Methods to accurately measure retinoic acid (RA) levels in small amounts of tissue do not exist. This protocol describes the easy, quantitative measurement of relative RA levels in E8.5 embryos and neurospheres using an RA reporter cell line.
Retinoic acid (RA) is an important developmental morphogen that coordinates anteroposterior and dorsoventral axis patterning, somitic differentiation, neurogenesis, patterning of the hindbrain and spinal cord, and the development of multiple organ systems. Due to its chemical nature as a small amphipathic lipid, direct detection and visualization of RA histologically remains technically impossible. Currently, methods used to infer the presence and localization of RA make use of reporter systems that detect the biological activity of RA. Most established reporter systems, both transgenic mice and cell lines, make use of the highly potent RA response element (RARE) upstream of the RAR-beta gene to drive RA-inducible expression of reporter genes, such as beta-galactosidase or luciferase. The transgenic RARE-LacZ mouse is useful in visualizing spatiotemporal changes in RA signaling especially during embryonic development. However, it does not directly measure overall RA levels. As a reporter system, the F9 RARE-LacZ cell line can be used in a variety of ways, from simple detection of RA to quantitative measurements of RA levels in tissue explants. Here we describe the quantitative determination of relative RA levels generated in embryos and neurosphere cultures using the F9 RARE-LacZ reporter cell line.
El ácido retinoico (RA) es un derivado de metabolito de retinol o vitamina A y se produce a través de la actividad secuencial de varias deshidrogenasas celulares 1. Debido a su naturaleza química anfipático, que atraviesa fácilmente las membranas de lípidos y puede actuar como un factor morfogenético soluble 1. Es una molécula esencial que regula numerosos procesos celulares de desarrollo y adultas, al actuar como un ligando para los receptores de retinoides nucleares y la activación de la expresión génica 2-10. Sin RA, estos receptores con AR (RAR) RARE se unen en el ADN y actúan como represores; RA unión a estos receptores los convierte en activadores de la transcripción resulta en la expresión de genes objetivo 1,5,6.
Aunque la vía de señalización RA está bien caracterizada, el pequeño tamaño (~ 300 Da) y la naturaleza anfipática de RA hace que la visualización directa histológico y la medición de la AR actualmente técnicamente inviable 11. El único método para direct medición de los niveles de AR es a través del aislamiento de la AR a partir de muestras de tejido utilizando cromatografía líquida de alta resolución (HPLC) 11. Este método requiere normalmente grandes cantidades de tejido, facilitado por la puesta en común de diferentes muestras 12. Por lo tanto, esta técnica es poco adecuado para la medición de los niveles de RA en los embriones individuales o pequeñas cantidades de muestra / tejido.
Con el fin de investigar la función celular de RA, varios métodos han sido desarrollados para inferir indirectamente la presencia de RA. Estos métodos hacen uso de los sistemas de indicador que contiene la gran capacidad de respuesta RAR-beta RARE conducir la expresión de beta-galactosidasa o luciferasa 11,13,14. El ratón transgénico reportero RARE-LacZ generada por Rossant et al. 13 es un sistema ideal para la visualización de regiones espacio-temporales de la señalización de RA in situ 11,13,15,16 pero no es adecuado para mediciones cuantitativas. La línea celular RARO-LacZ F9 14, en tque otra parte, es útil para la detección de la AR y mediciones cuantitativas de los niveles de RA en explantes de tejido 11,12,14,17,18.
Células de teratocarcinoma F9 expresan alfa endógeno, beta, y los receptores del ácido retinoico gamma-19, e inician la diferenciación en endodermo parietal después de la exposición a la AR 19-21. células F9 mucho tiempo se ha establecido como un modelo para la diferenciación celular inducida por RA, por lo que fue elegido como una línea celular ideal para un ensayo indicador de la AR. La línea celular reportera Sil-15 RA F9 derivados generada por Wagner et al. 14 contiene una E. coli'LacZ gen aguas abajo de una copia del elemento de respuesta al ácido retinoico de 64 pb (RARE) del gen del receptor de ácido retinoico beta-humana (RAR-beta). Con el fin de seleccionar y mantener clones estables, el constructo también contiene el gen aminoglucósido fosfotransferasa (NEO r) como un marcador de selección en presencia de G418. Esta construcción confers expresión inducible de b-galactosidasa en presencia de RA, que se puede visualizar a través de la tinción de LacZ y esta respuesta puede ser posteriormente cuantificado usando métodos colorimétricos 11,12,14,18.
