Studier av celle-regulert genuttrykk av to komplementære cellesynkroniseringsprotokoller
Summary
Vi rapporterer to cellesynkroniseringsprotokoller som gir en sammenheng for å studere hendelser relatert til bestemte faser av cellecyklussen. Vi viser at denne tilnærmingen er nyttig for å analysere reguleringen av spesifikke gener i en ubrukt cellesyklus eller ved eksponering for midler som påvirker cellesyklusen.
Abstract
Genuttrykksprogrammet til cellesyklusen representerer et kritisk trinn for å forstå cellesyklusavhengige prosesser og deres rolle i sykdommer som kreft. Cellsyklusregulert genekspresjonsanalyse avhenger av cellesynkronisering i spesifikke faser. Her beskriver vi en metode som benytter to komplementære synkroniseringsprotokoller som ofte brukes til å studere periodisk variasjon av genuttrykk under cellesyklusen. Begge prosedyrene er basert på forbigående blokkering av celle syklusen i ett definert punkt. Synkroniseringsprotokollen ved hydroksyurea (HU) -behandling fører til cellulær arrestering i sen G1 / tidlig S-fase, og frigjøring fra HU-mediert arrestering gir en cellulær befolkning jevnt fremgang gjennom S og G2 / M. Synkroniseringsprotokollen ved behandling med thymidin og nocodazol (Thy-Noc) blokkerer celler i tidlig mitose, og frigjøring fra Thy-Noc-mediert arrest gir en synkronisert cellulær populasjon egnet for G1-fase og S-fase-enPrøv studier. Anvendelse av begge prosedyrer krever overvåking av cellesyklusfordelingsprofiler, som typisk utføres etter propidiumjodid (PI) -farging av cellene og strømningscytometri-mediert analyse av DNA-innhold. Vi viser at kombinert bruk av to synkroniseringsprotokoller er en robust tilnærming for å tydelig bestemme transkripsjonsprofiler av gener som er differensielt regulert i cellesyklusen ( dvs. E2F1 og E2F7), og følgelig å få en bedre forståelse av deres rolle i cellesyklusen prosesser. Videre viser vi at denne tilnærmingen er nyttig for undersøkelsen av mekanismer som ligger til grund for narkotikabaserte terapier ( dvs. mitomycin C, et anticancermiddel) fordi det tillater å diskriminere gener som reagerer på det genotoksiske middel fra de som bare er berørt av cellecyklusforstyrrelser Pålagt av agenten.
Introduction
Overgang gjennom alle faser av celle syklusen er koblet til et tett regulert gen ekspresjon program. Denne koordinert "på og av" av gentranskripsjon gjennom cellesyklusen antas å være under kontroll av komplekse transkripsjonelle regulatorsystemer, og regulerer ikke bare timingen, men også nivåene av genuttrykk. Deregulering av nøkkelcellesykluskomponenter er kjent for å bidra til utviklingen av flere sykdommer og er et veletablert kjennemerke for tumorigenese 1 , 2 . Genom-brede transskriptomiske analyser utført i gjær- og pattedyrceller har vist at et stort antall gener utviser periodiske genuttrykksmønstre i cellesyklusen, noe som antyder at transkripsjonsfluktuasjon under cellesyklusen er en refleksjon av det tidsmessige kravet til et gitt genprodukt I en nøyaktig fase 3 , 4 , </suP> 5 .
En viktig oppgave i studiet av celle syklusregulert genuttrykk er synkroniseringen av celler i bestemte cellefaser. Cellsynkronisering bidrar til å tolke assosiasjon av et genuttrykksmønster til en bestemt cellefaseovergang, og det har ført til en bedre forståelse av reguleringen og funksjonen til mange gener. Cellsynkronisering er også viktig for å studere virkningsmekanismen for anticancer-legemidler, da kjemoterapeutiske midler er kjent for å påvirke både genuttrykk og cellecykluskinetikk 6 , 7 . Likevel er det ofte vanskelig å avgjøre om genuttrykksforskjeller som er resultatet av behandling med disse midlene, er et direkte respons på behandlingen, eller er bare konsekvensen av endringer i cellecyklusprofiler. For å skille mellom disse mulighetene, bør genuttrykk analyseres i celler som har vært sYnkronisert før tilsetning av det kjemoterapeutiske medikamentet.
