本文概述了利用TetON系统在成年斑马鱼尾鳍再生过程中实现组织特异性基因表达的工作流程。
本文概述了利用TetON系统在成年斑马鱼尾鳍再生过程中实现组织特异性基因表达的工作流程。
斑马鱼已成为研究脊椎动物发育、生理学、疾病及组织再生的重要模式生物。要深入理解其中涉及的分子与细胞机制,需要借助能够实现可诱导、组织特异性基因表达或信号通路操控的实验工具。因此,我们及其他研究者近期已将TetON系统应用于斑马鱼。TetON系统可实现时间和空间上可控的基因表达,我们最近利用该工具探究了Wnt/β-catenin信号通路在斑马鱼尾鳍再生过程中组织特异性的功能。本文描述了在成年斑马鱼再生尾鳍中使用TetON系统实现可诱导、组织特异性基因表达的工作流程,包括构建稳定的转基因TetActivator和TetResponder品系、转基因诱导,以及验证鳍再生组织中基因表达组织特异性的技术方法。因此,本实验方案为建立并应用斑马鱼中的功能性TetON系统提供了蓝图,尤其适用于鳍再生研究。
斑马鱼是一种广泛使用的脊椎动物模式生物,用于研究发育、生理、疾病和再生等多个方面的生物学问题。随着斑马鱼在胚胎后生物学过程研究中的应用日益广泛,可诱导的、组织特异性的基因表达或信号通路操控实验工具变得愈发重要。特别是成年斑马鱼器官和附属肢体再生的研究,长期受限于缺乏能够在再生过程中解析信号通路时空需求的有效工具。
目前,已有三种不同的系统被用于在成年斑马鱼再生器官中实现条件性、组织特异性的基因表达:Cre-lox 系统、通过转座子介导的体细胞转基因实现热休克诱导型转基因的嵌合表达,以及 TetON 系统1-3。TetON 是指四环素控制的转录激活系统的一种变体,其表达在抗生素四环素或其衍生物(例如多西环素)存在时被激活。e.g. 多西环素)。迄今为止在成年鱼类中使用的 Cre-lox 系统依赖于他莫昔芬控制的 Cre 重组酶(CreERT2),其表达通过组织特异性调控元件在空间上受到限制。由 Cre 驱动的 STOP 突变盒的移除,可促进由在所有细胞类型中均应具有活性的启动子驱动的目的基因表达1。通过转座子介导生成嵌合表达的体细胞转基因,提供了一种在单个细胞谱系中实现可诱导转基因表达的系统。将携带受热休克启动子转录调控的目的基因的 Tol2 转座子注射到斑马鱼胚胎中,通常会导致嵌合个体仅在再生器官的特定细胞谱系中携带该转基因2。尽管这两种系统均可实现条件性组织特异性基因表达,但 Cre-lox 系统不可逆,而基于转座子的克隆标记策略则受限于其随机性。因此,我们及其他研究者近期已将转基因 TetON 系统应用于斑马鱼,该系统可实现时间与空间上可控、且具有可调节性和可逆性的基因表达3-5。
此处使用的TetON系统包含一个转基因驱动品系(TetActivator),其中多西环素(DOX)诱导型转录激活因子(改进的反向四环素转录激活因子,irtTA,简称TetA)受组织特异性基因组调控序列的控制。其次,该系统需要一个转基因响应品系(TetResponder),其携带的目的基因受四环素操纵子(四环素反应元件,TetRE)的转录调控(图1A)。因此,通过特定组合的TetActivator与TetResponder品系,可实现对基因表达的条件性、组织特异性调控。
我们近期利用TetON系统探究了Wnt/β-catenin信号通路在成年斑马鱼尾鳍再生过程中组织特异性功能3。本文所述方案概述了在斑马鱼中建立和使用TetON系统的操作流程,尤其适用于鳍再生相关研究。内容包括构建稳定的转基因TetActivator和TetResponder品系的详细步骤,以及在斑马鱼胚胎和成体中诱导转基因表达的实验方案。此外,我们还介绍了验证鳍再生组织中基因组织特异性表达的技术,包括成年斑马鱼鳍组织冷冻切片制备的实验流程。同时,本文讨论了TetActivator转基因设计、转基因方法选择以及TetResponder表达检测等方面的注意事项。因此,本方案的总体目标是为在斑马鱼中建立功能性TetON系统提供蓝图,以实现条件性组织特异性基因表达,该系统可应用于任何感兴趣的组织。
