높은 콘텐츠, 오픈 소스 소프트웨어에 의해 지원되는 범용 현미경 데이터에서 형광 마커, 개별 셀 정량화를위한 워크 플로우
Summary
형광 표지 된 세포의 다중 이미지 기반 분석을 가능하게하는 유연한 정보학 워크 플로우입니다 발표. 워크 플로는 핵 및 세포질 마커를 정량화하고 이러한 구획 사이에 마커 전위를 계산한다. 절차 96- 웰 포맷으로 간접 면역 형광에 의해 마커 검출 용 siRNA를 안정적인 방법을 사용하여 세포의 섭동 제공된다.
Abstract
점착성 포유 동물 조직 배양 세포 모델에서의 동작을 관장하는 제어 메커니즘을 이해의 발전은 단일 셀 형태의 분석에 점점 의존하게된다. 세포 집단에서 바이오 마커의 평균 값을 반영하는 복합 데이터를 전달하는 방법은 연구 생물학적 시스템의 이질성을 반영 하위 집단 역학을 잃고 위험이 있습니다. 이을 유지, 전통적인 접근 방법에 의해 대체되고있다, 또는 높은 콘텐츠 현미경에 의해 평가를 할 수 있도록 개발 된 세포 분석의,보다 정교한 형태의 지원. 이러한 분석은 잠재적으로 독점 소프트웨어 패키지와 함께 제공으로 활성화 형광 바이오 마커의 이미지의 큰 숫자를 생성, 셀 당 멀티 파라미터 측정이 가능합니다. 그러나, 상대적으로 높은 자본 비용과 이러한 장치의 많은 overspecialization 많은 연구자 자신의 접근성을 방지했다.
여기에 설명입니다대부분의 형광 현미경의 이미지와 함께 사용하기에 적합 개별 세포의 특정 세포 내 지역의 여러 형광 마커 강도의 정량화를위한 보편적으로 적용 워크 플로우. 이 워크 플로의 핵심 형광 마커 강도를 이러한 이미지로 각 셀, 정의 세포 내 영역으로 세그먼트를 구분하고 제공하는 무료로 사용할 수있는 휴대 프로파일 러 소프트웨어 (1)의 구현은이 지역에 특정 값입니다. 이미지 데이터로부터 개별 셀 세기 값의 추출이 워크 플로우의 중앙 목적 및 인간 세포에 부착 G1 체크 포인트 레귤레이터 siRNA의 화면에서 제어 데이터의 분석을 예시한다. 그러나, 여기에 제시된 플로 셀 섭동의 다른 수단으로부터의 데이터의 분석에 적용될 수있다 (예를 들면, 복합 화면) 이와 같이 형광 계 세포 마커의 다른 형태와는 실험실의 다양한 유용 할 것이다.
Introduction
여기에 제시된 작품은 각각의 세포와 정의 세포 내 영역을 식별하기 위해 부착 세포의 형광 현미경 이미지의 알고리즘을 유도 분석을 수행하기 위해 무료로 사용할 수있는 소프트웨어 셀 프로파일 러를 사용하는 방법을 설명한다. 이미지 분할이라고도 이러한 접근 방식은, 각 셀 또는 (분절화 된 객체 라 함) 세포 내 영역에 국부적 인 형광 표지 된 마커를 정량함으로써 묘화 셀의 후속 멀티 파라미터 분석을 허용한다. 이 흐름은 높은 함량 분석을 가능하게하기위한 기초를 구성하고, 추가로 개발 된 멀티 파라 맞게 수정, 개별 셀은 특수 고 함량 악기 또는 독점 소프트웨어에 액세스하지 않고도 실험실에서 분석 할 수있는 도구의 역할을하도록 의도된다. 이 원고가 공급 설명한 파일을 생성하는 분석 관련 미가공 이미지 데이터, 알고리즘 설정 및지지 스크립트 테스트 세트를 포함한다. 제공된 알고리즘 설정 F또는 셀 프로파일 설정 예제 데이터 및 조정이 다른 연구에서 이미지 데이터의 사용을 활성화 할 필요가있다 어떤 토론 섹션 세부 사항에 최적화되어 있습니다.
