在本实验方案中,我们演示了如何繁殖墨西哥盲鱼(Astyanax mexicanus)成鱼,培育其幼体,并对后幼体阶段的鱼类进行整体免疫组织化学染色,以比较表型栖息地型与洞穴型之间的表型差异。
在本实验方案中,我们演示了如何繁殖墨西哥盲鱼(Astyanax mexicanus)成鱼,培育其幼体,并对后幼体阶段的鱼类进行整体免疫组织化学染色,以比较表型栖息地型与洞穴型之间的表型差异。
适应河流和洞穴环境的Astyanax mexicanus种群在形态、生理和行为方面表现出差异。针对成体形态比较的研究已揭示了其中部分差异的遗传基础。然而,关于这些种群在仔鱼后期阶段(开始摄食时)的差异了解较少。此类研究可能有助于理解洞穴鱼如何在其自然环境中存活至成年。在实验室中比较仔鱼后期发育的方法需要标准化的养殖和喂养方案。本文描述了如何在受精后两周内,使用富含营养的轮虫作为饲料,并在非循环水系统中培育鱼类。我们展示了如何从此类育苗系统中收集仔鱼后期的鱼体,并进行整体免疫染色。对于研究A. mexicanus的发育过程和基因功能而言,免疫染色是一种优于转基因表达分析的替代方法。此外,该育苗方法也可作为建立密度匹配种群的标准操作流程,用于后续生长至成鱼阶段的研究。
墨西哥盲鱼, Astyanax mexicanus 是一种鱼类的单一物种,存在栖息于河流中的种群(即表层鱼)和多个栖息于洞穴中的种群(即洞穴鱼),后者以其所栖息的洞穴命名(即, 天纳哈、莫利诺、帕琼)。越来越多的研究人员正在使用 A. mexicanus 研究行为的遗传与发育基础1,2,3,4,代谢5,6,7,8,以及形态演化9,10,11可用于研究的资源 A. mexicanus 包含一个已测序并注释的基因组12;转录组13;发育分期表14以及繁育方法15,16,17,创建转基因生物18以及基因编辑19传播更多工具和更新的标准实验方案将加速洞穴鱼研究领域的发展(参见本方法合集)20).
我们的目标是通过提供一种可靠的方法来扩展现有的工具库,以在不同实验室之间可比地评估后幼体阶段 A. mexicanus 个体中基因活性的 原位 检测。实现这一目标面临两个挑战。首先,各实验室之间需要建立标准化的孵化与饲养方案,因为投喂频率和饲养密度等参数的差异会影响鱼类的生长与发育,从而影响基因活性。其次,需要一种既标准化又具备适应性的方法,用于检测后幼体鱼中基因活性的表达模式。本文中,我们针对这些问题提出了解决方案,建立了将鱼类培养至后幼体阶段的标准操作规程,并介绍了一种可靠的全组织免疫组织化学(IHC)技术,用于检测 A. mexicanus 中的基因表达。
我们首先演示如何通过自然产卵繁殖鱼类,并鉴别受精卵。接下来描述如何孵化受精卵(获得仔鱼),并将仔鱼转移至育苗容器中,在不循环或更换水体的条件下,以每容器20尾鱼的密度饲养两周。受精后第5天,鱼体已发育至后仔鱼阶段(卵黄供应已耗尽),此时提供以藻类喂养的Brachionus plicatilis(轮虫)作为营养丰富的饵料,该饵料无需每日补充。该方法可为仔鱼及后仔鱼的发育提供稳定一致的生长参数。
为了评估基因功能,我们演示了如何将鱼从育苗容器中取出并进行整体免疫组织化学染色(IHC)。本研究所采用的IHC方法改编自适用于Danio rerio21的实验方案,可有效检测所有已测试的A. mexicanus组织中的抗原,包括脑、肠和胰腺。相较于构建转基因动物以研究基因表达和蛋白质定位,IHC是一种更快速的替代方法。该实验方案将有助于开展关于A. mexicanus的培养研究,并可用于比较表型鱼与洞穴鱼在幼体后阶段的表型差异。