我们构建了一种TetActivator载体,可利用短基因组调控序列(增强子片段;Weidinger实验室质粒数据库编号1247;图1B),通过I-SceI或Tol2介导生成稳定的TetActivator细胞系。该载体包含一个TetActivator表达盒,其中含有反向四环素抑制因子M2突变体(irtTAM2)与单纯疱疹病毒VP16转录激活结构域衍生物3F(3F)的融合蛋白[irtTAM2(3F)]。由于TetActivator(TetA)与荧光蛋白AmCyan在同一开放阅读框中共同表达,其表达情况可被方便地监测;二者之间由p2a肽连接,通过核糖体跳跃机制实现翻译,理论上可按1:1比例生成独立的TetA和AmCyan蛋白5,6。该载体还在TetActivator表达盒的5'端设有多克隆位点,便于通过常规克隆方法插入感兴趣的基因组调控序列。
此外,我们还构建了一个包含上述 TetActivator 插入片段和卡那霉素抗性筛选插入片段的载体(Weidinger 实验室质粒数据库编号 1180;图 1C),该载体可重组至细菌人工染色体(BAC)中,后者包含一个较大的基因组区域(通常插入至某个基因的起始密码子处,以使转基因能够模拟该基因的表达模式)。上述两种载体均可根据请求从 Weidinger 实验室获取。
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1. 转基因 Tet 激活因子鱼系的建立
2. 转基因 TetResponder 鱼系的建立
注意:我们已构建了一种TetResponder载体,可用于通过I-SceI或Tol2介导生成稳定的TetResponder细胞系,该载体可应要求从Weidinger实验室获取(Weidinger实验室质粒数据库编号1444;图1E)。该载体包含一个四环素操纵子序列,其后为一段多克隆位点区域,便于插入目的基因的编码序列(CDS)以及YPet荧光蛋白的编码序列。因此,该载体设计用于在TetA系统调控下表达目的蛋白与YPet的C端融合蛋白。若需避免表达带标签的融合蛋白,可在插入目的基因CDS时引入p2a或t2a肽序列,从而实现目的蛋白与YPet作为独立多肽链的共表达6,10。
3. 成年斑马鱼尾鳍再生过程中组织特异性诱导转基因表达
4. 鱼鳍再生组织中 TetResponder 表达的表征
注意:我们通常在尾鳍再生3天后(3 dpa)通过冷冻切片的荧光成像来验证组织特异性基因表达。在此时间点,再生组织的不同组织区室已经形成,在组织切片上可被清晰识别,且此时进行冷冻切片操作比再生后期更为简便。图2C展示了再生组织中可区分的各个组织区域,并列出了一些这些区域的分子标记物。以下方案描述了用于直接成像或免疫染色的纵向或横向冷冻切片的制备步骤。
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为了建立用于组织特异性诱导基因表达的功能性 TetON 系统,需要构建转基因的 TetActivator 和 TetResponder 品系(图 1A)。该过程通过将 TetActivator(图 1B–C)或 TetResponder(图 1E)载体显微注射到早期斑马鱼胚胎中,并实现其在生殖系中的整合来完成。功能性 TetActivator 载体可通过将短调控序列(增强子元件)克隆至 TetActivator 盒的上游(图 1B)实现,也可通过将 TetActivator 盒重组至含有目的基因调控元件的 BAC 中完成(图 1C)。TetActivator 载体的生殖系整合可通过将单条注射后的 G0 代鱼与野生型鱼杂交,并在 F1 代胚胎中观察到符合预期表达模式的 AmCyan 荧光来验证(图 1D)。TetResponder 转基因的生殖系整合及其功能可通过将单条 G0 代注射鱼与已建立的 TetA...