정량적 데이터 셀 프로파일을 사용하여 추출되고 나면, 다른 실험실 원시 데이터의 개별 셀 값에 의해 제공된 정보를 사용하는 방법에 대해 다른 요건을 가질 수있다; 여기에 표시된 게이트는 각각의 분석에 대한 원시 데이터에 적용되는 하나의 방법입니다. 이러한 게이트 사용 데이터는 게이트에 의해 정의 된 응답을받은 세포의 개체군과 다른 처리를 연결 추세 시각화를 허용 응답 이진면으로 변환된다. 게이트는 각 관련 측정을 위해 적절한 음성 및 양성 컨트롤에 대한 얻은 데이터 분포의 관찰에 기초하여 설정된다. 게이트의 사용 원료, 셀 기반 측정을 관리하는 방법의 한 예이다. 또한 여기에 표시된 핵 DNA 강도의 사용이다 나게이트 데이터와 함께 값의 연속적인 범위로 자신의 원시 형태 asurements. 이미지 분석 데이터를 관리 할 수있는 다른 방법들이 연구의 특성에 따라 고려되어야한다; 소집단에 셀을 할당하는 게이트를 사용하는 대안 통계적 파라미터들의 많은 수를 세보고되었다 걸쳐 높은 컨텐츠 데이터를 요약하는 전략이 체계적인 비교를보고되었다.
6 – 이미지 데이터의 고 함량의 분석은 약물 반응 세포 연구에도 사용되어왔다 유전학 4 시그널링 환경 스트레스 역방향. 고 함량 분석의 장점은 형광 현미경 데이터의 알고리즘 분석 및 정량 공간 파라미터가 개별 셀 7 걸쳐 동시에 고려 될 수 있다는 사실로부터 유래한다. 이러한 방식으로, 다수의 분석 결과는 셀룰러 분석-D의 상호 참조, 차동 동작 될 수있다efined 세포 개체군은 형태 학적 변수의 고려를 포함 할 수 있습니다 실험 조건과 분석에서 추적 할 수 있습니다. 전략 및 분석 워크 플로우는 다른 높은 콘텐츠 접근에 관해서는, 각각의 세포에 교차 참조 다중화 된 데이터를 제공 할 수있다, 여기에서 논의. 형광 현미경 이미지를 생성하고 이미지의 수천을 통해 처리량이 낮은 기존의 형광 기반의 현미경에서 생성 된 이미지의 수십에 이르기까지 데이터의 분석에 적용 할 수있는 높은 콘텐츠 방법 정장 연구 자동화 높은 콘텐츠 심사 플랫폼을 사용하여 제조.
흐름은 별도 분석법 핵 형광 표지 강도 또는 각각 형광 리포터 단백질의 핵 / 세포질 전좌, 하나의 관점에서 측정되는 예를 들어 데이터와 함께 여기에 설명된다. 흐름은이 분석법 별도로 또는 조합하여 고려 EAC에 따라 될 수 있다는 점에서 유연시간은 다른 연구자들에 의해 연구 문제를 주어진. 예를 들어 데이터는 RNA 간섭 (RNAi의) 실험 (도 1)의 일부로서 생성된다. 작은 간섭 RNA 올리고 뉴클레오티드 (siRNA의)는 사이클린 의존성 키나제 (CDK) 활동의 두 형광 기자의 변경 사항이 발생할 HCT116 인간의 대장 암 세포에서 특정 단백질을 녹다운하는 데 사용됩니다. 세린 핵 망막 모세포종 단백질 780 (P-S780의 RB1)의 CDK6 의존성 인산화 항체 염색에 의해 평가된다. 동일한 셀에서, CDK2 활성 (GFP-CDK2 기자)의 녹색 형광 단백질 표지 된 리포터는 CDK2 활성의 부재하에 리포터가 세포질로 핵 및 CDK2 활성 셔틀에있는 세포질 비율 핵에 의해 평가되고 8. 또한, 각 셀의 DNA는 핵 DNA 인터 – 염료를 사용하여 염색하고, 이미지의 경계를 핵 세포를 식별하고 정의하기위한 수단을 구성한다 Bisbenzimide뿐만DNA 풍부 세포의 세포주기의 위치에 대한 정보를 제공한다 (그림 2)의 SA 측정.
