本文介绍了一种利用分子信标、转盘共聚焦显微镜和开源分析软件,在活体黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)卵室中对内源性mRNA运输进行可视化、检测、分析与追踪的实验方案。
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本文介绍了一种利用分子信标、转盘共聚焦显微镜和开源分析软件,在活体黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)卵室中对内源性mRNA运输进行可视化、检测、分析与追踪的实验方案。
基于荧光的成像技术结合光学显微镜的发展,彻底改变了细胞生物学家开展活细胞成像研究的方式。自从早期研究将特定位置的mRNA定位与基因表达调控联系起来后,RNA检测方法已得到极大扩展。如今,通过能够检测mRNA的技术手段,结合足够快速以捕捉分子动态行为范围的显微镜系统,可以实现对mRNA动态过程的可视化观察。分子信标技术是一种基于杂交的方法,可直接在活细胞中检测内源性转录本。分子信标呈发夹结构,为内部淬灭型单核苷酸识别核酸探针,仅在与特异性靶序列杂交时才会发出荧光。当该技术与先进的荧光显微镜和高分辨率成像系统相结合时,可实现对细胞内mRNA运动的空间和时间追踪。尽管该技术是目前唯一能够检测内源性转录本的方法,但由于在为活细胞成像设计此类探针方面存在困难,细胞生物学家尚未广泛采用这一技术。一种名为 PinMol 的新软件应用程序,可实现更高效且快速地设计最适合在活细胞内有效杂交至mRNA靶区域的探针。此外,高分辨率实时图像采集以及当前开源的图像分析软件,可提供更精确的数据输出,从而更深入地评估mRNA生命周期中所涉及的动态过程的复杂性。
本文介绍了一种针对黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)卵室设计并递送分子信标的全面实验方案。通过转盘共聚焦显微镜,可直接且高度特异性地检测和可视化内源性母源mRNA。利用Icy软件中的目标检测与追踪功能对成像数据进行处理和分析,从而获得有关mRNA动态运动的详细信息,这些mRNA被运输并定位于卵母细胞内的特定区域。
利用基于荧光的活细胞成像技术,细胞生物学研究得以在空间和时间分辨率上可视化动态事件。目前,体内 mRNA 的可视化主要通过基于RNA适配体-蛋白质相互作用、RNA适配体诱导有机染料荧光以及核酸探针退火的技术实现1,2,3。这些方法均具有高特异性、高灵敏度以及高信噪比。然而,以RNA适配体为核心的方法需要进行广泛的遗传操作,即构建转基因序列以表达含有特定人工结构元件的RNA,这些结构元件是与蛋白质或有机染料结合所必需的。例如,MS2/MCP系统需要共表达两个转基因:一个编码包含多个串联重复序列的RNA结构,该重复序列为噬菌体MS2衣壳蛋白(MCP)的结合位点;另一个则编码与MCP融合的荧光蛋白4,5。在RNA上引入此类二级结构元件,同时结合体积较大的荧光标记蛋白,引发了人们对天然RNA生物学过程可能受到干扰的担忧6。为解决这一问题并提供额外独特优势的技术是基于核酸的方法——分子信标(molecular beacons, MBs)。MBs能够实现内源性mRNA的多重检测、单核苷酸变异的区分以及与靶标mRNA快速的杂交动力学7,8。MBs是一类寡核苷酸探针,在未与靶标结合时保持淬灭的发夹结构,一旦与靶标杂交即发生荧光激活的构象变化(图1C)9。多个研究团队已成功应用MBs检测非编码RNA(如microRNA和lncRNA)10,11,12,13、RNA逆转录病毒14以及动态的DNA-蛋白质相互作用15。MBs已被成功用于多种生物体和组织中的成像,包括斑马鱼胚胎16、神经元13、肿瘤组织17、分化中的心肌细胞18以及Salmonella19。
本文描述了在活细胞中对内源性mRNA进行设计、递送和检测的方法 D. melanogaster 卵泡室与显微镜装置相结合,该装置速度足够快,可捕捉活性分子运输的动态范围。 D. melanogaster 卵室作为多细胞模型系统,已被广泛应用于各类发育生物学研究,从早期生殖系干细胞分裂和母源基因表达,到体节性体轴模式的形成20,21卵室易于分离,体积较大且呈半透明状,能够耐受数小时的处理 离体 分析,使它们非常适合成像实验。大量研究集中在母源转录本在被主动翻译之前定位于特定亚细胞区域的不对称分布现象。特别是 oskar mRNA 在卵母细胞后极的定位及其后续翻译必须以高度调控的方式进行,以避免出现致死性的双尾胚胎表型22. oskar mRNA 在15个生殖细胞(称为滋养细胞)中转录,并通过细胞质桥(称为环状管)主动运输到卵母细胞中,卵母细胞是发育为成熟卵子并最终受精的生殖细胞。图1A)。关于蛋白质因子动态招募及其进出交换的大量信息已可获得 oskar mRNP 及其在细胞内的长距离运输使 oskar 研究mRNA生命周期众多过程的首选候选对象。MBs在揭示mRNA定位过程的细节以及解析调控mRNA运输的蛋白质因子的功能与调控机制方面发挥了关键作用。 果蝇 卵子发生。特别是通过将微珠(MBs)显微注射到滋养细胞中并进行活细胞成像实验,可实现对内源性mRNA的追踪8,23.