Med unntak av noen primære celler som fersk isolerte lymfoide celler, som utgjør en homogen cellepopulasjon synkronisert i G08, vokser in vitro etablerte cellelinjer asynkront i kultur. Under vanlige vekstforhold finnes disse asynkront syklusceller i alle faser av cellecyklusen, men fortrinnsvis i G1 9 . Derfor gir denne sammenhengen ikke et optimalt scenario for funksjonelle eller genuttrykksanalyser i en bestemt cellefasefase ( f.eks. G1, S etc.). Ikke-transformerte immortaliserte cellelinjer ( f.eks. Fibroblaster) kan synkroniseres med såkalte fysiologiske metoder 10 . Disse metodene er basert på de beholdte primære cellefunksjonene i ikke-transformerte celler, slik som cellekontaktinhibering og vekstfaktoravhengighet for å fortsette sykling. fjerningAv serum i kombinasjon med kontaktinhibering gjør ikke-transformerte celler arrestert ved G0 / G1. Imidlertid krever synkronisert celle syklus oppføring og progresjon ofte subkultur, som også involverer kunstig løsgjørelse av cellene og replating 10 . Viktigst er denne metoden ikke egnet for synkronisering av transformerte cellelinjer, det store flertallet av etablerte cellelinjer som for tiden er i bruk, karakterisert ved manglende cellekontakt-mediert vekstinhibering eller respons på vekstfaktoruttak. Det er således klart at alternative metoder kreves for effektiv cellesynkronisering i spesifikke faser av cellesyklusen. Generelt sett er de mest brukte synkroniseringsmetodene basert på forbigående kjemisk eller farmakologisk inhibering av et definert punkt i cellesyklusen, typisk DNA-syntese eller mitotisk spindeldannelse. Inhibering av DNA-syntese synkroniserer celler ved å arrestere dem i sen G1 eller tidlig S-fase. Dette kan være achiEved ved tilsetning av forbindelser som mimosin, en inhibitor av nukleotidbiosyntese 11 , 12 , aphidicolin, en inhibitor av DNA-polymeraser 13 , 14 , hydroksyurea, en inhibitor av ribonukleotidreduktase 15 , 16 eller ved overskytende mengder av tymidin 17 , 18 . På den annen side er inhibitorer av mikrotubulumpolymerisasjon, slik som kolchicin eller nokodazol, i stand til å blokkere mitotisk spindeldannelse som fører til cellesynkronisering ved tidlig M-fase 19 , 20 , 21 .
I dette arbeidet beskriver vi en metode som involverer to komplementære synkroniseringsprotokoller basert på forbigående kjemisk inhibering for å studere ekspresjonen av celle-syklusregulerte gener ved mRNAnivå. Denne metoden er grunnleggende for å definere rollen som celle syklusgener i spesifikke celle syklus prosesser. Videre gir den en generell ramme for å studere effekten av anticancerbehandlinger for å nøyaktig oppdage medisinresponsive gener og for å minimere feilfortolkninger avledet fra forstyrrelser i cellecyklusprogresjon generert av disse legemidlene.
Protocol
Representative Results
Discussion
Analyse av finjusterte regulerte gener involvert i forbigående og spesifikke roller i cellesyklusen krever en jevn cellepopulasjon. Mange forskere bruker rutinemessig etablerte tumorcellelinjer til disse formål, og en rekke metoder har blitt utviklet for å oppnå synkron (eller delvis synkron) cellepopulasjoner, med sikte på å samle så mange celler som mulig i definerte cellesyklusfaser. Videre har det blitt gjort sterke anstrengelser for å forbedre og optimalisere veletablerte synkroniseringsmetoder. Ikke desto …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker medlemmer av Zubiaga og Altmeyer laboratoriene for nyttige diskusjoner og teknisk støtte. Dette arbeidet ble støttet av tilskudd fra det spanske departementet (SAF2015-67562-R, MINECO / FEDER, UE), den baskiske regjeringen (IT634-13 og KK-2015/89) og Universitetet i Baskerland UPV / EHU ( UFI11 / 20).
