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凋亡細(xì)胞核DNA片段檢測方法進(jìn)展

瀏覽次數(shù):4436 發(fā)布日期:2008-4-23  來源:本站 僅供參考,謝絕轉(zhuǎn)載,否則責(zé)任自負(fù)
摘 要:當(dāng)今生物學(xué)領(lǐng)域的研究一個(gè)熱點(diǎn)之一是細(xì)胞凋亡。開展對(duì)細(xì)胞凋亡的研究,首先要解決是方法學(xué)問題。作者從凋亡細(xì)胞的特征性核DNA片段檢測著手,闡述了多種凋亡細(xì)胞核DNA片段檢測方法以及近年來的一些新進(jìn)展。

細(xì)胞凋亡(apoptosis)又稱細(xì)胞凋謝或稱程序性細(xì)胞死亡(Programmed cell death,PCD),是有別于細(xì)胞壞死而受基因控制的一種主動(dòng)性細(xì)胞自殺過程。對(duì)細(xì)胞凋亡的研究已成為當(dāng)今生物學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。開展對(duì)細(xì)胞凋亡的研究,首先要解決的是方法學(xué)問題。根據(jù)凋亡細(xì)胞的生化特征檢測組織或培養(yǎng)細(xì)胞中的細(xì)胞凋亡發(fā)生狀況,是一種特異而敏感的方法,特別是與其他方法(如流式細(xì)胞儀)結(jié)合后,可以對(duì)細(xì)胞凋亡進(jìn)行定性和定量的研究。下面根據(jù)生化特征檢測細(xì)胞凋亡的方法學(xué)及有關(guān)進(jìn)展作一綜述。

1 瓊脂糖凝膠電泳
細(xì)胞凋亡最顯著而具特征性的生化特征是DNA降解為大約由180~200 bp或其多聚體組成的寡核苷酸片段,瓊脂糖凝膠電泳可見特征性的“梯狀(Ladder)”帶。有些類型的細(xì)胞發(fā)生凋亡時(shí)DNA并不降解成寡核小體片段[1],有證據(jù)表明[1,2]:凋亡細(xì)胞的DNA降解,早先可產(chǎn)生一些DNA大片段,可以是30~50、200~300、700 kb或更大,隨后再降解成180~200 bp的寡核小體片段或不出現(xiàn)這一步[3]。根據(jù)上述細(xì)胞凋亡的生化特點(diǎn),列舉幾種常見的瓊脂糖凝膠電泳方法。

1.1 常規(guī)的瓊脂糖凝膠電泳

1.1.1 經(jīng)典的瓊脂糖凝膠電泳[3] 該方法主要用蛋白酶K消化和酚、氯仿,異戊醇抽提去蛋白,無水乙醇和乙酸鈉沉淀DNA,然后行瓊脂糖凝膠電泳。該方法提取的DNA純度高。缺點(diǎn)是過程較復(fù)雜,所需時(shí)間較長,小片段DNA易丟失,且實(shí)驗(yàn)人員需與酚、氯仿等有毒物質(zhì)接觸。
1.1.2 簡易的DNA提取方法[4,5] 有許多種提取凋亡細(xì)胞核DNA的方法,如乙醇固定、磷酸-枸櫞酸(PC)緩沖液提取法,TritonX-100低滲處理細(xì)胞DNA小片段提取法等。這些方法的特點(diǎn)是方法簡便、快速;選擇性提取小片段DNA,因而敏感性較高;無需與酚、氯仿等毒性試劑接觸。

1.2 [6]反轉(zhuǎn)電場凝膠電泳(Field inversion gel elec-trophoresis,F(xiàn)IGE)由于細(xì)胞凋亡的某一階段可產(chǎn)生大片段DNA,用常規(guī)的瓊脂糖凝膠電泳是檢測不出來的,這時(shí)得用FIGE技術(shù),F(xiàn)IGE對(duì)只產(chǎn)生大片段DNA而沒有寡核小體片段產(chǎn)生的細(xì)胞凋亡特別有用,結(jié)合形態(tài)學(xué)改變,可檢測較早期的細(xì)胞凋亡。