本方案中所述的所有操作程序均已获得哈佛医学院机构动物护理和使用委员会(IACUC)的批准。
1. 杂交育种
注意:已有多种已发表的繁殖方法15,16,17,20也可用于此步骤。在繁殖前,成年鱼类在23 °C条件下维持10:14的光暗循环,并每天投喂一次颗粒饲料(参见材料表)。鱼类可在带有机械过滤和紫外灭菌的循环水系统中进行繁殖。也可在静水(非循环)水族箱中完成繁殖,但鱼类在静水水族箱中不应超过3天,因为水质会迅速恶化。
2. 孵化受精卵
3. 将孵化的幼虫转移到育苗容器中
4. 轮虫类鱼饲料的制备
5. 仔鱼后期的投喂
6. 幼鱼后期整体免疫组织化学
表1展示了在静水繁殖箱中对表面鱼以及Tinaja、Molino和Pachón洞穴鱼进行为期一年繁殖的成功情况。表面鱼和Pachón洞穴鱼的受精卵均成功孵化出幼体,而Molino和Tinaja洞穴鱼在部分情况下未能成功孵化(分别有2/6和2/18的产卵事件未产生孵化幼体)。产卵数量存在差异,但这种差异似乎与亲鱼的年龄无关。表2列出了部分产卵事件所产生的孵化幼体总数以及亲鱼的年龄。总体而言,我们发现表面鱼每次产卵产生的幼体数量最多(平均1,550 ± 894,n = 5),其次是Pachón(平均879 ± 680,n = 6)、Tinaja(平均570 ± 373,n = 11)和Molino(平均386 ± 276,n = 3)。所产生的幼体数量通常超过每次实验或成鱼培育所需数量。我们通常设置6–18个育苗容器(120–360条幼鱼),并将剩余的鱼实施安乐死。
为了评估育苗方案的成功率,我们记录了成功产卵事件中孵化出的幼体数量以及存活的仔鱼数量。表3展示了在循环水箱中一个月繁殖期间的数据,包括转移到育苗容器中并存活至14天后受精(dpf)的幼体数量。在此期间,存活率在41%至81%之间,每种群可获得用于实验或继续培育为成鱼的个体数量为65至293尾。
为了确定整体免疫染色是否成功,我们将孵育过一抗的样品荧光信号与仅孵育二抗的样品进行比较。只有孵育过一抗的鱼才能观察到荧光信号。我们已成功利用该方案对表面型和洞穴型两种形态在发育至12.5天时的神经元10(图1)以及胰腺细胞6进行了标记。

图 1:神经元标记。对 A. mexicanus 进行整体免疫染色。显示12.5天幼鱼的表型鱼(a)和帕琼洞穴鱼(b)。图中显示表型鱼(c)和帕琼洞穴鱼(d)中段区域的图像[在(a)和(b)中以黄色虚线轮廓标示],使用泛神经元抗体(Hu)染色。(e)表型鱼肠道局部的共聚焦图像,显示肠神经元(Hu)及其突起(乙酰化微管蛋白)。此图像中,肠道被解剖取出,并置于含DAPI的介质中封片,以标记细胞核。请点击此处查看该图的高清版本。
| 种群 | 尝试次数 | 产卵事件 | 产卵批次 |
| surface | 94 | 23 | 23 |
| Molino | 110 | 6 | 4 |
| Pachón | 167 | 13 | 13 |
| Tinaja | 242 | 18 | 16 |
表1:一年内静水养殖A. mexicanus的数据汇总。 繁殖尝试次数、成功产卵事件次数,以及产生孵化幼体的产卵事件次数。
| 种群 | 亲本年龄 | 孵化幼体数量 |
| 地表种群 | 1年 | 989 |
| 地表种群 | 1年 | 1050 |
| 地表种群 | 3年 | 2214 |
| 地表种群 | 3年 | 432 |
| 地表种群 | 3年 | 1768 |
| 地表种群 | 4年 | 2852 |
| Pachón | 1年 | 1194 |
| Pachón | 1年 | 1933 |
| Pachón | 1.5年 | 371 |