Materials
| DMEM, high glucose, GutaMAX supplement | Thermo Fisher Scientific | 61965-059 | |
| FBS, qualified, E.U.-approved, South America origin | Thermo Fisher Scientific | 10270-106 | |
| Penicillin-Streptomycin (10,000 U/mL) | Thermo Fisher Scientific | 15140-122 | |
| 0.25% Trypsin-EDTA (1X), phenol red | Thermo Fisher Scientific | 25200-072 | |
| Thymidine | SIGMA | T1895-5G | Freshly prepared. Slight warming might help dissolve thymidine. |
| Nocodazole | SIGMA | M-1404 | Stock solution in DMSO stored at -20 ºC in small aliquots |
| Hydroxyurea | SIGMA | H8627 | Freshly prepared |
| Mitomycin C from Streptomyces caespitosus | SIGMA | M4287 | 1.5mM stock solution in sterile H2O protected from light and stored at 4ºC |
| Dimethyl sulfoxide | SIGMA | D2650 | |
| Propidium iodide | SIGMA | P4170 | Stock solution in sterile PBS at 5 mg/ml, stored at 4º C protected from light. |
| PBS pH 7.6 | Home made | ||
| Ethanol | PANREAC | A3678,2500 | |
| Chloroform | SIGMA | C2432 | |
| Sodium Citrate | PANREAC | 131655 | |
| Triton X-100 | SIGMA | T8787 | |
| RNAse A | Thermo Fisher Scientific | EN0531 | |
| TRIzol Reagent | LifeTechnologies | 15596018 | |
| RNeasy Mini kit | QIAGEN | 74106 | |
| High-Capacity cDNA Reverse Transcription Kit | Thermo Fisher Scientific | 4368814 | |
| Anti-Cyclin E1 antibody | Cell Signaling | 4129 | 1:1000 dilution in 5% milk, o/n, 4 ºC |
| Anti-Cyclin B1 antibody | Cell Signaling | 4135 | 1:1000 dilution in 5% milk, o/n, 4 ºC |
| Anti-β-actin | SIGMA | A-5441 | 1:3000 dilution in 5 % milk, 1 hr, RT |
| Anti-pH3 (Ser 10) antiboty | Millipore | 06-570 | Specified in the protocol |
| Secondary anti-rabbit AlexaFluor 488 antibody | Invitrogen | R37116 | Specified in the protocol |
| Secondary anti-mouse-HRP antibody | Santa Cruz Biotechnology | sc-3697 | 1:3000 dilution in 5 % milk, 1 hr, RT |
| Forward E2F1 antibody (human) TGACATCACCAACGTCCTTGA | Biolegio | Designed by PrimerQuest tool (https://eu.idtdna.com/site) | |
| Reverse E2F1 antibody (human) CTGTGCGAGGTCCTGGGTC | Biolegio | Designed by PrimerQuest tool (https://eu.idtdna.com/site) | |
| Forward E2F7 antibody (human) GGAAAGGCAACAGCAAACTCT | Biolegio | Designed by PrimerQuest tool (https://eu.idtdna.com/site) | |
| Reverse E2F7 antibody (human) TGGGAGAGCACCAAGAGTAGAAGA | Biolegio | Designed by PrimerQuest tool (https://eu.idtdna.com/site) | |
| Forward p21Cip1 antibody (human) AGCAGAGGAAGACCATGTGGAC | Biolegio | Designed by PrimerQuest tool (https://eu.idtdna.com/site) | |
| Reverse p21Cip1 antibody (human) TTTCGACCCTGAGAGTCTCCAG | Biolegio | Designed by PrimerQuest tool (https://eu.idtdna.com/site) | |
| Forward TBP antibody (human) reference gene | Biolegio | Designed by PrimerQuest tool (https://eu.idtdna.com/site) | |
| Reverse TBP antibody (human) | Biolegio | Designed by PrimerQuest tool (https://eu.idtdna.com/site) | |
| Forward Oxa1L antibody (human) reference gene CACTTGCCAGAGATCCAGAAG | Biolegio | Designed by PrimerQuest tool (https://eu.idtdna.com/site) | |
| Reverse Oxa1L antibody (human) CACAGGGAGAATGAGAGGTTTATAG | Biolegio | Designed by PrimerQuest tool (https://eu.idtdna.com/site) | |
| Power SYBRGreen PCR Master Mix | Thermo Fisher Scientific | 4368702 | |
| FACS Tubes | Sarstedt | 551578 | |
| MicroAmp Optical 96-Well Reaction Plate | Thermo Fisher Scientific | N8010560 | |
| Corning 100mm TC-Treated Culture Dish | Corning | ||
| Corning Costar cell culture plates 6 well | Corning | 3506 | |
| Refrigerated Bench-Top Microcentrifuge | Eppendorf | 5415 R | |
| Refrigerated Bench-Top Centrifuge Jouan CR3.12 | Jouan | 743205604 | |
| NanoDrop Lite Spectrophotometer | Thermo Scientific | ND-LITE-PR | |
| BD FACSCalibur Flow Cytometer | BD Bioscience | ||
| QuantStudio 3 Real-Time PCR System | Thermo Fisher Scientific | A28567 |
References
- Beato, M., Sánchez-Aguilera, A., Piris, M. A. Cell cycle deregulation in B-cell lymphomas. Blood. 101 (4), 1220-1235 (2003).