本文提供的路线图展示了完整的操作流程,从使用分子信标(MBs)进行活细胞成像实验、获取成像数据,到对数据进行分析以在天然细胞环境中追踪内源性mRNA。研究人员可根据各自实验室所使用的其他组织或细胞类型,对该流程中的步骤进行修改和进一步优化。
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1. 用于活细胞成像的分子信标设计
2. 亚甲蓝的合成、纯化与表征
3. 卵室的解剖与显微注射前的制备
4. 将微球注射至卵室的护卵细胞中
5. 使用旋转盘共聚焦显微镜系统获取数据
注意:有关我们的具体设置,请参见材料表。
6. 数据处理、分析以获取追踪与共定位信息,以及视频文件的制备
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利用 PinMol,可针对一个 mRNA 靶标设计多个分子信标(MB)(图1B-C)。合成并纯化选定的分子信标后,通过体外分析对其进行表征和比较。

图1:内源性mRNA活细胞成像的技术与组织描述。 (A中期阶段示意图 黑腹果蝇
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在活体果蝇(Drosophila)卵室中对内源性 mRNA 的运输进行实时可视化,依赖于特定、高效且耐核酸酶的分子信标(MBs),而如今这些分子信标可通过 PinMol 软件轻松设计。分子信标是一种特异性探针,可靶向检测目标 mRNA 中的独特序列(优先选择无二级结构的区域),从而实现对转录本的高分辨率检测。将该技术/方案应用于其他组织或细胞类型时,唯一的限制在于分子信标向目标样本的递送效率。尽管其他方法需要对组织进行遗传改造,使其表达适配体以及与荧光蛋白融合的 RNA 结合蛋白,以实现对单个目标 mRNA 的可视化(例如 MS2/MCP 系统),但最多仅能实现两种转录本的多重检测。相比之下,分子信标技术是唯一能够在活细胞中检测内源性 mRNA 的方法,也是目前唯一允许同时可视化两种以上 mRNA 物种的技术。
MBs 可以用多种荧光基团进行标记,并且在由修饰核苷酸(如 2'-O甲基核糖核苷酸或锁核酸26,31这...
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作者声明无利益冲突。
我们感谢萨尔瓦多·A·E·马拉斯(新泽西州立罗格斯大学公共卫生研究所中心)在分子信标合成、标记与纯化方面的贡献,以及丹尼尔·圣约翰斯顿(剑桥大学戈登研究所)提供oskar-MS2/MCP-GFP转基因果蝇品系。本研究工作得到了美国国家科学基金会职业奖1149738以及纽约市立大学专业人员委员会资助项目对DPB的资助支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 荧光分光光度计 | Fluoromax-4 Horiba-Jobin Yvon | n/a | 光子计数型荧光分光光度计 |
| 石英比色皿 | Fireflysci (原 Precision Cells Inc.) | 701MFL | |
| Dumont #5 镊子 | World Precision Instruments | 501985 | 细镊子对于分离单个卵室至关重要 |
| 卤碳油 700 | Sigma-Aldrich | H8898 | |
| 盖玻片 No.1 22 mm × 40 mm | VWR | 48393-048 | |
| 解剖显微镜 | Leica MZ6 Leica Microsystems Inc. | n/a | |
| CO2 果蝇麻醉垫 | Genesee Scientific | 59-114 | |
| Tris-HCl pH 7.5 | Sigma-Aldrich | 1185-53-1 | |
| 氯化镁 | Sigma-Aldrich | 7791-18-6 | |
| NaCl | Sigma-Aldrich | 7647-14-5 | |
| 转盘共聚焦显微镜 | 配备 Yokogawa CSU 10 转盘的 Leica DMI-4000B 倒置显微镜 Leica Microsystems Inc. | n/a | |
| Hamamatsu C9100-13 ImagEM EMCCD 相机 | Hamamatsu | n/a | |
| PatchMan NP 2 显微操作器 | Eppendorf Inc. | 920000037 | |
| FemtoJet 微注射仪 | Eppendorf Inc. | 920010504 | |
| 注射针:Femtotips II | Eppendorf Inc. | 930000043 | |
| 上样吸头:20 μL Microloader | Eppendorf Inc. | 930001007 | |
| 显微盖玻片 No. 1 或 1.5,22 mm × 40 mm | VWR | 48393-026; 48393-172 | |
| 干酵母 | 任意杂货店 | n/a | |
| 计算机,> 20 GB RAM | 尽管大多数计算机均可进行数据处理,但更高配置的设备可显著提升处理速度 |
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