| Pachón | 3年 | 480 |
| Pachón | 4年 | 1190 |
| Pachón | 4年 | 110 |
| Tinaja | 9个月 | 259 |
| Tinaja | 9个月 | 253 |
| Tinaja | 10个月 | 1100 |
| Tinaja | 11个月 | 857 |
| Tinaja | 1年 | 713 |
| Tinaja | 1年 | 853 |
| Tinaja | 1年 | 542 |
| Tinaja | 1.5年 | 360 |
| Tinaja | 1.5年 | 58 |
| Tinaja | 1.5年 | 1100 |
| Tinaja | 4年 | 185 |
| Molino | 2.5年 | 460 |
| Molino | 2.5年 | 619 |
| Molino | 3年 | 81 |
表2:来自所列种群的单次产卵事件中雌性的近似年龄及孵化幼虫数量 A. mexicanus
| 种群 | 尝试次数 | 产卵事件次数 | 产卵批次 | 每窝卵数 | 转移至育苗杯的幼体数 | 14天后存活的仔鱼数 | 存活率 (%) |
| surface | 4 | 3 | 2 | 576 & 1728 | 360 | 174 | 48 |
| Molino | 4 | 2 | 1 | 228 | 159 | 65 | 41 |
| Tinaja | 4 | 1 | 1 | 1952 | 175 | 93 | 53 |
| Pachón | 4 | 1 | 1 | 1696 | 360 | 293 | 81 |
表3:在一个循环水系统中对 A. mexicanus 进行一个月繁殖并培育幼鱼的数据汇总。 包括繁殖尝试次数、成功产卵事件次数、成功孵化出幼鱼的产卵批次数量、每批幼鱼的平均数量、转移至育苗容器中的幼鱼数量,以及14天后育苗容器中存活的仔鱼数量。
比较地表与洞穴型 A. mexicanus 的基因活性需要严格控制的环境参数,以及可在不同实验室间重复的方法。我们提供的 A. mexicanus 饲养方案可确保幼体后期发育阶段营养供给的一致性。采用该喂养方案后,可结合本文所展示的可靠的免疫组织化学实验流程,在不同种群之间可靠地比较基因功能。本文将探讨该方法的意义及其局限性与未来应用前景。
为实现密度匹配的生长,我们发现,后幼体阶段的鱼类可在1.5 L容器中以轮虫为食,在不循环水的条件下培养两周。该方案也可用于循环水系统中养鱼;然而,必须每天补充轮虫,以弥补通过水槽出水流失的轮虫。新孵化的卤虫(Artemia)无节幼体通常被用作水产养殖中的饵料,但我们发现使用轮虫具有显著优势,包括:成本更低、生物安全性更高、营养更稳定以及水质更优(见下文)。
首先,轮虫的耗材每周费用为4美元,而相比之下 卤虫关于生物安全,轮虫在实验室受控条件下进行培养,而 卤虫 从野外采集,其微生物或病原体含量存在自然变异23此外,营养成分的组成 卤虫 无节幼体的品质受环境因素影响,因而具有不一致性。孵化后,无节幼体依赖自身储存的能量生存;随着发育进程,其营养价值迅速下降,因此最好在孵化后数小时内投喂给鱼类。 卤虫 从孵化后12小时开始投喂,代表了首次可对其进行营养强化;然而,此时它们已过大,5 dpf的鱼类无法摄食。相比之下,轮虫持续摄食海洋微藻,因此无论何时收获,其营养成分均较高。轮虫的体型明显小于 Artmeia 无节幼体(160 与 400 微米),使鱼类更容易捕捉和吞食。后期幼鱼阶段的表层鱼和洞穴鱼摄食轮虫的数量相似,表明二者在对轮虫的偏好性或捕捉能力上无显著差异。10.