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成年斑马鱼具有惊人的能力,能够成功再生多种内部器官和附属结构。要深入理解其中涉及的分子与细胞机制,需要对基因功能和信号通路进行组织特异性分析。为此,TetON系统为在斑马鱼胚胎及成体中实现时空可控的基因表达提供了高效工具。本文所描述的TetON系统构建方法及实验技术已在本实验室最近的一项研究中成功应用3。在建立TetON系统时,还应考虑以下附加问题:
TetActivator 转基因设计的考虑因素
我们先前已证明,由反向四环素阻遏蛋白M2突变体与单纯疱疹病毒VP16转录激活结构域衍生物3F融合而成的单诱导型Tet激活因子[简称为irtTAM2(3F)或TetA-M2]能够实现高效诱导,但在无多西环素(DOX)存在时可能表现出虽低但可测量的渗漏表达,即背景性诱导活性5。因此,我们描述了采用糖皮质激素受体(TetA-GBD)或蜕皮激素受体结构域(TetA-EcR)融合构建的双诱导系统,可消除渗漏表达5。因此,若该系统用于表达毒性蛋白或活性极强的蛋白...
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢Christa Haase、Doris Weber和Brigitte Korte提供的技术协助。Weidinger实验室的工作得到了德国研究基金会(Deutsche Forschungsgemeinschaft)基金项目WE 4223/3-1、WE 4223/4-1,以及德国心脏病学会通过Oskar-Lapp奖学金和Klaus-Georg-und-Sigrid-Hengstberger研究奖学金的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 繁殖盒 | Aqua Schwarz | AquaBox 1 | |
| 复合荧光显微镜 | 例如,Leica、Zeiss | 因制造商而异 | 用于成像荧光组织切片 |
| 共聚焦显微镜 | 例如,Leica、Zeiss | 因制造商而异 | 用于成像荧光组织切片 |
| 冷冻切片机 | 例如,Leica、Thermo-Scientific | 因制造商而异 | 用于冷冻切片 |
| 4’, 6-二脒基-2-苯基吲哚(Dapi) | Sigma-Aldrich | D9542 | 在 PBS 中按 1/5,000 稀释 用于细胞核可视化 |
| 多西环素 | Sigma-Aldrich | D9891 | 用 50% EtOH 配制成 50 mg/ml(97 mM)的储存液 用于 TetResponder 诱导 |
| 多聚甲醛(PFA) | Sigma-Aldrich | P6148 | 在 PBS 中配制成 4%(w/v)多聚甲醛,pH 7.5 用于固定 |
| 1× 磷酸盐缓冲液(PBS) | 1.7 mM KH2PO4,5.2 mM Na2HPO4,150 mM NaCl,pH 7.5 | ||
| 1× 磷酸盐缓冲液 + Tween 20(PBT) | 含 0.1% Tween 20 的 1× PBS | ||
| Superfrost Ultra Plus 黏附载玻片 | Thermo Scientific | 1014356190 | 用于组织切片的收集 |
| 体视荧光显微镜 | 例如,Leica、Zeiss | 因制造商而异 | 用于基于荧光的基因分型 |
| PCR 仪 | 例如,Biorad、Applied Biosystems | 因制造商而异 | 用于基于 PCR 的基因分型 |
| 组织冷冻介质(TFM) | Triangel Biomedical Sciences | TFM-C | 用于组织样本包埋 |
| 三卡因(L-乙基-m-氨基苯甲酸甲磺酸盐/MS-222) | Sigma-Aldrich | E10521 | 用于麻醉 在 E3 胚胎培养基中使用浓度为 1 mg/ml |
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