本文展示了如何追踪和量化 C. elegans 中的发育过程。所介绍的方法基于开源工具,可轻松实现。文中演示了如何重建三维细胞形态模型、如何手动追踪亚细胞结构,以及如何分析皮层收缩流。
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本文展示了如何追踪和量化 C. elegans 中的发育过程。所介绍的方法基于开源工具,可轻松实现。文中演示了如何重建三维细胞形态模型、如何手动追踪亚细胞结构,以及如何分析皮层收缩流。
定量捕捉发育过程对于建立机制模型以及识别和描述突变体表型至关重要。本文介绍了制备胚胎和成体的实验方案 秀丽隐杆线虫 用于短期和长期延时显微镜观察的动物模型,以及发育过程的追踪与定量分析方法。所介绍的方法均基于 秀丽隐杆线虫 来自秀丽隐杆线虫遗传学中心的菌株以及可在任何实验室独立于显微镜系统使用的开源软件。展示了使用建模软件 IMOD 重建三维细胞形态模型、利用多功能图像分析程序 Endrov 手动追踪荧光标记的亚细胞结构,以及使用 PIVlab(MATLAB 的时间分辨数字粒子图像测速工具)分析皮层收缩流的方法。文中讨论了这些方法如何也可用于定量捕捉不同模型中的其他发育过程。 例如, 细胞示踪与谱系追踪,囊泡流动的追踪
随着荧光蛋白、基因组编辑、光学显微镜以及计算机软硬件的持续进步,如今已能够以前所未有的时空分辨率记录多种模式生物的发育过程。这使得研究人员能够提出过去无法解答的科学问题,或重新审视已知的发育过程,以发现可能被忽视的方面。这一进展推动了定量发育生物学领域的发展,其目标是通过对发育过程进行系统测量和统计分析,将定性的、非正式的模型转化为定量模型。
对细胞和亚细胞结构的示踪使得建立胚胎发育、神经系统活动或细胞分裂的定量模型成为可能1-12。通过对秀丽隐杆线虫(C. elegans)胚胎早期发育过程中细胞分裂残余物的追踪,我们最近发现这些残余物遵循一种模式化的路径,并作为重要的极性因子发挥作用13,14。
本文介绍了一些使非专业人士也能轻松开展定量发育生物学研究的实验方案。重点介绍三种简单易行且可免费获取的工具,这些工具可在任何具备常规共聚焦显微镜和计算机的实验室中实施。具体包括:生成三维细胞形态的方案、追踪细胞分裂残留物的方案,以及对皮层肌动球蛋白动力学进行定量描述的方案。以线虫 C. elegans 作为示例模型,但本文讨论的方法和工具同样适用于其他多种生物体系中的广泛问题,e.g. 培养细胞、组织外植体、类器官或球状体、其他胚胎等。
通常,此处展示的一些分析也可以使用流行的开源工具 ImageJ(http://imagej.nih.gov/ij/docs/index.html;或 FIJI,即包含完整功能套件的 ImageJ 版本,http://fiji.sc/Fiji)来完成,该工具拥有大量可用于不同定量分析的插件。然而,本文讨论的程序旨在解决特定问题。
首先,IMOD 是一个图像处理、建模与显示软件套件,可用于对电子显微镜或光学显微镜的连续切片进行三维重建15。IMOD 还包含可从任意方向查看三维数据的工具。其次,Endrov 是一个基于扩展插件架构设计的 Java 程序,用于执行图像分析、数据处理以及对网络或轨迹等进行标注,并兼容 ImageJ 插件16。该程序包含超过 140 种图像处理操作,以及一个可扩展的用户界面,可在其中分别显示模型数据和原始数据。其源代码可在 https://github.com/mahogny/Endrov 获取。第三,PIVlab 是一个用于数字粒子图像测速的 MATLAB 工具,允许用户对粒子流动场进行定性和定量分析17。使用该程序需要具备包含图像处理工具箱的 MATLAB 许可证(http://mathworks.com)。PIVlab 是一种用于定量描述流动的程序,可计算图像对或图像序列中的速度分布、速度大小、涡度、散度或剪切。为此,它通过对图像对中的小区域(在方案部分称为“pass”)进行互相关分析,以推导出最可能的粒子位移。该互相关运算生成一个相关矩阵,可在空间域或频率域中进行分析,分别采用直接互相关法或快速傅里叶变换(FFT)。
此处使用的设备为配备Nipkow(“旋转”)盘、EMCCD、488 nm和561 nm标准固态激光器,以及20倍空气镜、40倍或60倍平场/复消色差油浸或水浸物镜的倒置显微镜。然而,也可使用其他成像方式执行延时成像,例如,基于激光的点扫描、线扫描或片层扫描显微镜、多光子显微镜,以及结合去卷积或结构照明显微技术的落射荧光显微镜。使用Nipkow盘系统的优势在于极快的图像采集速度,尤其是在具备流式扫描模式(在z轴方向连续移动并扫描样本)的情况下。此外,为提高分辨率,可在EMCCD前使用1.5倍的放大延长镜。
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1. 准备 秀丽隐杆线虫 使用微珠进行延时显微成像的胚胎制备
2. 成年个体的制备 秀丽隐杆线虫 使用纳米珠进行活体成像时间序列显微观察的动物模型
注意:通常情况下,成年动物的制片方案是参考文献18中方案的改进版本。利用该方案,可对成年动物进行长期的共聚焦显微镜延时成像。
3. 时间序列显微镜观察
4. 使用 IMOD 重建三维细胞形态模型
注意:IMOD 软件可从 IMOD 官方网站获取:http://bio3d.colorado.edu/imod/。该网站提供了软件安装说明。在使用 Windows 操作系统时,需安装 Unix 工具包,该工具包也可在 IMOD 网站上作为独立软件包获取。此外,IMOD 网站上还提供了一份详尽编制的 3dmod 入门指南(http://bio3d.colorado.edu/imod/doc/3dmodguide.html)。
