細胞轉染是指利用各種物理、化學、生物學方法,將外源分子(DNA、RNA 、mRNA等)導入真核細胞內,來改變細胞的特性,從而達到改造細胞的目的,它是實現細胞基因功能和蛋白質表達研究的重要工具。
根據導入的外源分子存在于宿主細胞的時間長短,細胞轉染可以分為瞬轉和穩轉。根據轉染方式又可以分為:物理轉染法、化學轉染法及生物轉染法。
物理轉染法:電穿孔法、顯微注射法、基因槍法
化學轉染法:磷酸鈣共沉淀法、陽離子聚合物法、陽離子脂質體法
生物轉染法:病毒介導法
對于了解或做過細胞轉染實驗的研究人員,想必上述方法大家都是非常熟悉的,我們也總結了這些方法的原理以及優缺點比較(表1),幫助大家找到適合自己實驗的細胞轉染方法。
轉染方式 | 具體方法 | 原理 | 優點 | 缺點 | 應用 |
物理法 | 電轉 | 通過脈沖電流在細胞膜上打孔將外源分子導入細胞內 | •操作簡單,可迅速轉染大量細胞 •轉染效率高 •無需載體 •適用于各種細胞 •體內體外均可實現基因轉移 •結果可重復 |
•需要儀器 •細胞的死亡率高 |
瞬轉和穩轉 |
顯微注射 | 利用顯微鏡,通過微量注射針將外源基因片段注射到細胞中 | •靶向性高,可實現單細胞轉染 •適用于各種細胞 •無需載體 |
•需要儀器 •操作困難 •轉染細胞數有限 •細胞的死亡率高 •基因表達不穩定 |
瞬轉和穩轉 | |
基因槍 | 在強電場或高壓壓縮氣體驅動下使微粒子加速運動從而進入細胞和組織中 | •適用于各種細胞 •無需載體 |
•需要儀器 •需要制備微粒 •細胞的死亡率高 •轉染效率低 |
瞬轉和穩轉 | |
化學法 | 陽離子脂質體法 | 帶正電荷的DNA——陽離子脂質體復合物,被表面帶負電荷的細胞內吞 | •快速簡單 •結果可重復 •適用于各種細胞 •無需載體 |
•轉染效率受到細胞類型影響 •轉染時要除血清 •有細胞毒性 |
瞬轉和穩轉 |
陽離子聚合物法 | 帶正電的聚合物——DNA復合物,被表面帶負電荷的細胞內吞 | •快速簡單 •結果可重復 •適用于各種細胞 •無需載體 |
•轉染效率受到細胞類型影響 •有細胞毒性 •有些不可生物降解 |
瞬轉 | |
磷酸鈣共沉淀法 | 磷酸鈣-DNA復合物粘附到細胞膜并通過胞飲作用進入靶細胞 | •成本低 •操作簡單 •無需載體 |
•結果可重復性差 •不適用于原代細胞 •有細胞毒性 •不適用于體內基因轉移 |
瞬轉和穩轉 | |
生物法 | 病毒介導法 | 通過侵染,將外源基因有效地整合到宿主染色體上 | •轉染率較高 •適用于難轉染的細胞 •細胞毒性低 |
•需要病毒載體 •有生物安全問題 •插入片段大小有限 •操作周期長 |
瞬轉和穩轉 |
表1:三種轉染方式的原理、優缺點和應用
通過各種轉染方法的比較,我們發現電穿孔法,也就是電轉,無論是在操作方法、適用范圍以及轉染效率等方面,都有著很大的優勢。而現實亦是如此,由于電轉的高效、低內毒、操作簡單,并且可以瞬時和穩定地表達外源基因,因此常常用于科研領域的新藥開發、癌癥研究、免疫學研究等。
傳統的電轉實驗操作流程,一般先利用電轉緩沖液重懸細胞,然后對含有核酸、緩沖液、細胞的混合物給予合適的電脈沖,電脈沖會在細胞膜上形成電勢差,從而誘導產生暫時的孔使核酸進入細胞,最后將細胞返回到生長培養基中,使其慢慢恢復,檢測基因表達或沉默情況。在傳統電轉實驗中,細胞死亡率高,并且原代細胞或干細胞的轉染效率較低。考慮到傳統電轉的弊端,于是科研人員致力于開發更高效的電轉技術,電轉儀就在這時候橫空出世了,目前市面上主流使用的就是Nucleofector™電轉儀。
1998年,市場上第一個有效的、非病毒介導的Nucleofector™ 技術開發成功,可高效轉染傳統方法難以轉染的原代細胞、干細胞、神經元和細胞系,為疾病研究治療如基因治療、免疫治療和干細胞生成開發帶來了新的機遇。Nucleofector™技術是Lonza公司的專利創新技術,利用電擊在細胞膜上開個小孔,綜合各種特定細胞轉染程序與轉染液的作用,核酸底物不僅可以進入細胞質,還可直接通過核膜進入細胞核。相較于傳統電轉技術,Nucleofector™技術的細胞轉染率可達99%,且實現轉染不依賴于細胞的分裂。
實驗操作步驟
1.收獲目的細胞:按照轉染需要的細胞量進行計數,如20 µl電轉體系可轉1x104-1x106個細胞,100 µl電轉體系可轉1x105-1x107個細胞;
2.混勻:低速離心,盡量吸去細胞上清,用電轉Buffer重懸細胞,加入轉染杯,加入準備好的質粒DNA,輕輕混勻,避免產生氣泡;
3.電轉:將轉染杯放入轉染儀,按鍵選擇相應程序,按"start"鍵開始轉染,等待指示圖標顯示綠色“+”號,即可完成實驗;
4.培養:吸去電轉Buffer,加入預熱好的培養基,將細胞轉移至培養皿中繼續培養。若轉染的質粒為試劑盒內的陽性對照質粒,一般在實驗結束后7-8h內可在熒光顯微鏡下觀察到實驗結果。