- Chen, H. Z., Tsai, S. Y., Leone, G. Emerging roles of E2Fs in cancer: an exit from cell cycle control. Nat Rev Cancer. 9 (11), 785-797 (2009).
- Cho, R. J., et al. Transcriptional regulation and function during the human cell cycle. Nat Genet. 27 (1), 48-54 (2001).
- Peña-Diaz, J., et al. Transcription profiling during the cell cycle shows that a subset of Polycomb-targeted genes is upregulated during DNA replication. Nucleic Acids Res. 41 (5), 2846-2856 (2013).
- Grant, G. D., et al. Identification of cell cycle-regulated genes periodically expressed in U2OS cells and their regulation by FOXM1 and E2F transcription factors. Mol Biol Cell. 24 (23), 3634-3650 (2013).
- Minderman, H., et al. In vitro and in vivo irinotecan-induced changes in expression profiles of cell cycle and apoptosis-associated genes in acute myeloid leukemia cells. Mol Cancer Ther. 4 (6), 885-900 (2005).
- McKenna, E., Traganos, F., Zhao, H., Darzynkiewicz, Z. Persistent DNA damage caused by low levels of mitomycin C induces irreversible cell senescence. Cell Cycle. 11 (16), 3132-3140 (2012).
- Infante, A., et al. E2F2 represses cell cycle regulators to maintain quiescence. Cell Cycle. 7 (24), 3915-3927 (2008).
- Cecchini, M. J., Amiri, M., Dick, F. A. Analysis of cell cycle position in mammalian cells. J Vis Exp. (59), (2012).
- Schorl, C., Sedivy, J. M. Analysis of cell cycle phases and progression in cultured mammalian cells. Methods. 41 (2), 143-150 (2007).
- Lalande, M. A reversible arrest point in the late G1 phase of the mammalian cell cycle. Exp Cell Res. 186 (2), 332-339 (1990).
- Park, S. Y., et al. Mimosine arrests the cell cycle prior to the onset of DNA replication by preventing the binding of human Ctf4/And-1 to chromatin via Hif-1α activation in HeLa cells. Cell Cycle. 11 (4), 761-766 (2012).
- Ikegami, S., et al. Aphidicolin prevents mitotic cell division by interfering with the activity of DNA polymerase-alpha. Nature. 275 (5679), 458-460 (1978).
- Baranovskiy, A. G., et al. Structural basis for inhibition of DNA replication by aphidicolin. Nucleic Acids Res. 42 (22), 14013-14021 (2014).
- Adams, R. L., Lindsay, J. G. Hydroxyurea reversal of inhibition and use as a cell-synchronizing agent. J Biol Chem. 242 (6), 1314-1317 (1967).
- Mitxelena, J., Apraiz, A., Vallejo-Rodríguez, J., Malumbres, M., Zubiaga, A. M. E2F7 regulates transcription and maturation of multiple microRNAs to restrain cell proliferation. Nucleic Acids Res. , (2016).
- Bootsma, D., Budke, L., Vos, O. Studies on synchronous division of tissue culture cells initiated by excess thymidinE. Exp Cell Res. 33, 301-309 (1964).
- Galgano, P. J., Schildkraut, C. L. G1/S Phase Synchronization using Double Thymidine Synchronization. CSH Protoc. (2), (2006).
- Edwin Taylor, W. Kinetics of inhibition and the binding of h3-colchicine. J Cell Biol. 25, 145-160 (1965).
- Zieve, G. W., Turnbull, D., Mullins, J. M., McIntosh, J. R. Production of large numbers of mitotic mammalian cells by use of the reversible microtubule inhibitor nocodazole. Nocodazole accumulated mitotic cells. Exp Cell Res. 126 (2), 397-405 (1980).