5. 使用 Endrov 跟踪荧光标记的结构
注意:为了追踪细胞分裂残留物,应使用带有细胞核或质膜标记的菌株以进行细胞识别(例如, H2B、PH-PLC-d1)以及细胞分裂残留标记物(例如, NMY-2、ZEN-4)。细胞核或质膜标记物对于确定哪个子细胞继承了细胞分裂残余物至关重要。
6. 使用 PIVlab 分析皮层肌动球蛋白流
注意:PIVlab 是一款可免费获取的软件,来源为: http://pivlab.blogspot.de/;可通过在 Matlab 命令行环境中输入 PIVlab_GUI 来启动。使用 PIVlab 时,建议将图像序列保存在单独的文件夹中。
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通过使用方案2、3和4,对野生型 C. elegans 成虫的性腺进行延时成像(菌株OD58 (unc-119(ed3) III; ltIs38[pAA1; pie-1::GFP::PH(PLC1delta1) + unc-119(+)]),该菌株表达来自生殖系启动子的膜标记物)。聚焦于性腺的弯曲区域,从显微镜数据生成生殖细胞的三维模型(图2)。该模型可用于分析细胞从远端向近端移动过程中细胞大小的变化,揭示合胞体轴丝(rachis)的组织结构以及单个细胞与轴丝接触区域的大小(另见 http://www.wormatlas.org/hermaphrodite/germ%20line/Germframeset.html)。
接下来,使用方案1、3和5对秀丽隐杆线虫(C. elegans)胚胎(菌株CHP52,该菌株是菌株RW10226(unc-119(ed3) III; itIs37[pie-1p::mCherry::H2B::pie-1 3'UTR + unc-119(+)]; stIs10226[his-72 p...
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通过在发育过程中对物体(特别是细胞核)的追踪,已有可能阐明中心模式形成的机制 秀丽隐杆线虫 胚胎发生1,23,24将该策略扩展至更高通量,近期已有可能揭示更多模式形成规律,并提出一种推导模式形成规律的方法。 从头合成10然而,对于许多突变体而言,其精确的图式形成缺陷仍然未知。本文所述方法可成为阐明这些缺陷的重要工具。值得注意的是,近年来已逐渐明确,尽管许多其他模式系统并不遵循像 秀丽隐杆线虫,对象追踪及对定量追踪数据的分析是识别发育机制和疾病机制的关键工具。
本文所示方法特别适用于以下情况:实施更复杂和/或自行开发的软件解决方案过于困难,或实施商业软件工具成本过高的情形。重要的是,此处讨论的工具使研究人员能够独立加载和分析数据,而无需考虑数据是在何种仪器上记录的。此外,如果使用专有的图像采集软件,ImageJ 提供了 Bio-Formats 插件,可加载专有格式的数据并将其保存为标准格式(jpeg、tiff)。
所有依赖延时显微镜...
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CP 实验室的研究工作由德国研究基金会(Deutsche Forschungsgemeinschaft,EXC 115;FOR 1756)和黑森州卓越计划(LOEWE)泛素网络研究集群资助。CP 还获得欧盟第七框架计划(Marie Curie Actions 项目 326632)的支持。
作者无任何利益冲突需要披露。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 体视显微镜 | Motic/VWR | OT4005S | 用于解剖和封片的体视显微镜 |
| 聚苯乙烯微球 | Polysciences | 18329 | 胚胎封片 |
| 20 µm | |||
| 聚苯乙烯微球 | Polysciences | 876 | 成年动物封片 |
| 0.1 µm | |||
| 显微镜载玻片 | VWR | 631-0902 | 成年动物封片 |
| 盖玻片 18×18 mm | VWR | 631-1331 | 胚胎/成年动物封片 |
| 盖玻片 24×60 mm | VWR | 631-1339 | 胚胎封片 |
| 手术刀 | VWR | 233-5455 | 胚胎解剖 |
| 硅胶管 | VWR | 228-1501 | 口吸管用管路 |
| 30 mm 聚四氟乙烯(PTFE)膜过滤器 | NeoLab | Jul-01 | 口吸管过滤装置 |
| 毛细管 | VWR | 621-0003 | 口吸管吸头 |
| 凡士林 | Roth | E746.1 | 胚胎/成年动物封片 |
| 琼脂 | Roth | 5210.5 | 成年动物封片 |
| 磷酸二氢钾 | Roth | P018.2 | M9 缓冲液 |
| 磷酸氢二钠 | Roth | P030.2 | M9 缓冲液 |
| 氯化钠 | Roth | 3957.1 | M9 缓冲液 |
| VisiScope 转盘共聚焦成像系统 | Visitron Systems | n/a | 共聚焦显微镜 |
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