本文介绍了一种用于观察线虫秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)胚胎发育早期事件的技术。
本文介绍了一种用于观察线虫秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)胚胎发育早期事件的技术。
Caenorhabditis elegans 常被用作研究早期发育过程的模式系统。其胚胎具有透明性,且拥有丰富的遗传资源和相对简便的转化操作,这些特性使 C. elegans 成为研究早期胚胎发生的理想模型。基于激光的共聚焦显微镜结合荧光标记技术,使研究人员能够追踪发育中胚胎的特定细胞结构和蛋白质。例如,可利用荧光标记的染料追踪特定细胞器,如溶酶体或线粒体。这些染料可通过显微注射方式导入成虫性腺,从而递送至早期胚胎。此外,也可利用荧光蛋白标签来观察特定蛋白质的定位。本文展示了使用荧光标记溶酶体染料以及荧光标记组蛋白和泛素蛋白的实例。标记的组蛋白可用于可视化DNA,从而确定细胞周期的阶段。GFP标记的泛素蛋白可揭示早期胚胎中泛素化囊泡的动态变化。通过观察标记的溶酶体和GFP::泛素信号,可判断泛素化囊泡与溶酶体之间是否存在共定位。本文介绍了一种向溶酶体染料进行显微注射的技术。转基因品系的构建方法见其他文献(1, 2)。在成像过程中,将胚胎从成虫雌雄同体线虫中取出,置于2%琼脂糖垫上,随后在标准激光扫描共聚焦显微镜或转盘共聚焦显微镜上进行延时显微成像。该方法可实现对早期胚胎发生过程的高分辨率可视化观察。
1. 线虫培养
2. 注射
如果需要观察溶酶体或线粒体等结构,可在成虫可视化之前注射荧光染料。
3. 观察胚胎用琼脂糖垫的制备
4. 胚胎观察的封片
5. 显微镜观察
6. 代表性结果:

图 1. C. elegans 中从受精到第一次有丝分裂的过程。

图 2. 显微注射步骤。
补充视频 1. 减数分裂胚胎中 GFP:泛素与溶酶体示踪蓝的延时视频。点击此处查看视频。
与精子融合后,受精卵会经历一系列动态事件。这些事件将卵细胞从一个相对静止的细胞转变为快速发育的胚胎。在许多生物体中,细胞质的重排对于建立胚胎极性和卵子激活至关重要。C. elegans 胚胎为观察卵子激活和胚胎发生的早期事件提供了极佳的研究体系。该胚胎透明,且早期发育事件在受精后相对较快地发生。C. elegans 研究人员已构建出多种有用的转基因品系,可表达标记荧光蛋白的早期发育相关蛋白。结合这些品系与RNA干扰(RNAi)或突变体,可形成一个强大的系统,用于解析多细胞生物发育背后的分子通路(5, 6, 7, 8)。本视频文章介绍了一种利用这些工具和技术记录 C. elegans 早期胚胎发育过程中事件的实用方法。
C. elegans 的成熟卵母细胞停滞在减数分裂 I 的前期,并在成年雌雄同体的受精囊中完成受精。受精后,卵母细胞继续完成减数分裂 I 和减数分裂 II 的其余阶段。这些阶段可通过荧光标记的组蛋白 H2B 进行观察(5)。在母源性减数分裂完成过程中,精子 DNA 保持凝缩状态(见图1)。减数分裂完成后,母源和父源 DNA 解凝缩,形成两个原核。母源原核向父源原核迁移,并在胚胎中央附近融合。原核融合后迅速进入有丝分裂。所有这些事件均在不到一小时内完成。因此,对该事件序列进行延时显微成像可轻松实现。该技术的实施需要具备线虫培养的相关技能、基本的显微镜操作能力,并能够使用共聚焦显微镜。
此处展示的示例利用了一种转基因 C. elegans 品系,该品系表达两种荧光蛋白:GFP::泛素和 mCherry::H2B。采用共聚焦激光扫描显微镜观察这两种蛋白的动态定位。此外,我们还展示了注射荧光标记的溶酶体示踪剂(Lysotracker)可用于追踪受精后胚胎中溶酶体的命运。标记示踪剂的注射也可用于线粒体或局部钙离子浓度的可视化(9)。理论上,该注射方案可用于观察胚胎中任何类型的荧光标记分子,包括标记的小分子、蛋白质、脂质等。在某些情况下,可能无需实际注射标记示踪剂,因为线虫可直接摄取某些染料(如 mitotracker)(10)。然而,我们比较了溶酶体示踪剂的浸泡与注射两种方法,发现注射在胚胎可视化方面效果更佳。
技术注意事项:
该实验操作面临的技术挑战包括显微注射技术以及对早期胚胎进行成像的困难。关于显微注射,琼脂糖注射垫的厚度对注射成功至关重要。如果垫层过厚,线虫会迅速脱水死亡;如果垫层过薄,线虫在注射过程中将无法牢固粘附于垫上。
