שימוש באנלוגי פירימידין, 5-Iodo-2′-Deoxyuridine (IdU) עם סמני מחזור התא כדי לקבוע שלבי מחזור התא בפלטפורמת ציטומטריית מסה
Summary
פרוטוקול זה מתאים את מדידות מחזור התא לשימוש בפלטפורמת ציטומטריית מסה. עם היכולות מרובות הפרמטרים של ציטומטריית מסה, מדידה ישירה של שילוב יוד מאפשרת זיהוי תאים בפאזה S בעוד סמני מחזור תוך תאיים מאפשרים אפיון של כל מצב מחזור תא במגוון תנאי ניסוי.
Abstract
ויסות שלב מחזור התא הוא היבט חשוב של התפשטות התא והומאוסטזיס. שיבוש מנגנוני הבקרה השולטים במחזור התא הוא מאפיין של מספר מחלות, כולל סרטן. חקר מחזור התא מחייב את היכולת להגדיר את מספר התאים בכל חלק של התקדמות מחזור התא, כמו גם לתחום בבירור בין כל שלב במחזור התא. הופעתה של ציטומטריית מסה (MCM) מספקת פוטנציאל עצום לאנליזה של תא בודד בתפוקה גבוהה באמצעות מדידות ישירות של איזוטופים יסודיים, ופיתוח שיטה למדידת מצב מחזור התא על ידי MCM מרחיב עוד יותר את התועלת של MCM. כאן אנו מתארים שיטה המודדת ישירות 5-יודו-2′-דאוקסיורידין (IdU), בדומה ל-5-ברומו-2′-דאוקסיורידין (BrdU), במערכת MCM. השימוש ב-MCM מבוסס IdU זה מספק מספר יתרונות. ראשית, IdU משולב במהירות בדנ”א במהלך הסינתזה שלו, ומאפשר מדידה אמינה של תאים בשלב S עם דגירות קצרות של 10-15 דקות. שנית, IdU נמדד ללא צורך בנוגדנים משניים או צורך בפירוק DNA. שלישית, ניתן לשלב צביעת IdU בקלות עם מדידה של ציקלין B1, חלבון רטינובלסטומה פוספורילציה (pRb) והיסטון H3 פוספורילציה (pHH3), אשר ביחד מספקים תיחום ברור של חמשת שלבי מחזור התא. שילוב של סמני מחזור תאים אלה עם מספר הפרמטרים הגבוה האפשרי עם MCM מאפשר שילוב עם מדדים רבים אחרים.
Introduction
ציטומטריית מסה מאפשרת זיהוי של כ-40 פרמטרים תוך ניצול הרזולוציה הגבוהה והאופי הכמותי של ספקטרוסקופיית מסות. נוגדנים המסומנים במתכת משמשים במקום נוגדנים מצומדים פלואורופורים המאפשרים מספר גבוה יותר של ערוצים ומייצרים זליגה מינימלית 1,2. ל-MCM יתרונות וחסרונות ביחס לניתוח מחזור התא בהשוואה לציטומטריית זרימה. אחד היתרונות העיקריים של MCM הוא שמספר הפרמטרים הגדול מאפשר מדידה סימולטנית של מצב מחזור התא על פני מספר רב של סוגי תאי T אימונופנוטיפיים שונים בדגימות הטרוגניות מאוד. MCM שימש בהצלחה למדידת מצב מחזור התא במהלך המטופויזיס נורמלי במח עצםאנושי 3 ומודלים מורינים טרנסגניים של מחסור בטלומראז4. ניתוח מצב מחזור התא בלוקמיה מיאלואידית חריפה (AML) הראה כי מחזור התא מתואם עם תגובות ידועות לטיפולים קליניים, ומספק תובנה in vivo לגבי מאפיינים תפקודיים שיכולים לסייע בבחירת טיפול5. יתרון שני של ניתוח מחזור תא ציטומטרי מסה הוא היכולת למדוד מספר רב של סמנים פונקציונליים אחרים שעשויים להיות מתואמים עם מצב מחזור התא. עבודות אחרונות הצליחו לקשר בין סינתזת חלבונים ורנ”א לבין מצב מחזור התא באמצעות שימוש בנוגדנים מתויגים ב-IdU ובמתכת ל-BRU ול-rRNA6. סוג זה של ניתוח פרמטרי ביותר המודד את מצב מחזור התא על פני אוכלוסיות רבות ברצף של התמיינות יהיה כמעט בלתי אפשרי עם טכנולוגיית ציטומטריית הזרימה הנוכחית. החיסרון העיקרי של MCM הוא היעדר כתמי DNA או RNA דומים לאלה המשמשים בציטומטריית זרימה פלואורסצנטית (למשל, DAPI, Hoechst, Pyronin Y וכו ‘). צבעים פלואורסצנטיים יכולים לתת מדידות מדויקות יחסית של תכולת הדנ”א והרנ”א, אך דיוק זה אפשרי רק בשל השינויים בתכונות הפלואורסצנטיות של צבעים אלה המתרחשים באינטרקלציה בין בסיסי נוקלאוטידים. לפיכך, ניתוח MCM אינו מסוגל למדוד את תכולת הדנ”א או הרנ”א בדיוק דומה. במקום זאת, ניתוח מחזור תא ציטומטרי מסה מסתמך על מדידות של חלבונים הקשורים למצב מחזור התא כגון ציקלין B1, חלבון רטינובלסטומה פוספורילציה (pRb), והיסטון H3 פוספורילציה (pHH3) בשילוב עם מדידה ישירה של אטום היוד משילוב IdU בתאים בשלב S. שתי גישות מדידה אלה מניבות תוצאות דומות מאוד במהלך התרבות תאית רגילה, אך עלולות להיות צורמות כאשר התקדמות מחזור התא משתבשת.
