif besin difüzyonunu artırarak medya değişiminin pratik olmadığı asılı damla hücre kültürü gibi sistemlerde meydana gelen nekrotik oluşumu en aza indirir6. Bu şekilde, hücreler çoğunlukla bozulmadan büyür ve dokuda büyüyen hücrelerle ilişkili yapısal ve fizyolojik özelliklerin oluşmasına izin verir. Bu şekilde kültürlenen C3A hepatositleri (HepG2 / C3A) sadece ultrastrüktürel organellere sahip olmakla kalmadı, aynı zamanda in vivo1,2 olarak gözlemlenen seviyelerle karşılaştırılabilir miktarda ATP, adenilat kinaz, üre ve kolesterol üretti. Ek olarak, 2D ve .3D hücre kültürü sistemlerinde yetiştirilen hücreler farklı gen ekspresyon kalıpları sergiler8. 3D sferoidler olarak yetiştirilen C3A hepatositlerinin gen ekspresyon analizi, bu hücrelerin çok çeşitli karaciğere özgü proteinleri ve karaciğer fonksiyonunu düzenleyen anahtar yollarda yer alan genleri ifade ettiğini göstermiştir8. Önceki yayınlar, 2D kültürde üstel olarak büyüyen hücrelerin proteomları ile 3D sferoid kültürlerde dinamik dengedeki hücreler arasındaki farkları göstermiştir5. Bu farklılıklar, hücre5'in yapısını, işlevini ve fizyolojisini etkileyen hücresel metabolizmayı içerir. 2D kültürde yetiştirilen hücrelerin proteomu hücre replikasyonunda yer alan proteinlerde daha zenginleştirilirken, 3D sferoidlerin proteomu karaciğer işlevselliğinde daha zenginleştirilmiştir5.
3D sferoidler olarak yetiştirilen hücrelerin daha yavaş replikasyon hızı, kromatin durumu ve modifikasyonları (örneğin histon kırpma9) ile ilişkili spesifik fenomenleri daha doğru bir şekilde modeller. Histon kırpma, histon N-terminal kuyruğunun bir kısmının proteolitik bölünmesine neden olan geri dönüşümsüz bir histon post-translasyonel modifikasyondur (PTM). Biyolojik işlevi hala tartışılırken10,11,12,13, birincil hücrelerdeki ve karaciğer dokusundaki varlığının, sferoidler olarak yetiştirilen HepG2 / C3A hücreleri tarafından modellendiği, ancak düz hücreler olarak modellenmediği açıktır9. Bu kritiktir, çünkü kromatin durumu ve modifikasyonları çoğunlukla genlere erişilebilirliği ve dolayısıyla ekspresyonlarını modüle ederek DNA okumasını düzenler14. Histon PTM'leri ya histonların monte edildiği nükleozomların net yükünü etkileyerek ya da dolaylı olarak kromatin yazarlarını, okuyucularını ve silgilerini işe alarak kromatin durumunu doğrudan etkiler14. Bugüne kadar yüzlerce histon PTM15 tanımlanmıştır ve kromatinin hücre tarafından DNA16'yı yorumlamak için kullanılan bir "histon kodu" barındırdığı hipotezini güçlendirmiştir. Bununla birlikte, sayısız PTM kombinasyonunun tanımlanması15 ve histon PTM'lerin kombinasyonlarının sıklıkla izolasyonda bulunan PTM'lerden farklı biyolojik işlevlere sahip olduğunun keşfi (örneğin Fischle, et al.17), "histon kodunun" şifresini çözmek için daha fazla çalışmanın gerekli olduğunu vurgulamaktadır.
Şu anda, histon PTM analizi, antikorları (örneğin, batı lekeleri, immünofloresan veya kromatin immünopresipitasyonunu takiben dizileme [ChIP-seq]) veya kütle spektrometrisi (MS) kullanan tekniklere dayanmaktadır. Antikor bazlı teknikler yüksek duyarlılığa sahiptir ve histon izlerinin genom çapında lokalizasyonu hakkında ayrıntılı bilgi sağlayabilir, ancak kombinasyonlarda bulunan nadir PTM'lerin veya PTM'lerin incelenmesinde sıklıkla sınırlıdır18,19,20. MS, tek ve birlikte var olan protein modifikasyonlarının, özellikle histon proteinlerinin 18,19,20 yüksek verimli ve tarafsız tanımlanması ve nicelleştirilmesi için daha uygundur. Bu nedenlerden dolayı, bu ve diğer birkaç laboratuvar, MS boru hattını histon peptitlerinin (aşağıdan yukarıya MS), bozulmamış histon kuyruklarının (orta-aşağı MS) ve tam uzunlukta histon proteinlerinin (yukarıdan aşağıya MS) analizi için optimize etmiştir 21,22,23.
