神经干细胞/前体细胞表现出Notch信号通路组分的多种表达动态,从而导致细胞事件的不同结果。此类动态表达可通过高灵敏度的生物发光成像系统进行实时监测,而非静态分析,从而实现对基因表达快速变化的可视化观察。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
神经干细胞/前体细胞表现出Notch信号通路组分的多种表达动态,从而导致细胞事件的不同结果。此类动态表达可通过高灵敏度的生物发光成像系统进行实时监测,而非静态分析,从而实现对基因表达快速变化的可视化观察。
Notch 信号通路通过细胞间相互作用调控神经干细胞/前体细胞的维持。Notch 信号通路的组分呈现动态表达,其中信号效应因子 Hes1 和 Notch 配体 Delta-like1(Dll1)在神经干细胞/前体细胞中以振荡方式表达。由于这些基因振荡表达的周期非常短(2 小时),监测其周期性表达十分困难。为了研究基因表达或蛋白质动态的此类快速变化,需要响应速度快的报告系统。由于荧光素酶具有快速成熟动力学特性和高灵敏度,因此适用于在活细胞中监测基因表达的快速变化。我们采用了一种不稳定的荧光素酶报告系统来监测启动子活性,并使用荧光素酶融合报告系统在单细胞分辨率下可视化蛋白质动态。这些生物发光报告系统具有快速 turnover 特性,但产生的信号非常微弱;因此,我们开发了一种高灵敏度的生物发光成像系统,以检测此类微弱信号。这些方法使我们能够在活细胞和组织中监测多种基因表达动态,这些信息对于理解细胞的真实状态至关重要。
哺乳动物的大脑由大量不同类型的神经元和胶质细胞组成。所有这些细胞均起源于神经干细胞/前体细胞(NPCs),这些细胞首先通过增殖扩大数量,随后开始分化为神经元,最终产生胶质细胞1,2,3,4,5。一旦细胞分化为神经元,便不再具有增殖能力或增加其数量,因此维持NPCs至发育后期至关重要。通过细胞间相互作用介导的Notch信号通路在维持NPCs中发挥重要作用6,7。Notch配体与邻近细胞表面的膜蛋白Notch结合并激活该蛋白。激活后,Notch蛋白发生蛋白水解,从而将其胞内结构域(NICD)从细胞膜释放并进入细胞核8,9,10。在细胞核内,NICD结合到Hes1和Hes5(Hes1/5)基因的启动子区域,并激活这些基因的表达。Hes1/5抑制促神经基因Ascl1和Neurogenin1/2 (Neurog1/2)的表达11,12,13,14。由于促神经基因可诱导神经元分化,因此Hes1/5在维持NPCs中起关键作用。此外,由于促神经基因能够激活Notch配体Delta样蛋白1(Dll1)的表达,Hes1/5也同时抑制Dll1的表达。因此,Dll1的表达通过Notch信号导致邻近细胞不表达Dll1。通过这种方式,细胞抑制相邻细胞采取相同的命运决定,这一现象被称为侧向抑制8。在发育中的大脑中,侧向抑制有助于生成多种不同的细胞类型。
单细胞水平的实时成像揭示神经前体细胞中Notch信号通路组分的动态表达15,16,17Notch信号通路激活基因表达 Hes1,但 Hes1 蛋白会结合到自身的启动子上并抑制其自身表达。此外,Hes1 是一种极不稳定的蛋白,可通过泛素-蛋白酶体途径被降解;因此,其对自身启动子的抑制作用仅持续较短时间,随后转录再次启动。通过这种方式,Hes1 的表达呈现振荡模式。 Hes1 在2小时周期内,转录和翻译水平均发生振荡18Hes1的振荡表达反过来会诱导其下游靶基因(如)的振荡表达, Ascl1, Neurog2 和 Dll1 通过周期性抑制15,16,17,19尽管成神经基因能够诱导神经元分化,但其振荡性表达不足以引发神经元分化;相反,成神经基因的持续表达对于神经元分化至关重要。成神经基因的振荡性表达主要作用在于维持神经前体细胞(NPCs),而非诱导神经元分化。14,15,16的表达 Dll1 在各种形态发生过程中(如神经发生和体节发生),其转录和翻译水平均呈现振荡表达。这种动态表达模式 Dll1 对正常的形态发生至关重要,而 Dll1 的稳定表达异常会诱导神经发生和体节发生的缺陷17这些研究结果表明,基因表达动态和蛋白质动力学在调控多种发育事件中具有重要作用(即不同的表达动态会导致细胞行为产生不同的结果)。
为了分析 Notch 信号通路的动态变化,对组织和细胞进行静态分析是不够的,因为它们始终处于动态变化之中。单细胞实时成像是一种揭示基因表达动态的有力工具。Notch 信号分子的动态表达在 2–3 小时周期内表现出快速的振荡反应。这种快速周期性表达为实时监测带来了两个难题:(1)分子表达水平被抑制至很低;(2)快速的更新速率需要响应迅速的报告系统。为解决这些问题,我们此前开发了一种生物发光实时成像方法20。由于生物发光报告系统比荧光报告系统具有更高的灵敏度和更短的成熟时间,该策略使我们能够在活细胞中监测快速的动态变化。通过实时可视化观察,我们发现表现出动态表达的基因数量远超此前预期。此外,越来越多的研究报道了活细胞中基因表达与蛋白质动态变化的现象,并揭示了这些动态变化在多种生物学事件中的重要意义,提示基因表达的动态特性在生命活动中具有基础性作用21,22。
