芽殖酵母是研究微管动态的有利模型 体内 由于其强大的遗传学特性和微管细胞骨架的简单性。以下实验方案描述了如何转化和培养酵母细胞,获取共聚焦显微镜图像,以及在活体酵母细胞中对微管动态进行定量分析。
芽殖酵母是研究微管动态的有利模型 体内 由于其强大的遗传学特性和微管细胞骨架的简单性。以下实验方案描述了如何转化和培养酵母细胞,获取共聚焦显微镜图像,以及在活体酵母细胞中对微管动态进行定量分析。
动态微管对许多细胞过程至关重要,准确测量微管动力学可揭示细胞如何调控这些过程,以及基因突变如何影响这种调控。在后生动物模型中对微管动力学进行定量分析面临诸多挑战,包括微管密度高以及遗传操作受限。相比之下,芽殖酵母模型具有克服这些挑战的优势。本实验方案描述了一种在活酵母细胞中测量单个微管动力学的方法。表达荧光标记微管蛋白的细胞被固定在组装好的载玻片腔室中,从而实现稳定的时程成像。本文还提供了高速四维成像的详细操作指南,以及在共聚焦图像序列中定量分析动态微管特性的实验流程。该方法结合传统的酵母遗传学手段,特别适用于对微管调控因子或改变微管蛋白亚基活性的突变体进行定量评估。
微管是由αβ-微管蛋白亚基组成的细胞骨架多聚体,在多种细胞过程中发挥重要作用,包括细胞内运输、细胞分裂、形态发生和细胞运动。为了构建适用于这些不同功能的微管网络,细胞必须精确调控微管形成的位置和时间。这种调控通过控制αβ-微管蛋白亚基组装成微管多聚体,或将微管解聚为游离亚基的反应来实现;这一过程被称为微管动力学。
微管研究领域的一个主要目标是阐明调控微管动态的分子机制,包括对αβ-微管蛋白亚基以及结合微管蛋白和/或微管的外源性调节因子的研究。一种成熟的实验方法是重建该系统 体外 使用纯化的αβ-微管蛋白,通常与纯化的外源性调节因子联合使用。尽管这是一种有效的研究方法,但重建系统中的微管动态与活细胞中观察到的动态存在显著差异。例如,微管的生长速度更快,而缩短速度更慢 体内 比 体外这些差异可能归因于已知的外源性调控因子的可获得性1以及细胞中尚未明确的因素。因此,在天然的细胞环境中确定微管调节因子及其破坏微管动态的突变体活性至关重要。
尽管后生动物模型已被证明是研究微管功能和高级结构的主要体系,但一些实际问题严重限制了这些模型在精确测量微管动态方面的应用。首先,每个细胞中微管数量众多,从几十到数千不等,这使得长时间可靠追踪单个微管变得困难。许多研究通过成像特异性定位于微管末端的蛋白质(例如末端结合蛋白(EB)家族成员)来应对这一挑战。然而,已知这些蛋白质在后生动物中仅定位于正在生长的微管末端2。因此,这些蛋白质仅能直接用于测量微管的生长速率,而对动态的其他方面(如 catastrophe 事件的发生频率)只能进行间接测量。其次,尽管基因组编辑技术已取得进展,构建稳定表达荧光标记微管蛋白的细胞系,或引入突变以特异性操控微管蛋白或微管调控因子,仍然面临重大挑战。此外,后生动物中存在多种微管蛋白异构体,这使得研究突变如何影响单个微管蛋白基因变得复杂。
芽殖酵母系统在测量方面具有多个重要优势 体内 微管动力学。酵母具有简化的微管网络,可实现单个微管的可视化观察。在酵母中,微管起源于称为纺锤极体(SPBs)的微管组织中心,这些结构嵌于核膜之中。3SPB 作为γ-微管蛋白小复合体的支架,启动微管的成核4,5SPB会成核两类微管:纺锤体微管和星体微管。纺锤体微管伸入核质中,通过动粒微管附着染色体,并通过重叠的极间微管稳定纺锤体。6相比之下,星体微管向外延伸至细胞质中,与密集的纺锤体微管网络相比数量较少。在有丝分裂过程中,前期细胞的每个纺锤体极体(SPB)仅发出1-2条星体微管;这些微管以单根形式存在,而非成束状。7星体微管在有丝分裂过程中的作用是将细胞核和纺锤体移至母细胞与芽生细胞区室之间的连接部位,即芽颈。这一移动过程涉及明确的信号通路,这些通路在星体微管上产生作用力,将细胞核和纺锤体拉向芽颈,并最终移入其中8.
