整体装片 原位 原位杂交(WISH)被应用于高年级本科生的比较脊椎动物生物学课程中,作为脊椎动物解剖实验的补充。这使学生能够在同一门课程中研究基因表达模式和宏观解剖结构,从而将分子生物学与个体生物学的学习相结合。
整体装片 原位 原位杂交(WISH)被应用于高年级本科生的比较脊椎动物生物学课程中,作为脊椎动物解剖实验的补充。这使学生能够在同一门课程中研究基因表达模式和宏观解剖结构,从而将分子生物学与个体生物学的学习相结合。
整体封片 原位 杂交(WISH)是分子生物学实验室中常用的一种技术,用于通过在整体标本中定位特定mRNA转录本来研究基因表达。该技术(改编自Albertson和Yelick,2005)曾在美国雪城大学高年级本科生《比较脊椎动物生物学》实验课程中使用。在《比较脊椎动物生物学》实验课的前三分之二阶段,学生主要通过传统解剖和使用模型,学习代表不同脊索动物分类群的多种生物的胚胎学和大体解剖学。课程的最后阶段则采用了一种创新的教学方法,即通过观察脊椎动物发育并结合分子技术来教授解剖学,其中包括对斑马鱼胚胎进行WISH实验。实验使用了成纤维细胞生长因子8a(fibroblast growth factor 8 a)杂合子fgf8a)突变品系, ACE,被使用。由于孟德尔遗传规律,ace 杂交产生了野生型、杂合子和纯合子 ace/fgf8a 突变体呈1:2:1比例。使用在中线以及发育中的解剖结构(如心脏、体节、尾芽、肌节和脑)中具有已知表达模式的RNA探针。采用13个体节期和prim-6期的斑马鱼进行WISH实验,学生在课堂上完成染色反应。通过对不同发育阶段斑马鱼胚胎的研究,学生能够观察这些解剖结构在个体发育过程中的变化。此外,部分 ace/fgf8a 突变体表现出心脏环化异常,以及体节和脑部发育缺陷。本实验课程的学生通过外部解剖结构及基因表达模式,观察了多种器官系统的正常发育过程。同时,他们还识别并描述了呈现异常解剖结构发育和基因表达的胚胎(即候选突变体)。
对于所在机构尚未配备必要设备,或实验与课程创新经费有限的教师而言,试剂和仪器的经济成本可能是需要考虑的因素,同时无论在何种教学环境下,教师所需投入的时间和精力也同样重要。然而,我们认为,在此类课堂实验环境中使用WISH技术,能够在发育遗传学与解剖学之间建立重要的联系。随着技术的进步,对生物体发育进行分子水平研究的能力正变得越来越容易、成本更低且日益普及,许多进化生物学家、生态学家和生理学家正转向分子生物学领域的研究策略。在比较脊椎动物生物学实验课堂中应用WISH技术,正是分子生物学与解剖学在单一课程中融合的一个实例。这为高年级大学生提供了实践现代生物学研究技术的机会,有助于实现教育的多元化,并推动未来跨学科的科学研究。
1. 目标cDNA的质粒转化
第一部分:质粒转化
(所需时间:3 小时加上过夜孵育)
第二部分:E. coli 培养
(所需时间:15 分钟加上过夜孵育)
第三部分:质粒制备
(所需时间:1.5 小时)
2. 原位 地高辛标记RNA探针合成
第一部分:质粒的线性化
(所需时间:2.5 小时)
| 制备好的质粒 | 20 mL |
| 限制性内切酶* | 2 mL |
| 缓冲液** | 10 mL |
| 10X 牛血清白蛋白 (BSA) | 10 mL |
| 焦碳酸二乙酯 (DEPC) 水 | 58 mL |
| 100 mL |
第二部分:转录
(所需时间:3 小时)
| 线性化质粒 | 4 mL |
| 10X 转录缓冲液** | 4 mL |
| 地高辛标记混合物 | 4 mL |
| 聚合酶* | 2 mL |
| RNase 抑制剂 | 2 mL |
| DEPC 水 | 24 mL |
| 40 mL |
第三部分:沉淀
(所需时间:5 分钟操作时间,加上 2 小时至过夜孵育,1 小时离心及重悬)
第四部分:分级分离——仅当探针大小大于 0.6 kb 时进行
(所需时间:根据探针大小而定,通常不超过20分钟)
| RNA 探针 | 20 mL |
| DEPC 水 | 12 mL |
| 碳酸氢钠 | 4 mL |
| 碳酸钠 | 4 mL |
| 40 mL |
第五部分:最终沉淀
(所需时间:5 分钟操作时间,加上 2 小时至过夜孵育,1 小时离心与重悬,1 小时凝胶电泳)
3. 整体封片 原位 杂交
第一部分:胚胎固定与蛋白酶K消化
(所需时间:固定过夜,次日储存需4小时,从储存到第二部分需2.5小时)
第二部分:核糖探针的杂交
(所需时间:3 小时,外加杂交过夜,次日 1.5 小时至第三部分)
第三部分:抗地高辛(α-DIG)抗体孵育
(所需时间:3 小时以上用于封闭,以及过夜封闭,第二天再需 2.5 小时进行第四部分)