Esta línea celular reportera extremadamente versátil ha sido ampliamente utilizado en la detección de la producción endógena RA a través de co-cultivo de las muestras de tejido con las células indicadoras, tales como cocleares 17 y embrionarias explantes placa de suelo 14. Además, esta línea reportero se ha utilizado para la cuantificación de los niveles de RA en la médula espinal en desarrollo mediante el cultivo de secciones agrupados de la médula espinal embrionarias por separado y la adición de medio acondicionado a partir de estos cultivos a células RARE-lacZ F9 18. La cuantificación se realizó después de la tinción de LacZ través de la lectura colorimétrica usando un lector de placas de ELISA convencional 11,12,18. Por último, esta línea celular reportero se ha utilizado en la detección de la presencia de enzimas metabólicas RA por monitoring cambios en los niveles de AR 12,18.
Aquí mostramos que la sensibilidad de este reportero línea celular también permite la medición de los niveles de AR generados a partir de co-cultivaron embriones E8.5 individuales. Esto permite la comparación entre embriones individuales de diferentes genotipos. Como ejemplo específico, Gpr161 es un GPCR huérfano que regula el tubo neural, en parte, a través de la vía de señalización de la AR 22, y se reporta el uso de esta línea celular reportero para investigar el efecto de una mutación recesiva en Gpr161 (Gpr161 VL) en los niveles globales de RA en el embrión. Además de esto, la versatilidad y facilidad de uso de este sistema reportero permite la libertad para medir y comparar los niveles de RA en diferentes muestras de tejido, incluso en cultivos de neuroesferas obtenidos a partir de células madre de la médula espinal del adulto. Aquí se describe la determinación cuantitativa de los niveles relativos de RA en embriones y cultivos de neuroesferas a través de co-cultivo directo con el F9 RARO-LacZ representante de la ARlínea celular Orter.
La línea celular RARE-LacZ F9 14 es un potente sistema que se puede utilizar para la detección de la AR producido por explantes de tejido 12,14,17,18. Es sensible a concentraciones tan bajas como RA 100 fM, sin respuesta no específica detectada en las células no tratadas con RA 12,14,18. Además, las células reportero responden a todo-trans RA de una manera lineal dentro de un rango específico de concentración, permitiendo así que la reacción de LacZ a cuantificarse y utilizarse para determinar la magnitud de los niveles de AR 12,14,18. El ensayo de indicador RA rápido y fácil que aquí se presenta utiliza la línea de células F9 reportero lacZ-RARE para la visualización (Figura 2) y la medición cuantitativa relativa (Figura 3) de los embriones y células madre neurales adultas cultivadas. Este sistema reportero permite la comparación de los niveles de AR endógenos entre las muestras individuales, como se muestra en la Figura 2. Es lo suficientemente sensible para ser capaz de detectar RAgenerada por embriones individuales E8.5 (Figura 2A), así como RA producidos por neuroesferas cultivadas (Figura 2B). La respuesta dependiente de la dosis de esta línea celular a concentraciones variables de RA permite la cuantificación de los niveles de RA (figura 3A) en las muestras así como la comparación de los niveles de AR relativa entre las muestras (Figura 3B). Es importante tener en cuenta que la línea celular reportera RARE F9 mide la cantidad total de la AR generada por las muestras de tejido durante el tiempo de incubación. Esto es equivalente al saldo neto de la síntesis de la AR y el catabolismo.