酵母系统的另一个优势在于其遗传学工具的实用性,可用于以前所未有的精确度研究微管调节因子和微管蛋白亚基。酵母还具有简化的微管蛋白异构体组成:单个β-微管蛋白基因(TUB2)和两个α-微管蛋白基因(TUB1 和 TUB3)。这些基因易于引入突变,从而可在均一的微管蛋白群体中进行研究9,10。目前已有多种广泛可用的标记微管的构建体,这些构建体可靶向整合至染色体位点以实现稳定表达(见讨论部分)。
本方法的总体目标是对活体酵母细胞中的单个微管进行四维(X、Y、Z 和 T)成像,以实现对微管动态的高分辨率测量。文中描述了在酵母细胞中构建并整合用于组成型低水平表达荧光标记微管蛋白的实验方法。在成像前,将活细胞装载到涂有植物凝集素刀豆球蛋白 A 的载玻片腔室中,以稳定细胞,便于长期成像。同时,还介绍了图像采集的最佳参数以及数据分析的工作流程。
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1. 准备-LEU缺陷型平板
2. 整合GFP-Tub1以实现GFP标记微管蛋白的组成型表达
3. 培养液体酵母菌液
4. 准备流式细胞仪载玻片
5. 将酵母细胞加载至制备好的流动腔载玻片中
6. 图像采集
7. 图像分析
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在活体酵母细胞中测量微管动态为评估编码微管调节因子或微管蛋白亚基的基因突变如何影响聚合与解聚速率以及两者间转换频率提供了一种有力的工具。 图1 显示了野生型细胞和β-微管蛋白(β-tubulin)突变体细胞中星体微管动态的时间序列tub2-430Δ)。微管通过GFP标记的α-微管蛋白进行标记,以观察微管长度。红色箭头指示各图像中星状微管的长度(图1A 和 1C)。在8分钟内的每个时间点测量微管长度,这些汇总的长度在活细胞成像图中显示(图1B 和 1D)。这些数据用于确定聚合速率、解聚速率、聚合持续时间、解聚持续时间、恢复频率、转换频率以及动态性参数。
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芽殖酵母模型在获取微管动力学高分辨率测量数据方面具有显著优势 体内 包括随时间成像单个微管的能力,以及利用酵母遗传学工具操纵微管蛋白和微管调节因子的能力。
与先前描述的装置(包括熔融琼脂垫)相比,刀豆蛋白A包被的培养室具有多项优势。带有培养室的载玻片可预先制备并长期保存,也可立即使用。此外,刀豆蛋白A包被的培养室能够在细胞最初培养的相同培养基中持续培养酵母细胞超过>6小时。需要注意的是,培养室内的细胞数量将决定该培养室可进行成像的时间长短。包被后的培养室可确保仅有一层酵母细胞黏附于盖玻片表面。最后,通过制备多个培养室,可在同一载玻片上对多种不同的酵母菌株进行成像。
在芽殖酵母中对微管动态进行成像存在诸多挑战,包括信号水平相对较低以及该过程的高度动态性。宽场显微镜适用于捕获标记微管的单时间点图像。然而,由于曝光时间较长以及样品受到非焦平面光线的持续照射,宽场显微镜会导致更快的光漂白。同样,激光扫描共聚焦显微镜也因光漂白速度较快而不适用。旋转盘共聚焦显微镜则特别适合用于芽殖酵母中微管动态的成像。本研究所采...
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作者声明不存在任何竞争性经济利益。
我们感谢北卡罗来纳大学的 Kerry Bloom、美国国家癌症研究所(NCI)的 Kyung Lee、科罗拉多州立大学的 Steven Markus 以及海德堡大学的 Elmar Schiebel 分享了多种 FP-TUB1 质粒。我们感谢明尼苏达大学的 Melissa Gardner 对我们进行载玻片腔室制备方法的培训。本研究工作得到了美国国立卫生研究院(NIH)资助 R01GM112893-01A1(资助 J.K.M.)和 T32GM008730(资助 C.E.)的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| DOB(缺失碱基) | Sunrise science | 1650 | |
| CSM-Leu | Sunrise science | 1005 | |
| 琼脂 | Ameresco | N833 | |
| 100 mm 聚苯乙烯培养皿 | Fisher Scientific | FB0875713 | |
| 单链DNA(鲑鱼精子) 溶于无菌DiH2O | Sigma-Aldrich | D7656 | 用DiH2O配制成10 mg/mL溶液,分装后于-20 ºC保存 |
| 合成完全培养基 | Sunrise science | 1459-100 | |
| 刀豆蛋白A | Sigma-Aldrich | L7647 | 用DiH2O配制成2 mg/mL溶液,分装后于-20 ºC保存 |
| 显微镜载玻片 | Fisher Scientific | 12-544-1 | |
| 显微镜盖玻片 | Fisher Scientific | 12-541-B | |
| Parafilm | Fisher Scientific | 13-374-12 | 石蜡膜 |
| VALAP(等量凡士林、羊毛脂和石蜡混合物) | 使用前于75 ºC熔化 | ||
| 镊子 | Fisher Scientific | 16-100-106 | |
| 聚乙二醇(PEG)3350 | Sigma-Aldrich | 202444 | |
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 备注 |
| 显微镜 | |||
| Ti E 倒置完美聚焦显微镜 | Nikon Instruments | MEA53100 | |
| 1.45 数值孔径 100X CFI Plan Apo 物镜 | Nikon Instruments | MRD01905 | |
| 压电载物台 | Physik Instrumente | P-736 | |
| 转盘扫描器 | Yokogawa | CSU10 | |
| 激光组合模块 | Agilent Technologies | MCL400B | |
| EMCCD相机 | Andor Technology | iXon Ultra 897 | |
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 备注 |
| 软件 | |||
| NIS Elements 软件 | Nikon Instruments | MQS31100 | |
| Microsoft Excel 软件 | Microsoft | ||
| MATLAB 软件 | MathWorks, Inc | ||
| ImageJ64 | NIH | Rasband, W.S., ImageJ, 美国国立卫生研究院(NIH),马里兰州贝塞斯达,美国,http://imagej.nih.gov/ij/,1997-2016。 | |
| Bio-Formats 导入插件 | Open Microscopy Environment | ||
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 备注 |
| 质粒 | |||
| pUC19-LEU2::GFP-TUB1 | pSK1050 | 参考文献:Song, S. 和 Lee, K. S. 酿酒酵母CDC5在胞质分裂中的新功能。J Cell Biol. 152 (3), 451-469 (2001) |
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