第四部分:染色与最终处理
(所需时间:染色需1小时至过夜,具体取决于所用的核糖探针;开始甘油洗涤前需4小时;每次甘油洗涤需6-10小时;可在甘油中保存)
配方:
4. 代表性结果
当操作正确时,NBT、BCIP 与碱性磷酸酶之间的反应会形成紫色沉淀,应在斑马鱼胚胎上呈现为紫色染色。核糖探针应事先由目的基因对应的 cDNA 合成。因此,可以推断所观察到的任何染色区域均代表在该特定发育阶段目的基因发生转录的斑马鱼部位。本课程所用的核糖探针由以下基因的 cDNA 合成:aldh1a2(先前称为 raldh2;Begemann et al., 2001;图1);fgf8a(Reifers et al., 1998;图2);deltaC(Oates et al., 2005);myod1(Weinberg et al., 1996);shha(Krauss et al., 1993);pax2a(Brand et al., 1996;图3)以及 myl7(先前称为 cmlc2;Yelon et al., 1999)。预期染色出现在中线及体节、尾芽、肌节、脑和心脏等解剖结构中。Ace/fgf8a 突变体预期在上述多种结构中存在缺陷。使用常规体视显微镜即可清晰观察染色结果。其他参考资料提供了与本文所述相似的WISH技术的更多细节及故障排除方法(Clark, 2003;D'Costa et al., 2009;Schmoldt et al., 2009;Schoenwolf, 2009)。

图1. 一条受精后24小时的斑马鱼胚胎,已与特异性针对aldh1a2的核糖探针进行杂交。可在眼睛、后脑、胸鳍芽原基和体节中观察到特异性染色。上为头端,下为尾端。

图 2. 一条处于13体节发育阶段的斑马鱼胚胎,经fgf8a特异性探针杂交处理。可见端脑、背侧间脑、中脑-后脑边界、体节及尾芽部位有特异性染色。腹侧朝左,背侧朝右。

图3. 受精后22小时的斑马鱼胚胎,已与针对特定基因的核糖探针进行杂交 pax2a,一种用于可视化神经系统的可靠标记物。可在脉络丛裂、中脑-后脑边界、耳泡和脊髓神经元中观察到特异性染色。背侧视图,左侧为头侧。
在比较脊椎动物生物学实验课程中,使用WISH技术帮助学生通过已知基因表达模式的可视化,理解遗传学在解剖发育过程中的作用。课程的第一部分,学生对代表多个不同脊索动物分类群的生物体进行解剖,从而有充足的时间学习、理解、比较和对比脊椎动物的解剖结构。
作为课程第二部分的引言,学生们接受了一次正式讲座,内容涉及斑马鱼的发育过程与解剖结构。讲座还讨论了WISH实验的方法及预期结果。随后,学生们获得了处于体节形成期和prim-6发育阶段,以及受精后2天和5天(dpf)的活体斑马鱼,并在解剖显微镜下进行观察。此举旨在帮助学生更深入地理解斑马鱼胚胎的外观特征,以及在个体发育过程中发生的各类形态学变化。
在下一次实验课中,学生将获得此前已进行过WISH(原位杂交)的斑马鱼胚胎。他们需要观察并描述每个目标基因(所使用的核糖探针)的基因表达模式。用于WISH的胚胎来自杂合子ace/fgf8a品系个体之间的交配。根据孟德尔遗传规律,来自ace/fgf8a交配的胚胎中,预计有25%为纯合突变体,并在本课程重点关注的多种解剖结构上表现出缺陷。根据已发表的文献和Albertson实验室的未发表观察结果,预计这些突变体会出现脑部发育异常、心脏环化异常,以及体节缺陷(Brand et al., 1996; Albertson and Yelick, 2005; 个人观察)。
要求学生观察每种基因表达模式所对应的所有标本,包括野生型(在发育早期阶段,杂合子动物与其野生型同胞无法区分)和纯合突变体。随后要求学生撰写实验报告,描述他们的观察结果,并结合解剖学和遗传学知识,分析异常的基因表达如何引发解剖结构的畸形。
学生们似乎对这项实验练习表现出兴奋和好奇。大多数学生以前从未使用过WISH技术,因此对课程的这一部分极为感兴趣。学生们发现斑马鱼胚胎中不同的基因表达模式十分有趣,有些人甚至将染色所呈现的图样与一些广为人知的图案和符号联系起来描述,例如笑脸。最终的实验报告表明,学生普遍理解了WISH实验流程以及基因在特定解剖结构中的表达情况。学生还被要求理解在实验中通过WISH所研究的各个基因的具体功能(Stickney et al., 2000;Huelsken et al., 2002;Geetha-Loganathan et al., 2008a;Geetha-Loganathan et al., 2008b)。然而显然,部分学生对相关信号通路和目标基因的背景知识较为有限。在今后的比较脊椎动物生物学课程中,若能在WISH技术的导论讲座中增加有关这些概念的讲解,或将有助于提升教学效果。