1.3 彗星鑒定(Comet assay)[7] 彗星鑒定又稱單細(xì)胞凝膠電泳鑒定(Single cell gel assay)或微凝膠電泳(Microgel electrophoresis)。由于電泳的結(jié)果很象彗星,故名“彗星鑒定”。主要用于檢測少量單個(gè)細(xì)胞(Individual cells)DNA損傷的程度。主要分為兩大類:中性彗星鑒定和堿性彗星鑒定,分別檢測雙鏈和單鏈DNA片段。彗星的形成是因?yàn)橛袚p傷的DNA在電泳中從細(xì)胞核中釋放出來發(fā)生遷移,有多種方法估計(jì)和定量彗星形成的類型。一種常用而準(zhǔn)確的方法是分析一種稱之為tail moment的終點(diǎn)(endpoint)現(xiàn)象,包括了尾長(Tail length)和尾部中總DNA的部分。分析tail moment可同時(shí)得知最小的發(fā)生了遷移的DNA(反映在彗星尾的長度)和被釋放或斷裂的DNA片段(通過尾部DNA的熒光強(qiáng)度反映出來)。
彗星鑒定可用于檢測凋亡細(xì)胞寡核小體片段,在中性和堿性彗星鑒定中其終點(diǎn)現(xiàn)象都很明顯。在標(biāo)準(zhǔn)的堿性彗星鑒定中,凋亡細(xì)胞DNA片段遷移的長度是沒受損傷細(xì)胞的幾倍。彗星鑒定檢測DNA斷鏈極為敏感,有人認(rèn)為比流式細(xì)胞儀方法還能更早地檢測出凋亡細(xì)胞。特別適用于少數(shù)甚至單個(gè)細(xì)胞的檢測。

1.4 瓊脂糖凝膠電泳的定量檢測常規(guī)瓊脂糖凝膠電泳檢測凋亡細(xì)胞中的寡核小體片段的缺點(diǎn)是敏感性不高,且不能定量。有學(xué)者[8]在常規(guī)瓊脂糖凝膠電泳的基礎(chǔ)上,將放射性同位素P32標(biāo)記寡核小體片段的5’末端,在X光片上放射自顯影成像,并用特定的設(shè)備分析計(jì)算進(jìn)行定量研究。該方法的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度極高,是常規(guī)瓊脂糖凝膠電泳的1000~2000倍,能檢測出極微量的寡核小體片段(pg級(jí)),且能進(jìn)行定量。但因需與放射性同位素接觸,又需要一定的專門設(shè)備,從而其應(yīng)用受到限制。

2 原位末端標(biāo)記(in situ end-labeling,ISEL)技術(shù)
原位末端標(biāo)記是將摻入到凋亡細(xì)胞中的外源性核苷酸在某種酶的催化下與凋亡細(xì)胞中的單股或雙股斷鏈相結(jié)合,并通過一定的顯示系統(tǒng)使之顯示出來。通常有兩種方法,一是末端脫氧核苷酸轉(zhuǎn)移酶介導(dǎo)的dUTP缺口末端標(biāo)記,簡稱TUNEL鑒定;二是DNA聚合酶I或Klenow大片段介導(dǎo)的原位缺口翻譯,簡稱ISNT鑒定。在不考慮所使用的酶時(shí),統(tǒng)稱為原位末端標(biāo)記(in situ end-labeling,ISEL)[9,10]。這兩種方法用于檢測組織或培養(yǎng)細(xì)胞中凋亡細(xì)胞的核斷裂片段,可以檢測早期的細(xì)胞凋亡[10],且特異性和敏感性都是較高的。特別是近年來,通過在方法學(xué)上的不斷改進(jìn),其敏感性有了很大的提高。就其敏感性而言,TUNEL鑒定高于ISNT鑒定[10,11]。根據(jù)標(biāo)記在dUTP上的標(biāo)記物和顯示系統(tǒng)的不同,可分別作組織切片凋亡細(xì)胞和培養(yǎng)細(xì)胞涂片的原位檢測及培養(yǎng)細(xì)胞的流式細(xì)胞儀檢測。

2.1 ISNT(in situ nick translation)[12,13,14,15] ISNT鑒定的基本原理是基于細(xì)胞凋亡時(shí)產(chǎn)生DNA斷鏈,斷鏈有一粘性末端,一條含有游離的3''羥基末端,另一條有伸出的5''末端。利用Klenow大片段的5''-3''聚合酶活性,可將外源摻入的生物素-dUTP從3''羥基末端起始經(jīng)5''-3''方向連接在斷端上,通過帶有辣根過氧化物酶的卵白素(avidin)與之結(jié)合,經(jīng)DAB顯色,便可觀察到細(xì)胞是否存在有核苷酸摻入的DNA斷端。該方法主要用于組織切片的原位檢測,也可用于細(xì)胞涂片的檢測。對(duì)組織切片進(jìn)行預(yù)處理是必要的,可以提高該方法的敏感性和消除假陽性及非特異性染色