מדידת מספר התאים בכל שלב במחזור התא חשובה להבנת התפתחות תקינה של מחזור התא, כמו גם הפרעה במחזור התא, אשר נצפתה בדרך כלל בסרטן ובמחלות אימונולוגיות. MCM מספק מדידה אמינה של גורמים חוץ-תאיים ותוך-תאיים באמצעות נוגדנים מתויגים מתכתית; עם זאת, מדידת פאזת S הייתה מוגבלת מכיוון שאינטרקלטור הדנ”א המבוסס על אירידיום לא היה מסוגל להבדיל בין דנ”א 2N לדנ”א 4N. על מנת להגדיר את שלבי מחזור התא, פיתח בהבהאני שיטה המשתמשת ב-IdU בעל מסה של 127, הנמצאת בטווח של ציטומטר המסה ומאפשרת מדידה ישירה של תאים בשלב S3. מדידה ישירה זו עוקפת את הצורך בנוגדנים משניים או בשימוש בחומרים דנטורינג DNA כגון חומצה או DNase. בשילוב עם סמני מחזור תוך תאיים, הוא מאפשר רזולוציה גבוהה של התפלגות מחזור התא במודלים ניסיוניים.
פרוטוקול זה מתאים מדידות מחזור תא מפרוטוקולי ציטומטריית זרימה נפוצים עבור MCM. השיטות שלנו מספקות דרך נוחה ופשוטה לכלול פרמטרים של מחזור התא. שילוב IdU של דגימות חוץ גופיות דורש רק 10 עד 15 דקות של דגירה ב 37 מעלות צלזיוס, שהוא קצר יותר מרוב פרוטוקולי צביעת BrdU הממליצים על זמני דגירה של מספר שעות 3,7. ניתן לתקן דגימות משולבות של IdU ו- BrdU באמצעות מייצב פרוטאומי ולאחר מכן לאחסן אותן למשך זמן מה במקפיא של -80 מעלות צלזיוס. הדבר מאפשר לאחסן מספר גדול של דגימות מוכתמות ב-IdU לצורך ניתוח אצווה ללא ירידה באיכות הדגימה.
Protocol
Representative Results
Discussion
הדוגמאות המובאות כאן מדגימות כיצד להשתמש בפלטפורמת MCM כדי לנתח את התפלגות מחזור התא. כמו כן, הוכח כי ניתוח מחזור התא רגיש לתנאי ניסוי כגון זמן וטמפרטורה, וזהו שיקול חשוב שחוקרים חייבים לקחת כאשר הם שוקלים MCM עבור ניתוח מחזור התא שלהם14. דגימות שהושארו באחסון לפרק זמן קצר, לא יותר…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצים להודות למאמציהם של פאלאק סכרי, חוסאם אלח’לאיילה, הסיאוצ’י צ’אנג וג’סטין לייברגר על תמיכתם הניסיונית. עבודה זו נתמכה על ידי תוכנית מלגות פלוטוניה (Pelotonia Fellowship Program). כל הדעות, הממצאים והמסקנות המובעים בחומר זה הם של המחבר(ים) ואינם משקפים בהכרח את אלה של תוכנית מלגות פלוטוניה”.