Si bien el sistema reportero de células raras-LacZ F9 es altamente sensible y versátil, hay varios pasos de solución de problemas críticos que hemos incorporado a fin de garantizar la fiabilidad de este sistema. En primer lugar, como se muestra en la Figura 1, es importante para mantener la salud de estas células por pasajes regulares sin dejar que gremar hasta la confluencia. En segundo lugar, hemos observado después pasajes tienden a resultar en respuestas RA inconsistentes, incluso si los cultivos se mantienen constantemente bajo selección con G418. Para solucionar este problema, se recomienda descartar los cultivos después de 20 pasajes y descongelar un nuevo vial. Además, los controles regulares deben llevarse a cabo para asegurar que las células reportero siguen siendo fuertes en responder a la presencia de la AR en los medios de comunicación. En tercer lugar, si los primeros pasajes muestran respuesta pobre o no uniforme a la AR (Figura 1B, a la izquierda), una o varias rondas de subclonación puede ser necesario hasta respondedores fuertes se obtienen (Figura 1B, t righ). Por último, antes de co-cultivo, se recomienda que las muestras de tejido, tales como embriones y neuroesferas se disocian a las células individuales. Hemos observado que la disociación de las muestras los resultados en mediciones colorimétricas más consistentes. Esto puede ser debido a una distribución más uniforme de la AR en los pocillos de cultivo, ya que las células disociadas son en uniformulario de contacto con las células indicadoras.
También se hicieron varias modificaciones al protocolo original 14. En primer lugar, la respuesta de las células RA RARO-LacZ F9 se cuantificaron mediante la fijación directa de las células y midiendo la absorbancia a 610 nm en lugar de recoger las células y el análisis de lisado para la actividad b-galactosidasa 14. Otra modificación es el co-cultivo directo de las muestras disociadas con F9 RARO-LacZ antes de la cuantificación de la respuesta de la AR. Los métodos anteriores informaron cultivo de las muestras por separado y añadiendo solamente los medios de comunicación de estos cultivos a F9 RARO-LacZ 16,18.
A pesar de ser un sistema de gran alcance, el ensayo reportero lacZ RARO-F9 tiene varias limitaciones. Una limitación de esta línea celular reportera es que a pesar de que responde fuertemente a la presencia de todo-trans RA, sino que también responde a otros isómeros de ácido retinoico, incluyendo 9-cis-RA y 13-cis-RA; sin embargo, son 100 veces más sensible a todo-trans RA comparojo para los otros isómeros 18. Otra limitación de este sistema es que la respuesta dependiente de la dosis lineal solamente cae entre 10 -13 M a 10 -7 M en-RA 14,18; Por lo tanto, si la comparación de los niveles de AR fuera de estos límites, puede ser necesario realizar una dilución en serie de la muestra hasta que las mediciones caen dentro del rango lineal. Por último, ya que éste es principalmente un ensayo colorimétrico, el punto final de desarrollo del color puede variar entre muestras y experimentos. Por lo tanto, es importante que una curva estándar siempre ser plateado en paralelo para cada experimento con el fin de utilizarlo para la cuantificación de la respuesta de células reportero.
En conclusión, se ha informado del uso de la línea celular reportero lacZ RARO-RA F9 para medir los niveles de AR cuantitativamente en embriones E8.5 y, no declarada previamente, en neuroesferas. La versatilidad de este sistema reportero puede permitir la cuantificación de los niveles de RA en prácticamente cualquier tipo de célula o tejido, y may como resultado el desarrollo de diversas aplicaciones en el futuro.
The authors have nothing to disclose.
We would like to acknowledge Dr. Michael Wagner (SUNY Downstate Medical Center) and Ben Thiede (Dr. Jeff Corwin lab, University of Virginia) for providing us with the F9 RARE-LacZ cells and technical support. This study is funded by the New Jersey Commission on Spinal Cord Research (NJCSCR) (Grantnumber:10-3092-SCR-E-0) and the New Jersey Commission on Brain Injury Research (NJCBIR) (Grant number: CBIR13FEL006).