CDK2 및 CDK6의 활성은 세포주기 (5)의 S G1 단계로의 세포 수송과 같은 검출 가능한 그러한 개별 셀 내의 두 기자 간의 일치도 확대가 예상되는 바와 같이, 서로 9,10 성공할. 여기서 사용되는 데이터 세트는 데모의 siRNA의 효과 CDK6, 망막 모세포종 단백질 (RB1) 및 비 – 타겟팅 음성 대조군 (표 1)을 대상으로 예로서 분석한다. CDK6의 녹다운 P-S780의 RB1 에피토프의 저하 및 세포주기의 G1 단계에서 세포의 축적을 유도한다 모두. RB1 녹다운는 포스 S780 항체의 특이성 시약 제어부로서 기능한다. 포르말린에서 형광 현미경 이미지는 형광 염색 HCT116 조직 배양 세포를 이미지 분석 알고리즘에 사용되는, 11 고정. 결과 숫자 데이터는 데 사용됩니다상호 참조 기자와는 다른 최저 상태의 영향을 측정.
이러한 유형의 분석에 의해 생성 된 데이터의 크기는 정상 전위 분석 도구에 도전을 제공 할 수있다. 예를 들어, 개별 데이터 셀은 스프레드 시트 소프트웨어 일부가 수용 할 수보다 클 수있다. 큰 데이터 세트의 분석을 돕기 위해 데이터의 단순, 높은 반복, 감독 처리를 수행 펄 스크립트가 포함되어 있습니다. 펄 스크립트는 특정 파일 명명 규칙 (도 3)와 함께 이미지 파일을 처리 할 때 셀 프로파일에 의해 생성되는 출력 파일에 대해 특별히 기록하고 분석에 사용되는 웰 당 분야의 가변 수 있도록되어있다. 그것은 세포 아 집단 5 동향을 추적 게이트 개별 세포 분석 데이터에 자주 중요하고 여기에 도시 각 분석 유형에 대해 소정 세트 게이트에 기초하여 각각의 셀은 플래그 펄 스크립트의 사용이다. 또한 포함 된 옵션 펄 스크립트는이는 개별 우물 (또는 조건)에 대한 데이터 결과를 요약, 제공 : 세트 게이트 내에서 세포와 원시 분석 점수의 평균 값의 비율입니다. 응답이 전부 또는 웰 내의 다수의 셀에 영향을주는 곳 시청 데이터를 후자보다 균질 방법은 유효하다. 전술 한 바와 같이, 이러한 평가는 응답이 모집단 내의 셀의 서브 세트로 한정되는 개별 셀 데이터 게이팅 의해 수득보다 덜 유용하다.
설명한 워크 플로우의 유틸리티 또는 siRNA에 기재된 마커 분석에 의해 섭동에 한정되지 않는다. 연구는 siRNA를 조합, 화학 억제제 및 방사선 치료를 사용하여 조직 배양 실험에서와 CDK6 이외의 마커와 CDK2 활동 (5)의 평가에 대한 응답을 분석하기 위해이 방법을 사용했다.
개념적으로, 실험적 전략은 생물학적으로 유용한 세포 내 영역의 다양한 자동으로 등록 할 수 있습니다형광 현미경 이미지에 존재하는 각각의 세포에. 이와 같이,이 접근 방법은 개체군보다는 개별 셀에 초점 기술을 통해 누락 될 수 정량, 다중화 데이터 드러내는 생체 정보를 얻을 수있다. 약간의 수정으로 기술 된 접근 및 분석 워크 플로우는 형광 기반의 분석 출력 및 세포 생물학적 반응에 대한 양적, 개별 셀의 데이터를 얻을 수있는 DNA 함량의 정량적 평가, 핵이나 세포질 형광의 정량 또는 이들 사이에 마커의 셔틀 링 두 구획 개별적으로 또는 다중화 방식은 흥미 롭다. 출판 요구 사항은 점점 더 게시 된 데이터를 재분석을 찾고 실험실에도 직접적인 관심이 될 것입니다 여기에 설명 된 것과 같은 공개적으로 접근 원시 데이터에 대한 액세스 및 현미경 이미지 분석을위한 무료 도구에 익숙 제출을 향해 경향이있다.