Materials
| Bovine Serum Albumin (BSA) | Sigma | A3059 | Component of CSM |
| Centrifuge | Thermo Scientific | 75-217-420 | Sample centrifugation |
| Cleaved-PARP (D214) | BD Biosciences | F21-852 | Identification of apoptotic cells |
| Cyclin B1 | BD Biosciences | GNS-1 | G2 Resolution |
| Dimethylsulfoxide (DMSO) | Sigma | D2650 | Cryopreservative |
| EQ Four Element Calibration Beads | Fluidigm | 201078 | Internal metal standard for CyTOF performance |
| FACS Tube w/ mesh strainer | Corning | 08-771-23 | Cell strainer to remove clumps/debris before CyTOF run |
| Fetal Bovine Serum (FBS) | VWR | 97068-085 | Cell culture growth supplement |
| Helios | Fluidigm | CyTOF System/Platform | |
| Heparin | Sigma | H3393 | Staining additive to prevent non-specific staining |
| IdU (5-Iodo-2′-deoxyuridine) | Sigma | I7125 | Incorporates in S-phase |
| Ki-67 | eBiosciences | SolA15 | Confirmation of G0/G1 |
| MaxPar Multi Label Kit | Fluidigm | 201300 | Metal labeling kit, attaches metals to antibodies |
| Microplate Shaker | Thermo Scientific | 88880023 | Mixing samples during staining |
| Paraformaldehyde (PFA) | Electron Microscopy Services | 15710 | Fixative |
| pentamethylcyclopentadienyl-Ir(III)-dipyridophenazine | Fluidigm | 201192 | Cell identification during CyTOF acquisition |
| p-H2AX (S139) | Millipore | JBW301 | Detection of DNA damage |
| p-HH3 (S28) | Biolegend | HTA28 | M-phase Resolution |
| Phosphate Buffered Saline (PBS) | Gibco | 14190-144 | Wash solution for cell culture and component of fixative solution |
| p-Rb (S807/811) | BD Biosciences | J112906 | G0/G1 Resolution |
| Proteomic Stabilizer | SmartTube Inc | PROT1 | Sample fixative |
| RPMI 1640 | Gibco | 21870-076 | Cell culture growth medium |
| Sodium Azide | Acros Organics | AC447810250 | Component of CSM/Antibody buffer, biocide |
References
- Ornatsky, O., Baranov, V. I., Bandura, D. R., Tanner, S. D., Dick, J. Multiple cellular antigen detection by ICP-MS. Journal of Immunological Methods. 308 (1-2), 68-76 (2006).
- Ornatsky, O. I., et al. Study of cell antigens and intracellular DNA by identification of element-containing labels and metallointercalators using inductively coupled plasma mass spectrometry. Analytical Chemistry. 80 (7), 2539-2547 (2008).
- Behbehani, G. K., Bendall, S. C., Clutter, M. R., Fantl, W. J., Nolan, G. P. Single-cell mass cytometry adapted to measurements of the cell cycle. Cytometry A. 81 (7), 552-566 (2012).
- Raval, A., et al. Reversibility of Defective Hematopoiesis Caused by Telomere Shortening in Telomerase Knockout Mice. PLoS One. 10 (7), 0131722 (2015).
- Behbehani, G. K., et al. Mass Cytometric Functional Profiling of Acute Myeloid Leukemia Defines Cell-Cycle and Immunophenotypic Properties That Correlate with Known Responses to Therapy. Cancer Discovery. 5 (9), 988-1003 (2015).
- Kimmey, S. C., Borges, L., Baskar, R., Bendall, S. C. Parallel analysis of tri-molecular biosynthesis with cell identity and function in single cells. Nature Communications. 10 (1), 1185 (2019).
- Rabinovitch, P. S., Kubbies, M., Chen, Y. C., Schindler, D., Hoehn, H. BrdU-Hoechst flow cytometry: a unique tool for quantitative cell cycle analysis. Experimental Cell Research. 174 (2), 309-318 (1988).
- Rahman, A. H., Tordesillas, L., Berin, M. C. Heparin reduces nonspecific eosinophil staining artifacts in mass cytometry experiments. Cytometry A. 89 (6), 601-607 (2016).
- McCarthy, R. L., Duncan, A. D., Barton, M. C. Sample Preparation for Mass Cytometry Analysis. Journal of Visualized Experiments. (122), e54394 (2017).
- Behbehani, G. K. Immunophenotyping by Mass Cytometry. Methods in Molecular Biology. 2032, 31-51 (2019).
- Leipold, M. D., Maecker, H. T. Mass cytometry: protocol for daily tuning and running cell samples on a CyTOF mass cytometer. Journal of Visualized Experiments. (69), e4398 (2012).
- Finck, R., et al. Normalization of mass cytometry data with bead standards. Cytometry A. 83 (5), 483-494 (2013).
- Kotecha, N., Krutzik, P. O., Irish, J. M. Web-based analysis and publication of flow cytometry experiments. Current Protocols in Cytometry. , 17 (2010).
- Devine, R. D., Sekhri, P., Behbehani, G. K. Effect of storage time and temperature on cell cycle analysis by mass cytometry. Cytometry A. 93 (11), 1141-1149 (2018).
- Campos, L., et al. Expression of immunological markers on leukemic cells before and after cryopreservation and thawing. Cryobiology. 25 (1), 18-22 (1988).
- Kadic, E., Moniz, R. J., Huo, Y., Chi, A., Kariv, I. Effect of cryopreservation on delineation of immune cell subpopulations in tumor specimens as determinated by multiparametric single cell mass cytometry analysis. BMC Immunology. 18 (1), 6 (2017).
- Shabihkhani, M., et al. The procurement, storage, and quality assurance of frozen blood and tissue biospecimens in pathology, biorepository, and biobank settings. Clinical Biochemistry. 47 (4-5), 258-266 (2014).