C3H/HeSn-Gpr161vl/J mouse strain | Jackson Laboratory | 000316 | |
F9 RARE-LacZ reporter cell line | from Dr. Michael Wagner (SUNY Downstate Medical Center) and Ben Thiede (Dr. Jeff Corwin lab, University of Virginia) | ||
DMEM/F-12 (with L-glutamine and HEPES) | ThermoFisher Scientific | 11330-057 | |
Fetal Bovine Serum (FBS), qualified | ThermoFisher Scientific | 26140-079 | Store at -20 °C in 10-ml aliquots to avoid repeated freeze-thaw; warm in 37 C for media preparation |
Penicillin/Streptomycin | ThermoFisher Scientific | 15140-122 | Store at -20 °C in 10-ml aliquots to avoid repeated freeze-thaw; light-sensitive |
G418 | ThermoFisher Scientific | 10131-027 | Store at 4 °C; light-sensitive |
2% Gelatin | Sigma Aldrich | G1393 | Store at 4 °C |
B-27 supplement (2 % stock solution) | ThermoFisher Scientific | 17504-044 | Store at -20 °C in 1-ml aliquots to avoid repeated freeze-thaw; warm at room temperature for media preparation |
Murine Epidermal Growth Factor (EGF) | PeproTech | 315-09 | Prepare 100 μg/ml stock solution in 0.1% bovine serum albumin (BSA) in 1X PBS; prepare working concentrations by diluting with 1X PBS; store at -20 °C |
Murine Fibroblast Growth Factor (FGF)-basic | PeproTech | 450-33 | Prepare 100 μg/ml stock solution in 0.1% bovine serum albumin (BSA) in 1X PBS; prepare working concentrations by diluting with 1X PBS; store at -20 °C |
50% glutaraldehyde | Amresco | M155 | Store at 4 C |
Sodium deoxycholate monohydrate (C24H39NaO4 · H2O) | Sigma Aldrich | D5670 | Store at room temperature |
potassium ferrocyanide (K₄[Fe(CN)₆] · 3H₂O) | Sigma Aldrich | P-9387 | Store at room temperature |
potassium ferricyanide (K₃[Fe(CN)₆]) | Sigma Aldrich | P-8131 | Store at room temperature |
X-gal (5-bromo-4-chloro-3-indolyl-β-d-galactopyranoside) | Promega | V3941 | Store stock at -20 °C |
Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Sigma Aldrich | 41639 | Store at room temperature |
all-trans Retinoic Acid (at-RA) | Sigma Aldrich | R-2625 | Store 1 ml aliquots of stock in -80 °C; extremely sensitive to light |
TrypLE Express | ThermoFisher Scientific | 12605-010 | Store at room temperature |
0.25% trypsin-EDTA | ThermoFisher Scientific | 25200-056 | alternative to TrypLE Express; aliquot and store at -20 C |
Hank's Balanced Salt Solution (HBSS) | ThermoFisher Scientific | 14170-112 | Store at 4 C |
10X phosphate buffered solution (PBS) | ThermoFisher Scientific | 10010-023 | Store at 4 C |
Papain | Worthington | LK003176 | Store at 4 °C. |
Trypsin | Worthington | LS003703 | Store in 1 ml aliquots at -20 °C. |
Hyaluronic acid | Calbiochem | 385908 | Store 200 μl aliquots at -20 °C. |
DNaseI | Worthington | LS002139 | Store in 200 μl aliquots at -20 C |
Kynurenic acid | Sigma Aldrich | K3375 | Store in 200 μl aliquots at -20 C |
95% ethanol | |||
Mr. Frosty Freezing container | ThermoFisher Scientific | 5100-0001 | |
10 cm culture dish (non-cell culture treated) | |||
10 cm culture dish (cell culture treated) | |||
6 cm culture dish (non-cell culture treated) | |||
96-well cell culture plates | |||
1.5 ml microcentrifuge tubes | |||
1.5 ml amber microcentrifuge tubes | |||
1.5 ml cryovials | |||
37 °C water bath | |||
surgical scissors | |||
fine surgical scissors | |||
no. 5 forceps | |||
blunt-ended forceps | |||
scalpel blade | |||
glass pasteur pipettes | |||
cotton | |||
alcohol lamp | |||
ELISA plate reader | |||
stereomicroscope |