Aşağıda, HepG2 / C3A sferoidlerini büyütmek ve bunları nano-sıvı kromatografisi yoluyla histon peptid analizine (aşağıdan yukarıya MS) hazırlamak için bir iş akışı, çevrimiçi olarak tandem kütle spektrometresi (NLC-MS / MS) ile birleştirilmiştir. Bir 2D hücre kültürü yetiştirildi ve hücreler toplandı ve sferoidler oluşturmaya başlayacakları bir biyoreaktöre aktarıldı (Şekil 1). Kültürde 18 gün sonra, sferoidler, histon asetilasyon ve süksinilasyonun göreceli bolluğunu arttırmak için sodyum bütirat veya sodyum süksinat ile muamele edildi. Özellikle, 3D kültürler, düz kültür eşdeğerlerinin yanı sıra genotoksik bileşiklerle de tedavi edilebilir; Aslında, son yayınlar, 3D kültürdeki hücrelerin toksikoloji yanıtının, birincil dokulara 2D düz kültür24,25'tekilerden daha benzer olduğunu vurgulamaktadır. Hücreler daha sonra belirtilen zaman noktalarında toplandı ve nükleer izolasyon yapıldı. Daha sonra, ilk olarak Garcia ve ark.26 tarafından geliştirilen bir protokole göre, tripsin sindiriminden önce ve sonra propiyonik anhidrit ile histonlar çıkarıldı ve türetildi. Bu prosedür, ters faz kromatografisi (C18) ile çevrimiçi ayırma ve MS ile tespit için uygun boyutta peptitler üretir. Son olarak, histon peptitleri tanımlandı ve ölçüldü ve üretilen veriler daha eksiksiz bir biyolojik yorumlama için çeşitli şekillerde temsil edildi.
1. Tamponların ve reaktiflerin hazırlanması
2. 3D kültür sisteminin hazırlanması
NOT: Birincil veya ölümsüzleştirilmiş farklı hücreler farklı kültür özelliklerine sahiptir, bu nedenle sferoidlerin oluşumu hücre tipleri arasında farklılık gösterebilir. Bu protokol, biyoreaktörler ve yenilikçi bir 3D hücre kültürü sistemi kullanılarak HepG2 / C3A sferoid oluşumu için kurulmuştur.
3. Biyoreaktörlerde sferoidlerin büyümesi
NOT: Sferoidlerin yapısını korumak için, 3D yapıların işlenmesinde geniş delik uçları kullanılır.
4. Küresel tedavi ve toplama
NOT: Bu protokolde, HepG2 / C3A sferoidleri, sırasıyla asetilasyon ve süksinilasyon içeren histon işaretlerinin seviyelerini değerlendirmek için sodyum bütirat (NaBut) ve sodyum süksinat (NaSuc) ile muamele edilir.
5. Histon ekstraksiyonu
NOT: Histüllerde bulunan birçok bazik amino asit kalıntısı, fosforik asit omurgasına sahip DNA ile yakından etkileşime girmelerini sağlar. Histonlar çekirdekteki en temel proteinlerden bazıları olduğundan, buz gibi sülfürik asit (0.2 MH2S04) ile ekstrakte edildiklerinde minimum kirlenme olur. Histon olmayan proteinler güçlü asit içinde çökelecektir. % 33'lük bir nihai konsantrasyona seyreltilmiş yüksek konsantrasyonlu trikloroasetik asit (TCA), daha sonra sülfürik asitten histonları çökeltmek için kullanılır. Tüm histon ekstraksiyonu için tüm numuneleri, tüpleri ve reaktifleri buz üzerinde tutun.
6. Türevlendirmenin ilk turu
NOT: Histon proteinlerini sindirmek için tripsin kullanımı, geleneksel proteomik kurulumlar kullanılarak tanımlanması zor olan aşırı küçük peptitlere yol açar. Bu nedenle, propiyonik anhidrit, modifiye edilmemiş ve monometil lizin kalıntılarının ɛ-amino gruplarını kimyasal olarak türetmek için kullanılır. Bu, tripsin proteolizini C-terminal arginin kalıntıları ile sınırlar. 96 delikli plakalardaki numuneler için, reaktif toplama için çok kanallı pipetlerin ve rezervuarların kullanılması önerilir (Şekil 2A). Derivatizasyon, peptidlerin serbest N-terminini etiketlemek için sindirimden sonra peptid hidrofobikliğini ve dolayısıyla ters faz kromatografik retansiyonunu arttırmak için de gerçekleştirilir.