最后, 卤虫 卤虫无节幼体在引入淡水数小时后便开始死亡。未被摄食的无节幼体将迅速腐解,若不人工清除,会快速降低水质。清除死亡个体 卤虫 耗时且对后幼体阶段的鱼类存在危险,因为这些鱼的体型并不比卤虫大多少,可能会被意外移除或受伤。轮虫可以在育苗容器中无限期存活,并持续为鱼类提供食物,且不会显著影响水质。
尽管使用轮虫作为食物来源具有显著优势,但为了维持轮虫种群,必须每天向培养系统中添加藻类。这可以通过自动喂食器将液态藻类注入轮虫培养容器中来实现(参见材料表)。此外,必须每隔24至48小时从该系统中收获一次轮虫,以维持培养体系的健康状态。对于繁殖鱼类频率极低(例如每年一次)且不关注幼后阶段种群间比较的研究人员,可能更倾向于选择卤虫(Artemia)作为食物来源,因为其休眠卵可在需要时随时孵化。
建议记录孵化出的幼虫数量及存活幼虫数量,以监测孵化和生长的成功情况。如果大部分胚胎或幼虫死亡,可能是由于细菌或真菌污染所致。建议监测养鱼用水的水质,并使用70%乙醇对所有器械进行灭菌。育苗容器在清洗和灭菌后可重复使用。为降低疾病风险,还必须及时从育苗容器中移除任何死亡的鱼体,并且在鱼开始摄食前(即5 dpf之前)不得添加轮虫。
A. mexicanus 约在1岁时达到性成熟。这与能够在10至12周时繁殖的Danio rerio(斑马鱼)相比,在制备转基因A. mexicanus方面存在一定的局限性24。免疫组织化学(IHC)是一种研究基因表达和蛋白质定位的替代方法。本文所述方案的每一步均可进行调整,并可用于检测任何目标组织中的抗原。但需要注意的是,由于色素沉着的存在(这一障碍在无色素的洞穴鱼中不存在),在表面鱼中某些组织可能更难以观察,这可能会影响比较研究的结果解读。为解决这一潜在问题,可在固定后使用3%过氧化氢对表面鱼的色素进行漂白处理。
免疫组织化学(IHC)需要成功的组织固定、封闭和抗体渗透。每一步的具体方法因目标组织和蛋白的不同而有所差异。所选用的固定剂及固定时间必须在保持细胞结构完整性的同时,保留抗原的表位。在本实验方案中,我们采用交联型固定剂(多聚甲醛),避免使用变性固定剂(如甲醇或丙酮)。我们发现,丙酮处理会减弱神经元和胰腺标志物的抗体信号。封闭步骤对于防止抗体与组织中的非靶标蛋白结合至关重要。本方法在封闭液中使用正常血清(5%)和牛血清白蛋白(BSA,0.2%)的组合。封闭液中的抗体和蛋白可结合组织蛋白上的活性位点,从而减少一抗和二抗的非特异性结合。
为了实现抗体渗透,必须对组织进行通透处理。这可以通过去垢剂或变性溶剂实现,但需优化条件以保护抗原表位。本实验方案采用 Triton 与二甲基亚砜(DMSO)联合使用。在封闭和抗体孵育步骤中,Triton 和 DMSO 的浓度分别为 0.5% 和 1%。采用该浓度时,我们已在脑、胰腺、肠道和肌肉中观察到染色信号,表明此方法可能适用于所有组织的渗透。鱼体大小也可能影响抗体渗透效果。本方案尚未在超过 14 天龄(约 7 mm 长)的鱼体上进行测试。若染色结果不理想,建议调整固定、封闭及抗体渗透步骤。此外,利用现有的基因组信息25,比对免疫原序列与 A. mexicanus 目标蛋白的序列保守性也至关重要。
A. mexicanus 是研究进化的理想模型 由于来自同一物种但在截然不同环境中进化的种群可在实验室中直接进行比较,因此实验室内部及各实验室之间标准化的饲养方案对于理解表型鱼与洞穴鱼之间的生物学差异至关重要。本文提供了一种方法,用于在生长参数保持一致的条件下,研究后期幼鱼的发育过程及基因活性。
作者无任何利益冲突需要披露。