Protocol
Representative Results
Discussion
설명한 워크 플로우의 siRNA, 후속 마커 검출을 통해 세포의 멀티 웰 동요하는 절차를 구성하고, 최종적으로 얻어진 형광 현미경 이미지에서 정량적 데이터의 추출을 용이하게하기 위해 소프트웨어를 지원하는 일련의 단계의 사용. 접근 방식은 많은 셀 기반 응용 프로그램의 광범위한 실용적인 응용 프로그램을 가지고 각각의 세포 핵 및 세포질 강도 값의 전달에 초점을 맞추고 있습니다. 여기에 사용되는 예시적인 데이터는 G1 단계에서 세포주기 통과 두 형광 분석법을 시험하고 다시 핵 DNA 함량의 직접적인 상관 관계를 측정하기 위해 생물 물리학 된 siRNA의 설정 화면이 생성 되었음.
그것은 개별 셀을 식별 할 수있게하고, 생성 된 '핵 마스크'대응 cytoplasmi를 식별 할 시작점 역할로서 화상 핵 DNA에 형광 DNA 얼룩의 사용은 이미지 분할 과정에서 필수적인 단계이다C 지역. 안정적으로 세포에서 발현되는 GFP-CDK2 태그 기자, 아직이 구획 묘사 될 수있는 세포질 배경 신호보다 일관되게 더 높은 변수를 제공한다. 동일한 분석 파이프 라인은 다른 적합한 형광 결합 기자 동요 그들의 응답을 이용하여 단백질 전좌 이벤트의 분석에 적용 할 수 있어야한다. 또한, 세포질 특정 형광 염료로 GFP 리포터-CDK2 치환하면이 알고리즘의 대안적인 사용은 세포질의 치수와 이미지의 상대적인 세포의 크기를 측정 할 수있는 것이다.
여기에 설명 된 영상 분할 전략 디자인의 또 다른 고려 사항은 DNA 정량화 통합 강도 값들을 제공하는 셀 프로파일의 사용이다. 강도의 통합 염색 데이터가 핵의 크기는 가능한 변화를 허용 핵 DNA에 대한 값 및 본 정량 프로파일 근접한을 나타냅니다대한 프로피 디움 요오드 스테인드 FACS 데이터. 그러나, 통합 강도는 항원 형광의 평균 강도로 예시 평균 농도가 더 생물학적 세포 구획 내 단백질 (및 관련 형광)의 집적 총량보다 중요한 곳 단백질 기능을 평가하는 적절한 수단을 제공하지 않을 수있다. 따라서 강도 값이 P-S780 RB1 및 GFP 데이터에 사용 된 것을 의미한다. 이 옵션은 셀 프로파일 러 소프트웨어의 'ExportToSpreadsheet'패널에서 발견되는 두 가지 모드 (평균 또는 통합) 데이터 평가의 사이에 변경합니다.
