我们开发了一种简单且可适应的工作流程,用于从基于荧光成像的细胞生物学研究中提取定量数据,以分析神经退行性 Drosophila 模型中枢神经系统中的蛋白质聚集和自噬流。
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我们开发了一种简单且可适应的工作流程,用于从基于荧光成像的细胞生物学研究中提取定量数据,以分析神经退行性 Drosophila 模型中枢神经系统中的蛋白质聚集和自噬流。
随着神经退行性疾病发病率的不断上升,深入理解导致神经元功能障碍和丢失的潜在病理生理机制变得愈发重要。基于荧光的成像工具和技术能够实现对亚细胞水平神经生物学过程的前所未有的分析,但仍亟需一种无偏倚、可重复且易于获取的方法,以从成像研究中提取可量化的数据。我们开发了一种简单且可灵活调整的工作流程,用于从基于荧光的成像研究中提取定量数据,该方法利用神经退行性疾病的 Drosophila 模型实现。具体而言,我们描述了一种易于操作的半自动化方法,使用 Fiji/ImageJ 分析两个细胞过程:首先,通过荧光标记的突变型亨廷顿蛋白,定量分析 Drosophila 视叶中的蛋白聚集体含量及其分布特征;其次,利用自噬双荧光报告系统进行比率化定量,评估 Drosophila 视觉系统中的自噬-溶酶体通量。尤为重要的是,本文所述方案包含一个半自动化的分割步骤,以确保所有荧光结构均被分析,从而最大限度地减少选择偏差,并提高细微差异比较的分辨率。该方法可拓展应用于分析神经退行性疾病中其他相关的细胞结构与过程,例如蛋白聚集点(应激颗粒和突触复合物)以及膜结合区室(线粒体和膜运输囊泡)。本方法为图像分析与定量提供了标准化且可灵活调整的参考基准,有助于提升该领域内研究的可靠性与可重复性,最终促进对神经退行性疾病机制的深入理解。
每年有数百万人受到神经退行性疾病的影响,且随着人口老龄化,其发病率正在上升1。尽管每种神经退行性疾病的病因各不相同,但错误折叠蛋白的聚集以及蛋白质稳态网络的破坏是许多此类疾病的共同病理特征。阐明这些基本且相互关联的过程如何失调并导致神经元功能障碍和细胞死亡,对于理解神经退行性疾病以及指导治疗干预至关重要。基于荧光的成像技术可用于研究神经元中这些复杂而动态的过程,并极大地促进了我们对神经元细胞生物学的理解。对荧光标记蛋白的分析具有挑战性,尤其是在体内(in vivo)进行实验时,由于组织高度致密、细胞类型多样以及形态异质性显著,分析难度更大。人工辅助的定量方法成本较低且操作直接,但通常耗时较长且易受人为偏差影响。因此,亟需发展一种无偏倚、可重复且易于获取的方法,以从成像研究中提取可量化的数据。
我们概述了一种使用 Fiji/ImageJ 的简单且可灵活调整的工作流程。Fiji/ImageJ 是一款功能强大且可免费获取的图像处理软件2,3,可用于从以 Drosophila 为模型的神经退行性疾病荧光成像研究中提取定量数据。通过遵循本方案对蛋白质聚集和自噬流——这两个与神经退行性疾病病理高度相关的细胞生物学特征——进行定量分析,我们验证了该方法的灵敏性和可重复性。在 Drosophila 视叶中对荧光标记的突变亨廷顿蛋白(Htt)进行分析,可获得蛋白聚集体的数量、大小和荧光强度。我们在 Drosophila 视觉系统中可视化了一种串联荧光自噬流报告系统,该系统可根据所处区室环境的不同发出不同的发射信号4。基于比值的串联报告系统分析,能够对自噬-溶酶体流进行定量且全面的观察,涵盖自噬体的形成、成熟、运输直至在溶酶体中降解的全过程,并进一步揭示在神经退行性条件下易受破坏的敏感区室。重要的是,在上述两种分析中,我们在方案中引入了半自动化的阈值设定和图像分割步骤,以最大限度减少无意识偏差、提高取样能力,并为同类研究之间的比较提供标准化依据。这一简洁明了的工作流程旨在使神经生物学家及更广泛的生命科学领域研究者能够更便捷地使用由计算机科学家基于数学算法开发的强大 Fiji/ImageJ 插件。
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1. 图像分析实验设计的考虑因素与准备工作
2. 大脑解剖与免疫荧光染色
3. 图像采集
4. Fiji/ImageJ 图像导入与 ROI 选择
5. 使用 h-maxima 水文分割法进行预处理与分割
6. 数量、面积与强度的定量与分析
7. 比值定量与数据分析
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荧光标记的突变型Htt聚集体的数量、面积和强度的定量分析 果蝇 视叶
研究中枢神经系统中错误折叠蛋白的聚集 果蝇 亨廷顿病模型,带有RFP标签的突变型人类Htt,具有非致病性(UAS-RFP-hHttQ15)或病理性扩张(UAS-RFP-hHttQ138)以及膜结合型GFP(UAS-mCD8::GFP)11 在泛神经元驱动子下共表达 elav-GAL4雌性果蝇羽化后2天(DAE)的脑组织按照方案第2节所述进行解剖、固定和DAPI染色。使用40倍油镜(数值孔径NA为1.30)对视叶区域进行共聚焦激光扫描显微成像,扫描速度为 8.0 µs 每像素12位,空间分辨率为1024×1024像素。成像软件确定的最佳步长为 1.08 µm 每张切片使用以下激发/发射波长组合的物镜进行成像:通道1)GFP为488/510...