由于该实验方案通常需要连续四天完成,具体取决于课程安排,学生可能只能在课堂上完成部分实验,其余步骤必须由授课教师负责完成。在我们的比较脊椎动物生物学课程中,学生在实验室完成染色反应,而之前的所有步骤均由助教完成。如果希望学生在课堂上完成整套WISH实验,可根据课程的时间安排,将实验方案划分为若干子单元,在多个实验课中分步进行。如果学生无法完成全部实验流程(例如本课程因每周仅进行一次实验课而不具备可行性),则可以让学生在课上开始时加入染色液,并根据所使用的核糖探针,在一小时内完成染色。染色所需时间因不同的核糖探针及多种实验条件而有显著差异,应在课前预先确定。值得注意的是,如果学生仅在实验课中进行染色显影,则所有前期步骤均由教师负责,这将需要在课堂外投入大量时间和精力。如有需要,也可采用免疫组织化学作为WISH的替代方案,利用抗体标记来观察蛋白质的定位;但目前针对斑马鱼发育相关基因的特异性抗体尚不易获得。另一种选择是,在不同脊椎动物物种上进行WISH实验,让学生比较相同基因在不同生物体中的表达模式(Pizard et al., 2004; Aramaki et al., 2007; Emerging Model Organisms, 2008; Emerging Model Organisms, 2010)。
在比较脊椎动物生物学课程中使用WISH的总体目标是向学生展示如何利用分子生物学技术来研究解剖结构的发育过程。同时,这也为学生提供了思考基因表达改变如何不仅导致发育畸形,还可能引发进化变化的机会。这一研究领域被正式称为进化发育生物学(常简称为“evo-devo”),是一个快速发展的学科,旨在通过发育过程将基因型与表型联系起来,并阐明进化变化的潜在机制基础。随着该领域的兴起,越来越多的生态学家、生物整体学家和生理学家在其研究中采用分子技术。我们认为,在比较脊椎动物生物学课程中引入WISH技术有助于使课程内容紧跟当前科研技术与概念的进步,通过整合不同生物学分支,促进高年级生物学课程之间的横向衔接。此外,这种整合式教学方法将使学生能够在一门课程中学习多种生物学研究技术,从而获得更加多元化的教育体验,并推动未来跨学科科学研究的发展。
未声明任何利益冲突。
作者谨此感谢雪城大学生物系以及 Marilyn Kerr 博士在《比较脊椎动物生物学》课程管理工作中所给予的支持。Albertson 实验室的研究得到了美国国立卫生研究院/国家牙科与颅面研究所授予的 R21DE019223 项目资助,以及美国国立卫生研究院/国家老龄化研究所授予的 R01AG031922 项目资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 5 Prime 快速质粒小提试剂盒(100 次) | Fisher Scientific | 2300000 | |
| One Shot TOP10 化学感受态 E. coli 菌株与 SOC 培养基 | Invitrogen | C404003 | |
| LB 琼脂 | Fisher Scientific | BP1425-500 | |
| LB肉汤 | Fisher Scientific | BP1426-500 | |
| 氨苄青霉素钠盐 | Fisher Scientific | BP1760-5 | |
| 异丙醇 | Acros Organics | 42383-0010 | |
| 培养皿 100 × 20 mm,未处理 | 实验室产品销售 | 430591 | |
| 14 ml 培养管,带卡扣盖 | Fisher Scientific | 1495911B | |
| 限制性内切酶 &缓冲液 & 10xBSA | New England Biolabs | 有所不同 | |
| 焦碳酸二乙酯(DEPC)25 ml | Sigma-Aldrich | D5758-25mL | |
| 三水合乙酸钠 USP/FCC 500g | Fisher Scientific | s608500 | |
| Gal 200 proof 乙醇 | Fisher Scientific | 04-355-451 | |
| Tris-乙酸-EDTA (TAE) 50倍浓缩液 1L | Fisher Scientific | bp13321 | |
| 低电渗琼脂糖 100 g | Fisher Scientific | BP160-100 | |
| 溴化乙锭 10 ml | Sigma-Aldrich | 45-E1510 | |
| 蔗糖凝胶上样染料 40% 蔗糖 | Fisher Scientific | BP655-1 | |