3_channels_pipeline.cppipe 파일 분석 설정은 예를 들어 데이터 세트의 이미지에 대해 최적화된다. 이 프로토콜을 사용하여 새 이미지 세트의 분석은 파일 이름이 명명 규칙은 위의 (그림 3) 기술 채택 할 것을 요구합니다. 또한, 감도는 배경에 대한 핵 DNA 염색 및 임계 값의 밝기에 맞게 값새 이미지 세트의 강도가 셀 프로파일 설정에서 조정해야 할 수도 있습니다. DNA 염색은 다양한 이미지 분할 마스크를 구축하기위한 보유 중요한 역할을 감안할 때,이 채널에 대한 정확한 감도 설정의인가는 셀 프로파일 소프트웨어와 새로운 영상 데이터의 성공적인 분석에 중요하다. 제공되는 셀 프로파일 설정 파일 (3_channels_pipeline.cppipe)는 새로운 데이터에 대한 분석을 적응에 가장 자주 유용한 매개 변수에 대한 메모가 포함되어 있습니다. 이 노트는 셀 프로파일 메인 윈도우 화면 상단의 텍스트 박스에 있고 민감도 설정을 변경하고 채널 수가 분석 될 조정에 대한 지침을 포함한다. 새로운 이미지 데이터에 대한 설정을 테스트하는 프로토콜의 2.8 절에 기소로 (그림 S1D '… 확인 된 개체'의 각각에 대해 '눈'아이콘을 열고 클릭하여 프로토콜 단계를 이미지 분석시 이미지 분할을 관찰 할 필요가있다 </strong>). 핵 마스크가 올바르게 DNA 염색 이미지에서 식별된다면 특히, 'IdentifyPrimaryOjects'를 통해 화상 데이터의 시각화 보여줄 것이다. 'IdentifyPrimaryOjects'모듈의 셀 프로파일 러 소프트웨어 페이지에서 임계 값 보정 계수이다. 이 값의 시행 착오를 조정은 대부분의 핵 인식 오류를 수정합니다. 값은 각 이미지에 대해 배경 강도 DNA 채널 균형. 임계 값 보정 계수의 값은이보다 더 (일반 이미지에 대 한 좋은) 엄격한 미만 1 관대 한 (염색 및 배경의 적은 콘트라스트 이미지에 적합)입니다 1, 주위에 힌지.
셀 프로파일에서 개별 셀 데이터의 출력은 원시 다른 연구의 요구에 맞는 다양한 방식으로 분석 될 수있다. 여기에 도시 한 데이터로부터 생물학적 경향을 추출 돕기 위해 셀에 따라 측정 파라미터의 2 개에 게이트를 적용하는 펄 스크립트의 사용이다추가 측정으로 확인 된 개체군의 개발 허가 상호 참조. 그것이 셀 프로파일의 프레임 워크 내에서 게이팅의 요소를 포함 할 수도 있지만 동등하게, 여기서 사용되는 대체 경로가 큰 데이터 세트가 평가 될 필요가있는 경우 특히, 유연성 및 속도를 제공한다. 현재 프로토콜의 사후 이미지 수집 단계에서 가장 느린 단계는 셀 프로파일 러 소프트웨어의 실행이다. 필요한 경우 셀 프로파일 러는 여기에 다른 게이트 값을 반복적으로,보다 신속하게 후속 펄 스크립트를 재분석 할 수있는 게이팅 원시 데이터 세트를 생성하기 위해 게이트를 부과하지 않고 실행됩니다. 모든 연구는이 같은 적합한 게이트 값이 잠재적으로 시간이 지남에 따라 데이터의 특정 세트에 시약과 다를 수 있고 사전에 알 수 있습니다. 이 때문에, 적합한 가치있는 게이트를 식별하기 위해 양성 대조군 및 모델 섭동 전지용 셀 프로파일로부터 얻어진 원시 데이터 분포를 나타내는 히스토그램을 생성하는 추천관심의 매개 변수에 대한 말이지.
펄 스크립트는 셀 프로파일의 데이터를 엄격하게 정의 된 열 구조를 받아 작성하고 사용자가 'ExportToSpreadsheet'설정을 사용하여 셀 프로파일에 의해 매개 변수 출력의 수를 수정하는 경우 작동하지 않을 수 있습니다. 노트 펄 스크립트 파일에 포함 된 설정의 수정을 구현하는 데 도움합니다. 이러한 텍스트 편집기에서 스크립트보기를 참조하기 위해, 바람직하게는 프로그래머의 텍스트 편집기 (예를 들어, http://www.activestate.com/komodo-edit) 컬러 코드 펄 요소로 설정. 데이터 형식의 변화에 적응하기 위해 스크립트를 조정하는 곳이 노트를 나타냅니다. 펄 스크립트와 유사하게, 이미지 분석 데이터로부터 인물 플로팅 명령을 포함 제공된 R-코드 파일 (analysis.r)는, 사용 및 적응에 대한 추가적인 정보를 참조하는 텍스트 편집기 또는 RStudio 소프트웨어에서 판독 할 수있다. 이 노트는 정규 표현식 펄 <에 대한 자세한 내용을 보충 할 수있다SUP> (12) 및 데이터 판독 주석 각각 플롯 방법에 대한 기초를 형성하는 둘 R, 13 대 ggplot2 패키지.