本研究工作由美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)基金资助 [HD089934, DK108495]。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 亚甲蓝 | Kordon | B016CBHZUS | 抗真菌剂 |
| 加热器 | Finnex | 4711457836017 | 100W 数字控制加热器 |
| 气石 | Lee's Aquarium & Pet Products | 10838125202 | 一次性气石 |
| 盐 | Instant Ocean | 51378014021 | 海水盐 |
| 育苗容器 | IPC | 21545-002 | 40 盎司或 1.5 L 透明容器 |
| 移液吸头 | VWR | 414004-002 | 塑料球头移液管 |
| 紧凑型培养系统(CCS)起始套装,含褶皱臂尾轮虫(L型)轮虫 | Reed Mariculture | na | 鱼饲料 |
| RGcomplete | APBreed | 817656016572 | 32 盎司瓶装轮虫饲料 |
| 可编程自动加样泵 DP-4 | Jebao | DP-4 | 轮虫自动投喂器 |
| Tricane-S | Western Chemical | MS 222 | 鱼类麻醉剂 |
| 碳酸氢钠 | Sigma-Aldrich | S5761-500G | 用于 Tricane 溶液 |
| 尼龙网筛 | HIC (Harold Import Co.) | 735343476235 | 直径 3 英寸 |
| 中性缓冲福尔马林溶液,10% | Sigma-Aldrich | HT501128-4L | 固定剂 |
| 10X PBS | Invitrogen | AM9625 | 缓冲液,用蒸馏水稀释至 1X |
| Triton-x 100 | Sigma-Aldrich | T8787-250ML | 去垢剂 |
| 叠氮化钠 | Sigma-Aldrich | S2002-25G | 抗菌剂 |
| 牛血清白蛋白 | Sigma-Aldrich | A9647-100G | 封闭试剂 |
| 带螺旋盖的 4 mL 玻璃小瓶 | Wheaton | 224742 | 染色用小瓶 |
| 用于繁殖缸的塑料网筛 | Pentair | N1670 | 裁剪成比繁殖缸底部各边均大 6 mm 的矩形。在矩形的每个角上裁去一个 6 mm 的正方形。将筛网四边向下弯折。在每个角的筛网两侧(上下)各放置一对 6 mm 的乙烯基涂层圆盘磁铁。筛网应尽可能紧贴缸壁。可用金属鱼网将筛网从缸中取出。 |
| 乙烯基涂层圆盘磁铁 | Kjmagnets | D84PC-AST | |
| New Life Spectrum Thera-A 颗粒鱼饲料 | New Life International | na | 成鱼饲料。该产品的零售商列表可在公司网站上获取 |
| 抗体 | |||
| 来自豚鼠的胰岛素抗体 | Dako | A0564 | 1:200 |
| 来自绵羊的胰高血糖素抗体 | Abcam | ab36215 | 1:200 |
| 来自小鼠的乙酰化微管蛋白抗体 | Sigma | T6793 | 1:500 |
| 来自小鼠的 HuD/HuC 抗体 | Life Technologies | A-21271 | 1:500 |
| 来自兔的氧化亚氮合酶(nNOS)抗体 | Abcam | ab106417 | 5μg/mL |
| 来自兔的胆碱乙酰转移酶(ChAT)抗体 | Abcam | ab178850 | 1:2000 |
| 来自兔的5-羟色胺(5HT)抗体 | Immunostar | 20080 | 1:500 |