在本报告中,我们描述了一种在解离培养和皮层脑片培养中可视化观察神经前体细胞(NPCs)中Notch配体Dll1表达的方法。为了在单细胞水平监测Dll1基因的转录动态,我们建立了来源于携带pDll1-Ub-Fluc报告基因的转基因小鼠胚胎端脑的NPC解离培养体系,该报告基因由Dll1启动子驱动表达一种不稳定化的荧光素酶。为了在体内监测Dll1蛋白的动态变化,我们将Dll1-Fluc融合报告基因导入皮层中的NPCs,并在皮层脑片培养中观察该报告基因在NPCs中的表达情况。实时成像使我们能够以高时间分辨率捕捉活细胞中基因表达和蛋白质动态的各种特征。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
所有涉及动物受试者的实验程序均已获得京都大学前沿生命与医学科学研究所机构动物护理与使用委员会的批准。
1. 生物发光报告基因
注意:通过融合降解信号,荧光素酶报告基因适用于快速检测启动子活性的动态变化。此外,荧光素酶融合报告基因可实现对单细胞中蛋白质动态的监测。这两类报告基因系统均可用于单层培养(解离培养)和组织培养(切片培养)实验。
2. 生物发光成像系统
3. 神经干细胞/前体细胞(NPC)分离培养
4. 体内电穿孔
注意:此步骤用于将 Dll1-Fluc 报告基因导入神经前体细胞。
5. 发育皮层切片培养的制备及皮层切片中荧光素酶报告基因表达的可视化
6. 图像处理与分析
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
Hes1/7 基因的表达在多种细胞系以及体节发生过程中均表现出约2小时的振荡周期。此外,该振荡周期非常短,其mRNA和蛋白质均极为不稳定,半衰期约为20分钟。若使用响应缓慢的报告基因,则无法追踪如此快速的动态变化;而若使用稳定的报告基因,其产物会逐渐累积,无法反映基因表达的真实振荡情况。因此,报告基因必须能够快速降解,才能准确监测这类周期性表达基因的快速周转过程。为克服上述问题,我们采用荧光素酶报告系统来监测振荡基因的动态表达。由于生物发光报告系统的成熟时间短且灵敏度高,使其能够用于监测超日节律振荡器的快速动态变化。与荧光报告基因类似,荧光素酶报告基因也可通过与目标基因编码序列融合的方式,实时监测蛋白的表达动态(图1A、图2E 和 图3D)。荧光素酶融合基因产物在细胞内的表达、降解及转位动力学特性与内源性蛋白一致。此外,为监测振荡基因
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
Notch 信号通路的组分在体节发生过程中表现出同步的振荡性表达,而在神经发生过程中则呈现不同步的振荡,这导致在后一种情况下难以通过静态分析捕捉其表达动态。因此,需要实时监测以揭示 Notch 信号通路组分(如 Hes1 和 Dll1)的表达动态。由于 Hes1 和 Dll1 振荡表达的周期极短,约为 2–3 小时,因此需要响应迅速且不稳定的报告基因系统来监测其表达动态。为此,我们开发了生物发光报告基因与成像系统。荧光素酶报告基因具有快速成熟动力学和高灵敏度,可有效追踪此类周期性基因表达的快速转换过程。然而,报告基因的快速降解会导致产生的信号极为微弱。为了检测这些由生物发光报告基因产生的微弱信号,我们采用了一套优化的生物发光成像系统,包括一个高灵敏度、水冷式 CCD 相机,并配备超低读出速度(50 kHz),以将噪声降至最低。此外,高数值孔径(N.A.)的物镜使我们能够最大程度地收集来自不稳定化荧光素酶报告基因所释放的光信号。为了获得更高的灵敏度,我们通常使用较高的像素合并模式(例如 2 × 2、4 × 4、8 × 8),并保持长时间的曝光(例如 5–20 分钟)。...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
作者无利益冲突的财务关系。
感谢岩本由美子对视频制作的支持。我们还感谢石村彰宏在图像分析方面的讨论与支持,宫地仁志在转基因动物制备中的技术支持,以及来自奥林巴斯医疗科学的新庄裕司、江川正俊、石津拓也,以及安道尔日本的国滝欧因,他们在生物发光成像系统方面提供了技术支持与讨论。本研究得到了革新性科学技术研发项目(JPMJCR12W2)(R.K.)、文部科学省创新领域科学研究所助成金(MEXT 24116705 对 H.S.,MEXT 16H06480 对 R.K.)、日本学术振兴会科学研究费补助金(C类)(JSPS 18K06254)(H.S.)、武田基金会(R.K. 和 H.S.)以及日本文部科学省“生命系统动态解析平台”的资助。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 生物发光成像系统 | |||