형광 현미경을 사용하여 새로운 연구뿐만 아니라 오픈 소스 공보 증착 원 데이터는 여기에 기재된 것과 같은 분석 방법 의무이다. 하이 콘텐츠 데이터의 본질은 임의의 주어진 관찰자의 연구 분야에 따라 다른 분석 역점으로 재귀 분석 빌려 준다. 상기 데이터의 요청받을 수 질문 원래 사용 프로브에 의해 제한되지만, 화상 데이터는 종종 의미들을 생성 연구 다루지 재분석 될 수있다.
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 보조금 CRUK 15043 및 CRUK 14251에 의해 지원되었다.
우리는 기술 지원 및 원고의 중요한 읽기 다니엘 Wetterskog 및 카 케이 호 감사합니다.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| AllStars negative control siRNA | Qiagen | 1027280 | Negative control siRNA. |
| CDK6 siRNA | Dharmacon/ Custom synthesis | NA | Antisense sequence: 5' CUCUAGGCCAGUCUUCUUCUU |
| RB1 siRNA | Dharmacon/ Custom synthesis | NA | Antisense sequence: 5' GGUUCAACUACGCGUGUAATT |
| 5x siRNA buffer | Thermo Scientific | B-002000-UB-100 | To be diluted with nuclease-free, non-DEPC treated water. |
| Nulcease-free water (non-DEPC) | Applied Biosystems | AM9937 | For dilution of siRNA buffer. |
| Hiperfect | Qiagen | 301705 | Transfection lipid. |
| DMEM | Life Technologies | 41966052 | Pyruvate and high-glucose supplemented tissue culture media. |
| 96 well tissue culture plate | Falcon | 3072 | Plain, 96-well tissue culture plate for the parallel, compartmentalized mixing of transfection complexes. |
| Packard Viewplate | Perkin Elmer LAS | 6005182 | 96 well TC plate with optical base on which cells are transfected, grown, fixed and eventually imaged. Supplied with opaque, adhesive plate seals, which are used during storage of used plates. |
| Breathable membrane | Alpha Labs | LW2783 | Sterile, gas-permeable, adhesive membrane. |
| Neutral buffered formalin, 10% | Sigma-Aldrich | HT5012-1CS | 10% Formalin (4% formaldehyde) fixative used neat in protocol. |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | X100PC | Non-ionic detergent |
| Tris | Sigma-Aldrich | T1503 | Trizma base (tris(hydroxymethyl)aminomethane) |
| Tween 20 | Sigma-Aldrich | P2287 | For plate wash solution. |
| Anti-P-S780 RB1 antibody | Abcam | ab32513 | Rabbit monoclonal |
| AlexaFluor647 Anti-rabbit | Invitrogen | A21245 | Highly cross-adsorbed, fluorescently labelled secondary antibody. |
| Hoechst 33342 (Bisbenzimide) | Sigma-Aldrich | B2261 | Fluorescent, chromatin-intercalating, DNA dye. |
| Permeabilization solution | NA | NA | 0.1% Triton X-100 in 50 mM Tris-buffered saline, pH 8.0. |
| Plate wash solution | NA | NA | Tris-buffered saline containing 0.1 % Tween-20. |
| Block solution | NA | NA | 5% powdered milk in Tris-buffered saline and 0.1% Tween-20. For blocking plate prior to immuno-staining and dilution of antibodies. |
| Cell Profiler 2.1 | Broad Institute | http://www.cellprofiler.org/download.shtml | |
| Active Perl Community Edition | ActiveState | http://www.activestate.com/activeperl/downloads | |
| R programming environment | The R Foundation | http://www.r-project.org | |
| Rstudio | Rstudio | http://www.rstudio.com/ |
References
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