- Matsui, Y., Nakayama, Y., Okamoto, M., Fukumoto, Y., Yamaguchi, N. Enrichment of cell populations in metaphase, anaphase, and telophase by synchronization using nocodazole and blebbistatin: a novel method suitable for examining dynamic changes in proteins during mitotic progression. Eur J Cell Biol. 91 (5), 413-419 (2012).
- Nolan, T., Hands, R. E., Bustin, S. A. Quantification of mRNA using real-time RT-PCR. Nat Protoc. 1 (3), 1559-1582 (2006).
- Thornton, B., Basu, C. Real-time PCR (qPCR) primer design using free online software. Biochem Mol Biol Educ. 39 (2), 145-154 (2011).
- Abbas, T., Dutta, A. p21 in cancer: intricate networks and multiple activities. Nat Rev Cancer. 9 (6), 400-414 (2009).
- Kung, A. L., Sherwood, S. W., Schimke, R. T. Cell line-specific differences in the control of cell cycle progression in the absence of mitosis. Proc Natl Acad Sci U S A. 87 (24), 9553-9557 (1990).
- Borel, F., Lacroix, F. B., Margolis, R. L. Prolonged arrest of mammalian cells at the G1/S boundary results in permanent S phase stasis. J Cell Sci. 115 (Pt. 14, 2829-2838 (2002).
- Knehr, M., et al. A critical appraisal of synchronization methods applied to achieve maximal enrichment of HeLa cells in specific cell cycle phases). Exp Cell Res. 217 (2), 546-553 (1995).
- Zhu, W., Giangrande, P. H., Nevins, J. R. E2Fs link the control of G1/S and G2/M transcription. EMBO J. 23 (23), 4615-4626 (2004).
- Whitcomb, E. A., Dudek, E. J., Liu, Q., Taylor, A. Novel control of S phase of the cell cycle by ubiquitin-conjugating enzyme H7. Mol Biol Cell. 20 (1), 1-9 (2009).
- Bruinsma, W., Macurek, L., Freire, R., Lindqvist, A., Medema, R. H. Bora and Aurora-A continue to activate Plk1 in mitosis. J Cell Sci. 127, 801-811 (2014).
- Thomas, D. B., Lingwood, C. A. A model of cell cycle control: effects of thymidine on synchronous cell cultures. Cell. 5 (1), 37-42 (1975).
- Whitfield, M. L., et al. Identification of genes periodically expressed in the human cell cycle and their expression in tumors. Mol Biol Cell. 13 (6), 1977-2000 (2002).
- Lim, S., Cdks Kaldis, P. cyclins and CKIs: roles beyond cell cycle regulation. Development. 140 (15), 3079-3093 (2013).
- Tapia, C., et al. Two mitosis-specific antibodies, MPM-2 and phospho-histone H3 (Ser28), allow rapid and precise determination of mitotic activity. Am J Surg Pathol. 30 (1), 83-89 (2006).
- Andreassen, P. R., Martineau, S. N., Margolis, R. L. Chemical induction of mitotic checkpoint override in mammalian cells results in aneuploidy following a transient tetraploid state. Mutat Res. 372 (2), 181-194 (1996).
- Wei, F., Xie, Y., He, L., Tao, L., Tang, D. ERK1 and ERK2 kinases activate hydroxyurea-induced S-phase checkpoint in MCF7 cells by mediating ATR activation. Cell Signal. 23 (1), 259-268 (2011).
- Kubota, S., et al. Activation of the prereplication complex is blocked by mimosine through reactive oxygen species-activated ataxia telangiectasia mutated (ATM) protein without DNA damage. J Biol Chem. 289 (9), 5730-5746 (2014).
- Hartwell, L. H., Weinert, T. A. Checkpoints: controls that ensure the order of cell cycle events. Science. 246 (4930), 629-634 (1989).
- St-Denis, N. A., Derksen, D. R., Litchfield, D. W. Evidence for regulation of mitotic progression through temporal phosphorylation and dephosphorylation of CK2alpha. Mol Cell Biol. 29 (8), 2068-2081 (2009).
- Min, A., et al. RAD51C-deficient cancer cells are highly sensitive to the PARP inhibitor olaparib. Mol Cancer Ther. 12 (6), 865-877 (2013).