| 冷却水循环器(冷水机) | Julabo | 型号:F12-ED | |
| 制冷CCD相机 | Andor Technology | 型号:iKon-M 934 | |
| 培养箱系统 | TOKAI HIT | 型号:INU-ONICS | |
| 倒置显微镜 | Olympus | 型号:IX81 | |
| 倒置显微镜 | Olympus | 型号:IX83 | |
| LED照明装置 | CoolLED | 型号:pE1 | |
| MetaMorph | MOLECULAR DEVICES | 型号:40000 | |
| 混合气体控制器 | Tokken | 型号:TK-MIGM OLO2 | |
| 物镜 | Olympus | 型号:UPLFLN 40X O | |
| 解剖前准备 | |||
| 解剖显微镜 | Nikon | 型号:SMZ-2B | |
| 荧光体视显微镜 | Leica | 型号:MZ16FA | |
| 精细镊子 | DUMONT | INOX No.5 | |
| 剪刀、显微剪刀 | |||
| 镊子 | |||
| 环形镊子 | |||
| 10 cm塑料培养皿 | greiner | 664160-013 | |
| 35 mm塑料培养皿 | greiner | 627160 | |
| PBS | Nacalai Tesque | 14249-24 | |
| DMEM/F12 | invitrogen | 11039-021 | |
| 神经前体细胞分离培养试剂 | |||
| B27添加剂 | invitrogen | 12587-010 | |
| bFGF | invitrogen | 13256-029 | 储存液:0.1% BSA/PBS中1 μg/ml |
| D-荧光素 | Nacalai Tesque | 01493-85 | 储存液:0.9%生理盐水中100 mM |
| DNase | Worthington Biochemical Corporation | LK003172 | 储存液:EBSS中1000 U/ml |
| EBSS | Worthington Biochemical Corporation | LK003188 | |
| 玻璃底培养皿 | IWAKI | 3910-035 | |
| N2添加剂(100倍浓缩) | invitrogen | 17502-048 | |
| N-乙酰半胱氨酸 | Sigma | A-9165-25G | |
| 木瓜蛋白酶 | Worthington Biochemical Corporation | LK003178 | 储存液:EBSS中7 U/ml |
| 青霉素/链霉素 | Nacalai Tesque | 09367-34 | |
| 聚-L-赖氨酸 | Sigma | P-6281 | 40 mg/ml溶于去离子水 |
| 子宫内电穿孔准备 | |||
| 50 ml注射器 | TERUMO | 181228T | |
| 电极 | Neppagene | 7 mm | |
| 电穿孔仪 | Neppagene | CUY21 EDIT | |
| 镊子 | |||
| 纱布 | Kawamoto co. | 7161 | |
| 微毛细管 | 自制 | ||
| PBS | Nacalai Tesque | 14249-24 | |
| 戊巴比妥 | Kyoritsuseiyaku | Somnopentyl | |
| 环形镊子 | |||
| 剪刀、显微剪刀 | |||
| 缝合针 | Akiyama MEDICAL MFG. CO | F17-40B2 | |
| 赛拉嗪 | Bayer | Seractal | |
| 脑片培养准备 | |||
| 10 cm塑料培养皿 | greiner | 664160-013 | |
| 35 mm塑料培养皿 | greiner | 627160 | |
| 培养插件 | Millipore | PICM01250 | |
| DMEM/F12 | invitrogen | 11039-021 | |
| 胎牛血清 | Sigma | 172012-500ML | |
| 精细镊子 | DUMONT | INOX No.5 | |
| 镊子 | |||
| 马血清 | Gibco | 16050-122 | |
| 显微手术刀 | Alcon | 19 Gauge V-Lance | |
| 多气体培养箱 | Panasonic | MCO-5MUV-PJ | |
| N2/B27培养基 | 自制 | 参见:神经前体细胞分离培养 | |
| PBS | Nacalai Tesque | 14249-24 | |
| 环形镊子 | |||
| 剪刀、显微剪刀 | |||
| 硅橡胶切割垫 | 自制 |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。