7. Histon sindirimi
NOT: Histonlar, arginin ve lizin kalıntılarının karboksil tarafında kesen tripsin kullanılarak peptitlere sindirilir. Bununla birlikte, propiyonilasyon lizin kalıntılarını değiştirdiğinden, sadece arginin kalıntıları parçalanır (Şekil 2B).
8. Peptit N-terminin türevleştirilmesi
NOT: Histon peptidlerin N-terminüslerinde propiyonilasyonu, propiyonil grubu peptid hidrofobikliğini arttırdığından, ters fazlı sıvı kromatografisi (örneğin, histon H3'ün 3-8 amino asitleri) ile en kısa peptitlerin tutulmasını arttırır.
9. Tuzdan arındırma ve numune temizleme
NOT: Numunede bulunan tuzlar kütle spektrometresi analizine müdahale eder. Tuzlar ayrıca elektrosprey sırasında iyonize edilir ve peptitlerden gelen sinyalleri bastırabilir. Tuzlar, peptidler üzerinde iyonik addüktler oluşturabilir, bu da addüklenen peptidin farklı bir kütleye sahip olmasına neden olur. Bu, peptidin sinyal yoğunluğunu azaltır ve uygun tanımlama ve nicelleştirmeyi önler. Tuzdan arındırma kurulumu Şekil 2C'de gösterilmiştir.
10. Kütle spektrometresi ile birleştirilmiş sıvı kromatografisi ile histon peptid analizi
11. Veri analizi
Bu protokolde, HepG2 / C3A sferoidleri, her ikisi de histon PTM'lerin küresel seviyelerini etkileyen 20 mM NaBut ve 10 mM NaSuc ile tedavi edildi (Şekil 3A). Histon PTM'leri daha sonra MS / MS edinimi yoluyla tek kalıntı seviyesinde tanımlanmış ve ölçülmüştür (Şekil 3B).
Numuneler replikalarda çalıştırıldığında, numuneler arasında bir PTM'nin katlama değişimi zenginleştirmesini ve gözlemin tekrarlan...
Histon PTM'lerin analizi, tipik proteomik analiz boru hattından temel olarak farklıdır. Çoğu histon PTM'nin hala esrarengiz biyolojik fonksiyonları vardır; Sonuç olarak, Gen Ontolojisi veya yol veritabanları gibi ek açıklamalar kullanılamaz. Histon modifikasyonlarını, katalizörlerinden sorumlu enzim veya bu PTM'leri bağlayan alanları içeren proteinlerle ilişkilendiren çeşitli kaynaklar mevcuttur (örneğin, HISTome36). Ayrıca, küresel histon PTM seviyeleri düzenlendiğinde ...
Yazarların rekabet eden finansal çıkarları yoktur.
Sidoli laboratuvarı, Lösemi Araştırma Vakfı (Hollis Brownstein Yeni Araştırmacı Araştırma Bursu), AFAR (Sagol Network GerOmics ödülü), Deerfield (Xseed ödülü), Relay Therapeutics, Merck ve NIH Direktör Ofisi'ni (1S10OD030286-01) minnetle kabul eder.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.05% trypsin-EDTA solution | Gibco | 25300054 | |
0.5-20 µL pipet tips | BRAND | 13-889-172 (Fisher Scientific) | |
1.5 mL microcentrifuge tubes | Bio-Rad | 2239480 | |
10 µL multi-channel pipette | BRAND | BR7059000 (Millipore Sigma) | |
10 mL syringe | Henke Sass Wolf | 14-817-31 (Fisher Scientific) | Luer lock tip, graduated to 12 mL |
10, 20, 200, and 1000 µL single-channel pipettes | Eppendorf | 14-285-904 (Fisher Scientific) | |
1000 µL pipet tips | Rainin | 30389164 | |
18 G syringe needle | Air-Tite | 14-817-100 (Fisher Scientific) | 3" length, 0.05" diameter |
200 µL multi-channel pipette | Corning | 4082 | |
2-200 µL pipet tips | BRAND | Z740118 (Millipore Sigma) | |
24-well ultra-low attachment microplate | Corning | 07-200-602 | |
75 cm2 U-shaped cell culture flask | Corning | 461464U | Untreated, with vent cap |
96-well skirted plate | Axygen | PCR-96-FS-C (Corning) | |
Acetone | Fisher Scientific | A949-1 | Acetone should be used cold |
Ammonium bicarbonate (NH4HCO3) | Sigma-Aldrich | A6141-25G | |
Ammonium hydroxide solution | Fisher Scientific | AC423300250 | |