| 1 kb 全量程 DNA 标准品 | Fisher Scientific | BP2582200 | |
| DIG RNA标记混合物 | 罗氏集团 | 11277073910 | |
| T3 RNA聚合酶 | 罗氏集团 | 1031163 | |
| T7 RNA聚合酶 | 罗氏集团 | 10881767001 | |
| SP6 RNA聚合酶 | 罗氏集团 | 810274 | |
| Protector Rnase抑制剂 | 罗氏集团 | 3335399001 | |
| DNase I,无RNase,10,000单位 | 罗氏集团 | 4716728001 | |
| EDTA 分子生物学试剂 | Sigma-Aldrich | e5134-500G | |
| 氯化锂 100 g | Fisher Scientific | L121100 | |
| 碳酸钠 1 kg | Fisher Scientific | BP357-1 | |
| 碳酸氢钠,500 g | Fisher Scientific | BP328-500 | |
| 冰醋酸 ACS 500 ml | Fisher Scientific | a38500 | |
| 多聚甲醛 R 500 g | Fisher Scientific | o4042500 | |
| PBS 磷酸盐缓冲液 10X | Fisher Scientific | bp3991 | |
| Tween 20 500 ml | Fisher Scientific | bp337500 | |
| 甲醇 5 L | Fisher Scientific | A4124 | |
| 蛋白酶K 50 mg | Fisher Scientific | bp170050 | |
| 甲酰胺 1 L | Fisher Scientific | F841 | |
| 20x SSC 1 L | Fisher Scientific | bp13251 | |
| 无水柠檬酸 ACS 500 g | Fisher Scientific | a940500 | |
| V型核糖核酸转运 | Sigma-Aldrich | r7876-2.5KU | |
| 肝素钠盐 50 mg | Fisher Scientific | bp252450 | |
| 马来酸 R 500 g | Fisher Scientific | o3417500 | |
| 氯化钠 500 g | Fisher Scientific | s271500 | |
| 氢氧化钠 500 g | Fisher Scientific | s318500 | |
| 封闭剂 | 罗氏集团 | 11096176001 | |
| 羊血清 500 ml | Invitrogen | 16070096 | |
| 抗 DIG-AP 片段 | 罗氏集团 | 11093274910 | |
| 2M Tris 溶液 500 ml | Fisher Scientific | bp1759500 | |
| 氯化镁 500 g | Fisher Scientific | m33500 | |
| BCIP 3 ml | 罗氏集团 | 11383221001 | |
| NBT 3 ml | 罗氏集团 | 11383213001 | |
| 甘油 99% 2.5 L | Fisher Scientific | AC158920025 | |
| 12 孔聚苯乙烯标准板(带盖) | VWR 国际 | 62406-165 | |
| 15 ml 螺口管,每架 50 个,每箱 500 个 | 实验室产品销售 | L262861 | |
| 50 ml 螺口管,25 个/架,500 个/箱 | 实验室产品销售 | L262890 | |
| 1.6 ml 微量离心管 | 实验室产品销售 | L234401 | |
| 2 Parafilm 2" x 250 英尺 | Fisher Scientific | s37441 | |
| 7 ml 移液管 | USA Scientific, Inc. | 1020-2520 | |
| .1-10 μl 移液器吸头,散装 | USA Scientific, Inc. | 1111-3000 | |
| 1-200 μl 吸头,散装 | USA Scientific, Inc. | 1111-0006 | |
| 101-1000 μl 移液器吸头,散装 | USA Scientific, Inc. | 1111-2021 | |
| 铝箔 | 杂货店 | ||
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