早期胚胎可能对环境条件(如温度和缓冲液条件)敏感。野生型胚胎应在完成减数分裂II后约一分钟内启动精子DNA的去凝集和原核迁移(4)。在20分钟内,应开始第一次胞质分裂。如果胚胎在制片过程中暴露于过高的激光强度,或过热、受压,该过程可能会受到干扰。此类胚胎将停止发育。若发生此情况,应降低激光功率或使用更厚的琼脂糖垫重复实验。
秀丽隐杆线虫 胚胎在受精后不久才开始分泌卵壳。在受精至卵壳分泌完成之间的短暂时间内,胚胎无法在母体外存活(11)。一些实验室通过直接对胚胎进行成像来规避这一难题 在子宫内 (5, 12). 在子宫内 成像技术具有某些优势,例如能够捕捉受精期间或刚受精后发生的事件。然而,该技术需要使用能够实现深层组织成像的显微系统。双光子或多光子系统尤其适用于此类成像(13, 14)。当使用传统的激光扫描或转盘共聚焦显微镜时,最佳图像通常来自按照本文所述方法从成年蠕虫中分离出的胚胎。
成像系统注意事项:
所使用的共聚焦成像系统的类型取决于用户的需求。通常,如果希望获得尽可能高分辨率的图像,建议使用激光扫描系统。另一方面,由于转盘系统具有较快的图像采集速度,并且光漂白和光毒性较低,因此更适合用于观察高度动态的过程。
具体的成像参数将根据实验设计和所使用的共聚焦成像系统而有所不同。在多维成像中,需要考虑采集的通道数、焦平面数以及时间点数。由于光漂白和光毒性效应的限制,任何特定实验中可获取的图像数量都是有限的。因此,如果选择增加采集的通道数量,则可能需要相应减少焦平面数和/或时间点数,反之亦然。能够采集的图像总数还受到所观察荧光分子的强度以及所用共聚焦显微镜灵敏度的影响。荧光信号越强、仪器越灵敏,所需的曝光时间就越短,从而产生的光漂白和光毒性也越低。
市面上有多种成像系统可供选择。我们将详细介绍在我们自己的实验室中所使用的系统。在利用转盘共聚焦显微镜对线虫胚胎进行成像时,我们采用配备60倍/1.4数值孔径(N.A.)Plan Apo物镜的尼康TE2000U倒置显微镜。该显微镜连接了Yokogawa CSU10转盘单元、Hamamatsu C9100-13 EM CCD相机,以及Spectral Applied Research公司的LMM5激光合束模块,后者包含四个固态激光器,输出波长分别为405 nm、491 nm、561 nm和655 nm。利用该系统,我们可以采集一个或两个通道、6至12个焦平面、25至50个时间点(时间间隔为30至60秒)。典型的曝光时间为100至200毫秒。
对于使用激光扫描共聚焦显微镜成像胚胎,我们采用配备两个通道和四类固态激光器(405、488、555 和 635 nm)的蔡司 LSM700 系统。该系统连接至蔡司 Axio Observer 倒置显微镜,并使用 Plan-Apo 63X/1.4NA 物镜进行胚胎成像。系统通过蔡司 ZEN 软件进行图像采集,该软件同时提供有限的图像处理与分析功能。在使用两种荧光染料成像时,通常采集 1 至 5 个焦平面(间距约 0.5 μm),并每 15 秒收集一次 Z 轴层扫图像。采集持续进行,直至发生明显的光漂白现象。为生成最终的延时视频,使用 ZEN 软件中的最大投影工具对 Z 轴层扫图像进行合并。视频以 avi 文件格式从软件中导出。
感谢美国国立卫生研究院(R15 GM065444-03 资助 L.B.)以及美国国立卫生研究院(NIH)和美国国家糖尿病、消化与肾脏疾病研究所的院内研究项目(K.O.)提供的经费支持。美国国家科学基金会(NSF)的一项资助(DBI-0923402)支持了LSM700共聚焦显微镜的购置。我们还要感谢Andy Golden博士在稿件撰写过程中提供的总体协助和有益建议。同时,向整个秀丽隐杆线虫(C. elegans)研究领域致以诚挚谢意,感谢其共享资源、实验方案和科研思路。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 卵缓冲液 | 5 mM Hepes pH 7.2, 110 mM NaCl, 4 mM KCl, 5 mM Mg 乙酸盐, 5 mM CaCl2 | ||
| Mitotracker | Invitrogen | M-7512 | |
| Lysotracker | Invitrogen | L-7525 | |
| 注射毛细移液管 | Harvard Apparatus | GC120F-10 | |
| 拉针仪 | Kopf Instruments | Model 700C | |
| 显微注射装置 | Tritech Research, Inc. | MINJ-1 microinjection regulator |