2.2 TUNEL(Terminal deoxynucleotidyl transferase-mediated dUTP nick end-labeling,) TUNEL鑒定的原理與ISNT鑒定相似,所需試劑也與ISNT鑒定相似,不同的是介導(dǎo)的酶是TdT,無需dATP、dCTP、dGTP。用于組織切片和培養(yǎng)細(xì)胞的檢測,其敏感性較ISNT要高。近年來,該方法經(jīng)過眾多的學(xué)者的改進(jìn),其特異性特別是敏感性方面有很大的提高。就提高敏感性而言,組織切片和細(xì)胞的預(yù)處理是很重要的。Negoescu等[9]比較了幾種固定劑(包括甲醛、多聚甲醛、丙酮、B5、Bouin’s固定液和甲醇)和預(yù)處理方法(包括去垢劑、蛋白酶和微波爐處理)對(duì)敏感性的影響,結(jié)果顯示:在沒有作預(yù)處理時(shí),TUNEL鑒定的敏感性很差,只有3%~17%的具有凋亡細(xì)胞形態(tài)學(xué)特征的細(xì)胞被標(biāo)記上;在使用了預(yù)處理方法后,無論何種固定劑,其敏感性都有所提高。比較了去垢劑(如Triton)、蛋白酶、蛋白酶結(jié)合微波爐和單獨(dú)微波爐預(yù)處理組織和細(xì)胞,以單獨(dú)微波爐處理的效果最好。可將敏感性提高4~30倍,特異性沒有多大的改變。

2.3 凋亡細(xì)胞的TUNEL和ISNT鑒定的流式細(xì)胞儀分析[16]對(duì)于培養(yǎng)的細(xì)胞,可以將TUNEL或ISNT鑒定同流式細(xì)胞儀結(jié)合起來分析其發(fā)生凋亡的情況。待檢細(xì)胞與含有TdT或DNA聚合酶I或Klenow片段及生物素標(biāo)記的dUTP反應(yīng)液共孵育一段時(shí)間后,加入熒光素(常用FITC)標(biāo)記的鏈霉抗生物素蛋白(streptavidin),使之特異性地與掛在DNA斷鏈上的生物素結(jié)合,然后在流式細(xì)胞儀上分析熒光強(qiáng)度,可結(jié)合其他的熒光染色方法(如PI染色和熒光免疫表型鑒定)行多參數(shù)的流式細(xì)胞儀分析,使之有很廣的應(yīng)用價(jià)值。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)有:可根據(jù)熒光強(qiáng)度對(duì)凋亡細(xì)胞作出定量分析;可以區(qū)別凋亡和壞死;結(jié)合表型鑒定,確定不同來源的細(xì)胞群中某一或幾種細(xì)胞亞群的凋亡;其檢測與凋亡相關(guān)的DNA降解片段的特異性和敏感性比瓊脂糖凝膠電泳高得多,能檢測出少于(2~5)×103個(gè)細(xì)胞的DNA斷鏈。

3 細(xì)胞凋亡的ELISA檢測[17]
細(xì)胞凋亡ELISA檢測就是基于酶聯(lián)免疫吸附夾心法測定原理,用單克隆抗DNA抗體和抗組蛋白抗體直接檢測DNA和組蛋白,可特異性定量檢測細(xì)胞溶解物細(xì)胞漿成分中的單和寡核苷酸小體。其優(yōu)點(diǎn)有:無需使用放射性同位素;可對(duì)細(xì)胞凋亡進(jìn)行定量檢測;抗組蛋白抗體無物種的特異性,可用于各種物種的細(xì)胞凋亡的檢測;高敏感性,較少的細(xì)胞就可獲得結(jié)果。

4 結(jié)語
瓊脂糖凝膠電泳簡單、方便,出現(xiàn)“梯狀”帶雖能證實(shí)凋亡,但只能定性不能定量,不是隨時(shí)電泳都能得到“梯狀”帶,因而敏感性不高,且這種方法一般只用于培養(yǎng)的細(xì)胞,而組織的異源性不能保證該方法的特異性;其他一些電泳方法如反轉(zhuǎn)電場凝膠電泳和彗星鑒定也有其自身的應(yīng)用條件,針對(duì)性較強(qiáng)。原位末端標(biāo)記法的出現(xiàn),是細(xì)胞凋亡方法學(xué)上的一大進(jìn)步,特別是經(jīng)眾多學(xué)者的應(yīng)用和完善,其特異性尤其是敏感性方面有了很大的提高,廣泛應(yīng)用于各種組織、細(xì)胞培養(yǎng)的細(xì)胞凋亡的研究,特別是結(jié)合抗原免疫表型鑒定和流式細(xì)胞儀分析,可以區(qū)分不同來源的組織或細(xì)胞中的某種或幾種細(xì)胞亞群的凋亡,并進(jìn)行定量研究。正如上面所說,該方法的特異性有一定的限度,就其技術(shù)本身而言,并不能區(qū)別凋亡、壞死和自溶性死亡,必須結(jié)合凋亡細(xì)胞的形態(tài)學(xué)特征加以判斷。因此,在細(xì)胞凋亡的研究中,多種方法的結(jié)合是必要的,也是必須的。

作者簡介:譚曉華,男,1962年出生,博士,主治醫(yī)師作者單位:姜泊 張亞歷 周殿元 (第一軍醫(yī)大學(xué)南方醫(yī)院消化內(nèi)科研究所,廣州,510515)
譚曉華 (北京軍區(qū)總醫(yī)院肝病研究所)

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