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本文所述方案可用于对基于荧光成像所观察到的细胞生物学过程进行稳健且可重复的定量分析。在指导实验设计时,必须仔细考虑生物学背景和技术局限性。对于目的亚细胞结构的荧光标记物,无论其为免疫组织化学标记、染料标记或基因表达产物,均需在形态和强度上能够与背景清晰区分。UAS/GAL4 系统被广泛用于在 Drosophila 中驱动靶向基因表达。本文所展示的示例使用携带 GAL4 驱动元件的转基因品系,通过 UAS 增强子调控荧光标记蛋白的转录,以研究神经系统中的蛋白质聚集和自噬现象。若实验需要同时表达一个实验性 UAS 转基因和一个荧光报告转基因,则对照组也应共表达一个无显著生物学效应的转基因,以平衡 GAL4 的剂量效应,例如 UAS-GFP 或 UAS-lacZ。标准化的样品制备流程——如本文所述针对 Drosophila 中枢神经系统和视觉系统的解剖、固定、抗体染色至封片等步骤——对于实现最佳成像与定量分析至关重要。
为实现半自动化分析,并确保实验组之间的准确比较,必须采用良好的成像实践,以最大化...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本研究工作得到了Sheila和David Fuente神经性疼痛研究项目研究生奖学金(授予J.M.B.)、Lois Pope LIFE研究员项目(授予C.L.、Y.Z.和J.M.B.)、Snyder-Robinson基金会博士前奖学金(授予C.L.)、Dr. John T. Macdonald基金会(授予C.L.)、美国国立卫生研究院(NIH)合同与基金HHSN268201300038C、R21GM119018和R56NS095893(授予R.G.Z.),以及中国山东省泰山学者工程(授予R.G.Z.)的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| SYLGARD(R) 184 硅酮弹性体试剂盒 | Dow Corning Corporation | PF184250 | 解剖皿 |
| Falcon 35 mm 未经组织培养处理的易握型细菌培养皿 | Corning | 351008 | 解剖皿 |
| Dumont #5 镊子 | Fine Science Tools | 11251-20 | 解剖工具 |
| 氯化钠 | Sigma | S3014 | PBS 溶液 |
| 磷酸氢二钠 | Sigma | S5136 | PBS 溶液 |
| 磷酸二氢钾 | Sigma | P5655 | PBS 溶液 |
| Triton X-100 | Sigma | T9284 | 洗涤和抗体孵育溶液。 |
| 37% 甲醛 | VWR | 10790-710 | 固定 |
| 一次性微量离心管(0.5 mL,蓝色) | VWR | 89000-022 | 固定、洗涤和抗体孵育。 |
| 普通和磨砂载玻片(25×75 mm) | VWR | 48312-004 | 共聚焦成像用载玻片 |
| 矩形显微盖玻片(22×40 mm) | VWR | 48393-172 | 共聚焦成像用载玻片 |
| 橡胶胶水 | Slime | 1051-A | 封片 |
| VECTASHIELD 抗荧光淬灭封片剂 | Vector Laboratories, Inc. | H-1000 | 封片 |
| Scotch Magic 810 透明胶带(19 mm×25.4 m) | 3M Company | 810 | 封片 |
| 正常山羊血清 | Thermo Fisher Scientific | PCN5000 | 抗体孵育 |
| DAPI(4',6-二脒基-2-苯基吲哚,二盐酸盐) | Thermo Fisher Scientific | D1306 | 核酸染色。用去离子水溶解配制成 5 mg/mL 储存液,于 -80°C 保存。使用时用 PBTx 稀释至工作浓度 10–20 μg/mL。 |
| 3.5X–90X 立体变倍工业检测显微镜 | AmScope | SM-1BNZ | 解剖显微镜。配备 6 W LED 双蛇形管照明器 |
| ImageJ/Fiji | NIH | v1.51u | 含 SCF_MPI_CBG 插件(版本 1.1.2) |
| FV1000-IX81 共聚焦激光扫描显微镜 | Olympus | ||
| 重组构建体 | Bloomington Drosophila Stock Center | BL37749 |
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