Cell culture grade water | Corning | 25-055-CV | |
ClinoReactor | CelVivo | 10004-12 | Bioreactor for 3D cell culture |
ClinoStar | CelVivo | N/A | Clinostat CO2 incubator for 3D cell culture |
Control unit | CelVivo | N/A | Tablet for ClinoStar settings |
Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM) | Corning | 17-205-CV | 1X solution with 4.5 g/L glucose and sodium pyruvate, without L-glutamine and phenol red |
Fetal bovine serum (FBS) | Corning | 35-010-CV | |
Formic acid | Thermo Scientific | 28905 | |
Fume hood | Mott | N/A | Model 7121000 |
Glass Pasteur pipette | Fisher Scientific | 13-678-8B | 9", cotton-plugged, borosilicate glass, non-sterile |
Glutagro supplement | Corning | 25-015-CI | 200 mM L-ananyl-L-glutamine |
Hank’s Balanced Salt Solution (HBSS) | Corning | 21-022-CV | 1X solution without calcium, magnesium, and phenol red |
HPLC grade acetonitrile | Fisher Scientific | A955-4 | |
HPLC grade water | Fisher Scientific | W6-1 | |
Hydrochloric acid (HCl) | Fisher Scientific | A481-212 | |
Ice | N/A | N/A | |
MEM non-essential amino acids | Corning | 25-025-CI | 100X solution |
Oasis HLB resin | Waters | 186007549 | Hydrophilic-Lipophilic-Balanced (HLB) Resin with 30µm particle size |
Orbitrap Fusion Lumos Tribrid mass spectrometer | Thermo Fisher Scientific | IQLAAEGAAPFADBMBHQ | High resolution mass spectrometer |
Oro-Flex I polypropylene filter plate | Orochem | OF1100 | 96-well polypropylene filter plate w/ 10 µM PE frit |
Penicillin-Streptomycin | Corning | 30-002-CI | 100X solution |
pH paper | Hydrion | Z111848 (Sigma-Aldrich) | 0-13 pH test paper |
Pipette gun | Eppendorf | Z666467 (Millipore Sigma) | |
Polymicro capillary | Molex | 50-110-7740 (Fisher Scientific) | Flexible fused silica capillary tubing with polymide coating, 75 µM ID x 363 µM OD |
Polystyrene 10 mL serological pipets, sterile | Fisher Scientific | 1367549 | |
Propionic anhydride | Sigma-Aldrich | 240311-50G | |
Refrigerated centrifuge | Thermo Scientific | 75-217-420 | |
Reprosil-Pur resin | MSWIL | R13.AQ.0003 | 120 Å pore size, C18-AQ phase, 3 µM bead size |
Rotator | Clay Adams | 25477 (American Laboratory Trading) | Nutator Mixer 1105 |
Sequencing grade modified trypsin | Promega | V5111 | |
Sodium butyrate | Thermo Scientific | A11079 | |
Sodium succinate dibasic | Sigma-Aldrich | 14160-100G | |
SpeedVac vacuum concentrator (1.5 mL microcentrifuge tubes) | Savant | 20249 (American Laboratory Trading) | |
SpeedVac vacuum concentrator (96-well) | Thermo Scientific | 15308325 | Savant SPD1010 |
Sterile hood | Thermo Scientific | 1375 | Class II, Type A2 |
Sulfuric acid (H2SO4) | Fisher Scientific | 02-004-375 | Baker Analyzed ACS reagent |
Tissue-culture treated 100 mm x 20 mm dish | Fisher Scientific | 08-772-23 | |
Trichloroacetic acid (TCA) | Thermo Scientific | AC421451000 | Resuspend 100% w/v in HPLC grade water |
Trifluoroacetic acid (TFA) | Fisher Scientific | PI28904 | Sequencing grade |
Vacuum manifold 96-well | Millipore | MAVM0960R | |
Vortex | Sigma-Aldrich | Z258415 | |
Water bath | Fisher Scientific | FSGPD10 | |
Wide bore pipet tips 1000 µL | Axygen | 14-222-703 (Fisher Scientific) | |
Wide bore pipet tips 200 µL | Axygen | 14-222-730 (Fisher Scientific) |
Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi
Izin talebiThis article has been published
Video Coming Soon
JoVE Hakkında
Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır