細(xì)胞譜系示蹤技術(shù)

細(xì)胞譜系示蹤技術(shù)

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生理科學(xué)進展2014年第45卷第5期·379·倡細(xì)胞譜系示蹤技術(shù)1111,2,△李曉剛蘇楠杜曉蘭陳林1(第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所創(chuàng)傷實驗室,骨代謝與修復(fù)中心,創(chuàng)傷、燒傷與復(fù)合傷國家重點實驗室;2康復(fù)理療科,重慶400042)摘要細(xì)胞譜系示蹤(celllineagetracing)是指利用各種方式標(biāo)記細(xì)胞,并對包括其后代所有細(xì)胞的增殖、分化以及遷移等活動進行追蹤觀察。自20世紀(jì)以來,譜系示蹤技術(shù)為研究器官發(fā)育、組織損傷修復(fù)以及單細(xì)胞的分化命運提供了重要的手段。近些年,隨著基因工程技術(shù)的飛速發(fā)展,細(xì)胞譜系示蹤技術(shù)也有所突破,尤其是誘導(dǎo)性重組酶Cre/loxp系統(tǒng)的應(yīng)用,極大地拓寬了細(xì)胞譜系示蹤技術(shù)的應(yīng)用范圍。本文將結(jié)合細(xì)胞譜系示蹤技術(shù)在多種研究中的應(yīng)用,對該技術(shù)的原理、特點以及最新進展做一綜述。關(guān)鍵詞譜系示蹤;基因打靶;活體示蹤中圖分類號Q33;R3941111,2,△1CellLineageTracingLIXiao-Gang,SUNan,DUXiao-Lan,CHENLin(StateKeyLaboratoryofTrauma,BurnsandCombinedInjury,CenterofBoneMetabolismandRepair,InstituteofSurgeryRe-2search;DepartmentofRehabilitationMedcine,DapingHospital,ThirdMilitaryMedicalUniversity,Chongqing400042,China)AbstractCelllineagetracingistotrackcertaincellandallofitsprogeny.Fromthe20thcentury,line-agetracinghasprovidedapredominantmethodtostudyorgandevelopment,tissuerepairiaedcellfate-de-termination.Recently,therapiddevelopmentoftechniqueforgeneengineering,especiallytheapplica-tionofCre/loxprecombinasesystemexpandstheapplicationrangeoflineagetracing.Herewediscusstheapplicationoflineagetracingtechniqueindifferentstudies,andsummarizethecharacteristicsandre-centprogressesofthistechnique.Keywordslineagetracing;genetargeting;invivocelltracking多細(xì)胞生物的生長發(fā)育基于細(xì)胞分裂和分化。程,其根本是發(fā)育問題。但細(xì)胞示蹤是一個較籠統(tǒng)在哺乳動物的胚胎發(fā)育早期階段,每個細(xì)胞就已經(jīng)的概念,指標(biāo)記和追蹤細(xì)胞。被賦予了特定的分化潛能(celltotipotency),這種特對于細(xì)胞示蹤技術(shù)的探索起源于20世紀(jì)初,早性在后期發(fā)育過程中才逐漸表現(xiàn)出來,最終分成為在1905年,Conklin等利用了海鞘胚胎早期分裂球不同的組織、器官類型。另外一方面,某些終末分化著色差異的特性,對分裂球的分裂過程進行觀察,的成體細(xì)胞在一定的生理或者病理條件下會發(fā)生去Wetwel等則應(yīng)用了慢速攝影(time-lapsecinematog-分化(dedifferentiation)或者轉(zhuǎn)分化(transdifferentia-raphy)技術(shù)拍攝活體胚胎的發(fā)育。此后,研究者嘗tion),變?yōu)榱硗庖环N細(xì)胞或組織類型,例如腫瘤的試?yán)盟苄匀玖稀⒅苄匀玖?、過氧化物酶以及熒[1]發(fā)生、心臟成纖維細(xì)胞再編程轉(zhuǎn)分化為心肌細(xì)胞光染料等,通過物理的方式注入到細(xì)胞內(nèi)對其進行等現(xiàn)象。細(xì)胞的命運決定是指單個細(xì)胞及其所有后標(biāo)記追蹤,盡管這些技術(shù)手段解決了當(dāng)時的一些問代細(xì)胞的分化和發(fā)育活動,對細(xì)胞的命運決定進行追蹤和觀察稱為細(xì)胞譜系示蹤。細(xì)胞譜系示蹤和廣倡國家重大科學(xué)計劃(973)(2014CB942904),國家自然科學(xué)義上的細(xì)胞示蹤(celltracking)有本質(zhì)區(qū)別,細(xì)胞譜基金項目(81270012,81170809)資助課題△系示蹤所要研究的問題是一種細(xì)胞的命運改變過通訊作者

1·380·生理科學(xué)進展2014年第45卷第5期題,然而在現(xiàn)在看來還存在許多缺陷。首先通過物較高能量激發(fā)光激發(fā)時發(fā)生構(gòu)象改變而引起。理的方法無法保證精準(zhǔn)地標(biāo)記目標(biāo)細(xì)胞;其次,在細(xì)熒光蛋白由于熒光信號強,便于觀察追蹤,現(xiàn)已胞的分裂過程中標(biāo)記染料會被逐漸稀釋直至消失,廣泛應(yīng)用示蹤研究中,其中最常用的熒光蛋白為綠傳統(tǒng)的標(biāo)記手段也無法有效的對單個細(xì)胞及其后代色熒光蛋白,盡管其熒光強度較紅色熒光蛋白稍弱,細(xì)胞進行永久的標(biāo)記。但它對細(xì)胞毒性最小。另外,串聯(lián)型二聚體tdToma-隨著基因工程技術(shù)的成熟,利用基因打靶技術(shù)to也是一種常用的熒光蛋白,它是紅色熒光蛋白的的細(xì)胞譜系示蹤逐漸發(fā)展起來。首先,在示蹤標(biāo)記變異體,具有強于綠色熒光蛋白的熒光強度,并且能物的應(yīng)用方面,內(nèi)源性遺傳標(biāo)記物取代外源性標(biāo)記很快降解成單體減少對細(xì)胞毒性作用。然而,熒光物,該類標(biāo)記發(fā)生于基因水平,能夠克服傳統(tǒng)標(biāo)記物蛋白的局限在于熒光發(fā)光必須依賴于激發(fā)光,因此的局限和缺點;其次,在標(biāo)記的方式上也有很大突熒光信號極易受到周圍組織干擾。最近Saito等人[4]破,由“宏觀”的物理標(biāo)記法逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔⒂^”的基研究了一種新型自主發(fā)光蛋白Nano-lantern,這種因打靶標(biāo)記,這從根本上解決了物理標(biāo)記過程造成新型蛋白是由海腎熒光素酶和一種具有高效生物發(fā)細(xì)胞損傷以及隨著傳代標(biāo)記會被稀釋的問題;最后,光共振能量轉(zhuǎn)移性的熒光蛋白融合而成,它能夠在在追蹤手段上,通過借助光學(xué)顯微鏡,可在活體內(nèi)對活動小鼠體內(nèi)顯示清晰地顯示熒光信號,以觀察體細(xì)胞進行追蹤和觀察。內(nèi)單細(xì)胞、或者特定組織器官的生理活動情況。除一、細(xì)胞示蹤標(biāo)記方法及應(yīng)用此之外,利用Cre/Loxp位點特異性重組系統(tǒng)構(gòu)建的[5](一)遺傳性標(biāo)記物遺傳性標(biāo)記物是指由基雙熒光mT/mG小鼠也基于熒光蛋白的特性,它因編碼的可以穩(wěn)定遺傳的,并且其本身具有易識別能夠在Cre的作用下改變熒光顏色,從而提高了細(xì)性的標(biāo)志分子。除此之外,還具備無毒性、不影響細(xì)胞在組織內(nèi)分辨率。胞本身代謝和結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。3.β-半乳糖苷酶(β-galactosidase,β-gal):β-半1.熒光素酶:將熒光素酶基因整合入細(xì)胞,表達(dá)乳糖苷酶是LacZ基因的表達(dá)產(chǎn)物,已廣泛應(yīng)用于基熒光素酶,通過控制底物,可以觀察到被標(biāo)記細(xì)胞發(fā)因表達(dá)調(diào)控研究。β-半乳糖苷酶可催化乳糖水解,光現(xiàn)象,波長范圍在500~700nm,其發(fā)光本質(zhì)為酶用X-Gal為底物進行染色時呈藍(lán)色,這一特性使其催化底物的化學(xué)發(fā)光反應(yīng)。目前常用的熒光素酶有易于觀察和檢測。但是它最大的缺點為不能在活體北美螢火蟲螢光素酶(Northamericafireflylucifer-內(nèi)觀察。[2]ase)和海腎螢光素酶(renillaluciferase),熒光波綜上所述,遺傳性標(biāo)記物與以往傳統(tǒng)的細(xì)胞標(biāo)長分別為540~600nm和460~540nm。由熒光素酶記物最大的區(qū)別在于它不會向臨近細(xì)胞污染擴散,催化底物發(fā)光的方式不需要激發(fā)光,光能來源于酶能夠穩(wěn)定的表達(dá),并且隨著細(xì)胞的分裂,標(biāo)記也會遺催化反應(yīng),因此發(fā)光只發(fā)生在活體細(xì)胞內(nèi),它很大程傳給子代細(xì)胞。在研究中,除上述三種最常見遺傳度上避免了激發(fā)光造成的光噪現(xiàn)象。這種發(fā)光方式標(biāo)記物之外,還有很多其他類型遺傳標(biāo)記物,例如堿[6,7]具有一定的組織穿透性,Yi等在體外利用攜帶熒光性磷酸酶、c-myc等。然而,不同的遺傳性標(biāo)記素酶基因的質(zhì)粒轉(zhuǎn)染神經(jīng)祖細(xì)胞,之后移植到裸鼠物都有其各自的特點,應(yīng)根據(jù)研究目的選擇合適的大腦內(nèi),通過應(yīng)用熒光素酶底物結(jié)合成像設(shè)備觀標(biāo)記物,另外還需考慮標(biāo)記物對細(xì)胞本身的影響,研[3]察到神經(jīng)祖細(xì)胞向膠質(zhì)瘤的遷移活動。然而,究的組織類型以及實驗動物等因素。熒光素酶的缺點是其催化發(fā)光極易淬滅,同時底(二)標(biāo)記方式物也具有免疫原性,并且不適用于固定的標(biāo)本中1.轉(zhuǎn)染和轉(zhuǎn)導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用:轉(zhuǎn)染(transfection)發(fā)光。指真核細(xì)胞由于外源DNA摻入而獲得新的遺傳標(biāo)2.熒光蛋白:最早的熒光蛋白由Shimomura等志的過程。外源基因進入細(xì)胞主要有四種方法,包(1962)在Aequoreavictoria水母體內(nèi)發(fā)現(xiàn),隨后相繼括電擊法、磷酸鈣法、脂質(zhì)體介導(dǎo)法以及病毒介導(dǎo)發(fā)現(xiàn)了30多種波長不同的熒光蛋白,包括綠色熒光法。Holt等(1990)利用脂質(zhì)體將熒光素酶cDNA轉(zhuǎn)蛋白、黃色熒光蛋白、紅色熒光蛋白及橙色熒光蛋白染到爪蟾胚胎的腦神經(jīng)元中,觀察視網(wǎng)膜發(fā)育過程等。與熒光素酶催化底物發(fā)光的方式不同,熒光蛋中神經(jīng)元分化命運。Itasaki等(1999)則運用電轉(zhuǎn)的白不需要注射底物,發(fā)光的原理是自身蛋白構(gòu)象在方式將外源標(biāo)志基因轉(zhuǎn)入禽類胚胎中。盡管目前轉(zhuǎn)

2生理科學(xué)進展2014年第45卷第5期·381·染技術(shù)越來越成熟,但由于轉(zhuǎn)染對細(xì)胞傷害性較大,上更高。Cre重組酶由Sternberg等在P1噬菌體中會影響細(xì)胞正常的生長發(fā)育,加之遺傳標(biāo)記在細(xì)胞發(fā)現(xiàn),是一種特異性重組酶,能夠介導(dǎo)由34bp的內(nèi)表達(dá)效率及穩(wěn)定性等問題,導(dǎo)致該種方式應(yīng)用“Loxp”鉚定的基因序列特異性重組,完成對同向較少?!埃蹋铮稹毙蛄兴T定基因片段的切除以及對向[11,12]運用病毒轉(zhuǎn)導(dǎo)(transduction)是將外源基因整合“Loxp”鉚釘基因的倒位。入目的細(xì)胞的另外一種方式。這種源于細(xì)菌遺傳學(xué)Joyner等人最早將Cre/Loxp系統(tǒng)應(yīng)用于體內(nèi)[13,14]的研究手段已經(jīng)應(yīng)用于哺乳動物的細(xì)胞示蹤。Le-細(xì)胞譜系示蹤研究。他們在研究大腦發(fā)育過mischka等在體外利用逆轉(zhuǎn)錄病毒將c-myc基因轉(zhuǎn)程中構(gòu)建了兩種轉(zhuǎn)基因小鼠,一種是在β-actin基因?qū)胄∈笤煅杉?xì)胞,然后將其注射給受大劑量射的啟動子后插入標(biāo)志基因LacZ,該標(biāo)志基因的表達(dá)線輻照的小鼠,進而追蹤被標(biāo)記的外源造血干細(xì)胞被一段由同向“Loxp”鉚釘?shù)摹埃樱裕希小毙蛄兴蓴_,[7]在體內(nèi)的活動情況。然而這種傳統(tǒng)的逆轉(zhuǎn)錄病另外一種小鼠則是在Engrailed2(En2)啟動子后插毒轉(zhuǎn)導(dǎo)方式只能是在體外進行操作。入Cre基因。當(dāng)這兩種轉(zhuǎn)基因品系的小鼠雜交后,RCAS(replication-competentaviansarcoma-leu-表達(dá)En2的細(xì)胞會產(chǎn)生Cre酶,進而切除“STOP”序kosisviruslongterminalrepeatwithspliceacceptor)系列,標(biāo)志基因LacZ就能成功表達(dá)。利用該方法,統(tǒng)可以在體內(nèi)指定時間和特定部位控制逆轉(zhuǎn)錄病毒Joyner等人證實了En2陽性的細(xì)胞在小鼠中腦發(fā)育[15]將外源基因轉(zhuǎn)導(dǎo)入細(xì)胞內(nèi),它的主要原理為Rous中的重要作用。此后,Soriano等構(gòu)建了在RO-sarcomavirusA(RSV-A)病毒只能感染表達(dá)禽類SA26位點插入LacZ報告基因的基因定點敲入?。裕郑潦荏w的細(xì)胞,通過控制病毒感染時間和應(yīng)用組鼠,該小鼠基于ROSAβgeo26基因捕獲(Gene-trap)[8~10][16]織特異性表達(dá)TVA受體的小鼠品系,能夠?qū)崿F(xiàn)小鼠品系,定點敲入的LacZ基因上游插入被同對轉(zhuǎn)導(dǎo)時空特異性控制。目前,RCAS系統(tǒng)已經(jīng)成向“Loxp”位點鉚釘“STOP”序列,從而指示Cre表熟應(yīng)用于細(xì)胞示蹤研究,Doetsch等利用RCAS系統(tǒng)達(dá)。該小鼠與轉(zhuǎn)基因小鼠相比,敲入基因表達(dá)效率將堿性磷酸酶ALP整合入小鼠大腦室下帶星形膠更高,并且不會干擾其他基因的正常表達(dá)。質(zhì)細(xì)胞內(nèi)作為標(biāo)記,發(fā)現(xiàn)室下帶星形膠質(zhì)細(xì)胞在正與以往的細(xì)胞示蹤手段相比,Cre/loxp系統(tǒng)的[6]常條件和損傷修復(fù)時均有神經(jīng)干細(xì)胞的特性。標(biāo)記方式具有良好的靶向性,只會在表達(dá)組織特異與轉(zhuǎn)染質(zhì)粒相比,逆轉(zhuǎn)錄病毒感染對細(xì)胞毒性小,但性啟動子的細(xì)胞內(nèi)發(fā)生,很大程度上避免了錯誤標(biāo)是它主要的問題是只能標(biāo)記有分裂能力的細(xì)胞,另記的問題。此外,Cre/loxp系統(tǒng)最大的優(yōu)點是對基外一方面,逆轉(zhuǎn)錄病毒載體也會發(fā)生表達(dá)沉默的現(xiàn)因組進行了修飾,具有遺傳特征,發(fā)育過程中表達(dá)過象,且實驗操作難度較大。Cre的細(xì)胞以及其后代所有的細(xì)胞都會被永久地標(biāo)2.轉(zhuǎn)基因與基因打靶技術(shù)的應(yīng)用:基因打靶技記。然而,這一特點也導(dǎo)致無法對標(biāo)記時間進行術(shù)是建立在胚胎干細(xì)胞技術(shù)和同源重組技術(shù)上的一控制。種定向改變活體生物遺傳信息的實驗手段,它能使為了解決標(biāo)記時間特異性的問題,Metzger等在[17]修飾后的遺傳信息在生物活體內(nèi)遺傳并且穩(wěn)定表Cre/Loxp基礎(chǔ)上制作了一種新的小鼠模型,這種達(dá)。自上世紀(jì)80年代第一例基因剔除小鼠產(chǎn)生以模型利用了雌激素受體為核受體的性質(zhì),借此調(diào)控來,基因打靶技術(shù)發(fā)展迅速,給生命科學(xué)領(lǐng)域研究帶Cre入核的時間。該模型中的Cre與經(jīng)修飾的人類來革命性的變化。雌激素受體配體結(jié)合域融合在一起表達(dá)(Cre-T細(xì)胞譜系示蹤技術(shù)需要體內(nèi)對特定的組織、細(xì)ER),該受體不結(jié)合雌二醇,對他莫昔芬(tamox-胞類型在特定的時間段進行標(biāo)記,而基因打靶技術(shù)ifen)有親和性。在沒有他莫西芬的狀況下,由于雌中的位點特異性重組酶(sitespecificrecombinase,激素受體停留在細(xì)胞質(zhì)中,導(dǎo)致Cre也無法進入細(xì)SSR)系統(tǒng)可以滿足這種需求。SSR主要有兩個成胞核,只有在外源性他莫西芬的條件下,Cre才能伴員:來自埃希氏大腸桿菌噬菌體P1的Cre/Loxp重隨雌激素受體進入細(xì)胞核,實現(xiàn)對Loxp片段的重組組酶系統(tǒng)和來自酵母的FLP/FRT系統(tǒng)。兩種系統(tǒng)修飾。因此,只要控制他莫西芬的注射時間就能實原理相似,都是在特異性位點切割和連接DNA,然現(xiàn)對敲除事件進行時間上的控制(圖1A)。Barker[18,19]而兩種系統(tǒng)相比以Cre/Loxp重組酶系統(tǒng)重組效率等利用Lgr5-EGFP-creERT2基因敲入小鼠和

3·382·生理科學(xué)進展2014年第45卷第5期ROSA26-LacZ小鼠交配后(圖1B),在一定的時間段LoxP-STOP-LoxP-EYFP報告小鼠交配后追蹤神經(jīng)膠內(nèi)注射他莫西芬,使在該時間段表達(dá)lgr5的細(xì)胞被質(zhì)祖細(xì)胞。這種方法很大程度避免了Cre在目的細(xì)LacZ永久標(biāo)記。通過觀察被標(biāo)記細(xì)胞的活動情況,胞之外的組織表達(dá)的問題,但是目前應(yīng)用還比較少,發(fā)現(xiàn)在60天內(nèi)表達(dá)LacZ的細(xì)胞會逐漸分化為各種有待進一步地研究。類型的腸道上皮細(xì)胞,證明了Lgr5基因特異性地在腸道上皮干細(xì)胞中表達(dá),提示其為腸道干細(xì)胞的標(biāo)志基因。圖2Split-Cre示意圖(修改自Hirrlinger等,PLoSOne,2009,4瞷e4286)3.復(fù)合式標(biāo)記:相比單一標(biāo)記的基因報告小鼠,復(fù)合式標(biāo)記方式能更好地指示目的細(xì)胞的位置。最早的復(fù)合式標(biāo)記小鼠包括Z/AP和Z/EG,兩者都是基于Cre/loxp系統(tǒng)建立的。Z/AP小鼠中由于“Loxp”鉚釘?shù)摩拢纾澹锘蚋蓴_其后的ALP表達(dá),因此在表達(dá)活性Cre之前所有細(xì)胞呈LacZ染色陽性,而經(jīng)重組修飾后β半乳糖苷酶停止表達(dá),目的細(xì)胞[21]轉(zhuǎn)變?yōu)楸磉_(dá)ALP。Z/AP小鼠的局限在于陽性細(xì)胞不能用于流式細(xì)胞檢測,并且兩種標(biāo)記方式都只能通過切片染色方式觀察。原理與Z/AP小鼠相[22]似,Z/EG小鼠是由LacZ與EGFP組成,它的優(yōu)點在于能夠在活體組織中觀察EGFP熒光,因此更[5]容易追蹤被標(biāo)記的細(xì)胞。雙熒光蛋白mT/mG小鼠是另外一種復(fù)合式標(biāo)記小鼠,在Cre介導(dǎo)重組修飾后,mT/mG小鼠由表達(dá)tdTomato轉(zhuǎn)變?yōu)椋牛牵疲校詧D1Cre-ER原理及應(yīng)用(圖3)。除此之外,該小鼠所表達(dá)的tdTomato及(修改自Barker等.Nature,2007,449瞷1003~1007)EGFP都具有細(xì)胞膜靶向性,因此,該小鼠能在激發(fā)光條件下以不同于未標(biāo)記細(xì)胞的熒光顏色顯示被標(biāo)綜上所述,Cre/loxp系統(tǒng)已經(jīng)成為條件性基因記細(xì)胞,極大地提高了觀察分辨率。Bowman等利調(diào)控的較理想工具,并且已經(jīng)成熟地應(yīng)用于細(xì)胞示用Rosa26-mT/mG小鼠與Axin2CreERT2小鼠證明蹤研究。然而,并不是所有的啟動子都能特異性地了Wnt/β-catenin信號通路在整個發(fā)育過程中對神表達(dá)于單一類型的細(xì)胞,示蹤研究中用來驅(qū)動Cre[23]經(jīng)干細(xì)胞功能及穩(wěn)態(tài)的重要作用。多熒光標(biāo)記表達(dá)的啟動子往往會同時表達(dá)于多種細(xì)胞或者組織[24]系統(tǒng)“Brainbow”是應(yīng)用于斑馬魚的復(fù)合式標(biāo)記類型,這樣就不利于研究特定細(xì)胞的活動。Hir-系統(tǒng),它能使體內(nèi)不同細(xì)胞顯示不同顏色的熒光信[20]rlinger等設(shè)計了“Split-cre”系統(tǒng),在這種系統(tǒng)中號,Pan等發(fā)現(xiàn)在“Brainbow”系統(tǒng)內(nèi)各種細(xì)胞由于Cre被分做C端和N端兩部分,兩者分別由兩種不不同熒光蛋白疊加所產(chǎn)生的多種熒光顏色可以隨著同的啟動子驅(qū)動表達(dá),當(dāng)兩者同時出現(xiàn)在同一種細(xì)細(xì)胞傳代而穩(wěn)定遺傳。胞時,才會形成有功能的Cre(圖2)。以此為基礎(chǔ),綜上所述,復(fù)合式標(biāo)記系統(tǒng)極大地提高了被標(biāo)研究者利用神經(jīng)膠質(zhì)原纖維酸性蛋白(gfap)和髓鞘記細(xì)胞的辨識度,尤其是結(jié)合于影像學(xué)技術(shù),例如單蛋白脂蛋白1(plp1)啟動子分別驅(qū)動Cre酶的C端光子顯微鏡、雙光子顯微鏡及IVIS等設(shè)備時可以滿和N端表達(dá),通過構(gòu)建轉(zhuǎn)基因小鼠,與ROSA26-足活體細(xì)胞示蹤的需要。

4生理科學(xué)進展2014年第45卷第5期·383·有組織穿透力強、熒光信噪比高以及光毒性小等優(yōu)[28]點。在最初階段,雙光子顯微鏡的應(yīng)用主要集中于斑馬魚等體型較小、透光性好的動物中。另外對于觀察的組織類型,其在軟組織中成像效果明顯優(yōu)于骨骼等硬組織,這主要是因為雙光子顯微鏡穿透深度的限制。隨著技術(shù)設(shè)備的提高,雙光子顯微鏡已經(jīng)能夠用于哺乳動物硬組織的研究。最近,Kiku-ta等人通過將GFP定點基因敲入作為破骨細(xì)胞特異性內(nèi)源性標(biāo)記物,之后利用雙光子顯微鏡直觀地觀察了活體小鼠顱骨骨髓腔中RANKL以及Th17[29]細(xì)胞對破骨細(xì)胞的調(diào)控作用,為“骨骼動態(tài)組織圖3mT/mG復(fù)合式標(biāo)記系統(tǒng)[30]學(xué)”研究奠定了一定的基礎(chǔ)。綜上所述,雙光子(修改自Muzumdar等,Genesis,2007,45瞷593~605)顯微鏡系統(tǒng)更著重于精確地顯示局部單個或者極少數(shù)細(xì)胞細(xì)微的活動狀態(tài),而不能顯示細(xì)胞在整體水(三)內(nèi)源性標(biāo)記的活體示蹤內(nèi)源性標(biāo)記的平大范圍的活動情況?;铙w示蹤相比外源性標(biāo)記示蹤更能闡明細(xì)胞在體內(nèi)二、結(jié)語與展望真實的分化發(fā)育及遷移情況。近些年來,分子影像細(xì)胞譜系示蹤所關(guān)注的問題是細(xì)胞及其所有后學(xué)(molecularimaging)的發(fā)展為活體細(xì)胞示蹤開辟代細(xì)胞分化發(fā)育的最終命運及遷移活動。在研究對了新的途徑。利用內(nèi)源性遺傳標(biāo)記物的光學(xué)特性結(jié)象上,細(xì)胞譜系示蹤早期大多以低等動物例如海鞘、合分子影像學(xué)技術(shù)手段可以實現(xiàn)對目的細(xì)胞在活體果蠅,斑馬魚等為主,但隨著技術(shù)的進步研究逐漸向內(nèi)進行可視化實時性追蹤。IVISspectrum成像系統(tǒng)哺乳動物之類的高等動物轉(zhuǎn)變;在研究方法上,基因和雙光子顯微鏡(two-photonexcitationmicroscopy)打靶技術(shù)已成為細(xì)胞譜系示蹤技術(shù)有力的工具,尤是近些年發(fā)展的應(yīng)用于小動物活體示蹤研究的成像其是各種基因工程小鼠為細(xì)胞譜系示蹤研究提供了系統(tǒng)。良好模型,另外CRISPR/Cas系統(tǒng)也有望應(yīng)用于細(xì)IVISspectrum成像系統(tǒng)可用于小動物長期觀胞譜系示蹤研究。然而,在觀測手段上目前大多數(shù)測,具有功能性光學(xué)成像和結(jié)構(gòu)性CT成像功能。的細(xì)胞譜系示蹤局限于傳統(tǒng)的組織形態(tài)學(xué)技術(shù),不它能夠檢測動物體內(nèi)生物發(fā)光及熒光,結(jié)合CT掃能觀察細(xì)胞在活體內(nèi)真實的活動情況。因此,借助描,最終以3D圖形的方式顯示目的細(xì)胞在體內(nèi)活于先進光學(xué)設(shè)備的活體細(xì)胞譜系示蹤體現(xiàn)了極大的動狀態(tài)。IVISspectrum系統(tǒng)最早常應(yīng)用于腫瘤發(fā)優(yōu)勢,它允許在活體內(nèi)連續(xù)地對標(biāo)記細(xì)胞進行實時[25,26]生、發(fā)展及治療的研究,通常的實驗方法是在追蹤觀察。體外利用熒光素酶標(biāo)記腫瘤細(xì)胞系,再移植入裸鼠綜上所述,細(xì)胞譜系示蹤技術(shù)為探究正常發(fā)育、體內(nèi),利用IVISspectrum系統(tǒng)觀察腫瘤細(xì)胞的活疾病發(fā)生及損傷修復(fù)過程中細(xì)胞的來源問題提供了動。與熒光素酶相比,大多數(shù)熒光蛋白光波長都低更加直觀有力的研究方法和科學(xué)的研究手段,尤其于600nm,位于350nm~550nm之間,因此極易被組是借助于雙光子顯微鏡等先進光學(xué)設(shè)備的活體細(xì)胞織吸收,不利于IVISspectrum系統(tǒng)檢測。Katush-譜系示蹤,結(jié)合單細(xì)胞基因組學(xué)等領(lǐng)域?qū)⒂型_啟[27]ka是一種遠(yuǎn)紅光熒光蛋白,其熒光波長大于發(fā)育生物學(xué)及疾病機制研究的新篇章。600nm,當(dāng)利用Cre/loxp系統(tǒng)將Katushka作為目的細(xì)胞內(nèi)源性標(biāo)記時,可以利用IVISspectrum系統(tǒng)進參考文獻行活體檢測。IVISspectrum成像系統(tǒng)適用于小動物整體水平的示蹤研究,能較好地顯示目的細(xì)胞在體1QianL,HuangY,SpencerCI,etal.Invivoreprogrammingof內(nèi)所處的解剖位置。然而,它對于單個細(xì)胞具體的murinecardiacfibroblastsintoinducedcardiomyocytes.Na-活動狀態(tài)不能精確顯示,例如細(xì)胞的形態(tài)、數(shù)量與運ture,2012,485瞷593~598.動等。2McCaffreyA,KayMA,ContagCH.Advancingmolecular雙光子激發(fā)顯微鏡與普通激光顯微鏡相比,具therapiesthroughinvivobioluminescentimaging.MolIma-

5·384·生理科學(xué)進展2014年第45卷第5期ging,2003,2瞷75~86.SciUSA,1997,94瞷3789~3794.3TangY,ShahK,MesserliSM,etal.Invivotrackingof17MetzgerD,ChambonP.Site-andtime-specificgenetarge-neuralprogenitorcellmigrationtoglioblastomas.HumGenetinginthemouse.Methods,2001,24瞷71~80.Ther,2003,14瞷1247~1254.18BarkerN,HuchM,KujalaP,etal.Lgr5(+ve)stemcells4SaitoK,ChangYF,HorikawaK,etal.Luminescentpro-driveself-renewalinthestomachandbuildlong-livedgas-teinsforhigh-speedsingle-cellandwhole-bodyimaging.Nattricunitsinvitro.CellStemCell,2010,6瞷25~36.Commun,2012,3瞷1262.19BarkerN,vanEsJH,KuipersJ,etal.Identificationof5MuzumdarMD,TasicB,MiyamichiK,etal.Aglobalstemcellsinsmallintestineandcolonbymarkergenedouble-fluorescentCrereportermouse.Genesis,2007,45瞷Lgr5.Nature,2007,449瞷1003~1007.593~605.20HirrlingerJ,SchellerA,HirrlingerPG,etal.Split-cre6DoetschF,CailleI,LimDA,etal.Subventricularzoneas-complementationindicatescoincidentactivityofdifferenttrocytesareneuralstemcellsintheadultmammalianbrain.genesinvivo.PLoSOne,2009,4瞷4286.Cell,1999,97瞷703~716.21LobeCG,KoopKE,KreppnerW,etal.Z/AP,adouble7LemischkaIR,RauletDH,MulliganRC.Developmentalpo-reporterforcre-mediatedrecombination.DevBiol,1999,tentialanddynamicbehaviorofhematopoieticstemcells.208瞷281~292.Cell,1986,45瞷917~927.22NovakA,GuoC,YangW,etal.Z/EG,adoublereporter8HughesSH,GreenhouseJJ,PetropoulosCJ,etal.Adaptormouselinethatexpressesenhancedgreenfluorescentpro-plasmidssimplifytheinsertionofforeignDNAintohelper-teinuponCre-mediatedexcision.Genesis,2000,28瞷independentretroviralvectors.JVirol,1987,61瞷3004~147~155.3012.23BowmanAN,vanAmerongenR,PalmerTD,etal.Line-9VonWerderA,SeidlerB,SchmidRM,etal.ProductionofagetracingwithAxin2revealsdistinctdevelopmentalanda-avianretrovirusesandtissue-specificsomaticretroviralgenedultpopulationsofWnt/beta-catenin-responsiveneuraltransferinvivousingtheRCAS/TVAsystem.NatProtoc,stemcells.ProcNatlAcadSciUSA,2013,110瞷7324~2012,7瞷1167~1183.7329.10PetropoulosCJ,HughesSH.Replication-competentretro-24LivetJ,WeissmanTA,KangH,etal.Transgenicstrategiesvirusvectorsforthetransferandexpressionofgenecas-forcombinatorialexpressionoffluorescentproteinsinthesettesinaviancells.JVirol,1991,65瞷3728~3737.nervoussystem.Nature,2007,450瞷56~62.11SternbergN,HamiltonD.BacteriophageP1site-specificre-25KimJB,UrbanK,CochranE,etal.Non-invasivedetec-combination.I.RecombinationbetweenloxPsites.JMoltionofasmallnumberofbioluminescentcancercellsinvi-Biol,1981,150瞷467~486.vo.PLoSOne,2010,5瞷9364.12NagyA.Crerecombinase:theuniversalreagentforgenome26LimE,ModiKD,KimJ.Invivobioluminescentimagingoftailoring.Genesis,2000,26瞷99~109.mammarytumorsusingIVISspectrum.JVisExp,2009,13SongDL,ChalepakisG,GrussP,etal.TwoPax-bindingApr29;(26).pii:1210.doi:10.3791/1210.sitesarerequiredforearlyembryonicbrainexpressionofan27Dieguez-HurtadoR,MartinJ,Martinez-CorralI,etal.AEngrailed-2transgene.Development,1996,122瞷627~Cre-reportertransgenicmouseexpressingthefar-redfluo-635.rescentproteinKatushka.Genesis,2011,49瞷36~45.14ZinykDL,MercerEH,HarrisE,etal.Fatemappingofthe28BewersdorfJ,PickR,HellSW.Multifocalmultiphotonmi-mousemidbrain-hindbrainconstrictionusingasite-specificcroscopy.OptLett,1998,23瞷655~657.recombinationsystem.CurrBiol,1998,8瞷665~668.29KikutaJ,WadaY,KowadaT,etal.Dynamicvisualiza-15SorianoP.GeneralizedlacZexpressionwiththeROSA26tionofRANKLandTh17-mediatedosteoclastfunction.JCrereporterstrain.NatGenet,1999,21瞷70~71.ClinInvest,2013,123瞷866~873.16ZambrowiczBP,ImamotoA,FieringS,etal.Disruptionof30IshiiM,FujimoriS,KanekoT,etal.Dynamicliveima-overlappingtranscriptsintheROSAbetageo26genetrapgingofbone:openinganewerawith'bonehistodynametry'.strainleadstowidespreadexpressionofbeta-galactosidaseJBoneMinerMetab,2013,31瞷507~511.inmouseembryosandhematopoieticcells.ProcNatlAcad

6細(xì)胞譜系示蹤技術(shù)作者:李曉剛,蘇楠,杜曉蘭,陳林,LIXiao-Gang,SUNan,DUXiao-Lan,CHENLin作者單位:李曉剛,蘇楠,杜曉蘭,LIXiao-Gang,SUNan,DUXiao-Lan(第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所創(chuàng)傷實驗室,骨代謝與修復(fù)中心,創(chuàng)傷、燒傷與復(fù)合傷國家重點實驗室),陳林,CHENLin(第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所創(chuàng)傷實驗室,骨代謝與修復(fù)中心,創(chuàng)傷、燒傷與復(fù)合傷國家重點實驗室;第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院康復(fù)理療科,重慶400042)刊名:生理科學(xué)進展英文刊名:ProgressinPhysiologicalSciences年,卷(期):2014(5)參考文獻(30條)1.QianL;HuangY;SpencerCIInvivoreprogrammingofmurinecardiacfibroblastsintoinducedcardiomyocytes20122.McCaffreyA;KayMA;ContagCHAdvancingmoleculartherapiesthroughinvivobioluminescentimaging20033.TangY;ShahK;MesserliSMInvivotrackingofneuralprogenitorcellmigrationtoglioblastomas20034.SaitoK;ChangYF;HorikawaKLuminescentpro-teinsforhigh-speedsingle-cellandwhole-bodyimaging20125.MuzumdarMD;TasicB;MiyamichiKAglobaldouble-fluorescentCrereportermouse20076.DoetschF;CailleI;LimDASubventricularzoneas-trocytesareneuralstemcellsintheadultmammalianbrain19997.LemischkaIR;RauletDH;MulliganRCDevelopmentalpo-tentialanddynamicbehaviorofhematopoieticstemcells19868.HughesSH;GreenhouseJJ;PetropoulosCJAdaptorplasmidssimplifytheinsertionofforeignDNAintohelper-independentretroviralvectors19879.VonWerderA;SeidlerB;SchmidRMProductionofavianretrovirusesandtissue-specificsomaticretroviralgenetransferinvivousingtheRCAS/TVAsystem201210.PetropoulosCJ;HughesSHReplication-competentretro-virusvectorsforthetransferandexpressionofgenecas-settesinaviancells199111.SternbergN;HamiltonDBacteriophageP1site-specificre-combination.I.RecombinationbetweenloxPsites198112.NagyACrerecombinase:theuniversalreagentforgenometailoring200013.SongDL;ChalepakisG;GrussPTwoPax-bindingsitesarerequiredforearlyembryonicbrainexpressionofanEngrailed-2transgene199614.ZinykDL;MercerEH;HarrisEFatemappingofthemousemidbrain-hindbrainconstrictionusingasite-specificrecombinationsystem199815.SorianoPGeneralizedlacZexpressionwiththeROSA26Crereporterstrain199916.ZambrowiczBP;ImamotoA;FieringSDisruptionofoverlappingtranscriptsintheROSAbetageo26genetrapstrainleadstowidespreadexpressionofbeta-galactosidaseinmouseembryosandhematopoieticcells1997

717.MetzgerD;ChambonPSite-andtime-specificgenetarge-tinginthemouse200118.BarkerN;HuchM;KujalaPLgr5(+ve)stemcellsdriveself-renewalinthestomachandbuildlong-livedgas-tricunitsinvitro201019.BarkerN;vanEsJH;KuipersJIdentificationofstemcellsinsmallintestineandcolonbymarkergeneLgr5200720.HirrlingerJ;SchellerA;HirrlingerPGSplit-crecomplementationindicatescoincidentactivityofdifferentgenesinvivo200921.LobeCG;KoopKE;KreppnerWZ/AP,adoublereporterforcre-mediatedrecombination199922.NovakA;GuoC;YangWZ/EG,adoublereportermouselinethatexpressesenhancedgreenfluorescentpro-teinuponCre-mediatedexcision200023.BowmanAN;vanAmerongenR;PalmerTDLine-agetracingwithAxin2revealsdistinctdevelopmentalanda-dultpopulationsofWnt/beta-catenin-responsiveneuralstemcells201324.LivetJ;WeissmanTA;KangHTransgenicstrategiesforcombinatorialexpressionoffluorescentproteinsinthenervoussystem200725.KimJB;UrbanK;CochranENon-invasivedetec-tionofasmallnumberofbioluminescentcancercellsinvi-vo201026.LimE;ModiKD;KimJInvivobioluminescentimagingofmammarytumorsusingIVISspectrum2009(26)27.Dieguez-HurtadoR;MartinJ;Martinez-CorralIACre-reportertransgenicmouseexpressingthefar-redfluo-rescentproteinKatushka201128.BewersdorfJ;PickR;HellSWMultifocalmultiphotonmi-croscopy199829.KikutaJ;WadaY;KowadaTDynamicvisualiza-tionofRANKLandTh17-mediatedosteoclastfunction201330.IshiiM;FujimoriS;KanekoTDynamicliveima-gingofbone:openinganewerawith'bonehistodynametry'2013引用本文格式:李曉剛.蘇楠.杜曉蘭.陳林.LIXiao-Gang.SUNan.DUXiao-Lan.CHENLin細(xì)胞譜系示蹤技術(shù)[期刊論文]-生理科學(xué)進展2014(5)

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